覆革ABS吸塑件應(yīng)力開裂分析

楊詩潤 楊冰 黃軍， 程濤

（1.隨州市眾星汽車內(nèi)飾件有限責(zé)任公司，湖北 隨州，441300；2.湖北省齊星汽車車身股份有限公司，湖北 隨州，441300）

丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）將聚苯乙烯（PS）、苯乙烯－丙烯腈共聚物（SAN）和丁二烯－苯乙烯共聚物（BS）的各種性能有機(jī)地統(tǒng)一起來，兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能。聚氯乙烯（PVC）人造革近似天然皮革，具有柔軟、耐磨、阻燃、表面花色設(shè)計自由度大等特點，將其與ABS片材制成覆革ABS板材更是性能、外觀、舒適和環(huán)保的完美統(tǒng)一。

但ABS在制品加工過程中容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力以及PVC在低溫狀態(tài)下形成玻璃體的特性使PVC革變硬變脆的問題［1－2］。通過對ABS吸塑件的開裂特征［3］分析發(fā)現(xiàn)，覆革ABS吸塑板材開裂的原因為ABS板在低溫條件下的應(yīng)力開裂行為，開裂能量以動能形式釋放，進(jìn)而引發(fā)低溫呈脆性的薄PVC革開裂。覆革ABS板材的應(yīng)力開裂行為主要與ABS板材的應(yīng)力開裂有關(guān)，因此現(xiàn)主要從ABS材料的吸塑成型過程、制品結(jié)構(gòu)設(shè)計和微裂紋方面分析應(yīng)力開裂產(chǎn)生的原因，從而找到解決應(yīng)力開裂問題的方法。

1 試驗部分

1.1 主要原料及設(shè)備

1）主要厚料：冰乙酸，煙臺市雙雙化工有限公司，分析純，乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.5%；覆革ABS板，湖北隨州凱威高分子材料有限公司（ABS性能如表1）。

表1 ABS的力學(xué)性能

2）主要設(shè)備：吸塑模具、烘烤箱，自制；萬能拉伸試驗機(jī)，WDW型，濟(jì)南鑫光試驗機(jī)制造有限公司；啞鈴型制樣機(jī)（帶夾具），XYZ系列，承德市金建檢測儀器有限公司；高低溫交變試驗箱，GDJS－150型，無錫市蘇德試驗設(shè)備有限公司。

1.2 試樣制備

1）吸塑件的制備：用夾具將裁剪好的覆革ABS板材放入烘烤箱中，在180℃下烘烤190s，再將烘烤好的板材取出放在已清理干凈的模具上固定，開啟負(fù)壓吸塑成型（吸合負(fù)壓為2.026 kPa），冷卻定型5min后取出，裁剪得到成品。

2）拉伸性能測試標(biāo)準(zhǔn)樣條：分別由吸塑前的覆革ABS板材和吸塑件中間裁剪的較大塊邊料裁剪后，再用啞鈴型制樣機(jī)制得。

3）應(yīng)力測試試樣：由吸塑前的覆革ABS板材和吸塑件中間裁剪的較大塊邊料裁剪所得，其中受力作用的試樣是在待測板材上先鉆4個直徑4mm的孔，再旋入4個直徑5mm的自攻絲。

1.3 性能測試

1）拉伸性能按GB／T 1040—2006測試。

2）應(yīng)力開裂測試。①覆革ABS樣板材料的測試：在25℃下用冰乙酸浸泡3min后，觀測樣板的應(yīng)力開裂情況。②受力作用的試樣測試：在25℃下用冰乙酸浸泡帶自攻絲的覆革ABS板測試樣，測試樣從放入冰乙酸到出現(xiàn)裂紋的時間，記為開裂時間。

3）低溫測試：將測試樣板和吸塑產(chǎn)品在－50℃，24h下觀察是否發(fā)生開裂。

2 結(jié)果與討論

2.1 ABS板材對應(yīng)力開裂的影響

對于無定形聚合物是否存在發(fā)生應(yīng)力開裂行為的隱患，可通過溶劑法來檢驗，其原理是由于敏感化學(xué)溶劑對聚合物起到一定的增塑作用，降低了材料的拉伸屈服強(qiáng)度，使蠕變過程更容易發(fā)生，制品凍結(jié)的內(nèi)應(yīng)力釋放出來，進(jìn)而發(fā)生銀紋甚至開裂現(xiàn)象［4－6］。對于ABS制品而言，一般采用冰乙酸來檢驗內(nèi)應(yīng)力，通常制品開裂的時間越短，程度越嚴(yán)重，其內(nèi)應(yīng)力越大。

由于ABS板材較薄，不適合做沖擊試驗，故以斷裂伸長率間接評價板材的沖擊韌性。一般認(rèn)為，斷裂伸長率越大，材料的韌性越好。表2是ABS板材的拉伸性能，圖1是不同覆革ABS板材的應(yīng)力測試情況。

表2 ABS板材吸塑前的拉伸性能

圖1 ABS板材吸塑前在冰乙酸中浸泡后的形貌

從圖1（a）和（b）對比看出，采用ABS 532制成的板材可明顯地改善覆革ABS板材的應(yīng)力開裂行為。由表1和表2知，ABS 532的韌性和拉伸屈服強(qiáng)度優(yōu)于ABS 510材料的，尤其是韌性方面。這主要是因為原材料韌性的提高，增加了ABS板材的韌性，更有利于減緩板材內(nèi)部分子鏈的取向應(yīng)力。另外，板材拉伸屈服強(qiáng)度的提高有利于改善應(yīng)力開裂行為，這與Wright［4］的研究結(jié)果是一致的。在生產(chǎn)應(yīng)用中，板材生產(chǎn)商通常會在原材料中添加一定比例的ABS回料來降低生產(chǎn)成本。從圖1（c）和（d）對比看出，降低ABS回料的添加比例，可改善ABS板材的應(yīng)力開裂行為，因為回料比例的減小，使ABS相對分子質(zhì)量相對較高，分布更窄，進(jìn)而板材的拉伸屈服強(qiáng)度和韌性得到提高（如表2），抗應(yīng)力開裂的能力增強(qiáng)。

從圖1（d）中可發(fā)現(xiàn)ABS板材表面出現(xiàn)很多大小不一的白點，說明材料內(nèi)部存在缺陷，這些缺陷即為應(yīng)力集中物，包括填料團(tuán)聚體、裂縫、孔隙、銀紋和雜質(zhì)等［7］。通過與板材生產(chǎn)廠家商議，提高材料的干燥度，減小回料的顆粒和濾網(wǎng)孔大小等，最終解決了材料（確定ABS 532添加不超過質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的回收料）對覆革ABS板應(yīng)力開裂影響的問題。

2.2 成型過程對應(yīng)力開裂的影響

成型過程引起的殘余應(yīng)力與聚合物應(yīng)力開裂行為密切相關(guān)，一般認(rèn)為制品開裂行為是在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的［8］。覆革ABS板材在吸塑成型的二維拉伸和冷卻過程中，由于ABS板材相對較厚，遠(yuǎn)離模具的表層拉伸程度相對靠近模具的里層較小，并且表層先固化，芯層和里層發(fā)生非均勻冷卻固化，從而在ABS板材表層產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力以及在板材厚度方向上產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力（覆革ABS板示意如圖2）。而PVC薄革貼緊模具，里外層固化定型可認(rèn)為是同步進(jìn)行，且PVC分子鏈相對較短，柔順性好，因此PVC薄革內(nèi)部的殘留應(yīng)力是非常次要的，吸塑件開裂是由ABS板材應(yīng)力引起的。

圖2 覆革ABS板的組成結(jié)構(gòu)示意

表3是ABS板材的拉伸性能。由表3可知，與吸塑前相比，吸塑后未經(jīng)退火處理的ABS板材拉伸性能下降，說明吸塑后的板材內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力，而經(jīng)過退火處理后，拉伸性能明顯得到改善。表4是吸塑件試樣經(jīng)退火處理后的應(yīng)力測試情況（退火條件80℃，2h）。由表4可看出退火處理能夠明顯地減小吸塑件的成型應(yīng)力，抗開裂能力增強(qiáng)，因為退火處理降低了ABS板材成型后的殘留應(yīng)力。

表3 ABS板材的拉伸性能

表4 覆革ABS板材吸塑成型后在冰乙酸中的浸泡情況

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對應(yīng)力開裂的影響

覆革ABS吸塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理（如鉆孔位置雜亂，拐角尖銳、拉伸比過大等），成型裝配后易造成應(yīng)力集中于某一個部位，當(dāng)其所受到的外應(yīng)力高于材料的實際強(qiáng)度時，制品就會發(fā)生開裂。解決的辦法是合理安排鉆孔位置，盡量呈對稱分布；拐角采用圓弧角過渡，一般要求倒角半徑大于5mm；采用小的拉伸比，避免厚度不均產(chǎn)生應(yīng)力集中，覆革ABS吸塑件最小厚度要求達(dá)到2.5mm。

圖3是某項目的內(nèi)飾側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖3（a）中開窗結(jié)構(gòu)四角尖銳，易造成應(yīng)力集中，左右的鉆孔與車身固定，并在其上裝配安全帶，造成覆革ABS件受到較大的擠壓和拉伸應(yīng)力，使制品存在開裂和安全的隱患，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)過更改后［如圖3（b）］，產(chǎn)品在固定受力的情況下進(jìn)行低溫試驗，未出現(xiàn)開裂行為，從而增加了安全系數(shù)，獲得了客戶的好評。

圖3 內(nèi)飾側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4 微裂紋對應(yīng)力開裂的影響

覆革ABS吸塑件上微裂紋的產(chǎn)生主要發(fā)生在產(chǎn)品后續(xù)的工裝操作（如裁剪、鉆孔、開槽、開窗口以及后續(xù)的內(nèi)飾件裝配等）過程中。工裝操作不當(dāng)易在產(chǎn)品內(nèi)部或外部產(chǎn)生宏觀或微觀上的微裂紋，微裂紋成為應(yīng)力集中點，會增加板材的開裂幾率。另外吸塑件在裝配過程中，常因裝配孔的微小錯位而受到拉伸應(yīng)力或彎曲應(yīng)力。雖然在常溫狀態(tài)下，ABS對缺口基本不敏感［9］，但在低溫條件下，板材表現(xiàn)出明顯的脆性，內(nèi)應(yīng)力或外應(yīng)力或這2種應(yīng)力的共同作用驅(qū)使產(chǎn)品在應(yīng)力集中點處開裂，蔓延，直至出現(xiàn)宏觀性的破壞。解決問題的辦法是盡量采用設(shè)備操作，減少裂紋源；規(guī)范吸塑件與車身本體的安裝孔位，避免吸塑件受過大的外應(yīng)力（如拉伸、壓縮和擠壓應(yīng)力等）。

3 結(jié)論

ABS制品的應(yīng)力開裂是一個常見的質(zhì)量問題，通過試驗研究，總結(jié)出原材料、成型過程、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和微裂紋對ABS吸塑件應(yīng)力開裂的影響較大，提出選用韌性優(yōu)異的ABS原材料、合適的回料添加比例，制品退火處理，合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計以及正確的工裝操作可有效地解決ABS吸塑件的應(yīng)力開裂問題。

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