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        塑膠注射制品內(nèi)應(yīng)力的分析及控制

        2021-09-10 07:22:44趙誠(chéng)趙曉博張風(fēng)
        科技研究 2021年6期

        趙誠(chéng) 趙曉博 張風(fēng)

        摘要:注塑制品一個(gè)普遍存在的缺點(diǎn)是有內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的存在不僅是制件在儲(chǔ)存和使用中出現(xiàn)翹曲變形和開(kāi)裂的重要原因,也是影響制件光學(xué)性能、電學(xué)性能、物理力學(xué)性能和表觀質(zhì)量的重要因素。本文針對(duì)內(nèi)應(yīng)力這個(gè)內(nèi)在的質(zhì)量問(wèn)題展開(kāi)分析,并提出控制的一些方法,希望對(duì)控制產(chǎn)品質(zhì)量的工程人員有所幫助和啟示。

        關(guān)鍵詞:注塑;內(nèi)應(yīng)力;質(zhì)量問(wèn)題

        引言:在注塑加工過(guò)程中,注塑制品存在著一個(gè)內(nèi)在的質(zhì)量問(wèn)題-內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的來(lái)源與所使用的塑料原料種類(lèi)、注塑機(jī)的類(lèi)型與塑化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模具的結(jié)構(gòu)及精度、塑料制品的結(jié)構(gòu)、注塑成型的工藝參數(shù)的設(shè)定及控制、生產(chǎn)環(huán)境及操作者的狀態(tài)等有關(guān)。其中任何一項(xiàng)出現(xiàn)問(wèn)題,都將影響到制品的質(zhì)量。而且,由于制品的表面質(zhì)量是內(nèi)在質(zhì)量的反映,所以,凡是能引起制品內(nèi)在質(zhì)量的因素,都能同時(shí)引起制品的表面質(zhì)量及其他質(zhì)量問(wèn)題,如引起制品的開(kāi)裂、銀紋、翹曲、變形、力學(xué)強(qiáng)度降低,甚至失去使用價(jià)值等問(wèn)題。

        由于注塑過(guò)程中,除了引起制品翹曲變形的內(nèi)應(yīng)力可以直觀感覺(jué)到外,其它質(zhì)量問(wèn)題不但用肉眼看不到,而且在短時(shí)間內(nèi)也沒(méi)有表露出來(lái)。所以注塑加工現(xiàn)場(chǎng)的工程人員對(duì)于這個(gè)問(wèn)題一般不很重視,但是卻可能存在著很大的質(zhì)量隱患。

        一、內(nèi)應(yīng)力的種類(lèi)

        注塑制品的內(nèi)應(yīng)力主要有以下四種:

        1、溫度應(yīng)力:是制品冷卻時(shí)溫度不均產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)熔體進(jìn)入溫度較低的模具時(shí),靠近模腔壁的熔體迅速地冷卻而固化。由于凝固的聚合物層導(dǎo)熱性很差,因而在制品厚度方向上產(chǎn)生較大的溫度梯度。先凝固的外層熔體要阻止后凝固的內(nèi)層熔體的收縮,結(jié)果在外層產(chǎn)生壓應(yīng)力(收縮應(yīng)力),內(nèi)層產(chǎn)生拉應(yīng)力(取向應(yīng)力)。另方面,因制品壁厚不均勻,冷卻速度不一致,從而產(chǎn)生冷卻溫度不均現(xiàn)象。

        2、取向應(yīng)力:是制品內(nèi)部大分子取向產(chǎn)生的應(yīng)力。對(duì)于線形樹(shù)脂和纖維增強(qiáng)的塑料,在加工中最容易產(chǎn)生取向應(yīng)力。其結(jié)果,沿著流動(dòng)方向的分子取向程度最大,在速冷條件下,如果被拉直的分子鏈來(lái)不及松弛,則在該方向上產(chǎn)生了取向應(yīng)力。

        3、收縮應(yīng)力:注塑過(guò)程中,塑料分子本身的平衡狀態(tài)受到破壞,并產(chǎn)生不平衡體積時(shí)的應(yīng)力。如結(jié)晶塑料的晶區(qū)與非晶區(qū)界面因收縮不均產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

        4、脫模應(yīng)力:脫模時(shí)制品變形產(chǎn)生的應(yīng)力。這主要是模具加工精度較差和設(shè)計(jì)不合理造成,如脫模斜度不夠,頂針數(shù)量不夠或頂出不平衡等。

        以上2至4類(lèi)應(yīng)力可以歸納為成型應(yīng)力,是成型過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力。一般注塑制品中同時(shí)都存在幾種應(yīng)力,制品的破壞,是由幾種應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

        二、內(nèi)應(yīng)力對(duì)注塑制品的影響

        制品中內(nèi)應(yīng)力的存在會(huì)嚴(yán)重影響到制品的力學(xué)性能和使用性能。它的存在將降低了制品對(duì)光、熱以及腐蝕介質(zhì)的抵抗能力。同時(shí),制品在使用過(guò)程中將出現(xiàn)裂紋、不規(guī)則變形和翹曲,制品表面泛白、渾濁、光學(xué)性能下降等結(jié)果。

        三、內(nèi)應(yīng)力的控制方法

        1、減小溫度應(yīng)力的影響

        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(yīng)力,但是在澆口附近會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。設(shè)法降低澆口處溫度,延長(zhǎng)緩冷時(shí)間,有利于改善制品的應(yīng)力不均,使制品的機(jī)械性能均一。

        熔體溫度的提高,不論對(duì)結(jié)晶型聚合物還是非結(jié)晶型聚合物都會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度的降低。對(duì)非結(jié)晶型聚合物,拉伸強(qiáng)度會(huì)因澆口的位置而異。當(dāng)澆口與充模方向一致時(shí),拉伸強(qiáng)度隨熔體溫度提高而降低;當(dāng)澆口與充模方向垂直時(shí),拉伸強(qiáng)度隨熔體溫度的提高而增加。

        2、減小取向應(yīng)力的影響

        高分子取向使制件內(nèi)存在著未松弛的高彈形變,主要集中在表層和澆口的附近,使這些地方存在著較大的取向應(yīng)力,用退火的方法可以消除制件的取向應(yīng)力。試驗(yàn)表明,提高加工溫度和模具溫度、降低注射壓力和注射速度、縮短注射時(shí)間和保壓時(shí)間都能在不同程度上使制件的取向應(yīng)力減小。

        3、減小收縮應(yīng)力的影響

        塑料制品如果在模內(nèi)散熱不好,冷熱不均(尤其對(duì)大制品而言),可能會(huì)使制品出現(xiàn)收縮差異,產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,而使制品開(kāi)裂。因此,模具的冷卻水道的布置應(yīng)盡量平衡。制品設(shè)計(jì)上,避免厚度相差很大的部位。因厚度相差很大的部位必然是冷卻速度不一,冷卻過(guò)程的收縮和結(jié)晶情形的不同,力學(xué)狀態(tài)也不同。

        4、減小脫模應(yīng)力的影響

        a、調(diào)整頂出裝置,如頂板、頂桿等,使之平衡動(dòng)作,避免作用力先后不一或傾斜歪曲頂出。

        b、型腔、型芯要有適當(dāng)?shù)拿撃P倍?。?dāng)斜度不夠時(shí),脫模困難,制品受的機(jī)械應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂。

        c、型腔脫模面要有足夠的光潔度,甚至連拋光方向也應(yīng)盡量與料流方向一致。型芯部分的加強(qiáng)筋、柱子等應(yīng)有足夠的光潔度,使脫模順暢。

        d、采用小澆口,保壓時(shí)間短,內(nèi)應(yīng)力小;用大流道,則注射壓力低,注射時(shí)間短,內(nèi)應(yīng)力小;澆口設(shè)計(jì)在制品的厚壁處,則注射壓力和保壓壓力低,內(nèi)應(yīng)力小。

        e、調(diào)節(jié)好開(kāi)模速度,避免高速撥模。

        f、調(diào)節(jié)好模板的平行度及平穩(wěn)性。

        g、在模面上施加適當(dāng)?shù)拿撃?,使脫模順暢?/p>

        h、制品在模內(nèi)冷卻時(shí)間太短,未充分硬化即開(kāi)模頂出,可能在頂桿周?chē)_(kāi)裂。但冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng),制品包貼在模芯上,頂出時(shí)由于脫模光潔度不夠或斜度不夠而發(fā)生頂白現(xiàn)象。

        i、深腔制品應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣孔道,以免脫模時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的負(fù)壓,影響塑料制品與模具的分離。必要時(shí),通過(guò)進(jìn)氣孔道向模具和制品之間吹入壓縮空氣有助于脫模。、

        5、制品壁厚

        制品壁厚是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮的重要因素。不合理的壁厚會(huì)給制品帶來(lái)很多缺陷。增加壁厚既可改善樹(shù)脂的充模特性,又可降低取向應(yīng)力,減少變形,提高制品強(qiáng)度。但同時(shí)收縮加大,保壓和冷卻時(shí)間加長(zhǎng),生產(chǎn)效率降低,消耗材料多。較大的收縮應(yīng)力還將造成制品表面產(chǎn)生凹陷或內(nèi)部出現(xiàn)縮孔與氣泡,既影響外觀又降低了強(qiáng)度。增加壁厚的同時(shí)也增加了制品的表面積,表面積與體積之比越大,表面冷卻越快,取向應(yīng)力和體積溫度應(yīng)力都隨之增大。如果制品壁太薄,會(huì)降低強(qiáng)度,脫模時(shí)易破裂,還有礙于樹(shù)脂的充模流動(dòng),造成填充不足或出現(xiàn)明顯的熔合紋,嚴(yán)重影響制品質(zhì)量。每種塑料根據(jù)充模能力都有一個(gè)最小壁厚。確定壁厚時(shí)在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下,壁厚盡量取薄些,可節(jié)省材料,減輕制品重量,降低成本,但不能小于最小壁厚。ABS常用的標(biāo)準(zhǔn)壁厚為1.2~3.5mm。壁厚設(shè)計(jì)還應(yīng)注意均勻一致,否則將會(huì)由于收縮應(yīng)力引起制品的翹曲變形。同一制品中,若必須存在壁厚相差較大的情況時(shí),連接處應(yīng)逐漸過(guò)渡,避免截面的突變。

        6、材料選用

        某些剛性大的塑料(如PC、PS塑料),本身不適合作脫模有困難的制品,而且容易出現(xiàn)應(yīng)力開(kāi)裂,所以應(yīng)注意。一般非結(jié)晶型樹(shù)脂比結(jié)晶型樹(shù)脂容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力而引起裂紋,也應(yīng)注意。

        塑料再生次數(shù)太多或再生料含量太高,或料在料筒內(nèi)加熱時(shí)間太長(zhǎng),都會(huì)促使制品脆裂。塑料分子量每成形一次,當(dāng)降到某一數(shù)值下,其耐沖擊強(qiáng)度急劇降低而變脆。

        有些塑料在受潮狀況下加熱,會(huì)與水汽發(fā)生催化裂化反應(yīng),形成的降解產(chǎn)物和氣態(tài)物質(zhì),除了影響制品外觀外,還使制品發(fā)生大的應(yīng)變,較小的殘余應(yīng)力就可以使出模后的制品產(chǎn)生開(kāi)裂。

        有些塑料本身質(zhì)量不佳,例如分子量分布大,塑料受到污染,也是造成開(kāi)裂的原因。

        四、內(nèi)應(yīng)力的檢驗(yàn)和消除

        1、檢驗(yàn)方法: 溶劑法

        PS:在室溫下用煤油處理。

        PC、PS、聚砜、PPO:用四氯化硅溶劑處理,20秒內(nèi)若制品開(kāi)裂,說(shuō)明內(nèi)應(yīng)力大。

        POM:30%鹽酸溶液中浸30min。

        ABS:浸入冰醋酸溶液中30秒至兩分鐘。

        PP:在80℃下,用63%(重量百分比)的三氧化鉻與水的混合物處理。

        2、熱處理方法:有開(kāi)裂傾向的塑料制品,可以用退火熱處理方法來(lái)消除制品內(nèi)應(yīng)力,從而減小裂紋的生成。

        POM 空氣浴退火:140~150℃×壁厚每增5mm即增加40~60min;

        油浴退火:140~150℃×壁厚每增5mm即增加20~30min。

        PBT 120℃×1~2h 。

        PC 110~135℃×?xí)r間根據(jù)厚度定。

        聚砜 170~180℃×2~4h 。

        PMMA 70~80℃×4h 。

        ABS 65~75℃×2~4h 。

        PS 介質(zhì)為熱空氣或熱水:60~70℃×30~60min(厚度≤6mm);70~80℃×120~300min(厚度≤6mm)。

        正確選用加熱介質(zhì)對(duì)熱處理效果很重要。用空氣作為加熱介質(zhì),有操作簡(jiǎn)便和處理后不需要清洗等優(yōu)點(diǎn)。例如ABS塑料在65~75℃空氣中處理2~4小時(shí)效果良好。但空氣熱傳導(dǎo)效率低,容易引起尼龍類(lèi)和聚甲醛等塑料氧化變色。高沸點(diǎn)油作為熱處理介質(zhì)有傳熱快、制件加熱均勻等優(yōu)點(diǎn),但操作比較麻煩,而且處理后的制件上存留的油斑有時(shí)很難除去。吸水性強(qiáng)的尼龍類(lèi)塑料制件用水或乙酸鉀的水溶液(沸點(diǎn)121℃)作熱處理介質(zhì)比較好。用這種介質(zhì)既有利于防止制件在熱處理過(guò)程中氧化變色,又能使其加速達(dá)到吸濕平衡。

        熱處理有時(shí)不一定能達(dá)到理想的效果,只能作為一種輔助工序,完全依靠熱處理防止應(yīng)力開(kāi)裂的做法不可靠。必須從影響注塑制品內(nèi)應(yīng)力的幾個(gè)主要因素方面采取有效措施,結(jié)合熱處理方法才能取得滿(mǎn)意效果。

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