201203180650成品-內應力

成品-內應力

 

塑膠內應力

連續介質力學裏,應力定義為單位面積所承受的作用力。「內應力」指組成單一構造的不同材質之間,因材質差異而導致變形方式的不同,繼而產生的各種應力。

 

內應力的産生原因

1)注射壓力太高,保壓時間太長,熔料溫度太低及射出速度太快會造成內應力增加而出現翹曲變形。

2)模具溫度過高,冷卻時間過短,使脫模時的製件過熱而變形龜裂。

殘留應力:物體受力後所產生的應變超過彈性範圍,而使得物體內部無法恢復原來的狀態所殘存的應力

 

一、 塑膠殘留應力介紹
  當一塑膠成品在應用上發生破裂或破壞時,就材料力學的觀點,即表示該塑膠件在破壞區域上,其所承受之應力數值總合超過了材料本身之物性強度數 值。因此要解決成品在使用上的破壞或破裂問題,就必須要從如何增加材料物性強度或從如何減少成品應力值來著手。塑膠製品承受的應力作用通常可依應力來源區分為外部應力及內部應力兩種,外部應力是成品在使用時所遭受之外力作用,此部分將視產品應用場合而定,通常是無法控制其程度,一般產品設計者會依照常態之外部應力值,乘上一安全係數值來設計產品之強度。而內部應力通常是成品在加工成型過程中所產生而留存在成品內部。所以要有效解決塑膠成品之破壞問題,唯有[降低應力作用][提高材料強度]兩種方法。


  然而對於塑膠成型加工業者而言,如何使用較適當之加工條件,來防止材料強度降低及避免在加工時產生過大殘留內部應力則是最重要之議題。所以就產品設計者或塑膠成型加工者而言,通常需要瞭解塑膠件發生破壞之成因與產生破壞之位置與破壞之型態,才能有效分析解決成型及設計上的問題點。

   
由於塑膠具有高黏特性,所以一般在成型加工時都需要利用高溫、高壓、高剪切等加工條件,來有效降低塑膠熔膠黏度至容易成型加工之範圍,另外,由於塑膠具低的熱傳導係數,是熱的不良導體,所以在高溫成型後需要長時間方能達到均勻溫度之冷卻。然而現代塑膠射出成型加工,一般為求高效益快速生產,所 以對於射出成型週期都盡量縮短,而所對應之射出成型條件就需要要求射速快、冷卻時間短,而對於塑膠成品而言,過大之速度差或不均勻冷卻,往往會造成成品內部形成應力。


  所謂塑膠殘留應力就是指塑膠成品在經過製造或成形過程後,在無外力作用下或無溫度梯度存在時,物體內部仍維持承受應力之狀況。通常塑膠件常見之內部應力可分為兩種:一種是剪切流動造成之流動應力,另一種是冷卻收縮所造成之熱應力。塑膠材料在成型過程中,會因為高剪切作用造成分子鏈結構的高度定向現象,此種是屬於熔膠剪切流動所形成之應力,另外則是因不均勻之冷卻造成成品內分子鏈的不均勻收縮,當成品溫度快速冷卻到塑膠的Tg以下時,冷卻收縮造成分子鏈間應力無法完全釋放,此種是屬於冷卻所形成之應力。


  另外結晶性材料之不平衡結晶作用或是模穴壓力對不同位置分子鏈之不同影響都會形成殘留應力。所以,所謂殘留應力就是指在塑膠成型過程中,造成分子結構不是處在最低能量之最穩定狀態,分子鏈受到流動定向影響或是受到週圍分子鏈之拘束,而呈現不穩定之高能態,所以一旦有外界能量給於此受應力作用之分子鏈,則此分子將極易釋放出應力而達到其最穩定之組態。在一般塑膠射出成型加工過程中,由成品厚度方向來觀察,可以發現成品可依分子鏈之微觀結構差異,來區分不同之區域。


  其中A層示固化層,B層是流動高剪切層,C層是熔膠流動層。A層為塑膠充填時緊貼兩側模壁,瞬間冷卻固化的高分子鏈定向層,此部分會因為射出成型之噴流效應,而使分子鏈排向方向與流動方向相反,而B層是塑膠充填時緊靠A層固化層的高剪切區域所形成的分子鏈定向層,由於與A層具有最大之速度差, 所以會形成最大之剪切流動應力效果,塑膠充填結束時本區定向層尚未完全凝固,而外層之A層固化定向層有絕熱效果,使B層熱散失不至過快,另外由於高剪切作 用會產生剪切加熱作用,所以本區也是溫度最高之區域。而C層因熔膠高溫及冷卻時間足夠,分子鏈有足夠時間鬆弛定向,故無高分子鏈定向行為,高分子鏈彼此之間較無剪切作用現象,若產品厚度有變化,則主要會影響C層厚度,若是薄件成品則C層的厚度將會變小。


  除了在成品厚度方向上下表面有一薄層固化層外,大部分區域是屬於熔膠流動層,而這區域主要之內部應力形成是由於不均勻冷卻造成,塑膠件厚度方向之冷卻是由與模壁接觸之成品表面開始向成品內部延伸,所以中心層是最慢冷卻之位置。所以當塑膠成品成型後,開始進行冷卻階段時,在某一特定位置上之分子 鏈會受到其外部已冷卻收縮之分子鏈牽引,所以會感受到早先冷卻收縮之分子鏈的拉伸應力。所以嚴格來看在成品厚度方向靠近表面之區域,分子鏈是處在壓縮應力狀況,而內部區域是處於拉伸應力狀況。


二、 殘留應力的影響
  塑膠成型過程所產生之殘留應力,除了會影響成品在使用上的強度外,尤其在某些二次後加工上都會造成問題。殘留應力對塑膠成品的影響常見的有下列幾種:首先是成品的外觀尺寸變形及翹曲問題,由於剪切流動造成分子鏈的排向或是由於成品幾何造成流動的定向效果,在成品脫模時容易因應力鬆弛而造成尺寸 發生變形,另外由於成品尺寸的不對稱性或在成品厚度方向冷卻收縮的不平衡性,所形成的熱應力都將造成成品在脫模後發生翹曲變形現象。此現象對於尺寸精密度有要求或有組裝搭接性需求之塑膠射出成品,將會是一大問題。再則塑膠件在使用上比例最高的破壞型式,當屬環境應力破壞(Environment Stress Cracking,ESC)─例如太陽UV光照射破壞、老化破壞、氣候性乾溼冷熱循環破壞等等,對此塑膠殘留應力也會造成環境應力破壞的加速。其他像塑膠件的蠕變性破壞、疲勞性破壞等,都會因為殘留應力存在而加速加快其破壞產生。


  另外塑膠件在成型過程中所產生的殘留應力,容易因為外界給於能量或驅動力來產生應力鬆弛效果,所以在塑膠成型業中最常見用來消除塑膠內部殘留應力之方法,即是退火(annealling)程式,即是將塑膠成品放入烘箱中或給於所需熱量,使定向分子鏈獲得能量而能再次去相互重排以達到最低能量之穩定結構,而應力鬆弛的驅動力除了熱能外,機械能、光能、化學能(溶劑作用)都可以達到同樣效果,然而在應力鬆弛同時也要考量成品尺寸變形之嚴重性。一般殘留內部應力常常會造成成品在使用上或二次加工上發生問題,例如表面接著、表面電鍍或表面塗裝等工法,都會因為成品表面高度分子定向之高應力情況,而產生介面的不相容性。另外如接觸到溶劑、化學品等也會造成在應力區域的加速劣化。


三、 應力偏光檢測之理論基礎

  光同時具有粒子及波動之特性,所以光波可在真空中傳遞是屬於電磁波之一種,光的產生是藉由電荷振動所釋放之輻射波。然而由於光可以向四面八方照射,所以若以自然光來做一些如干射、繞射等分光光譜觀測時,將會因為各方向光波的互相干擾而無法辨識。因此為方便於光譜觀測及便於以簡單數學方程式來表示,所以一般常用單方向之光波來作為光源,而所謂單方向光源則是利用將白光光源,通過一單方向之光學偏光片,使其通過之光波都固定在一特定方向上。我們可以簡單拿兩片光學偏光片依前後放置在一白光光源前,當白光通過第一片偏光片時已成一單方向光波,若旋轉第二片偏光片觀察時,將會發現當兩片偏光片成平行時,可見到白光通過;但若兩片成垂直時,則呈黑暗無光線通過。


  在存有應力之塑膠材料中,在特定平面上可將應力分成兩個主軸應力,此不均勻之應力將使材料產生兩個不同的折射率。因此光要通過此材料時,沿二個主應力方向振動的光波彼此有不同的速率,穿出材料時,則會有相對速度差產生。而此相位差將正比於平面上的兩個主軸應力之差值。所謂應力光學定律是指一透 明塑膠材料當受應力時,其折射率會隨著所受應力變化而改變,當物體的應力狀態和光交互作用,則可由光彈條紋可推知物體的應力狀態。光彈性量測應力的方法其主要優點在於可瞭解外力作用瞬間或成形定型後,測試品整體的應力場分佈,可實際用於產品QC檢測上。

   
透明塑膠材料遭受應力時將產生雙折射現象,當光線穿透具雙折射率材料時,光在材料內進行的速度也會不同。當偏極光進入有應力作用之雙折射材料 時,光線會分為較快速及較慢速兩光束,其速度差相對距離則稱為相位差或遲延(retardation,R)。在單色的光彈條紋中,粗線的地方代表該點之主應力方向與x軸(或y軸)平行。因此兩道光之相位差為整數波長,因而造成光場之明暗條紋,光場之條紋可以肉眼觀察,條紋越密集的地方,表示應力愈大,亦即是應力集中的地方,也是材料發生破壞時最先開始之處,【圖六】是應力偏光儀量測觀察應力之原理。


  式(1)及式(2)是應力偏光觀測主要之理論計算公式,式中Dn表示透明材料之雙折射率,s1s2表示材料之兩主軸應力值,A是材料之光學應力常數,t是光前進之材料厚度距離,R則是兩不同速度光線之相位差。


Dn=(n1-n2)=A(s1-s2)………..(1)

R=(s1-s2)’t’A=Dn’t=nl……(2)

   
由應力偏光觀測所得之干涉光譜條紋,可利用式(1)及式(2)計算出材料之雙折射率及應力值。


  當射出模溫接近或超過塑膠之Tg溫度時,可有效消除雙折射現象,此既是由於流動所誘發之分子定向現象,可藉由使用較高模溫來使得分子有足夠動能及足夠時間來鬆弛分子應力。此可藉由將透明試片置於兩片正交之偏光板間,可觀察到較無散射之彩色光環,既有較多區域呈現黑暗顏色,既分子結構較無殘留應力存在。


四、 應力偏光儀觀測透明塑膠件殘留應力

  隨著產業的不斷進步,台灣塑膠成型業已從早期低層次民生用品發展到近年來蓬勃發展的電子電器業產品,然而現階段由於傳統產業大量外移,整個經濟大環境已迫使台灣塑膠成型業者,必須思考如何開創更高附加價值之產品。近幾年來在政府及業者共同努力下,光電產業已成為一項明星產業,舉凡平面顯示器、 導光板、背光板、光纖連接器、光波導、塑膠光學鏡片、精密微小射出成型產品等,都有許多廠商爭先投入。

   
在蓬勃發展的塑膠光電產業中,透明性塑膠材料佔了相當大的比重,例如PMMAPCmCOC等都是經常被使用到的透明性塑膠,然而對於透明性塑膠在成型過程中,因加工條件設定所衍生殘留應力問題也越來越受加工業者注重,此主要是因會殘留應力除了會影響塑膠件尺寸精度要求,同時也會造成光學特性 的改變,另外對於後續加工,例如塗佈、電鍍等製程都會造成嚴重影響。所以如何觀測塑膠光學產品之內部殘留應力,是目前光電產業上相當重要之技術。


對於光電產業常使用之透明性塑膠材料而言,目前最簡易可用來觀察材料內部殘留應力之方法,就是使用穿透式應力偏光儀。
  此方法是一種非破壞性定性觀測方法,此主要是利用塑膠受應力作用下之光彈特性,來觀測材料的雙折射率變化情形。此由Brewster的光彈性定律理論中可知,對於受應力作用而產生應變之高分子材料,其在空間中對光線的折射率將會有方向性的不同,換言之,也就是說塑膠材料在不同方向所受之應力分量不同,其在這些方向所表現之折射率也會不同,而其折射率之差異會與所受之應力程度成正比。


  塑膠是由長度很長之高分子鏈所組成,所以就微觀角度而言,在分子鏈平行與垂直方向所表現之物性並不一致,此就是高分子鏈的異方向特性 (anisotropic),然而就整體高分子材料而言,因分子鏈間相互糾結成一團狀結構,所以單一分子鏈之異方向特性將不易被察覺;然而若因塑膠材料在加工時所形成之應力,將造成分子鏈之高度定向作用,則塑膠材料之異方向性將會顯現,利用材料內部應力產生之雙折射率,可用來觀察入射光因前進速度之差異所產生之相位差干涉條紋,藉此來反推內部應力之分佈情形。

利用應力偏光儀來觀察透明塑膠成品之分子結構定向問題和應力變化情況,主要是將塑膠透明件產品或試片置於兩片正交之偏光塑膠片之中,藉由塑膠雙折射現象及光彈特性而使白色光源經偏光片後通過後形成彩色明暗條紋,由所顯示之條紋形式及色彩,可以對應到觀測塑膠件內部的殘留應力大小,通常條紋密度越高部分將對應於塑膠件殘留應力較高之區域。另外也可藉由彩色條紋之產生位置來做定量計算以求得成品之應力值。


射出壓縮成型改善內應力

融膠黏度造成高剪力流動,不易達到均勻的補償,且會殘留分子定向內應力等,易造成產品之翹曲、凹痕及內部光學性質不均,所以很難滿足品質要求嚴格之精密零件,如 DVD、光纖連結器、... 射出壓縮成型的確改善了射出件之收縮翹曲、殘留分子定向、內應力等問題。

 

在注塑加工過程中,注塑製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、塑料製品的結構、注塑成型的工藝參數的設定及控制、生産環境及操作者的狀態等有關。其中任何一項出現問題,都將影響到製品的質量。而且,由於製品的表面質量是內在質量的反映,所以,凡是能引起製品內在質量的因素,都能同時引起製品的表面質量及其他質量問題,如引起製品的開裂、銀紋、翹曲、變形、力學強度降低,甚至失去使用價值等問題。

由於注塑過程中,除了引起製品翹曲變形的內應力可以直觀感覺到外,其他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於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。所以,本文針對內應力這個內在的質量問題展開分析,並提出控制的一些方法,希望對現場控制産品質量的工程人員有所幫助和啓示。

 

一、內應力的種類及産生原因

注塑製品的內應力主要有以下四種:

1溫度應力:是製品冷卻時溫度不均産生的應力。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。由於凝固的聚合物層導熱性很差,因而在製品厚度方向上産生較大的溫度梯度。先凝固的外層熔體要阻止後凝固的內層熔體的收縮,結果在外層産生壓應力(收縮應力),內層産生拉應力(取向應力)。另方面,因製品壁厚不均勻,冷卻速度不一致,從而産生冷卻溫度不均現象。

2取向應力:是製品內部大分子取向産生的應力。對於線形樹脂和纖維增強的塑膠,在加工中最容易産生取向應力。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鬆弛,則在該方向上産生了取向應力。

3收縮應力:注塑過程中,塑膠分子本身的平衡狀態受到破壞,並産生不平衡體積時的應力。如結晶塑膠的晶區與非晶區介面因收縮不均産生的內應力。

4脫模應力:脫模時製品變形産生的應力。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24類應力可以歸納爲成型應力,是成型過程産生的應力。一般注塑製品中同時都存在幾種應力,製品的破壞,是由幾種應力共同作用的結果。

 

二、內應力對注塑製品的影響

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

 

三、內應力的控制

當注塑製品內的殘餘應力太高或應力分佈不均時,塑件表面就會産生變形、泛白、裂紋及破裂等現象。

一般情況下,澆口附近最容易發生由殘餘應力引起的裂紋及破裂,因爲澆口處的成型壓力相對其他部位要高一些,尤其是主流道爲直接澆口時更是如此。當塑件的壁厚不均勻,熔料的冷卻速度不一致時,由於厚薄部位的收縮量不同,也産生殘餘應力。在速冷條件下,取向的分子鏈不能很快鬆馳會導致聚合物內應力的形成等等。由此,可以通過減少製品殘餘應力來防止或減小注塑製品産生以上缺陷。減少殘餘應力的主要方法是改進澆注系統的結構形式和調整好塑件的成型條件。

1、減小取向應力的影響

    a、提高熔體溫度,使剪切應力降低,分子取向度減小;另一方面會使應力鬆馳加快,促使解取向能力加強。但有的材料成形溫度範圍窄,提高料溫時可能出現分解,從而影響製品的抗衡力,會使製品開裂。

b、儘量減短保壓時間,以減小取向應力。

c、減小注射壓力或保壓壓力,會使取向應力減小。因擔心製品出現收縮凹陷或試圖取得更好表面光澤而將注射壓力、速度等調得過大,會造成製品內部産生大的應變。結果,有些製品很快就開裂了,有些製品在存放一段時間後慢慢出現微裂或裂紋。當中心澆口出現以澆口爲中心的放射狀開裂時,應考慮調節澆口尺寸,使型腔內的壓力減少,減小取向應力。有可能時,重新安排澆口的位置和形式,也可以增設必要的輔助澆口。

d、提高模具溫度,使解取向作用加強。雖然高的模溫可減少聚合物的分子取向,但是,卻使結晶性塑料結晶度提高,或因模溫過高使塑料難以固化而造成脫模困難,所以要注意。相反,如果模溫太低,塑料過早冷卻,熔接縫有可能産生,製品容易開裂。

e、有可能的話增加製品壁厚,使取向應力降低。

2、減小溫度應力的影響

    如果在澆口封閉前維持模腔壓力,有利於提高製品密度,消除冷卻溫度應力,但是在澆口附近會産生較大的應力集中。設法降低澆口處溫度,延長緩冷時間,有利於改善製品的應力不均,使製品的機械性能均一。

    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。

3減小收縮應力的影響

塑料製品如果在模內散熱不好,冷熱不均(尤其對大製品而言),可能會使製品出現收縮差異,産生較大的內應力,而使製品開裂。因此,模具的冷卻水道的佈置應儘量平衡。

製品設計上,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、頂杆等,使之平衡動作,避免作用力先後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,製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,甚至連抛光方向也應儘量與料流方向一致。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、採用小澆口,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;澆口設計在製品的厚壁處,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、製品在模內冷卻時間太短,未充分硬化即開模頂出,可能在頂杆周圍開裂。但冷卻時間過長,製品包貼在模芯上,頂出時由於脫模光潔度不夠或斜度不夠而發生頂白現象。

i、深腔製品應設置適當的進氣孔道,以免脫模時産生過大的負壓,影響塑料製品與模具的分離。必要時,通過進氣孔道向模具和製品之間吹入壓縮空氣有助於脫模。

5、製品設計上應注意問題:

避免出現應力開裂的尖角、缺口或厚度相差很大的部位。尖角和缺口是內應力集中的地方,而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也不同。總之,製品形狀越複雜,尺寸愈大,愈容易開裂。

當塑料製品中帶有金屬嵌件時,嵌件最好是銅或鋁,而且加工前應先預熱嵌件。由於金屬和塑料的收縮率不一致,塑料的收縮率較大,而金屬的收縮率相對較小,通過預熱方法減小收縮差異。對於聚苯乙烯PS,一般不宜設置金屬嵌件。

製品設計上應注意平滑、緩過渡和勻稱。在製品造型上,應儘量採用曲面、雙曲面,既美觀又可減小變形。

6、材料方面的控制

某些剛性大的塑料(如PCPS塑料),本身不適合作脫模有困難的製品,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産生殘餘應力而引起裂紋,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,都會促使製品脆裂。塑料分子量每成形一次,當降到某一數值下,其耐衝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,形成的降解産物和氣態物質,除了影響製品外觀外,還使製品發生大的應變,較小的殘餘應力就可以使出模後的製品産生開裂。

有些塑料本身質量不佳,例如分子量分佈大,塑膠受到污染混料,也是造成開裂的原因。

7、設備方面要注意的問題

a、注塑機塑化容量要適中。即使是相熔性良好的塑料,如果在機筒內未完全均勻混合,也即塑化不充分,成型的製品在受力時將使應變集中在未充分混合的部位而脆裂。相反,若注塑機塑化容量太大,塑膠在料筒中受剪切作用時間過長,也會老化降解,使製品變脆。

b、注塑機料筒內有障礙物,促使塑料降解而使製品變脆。

 

四、製品應力開裂檢查和退火處理

1、診斷方法:

1)、溶劑法:

a. PS  在室溫下用煤油處理。

b. PCPS、聚碸、PPO等注塑製品,用四氯化矽溶劑處理,20秒內若製品開裂,說明內應力大。

c. POM  30%鹽酸溶液中浸30min

d. ABS  浸入冰醋酸溶液中。

e. PP  80下,用63%(重量百分比)的三氧化鉻與水的混合物處理。

f.  HDPE  80下,用2%的洗滌劑水溶液處理。

2)、儀器法:用偏振光方法可以檢測製品的內應力。

 

2、熱處理方法:有開裂傾向的塑料製品,可以用退火熱處理方法來消除製品內應力,從而減小裂紋的生成。

POM   空氣浴退火:140150×壁厚每增5mm即增加4060min

      油浴退火:140150×壁厚每增5mm即增加2030min

PBT   120×12h

PC    110135×時間根據厚度定。

聚碸  170180×24h

PMMA  7080×4h

ABS   7080×24h

PS   介質爲熱空氣或熱水:6070×3060min(厚度6mm);7080×120300min(厚度6mm)。

 

(資料下載自網路)

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