新型高分子材料透明制品內(nèi)應力分布檢測裝置的研制

陳金偉 ，楊鈴 ，吳麗旋 ，翁秋仙 ，梁向 ，湯鍶琪 ，蘇似鑫

(1.廣東輕工職業(yè)技術學院輕化工技術學院，廣州 510300；2.廣東輕工職業(yè)技術學院，廣東高校高分子材料加工工程技術開發(fā)中心，廣州 510300)

高分子材料作為現(xiàn)代工業(yè)和高新技術產(chǎn)業(yè)的重要基石，已經(jīng)發(fā)展成為我國國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)和國家安全必不可少的材料。目前許多高分子材料透明制品已經(jīng)被廣泛應用到日常生活中，如手機屏幕、光學鏡片、飲料瓶等。日常使用的高分子材料制品普遍存在內(nèi)應力，而內(nèi)應力分布不均勻或過大均會使制品產(chǎn)生翹曲變形或應力開裂的缺陷，從而影響制品的正常使用[1–4]。制品產(chǎn)生內(nèi)應力的原因是加熱熔融后的物料在加工過程中受到很多因素影響而致使制品內(nèi)部產(chǎn)生不同的應力分布[5–8]。我們知道目前消費者對于制品品質(zhì)要求越來越高，迫切需要對制品內(nèi)應力進行全面深入研究，但內(nèi)應力的可視化表征為研究開展帶來了較大阻礙，而針對內(nèi)應力可視化表征手段開發(fā)及利用可視化手段進行內(nèi)應力變化規(guī)律方面的研究卻又鮮見報道。針對以上問題本課題組研制了一種新型內(nèi)應力檢測裝置，并利用該檢測裝置對不同注射工藝參數(shù)條件下聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)制品內(nèi)應力分布規(guī)律進行了實驗研究。此外，PS 及PC 均屬于通用型材料，廣泛應用于塑料制品的生產(chǎn)中，因此研究不同工藝條件下該類材料制品的內(nèi)應力分布規(guī)律本身亦具有較好的現(xiàn)實及經(jīng)濟意義。

1 高分子材料透明制品內(nèi)應力檢測裝置的研制

1．1 檢測裝置原理

根據(jù)已有研究成果[9–14]，應力會造成物體出現(xiàn)雙折射效應(光彈效應)，針對透明物品(晶體)可通過偏振光干涉色法可以將該雙折射效應展示出來，其原理如圖1 所示。

圖1 偏振光干涉色法原理

起偏振器和檢偏振器主平面互相垂直，如果不放被測對象在起偏振器和檢偏振器之間，則由檢偏振器觀察到的是全暗視場，或者稱其為消光視場；如果放在中間的是沒有雙折射效應的被測物體時，則看到的同樣會是全暗視場；若在中間放置有應力雙折射現(xiàn)象的被測物體，則經(jīng)過起偏振器后的偏振光在該物體內(nèi)形成具有一定光程差的尋常光與非常光，通過檢偏振器則可在被測物體表現(xiàn)觀察到干涉色，如圖2 所示，透明塑料盒的干涉色，圖中所示彩色條紋即可表明制品內(nèi)部應力的分布狀況，從而讓無法肉眼觀察到的內(nèi)應力實現(xiàn)可視化，使內(nèi)應力“無可遁形”。

圖2 在透明高分子材料制品表面的內(nèi)應力分布條紋

1．2 檢測裝置的研制

針對檢測及表征透明高分子材料制品內(nèi)部殘余應力即內(nèi)應力的問題，利用材料自身應力雙折射即光彈效應的性質(zhì)并利用偏振光干涉色法，開發(fā)研制出一種新型透明制品內(nèi)應力檢測儀器，能夠以彩色干涉條紋圖案將高分子材料透明制品內(nèi)部應力進行“可視化”表征出來，從而實現(xiàn)快速地檢測與表征透明高分子材料制品的內(nèi)應力，該裝置整體結構裝配圖，如圖3 所示。

圖3 新型高分子材料透明制品內(nèi)應力檢測裝置

該檢測裝置在結構設計上呈長方體形，該裝置主要部件由上下兩塊偏振光片、光源箱體和帶有WiFi 功能的在線成像系統(tǒng)組成。儀器兩邊設計有兩個手柄，方便搬運；底部支撐腳采用弧形墊腳設計，增加了裝置的穩(wěn)定性。整個裝置采用高品質(zhì)鋁合金制成。該裝置具有應用快速便捷、操作簡單和在線實時成像等優(yōu)點，且該檢測裝置應用范圍廣，可以用于醫(yī)療制品、汽車制造、食品飲料包裝、高端光學制品等存在大量透明制品的行業(yè)。目前該裝置已經(jīng)獲得專利授權。

該裝置使用方法非常簡單快捷，步驟如下：

(1)首先接通電源，并打開燈光開關，此時整個視野將是暗視場。

(2)將樣品置于下偏振片上，通過上部的偏振片觀察制品：存在應力的部位顯示彩色條紋，沒有應力的部位將保持不變色；有彩色條紋較深的位置，是應力比較多的集中區(qū)，因此可以觀測到應力在制品上的大小及分布情況。

(3)利用成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線實時拍照，通過該系統(tǒng)自帶WIFI 可實現(xiàn)檢測結果的互聯(lián)網(wǎng)傳送。

1．3 檢測裝置的創(chuàng)新點

該檢測裝置的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)應用方面：具有快速便捷、無損制品功能的特點。檢測結果可以立即得出，減少了等待和分析的時間，只需要通過肉眼的觀察即可判斷檢驗結果，由此可應用于各個需要檢測透明塑料制品的行業(yè)。另外檢測時不需要破壞制品，對被檢對象不會造成任何功能破壞，屬于無損檢測。

(2)操作方面：具有簡單易用、檢測成本低廉等特點，用于應力分布快速檢測時，只需使用者能夠比對干涉條紋圖樣即可，簡單易用，檢測成本較低。

(3)功能方面：與市場同類同等產(chǎn)品相比具有在線實時成像功能，可實現(xiàn)檢測結果的網(wǎng)絡互聯(lián)實時傳送；采用可充電式移動電源，避免了固定電源的使用空間限制；在檢偏振片上貼了磨砂膜，去除了干擾光，使得觀察視野更加清晰。

(4)外觀方面：與市場同類產(chǎn)品相比，主體部分采用矩形構造，降低了儀器放置時的不穩(wěn)定性，從而在觀察的時候提供一個相對穩(wěn)定的環(huán)境，方便觀察；觀察目鏡采用長方形的目鏡，可以拓寬觀察視野(尤其針對塑料瓶坯)。

2 內(nèi)應力分布檢測裝置的應用

利用該裝置研究了不同注射工藝參數(shù)對PS，PC 等典型高分子材料所成型透明制品內(nèi)應力的影響。

2．1 主要原料

PS：PG33，臺灣奇美實業(yè)股份有限公司；

PC：6550，德國拜耳公司。

2．2 主要設備

塑料注射成型機：SA1600／540 型，寧波海天塑機集團有限公司；

手機鏡片模具：廣州現(xiàn)代塑料模具廠；

電熱鼓風干燥箱：SD101–3A 型，南通華泰實驗儀器有限公司；

內(nèi)應力檢測裝置：自制。

2．3 制品制備

將PC 粒料置于電熱鼓風干燥箱中，設置溫度為140℃干燥2 h 后，在其他工藝條件不變的情況下，通過改變注塑壓力、注射速度、保壓時間等參數(shù)注射成型PC 鏡片。PS 粒料不需干燥，其他制樣過程與PC 一樣。

2．4 注射成型工藝參數(shù)對PS 鏡片內(nèi)應力的影響

(1)注塑壓力對PS 鏡片內(nèi)應力的影響。

不同注塑壓力條件下成型的PS 鏡片內(nèi)應力分布如圖4 所示，該圖為在原料和其他工藝參數(shù)相同、只改變注塑壓力時的PS 鏡片應力條紋分布圖。圖4a 中PS 鏡片的注塑壓力從左向右逐漸遞增，依次為 1.3，2.5，5.0 MPa；圖 4b 中 PS 鏡片的注塑壓力從左向右逐漸遞增，依次為2.5，3.5，5.0 MPa。由圖4 可見，隨著注塑壓力的增大，PS 鏡片應力條紋顏色變深且條紋數(shù)量逐漸增多，即PS 鏡片的內(nèi)應力增大。

圖4 不同注塑壓力條件下的PS 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖

(2)注射速度對PS 鏡片內(nèi)應力的影響。

對于萬能軋機的重軌生產(chǎn)，軋機對型鋼斷面的軋制要高于普通軋面20 m左右。在離鋼軌尾部10 m的范圍內(nèi)，會存在一個高于正常軌道0.5 mm以上的“高點”，該“高點”會在鋼軌有0.5 m左右的持續(xù)長度。對于這些影響列車運行的“高點”，傳統(tǒng)“高點”處理方式為器具打磨，但器具打磨會嚴重影響鋼體的質(zhì)量與壽命。而使用全軋程熱力耦合數(shù)值模擬系統(tǒng)，能夠完成E孔型和UF孔型的連軋工作。其中UF孔型屬于半封閉的軌道孔型，軋件在離開E軋機進入UF軋機的過程中，會由于半封閉孔型而發(fā)生“甩尾”現(xiàn)象，軋件尾部會明顯高于脫離軋機時的軌高。

不同注射速度條件下成型的PS 鏡片內(nèi)應力分布如圖5 所示。圖5 為在原料和其他工藝參數(shù)都相同、只改變注射速度時的PS 鏡片應力條紋分布圖。圖5a 中PS 鏡片的注射速度分別為5%，15%和30%；圖5b 中PS 鏡片的注射速度分別為20%，25%和28%。由圖5 可見，隨著注射速度的增大，PS 鏡片的應力條紋分布沒有明顯變化，說明注射速度對PS 鏡片的內(nèi)應力影響不大。

圖5 不同注射速度條件下的PS 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖

(3)保壓時間對PS 鏡片內(nèi)應力的影響。

不同保壓時間條件下成型的PS 鏡片內(nèi)應力分布如圖6 所示，該圖為在原料和其他工藝參數(shù)相同、只改變保壓時間時的PS 鏡片應力條紋分布圖。

圖6 不同保壓條件下的PS 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖

圖6a 中PS 鏡片的保壓時間從左向右逐漸遞增，依次為 1，6，11 s；圖 6b 中 PS 鏡片的注保壓時間從左向右逐漸遞增，依次為1，15，30 s。由圖6可見，隨著保壓時間的增加，PS 鏡片的應力條紋寬度變窄，遠離澆口處的應力條紋色澤逐漸變得淺白，且分布范圍增加，說明PS 鏡片的內(nèi)應力大大降低。

2．5 注射成型工藝參數(shù)對PC 鏡片內(nèi)應力的影響

(1)注塑壓力對PC 鏡片內(nèi)應力的影響。

不同注塑壓力條件下成型的PC 鏡片內(nèi)應力分布圖7 所示，該圖為在原料和其他工藝參數(shù)相同、只改變注塑壓力時的PC 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖。

圖7 不同注塑壓力條件下的PC 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖

圖7a 中PC 鏡片的注塑壓力從上至下逐漸遞增，依次為 6，7，8 MPa ；圖 7b 中 PC 鏡片的注塑壓力從上至下逐漸遞增，依次為3，5，10 MPa。由圖7可見，隨著注塑壓力的增大，PC 鏡片的應力條紋數(shù)量增多，較深的黑色應力條紋變多，特別是PC 鏡片拐角處的應力條紋的顏色變得更深；說明PC 鏡片的內(nèi)應力增大，即PC 鏡片的內(nèi)應力隨著注塑壓力的提高而增大。

(2)注射速度對PC 鏡片內(nèi)應力的影響。

不同注射速度條件下成型的PC 鏡片內(nèi)應力分布如圖8 所示，該圖為在原料和其他工藝參數(shù)相同、只改變注射速度時的PC 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖。

圖8 不同注射速度條件下的PC 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖

圖8a 中PC 鏡片的注射速度從上至下逐漸遞增，依次為10%，15%和20%；圖8b 中PC 鏡片的注射速度從上至下逐漸遞增，依次為10%，20%和28%。由圖8 可見，隨著注射速度的增大，PC 鏡片的應力條紋的數(shù)量變多且顏色變深，說明內(nèi)應力增大。因此，隨著注射速度的增大，PC 鏡片的內(nèi)應力也隨之增大。

(3)保壓時間對PC 鏡片內(nèi)應力的影響。

不同保壓條件下成型的PC 鏡片內(nèi)應力分布圖9 所示，該圖為在原料和其他工藝參數(shù)相同、只改變保壓時間時的PC 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖。

圖9 不同保壓時間條件下的PC 鏡片內(nèi)應力條紋分布圖

圖9a 中PC 鏡片的保壓時間從上至下逐漸遞增，依次為 2，5，8 s；圖 9b 中 PC 鏡片的保壓時間從上至下逐漸遞增，依次為 20，25，30 s。由圖 9 可見，在改變保壓時間后，圖9a 和圖9b 中的PC 鏡片的內(nèi)應力分布沒有明顯差別，即保壓時間對PC 鏡片內(nèi)應力影響不大。該發(fā)現(xiàn)規(guī)律與有關研究[15-16]都認為保壓時間對PC 收縮率影響較小的結論是吻合的，因為我們知道制品的收縮往往是制品內(nèi)應力產(chǎn)生的主要因素。

3 結論

研制了一種新型高分子材料透明制品內(nèi)應力檢測裝置，并利用該裝置進行了典型高分子材料注射成型制品的內(nèi)應力研究，結論如下：

(1)新型內(nèi)應力檢測裝置利用應力雙折射效應及偏振光干涉原理研制而成，具有檢測簡單快捷、檢測成本低廉、無損檢測及在線成像功能等特點，實現(xiàn)了對高分子材料透明制品內(nèi)應力的快速表征及“可視化”研究。

(2)利用該裝置系統(tǒng)研究了不同注塑壓力、注射速度和保壓時間條件下PS 及PC 鏡片制品的內(nèi)應力變化規(guī)律。實驗結果表明：隨著注塑壓力增大，PS 鏡片內(nèi)應力增大；注射速度對PS 鏡片內(nèi)應力無明顯影響；增加保壓時間可以使PS 鏡片內(nèi)應力降低；隨著注塑壓力和注射速度的增大，PC 鏡片的內(nèi)應力均相應增大；保壓時間對PC 鏡片內(nèi)應力無明顯影響。

(3)研究結果表明成型工藝參數(shù)對不同物料制品內(nèi)應力的影響有共性，亦有不同之處。如注塑壓力均會造成PS 及PC 制品內(nèi)應力增大，但注射速度的增大使PC 制品內(nèi)應力增大，而對PS 的影響則不明顯；保壓時間增加則會降低PS 制品的內(nèi)應力，而對PC 內(nèi)應力影響則不明顯。由此可見，不同物料所成型制品的內(nèi)應力受成型工藝參數(shù)的影響是不同的，這從另一方面說明了利用內(nèi)應力檢測裝置測試不同高分子材料制品內(nèi)應力的必要性和重要性。