塑料光學(xué)制品中殘余應(yīng)力與光學(xué)性能的關(guān)系研究

郭星，梅相全

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

塑料光學(xué)制品具有設(shè)計自由度高，耐沖擊，重量輕，制造成本低，光學(xué)性能好，質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點[1]，所以近年來發(fā)展很快。除了在攝影，航空，軍事，醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在汽車市場也有著非常快速的發(fā)展和應(yīng)用，主要應(yīng)用于各種車燈面罩，各種日間行車燈的導(dǎo)光管，導(dǎo)光厚壁元件，夾層玻璃的中間膜，各種玻璃貼膜等。據(jù)調(diào)查，汽車市場對光學(xué)塑料制品的平均需求量將增大幅度增加。但我國的塑料光學(xué)技術(shù)和應(yīng)用水平與發(fā)達國家和地區(qū)相差很大[2]。因此塑料光學(xué)制品的研究對于提升塑料工業(yè)加工水平，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有重要意義。

塑料光學(xué)產(chǎn)品應(yīng)用如此廣泛，在加工過程中卻容易引起缺陷而影響產(chǎn)品的光學(xué)性能，如流痕、銀紋、氣孔等外觀缺陷。雙折射率差，翹曲變形等性能和尺寸缺陷。即塑料光學(xué)產(chǎn)品仍有許多缺陷需要解決。本文通過實驗研究了制品的光學(xué)性能和制品內(nèi)部殘余應(yīng)力的關(guān)系，以期找到兩者的對應(yīng)關(guān)系，從而采取有效措施來提高產(chǎn)品的光學(xué)性能。

1 研究方法

殘余應(yīng)力的測定方法分為有損測試法和無損測試法，由于殘余應(yīng)力的存在，導(dǎo)致注塑件光學(xué)各向異性，而當一束自然光穿過各向異性的晶體時會分解成兩束偏振光，即雙折射現(xiàn)象。所以本文采用了無損測試法中的光彈試驗法（雙折射法）來測定注塑件中的殘余應(yīng)力。

衡量材料透明性的指標主要有透光率、霧度、折光指數(shù)、雙折射率差、色散等。其中透光率和霧度主要表征材料的透光性，而折光指數(shù)、雙折射率差及色散三個指標主要用來表征材料的透光質(zhì)量。而本文主要考慮透光性，對透光質(zhì)量不予考慮，所以選用透光率這個指標作為衡量標準，透光率是透過光與入射光之比，所以越高越好。

2 實驗部分

本實驗采用平板試樣，原料為PC（Lexan HF 1130 by GE Plastics）。經(jīng)德國ARBURG(420G.All Rounder 1000-350)注塑機成型得到潛伏式澆口和扇形澆口兩類透明試樣。試樣尺寸如圖一所示。工藝參數(shù)如表1所示。

光彈實驗：采用PJ20型偏光彈性儀（大連工學(xué)院儀器廠）對透明試樣的應(yīng)力分布進行分析。偏光系統(tǒng)光源采用白光源和鈉光源（波長589.2nm）。

圖1 制品幾何模型Fig 1 Geometrical models of

表1 注塑工藝參數(shù)Table1 injection molding processing parameters

圖2 試樣透光率測量位置示意圖

透光率實驗：采用WGT-S透光率/霧度測試儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司）測量試樣透光率。實驗采用國際照明協(xié)會（CIE）規(guī)定的“C”光源。測定標準依據(jù)GB-2410。實驗中試樣透光率測量位置如圖 2所示分別選擇了靠近澆口（gate）、試樣中部（middle）以及填充末端（end）三個測量位置。

3 結(jié)果和討論

平板試樣中選取注塑工藝參數(shù)相同的扇形澆口和潛伏式澆口兩種不同模具結(jié)構(gòu)的試樣。通過雙折射方法來考察殘余應(yīng)力的分布。試驗結(jié)果如圖3所示。從光彈照片上可以看出：對于扇形澆口試樣，光彈條紋沿扇形澆口區(qū)域分布。且在白光照片上沿著扇形澆口中心線出現(xiàn)藍色條紋，然后沿著中心線的一側(cè)依次為紫色和黃色。說明殘余應(yīng)力主要沿著扇形澆口方向垂直分布。且沿著扇形澆口中心線殘余應(yīng)力最大。在填充后半段基本無應(yīng)力分布。而對于潛伏式澆口試樣，澆口附近出現(xiàn)綠色條紋。條紋級數(shù)較高，此處殘余應(yīng)力在整個試樣中最大。并且殘余應(yīng)力基本上沿著塑料熔體的流動方向分布。離澆口越遠殘余應(yīng)力越小。到了試樣后半部分基本無殘余應(yīng)力分布。兩個試樣之間比較可以發(fā)現(xiàn)潛伏式澆口試樣的殘余應(yīng)力普遍高于扇形澆口試樣。

圖3 光彈應(yīng)力照片F(xiàn)ig 3 The photo-elastic picture

透光率實驗所得結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可知：對于扇形澆口試樣，澆口區(qū)域透光率最低，而對應(yīng)的位置是整個試樣殘余應(yīng)力最高的地方。試樣中部區(qū)域殘余應(yīng)力稍低，而透光率也要大于澆口區(qū)域。而在試樣后半部，基本無殘余應(yīng)力分布的區(qū)域則是整個試樣中透光率最高的地方。對潛伏式澆口的光彈照片和透光率數(shù)據(jù)分析也發(fā)現(xiàn)在殘余應(yīng)力最大的澆口區(qū)域透光率最小，殘余應(yīng)力較小的中部區(qū)域透光率次之，基本無殘余應(yīng)力分布的試樣末端透光率最大。這與扇形澆口的分析結(jié)果相同，即在試樣中殘余應(yīng)力大的區(qū)域透光率較低，試樣中無殘余應(yīng)力分布的區(qū)域透光率最大。這可以初步說明殘余應(yīng)力的存在降低了透明光學(xué)制品的光學(xué)性能。

表2 透光率的平均值Tab2 The average value of luminous transmittance

為了進一步說明這個結(jié)論，下面進行橫向的比較。從光彈照片可以看出：同是澆口區(qū)域扇形澆口試樣的光彈條紋為藍色條紋，而潛伏式澆口試樣的光彈條紋為綠色條紋。說明潛伏式澆口試樣在澆口區(qū)域的殘余應(yīng)力大于扇形澆口在此區(qū)域的殘余應(yīng)力。而對應(yīng)的透光率分別是89.012和89.520，這說明相同區(qū)域殘余應(yīng)力小的試樣透光率較高。再分別比較試樣中部和填充末端區(qū)域。均是潛伏式澆口試樣的殘余應(yīng)力大于扇形澆口試樣的的殘余應(yīng)力。而同樣都是扇形澆口試樣在同一區(qū)域的透光率高于潛伏式澆口試樣的透光率。這進一步說明了殘余應(yīng)力降低了制品的透光率。從以上同一試樣不同區(qū)域和同一區(qū)域不同試樣的比較分析中可以看出：殘余應(yīng)力高則透光率低，即殘余應(yīng)力的存在降低了光學(xué)制品的透光率。

4 結(jié)論

通過比較PC導(dǎo)光平板不同區(qū)域和不同試樣的殘余應(yīng)力和透光率的對照關(guān)系，可以確定殘余應(yīng)力的存在降低了制品的透光率。所以在生產(chǎn)大燈面罩，光導(dǎo)元件的時候，要盡量減小殘余應(yīng)力對透光率的影響。主要可以通過調(diào)整生產(chǎn)工藝，比如增加保壓時間、提高模具溫度并使溫度均勻、降低注射壓力等手段來減小殘余應(yīng)力。從而提高制品的光學(xué)性能。

參考文獻

[1] 辛企明.光學(xué)塑料非球面技術(shù)的發(fā)展趨勢.光學(xué)制造.2009,（12）：11-16.

[2] 李徐春,林德厚.光學(xué)塑料開發(fā)的歷史與現(xiàn)狀.光學(xué)技術(shù).1994,（3）：8-11.