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程中不可避免地會產(chǎn)生一些缺陷，在成型過程中對缺陷的控制和在使用過程中對缺陷的檢測對塑料制品應(yīng)用于生產(chǎn)生活具有重要的意義。本文對塑料制品成型過程中產(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，來自不同方向的熔融樹脂交匯時(shí)，樹脂前端部分被冷卻，在結(jié)合處融合不完全就會產(chǎn)生熔接痕。熔接痕通常只影響外觀，但嚴(yán)重時(shí)會影響到制品的強(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。溫度過高時(shí)，塑料的粘度小，流動性強(qiáng)，熔接痕會變細(xì)；溫度較低則有利于減少氣態(tài)物質(zhì)的分解。當(dāng)樹脂的流動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）。翹曲缺陷會導(dǎo)致制品無法正常使用，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)部分子鏈的位移會導(dǎo)致翹曲現(xiàn)象，塑料分子自身內(nèi)部的應(yīng)力也會導(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)壓力過高或溫度過低。（2）提高熔料的注射速度，使熔料流動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，在壁厚部分會形成空隙，塑料中的水分與揮發(fā)物含量過高會在成型時(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

噴射流是指熔融樹脂從澆口射入型腔時(shí)沿著流動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)初期對脫離模具的壓力設(shè)置過高，或在頂出桿的過程中應(yīng)對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)力過大。（2）降低熔融塑料粘度，提高流動性以減小應(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。壓延成型常用來生產(chǎn)PVC、PVDC等塑料包裝片材，該工藝會產(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，擠出成型過程中會導(dǎo)致斷裂缺陷、厚度不均等，通過對壓延機(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，難免會產(chǎn)生缺陷，影響到制品的性能和使用安全。無損檢測技術(shù)通過探查材料局部缺陷對聲、光、電、磁、熱信號的變化反饋出缺陷的位置和深度信息，無損檢測技術(shù)能夠有效地檢測出制品缺陷，幫助使用者及時(shí)排查安全隱患，保障制品的使用壽命。無損檢測技術(shù)是產(chǎn)品質(zhì)量保證中重要的基礎(chǔ)技術(shù)。在多種無損檢測技術(shù)中，應(yīng)用于塑料缺陷檢測的方法主要有三種：紅外熱成像檢測、聲發(fā)射檢測、超聲波檢測[7]。

3.1 紅外熱成像檢測

紅外熱成像無損檢測是根據(jù)紅外線輻射原理，通過測量物體內(nèi)部能量的流動情況，直觀上對缺陷進(jìn)行判斷的方法。該方法使用紅外熱像儀顯示檢測結(jié)果，可以通過分析熱圖來推斷缺陷情況。紅外熱成像檢測操作簡單、成本低、檢測用時(shí)短，可檢測到缺陷的具體位置，但檢測能力受到缺陷深度、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，使用紅外無損檢測和數(shù)字射線檢測兩種方法進(jìn)行缺陷檢測并進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明紅外無損檢測的適用范圍廣、效率高，適合大尺寸產(chǎn)品內(nèi)部的缺陷檢測。

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)對碳纖維復(fù)合材料在沖擊作用下的斷裂、開裂、分層、破碎等缺陷進(jìn)行檢測，得到的可見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

聲發(fā)射檢測技術(shù)在試樣加載過程中采用聲發(fā)射檢測設(shè)備來獲取缺陷的動態(tài)信息，進(jìn)而確定聲發(fā)射源或缺陷。聲發(fā)射檢測法具有獲得連續(xù)變化的損傷信號的優(yōu)勢，適用于在線監(jiān)測和預(yù)測。聲發(fā)射法利用聲信號的發(fā)射特點(diǎn)和強(qiáng)度值可以準(zhǔn)確檢測出材料上的裂紋、裂縫以及微觀形變。該技術(shù)在檢測纖維增強(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)了對復(fù)合材料表面微變形的準(zhǔn)確檢測和對內(nèi)部損傷源聲發(fā)射響應(yīng)特征的動態(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

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

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

4. 結(jié)語

塑料制品在注塑成型的過程中可能產(chǎn)生熔接痕、翹曲、氣泡、噴射流等多種缺陷，通過優(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程中，對缺陷的無損檢測可以及時(shí)地獲取材料的結(jié)構(gòu)信息和缺陷情況。因此，缺陷檢測對保障產(chǎn)品的正常使用具有重要意義。超聲波檢測、紅外熱成像檢測和聲發(fā)射檢測可以有效地測出塑料制件的缺陷，減少安全隱患。然而，由于各種方法檢測原理的不同，對儀器、設(shè)備的要求也存在一些差異，在檢測時(shí)要按照實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>