塑膠注射制品內(nèi)應(yīng)力的分析及控制

趙誠 趙曉博 張風(fēng)

摘要：注塑制品一個(gè)普遍存在的缺點(diǎn)是有內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的存在不僅是制件在儲(chǔ)存和使用中出現(xiàn)翹曲變形和開裂的重要原因，也是影響制件光學(xué)性能、電學(xué)性能、物理力學(xué)性能和表觀質(zhì)量的重要因素。本文針對(duì)內(nèi)應(yīng)力這個(gè)內(nèi)在的質(zhì)量問題展開分析，并提出控制的一些方法，希望對(duì)控制產(chǎn)品質(zhì)量的工程人員有所幫助和啟示。

關(guān)鍵詞：注塑;內(nèi)應(yīng)力;質(zhì)量問題

引言：在注塑加工過程中，注塑制品存在著一個(gè)內(nèi)在的質(zhì)量問題-內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的來源與所使用的塑料原料種類、注塑機(jī)的類型與塑化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模具的結(jié)構(gòu)及精度、塑料制品的結(jié)構(gòu)、注塑成型的工藝參數(shù)的設(shè)定及控制、生產(chǎn)環(huán)境及操作者的狀態(tài)等有關(guān)。其中任何一項(xiàng)出現(xiàn)問題，都將影響到制品的質(zhì)量。而且，由于制品的表面質(zhì)量是內(nèi)在質(zhì)量的反映，所以，凡是能引起制品內(nèi)在質(zhì)量的因素，都能同時(shí)引起制品的表面質(zhì)量及其他質(zhì)量問題，如引起制品的開裂、銀紋、翹曲、變形、力學(xué)強(qiáng)度降低，甚至失去使用價(jià)值等問題。

由于注塑過程中，除了引起制品翹曲變形的內(nèi)應(yīng)力可以直觀感覺到外，其它質(zhì)量問題不但用肉眼看不到，而且在短時(shí)間內(nèi)也沒有表露出來。所以注塑加工現(xiàn)場(chǎng)的工程人員對(duì)于這個(gè)問題一般不很重視，但是卻可能存在著很大的質(zhì)量隱患。

一、內(nèi)應(yīng)力的種類

注塑制品的內(nèi)應(yīng)力主要有以下四種：

1、溫度應(yīng)力：是制品冷卻時(shí)溫度不均產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)熔體進(jìn)入溫度較低的模具時(shí)，靠近模腔壁的熔體迅速地冷卻而固化。由于凝固的聚合物層導(dǎo)熱性很差，因而在制品厚度方向上產(chǎn)生較大的溫度梯度。先凝固的外層熔體要阻止后凝固的內(nèi)層熔體的收縮，結(jié)果在外層產(chǎn)生壓應(yīng)力（收縮應(yīng)力），內(nèi)層產(chǎn)生拉應(yīng)力（取向應(yīng)力）。另方面，因制品壁厚不均勻，冷卻速度不一致，從而產(chǎn)生冷卻溫度不均現(xiàn)象。

2、取向應(yīng)力：是制品內(nèi)部大分子取向產(chǎn)生的應(yīng)力。對(duì)于線形樹脂和纖維增強(qiáng)的塑料，在加工中最容易產(chǎn)生取向應(yīng)力。其結(jié)果，沿著流動(dòng)方向的分子取向程度最大，在速冷條件下，如果被拉直的分子鏈來不及松弛，則在該方向上產(chǎn)生了取向應(yīng)力。

3、收縮應(yīng)力：注塑過程中，塑料分子本身的平衡狀態(tài)受到破壞，并產(chǎn)生不平衡體積時(shí)的應(yīng)力。如結(jié)晶塑料的晶區(qū)與非晶區(qū)界面因收縮不均產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

4、脫模應(yīng)力：脫模時(shí)制品變形產(chǎn)生的應(yīng)力。這主要是模具加工精度較差和設(shè)計(jì)不合理造成，如脫模斜度不夠，頂針數(shù)量不夠或頂出不平衡等。

以上2至4類應(yīng)力可以歸納為成型應(yīng)力，是成型過程產(chǎn)生的應(yīng)力。一般注塑制品中同時(shí)都存在幾種應(yīng)力，制品的破壞，是由幾種應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

二、內(nèi)應(yīng)力對(duì)注塑制品的影響

制品中內(nèi)應(yīng)力的存在會(huì)嚴(yán)重影響到制品的力學(xué)性能和使用性能。它的存在將降低了制品對(duì)光、熱以及腐蝕介質(zhì)的抵抗能力。同時(shí)，制品在使用過程中將出現(xiàn)裂紋、不規(guī)則變形和翹曲，制品表面泛白、渾濁、光學(xué)性能下降等結(jié)果。

三、內(nèi)應(yīng)力的控制方法

1、減小溫度應(yīng)力的影響

如果在澆口封閉前維持模腔壓力，有利于提高制品密度，消除冷卻溫度應(yīng)力，但是在澆口附近會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。設(shè)法降低澆口處溫度，延長緩冷時(shí)間，有利于改善制品的應(yīng)力不均，使制品的機(jī)械性能均一。

熔體溫度的提高，不論對(duì)結(jié)晶型聚合物還是非結(jié)晶型聚合物都會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度的降低。對(duì)非結(jié)晶型聚合物，拉伸強(qiáng)度會(huì)因澆口的位置而異。當(dāng)澆口與充模方向一致時(shí)，拉伸強(qiáng)度隨熔體溫度提高而降低;當(dāng)澆口與充模方向垂直時(shí)，拉伸強(qiáng)度隨熔體溫度的提高而增加。

2、減小取向應(yīng)力的影響

高分子取向使制件內(nèi)存在著未松弛的高彈形變，主要集中在表層和澆口的附近，使這些地方存在著較大的取向應(yīng)力，用退火的方法可以消除制件的取向應(yīng)力。試驗(yàn)表明，提高加工溫度和模具溫度、降低注射壓力和注射速度、縮短注射時(shí)間和保壓時(shí)間都能在不同程度上使制件的取向應(yīng)力減小。

3、減小收縮應(yīng)力的影響

塑料制品如果在模內(nèi)散熱不好，冷熱不均（尤其對(duì)大制品而言），可能會(huì)使制品出現(xiàn)收縮差異，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，而使制品開裂。因此，模具的冷卻水道的布置應(yīng)盡量平衡。制品設(shè)計(jì)上，避免厚度相差很大的部位。因厚度相差很大的部位必然是冷卻速度不一，冷卻過程的收縮和結(jié)晶情形的不同，力學(xué)狀態(tài)也不同。

4、減小脫模應(yīng)力的影響

a、調(diào)整頂出裝置，如頂板、頂桿等，使之平衡動(dòng)作，避免作用力先后不一或傾斜歪曲頂出。

b、型腔、型芯要有適當(dāng)?shù)拿撃Ｐ倍?。?dāng)斜度不夠時(shí)，脫模困難，制品受的機(jī)械應(yīng)力過大而開裂。

c、型腔脫模面要有足夠的光潔度，甚至連拋光方向也應(yīng)盡量與料流方向一致。型芯部分的加強(qiáng)筋、柱子等應(yīng)有足夠的光潔度，使脫模順暢。

d、采用小澆口，保壓時(shí)間短，內(nèi)應(yīng)力小;用大流道，則注射壓力低，注射時(shí)間短，內(nèi)應(yīng)力小;澆口設(shè)計(jì)在制品的厚壁處，則注射壓力和保壓壓力低，內(nèi)應(yīng)力小。

e、調(diào)節(jié)好開模速度，避免高速撥模。

f、調(diào)節(jié)好模板的平行度及平穩(wěn)性。

g、在模面上施加適當(dāng)?shù)拿撃?，使脫模順暢?/p>

h、制品在模內(nèi)冷卻時(shí)間太短，未充分硬化即開模頂出，可能在頂桿周圍開裂。但冷卻時(shí)間過長，制品包貼在模芯上，頂出時(shí)由于脫模光潔度不夠或斜度不夠而發(fā)生頂白現(xiàn)象。

i、深腔制品應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣孔道，以免脫模時(shí)產(chǎn)生過大的負(fù)壓，影響塑料制品與模具的分離。必要時(shí)，通過進(jìn)氣孔道向模具和制品之間吹入壓縮空氣有助于脫模。、

5、制品壁厚

制品壁厚是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮的重要因素。不合理的壁厚會(huì)給制品帶來很多缺陷。增加壁厚既可改善樹脂的充模特性，又可降低取向應(yīng)力，減少變形，提高制品強(qiáng)度。但同時(shí)收縮加大，保壓和冷卻時(shí)間加長，生產(chǎn)效率降低，消耗材料多。較大的收縮應(yīng)力還將造成制品表面產(chǎn)生凹陷或內(nèi)部出現(xiàn)縮孔與氣泡，既影響外觀又降低了強(qiáng)度。增加壁厚的同時(shí)也增加了制品的表面積，表面積與體積之比越大，表面冷卻越快，取向應(yīng)力和體積溫度應(yīng)力都隨之增大。如果制品壁太薄，會(huì)降低強(qiáng)度，脫模時(shí)易破裂，還有礙于樹脂的充模流動(dòng)，造成填充不足或出現(xiàn)明顯的熔合紋，嚴(yán)重影響制品質(zhì)量。每種塑料根據(jù)充模能力都有一個(gè)最小壁厚。確定壁厚時(shí)在滿足強(qiáng)度要求的前提下，壁厚盡量取薄些，可節(jié)省材料，減輕制品重量，降低成本，但不能小于最小壁厚。ABS常用的標(biāo)準(zhǔn)壁厚為1.2～3.5mm。壁厚設(shè)計(jì)還應(yīng)注意均勻一致，否則將會(huì)由于收縮應(yīng)力引起制品的翹曲變形。同一制品中，若必須存在壁厚相差較大的情況時(shí)，連接處應(yīng)逐漸過渡，避免截面的突變。

6、材料選用

某些剛性大的塑料（如PC、PS塑料），本身不適合作脫模有困難的制品，而且容易出現(xiàn)應(yīng)力開裂，所以應(yīng)注意。一般非結(jié)晶型樹脂比結(jié)晶型樹脂容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力而引起裂紋，也應(yīng)注意。

塑料再生次數(shù)太多或再生料含量太高，或料在料筒內(nèi)加熱時(shí)間太長，都會(huì)促使制品脆裂。塑料分子量每成形一次，當(dāng)降到某一數(shù)值下，其耐沖擊強(qiáng)度急劇降低而變脆。

有些塑料在受潮狀況下加熱，會(huì)與水汽發(fā)生催化裂化反應(yīng)，形成的降解產(chǎn)物和氣態(tài)物質(zhì)，除了影響制品外觀外，還使制品發(fā)生大的應(yīng)變，較小的殘余應(yīng)力就可以使出模后的制品產(chǎn)生開裂。

有些塑料本身質(zhì)量不佳，例如分子量分布大，塑料受到污染，也是造成開裂的原因。

四、內(nèi)應(yīng)力的檢驗(yàn)和消除

1、檢驗(yàn)方法： 溶劑法

PS：在室溫下用煤油處理。

PC、PS、聚砜、PPO：用四氯化硅溶劑處理，20秒內(nèi)若制品開裂，說明內(nèi)應(yīng)力大。

POM：30%鹽酸溶液中浸30min。

ABS：浸入冰醋酸溶液中30秒至兩分鐘。

PP：在80℃下，用63%（重量百分比）的三氧化鉻與水的混合物處理。

2、熱處理方法：有開裂傾向的塑料制品，可以用退火熱處理方法來消除制品內(nèi)應(yīng)力，從而減小裂紋的生成。

POM 空氣浴退火：140～150℃×壁厚每增5mm即增加40～60min;

油浴退火：140～150℃×壁厚每增5mm即增加20～30min。

PBT 120℃×1～2h 。

PC 110～135℃×?xí)r間根據(jù)厚度定。

聚砜 170～180℃×2～4h 。

PMMA 70～80℃×4h 。

ABS 65～75℃×2～4h 。

PS 介質(zhì)為熱空氣或熱水：60～70℃×30～60min（厚度≤6mm）;70～80℃×120～300min（厚度≤6mm）。

正確選用加熱介質(zhì)對(duì)熱處理效果很重要。用空氣作為加熱介質(zhì)，有操作簡便和處理后不需要清洗等優(yōu)點(diǎn)。例如ABS塑料在65～75℃空氣中處理2～4小時(shí)效果良好。但空氣熱傳導(dǎo)效率低，容易引起尼龍類和聚甲醛等塑料氧化變色。高沸點(diǎn)油作為熱處理介質(zhì)有傳熱快、制件加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，但操作比較麻煩，而且處理后的制件上存留的油斑有時(shí)很難除去。吸水性強(qiáng)的尼龍類塑料制件用水或乙酸鉀的水溶液（沸點(diǎn)121℃）作熱處理介質(zhì)比較好。用這種介質(zhì)既有利于防止制件在熱處理過程中氧化變色，又能使其加速達(dá)到吸濕平衡。

熱處理有時(shí)不一定能達(dá)到理想的效果，只能作為一種輔助工序，完全依靠熱處理防止應(yīng)力開裂的做法不可靠。必須從影響注塑制品內(nèi)應(yīng)力的幾個(gè)主要因素方面采取有效措施，結(jié)合熱處理方法才能取得滿意效果。

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