影响塑料制品内应力的因素分析

影响塑料制品内应力的因素分析

作者：蔡涛

来源：《中国新技术新产品》2016年第04期

摘要：本文主要讲了塑料制品内应力生成的原理，并且介绍了对它产生影响的高聚物的结构和其成型条件，并提出了如何将工业技术优化来对塑料品的内应力大幅度降低。

关键词：注塑；制品；内应力；因素；原理

中图分类号：TQ320 文献标识码：A

当今时代下社会主义市场经济不断发展，各个行业都对于塑料制品进行着大肆应用，比如说电器、汽车，又或者是食品行业，但是因为很多的注射类塑料品都不同程度的有着一些残余内应力，导致了注射类塑料品在使用和保存的时候产生了异变，比如说收缩变形、断裂扭曲等等，这极大的缩短了塑料制品使用寿命。故塑料制品的内应力成了大家想去了解和解决的新话题，我这里主要归纳总结这部分一些研究成果。

注射类塑料制品中的残余内应力分为三类：非均匀收缩应力、分子取向冻结应力、构型体积应变应力。注射制品中内应力大小受到两方面影响：高聚物分子的结构和加工注射成型的工艺水平。其中第一类和第三类的消除方式用热处理的退火方式，这个比较容易，第二类的消除方式则是提高注射工艺水平，因为这是注射过程中形成的，原理是减少高分子取向，降低脆性从而降低内应力，最终得到塑料制品的稳定性和长久性。

1 内应力生成的原理

1.1 影响制品内应力的高聚物分子结构

分子结构对注塑件内应力的大小与分布有影响。会影响塑料的残余应力有分子链的硬度、相互关系，取代基在分子链上的大小、极端性。在高弹形变的外力受力过程中，由于分子链刚性大，流动性差、溶度高和高聚物分子活性差，会导致高聚物的熵减少，改变之后具有不稳定性，所以会随着外力减小直到消失恢复原状，变成分子活性较差不能快速复原的带有残余内应力的制品。增加分子之间的作用关系可以让分子结合的更好并增强分子链刚性，分子链中有羰基、酯基、以及苯撑基、腈基更容易结合。表1展现了高聚物分子链刚性品的内应力状况。

1.2 非均匀收缩应力

非均匀收缩应力产生是高温熔体进入低于熔体温度的型腔，与其接触的表面降温迅速，内部降温缓慢，芯收缩率就低，内外收缩程度的不同最后从而产生了不同温度层次，所以表面受

拉应力，外部受压应力。不过在现实生活中，开始阶段一般内部芯温度高于外部不容易产生非均匀收缩，但是随着温度不断的改变，内部就会紧缩，外部表层就会阻碍内部收缩，从而达到表层压力，内部受拉的相反状态。这个是因为塑料制品的内外不均匀的收缩率造成的，解决方法比较常见，就是简单的退火方法就好。

1.3 分子取向冻结应力

造成熔体层与层之间速度梯度的存在有两种原因：一是由于高聚物熔体黏度强，流速程度变化不同会使熔体与其壁内出现曳力，产生特定方向。二是流道内壁的温度会对外部黏度产生反作用，高聚物在外部和中心的流速不对称，这会使层之间产生不同的梯度。这会让熔体内部层之间受到剪切应力的作用，一般由厚度大小决定位置，这算是一种强制改变分子方向和弹力的外力。熔体的降温冷却会让一部分变形，另一部分则是成为残余变形取向固定下来成为应力。冻结应力则是是制品变形的原因，收缩能力的制约就好比拉力作用的体现，制品的降温冷却是从外到内的，厚度不同，变形不均，表面的收缩限制就是好比内部受到压力外部受到拉力，最终变型不均衡。

1.4 构型应力

构型能力，在高聚物温度低于玻璃化转变点，熵和体积于热力学条件下不具有平衡状态时的状况下产生的应力处于一般地位。

2 不同成型条件对注塑件内应力的影响

2.1 料温的影响

对注塑品而言，料温对其质量影响巨大，一般来说，料筒最后位置的最高温度，不能低过Tf，也要大于Tm。不过，一定不能超过Td（高聚物进行分解时所需的温度）。温度较高时，物料开始进行塑化。此时，熔体的粘度降低，流动程度加强，整个型腔都填充上了物料。在熔体通过型腔时，基本上不会出现较大的分子取向力。就结晶高聚物而言，如果温度比较大，则制品不同位置出现相同的结晶情况，如此一来，能够规避因为结晶不一致而出现内应力。如果温度不高，则高聚物的粘度就会下降，流动程度不高，进行充模时会出现大量的分子取向，采取冷却处理后，还会出现较高的残余应力。不过，如果物料的温度太高的话，因为无法进行全面的冷却处理，脱模难度比较大，将会出现内应力。

料温的制定需要对制品与模具有清晰认识和了解。薄壁制品的成型不应使用较高温度提高流厚壁制品的成型需要选择低料温，这是由于需要冷却的时间周期长决定的。注塑机的喷嘴温度对成型分子会产生影响，温度过高则流涎，温度过低则内应力产生。

2.2 成型压力的影响

注塑制品内应力大小的成型压力影响原因有三个：注射压力，保压压力和塑化压力，其中塑化影响最小。注射压力是推动熔体进入型腔形成制品的主要推动力，它的大小对其影响颇深，尤其是熔体流动和分子取向，压力高剪切力大应力机会大成正比，压力低填充不足也会产生问题。消除高压力制品的内应力一般使用退火处理。因为制品的最终成型所包含的残余应力是由浇口中的压力大小决定的，所以保压压力和注射压力的分子取向不同，保压压力更大。

保压压力制品在压力高和低，长和短是有明显的缺陷。高和长的时候内应力容易增加，分子有强迫取向，低和短时容易出现凹陷和气泡，性能差。所以一般压力稍微高一点时间长一点的话，注塑制品质量会更好一点。但是最重要的一点就是保压时间和压力是因材料不同而不同的，厚件物品一般采用较长时间和较高压力来完成制品，其他的要依照形状或者是塑料性质等具体分析具体把握。

2.3 模温的影响

若模的温度不高，熔体填充模具过程中，在短时间内进行冷却，对聚合物而言，将出现较强的取向作用力，制作出来的产品存在较高的内应力；或模具受热不均匀，物料填充完毕后，无法进行均匀的冷却处理，从而造成不同部位收缩不均，从而出现内应力。尤其是厚壁注塑品，熔体进入模具的时间较长，进行冷却时用时较多，或者是温度太低，都会造成内容出现真空泡，或者出现内部收缩；同时，由于出现内应力，对厚壁制品进行冷却时，通常用较高的模温进行。若模具的温度较大时，能够促进聚集物分子进行链式反应。模具的温度对结晶高聚物的结晶具有巨大影响。一般来说，其结晶包括两个环节，一是主期结晶环节，二是次级结晶环节。在主期结晶的基础上，对部分剩余的非晶体以及未完全进行结晶的部分进一步结晶处理，从而让晶粒紧密结合在一起，进一步填补或消除晶内缺陷，让结晶变得更加完美，这个过程叫做次级结晶。而模具的温度对其能够产生巨大影响。如果模具温度较高，能够促进次级结晶，有对大分子松弛也有帮助，从而有利于熔体的分解，从而进一步进行再次结晶，且不会出现较大的残余应力。不过，如果模具的温度过大，则冷却用时较长，注射时间也会更多，大大降低了生产效率。

2.4 嵌件预热

进行注塑成型时，因为需要考虑装配和强度方面的影响，一般而言，需把金属镶嵌于制品内。不过，必须进行前期预热方可进行嵌入，特别是体积相对庞大的嵌入物件，必须进行预热处理，从而在进行冷却处理时，让金属与塑料拥有相对接近的收缩值，减少了因为金属和塑料热膨胀系数不一样的影响，进而降低由此引起的收缩应力。预热时，温度不能过高，以确保金属嵌件的镀层不受毁损为基准，通常在100℃～130℃。不过，如果是铝合金材料，或者是铜质的嵌入材料，则预热温度要高些，达到150℃。

参考文献