塑料件开裂原因分析&检测方法
发布时间：2022-05-26
塑料制品在生产或者使用过程中，都会出现开裂的情况，除了人为施加压力导致的开裂或断裂以外，最常见的情况就是因为塑料的内应力。
为何会出现内应力？如何解决塑料开裂的问题？
一、内应力分类
按照起内应力的原因不同，可将内应力分成取向内应力、冷却内应力和环境应力。
取向内应力：塑料熔体在流动充模和保压补料过程中，大分子链沿流动方向排列定向构象被冻结而产生的；
冷却内应力：塑料在注塑冷却时收缩不均匀产生的；
环境应力：制品存在应力时，与活性介质（水/酸碱/有机溶剂等）接触时会出现裂纹。
值得一提的是环境应力。有些塑料如 ABS 等，在受潮状况下加热会与水汽发生催化裂化反应，使制件发生大的应变从而开裂。
二、微观分析：PC 内应力开裂
下面我们以用量较大、用途较多的 PC 材料为例，进行一次微观分析。
PC 材料容易内应力开裂是由于它本身的分子结构所决定的——结构中有苯环，所以取向比较困难。
在成型后，被取向的链节有恢复自然状态的趋势，但是由于分子链节已被冻结和分子链之间作用力，从而可能造成制品存在应力，这就是大家常说的应力开裂现象。
当前尤其是回收的 PC，由于回收 PC 的相对分子质量下降，相对分子质量分布变宽，少量存在的水分、颜料、杂质、溶剂等极易引发开裂现象。
几种常见聚合物的内应力大小顺序：PPO > PC > ABS > PA6 > PP > HDPE
三、如何解决塑料内应力问题？
1、前期原料选择
A、选取分子量大、分布窄的树脂
聚合物分子量越大，大分子链间作用力和缠结程度增加，其制品抗应力开裂能力较强；聚合物分子量分布越宽，其中低分子量成分越大，容易首先形成微观撕裂，造成应力集中，便制品开裂。
B、选取杂质含量低的树脂
聚合物内的杂质即是应力的集中体，又会降低塑料的原有强度，应将杂质含量减少到最低程度。
C、共混改性
易出现应力开裂的树脂与适宜的其它树脂共混，可降低内应力的存在程度。
例如，在 PC 中混入适量 PS，PS 呈近似珠粒状分散于 PC 连续相中，可使内应力沿球面分散缓解，并阻止裂纹扩展，从而达到降低内应力的目的。
再如，在 PC 中混入适量 PE，PE 球粒外沿可形成封闭的空化区，也可适当降低内应力。
D、增强改性
用增强纤维进行增强改性，可以降低制品的内应力，这是因为纤维缠结了很多大分子链，从而提高应力开裂能力。
例如，30 % GF + PC 的耐应力开裂能力，比纯 PC 提高6倍之多。
E、成核改性
在结晶性塑料中加入适宜的成核剂，可以在其制品中形成许多小的球晶，使内应力降低并得到分散。
2、加工成型条件的控制
在塑料制品的成型过程中，我们记住三个“凡是”：
凡是能减小制品中聚合物分子取向的成型因素，都能够降低取向应力；
凡是能使制品中聚合物均匀冷却的工艺条件，都能降低冷却内应力；
凡有助于塑料制品脱模的加工方法，都有利于降低脱模内应力。
对内应力影响较大的加工条件主要有如下几种：
A、料筒温度
较高的料筒温度有利于取向应力的降低，这是因为在较高的料筒温度，熔体塑化均匀，粘度下降，流动性增加，在熔体充满型腔过程中，分子取向作用小，因而取向应力较小。
而在较低料筒温度下，熔体粘度较高，充模过程中分子取向较多，冷却定型后残余内应力则较大。
但是，料筒温度太高也不好，太高容易造成冷却不充分，脱模时易造成变形，虽然取向应力减小，但冷却应力和脱模应力反而增大。
B、模具温度
模具温度的高低对取向内应力和冷却内应力的影响都很大。
一方面，模具温度过低，会造成冷却加快，易使冷却不均匀而引起收缩上的较大差异，从而增大冷却内应力；
另一方面，模具温度过低，熔体进入模具后，温度下降加快，熔体粘度增加迅速，造成在高粘度下充模，形成取向应力的程度明显加大。
C、注射压力
注射压力高，熔体充模过程中所受剪切作用力大，产生取向应力的机会也较大。
因此，为了降低取向应力和消除脱模应力，应适当降低注射压力。
D、保压压力
保压压力对塑料制品内应力的影响大于注射压力的影响。
在保压阶段，随着熔体温度的降低，熔体粘度迅速增加，此时若施以高压，必然导致分子链的强迫取向，从而形成更大的取向应力。
E、注射速度
注射速度越快，越容易造成分子链的取向程度增加，从而引起更大的取向应力。
但注射速度过低，塑料熔体进入模腔后，可能先后分层而形成熔化痕，产生应力集中线，易产生应力开裂。
所以注射速度以适中为宜。最好采用变速注射，在速度逐渐减小下结束充模。
F、保压时间
保压时间越长，会增大塑料熔体的剪切作用，从而产生更大的弹性形变，冻结更多的取向应力。
所以，取向应力随保压时间延长和补料量增加而显著增大。
G、开模残余压力
应适当调整注射压力和保压时间，使开模时模内的残余压力接近于大气压力，从而避免产生更大的脱模内应力。
总结：成型温度高一点，成型压力小一点，成型速度慢一点，保压时间少一点，保压压力高一点。
四、塑料制品热处理怎么做？
热处理是消除内应力，尤其是内取向应力的一个好方法。对于以下几种产品来说：都需要热处理：分子链刚性大、玻璃化温度较高的；壁厚较大、带金属嵌件的；使用温度范围较宽的；尺寸精度要求较高的；经过机械加工的；都需要，甚至是必须进行热处理。
常采用的热处理温度高于制件使用温度 10 — 20 ℃ 或低于热变形温度 5 — 10 ℃。一般厚度的制件，热处理 1 — 2 小时即可。
五、塑件设计时如何规避内应力？
1、形状和尺寸
为了有效地分散内应力，应遵循这样的原则：制品外形应尽可能保持连续性，避免锐角、直角、缺口及突然扩大或缩小。
对于塑料制品的边缘处应设计成圆角，其中内圆角半径应大于相邻两壁中薄者厚度的70%以上；外圆角半径则根据制品形状而确定。
对于壁厚相差较大的部位，因冷却速度不同，易产生冷却内应力及取向内应力。因此，应设计成壁厚尽可能均匀的制件，如必须壁厚不均匀，则要进行壁厚差异的渐变过渡。
2、金属嵌件
塑料与金属的热膨胀系数相差 5 — 10 倍，因而带金属嵌件的塑料制品在冷却时，两者形成的收缩程度不同，因塑料的收缩比较大而紧紧抱住金属嵌件，在嵌件周围的塑料内层受压应力，而外层受拉应力作用，产生应力集中现象。
在具体设汁嵌件时，应注意如下几点，以帮助减小或消除内应力：
尽可能用塑料嵌件代替金属嵌件；
尽可能用热膨胀系数相差小的金属和非金属材料（铝/铜/铝合金）；
金属嵌件表面涂覆橡胶或 TPU 缓冲层，保证成型时涂覆层不熔化，即可降低两者收缩差；
金属嵌件表面脱脂化处理，防止油脂加速制品的应力开裂；
金属嵌件进行适当的预热处理。
金属嵌件周围塑料的厚度要充足，例如嵌件外径为 D，嵌件周围塑料厚度为 h，则对铝嵌件塑料厚度 h ≥ 0.8 D；对于铜嵌件，塑料厚度 h ≥ 0.9 D；
金属嵌件应设计成圆滑形状，最好带精致的滚花纹。
3、上孔设计
塑料制品上孔的形状、孔数及孔的位置都会对内应力集中程度产生很大的影响。
为避免应力开裂，切忌在塑料制品上开设棱形、矩形、方形或多边形孔。应尽可能开设圆形孔，其中椭圆形孔的效果最好，并应使椭圆形孔的长轴平行于外力作用方向。
如开设圆孔，可增开等直径的工艺圆孔，并使相邻两圆孔的中心连接线平行于外力作用方向，这样可以取得与椭圆孔相似的效果；还有一种方法，即在圆孔周围开设对称的槽孔，以分散内应力。
六、如何测试应力开裂？
我们这边仍然以 PC 为例，来看看应力开裂应该怎么测试，这里主要介绍的是醋酸浸泡法，步骤如下：在室温下用冰醋酸或四氯化碳溶剂，浸泡未经退火处理的带螺丝部件的注塑制品，从放入溶剂中到出现裂纹的时间，记为应力开裂时间。
测试方法举例：将做好带有螺丝槽或柱的 PC 制品，完全浸泡于 25 ℃ 的冰醋酸中 30 s，取出后晾干后检查表面，仔细检查外观，如有细小致密的裂纹，说明此处有内应力存在，裂纹越多，内应力越大。
转自——【功能高分子及助剂】公众号