相 寧，葛 勇，張曉雯，王博倫，鄭夢(mèng)瑤，顏 悅

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 北京市先進(jìn)運(yùn)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明件工程技術(shù)研究中心,北京 100095)

熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethanes，TPU)彈性體是一種具有微相分離結(jié)構(gòu)的嵌段共聚物，其中硬段由二異氰酸酯構(gòu)成，主要影響材料的熔融溫度及高溫性能；軟段由長(zhǎng)鏈的多元醇構(gòu)成，主要影響材料的低溫性能及彈性[1-2]。由于TPU的材料種類豐富且性能優(yōu)異，使其在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用[3-5]。其中具有高透光性、優(yōu)異的耐低溫性能和良好粘接性能的TPU膠片已經(jīng)成功用于層合結(jié)構(gòu)透明件的中間層，以提高層合結(jié)構(gòu)透明件的抗沖擊能力[6]。注射成型技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大曲率、大厚度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的一體化成型，已逐漸在TPU中間層的制備上取得應(yīng)用。然而注射成型是一種包含剪切流場(chǎng)和梯度溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)作用的成型過程，容易引發(fā)殘余應(yīng)力[7-9]。殘余應(yīng)力會(huì)影響TPU注射成型制件的尺寸精度、光學(xué)性能以及界面粘接性能，最終影響層合結(jié)構(gòu)透明件的使用。

在傳統(tǒng)的熱塑性透明樹脂注射成型領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及控制手段開展了廣泛的研究。韓健等[10]發(fā)現(xiàn)注射成型工藝中的保壓壓力和熔體溫度對(duì)制件殘余應(yīng)力的分布有明顯影響，并發(fā)現(xiàn)熔接痕區(qū)域存在雙折射行為。陳宇宏等[11]通過對(duì)比注射成型和注射壓縮成型對(duì)汽車角窗透明產(chǎn)品殘余應(yīng)力分布和光學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)，注射壓縮成型可以極大降低制件的殘余應(yīng)力并減少其分布范圍。王忠輝等[12]通過單一變量的實(shí)驗(yàn)方法研究了注射速度對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制件殘余應(yīng)力和光學(xué)性能的影響，結(jié)果表明提高注射速度可以降低制件的整體殘余應(yīng)力，且透光率隨殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)與霧度的變化趨勢(shì)相反。奚國(guó)棟等[13]基于線性黏彈性模型模擬計(jì)算了無定形材料在注射成型過程中由溫度和壓力引起的殘余應(yīng)力和收縮，發(fā)現(xiàn)提高保壓壓力和注射溫度可以降低制品的最終收縮量。葛勇等[14]通過研究注射工藝對(duì)聚碳酸酯殘余應(yīng)力的影響后，得出熔體溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響最為顯著。Isayev[15-16]在對(duì)比了自由淬火和注射成型無定形聚合物的雙折射性能后指出，注射成型制件的熱殘余應(yīng)力比流動(dòng)殘余應(yīng)力大一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且流動(dòng)殘余應(yīng)力主要是由于分子取向?qū)е碌摹?/p>

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)透明產(chǎn)品的注射成型過程中殘余應(yīng)力的形成和控制進(jìn)行了大量研究，但針對(duì)彈性體類透明聚氨酯注射成型制件殘余應(yīng)力的研究卻少見報(bào)道。本工作將探索注射成型過程中熔體溫度對(duì)制件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律以及作用機(jī)理，并結(jié)合殘余應(yīng)力在制件中的分布規(guī)律，分析闡述殘余應(yīng)力對(duì)TPU制件翹曲變形和尺寸精度的影響規(guī)律和作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原料與儀器

實(shí)驗(yàn)所用TPU原材料為一種聚醚型脂肪族透明TPU，熔融指數(shù)為13.18 g/10 min(190 ℃/2.16 kg)，數(shù)均分子量Mn=70928；成型設(shè)備為KM-CX-130/750型注塑機(jī)，螺桿直徑為45 mm；101-3AB型鼓風(fēng)烘箱；WPA-100-L型寬量程2D雙折射測(cè)定儀；HD-6型橡膠厚度計(jì)；游標(biāo)卡尺。

1.2 注射成型實(shí)驗(yàn)

使用鼓風(fēng)烘箱在85 ℃下對(duì)原料干燥4 h，確保原料干燥充分。TPU制件為注射成型的長(zhǎng)方形平板，其理論尺寸為長(zhǎng)×寬×厚=200 mm×100 mm×3 mm。采用單因素四水平實(shí)驗(yàn)方法考察熔體溫度對(duì)TPU制件殘余應(yīng)力與外形精度的影響，所考察的因素及水平值如表1所示，注射成型基本工藝參數(shù)如表2所示。

1.3 性能表征

1.3.1 殘余應(yīng)力測(cè)量

雙折射法測(cè)量殘余應(yīng)力的具體原理為，當(dāng)透明高分子材料產(chǎn)生應(yīng)力后會(huì)產(chǎn)生光學(xué)雙折射現(xiàn)象，平面偏振光垂直射入試樣后，產(chǎn)生雙折射沿受力點(diǎn)主應(yīng)力方向分成兩束平面偏振光，這兩束光的光程差與光通過處的殘余應(yīng)力成正比，即應(yīng)力-光學(xué)定律[13]：

δ=c×d×(σ1-σ2)

(1)

式中：δ為偏振光在光線通過處由于折射率不同導(dǎo)致的光程差，nm；σ1和σ2分別為第一和第二方向上的主應(yīng)力，MPa；d為樣品厚度，mm；c為材料的光彈系數(shù)，Pa-1,是材料的固有屬性，當(dāng)測(cè)試溫度固定時(shí)，可以認(rèn)為c是一個(gè)固定值[17]。

TPU制件厚度截面雙折射測(cè)量的裁樣示意圖如圖1所示，制件采用側(cè)進(jìn)膠，澆口位于制件短邊上。將平行于熔體流動(dòng)方向標(biāo)記為PF，垂直于熔體流動(dòng)方向標(biāo)記為VF，制件厚度方向標(biāo)記為TD。分別沿PF方向和VF方向進(jìn)行裁切取樣，取樣寬度為2.2 mm。

圖1 TPU制件厚度截面雙折射測(cè)量的樣品裁樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample cutting position for birefringence measurement on the thickness section

本工作采用寬量程2D雙折射測(cè)定儀，在恒定室溫的條件下，通過雙折射法測(cè)定制件整體的光程差分布以及裁切樣品的光程差分布，并通過光程差大小以及分布來表征制件的應(yīng)力大小和分布，進(jìn)而研究不同熔體溫度對(duì)制件殘余應(yīng)力分布的影響。

1.3.2 制件尺寸精度測(cè)量

TPU制件的尺寸精度測(cè)量位置如圖2所示，在平板制件不同位置均勻的選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，利用厚度計(jì)測(cè)量每一個(gè)點(diǎn)的厚度；利用游標(biāo)卡尺分別沿line 1，line 2和line 3三條直線位置對(duì)制件的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量；利用游標(biāo)卡尺分別沿line 4，line 5和line 6三條直線位置測(cè)量制件的寬度。按下式計(jì)算三個(gè)方向上每個(gè)測(cè)量值的尺寸變形率D：

(2)

圖2 尺寸精度測(cè)量位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement positions of dimensional accuracy

2 結(jié)果與分析

2.1 注射成型TPU制件殘余應(yīng)力分析

通常，注射成型制件的殘余應(yīng)力主要由兩部分構(gòu)成，一部分為熔體填充過程中因黏性流動(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)殘余應(yīng)力，另一部分為制件在冷卻過程中各點(diǎn)收縮程度不同產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力[16]。目前對(duì)于不同殘余應(yīng)力之間相互作用的物理機(jī)理還不清楚，通常認(rèn)為總殘余應(yīng)力是流動(dòng)殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力的疊加[18]。

不同熔體溫度下TPU制件的整體光程差分布如圖3所示，圖中右側(cè)為近澆口區(qū)域。通過圖3可以看出，制件整體殘余應(yīng)力隨熔體溫度的上升而下降，尤其是制件的中心區(qū)域殘余應(yīng)力下降更為明顯。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，制件整體的殘余應(yīng)力較大；當(dāng)熔體溫度為170～190 ℃時(shí)，制件殘余應(yīng)力的分布大多集中在近澆口的邊緣區(qū)域，并沿熔體流動(dòng)方向呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，較低的熔體溫度使熔體填充后分子鏈段沒有充分的時(shí)間進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)，分子鏈段取向被凍結(jié)，產(chǎn)生較大的流動(dòng)殘余應(yīng)力；而更低的模具溫度加劇了制件的冷卻，收縮不一致產(chǎn)生較大的熱殘余應(yīng)力。二者結(jié)合導(dǎo)致制件整體呈現(xiàn)出較大的殘余應(yīng)力。隨著熔體溫度的上升，分子鏈段在熔體冷卻階段解取向程度增大[18-19]，流動(dòng)殘余應(yīng)力降低，且熔體溫度升高延緩了制件的冷卻速率，使熱殘余應(yīng)力下降。因此，制件殘余應(yīng)力整體呈現(xiàn)出隨熔體溫度上升而下降的趨勢(shì)。

圖3 不同熔體溫度下TPU制件的光程差分布圖(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃Fig.3 Effect of different melt temperatures on optical path difference distribution of TPU parts(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃

圖4為制件沿熔體流動(dòng)方向的中心線上光程(optical path difference,OPD)差定量分布結(jié)果，通過曲線對(duì)比可以進(jìn)一步驗(yàn)證圖3中所得到的規(guī)律，即隨著熔體溫度由160 ℃上升到190 ℃，制件光程差最大值由945 nm下降到30.7 nm。沿熔體流動(dòng)方向上，制件在近澆口區(qū)域的殘余應(yīng)力最大，是因?yàn)榻鼭部趨^(qū)域的注射壓力要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)澆口的注射壓力，所以在近澆口區(qū)域分子鏈沿流動(dòng)方向的取向遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)澆口區(qū)域。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，制件在遠(yuǎn)澆口區(qū)域殘余應(yīng)力再次上升，這與其他熔體溫度下的結(jié)果明顯不同。主要原因是在遠(yuǎn)澆口區(qū)域熔體溫度下降導(dǎo)致熔體黏度上升，流動(dòng)前沿的熔體流動(dòng)阻力加大，加劇了分子的流動(dòng)取向，同時(shí)較低的熔體溫度和模具溫度使熔體快速冷卻定型，導(dǎo)致了較大的流動(dòng)殘余應(yīng)力。隨著熔體溫度的上升，較低的熔體黏度保證了熔體在遠(yuǎn)澆口區(qū)域的低阻力填充，當(dāng)熔體溫度高于170 ℃時(shí)，在制件遠(yuǎn)澆口區(qū)域沒有出現(xiàn)殘余應(yīng)力的顯著增加，殘余應(yīng)力分布較為均勻。

圖4 制件在沿熔體流動(dòng)方向中心線上的光程差分布曲線Fig.4 Optical path difference distribution curves along the centerline in flow direction of TPU parts

2.2 注射成型TPU制件截面方向上殘余應(yīng)力分析

為深入分析熔體溫度對(duì)制件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律和作用機(jī)理，按照?qǐng)D1所示位置在制件截面方向上分別沿PF方向和VF方向進(jìn)行裁片取樣，觀察制件在截面上的殘余應(yīng)力分布，結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為沿PF方向上制件截面的光程差分布圖，從圖中可以看出，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，樣品在芯層的殘余應(yīng)力較大，隨著熔體溫度上升，樣品殘余應(yīng)力迅速下降。圖5(b)為沿VF方向上制件截面的光程差分布圖，可以看出，熔體溫度變化對(duì)樣品VF方向上的殘余應(yīng)力影響不如PF方向上明顯。通過對(duì)比圖5(a)和圖5(b)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，樣品芯層在PF方向上的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)大于VF方向。圖6顯示了熔體在注射填充和冷卻過程中TPU分子鏈段沿熔體流動(dòng)方向發(fā)生取向排布[18-19]，較低的熔體溫度不利于鏈段取向的松弛，導(dǎo)致樣品在PF和TD兩個(gè)方向上微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各向異性，所以樣品芯層在PF方向上殘余應(yīng)力較大(圖6(a))。同理在VF和TD兩個(gè)方向上沒有明顯的各向異性(圖6(b))，故樣品芯層在VF方向上殘余應(yīng)力較小。熔體溫度升高有利于分子鏈段和分子鏈解取向從而使樣品在PF和TD兩個(gè)方向上微觀結(jié)構(gòu)趨向于各向同性，因此殘余應(yīng)力在這兩個(gè)方向上的差異減小。通過上述分析發(fā)現(xiàn)，注射成型制件芯層的殘余應(yīng)力主要是由于熔體流動(dòng)導(dǎo)致分子鏈和分子鏈段取向并被凍結(jié)所形成的，故主要?dú)w因于流動(dòng)殘余應(yīng)力。此外，文獻(xiàn)中對(duì)注射成型過程中熱殘余應(yīng)力分布的仿真研究也表明，制件芯層的熱殘余應(yīng)力較小，其主要分布在制件的皮層區(qū)域，并以厚度中性面對(duì)稱分布[20-21]。

圖5 不同熔體溫度下注射成型制件的截面光程差分布圖(a)裁樣方向平行于熔體流動(dòng)方向；(b)裁樣方向垂直于熔體流動(dòng)方向Fig.5 Optical path difference distribution of the injection molded TPU parts in cross section with different melt temperatures(a)cutting direction parallel to the direction of melt flow;(b)cutting direction perpendicular to the direction of melt flow

圖6 熔體溫度為160 ℃時(shí)制件微觀結(jié)構(gòu)示意圖(a)PF方向；(b)VF方向Fig.6 Schematic diagrams of microstructure in TPU parts molded at 160 ℃ melt temperature(a)PF direction;(b)VF direction

對(duì)圖5中的截面樣品進(jìn)一步分析得到了制件截面的快軸方向分布規(guī)律，如圖7所示，圖中的雙向箭頭代表了快軸的方向，即光傳播速度較快的方向。如圖7(a-1)～(d-1)所示，在樣品芯部區(qū)域，快軸方向平行于PF方向。由于在有內(nèi)應(yīng)力的透明材料中，垂直于受拉主應(yīng)力方向的折射率較大，平行于受拉主應(yīng)力方向的折射率較小，而光在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的折射率成反比，即快軸方向?yàn)檎凵渎瘦^小的方向。因此，PF方向?yàn)槭芾鲬?yīng)力方向。這與分子鏈和分子鏈段的取向方向一致，進(jìn)一步證明了注射成型制件芯層的殘余應(yīng)力主要為流動(dòng)殘余應(yīng)力。而在皮層區(qū)域，快軸的方向發(fā)生了改變，說明主應(yīng)力方向發(fā)生了改變，不再與流動(dòng)方向一致，說明皮層的殘余應(yīng)力是流動(dòng)殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力共同作用的結(jié)果。通過圖7(a-2)～(d-2)發(fā)現(xiàn)，樣品在VF方向上有明顯的皮-芯層結(jié)構(gòu)，而且芯層的快軸方向與皮層的快軸方向不同。

圖7 不同熔體溫度下注射成型制件截面的快軸方向(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃；(1)裁樣方向平行于熔體流動(dòng)方向；(2)裁樣方向垂直于熔體流動(dòng)方向Fig.7 Direction of fast axis in cross section of slices at different melt temperatures(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃；(1)cutting direction parallel to the direction of melt flow;(2)cutting direction perpendicular to the direction of melt flow

為進(jìn)一步研究殘余應(yīng)力在制件截面上的分布規(guī)律，在制件截面上沿厚度方向的中心線進(jìn)行光程差的定量測(cè)量，如圖8所示。通過觀察圖8(a)中PF方向上光程差分布曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，光程差在厚度方向上的分布曲線整體上呈現(xiàn)拋物線狀，芯層區(qū)域殘余應(yīng)力最大，光程差最大值為1050 nm，并逐漸向兩側(cè)遞減；當(dāng)熔體溫度由160 ℃上升至180 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力隨熔體溫度上升顯著下降；當(dāng)熔體溫度為180 ℃時(shí)，樣品光程差最大值僅為150 nm。此外，從圖8(a)中還可看出當(dāng)熔體溫度高于170 ℃時(shí)，芯層區(qū)域光程差分布曲線較為平坦。由上述研究可知，芯層主要為流動(dòng)殘余應(yīng)力，可見當(dāng)熔體溫度低于180 ℃時(shí)，樣品芯層的流動(dòng)殘余應(yīng)力隨熔體溫度上升而顯著下降，而熔體溫度高于180 ℃時(shí)，樣品芯層的流動(dòng)殘余應(yīng)力對(duì)熔體溫度的變化不敏感。當(dāng)熔體接觸到溫度較低的模具表面時(shí)發(fā)生快速冷卻使流動(dòng)取向凍結(jié)，且壁面處的剪切應(yīng)力大于芯層區(qū)域，因此皮層區(qū)域的分子取向更加明顯，在該區(qū)域應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)殘余應(yīng)力極大值。但在圖8(a)中未發(fā)現(xiàn)皮層區(qū)域出現(xiàn)光程差峰值，這可能是因?yàn)榱鲃?dòng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而皮層熔體快速冷卻產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力[21]，兩者主應(yīng)力方向不同，從而兩者相互疊加后在PF方向上皮層區(qū)域未觀察到殘余應(yīng)力峰值。圖7(a-2)～(d-2)中皮層區(qū)域快軸的方向與芯層區(qū)域的不同可以佐證這一推論。

圖8 制件截面在豎直中心線上的光程差分布曲線 (a)對(duì)應(yīng)圖5(a)中的樣品；(b)對(duì)應(yīng)圖5(b)中的樣品Fig.8 Optical path difference distribution curves on vertical center line of part section(a)corresponding to the sample of fig.5(a);(b)corresponding to the sample of fig.5(b)

從圖8(b)可知，在VF方向上光程差曲線沿厚度方向上呈現(xiàn)對(duì)稱分布，截面樣品在上下兩個(gè)皮層區(qū)域出現(xiàn)了明顯的殘余應(yīng)力峰，芯層區(qū)域的殘余應(yīng)力普遍較小，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，芯層光程差僅為72 nm。在皮層和芯層之間存在殘余應(yīng)力急劇減小并趨于零的零應(yīng)力層。上述研究得到TPU制件沿PF方向具有較大的流動(dòng)殘余應(yīng)力，而在VF和TD兩個(gè)方向上微觀結(jié)構(gòu)沒有明顯的各向異性，不能有效表征制件中流動(dòng)殘余應(yīng)力的分布。因此，沿VF方向表征的皮層殘余應(yīng)力結(jié)果更大程度反映的是熱殘余應(yīng)力。故當(dāng)皮層熔體快速冷卻產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力時(shí)，在圖8(b)中的皮層區(qū)域觀察到了明顯的殘余應(yīng)力峰值，且皮層殘余應(yīng)力隨熔體溫度上升而下降。這是因?yàn)殡S著熔體溫度上升，延長(zhǎng)的冷卻時(shí)間有助于熔體收縮的均勻性，可以降低熱殘余應(yīng)力。芯層殘余應(yīng)力較小且對(duì)熔體溫度變化不敏感，除了因?yàn)樵赩F方向上微觀結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)各向同性外，還因?yàn)闊釟堄鄳?yīng)力主要分布在皮層區(qū)域，因此芯層的整體殘余應(yīng)力較小。

由圖5(b)和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)注射成型的TPU制件具有明顯的皮-芯結(jié)構(gòu)和零應(yīng)力層，且殘余應(yīng)力在皮層和芯層的分布規(guī)律不同。在皮層中的殘余應(yīng)力是流動(dòng)殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力疊加的結(jié)果，而在芯層是以流動(dòng)殘余應(yīng)力為主。有文獻(xiàn)指出零應(yīng)力層是熔體在壁面上瞬間冷卻層結(jié)束的位置[18]，因此可以根據(jù)零應(yīng)力層之間的厚度占制件總厚度的比例來計(jì)算芯層的相對(duì)厚度。圖9為芯層厚度的比例隨熔體溫度的變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著熔體溫度上升，芯層的厚度占比逐漸增加。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，較低的熔體溫度使瞬間冷卻層結(jié)束的位置向芯層偏移從而產(chǎn)生了較厚的皮層，而皮層則因?yàn)轶E冷產(chǎn)生不均勻收縮，導(dǎo)致了較大的熱殘余應(yīng)力。同時(shí)由于皮層阻隔熱傳導(dǎo)的效果較好，延緩了芯層降溫速度，從而內(nèi)部熔體在相對(duì)較低的壓力下凝固，減少了冷卻收縮不均勻程度，使芯層的熱殘余應(yīng)力較小，以流動(dòng)殘余應(yīng)力為主導(dǎo)。隨著熔體溫度上升可以有效減緩皮層區(qū)域的瞬間冷卻，所以皮層變薄，熱殘余應(yīng)力降低。較高的熔體溫度不僅可以使分子鏈和鏈段的取向松弛，降低流動(dòng)殘余應(yīng)力，還可以有效緩解因皮層驟冷而產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力，因此當(dāng)熔體溫度為190 ℃時(shí)，制件殘余應(yīng)力整體較低。

圖9 制件芯層厚度隨熔體溫度的變化曲線Fig.9 Core thickness ratio plots of TPU parts at different melt temperatures

2.3 熔體溫度對(duì)制件外形精度的影響

TPU作為一種熱塑性彈性體材料，在常溫下處于高彈態(tài)，所以成型后由于殘余應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致較大的翹曲變形和尺寸變化。TPU制件的翹曲變形如圖10所示。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，制件在近澆口區(qū)域產(chǎn)生了較大的翹曲變形，隨著熔體溫度的升高，制件的翹曲變形明顯改善。通過對(duì)比制件翹曲變形的位置和制件整體殘余應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，制件的翹曲變形量和殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。這主要是因?yàn)橹萍诮鼭部趨^(qū)域殘余應(yīng)力較大，隨著近澆口區(qū)域殘余應(yīng)力的釋放，制件的彈性形變發(fā)生不均勻恢復(fù)進(jìn)而導(dǎo)致了較大的翹曲。而隨著熔體溫度的上升，近澆口區(qū)域的殘余應(yīng)力顯著降低，制件的翹曲變形也得到了改善，當(dāng)熔體溫度上升到190 ℃后，制件的翹曲變形基本消失。

圖10 不同熔體溫度下注射成型制件的翹曲變形情況 (a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃Fig.10 Warpage deformation of TPU parts injection molded at different melt temperatures(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃

表3列出了制件的三維尺寸精度隨熔體溫度的變化規(guī)律。由表3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，制件在長(zhǎng)度方向上變形率為-15.58%，說明在長(zhǎng)度方向上出現(xiàn)了明顯的收縮，而在寬度和厚度方向上變形率分別為7.45%和21%，表明制件在這兩個(gè)方向上發(fā)生了膨脹。同時(shí)，制件的變形率隨熔體溫度升高呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，說明制件的尺寸精度顯著提高，當(dāng)熔體溫度上升到190 ℃時(shí)，制件在長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)方向上的變形率分別為-0.32%，0.66%和9%，與熔體溫度為160 ℃時(shí)相比，在長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)方向上的尺寸變形率分別下降了15.26%，6.79%和12.08%。綜合分析TPU尺寸變形方向和殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，可以得出TPU制件的尺寸變化主要是由于流動(dòng)殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的。當(dāng)熔體溫度較低時(shí)，注射成型過程使分子鏈段沿著流動(dòng)方向進(jìn)行取向，導(dǎo)致了較大的流動(dòng)殘余應(yīng)力，而分子鏈在松弛的過程中，分子鏈卷曲收縮，故在長(zhǎng)度方向上出現(xiàn)收縮，相應(yīng)地在另外兩個(gè)方向上出現(xiàn)膨脹。

表3 熔體溫度對(duì)制件尺寸精度的影響Table 3 Influence of melt temperature on dimensional accuracy of parts

TPU分子鏈段由硬段和軟段構(gòu)成，具有典型的微相分離結(jié)構(gòu)，因此TPU的分子鏈取向主要分為硬段取向和軟段取向兩部分。常溫下TPU處于高彈態(tài)，軟段運(yùn)動(dòng)相對(duì)自由，故在制件后期長(zhǎng)時(shí)間存放的過程中軟段的取向基本得到松弛，而硬段的取向因相鄰分子鏈段的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)在熔融溫度以下運(yùn)動(dòng)受限而難以松弛[22]。此外，由于硬段取向的限制，軟段在模內(nèi)冷卻階段也難以充分松弛。故隨著熔體溫度升高，鏈段取向可以獲得更大程度的松弛，從而提高了開模后制件的尺寸精度。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)熔體溫度為160 ℃時(shí)，TPU制件整體殘余應(yīng)力較大，隨熔體溫度上升，制件殘余應(yīng)力下降明顯，當(dāng)熔體溫度由160 ℃上升到190 ℃時(shí)，光程差最大值由945 nm下降到30.7 nm，且主要分布在近澆口區(qū)域。

(2)注射成型TPU制件具有明顯的皮-芯結(jié)構(gòu)和零應(yīng)力層；芯層區(qū)域以流動(dòng)殘余應(yīng)力為主，皮層區(qū)域的殘余應(yīng)力為流動(dòng)殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力疊加的結(jié)果。隨熔體溫度升高，芯層區(qū)域在平行于熔體流動(dòng)方向上流動(dòng)殘余應(yīng)力顯著降低，垂直于熔體流動(dòng)方向上變化不明顯，皮層區(qū)域殘余應(yīng)力峰值降低。

(3)TPU制件的翹曲變形主要發(fā)生在近澆口區(qū)域，與高殘余應(yīng)力分布位置相對(duì)應(yīng)，升高熔體溫度可以有效降低制件的翹曲變形，制件的尺寸改變主要是由于流動(dòng)殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的，當(dāng)熔體溫度由160 ℃升高到190 ℃時(shí)，制件在長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)方向上的尺寸變形率分別下降了15.26%，6.79%和12.08%。