利用新型偏光儀進行高分子材料透明制品內(nèi)應(yīng)力的表征與分析*

陳金偉，吳麗旋,張綺琪，梁向

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

高分子材料已成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代工業(yè)的重要基礎(chǔ)，且逐漸成為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)和國家安全不可或缺的一類材料。目前大量高分子材料材質(zhì)的透明制品已廣泛應(yīng)用于日常生活中，如飲料瓶、光學(xué)鏡片及手機屏幕等。高分子材料制品普遍存在內(nèi)應(yīng)力，其原因主要是由于熔融物料在加工成型過程中受到很多因素的影響從而導(dǎo)致制品內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布[1-3]。隨著人們對制品的質(zhì)量和外觀要求的不斷提升，制品內(nèi)應(yīng)力的檢測與降低成為了必不可少的關(guān)鍵一環(huán)，因為內(nèi)應(yīng)力分布不均勻或過大均會使制品產(chǎn)生翹曲變形或應(yīng)力開裂、變形、尺寸不穩(wěn)定等缺陷，并對制品的光學(xué)性能、電性能、外觀性能造成不利影響，從而造成制品無法正常使用[4-8]，因此，對內(nèi)應(yīng)力進行快速表征并精準(zhǔn)得知內(nèi)應(yīng)力大小分布情況，從而有效改善制品內(nèi)應(yīng)力分布狀況直至降低內(nèi)應(yīng)力，對于提高透明制品的質(zhì)量、減少材料的浪費及降低成本，最終實現(xiàn)高分子材料制品的綠色生產(chǎn)均具有較好的實際經(jīng)濟意義。

1 新型內(nèi)應(yīng)力偏光儀的研制

1.1 儀器原理

根據(jù)已有研究成果[9-14]，應(yīng)力會造成物體出現(xiàn)雙折射效應(yīng)即光彈效應(yīng)。對于透明物品可通過偏振光干涉色法將該效應(yīng)進行表征展示，其原理如圖1所示。若被測對象沒有雙折射效應(yīng),則觀察到全暗視場；若被測對象受力形成光彈效應(yīng)，則通過檢偏振器可以觀察到內(nèi)應(yīng)力所造成光彈效應(yīng)表現(xiàn)出來的干涉色(條紋)，從而讓無法用肉眼觀察到的內(nèi)應(yīng)力實現(xiàn)可視化，使內(nèi)應(yīng)力“無可遁形”。

圖1 偏振光干涉色法原理

1.2 新型內(nèi)應(yīng)力偏光儀的研制

本研究利用透明物體具有應(yīng)力雙折射即光彈效應(yīng)的性質(zhì)并結(jié)合偏振光干涉色法，開發(fā)研制出一種新型透明制品內(nèi)應(yīng)力檢測裝置[15-16]，即內(nèi)應(yīng)力偏光儀，它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(yīng)力進行“可視化”表征，其結(jié)構(gòu)圖及實物圖如圖2所示。該裝置具有應(yīng)用檢測快速、儀器操作簡單和能夠在線實時成像等系列優(yōu)點，目前該儀器已獲專利授權(quán)。

圖2 新型高分子材料透明制品內(nèi)應(yīng)力偏光儀結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖

1.3 內(nèi)應(yīng)力與光程差的關(guān)系

當(dāng)物體存在內(nèi)應(yīng)力時，物體的折射率也發(fā)生了變化，呈現(xiàn)雙折射性質(zhì)，兩束光中的一束遵守光的折射定律，在改變?nèi)肷浞较虻膫鞑ニ俣炔话l(fā)生變化，這束光為尋常光；另外一束光不遵守光的折射定律，當(dāng)入射光線發(fā)生變化時，它的傳播速度也隨之變化，光的折射率也不同，這束光稱為非尋常光。當(dāng)厚度為1個計量單位的透明物體受到應(yīng)力作用時，在受力物體每一個點都會有兩個主應(yīng)力方向，因此當(dāng)光線入射到該物體上時會分解成兩束偏振光，兩束偏振光在存在內(nèi)應(yīng)力的介質(zhì)中的傳播速度不同，導(dǎo)致兩束偏振光經(jīng)過介質(zhì)后的光程不等，從而產(chǎn)生折射率之差，該差與主應(yīng)力成正比，即：

Δn=δf

(1)

式中Δn為主應(yīng)力方向的折射差，f為主應(yīng)力之差，δ為光學(xué)常數(shù)。

當(dāng)偏振光通過厚度為d的透明平面物體時，則d個計量單位的折射率之差的和即為光程差S，即:

S=Δnd=δfd

(2)

即光程差與主應(yīng)力大小成正比，因此可通過光程差測出應(yīng)力的大小[17]。干涉色-光程差的對應(yīng)如表1所示。表中P1為起振片，P2為檢振片，檢振片的主方向與起振片正交。

表1 干涉色-光程差對應(yīng)表

1.4 偏光儀檢測法與其他檢測法的比較

目前利用新型內(nèi)應(yīng)力偏光儀檢測透明制品內(nèi)應(yīng)力的方法屬于偏光儀檢測法。透明制品內(nèi)應(yīng)力的檢測方法通常有偏光儀檢測法、冰乙酸浸泡法、紅染測試法及定量檢測儀法四種。前三種屬于定性檢測，第四種屬于定量檢測。對比以上幾種檢測方法，偏光儀檢測與定量檢測儀方法均采用專用儀器，能夠在無損樣品的條件下實現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力快速檢測，而浸泡法與紅染法均會對樣品造成損傷且檢測需要一定時間，不能實現(xiàn)快速檢測內(nèi)應(yīng)力。目前很多企業(yè)的生產(chǎn)方式均為現(xiàn)代化流水生產(chǎn)線，對檢測效率要求較高，故采用專用儀器進行內(nèi)應(yīng)力的檢測已成為發(fā)展趨勢。但若考慮檢測成本因素，浸泡法與紅染法不需要購置投入專用儀器，其成本較低，但其檢測效率不適合現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。而定量檢測儀方法采用的專用儀器在目前檢測方法中最為昂貴，據(jù)了解目前很多實際檢測中更為關(guān)心內(nèi)應(yīng)力分布而不是具體大小值，所以定性的偏光儀檢測方法是性價比最好的一種快速無損透明制品內(nèi)應(yīng)力檢測方法。

2 高分子材料透明制品內(nèi)應(yīng)力的表征與分析

本文利用自主研制的新型內(nèi)應(yīng)力偏光儀并結(jié)合制品內(nèi)應(yīng)力與光程差的正相關(guān)關(guān)系，進行了不同實驗條件下聚苯乙烯樣條及手機鏡片、聚碳酸酯手機鏡片和聚乙烯薄膜等系列高分子材料透明制品內(nèi)應(yīng)力的表征及分析。

2.1 實驗原料

聚苯乙烯(Polystyrene，PS)，型號 PG33，生產(chǎn)廠家：臺灣奇美；聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，型號：6550，生產(chǎn)廠家：德國拜耳；聚乙烯(Polyethylene，PE)，型號 Q281，生產(chǎn)廠家：中國石化。

2.2 實驗設(shè)備

塑料注射機，SA1600/540，寧波海天塑機集團生產(chǎn)；樣條與手機鏡片模具，非標(biāo)定制，廣州現(xiàn)代塑料模具廠生產(chǎn)；電熱鼓風(fēng)干燥箱，SD101-3A，南通華泰實驗儀器有限公司生產(chǎn)；內(nèi)應(yīng)力偏光儀，自主研制，廣州迪塑智能裝備有限公司生產(chǎn)；薄膜生產(chǎn)機組：定制產(chǎn)品，廣州市普同實驗分析儀器有限公司生產(chǎn)。

2.3 制品制備

樣條與手機鏡片制品的制備：通過改變注射成型工藝及后處理工藝條件制備不同的制品；PE薄膜試樣的制備：通過薄膜生產(chǎn)機組生產(chǎn)制備。

2.4 系列高分子材料透明制品內(nèi)應(yīng)力的表征與分析

2.4.1 PS透明制品的內(nèi)應(yīng)力表征與分析

利用該方法進行了不同成型工藝狀態(tài)下PS透明樣條及手機鏡片制品的內(nèi)應(yīng)力表征及分析。具體如下：

(1)PS樣條制品的內(nèi)應(yīng)力表征與分析。調(diào)節(jié)注射出完好的PS樣條后，在其他工藝條件都相同的情況下，直接改變注塑壓力進行注塑成型，直到開始注塑出有應(yīng)力開裂的試樣；再通過調(diào)節(jié)參數(shù)使樣條剛好沒有開裂，經(jīng)過多次注塑樣條外觀依然比較光滑透明，取一組試樣進行測試對比。PS透明樣條的應(yīng)力分布偏光干涉條紋圖像如圖3所示。

圖3 PS透明樣條制品內(nèi)應(yīng)力分布偏光干涉條紋圖像

從圖中可知，開裂的試樣中間部分及澆口那部分帶有綠色的干涉色，而外觀良好的試樣中間部位呈現(xiàn)的是天藍(lán)色。根據(jù)表1的干涉色光程差對應(yīng)表進行比對，其綠色干涉色光程差在747 nm，天藍(lán)色的光程差在664 nm。其共同顏色有紫色、靛藍(lán)、白色和麥黃色，對應(yīng)的光程差都小于綠色和天藍(lán)色。依據(jù)表1中的干涉色光程差對應(yīng)表，本次試驗的綠色干涉條紋所對應(yīng)的光程差是最大的，所以綠色部位亦是內(nèi)應(yīng)力最大部位，在所測試的應(yīng)力開裂的樣條中都存在著綠色干涉條紋，未開裂的樣條幾乎無綠色干涉條紋的存在。由此可以得出，PS透明樣條的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到所對應(yīng)的光程差在747 nm干涉色表現(xiàn)為綠色，內(nèi)應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)應(yīng)力開裂，從而使制品力學(xué)性能降低。

(2)PS鏡片制品的內(nèi)應(yīng)力表征與分析。從左到右注射壓力分別為18、20、40、60 bar的干涉圖。PS透明手機鏡片內(nèi)應(yīng)力分布偏光干涉條紋圖像如圖4所示。

在注射壓力為18 bar時的手機鏡片應(yīng)力干涉彩色條紋分布比較均勻，大部分干涉條紋為白色和麥黃色，其主要內(nèi)應(yīng)力還是集中于澆口部位，如圖4(a)所示；注射壓力升高時，如圖4(b)、4(c)和4(d)所示，熔體充模過程中受到的剪切作用力大，產(chǎn)生的取向應(yīng)力的機會也比較大。本注塑鏡片的壓力干涉條紋的形狀均與注塑時的流動狀態(tài)有關(guān)，其彩色干涉條紋的分布情況為離澆口遠(yuǎn)端到澆口部位為分布為白色、麥黃色、紫色、藍(lán)色、黃色、綠色，其對應(yīng)表1的干涉光程差對應(yīng)表呈現(xiàn)出上升趨勢，而近澆口端顏色也比較豐富并都是在藍(lán)色到綠色的這個范圍，因此該部位對應(yīng)的應(yīng)力較大。在澆口部位的冷卻相對來說是比較慢的，在保壓階段，隨溫度降低，熔體粘度迅速增加，在施以高壓力時很容易形成較大的取向內(nèi)應(yīng)力，最為明顯如圖4(d)所示，故所測試的鏡片其應(yīng)力在近澆口端比較大。此外注塑成型的PS鏡片和樣條中的流動殘余應(yīng)力對基于應(yīng)力雙折射原理的偏光圖像有所影響[18]，所以注塑PS鏡片和樣條內(nèi)應(yīng)力偏光干涉條紋的分布情況與制品注塑時的流動痕跡與受力情況保持一致。

圖4 PS透明手機鏡片制品內(nèi)應(yīng)力分布偏光干涉條紋圖像

2.4.2 PC透明制品的內(nèi)應(yīng)力表征與分析

利用該方法進行不同后處理工藝條件下PC透明手機鏡片的內(nèi)應(yīng)力表征及分析，檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5中所示為在所有工藝參數(shù)都相同的條件下經(jīng)注射成型而得的PC手機鏡片，將其置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中分別在不同的溫度下進行退火后處理，其中后處理時間都為30 min。檢測方法是從電熱鼓風(fēng)干燥箱中取出制品后將其置于偏光應(yīng)力儀中檢測并記錄圖片。從圖5(a)中看出不經(jīng)熱處理的PC手機鏡片應(yīng)力條紋的顏色較深，應(yīng)力條紋分布集中，由紫色，青色，靛藍(lán)綠色再到黃色，由表1可知手機鏡片應(yīng)力最大部位是綠色及藍(lán)色條紋所在部位。當(dāng)PC鏡片用120℃熱處理30 min后，如圖5(b)所示可以明顯地觀察到原本應(yīng)力條紋的綠色，紫色和藍(lán)色大部分向著黃色轉(zhuǎn)變，而綠色對應(yīng)的光程差比黃色大401 nm，由此可知在經(jīng)過120℃、30 min退火后處理后，PC手機鏡片的應(yīng)力分布變得均勻，應(yīng)力值明顯減小；當(dāng)PC手機鏡片的后處理溫度升到130℃時，如圖5(c)所示，紫色和藍(lán)色的應(yīng)力條紋分布也變得更少，取而代之的是淺黃色條紋，說明熱處理溫度升到130℃時，PC手機鏡片的內(nèi)應(yīng)力值減小比120℃的明顯；

圖5 PC透明手機鏡片制品內(nèi)應(yīng)力分布偏光干涉條紋圖像

當(dāng)PC手機鏡片采用140℃的溫度進行后處理30 min時，如圖5(d)所示，其檢測出黃色很大部分向白色進行了轉(zhuǎn)變，內(nèi)應(yīng)力值也對應(yīng)變小，但由于溫度接近PC熱變形溫度及應(yīng)力分布嚴(yán)重不均，導(dǎo)致制品外觀翹曲變形。因此該PC鏡片進行熱處理的最佳溫度為130℃左右。由此可得，在PC鏡片熱變形溫度以下，提高后處理溫度會使內(nèi)應(yīng)力較大程度降低。

2.4.3 PE透明制品的內(nèi)應(yīng)力表征與分析

利用該方法進行了不同受力狀態(tài)下PE透明薄膜的內(nèi)應(yīng)力表征及分析，檢測結(jié)果如圖6所示。薄膜中存在應(yīng)力早在1850年就已被發(fā)現(xiàn)[19]，而對于單向拉伸PE薄膜，隨縱向方向拉伸倍數(shù)增加，沿縱向方向的拉應(yīng)力迅速增加，單向拉伸PE薄膜的殘余應(yīng)力主應(yīng)力則主要為沿著縱向的拉應(yīng)力[20]。本次所測的PE薄膜是對未經(jīng)過拉伸受力薄膜(圖6中右下方位置的薄膜)與經(jīng)過單向拉伸受力薄膜(圖6中左上方位置的薄膜)的內(nèi)應(yīng)力偏光干涉條紋圖進行比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過拉伸變形后的薄膜中存在比較大的內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)表1可知其受力比較大的部位呈現(xiàn)出藍(lán)色、紫色等現(xiàn)象，而應(yīng)力小的部位為白色，從圖6中可以看出薄膜藍(lán)色、紫色所在部位發(fā)生皺折變形的程度也最為嚴(yán)重，可見應(yīng)力分布圖像與實際受力情況完全一致。

圖6 PE透明薄膜制品內(nèi)應(yīng)力分布偏光干涉條紋圖像

3 結(jié)論

本項目在自主研制的新型高分子材料透明制品內(nèi)應(yīng)力偏光儀的基礎(chǔ)上引入了光程差及光程差所對應(yīng)的干涉色對表征結(jié)果進行了較為精準(zhǔn)的分析，并通過系列不同成型工藝狀態(tài)下PS透明樣條和手機鏡片、不同后處理工藝條件下PC鏡片、不同受力狀態(tài)下PE薄膜的內(nèi)應(yīng)力表征與分析試驗驗證，結(jié)果表明該方法可以對高分子材料透明制品內(nèi)應(yīng)力進行快速表征并精準(zhǔn)獲知內(nèi)應(yīng)力大小分布情況，實現(xiàn)對偏光應(yīng)力儀定性測試結(jié)果的進一步優(yōu)化，為有效改善內(nèi)應(yīng)力分布狀況直至降低內(nèi)應(yīng)力，提高高分子材料制品質(zhì)量、減少材料浪費及最終實現(xiàn)高分子材料制品綠色生產(chǎn)奠定了較好的檢測方法基礎(chǔ)。