PC/ABS擦絲問題機理和解決方案研究

＊王志成

（中化國際（控股）股份有限公司 上海 200000）

引言

PC/ABS 是由PC（聚碳酸酯）和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）按一定比例合成的一種合金材料。兩者共混改性所得的PC/ABS 合金在性能上可互補，不僅耐熱性、沖擊強度及拉伸強度優于ABS，而且其熔體黏度比PC 低，加工性能好，制品內應力和沖擊強度對制品厚度的敏感性都大大降低，在電子電氣、汽車及許多高新技術領域用途廣泛[1]。汽車內飾零件常采用皮紋面，皮紋面具有保護功能，可以在透明物體上產生散射現象，降低光澤，減少反光炫目，有利于減少駕駛員的視覺疲勞，提高駕駛安全性[2]。

1.背景信息

客戶在使用PC/ABS 生產蓋板和格柵零件時，注塑后無外觀異常，但皮紋面用手擦拭后出現絲狀物，位于皮紋區域。試用3 家同類材料，均有該問題，不同廠家的材料嚴重程度有差異。

2.試驗驗證

（1）原材料。本公司PC/ABS 和調整配方。

（2）設備及儀器。克勞斯瑪菲注塑機，Motan除濕干燥機，金相顯微鏡，紅外分析儀賽默飛，Leistritz ZSE 27 擠出機, 皮紋表面模具和常用汽車皮紋模具，托盤式烘箱，Mitutoyo SJ-410 粗糙度儀，Flex 60 光澤度儀。

（3）試樣的制備/實驗過程。紅外分析制樣客戶端收集的絲狀物采用KBr 研磨壓片法；皮紋板使用注塑機在不同的皮紋模具上進行制備。

（4）測試與表征。紅外分析：GB/T 6040—2002紅外光譜分析方法；皮紋分析：金相顯微鏡和VHX 設備放大；擦絲評估：手指擦拭，多人平行對比。

3.結論

（1）物質分析。對絲狀物進行紅外分析，其成分為PC/ABS 材料，推測該絲狀物是皮紋零件表層被剝離，故需要對零件表面進行分析和表征。

（2）失效表面分析。通過金相顯微鏡100 倍放大和通過VHX 設備放大分析，觀察失效件擦拭位置和未擦拭位置，顯示皮紋表面有磨損，尤其是皮紋突起位置有擦傷，局部被剝離，然后被拉長后形成的絲狀物，呈現絲狀。

圖1 蓋板零件擦絲問題

圖2 金相顯微鏡100 倍放大

圖3 VHX 設備200 倍放大

（3）皮紋表面分析。傳統的皮紋加工方式主要是在模具上進行化學腐蝕,通常對于多層次紋理，需要反復地印花與氧化。即使相似外觀的皮紋，在細微結構上也會有很大的不同。現在很多車企通過微紋工藝，即在模具皮紋上再腐蝕一層細小的網紋，使光在紋路表面形成漫反射，降低光澤度[3]。為研究該問題，選用內飾常用的5 種皮紋面皮紋板，在實驗室內打板擦拭研究。如圖4 為同一個人手指擦拭對比，以保證試驗的穩定性，同時讓其他實驗員平行比較，消除不同人擦拭的影響。

圖4 不同皮紋面

經對比測試，五個皮紋面中只有A 復現了擦絲問題，其他皮紋面未見明顯擦絲。同樣的材料在不同的皮紋面上的擦絲表現不同，皮紋表面需要進行分析和表征。

①皮紋面分析。直接分析模具表面比較困難，故使用VHX 設備分析零件和樣板的皮紋表面。如圖5 所示，對比兩個擦絲零件，雖皮紋的粗細程度不同，但皮紋都存在較為尖銳的峰頂位置。

圖5 兩擦絲零件皮紋200 倍放大對比

圖6 不同皮紋板放大

放大50 倍下觀察ABCD 皮紋板，BCD 面粗糙，凸起的表面也較為光滑，A 皮紋細，200 倍下觀察可見較多尖銳凸起。而同樣200 倍下觀察的表面評價模具，雖同樣為細皮紋，但沒有A 那種尖銳的突起，這就造成了細皮紋模具不易擦絲。

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根據以上分析，皮紋的山峰存在尖銳部位的更容易擦絲。這主要與尖銳部位本身應力就較大，受到摩擦后表面也更容易被破壞有關。

②皮紋粗糙度和光澤度。對客戶擦絲零件、皮紋板和表面評價模具的皮紋粗糙度和光澤度進行檢測，通過數據對比粗糙度低的易出現擦絲問題，但并未發現明顯關聯性。

（4）工藝研究。工藝對擦絲問題有影響，故從料溫、模溫、射速、保壓、背壓、冷卻等進行探究。選用方案如下：料溫230～290 ℃，模具溫度50～130 ℃，射速10～150 mm/s，保壓50～500 bar，背壓50～100 bar，冷卻10～60 s。

①流動方向的影響。流動方向上比垂直流動方向更容易擦絲，垂直流動方向基本沒有。這主要與流動方向比垂直流動方向上的剪切更強有關，皮紋面進一步加強了冷凝層的剪切，使熔體在強剪切下凍結，加劇擦絲問題。PC/ABS 材料中SAN 相分散于PC 連續相中，而PB 橡膠相分散于SAN 相中。占比大的PC 是體系的連續相，占比小的ABS 是分散相，在樣條沿著出料方向上，ABS 相在PC 連續相中呈現出間斷的層狀和細絲狀形態；ABS 和PC 本就不耐刮擦，而ABS 的這種細絲狀態也容易在受到外力后被剝離。

②料溫的影響。料溫對擦絲有明顯影響，提高料溫會改善擦絲，最小擦絲射速也會隨料溫提高而提高。

③射速的影響。射速對擦絲有明顯影響，降低射速有利于擦絲問題改善。而且研究發現存在一個擦絲的最低射速，即超過該射速擦絲逐漸加重，低于該射速，擦絲問題基本沒有。

注塑過程中的剪切速率根據如下公式計算：

式中，Q 為體積填充速率，可根據零件質量、密度、填充時間計算。

根據資料顯示，剪切速率中的體積流速Q 通過以下方法得來：

其中，總重包含零件和流道質量。

由圖7 可觀察得到隨著料溫的提高，最小擦絲射速也隨之提高，可以容忍的剪切速率也隨之提高，280 ℃比240 ℃提高了一倍。這主要因為料溫提高后，材料黏度下降，同等射速下材料受到的剪切下降。

圖7 料溫和最小擦絲射速

④模溫的影響。模溫提高擦絲略有改善，但不明顯。這主要是與皮紋復寫和表層的應力水平有關。高模溫會使熔體復制模具更好，皮紋的波峰波谷更明顯，波峰的山峰位置更容易被剝離。但零件在高的溫度下表面的應力會略有降低，有利于改善擦絲問題。因而皮紋復寫和表面應力呈現相反的影響，造成模具溫度對該問題的影響不顯著[4]。

⑤保壓壓力。未見明顯影響，板輕微縮水狀態下皮紋面已經有擦絲問題，高保壓也未見明顯改善。保壓低造成對皮紋復寫不良的不做考慮，這樣的零件本身就不合格。

⑥背壓和冷卻時間。未見明顯影響，且增加背壓和延長冷卻時間會增加設備損耗和降低生產效率，會對實際生產造成不利影響。

（5）材料研究。通過注塑1.5 mm V0 阻燃PC/ABS材料發現沒有在樣板上出現擦絲問題，故阻燃劑和其他添加劑會改善該問題，材料上有調整的空間。

①對比工藝。根據以上工藝研究，選定一組較為嚴苛的工藝進行不同配方的擦絲對比，料溫230 ℃，模具溫度50 ℃，射速150 mm/s，保壓400 bar，背壓50 bar，冷卻12 s。

②配方調整。PC/ABS 是由PC 和ABS 兩種材料混合而成的合金，而PC 又可分為酯交換法和光氣法合成[5]，ABS 有乳液法和本體法兩種合成路徑。PC 和聚丁二烯膠粉的相容性較差，和SAN 有一定的相容性，但仍需要添加相容劑來增加兩者的相容性。另外，材料的流動性對擦絲問題有較大影響，良好的流動性有助于調整注塑過程中的剪切。綜上所述，材料調整方面需要從PC、ABS、相容劑、流動性等方面著手驗證。限于配方保密，此處不做配方展示。通過不同方向的配方調整，在擦絲問題上表現差異性比較大，擦絲結果如圖8 對比。

圖8 不同配方擦絲情況

材料上主要從提高相容性、調整流動性方面著手，對比不同的PC 和ABS 以及不同的相容劑和流動改善等。經過調整可以達到與市場上表現好的材料狀態，在客戶端進行試模驗證，配合工藝調整，擦絲問題基本消除。

4.總結

根據以上研究，總結如下：（1）皮紋結構是造成擦絲的重要因素。擦絲問題主要出現在細皮紋上，尤其是多層結構的細皮紋，在受到摩擦時尖銳的突起表層易被破壞，形成起始的破損點，然后表層被繼續撕裂拉長后形成絲狀物。（2）流動方向上更容易出現擦絲。流動方向比垂直流動方向剪切更強，疊加細皮紋增強表面剪切。（3）注塑工藝可一定程度的優化，射速和料溫影響大。任何有助于減少剪切的工藝調整對優化該問題均有一定效果。（4）材料對擦絲問題影響顯著。從相容性、流動性以及不同的PC 和ABS 進行調整，對于優化擦絲問題改善明顯。