塑膠注射制品內應力的分析及控制

趙誠 趙曉博 張風

摘要：注塑制品一個普遍存在的缺點是有內應力。內應力的存在不僅是制件在儲存和使用中出現翹曲變形和開裂的重要原因，也是影響制件光學性能、電學性能、物理力學性能和表觀質量的重要因素。本文針對內應力這個內在的質量問題展開分析，并提出控制的一些方法，希望對控制產品質量的工程人員有所幫助和啟示。

關鍵詞：注塑;內應力;質量問題

引言：在注塑加工過程中，注塑制品存在著一個內在的質量問題-內應力。內應力的來源與所使用的塑料原料種類、注塑機的類型與塑化系統的結構、模具的結構及精度、塑料制品的結構、注塑成型的工藝參數的設定及控制、生產環境及操作者的狀態等有關。其中任何一項出現問題，都將影響到制品的質量。而且，由于制品的表面質量是內在質量的反映，所以，凡是能引起制品內在質量的因素，都能同時引起制品的表面質量及其他質量問題，如引起制品的開裂、銀紋、翹曲、變形、力學強度降低，甚至失去使用價值等問題。

由于注塑過程中，除了引起制品翹曲變形的內應力可以直觀感覺到外，其它質量問題不但用肉眼看不到，而且在短時間內也沒有表露出來。所以注塑加工現場的工程人員對于這個問題一般不很重視，但是卻可能存在著很大的質量隱患。

一、內應力的種類

注塑制品的內應力主要有以下四種：

1、溫度應力：是制品冷卻時溫度不均產生的應力。當熔體進入溫度較低的模具時，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熱性很差，因而在制品厚度方向上產生較大的溫度梯度。先凝固的外層熔體要阻止后凝固的內層熔體的收縮，結果在外層產生壓應力（收縮應力），內層產生拉應力（取向應力）。另方面，因制品壁厚不均勻，冷卻速度不一致，從而產生冷卻溫度不均現象。

2、取向應力：是制品內部大分子取向產生的應力。對于線形樹脂和纖維增強的塑料，在加工中最容易產生取向應力。其結果，沿著流動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不及松弛，則在該方向上產生了取向應力。

3、收縮應力：注塑過程中，塑料分子本身的平衡狀態受到破壞，并產生不平衡體積時的應力。如結晶塑料的晶區與非晶區界面因收縮不均產生的內應力。

4、脫模應力：脫模時制品變形產生的應力。這主要是模具加工精度較差和設計不合理造成，如脫模斜度不夠，頂針數量不夠或頂出不平衡等。

以上2至4類應力可以歸納為成型應力，是成型過程產生的應力。一般注塑制品中同時都存在幾種應力，制品的破壞，是由幾種應力共同作用的結果。

二、內應力對注塑制品的影響

制品中內應力的存在會嚴重影響到制品的力學性能和使用性能。它的存在將降低了制品對光、熱以及腐蝕介質的抵抗能力。同時，制品在使用過程中將出現裂紋、不規則變形和翹曲，制品表面泛白、渾濁、光學性能下降等結果。

三、內應力的控制方法

1、減小溫度應力的影響

如果在澆口封閉前維持模腔壓力，有利于提高制品密度，消除冷卻溫度應力，但是在澆口附近會產生較大的應力集中。設法降低澆口處溫度，延長緩冷時間，有利于改善制品的應力不均，使制品的機械性能均一。

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。對非結晶型聚合物，拉伸強度會因澆口的位置而異。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。

2、減小取向應力的影響

高分子取向使制件內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力，用退火的方法可以消除制件的取向應力。試驗表明，提高加工溫度和模具溫度、降低注射壓力和注射速度、縮短注射時間和保壓時間都能在不同程度上使制件的取向應力減小。

3、減小收縮應力的影響

塑料制品如果在模內散熱不好，冷熱不均（尤其對大制品而言），可能會使制品出現收縮差異，產生較大的內應力，而使制品開裂。因此，模具的冷卻水道的布置應盡量平衡。制品設計上，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，冷卻過程的收縮和結晶情形的不同，力學狀態也不同。

4、減小脫模應力的影響

a、調整頂出裝置，如頂板、頂桿等，使之平衡動作，避免作用力先后不一或傾斜歪曲頂出。

b、型腔、型芯要有適當的脫模斜度。當斜度不夠時，脫模困難，制品受的機械應力過大而開裂。

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

d、采用小澆口，保壓時間短，內應力小;用大流道，則注射壓力低，注射時間短，內應力小;澆口設計在制品的厚壁處，則注射壓力和保壓壓力低，內應力小。

e、調節好開模速度，避免高速撥模。

f、調節好模板的平行度及平穩性。

g、在模面上施加適當的脫模劑，使脫模順暢。

h、制品在模內冷卻時間太短，未充分硬化即開模頂出，可能在頂桿周圍開裂。但冷卻時間過長，制品包貼在模芯上，頂出時由于脫模光潔度不夠或斜度不夠而發生頂白現象。

i、深腔制品應設置適當的進氣孔道，以免脫模時產生過大的負壓，影響塑料制品與模具的分離。必要時，通過進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

制品壁厚是結構設計時所需要考慮的重要因素。不合理的壁厚會給制品帶來很多缺陷。增加壁厚既可改善樹脂的充模特性，又可降低取向應力，減少變形，提高制品強度。但同時收縮加大，保壓和冷卻時間加長，生產效率降低，消耗材料多。較大的收縮應力還將造成制品表面產生凹陷或內部出現縮孔與氣泡，既影響外觀又降低了強度。增加壁厚的同時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，取向應力和體積溫度應力都隨之增大。如果制品壁太薄，會降低強度，脫模時易破裂，還有礙于樹脂的充模流動，造成填充不足或出現明顯的熔合紋，嚴重影響制品質量。每種塑料根據充模能力都有一個最小壁厚。確定壁厚時在滿足強度要求的前提下，壁厚盡量取薄些，可節省材料，減輕制品重量，降低成本，但不能小于最小壁厚。ABS常用的標準壁厚為1.2～3.5mm。壁厚設計還應注意均勻一致，否則將會由于收縮應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，連接處應逐漸過渡，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，而且容易出現應力開裂，所以應注意。一般非結晶型樹脂比結晶型樹脂容易產生殘余應力而引起裂紋，也應注意。

塑料再生次數太多或再生料含量太高，或料在料筒內加熱時間太長，都會促使制品脆裂。塑料分子量每成形一次，當降到某一數值下，其耐沖擊強度急劇降低而變脆。

有些塑料在受潮狀況下加熱，會與水汽發生催化裂化反應，形成的降解產物和氣態物質，除了影響制品外觀外，還使制品發生大的應變，較小的殘余應力就可以使出模后的制品產生開裂。

有些塑料本身質量不佳，例如分子量分布大，塑料受到污染，也是造成開裂的原因。

四、內應力的檢驗和消除

1、檢驗方法： 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秒內若制品開裂，說明內應力大。

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：有開裂傾向的塑料制品，可以用退火熱處理方法來消除制品內應力，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℃×時間根據厚度定。

聚砜 170～180℃×2～4h 。

PMMA 70～80℃×4h 。

ABS 65～75℃×2～4h 。

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

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

熱處理有時不一定能達到理想的效果，只能作為一種輔助工序，完全依靠熱處理防止應力開裂的做法不可靠。必須從影響注塑制品內應力的幾個主要因素方面采取有效措施，結合熱處理方法才能取得滿意效果。

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