陶永亮

（重慶川儀工程塑料有限公司 400712）

注塑制品后處理的主要方法

陶永亮

（重慶川儀工程塑料有限公司 400712）

注塑制品一個普遍存在的缺點是有內(nèi)應力。內(nèi)應力的存在對塑件在儲存和使用中出現(xiàn)變形和開裂的重要原因，也對影響塑件性能等重要因素。通過對內(nèi)應力在塑件中存在形式闡述，介紹兩個典型的注塑產(chǎn)品按照要求進行后處理的例子，講述塑件后處理的重要性，以保證塑件后處理所達到的功能要求，旨在了解和掌握去除注塑制品內(nèi)應力的后處理方法和檢查辦法。

注塑制品；后處理；退火；調(diào)試；方法

1，前言

由于成型過程中塑料熔體在溫度和壓力作用下的變形流動行為非常復雜，流動前塑化不均以及充模后

冷卻速度不同等原因。塑料熔體在成型過程中有存在不均勻結晶、取向和收縮應力，導致塑料制件在脫模后變形，力學性能、化學性能及表觀質(zhì)量表壞，嚴重時甚至會引起塑料制品開裂。為了解決這些問題，常常對這些注塑制品進行后處理，后處理的方法只要有退火處理和調(diào)試處理[1]。

2，塑件內(nèi)應力的概念及其他

2.1 塑件內(nèi)應力產(chǎn)生

塑料內(nèi)應力是指在塑料熔融加工過程中由于受到大分子鏈的取向和冷卻收縮等因素而產(chǎn)生的一種內(nèi)在應力。內(nèi)應力的本質(zhì)為大分子鏈在熔融加工過程中形成的不平衡構象，這種不平衡構象在冷卻固化時不能立刻恢復到與環(huán)境條件相適應的平衡構象，這種不均衡構象的實質(zhì)為一種可逆的高彈形變，而凍結的高彈形變平時以位能情勢儲存在塑料制品中，在合適的條件下，這種被迫的不穩(wěn)定的構象將向自在的穩(wěn)固的構象轉(zhuǎn)化，位能改變?yōu)閯幽芏_釋。當大分子鏈間的作用力和相互纏結力蒙受不住這種動能時，內(nèi)應力平衡即受到破壞，塑料制品就會產(chǎn)生應力開裂及翹曲變形等現(xiàn)象。

注塑制品的內(nèi)應力有兩種類型：一種是注塑制品成型應力，各處局部應力狀態(tài)是不同的，制品變形程度將決定于應力分布。如果制品在冷卻時。存在溫度梯度，則這類應力會發(fā)展，所以這類應力又稱為“成型應力”。另一種是溫度應力。當熔體進入溫度較低的模具時，靠近模腔壁的熔體訊速地冷卻而固化，于是分子鏈段被“凍結”。由于凝固的聚合物層，導熱性很差，在制品厚度方向上產(chǎn)生較大的溫度梯度。制品心部凝固相當緩慢，以致于當澆口封閉時，制品中心的熔體單元還未凝固，這時注塑機又無法對冷卻收縮進行補料。這樣制品內(nèi)部收縮作用與硬皮層作用方向是相反的；心部處于靜態(tài)拉伸而表層則處于靜態(tài)壓縮。在熔體充模流動時，除了有體積收縮效應引起的應力外。還有因流道，澆口出口的膨脹效應而引起的應力。

2.2 內(nèi)應力的種類

高分子材料在成型過程中形成的不平衡構象，在成型之后不能立即恢復到與環(huán)境條件相適應的平衡構象，是注塑制品存在內(nèi)應力的主要原因。另外，外力使制件產(chǎn)生強迫高彈形變也會在其中形成內(nèi)應力。根據(jù)起因不同，通常認為熱塑性塑料注塑制件中主要存在著四種不同形式的內(nèi)應力。對注塑制件力學性能影響最大的是取向應力和體積溫度應力。

2.2.1 取向應力

取向內(nèi)應力是塑料熔體在流動充模和保壓補料過程中，大分子鏈沿流動方向排列定向構象被凍結而產(chǎn)生的一種內(nèi)應力。取向應力產(chǎn)生的詳細過程為：近流道壁的熔體因冷卻速度快而造成外層熔體粘度增高，從一而使熔體在型腔核心層流速遠高于表層流速，導致熔體內(nèi)部層與層之間受到剪切應力作用，產(chǎn)生沿流動方向的取向。取向的大分子鏈解凍在塑料制品內(nèi)也就象征著其中存在未松弛的可逆高彈形變，所以說取向應力就是大分子鏈從取向構象力求過渡到無取向構象的內(nèi)力。用熱處理的方式，可降低或排除塑料制品內(nèi)的取向應力。塑料制品的取向內(nèi)應力分布為從制品的表層到內(nèi)層越來越小，并呈拋物線變化[2]。

2.2.2 體積溫度應力

體積溫度應力是制件冷卻時不均勻收縮引起的。因內(nèi)外收縮不均而產(chǎn)生的體積溫度應力主要靠減少制件內(nèi)外層冷卻降溫速率的差別來降低。這可以通過提高模具溫度、降低加工溫度來達到。加工結晶塑料制件時，常常因各部分結晶結構和結晶度不等而出現(xiàn)結晶應力。模具溫度是影響結晶過程的最主要的工藝因素，降低模具溫度可以降低結晶應力。帶金屬嵌件的塑件成型時，嵌件周圍的料層由于兩種材料線膨脹系數(shù)不等而出現(xiàn)收縮應力，可通過預熱嵌件降低應力。

2.2.3 與制件體積不平衡有關的應力

高分子在模腔內(nèi)凝固時，甚至在極其緩慢的條件下要使制件在脫模后立即達到其平衡體積，在實際上是不可能的。實驗測定表明，注塑制件中這種形式的內(nèi)應力一般很小。

2.2.4 與制件頂出變形有關的內(nèi)應力

這種內(nèi)應力主要與開模條件和模具頂出機構的設計有關。正確選擇開模條件使開模前的模腔壓力接近于零，根據(jù)制件的結構和形狀設計合理的頂出機構，使制件頂出時不致變形，是可以將這種形式的內(nèi)應力減少到不會影響制件力學性能的限度以內(nèi)的。

2.3 影響內(nèi)應力的因素

內(nèi)應力的影響在速冷條件下，取向會導致聚合物內(nèi)應力的形成。由于聚合物熔體的粘度高，內(nèi)應力不能很快松馳，影響制品的物理性能和尺寸穩(wěn)定性。

2.3.1 各參數(shù)對取向應力的影響

a）注塑熔體溫度，熔體溫度高，粘度低，剪切應力降低取向度減?。涣硪环矫嬗捎谌垠w溫度高會使應力松馳加快，促使解取向能力加強?？墒窃诓桓淖冏⑺軝C壓力的情況下，模腔壓力會增大，強剪切作用又導致取向應力的提高。

b）在噴嘴封閉以前，延長保壓時間，會導致取向應力增加。

c）提高注射壓力或保壓壓力，會增大取向應力，

d）模具溫度高可保證制品緩慢冷卻，起到解取向作用。

e）增加制品厚度使取向應力降低，因為厚壁制品冷卻時慢，粘度提高慢，應力松馳過程的時間長，所以取向應力小。

2.3.2 有溫度應力的影響

如上所述由于在充模時熔體和型壁之間溫度梯度很大，先凝固 的外層熔體要助止后凝固的內(nèi)層熔體的收縮，結果在外層產(chǎn)生壓應力（收縮應力），內(nèi)層產(chǎn)生拉應力（取向應力）。如果充模后又在保壓壓力的作用下持續(xù)較長時間，聚合物熔體又補入模腔中，使模腔壓力提高，此壓力會改變由于溫度不均而產(chǎn)生的內(nèi)應力。但在保壓時間短，模腔壓力又較低的情況下，制品內(nèi)部仍會保持原來冷卻時的應力狀態(tài)。如果在制品冷卻初期模腔壓力不足時，制品的外層會因凝固收縮而形成凹陷；如果在制品已形成冷硬層的后期模腔壓力不足時，制品的內(nèi)層會因收縮而分離，或形成空穴；如果在澆口封閉前維持模腔壓力，有利于提高制品密度，消除冷卻溫度應力，但是在澆口附近會產(chǎn)生較大的應力集中。由此看來熱塑性聚合物在成型時，模內(nèi)壓力越大保壓時間越長，有助于溫度所產(chǎn)生的收縮應力的減小反之會使壓縮應力增大。

2.4 內(nèi)應力與塑件質(zhì)量的關系

塑件中內(nèi)應力的存在會嚴重影響塑件的力學性質(zhì)和使用性能；由于塑件內(nèi)應力的存在和分布不均，塑件在使用過程中會發(fā)生裂紋。在玻璃化溫度以下使用時，常發(fā)生不規(guī)則的變形或翹曲，還會引起透明塑件表面“泛白”，渾濁，光學性質(zhì)變壞。設法降低澆口處溫度，增加緩冷時間，有利于改善塑件的應力不均，使塑件的機械性能均一。不管對結晶型聚合物還是非結晶型聚合物，拉伸強度都表現(xiàn)出各向異向的特點。對非結晶型聚合物拉伸強度會因澆口的們置而異；當澆口與充模方向一致時，拉伸強度隨熔體溫度提高而降低；當澆口與充模方向垂直時，拉伸強度隨熔體溫度的提高而增加。由于熔體溫度提高導致解取向作用加強，而取向作用減弱使拉伸強度降低。澆口的方位會通過影響料流的方向來影響取向，又由于非結晶型聚合物比結晶型聚合物的各向異性表現(xiàn)的強烈，所以在垂直于流動方向上的拉伸強度前者比后者大。低溫注射比高溫注射有更大的力學各向異性。熔體溫度的提高，不論對結晶型聚合物還是非結晶型聚合物都會導致拉伸強度的降低，但機理卻不一樣；前者是由于通過取向作用降低的影響。

3，塑件主要后處理方法

塑料制品常用后處理的方法是退火處理和調(diào)試處理兩種。

3.1 退火處理

由于塑料在料筒內(nèi)塑化不均勻或者在模腔內(nèi)冷卻速度不同，因此常會產(chǎn)生不均的結晶、定向和收縮，致使塑件有內(nèi)應力，在生產(chǎn)壁厚或帶有金屬嵌件的塑件時更為突出。存在內(nèi)應力塑件在儲存和使用中會發(fā)生力學性能下降，通常要對塑件進行退火處理[3]。退火處理是為了消除或降低制件成型后的殘余應力。對于結晶型塑件，利用退火能對它們的結晶度大小進行調(diào)整，或加速二次結晶和結晶的過程。退火還可以對制件進行解除取向、并降低制件硬度和提高韌性。退火溫度一般在制件使用溫度以上10--20℃至熱變形溫度一下10--20℃之間選擇和控制。

圖1 力矩馬達罩產(chǎn)品示意圖

力矩馬達罩是HEPL—氣閥門定位器用力馬達系列產(chǎn)品上固定支承件，又是產(chǎn)品上的外觀件。如圖1所示，用料是透明聚碳酸脂PC。PC具有機械強度高、使用溫度范圍廣、電絕緣性能好、尺寸穩(wěn)定性好、透明性好等特點被廣泛使用于儀器儀表零件。力矩馬達罩整個產(chǎn)品周邊厚度基本上為1.3，部分部位的厚度僅只有0.8，產(chǎn)品的頂上有4.5的厚度，在周圍適當?shù)牡胤酵ㄟ^加孔和槽的形式以解決厚度懸殊給產(chǎn)品帶來變形，給成型帶來了一定的困難。產(chǎn)品上還有6-M2黃銅嵌件，嵌件的外徑Φ4，高度4。產(chǎn)品外觀要求是表面光整，不得有氣孔，疏松，裂紋等缺陷[4]。整個產(chǎn)品重7.6g。但產(chǎn)品的裂紋是常事，原因是馬達罩產(chǎn)品在M2嵌件附近和厚薄相差大的地方有裂紋，影響使用。為解決裂紋等，在嵌件的外徑Φ4與大圓孔邊緣厚度只有0.5，為了適當增加一些厚度，在保證使用質(zhì)量的前提下，將外徑Φ4改成為Φ3.4樣子，這樣嵌件的外徑Φ3.4與大圓孔邊緣厚度有0.8。由于塑料與金屬的線膨脹系數(shù)差別大，容易產(chǎn)生內(nèi)應力，這是帶金屬嵌件制品產(chǎn)生裂紋的原因之一。在注塑時，將嵌件必須加熱到150---200℃。

注塑成型時模溫控制是重要一環(huán)，控制模溫在100℃。不會使模壁與中心熔體冷卻相差很大，產(chǎn)品產(chǎn)生內(nèi)應力，較好制止了產(chǎn)品的機械性能下降。同時參考一些資料[5]，就模溫對PC制品的內(nèi)應力作了試驗。首先是在模溫100℃條件下注塑的產(chǎn)品，在四氯化碳溶液中浸泡60s（室溫20℃），無裂紋，說明內(nèi)應力控制達標好；其次將制品放入120℃的烘箱進行退火處理（PC熱變形溫度137℃），在室溫下冷卻，四氯化碳溶液中浸泡60s（室溫20℃），有輕微裂紋，說明經(jīng)過熱處理，內(nèi)應力沒有徹底消除，產(chǎn)品質(zhì)量不過關。前期力矩馬達罩出現(xiàn)裂紋基本上屬于這種情況。再次是在常溫下冷卻后的產(chǎn)品放在四氯化碳溶液中浸泡60s（室溫20℃），有地方破裂，產(chǎn)品的內(nèi)應力大，不合格。通過這個試驗，說明模溫對PC制品內(nèi)應力的影響和模溫對PC的成型重要性，也是PC在成型中解決和控制內(nèi)應力主要手段之一。

通過這些調(diào)整，還是要對塑件進行退火處理，塑件退火（循環(huán)熱風烘箱120°C，6-8小時后隨爐冷卻）連澆口一起退火。退火處理后放入四氯化碳溶液中浸泡檢驗，1min無破裂，表明了產(chǎn)品消除了內(nèi)應力。

退火后塑件應力檢驗是很重要的，一般采用偏振光檢驗法和溶劑浸漬法。偏振光檢驗法適用透明塑件的檢查，利用塑件的透明性，把塑件置于偏光鏡片之間，從鏡片上看塑件表面彩色光帶面積大小確定內(nèi)應力發(fā)生范圍的大小，光帶面積越大，內(nèi)應力范圍越大；溶劑浸漬法將塑件浸在溶劑（如苯、四氯化碳、環(huán)已烷、乙醇、甲醇）內(nèi)，按塑件發(fā)生龜裂破壞所花的時間來判定應力的大小，時間越長應力越小。浸漬1min-2min未見開裂，說明內(nèi)應力較小，使用中不大會發(fā)生問題的[6]。附表1部分塑件溶劑浸漬法內(nèi)應力檢查方法。

3.2 調(diào)試處理

調(diào)濕處理是一種調(diào)整塑件含水量的后處理工序，主要用于吸濕性很強且又容易氧化的聚酰胺等塑件。調(diào)濕處理所用的加熱介質(zhì)一般為沸水或醋酸鉀溶液（沸點為121℃），加熱溫度100-121℃，保溫時間與塑件厚度或技術要求有關。

表1 部分注塑件內(nèi)應力檢查

圖2 球頭螺母產(chǎn)品示意圖

圖3 球頭金屬件示意圖

球頭螺母是車燈中較常用的重要連接支承件，是起到調(diào)光轉(zhuǎn)向和連接支承作用，如圖2所示。球頭螺母用料是PA66（聚酰胺66）黑, 球頭螺母中是一個球頭形狀，它周邊有三等分均布2.0寬的槽，球頭部位在一定的作用力下壓入在球頭金屬件，如圖3所示，球頭螺母球頭部位包容球頭金屬件中包容力（拉脫力）要保證120N～130N（相當于12kg力）。這是球頭螺母的功能要求必須要達到的。產(chǎn)品要求是表面光整，不得有氣孔，疏松，裂紋等缺陷。

聚酰胺66，也稱聚己二酰己二胺（PA66），分子式：―[NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO]n―。PA66分子主鏈上含有重復酰胺基團—[NHCO]—的原因，導致吸水率大。通過工藝改進和調(diào)濕時間掌握，保證產(chǎn)品的力學強度（拉脫力）。其中模具溫度對聚酰胺結晶度及成型收縮率有一定的影響，高模溫結晶度高、耐磨性、硬度、彈性模量增加、吸水性下降、制品的成型收縮率增加；低模溫結晶度低、韌性好、伸長率較高。模具溫度將影響聚酰胺結晶度，而結晶度將影響產(chǎn)品的物理特性。對于小型塑件，增加模溫機控制40--50℃的模具溫度，則塑件的結晶度將隨著時間而變化，為了保持塑件的幾何穩(wěn)定性，需要進行調(diào)濕處理。

為發(fā)揮聚酰胺材料的韌性，沖擊強度，抗拉強度等，需要進行調(diào)濕處理，完成聚酰胺的結晶，以獲得較好的機械性能。其中吸水率對機械性能的影響較大。根據(jù)資料的試件實驗參數(shù)[7]進行分析，如表2。

球頭螺母在沸水里煮30min后吸水率明顯提高了，各項力學性能下降很多，但韌性提高了。分別對產(chǎn)品不作處理和沸水煮30min后進行拉拔力測試，其結果是：①用管型測力計測產(chǎn)品不作處理產(chǎn)品為140N～130N；②沸水煮30min后測為100N～90N，低于用戶的要求，用戶能讓步接收，如果隨時間的增長和環(huán)境、濕度的影響下，會出現(xiàn)80N～90N，這是用戶不能接收的；③對產(chǎn)品在沸水里煮15min后測為120N～110N，放一個月后會出現(xiàn)100N，經(jīng)過與用戶交流，確定沸水煮15min為調(diào)濕時間。

聚酰胺極性材料分子間氫鍵與環(huán)境中水分相互作用，對材料的力學性能有較大影響。重慶氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L性濕潤氣候，相對濕度全年平均80%，能高達90%以上。酰胺試件[8]拉伸強度由初期的值，1到3個月內(nèi)下降很多，到3-4個月之間為較低點，隨后的時間增加，后期結晶度的增加會有一定程度回升，但不會到當初的拉伸強度。拉伸強度同樣對拉脫力有影響，對調(diào)濕后的產(chǎn)品分不同時間段，進行測力試驗，（測試方法：球頭螺母裝入金屬件上，將金屬件固定，用測力器連接在塑件上，拉動測力器看拉開的瞬間數(shù)值）分別進行記錄，觀察在兩個月里，隨時間加長和環(huán)境、濕度的影響下，球頭螺母與球頭金屬件拉拔力會有變化，但能保證和控制拉拔力在100N范圍出廠。在出廠前增加球頭螺母產(chǎn)品測力試驗，這對組織生產(chǎn)和送貨時間都有一定的作用。

表2 PA66試件實驗參數(shù)

表3 部分塑件后處理工藝

在進行測力試驗的同時，增加破壞試驗，是用重物敲壞球頭螺母，通過看破壞截面的顏色和光澤度，進行判定脆性好壞。用沒有作任何處理的球頭螺母進行裝燈試驗，強度和剛性都太好了，在裝配中球頭螺母也出現(xiàn)較多的斷裂，從斷裂的截面看，斷裂線很整齊，截面也很光亮的，用戶不敢冒險用。經(jīng)過水煮后的截面，斷裂線不整齊，截面粗糙的，有黑中帶白的樣子。這項破壞試驗主要檢查產(chǎn)品調(diào)濕后的效果[9]。目前還沒有先進的方法檢查調(diào)濕處理效果，只能用破壞試驗看破壞截面情況。

3.3 部分塑件后處理工藝條件

下表中列出了部分熱塑性塑料后處理的工藝條件。但應指出，并非所有塑件都要進行后處理，通常，只用于帶金屬嵌件、使用溫度變化較大、尺寸精度要求高和壁厚大的塑件[10]。凡退火或調(diào)濕的塑件，在達到所需溫度和時間以后，一定要緩慢降至室溫，如果突然冷卻或冷卻速度太快，則塑件內(nèi)部又會產(chǎn)生新的內(nèi)應力。部分塑件后處理工藝如表3。

4，結束語

塑件產(chǎn)生內(nèi)應力是較復雜的情況，而塑件的后處理的方法不是一成不變的，都要根據(jù)塑件的要求，塑料的品種、塑件形狀、厚度及結晶度大小而異。特別是裝配需要和力學性能，都應對后處理工藝作相應的實驗，經(jīng)過生產(chǎn)實踐驗證，找準較好的工藝參數(shù)，并有一定檢查塑件后處理效果的方法，才能保證塑件后處理的達到預期效果符合功能性需要，產(chǎn)品質(zhì)量得到了用戶的認同為最終目標。

[1]張維合.注塑模具設計實用教程（第二版）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2011.10；60-61

[2]成都科技大學.塑料成型工藝學[M]. 北京：輕工業(yè)出版社，1985.9；31-34

[3]成都科技大學.塑料成型工藝學[M]. 北京：輕工業(yè)出版社，1985.9；147-148

[4]陶永亮.力矩馬達罩注塑工藝改進[J]. 工程塑料應用，2008.36(9) ；44-46

[5]注塑缺陷原因分析與對策（講座教材）.東莞:華南注塑技術管理顧問有限公司,2007

[6]崔繼耀，譚麗娟.注塑成型技術難題解答[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.6；323-324

[7]李暉等.吸水率對尼龍66力學性能的影響研究[J]. 工程塑料應用，2008，36（ 8）： 64-67

[8]朱本瑋等.環(huán)境濕度對尼龍66性能的影響極其時間效應[J].現(xiàn)代塑料加工應用，2008，20（ 5）5-7

[9]陶永亮球頭螺母成型工藝優(yōu)化[J]. 工程塑料應用，2011.39(10) ；44-47

[10]洪慎章.實用注塑模設計與制造[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.1；44-45

Plastic products post-processing of main methods

TaoYongLiang
(Chongqing chuanyi engineering plastic Co., LTD 400712)

Injection products for a common defect is to have internal stress. The existence of the internal stress of plastic parts in the storage and use of deformation and cracking in the important reason, Also infl uence factors including plastic parts performance. Through the internal stress of plastic parts in this form, Introduction of two typical injection products according to the requirements of the post-processing example, About the importance of plastic parts postprocessing, In order to ensure that the plastic parts to the function requirement of post-processing, Aims to understand and grasp the internal stress of removing injection products post-processing methods and examination way.

Injection products; Post-processing; Annealing ;Debugging; Methods