影響塑料制品內(nèi)應(yīng)力的因素分析

蔡濤

摘 要：本文主要講了塑料制品內(nèi)應(yīng)力生成的原理，并且介紹了對(duì)它產(chǎn)生影響的高聚物的結(jié)構(gòu)和其成型條件，并提出了如何將工業(yè)技術(shù)優(yōu)化來(lái)對(duì)塑料品的內(nèi)應(yīng)力大幅度降低。

關(guān)鍵詞：注塑；制品；內(nèi)應(yīng)力；因素；原理

中圖分類號(hào)：TQ320 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

當(dāng)今時(shí)代下社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)都對(duì)于塑料制品進(jìn)行著大肆應(yīng)用，比如說(shuō)電器、汽車，又或者是食品行業(yè)，但是因?yàn)楹芏嗟淖⑸漕愃芰掀范疾煌潭鹊挠兄恍堄鄡?nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致了注射類塑料品在使用和保存的時(shí)候產(chǎn)生了異變，比如說(shuō)收縮變形、斷裂扭曲等等，這極大的縮短了塑料制品使用壽命。故塑料制品的內(nèi)應(yīng)力成了大家想去了解和解決的新話題，我這里主要?dú)w納總結(jié)這部分一些研究成果。

注射類塑料制品中的殘余內(nèi)應(yīng)力分為三類：非均勻收縮應(yīng)力、分子取向凍結(jié)應(yīng)力、構(gòu)型體積應(yīng)變應(yīng)力。注射制品中內(nèi)應(yīng)力大小受到兩方面影響：高聚物分子的結(jié)構(gòu)和加工注射成型的工藝水平。其中第一類和第三類的消除方式用熱處理的退火方式，這個(gè)比較容易，第二類的消除方式則是提高注射工藝水平，因?yàn)檫@是注射過(guò)程中形成的，原理是減少高分子取向，降低脆性從而降低內(nèi)應(yīng)力，最終得到塑料制品的穩(wěn)定性和長(zhǎng)久性。

1 內(nèi)應(yīng)力生成的原理

1.1 影響制品內(nèi)應(yīng)力的高聚物分子結(jié)構(gòu)

分子結(jié)構(gòu)對(duì)注塑件內(nèi)應(yīng)力的大小與分布有影響。會(huì)影響塑料的殘余應(yīng)力有分子鏈的硬度、相互關(guān)系，取代基在分子鏈上的大小、極端性。在高彈形變的外力受力過(guò)程中，由于分子鏈剛性大，流動(dòng)性差、溶度高和高聚物分子活性差，會(huì)導(dǎo)致高聚物的熵減少，改變之后具有不穩(wěn)定性，所以會(huì)隨著外力減小直到消失恢復(fù)原狀，變成分子活性較差不能快速?gòu)?fù)原的帶有殘余內(nèi)應(yīng)力的制品。增加分子之間的作用關(guān)系可以讓分子結(jié)合的更好并增強(qiáng)分子鏈剛性，分子鏈中有羰基、酯基、以及苯撐基、腈基更容易結(jié)合。表1展現(xiàn)了高聚物分子鏈剛性品的內(nèi)應(yīng)力狀況。

1.2 非均勻收縮應(yīng)力

非均勻收縮應(yīng)力產(chǎn)生是高溫熔體進(jìn)入低于熔體溫度的型腔，與其接觸的表面降溫迅速，內(nèi)部降溫緩慢，芯收縮率就低，內(nèi)外收縮程度的不同最后從而產(chǎn)生了不同溫度層次，所以表面受拉應(yīng)力，外部受壓應(yīng)力。不過(guò)在現(xiàn)實(shí)生活中，開始階段一般內(nèi)部芯溫度高于外部不容易產(chǎn)生非均勻收縮，但是隨著溫度不斷的改變，內(nèi)部就會(huì)緊縮，外部表層就會(huì)阻礙內(nèi)部收縮，從而達(dá)到表層壓力，內(nèi)部受拉的相反狀態(tài)。這個(gè)是因?yàn)樗芰现破返膬?nèi)外不均勻的收縮率造成的，解決方法比較常見，就是簡(jiǎn)單的退火方法就好。

1.3 分子取向凍結(jié)應(yīng)力

造成熔體層與層之間速度梯度的存在有兩種原因：一是由于高聚物熔體黏度強(qiáng)，流速程度變化不同會(huì)使熔體與其壁內(nèi)出現(xiàn)曳力，產(chǎn)生特定方向。二是流道內(nèi)壁的溫度會(huì)對(duì)外部黏度產(chǎn)生反作用，高聚物在外部和中心的流速不對(duì)稱，這會(huì)使層之間產(chǎn)生不同的梯度。這會(huì)讓熔體內(nèi)部層之間受到剪切應(yīng)力的作用，一般由厚度大小決定位置，這算是一種強(qiáng)制改變分子方向和彈力的外力。熔體的降溫冷卻會(huì)讓一部分變形，另一部分則是成為殘余變形取向固定下來(lái)成為應(yīng)力。凍結(jié)應(yīng)力則是是制品變形的原因，收縮能力的制約就好比拉力作用的體現(xiàn)，制品的降溫冷卻是從外到內(nèi)的，厚度不同，變形不均，表面的收縮限制就是好比內(nèi)部受到壓力外部受到拉力，最終變型不均衡。

1.4 構(gòu)型應(yīng)力

構(gòu)型能力，在高聚物溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)，熵和體積于熱力學(xué)條件下不具有平衡狀態(tài)時(shí)的狀況下產(chǎn)生的應(yīng)力處于一般地位。

2 不同成型條件對(duì)注塑件內(nèi)應(yīng)力的影響

2.1 料溫的影響

對(duì)注塑品而言，料溫對(duì)其質(zhì)量影響巨大，一般來(lái)說(shuō)，料筒最后位置的最高溫度，不能低過(guò)Tf，也要大于Tm。不過(guò)，一定不能超過(guò)Td（高聚物進(jìn)行分解時(shí)所需的溫度）。溫度較高時(shí)，物料開始進(jìn)行塑化。此時(shí)，熔體的粘度降低，流動(dòng)程度加強(qiáng)，整個(gè)型腔都填充上了物料。在熔體通過(guò)型腔時(shí)，基本上不會(huì)出現(xiàn)較大的分子取向力。就結(jié)晶高聚物而言，如果溫度比較大，則制品不同位置出現(xiàn)相同的結(jié)晶情況，如此一來(lái)，能夠規(guī)避因?yàn)榻Y(jié)晶不一致而出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。如果溫度不高，則高聚物的粘度就會(huì)下降，流動(dòng)程度不高，進(jìn)行充模時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的分子取向，采取冷卻處理后，還會(huì)出現(xiàn)較高的殘余應(yīng)力。不過(guò)，如果物料的溫度太高的話，因?yàn)闊o(wú)法進(jìn)行全面的冷卻處理，脫模難度比較大，將會(huì)出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。

料溫的制定需要對(duì)制品與模具有清晰認(rèn)識(shí)和了解。薄壁制品的成型不應(yīng)使用較高溫度提高流厚壁制品的成型需要選擇低料溫，這是由于需要冷卻的時(shí)間周期長(zhǎng)決定的。注塑機(jī)的噴嘴溫度對(duì)成型分子會(huì)產(chǎn)生影響，溫度過(guò)高則流涎，溫度過(guò)低則內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。

2.2 成型壓力的影響

注塑制品內(nèi)應(yīng)力大小的成型壓力影響原因有三個(gè)：注射壓力，保壓壓力和塑化壓力，其中塑化影響最小。注射壓力是推動(dòng)熔體進(jìn)入型腔形成制品的主要推動(dòng)力，它的大小對(duì)其影響頗深，尤其是熔體流動(dòng)和分子取向，壓力高剪切力大應(yīng)力機(jī)會(huì)大成正比，壓力低填充不足也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。消除高壓力制品的內(nèi)應(yīng)力一般使用退火處理。因?yàn)橹破返淖罱K成型所包含的殘余應(yīng)力是由澆口中的壓力大小決定的，所以保壓壓力和注射壓力的分子取向不同，保壓壓力更大。

保壓壓力制品在壓力高和低，長(zhǎng)和短是有明顯的缺陷。高和長(zhǎng)的時(shí)候內(nèi)應(yīng)力容易增加，分子有強(qiáng)迫取向，低和短時(shí)容易出現(xiàn)凹陷和氣泡，性能差。所以一般壓力稍微高一點(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)的話，注塑制品質(zhì)量會(huì)更好一點(diǎn)。但是最重要的一點(diǎn)就是保壓時(shí)間和壓力是因材料不同而不同的，厚件物品一般采用較長(zhǎng)時(shí)間和較高壓力來(lái)完成制品，其他的要依照形狀或者是塑料性質(zhì)等具體分析具體把握。

2.3 模溫的影響

若模的溫度不高，熔體填充模具過(guò)程中，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行冷卻，對(duì)聚合物而言，將出現(xiàn)較強(qiáng)的取向作用力，制作出來(lái)的產(chǎn)品存在較高的內(nèi)應(yīng)力；或模具受熱不均勻，物料填充完畢后，無(wú)法進(jìn)行均勻的冷卻處理，從而造成不同部位收縮不均，從而出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。尤其是厚壁注塑品，熔體進(jìn)入模具的時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)行冷卻時(shí)用時(shí)較多，或者是溫度太低，都會(huì)造成內(nèi)容出現(xiàn)真空泡，或者出現(xiàn)內(nèi)部收縮；同時(shí)，由于出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，對(duì)厚壁制品進(jìn)行冷卻時(shí)，通常用較高的模溫進(jìn)行。若模具的溫度較大時(shí)，能夠促進(jìn)聚集物分子進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。模具的溫度對(duì)結(jié)晶高聚物的結(jié)晶具有巨大影響。一般來(lái)說(shuō)，其結(jié)晶包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是主期結(jié)晶環(huán)節(jié)，二是次級(jí)結(jié)晶環(huán)節(jié)。在主期結(jié)晶的基礎(chǔ)上，對(duì)部分剩余的非晶體以及未完全進(jìn)行結(jié)晶的部分進(jìn)一步結(jié)晶處理，從而讓晶粒緊密結(jié)合在一起，進(jìn)一步填補(bǔ)或消除晶內(nèi)缺陷，讓結(jié)晶變得更加完美，這個(gè)過(guò)程叫做次級(jí)結(jié)晶。而模具的溫度對(duì)其能夠產(chǎn)生巨大影響。如果模具溫度較高，能夠促進(jìn)次級(jí)結(jié)晶，有對(duì)大分子松弛也有幫助，從而有利于熔體的分解，從而進(jìn)一步進(jìn)行再次結(jié)晶，且不會(huì)出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力。不過(guò)，如果模具的溫度過(guò)大，則冷卻用時(shí)較長(zhǎng)，注射時(shí)間也會(huì)更多，大大降低了生產(chǎn)效率。

2.4 嵌件預(yù)熱

進(jìn)行注塑成型時(shí)，因?yàn)樾枰紤]裝配和強(qiáng)度方面的影響，一般而言，需把金屬鑲嵌于制品內(nèi)。不過(guò)，必須進(jìn)行前期預(yù)熱方可進(jìn)行嵌入，特別是體積相對(duì)龐大的嵌入物件，必須進(jìn)行預(yù)熱處理，從而在進(jìn)行冷卻處理時(shí)，讓金屬與塑料擁有相對(duì)接近的收縮值，減少了因?yàn)榻饘俸退芰蠠崤蛎浵禂?shù)不一樣的影響，進(jìn)而降低由此引起的收縮應(yīng)力。預(yù)熱時(shí)，溫度不能過(guò)高，以確保金屬嵌件的鍍層不受毀損為基準(zhǔn)，通常在100℃～130℃。不過(guò)，如果是鋁合金材料，或者是銅質(zhì)的嵌入材料，則預(yù)熱溫度要高些，達(dá)到150℃。

參考文獻(xiàn)

[1]吳利英.熱塑性塑料注塑制品內(nèi)應(yīng)力分析[J].塑料科技，2001（01）：28-33.