塑料制品成型缺陷的檢測(cè)與控制

范煒亮 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

1. 引言

塑料制品具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、絕緣、良好的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，塑料工業(yè)的迅速發(fā)展使塑料制品廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、建筑、包裝、航空航天工業(yè)和日常生活等多個(gè)領(lǐng)域。然而，塑料制品在加工和成型過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，在成型過(guò)程中對(duì)缺陷的控制和在使用過(guò)程中對(duì)缺陷的檢測(cè)對(duì)塑料制品應(yīng)用于生產(chǎn)生活具有重要的意義。本文對(duì)塑料制品成型過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷類型、缺陷的控制及改良措施以及缺陷的檢測(cè)方法進(jìn)行了討論。

2. 塑料制品的成型缺陷和控制措施

塑料制品的加工方式不同于金屬制件，很少使用刀具進(jìn)行切削加工，大部分高聚物的加工成型都伴隨著熔體的流動(dòng)和形變。熱塑性塑料加工的主要方式是注塑成型，這種方法應(yīng)用廣泛，占據(jù)了塑料加工業(yè)的80%。注塑成型工藝的優(yōu)點(diǎn)有生產(chǎn)周期快、生產(chǎn)率高、適應(yīng)性強(qiáng)以及易于自動(dòng)化等。然而，品種繁多的塑料原材料、復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)的模具、物料的流變、力學(xué)性能差異以及成型設(shè)備不同的控制運(yùn)行狀態(tài)等因素都會(huì)影響塑料的加工成型，使成型的塑料制品上存在各種各樣的缺陷。注塑成型的制品存在三大類常見(jiàn)缺陷，即外觀缺陷、工藝缺陷和性能缺陷[1]，下文介紹幾種典型缺陷的產(chǎn)生原因和控制措施。

2.1 熔接痕

注塑制品的熔接痕大多由溫度差引起，來(lái)自不同方向的熔融樹(shù)脂交匯時(shí)，樹(shù)脂前端部分被冷卻，在結(jié)合處融合不完全就會(huì)產(chǎn)生熔接痕。熔接痕通常只影響外觀，但嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到制品的強(qiáng)度[2]?？刂迫劢雍鄣墓に囌{(diào)整方案包括：

（1）控制熔體保持適宜溫度。溫度過(guò)高時(shí)，塑料的粘度小，流動(dòng)性強(qiáng)，熔接痕會(huì)變細(xì)；溫度較低則有利于減少氣態(tài)物質(zhì)的分解。當(dāng)樹(shù)脂的流動(dòng)前鋒的匯合溫度與注射起始溫度的差值在20℃之內(nèi)時(shí)，熔接痕的質(zhì)量比較好。（2）提高模具的溫度。（3）提高注射速度，值得注意的是，當(dāng)型腔內(nèi)的空氣或揮發(fā)物阻礙樹(shù)脂熔體匯合時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低注射速度。原因是高注射速度可促進(jìn)熔體在降溫前快速匯合，而低速注射有利于充分排出型腔內(nèi)的氣體。（4）提高注射壓力，延長(zhǎng)注射時(shí)間。（5）盡量避免熔接痕在承力或外觀要求高的位置形成。（6）降低鎖模力以利于排氣。（7）減少使用脫模劑，使物料可以順利融合。

2.2 翹曲

翹曲是制品成型時(shí)在空間上產(chǎn)生額外旋轉(zhuǎn)或扭曲的現(xiàn)象。注塑產(chǎn)品存在翹曲的典型表現(xiàn)是產(chǎn)品的外觀平坦，但在部分位置出現(xiàn)起伏的情況，彎曲或扭曲發(fā)生的位置一般在直角邊上（面向內(nèi)部或外部方向）。翹曲缺陷會(huì)導(dǎo)致制品無(wú)法正常使用，塑料制品的翹曲如圖2所示[3]。

圖2 制品翹曲[3]

多種因素都會(huì)導(dǎo)致塑料制品成型產(chǎn)生翹曲。在外界溫度變化時(shí)，塑料的內(nèi)部分子鏈的位移會(huì)導(dǎo)致翹曲現(xiàn)象，塑料分子自身內(nèi)部的應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致扭曲。這些物理因素的影響不易消除，但在注塑工藝、模具方面使用一些改進(jìn)措施可有效減少翹曲的發(fā)生：

（1）控制模具的內(nèi)壓力和溫度，避免內(nèi)壓力過(guò)高或溫度過(guò)低。（2）提高熔料的注射速度，使熔料流動(dòng)前端處的粘性滿足要求。（3）提高料筒的溫度使熔料溫度達(dá)到預(yù)定值。（4）通過(guò)優(yōu)化模芯的形狀和尺寸避免產(chǎn)品在截面厚度上發(fā)生劇烈變化。

2.3 氣泡和氣孔

氣泡缺陷是指空氣或氣體包裹在塑料制品內(nèi)部而產(chǎn)生空洞的現(xiàn)象。塑料制件在冷卻時(shí)，發(fā)生體積收縮，在壁厚部分會(huì)形成空隙，塑料中的水分與揮發(fā)物含量過(guò)高會(huì)在成型時(shí)產(chǎn)生氣泡并包封在制品內(nèi)部。

真空氣泡是制件壁厚太大造成的，其解決措施包括：（1）根據(jù)壁厚優(yōu)化澆口和澆道尺寸。（2）降低注射速度，提高注射壓力。（3）延長(zhǎng)注射、補(bǔ)縮時(shí)間。

氣泡缺陷是由揮發(fā)性氣體造成的，解決的方法有：（1）使塑料保持充分干燥；（2）降低塑料的熔融溫度，避免塑料產(chǎn)生分解。

2.4 噴射流

噴射流是指熔融樹(shù)脂從澆口射入型腔時(shí)沿著流動(dòng)方向所形成的蛇形形狀的彎曲痕跡。塑料熔體在高注塑壓力下由狹窄區(qū)域進(jìn)入到較寬的區(qū)域時(shí)，塑料熔體不與模壁接觸而發(fā)生噴射、蜷曲，噴射流會(huì)在折疊處形成，如圖3所示。正常充填時(shí)塑料熔體以層流的狀態(tài)從澆口到達(dá)型腔終點(diǎn)，如圖4所示。噴射流會(huì)導(dǎo)致注塑制品的強(qiáng)度降低，并形成表面斑點(diǎn)和內(nèi)部缺陷[4]。

圖3 噴射示意圖[4]

圖4 正常填充模式示意圖[4]

噴射流形成的主要原因一般為充填速度過(guò)快，因此，減小或避免噴射流的措施有：（1）降低注射速度。（2）升高模具溫度。（3）加大澆口橫斷面積。

2.5 頂白

注塑制品正面對(duì)準(zhǔn)噴嘴的位置可能存在頂白缺陷，即在頂出的模具位置出現(xiàn)對(duì)應(yīng)力發(fā)白或?qū)?yīng)力升高的情形。頂白缺陷不僅導(dǎo)致制品的外觀變差，也會(huì)影響到制品后期的使用。

產(chǎn)生頂白缺陷的原因是生產(chǎn)初期對(duì)脫離模具的壓力設(shè)置過(guò)高，或在頂出桿的過(guò)程中應(yīng)對(duì)的表面積較小造成的。因此，合理控制注塑工藝中的壓力參數(shù)有利于控制頂白缺陷的產(chǎn)生，具體措施為：（1）根據(jù)材料的實(shí)際特征進(jìn)行保壓調(diào)整。（2）適當(dāng)減少保壓時(shí)間。（3）保證保壓交替的及時(shí)性。（4）延長(zhǎng)冷卻的實(shí)際時(shí)間，確保制品冷卻充分。

2.6 收縮

塑料制品表面上材料熔體堆積的區(qū)域存在凹痕，在塑料制品壁厚較大或壁厚尺寸改變的地方易發(fā)生收縮。塑料制品冷卻時(shí)，外層靠近模具壁的部分先凍結(jié)，同時(shí)制品的中心產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力過(guò)大時(shí)，外層的塑料發(fā)生塑性變形造成了制品的收縮[5]。

為了避免收縮的產(chǎn)生，可以改良加工工藝參數(shù)，例如：（1）提升保壓壓力，增加保壓時(shí)間。（2）調(diào)節(jié)模具外壁溫度。（3）降低熔料的溫度。此外還可以在設(shè)計(jì)方面采取改良措施，如：（1）縮短材料頂端的長(zhǎng)度，增加其橫截面積。（2）將材料的頂端置于厚的外壁位置。（3）避免材料堆積數(shù)量過(guò)于密集。

2.7 龜裂

龜裂通常指制品表面產(chǎn)生的裂紋缺陷，特別是制件含有尖銳的突角時(shí)，常伴隨著裂紋缺陷，龜裂主要是由應(yīng)力變形導(dǎo)致的。塑料中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因有填充過(guò)度、鑲嵌件和脫模頂出三種[6]。

減少龜裂缺陷可采取以下措施：（1）采用多點(diǎn)分布澆口、側(cè)澆口等方式避免澆口處的殘余應(yīng)力過(guò)大。（2）降低熔融塑料粘度，提高流動(dòng)性以減小應(yīng)力。（3）適當(dāng)縮短保壓時(shí)間或進(jìn)行二次保壓。（4）增大脫模斜度、降低模具型腔及型芯表面粗糙度、增加頂桿數(shù)量、增加頂桿與塑件接觸面積來(lái)降低殘余應(yīng)力，減少龜裂。（5）增大塑件龜裂處的壁厚、選擇熱膨脹系數(shù)小的塑料（如玻璃增強(qiáng)塑料）并在成型前對(duì)金屬嵌件預(yù)熱。

2.8 其他缺陷

塑料制品的成型方法除了注塑成型外，還包括擠出成型、吹塑成型、壓延成型、流延成型等工藝。壓延成型常用來(lái)生產(chǎn)PVC、PVDC等塑料包裝片材，該工藝會(huì)產(chǎn)生厚度、直線度和平整度的缺陷。擠出成型則用于制造 PET、PP、HIPS等塑料片材，擠出成型過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致斷裂缺陷、厚度不均等，通過(guò)對(duì)壓延機(jī)輥筒和擠出機(jī)機(jī)頭的改良可以有效控制這些缺陷的產(chǎn)生。

3. 塑料制品缺陷的檢測(cè)方法

塑料制品在成型時(shí)受到生產(chǎn)工藝和技術(shù)水平等因素的影響，難免會(huì)產(chǎn)生缺陷，影響到制品的性能和使用安全。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)通過(guò)探查材料局部缺陷對(duì)聲、光、電、磁、熱信號(hào)的變化反饋出缺陷的位置和深度信息，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠有效地檢測(cè)出制品缺陷，幫助使用者及時(shí)排查安全隱患，保障制品的使用壽命。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是產(chǎn)品質(zhì)量保證中重要的基礎(chǔ)技術(shù)。在多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，應(yīng)用于塑料缺陷檢測(cè)的方法主要有三種：紅外熱成像檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、超聲波檢測(cè)[7]。

3.1 紅外熱成像檢測(cè)

紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)是根據(jù)紅外線輻射原理，通過(guò)測(cè)量物體內(nèi)部能量的流動(dòng)情況，直觀上對(duì)缺陷進(jìn)行判斷的方法。該方法使用紅外熱像儀顯示檢測(cè)結(jié)果，可以通過(guò)分析熱圖來(lái)推斷缺陷情況。紅外熱成像檢測(cè)操作簡(jiǎn)單、成本低、檢測(cè)用時(shí)短，可檢測(cè)到缺陷的具體位置，但檢測(cè)能力受到缺陷深度、材料結(jié)構(gòu)和熱特性的制約。

秦亞等[8]以玻纖增強(qiáng)尼龍為材料，使用紅外無(wú)損檢測(cè)和數(shù)字射線檢測(cè)兩種方法進(jìn)行缺陷檢測(cè)并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明紅外無(wú)損檢測(cè)的適用范圍廣、效率高，適合大尺寸產(chǎn)品內(nèi)部的缺陷檢測(cè)。

江海軍等[9]運(yùn)用脈沖紅外熱波成像和鎖相紅外熱波成像技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料在沖擊作用下的斷裂、開(kāi)裂、分層、破碎等缺陷進(jìn)行檢測(cè)，得到的可見(jiàn)光圖像和脈沖紅外圖像清晰地反饋了缺陷的位置信息。

3.2 聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在試樣加載過(guò)程中采用聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備來(lái)獲取缺陷的動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)而確定聲發(fā)射源或缺陷。聲發(fā)射檢測(cè)法具有獲得連續(xù)變化的損傷信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，適用于在線監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。聲發(fā)射法利用聲信號(hào)的發(fā)射特點(diǎn)和強(qiáng)度值可以準(zhǔn)確檢測(cè)出材料上的裂紋、裂縫以及微觀形變。該技術(shù)在檢測(cè)纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料時(shí)還可準(zhǔn)確判斷出復(fù)合材料層板間的斷裂狀況。

張燕南等[10]將聲發(fā)射（AE）和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料表面微變形的準(zhǔn)確檢測(cè)和對(duì)內(nèi)部損傷源聲發(fā)射響應(yīng)特征的動(dòng)態(tài)描述，研究了三維編織復(fù)合材料的損傷演變規(guī)律。

3.3 超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)利用材料及其缺陷在聲學(xué)性能上的差異，可以對(duì)材料內(nèi)部缺陷的尺寸和位置的進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，速度快，能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。目前，超聲波檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中最常用的方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)塑料制品中孔隙、裂紋、氣泡等多種缺陷的檢測(cè)。傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)法的弊端在于需要使用偶合劑，無(wú)法使用同一探頭檢測(cè)多種缺陷。近年來(lái)新興的激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有高效、檢測(cè)信號(hào)清晰、適用于多種材料、環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展空間。

王文林[11]用相控陣超聲檢測(cè)法對(duì)空心懸式復(fù)合絕緣子的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，成功檢測(cè)到絕緣子的中部斷層缺陷和氣孔缺陷，相控陣超神波檢測(cè)儀能測(cè)出直徑0.5 mm的氣孔缺陷，說(shuō)明該方法具備較高的檢測(cè)靈敏度。

4. 結(jié)語(yǔ)

塑料制品在注塑成型的過(guò)程中可能產(chǎn)生熔接痕、翹曲、氣泡、噴射流等多種缺陷，通過(guò)優(yōu)化模具和加工工藝可以減少或避免缺陷的產(chǎn)生，提高塑料制品的質(zhì)量。在塑料制品的使用過(guò)程中，對(duì)缺陷的無(wú)損檢測(cè)可以及時(shí)地獲取材料的結(jié)構(gòu)信息和缺陷情況。因此，缺陷檢測(cè)對(duì)保障產(chǎn)品的正常使用具有重要意義。超聲波檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)可以有效地測(cè)出塑料制件的缺陷，減少安全隱患。然而，由于各種方法檢測(cè)原理的不同，對(duì)儀器、設(shè)備的要求也存在一些差異，在檢測(cè)時(shí)要按照實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>