影響塑料制品內應力的因素分析

蔡濤

摘 要：本文主要講了塑料制品內應力生成的原理，并且介紹了對它產生影響的高聚物的結構和其成型條件，并提出了如何將工業技術優化來對塑料品的內應力大幅度降低。

關鍵詞：注塑；制品；內應力；因素；原理

中圖分類號：TQ320 文獻標識碼：A

當今時代下社會主義市場經濟不斷發展，各個行業都對于塑料制品進行著大肆應用，比如說電器、汽車，又或者是食品行業，但是因為很多的注射類塑料品都不同程度的有著一些殘余內應力，導致了注射類塑料品在使用和保存的時候產生了異變，比如說收縮變形、斷裂扭曲等等，這極大的縮短了塑料制品使用壽命。故塑料制品的內應力成了大家想去了解和解決的新話題，我這里主要歸納總結這部分一些研究成果。

注射類塑料制品中的殘余內應力分為三類：非均勻收縮應力、分子取向凍結應力、構型體積應變應力。注射制品中內應力大小受到兩方面影響：高聚物分子的結構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，這個比較容易，第二類的消除方式則是提高注射工藝水平，因為這是注射過程中形成的，原理是減少高分子取向，降低脆性從而降低內應力，最終得到塑料制品的穩定性和長久性。

1 內應力生成的原理

1.1 影響制品內應力的高聚物分子結構

分子結構對注塑件內應力的大小與分布有影響。會影響塑料的殘余應力有分子鏈的硬度、相互關系，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程中，由于分子鏈剛性大，流動性差、溶度高和高聚物分子活性差，會導致高聚物的熵減少，改變之后具有不穩定性，所以會隨著外力減小直到消失恢復原狀，變成分子活性較差不能快速復原的帶有殘余內應力的制品。增加分子之間的作用關系可以讓分子結合的更好并增強分子鏈剛性，分子鏈中有羰基、酯基、以及苯撐基、腈基更容易結合。表1展現了高聚物分子鏈剛性品的內應力狀況。

1.2 非均勻收縮應力

非均勻收縮應力產生是高溫熔體進入低于熔體溫度的型腔，與其接觸的表面降溫迅速，內部降溫緩慢，芯收縮率就低，內外收縮程度的不同最后從而產生了不同溫度層次，所以表面受拉應力，外部受壓應力。不過在現實生活中，開始階段一般內部芯溫度高于外部不容易產生非均勻收縮，但是隨著溫度不斷的改變，內部就會緊縮，外部表層就會阻礙內部收縮，從而達到表層壓力，內部受拉的相反狀態。這個是因為塑料制品的內外不均勻的收縮率造成的，解決方法比較常見，就是簡單的退火方法就好。

1.3 分子取向凍結應力

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，流速程度變化不同會使熔體與其壁內出現曳力，產生特定方向。二是流道內壁的溫度會對外部黏度產生反作用，高聚物在外部和中心的流速不對稱，這會使層之間產生不同的梯度。這會讓熔體內部層之間受到剪切應力的作用，一般由厚度大小決定位置，這算是一種強制改變分子方向和彈力的外力。熔體的降溫冷卻會讓一部分變形，另一部分則是成為殘余變形取向固定下來成為應力。凍結應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，制品的降溫冷卻是從外到內的，厚度不同，變形不均，表面的收縮限制就是好比內部受到壓力外部受到拉力，最終變型不均衡。

1.4 構型應力

構型能力，在高聚物溫度低于玻璃化轉變點，熵和體積于熱力學條件下不具有平衡狀態時的狀況下產生的應力處于一般地位。

2 不同成型條件對注塑件內應力的影響

2.1 料溫的影響

對注塑品而言，料溫對其質量影響巨大，一般來說，料筒最后位置的最高溫度，不能低過Tf，也要大于Tm。不過，一定不能超過Td（高聚物進行分解時所需的溫度）。溫度較高時，物料開始進行塑化。此時，熔體的粘度降低，流動程度加強，整個型腔都填充上了物料。在熔體通過型腔時，基本上不會出現較大的分子取向力。就結晶高聚物而言，如果溫度比較大，則制品不同位置出現相同的結晶情況，如此一來，能夠規避因為結晶不一致而出現內應力。如果溫度不高，則高聚物的粘度就會下降，流動程度不高，進行充模時會出現大量的分子取向，采取冷卻處理后，還會出現較高的殘余應力。不過，如果物料的溫度太高的話，因為無法進行全面的冷卻處理，脫模難度比較大，將會出現內應力。

料溫的制定需要對制品與模具有清晰認識和了解。薄壁制品的成型不應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間周期長決定的。注塑機的噴嘴溫度對成型分子會產生影響，溫度過高則流涎，溫度過低則內應力產生。

2.2 成型壓力的影響

注塑制品內應力大小的成型壓力影響原因有三個：注射壓力，保壓壓力和塑化壓力，其中塑化影響最小。注射壓力是推動熔體進入型腔形成制品的主要推動力，它的大小對其影響頗深，尤其是熔體流動和分子取向，壓力高剪切力大應力機會大成正比，壓力低填充不足也會產生問題。消除高壓力制品的內應力一般使用退火處理。因為制品的最終成型所包含的殘余應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，長和短是有明顯的缺陷。高和長的時候內應力容易增加，分子有強迫取向，低和短時容易出現凹陷和氣泡，性能差。所以一般壓力稍微高一點時間長一點的話，注塑制品質量會更好一點。但是最重要的一點就是保壓時間和壓力是因材料不同而不同的，厚件物品一般采用較長時間和較高壓力來完成制品，其他的要依照形狀或者是塑料性質等具體分析具體把握。

2.3 模溫的影響

若模的溫度不高，熔體填充模具過程中，在短時間內進行冷卻，對聚合物而言，將出現較強的取向作用力，制作出來的產品存在較高的內應力；或模具受熱不均勻，物料填充完畢后，無法進行均勻的冷卻處理，從而造成不同部位收縮不均，從而出現內應力。尤其是厚壁注塑品，熔體進入模具的時間較長，進行冷卻時用時較多，或者是溫度太低，都會造成內容出現真空泡，或者出現內部收縮；同時，由于出現內應力，對厚壁制品進行冷卻時，通常用較高的模溫進行。若模具的溫度較大時，能夠促進聚集物分子進行鏈式反應。模具的溫度對結晶高聚物的結晶具有巨大影響。一般來說，其結晶包括兩個環節，一是主期結晶環節，二是次級結晶環節。在主期結晶的基礎上，對部分剩余的非晶體以及未完全進行結晶的部分進一步結晶處理，從而讓晶粒緊密結合在一起，進一步填補或消除晶內缺陷，讓結晶變得更加完美，這個過程叫做次級結晶。而模具的溫度對其能夠產生巨大影響。如果模具溫度較高，能夠促進次級結晶，有對大分子松弛也有幫助，從而有利于熔體的分解，從而進一步進行再次結晶，且不會出現較大的殘余應力。不過，如果模具的溫度過大，則冷卻用時較長，注射時間也會更多，大大降低了生產效率。

2.4 嵌件預熱

進行注塑成型時，因為需要考慮裝配和強度方面的影響，一般而言，需把金屬鑲嵌于制品內。不過，必須進行前期預熱方可進行嵌入，特別是體積相對龐大的嵌入物件，必須進行預熱處理，從而在進行冷卻處理時，讓金屬與塑料擁有相對接近的收縮值，減少了因為金屬和塑料熱膨脹系數不一樣的影響，進而降低由此引起的收縮應力。預熱時，溫度不能過高，以確保金屬嵌件的鍍層不受毀損為基準，通常在100℃～130℃。不過，如果是鋁合金材料，或者是銅質的嵌入材料，則預熱溫度要高些，達到150℃。

參考文獻

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