塑料残留应力介绍.docVIP

一、 塑料残留应力介绍 　　当一塑料成品在应用上发生破裂或破坏时，就材料力学的观点，即表示该塑料件在破坏区域上，其所承受之应力数值总合超过了材料本身之物性强度数值。因此要解决成品在使用上的破坏或破裂问题，就必须要从如何增加材料物性强度或从如何减少成品应力值来着手。塑料制品承受的应力作用通常可依应力来源区分为外部应力及内部应力两种，外部应力是成品在使用时所遭受之外力作用，此部分将视产品应用场合而定，通常是无法控制其程度，一般产品设计者会依照常态之外部应力值，乘上一安全系数值来设计产品之强度。而内部应力通常是成品在加工成型过程中所产生而留存在成品内部。所以要有效解决塑料成品之破坏问题，唯有降低应力作用或提高材料强度两种方法。 　　然而对于塑料成型加工业者而言，如何使用较适当之加工条件，来防止材料强度降低及避免在加工时产生过大残留内部应力则是最重要之议题。所以就产品设计者或塑料成型加工者而言，通常需要了解塑料件发生破坏之成因与产生破坏之位置与破坏之型态，才能有效分析解决成型及设计上的问题点。 塑料材料由于具有高黏特性，所以一般在成型加工时都需要利用高温、高压、高剪切等加工条件，来有效降低塑料熔胶黏度至容易成型加工之范围，另外由于塑料具低的热传导系数，是热的不良导体，所以在高温成型后需要长时间方能达到均匀温度之冷却。然而现代塑料射出成型加工，一般为求高效益快速生产，所以对于射出成型周期都尽量缩短，而所对应之射出成型条件就需要要求射速快、冷却时间短，而对于塑料成品而言过大之速度差或不均匀冷却，往往会造成成品内部形成应力。 　　所谓塑料残留应力就是指塑料成品在经过制造或成形过程后，在无外力作用下或无温度梯度存在时，物体内部仍维持承受应力之状况。通常塑料件常见之内部应力可分为两种，一种是剪切流动造成之流动应力，另一种是冷却收缩所造成之热应力。塑料材料在成型过程中会因为高剪切作用造成分子链接构的高度定向现象，此种是属于熔胶剪切流动所形成之应力，另外则是因不均匀之冷却造成成品内分子链的不均匀收缩，当成品温度快速冷却到塑料的Tg以下时，冷却收缩造成分子链间应力无法完全释放，此种是属于冷却所形成之应力。 　　另外结晶性材料之不平衡结晶作用或是模穴压力对不同位置分子链之不同影响都会形成残留应力。所以，所谓残留应力就是指在塑料成型过程中，造成分子结构不是处在最低能量之最稳定状态，分子链受到流动定向影响或是受到周围分子链之拘束，而呈现不稳定之高能态，所以一旦有外界能量给于此受应力作用之分子链，则此分子将极易释放出应力而达到其最稳定之组态。在一般塑料射出成型加工过程中，由成品厚度方向来观察，可以发现成品可依分子链之微观结构差异，来区分不同之区域，如【图一】所示。 　　其中A层示固化层，B层是流动高剪切层，C层是熔胶流动层，A层为塑料充填时紧贴两侧模壁，瞬间冷却固化的高分子链定向层，此部分会因为射出成型之喷流效应，而使分子链排向方向与流动方向相反，而B层是塑料充填时紧靠A层固化层的高剪切区域所形成的分子链定向层，由于与A层具有最大之速度差，所以会形成最大之剪切流动应力效果，塑料充填结束时本区定向层尚未完全凝固，而外层之A层固化定向层有绝热效果，使B层热散失不至过快，另外由于高剪切作用会产生剪切加热作用，所以本区也是温度最高之区域。而C层因熔胶高温及冷却时间足够，分子链有足够时间松弛定向，故无高分子链定向行为，高分子链彼此之间较无剪切作用现象，若产品厚度有变化，则主要会影响C层厚度，若是薄件成品则C层的厚度将会变小。【图二】是沿厚度方向分子定向效果之分布情况。 　　除了在成品厚度方向上下表面有一薄层固化层外，大部分区域是属于熔胶流动层，而这区域主要之内部应力形成是由于不均匀冷却造成，塑料件厚度方向之冷却是由与模壁接触之成品表面开始向成品内部延伸，所以中心层是最慢冷却之位置。所以当塑料成品成型后，开始进行冷却阶段时，在某一特定位置上之分子链会受到其外部已冷却收缩之分子链牵引，所以会感受到早先冷却收缩之分子链的拉伸应力。所以严格来看在成品厚度方向靠近表面之区域，分子链是处在压缩应力状况，而内部区域是处于拉伸应力状况。【图三】是射出成品厚度方向应力分布情况。【图四】射出成品厚度方向剪切作用分布情况。 　二、 残留应力的影响 　　塑料成型过程所产生之残留应力，除了会影响成品在使用上的强度外，尤其在某些二次后加工上都会造成问题。残留应力对塑料成品的影响常见的有下列几种：首先是成品的外观尺寸变形及翘曲问题，由于剪切流动造成分子链的排向或是由于成品几何造成流动的定向效果，在成品脱模时容易因应力松弛而造成尺寸发生变形，另外由于成品尺寸的不对称性或在成品厚度方向冷却收缩的不平衡性，所形成的热应力都将造成成品在脱模后发生翘曲变形现象。此现象对于尺寸精密度有要求或有组装搭接性需求