注塑产品内应⼒发脆问题的产⽣原因、解决⽅法

吾辈当自强

塑料内应⼒产⽣的原因
产⽣内应⼒的原因有很多，如塑料熔体在加⼯过程中受到较强的剪切作⽤，加⼯中存在的取向与结晶作⽤，熔体各部位
冷却速度极难做到均匀⼀致，熔体塑化不均匀，制品脱模困难等，都会引发内应⼒的产⽣，简单解决可以加南京塑泰的
相容型的增韧剂。依引起内应⼒的原因不同，可将内应⼒分成如下⼏类。
（1）取向内应⼒
取向内应⼒是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⼀种内应⼒。
取向应⼒产⽣的具体过程为：*近流道壁的熔体因冷却速度快⽽造成外层熔体粘度增⾼，从⼀⽽使熔体在型腔中⼼层流
速远⾼于表层流速，导致熔体内部层与层之间受到剪切应⼒作⽤，产⽣沿流动⽅向的取向。取向的⼤分⼦链冻结在塑料
制品内也就意味着其中存在未松弛的可逆⾼弹形变，所以说取向应⼒就是⼤分⼦链从取向构象⼒图过渡到⽆取向构象的
内⼒。⽤热处理的⽅法，可降低或消除塑料制品内的取向应⼒。
塑料制品的取向内应⼒分布为从制品的表层到内层越来越⼩，并呈抛物线变化。
（2）冷却内应⼒
冷却内应⼒是塑料制品在熔融加⼯过程中因冷却定型时收缩不均匀⽽产⽣的⼀种内应⼒。尤其是对厚壁塑料制品，塑料
制品的外层⾸先冷却凝固收缩，其内层可能还是热熔体，这徉芯层就会限制表层的收缩，导致芯层处于压应⼒状态，⽽
表层处于拉应⼒状态。
塑料制品冷却内应⼒的分布为从制品的表层到内层越来越⼤，并也呈抛物线变化.。
另外，带⾦属嵌件的塑料制品，由于⾦属与塑料的热胀系数相差较⼤，容易形成收缩不⼀均匀的内应⼒。
除上述两种主要内应⼒外，还有以下⼏种内应⼒：对于结晶塑料制品⽽⾔，其制品内部各部位的结晶结构和结晶度不同
也会产⽣内应⼒。另外还有构型内应.⼒及脱模内应⼒等，只是其内应⼒听占⽐重都很⼩。
影响塑料内应⼒产⽣的因素
（1）分⼦链的刚性
分⼦链刚性越⼤，熔体粘度越⾼，聚合物分⼦链活动性差，因⽽对于发⽣的可逆⾼弹形变恢复性差，易产⽣残余内应⼒
⼝例如，⼀些分⼦链中含有苯环的聚合物，如PC、PPO、PPS等，其相应制品的内应⼒偏⼤。
（2）分⼦链的极性
⼀分⼦链的极性越⼤，分⼦间相互吸引的作⽤⼒越⼤，从⽽使分⼦间相互移动困难增⼤，恢复可逆弹性形变的程度减
⼩，导致残余内应⼒⼤。例如，⼀些分⼦链中含有羰基、酯基、睛基等极性基团的塑料品种，其相应制品的内应⼒较
⼤。
（3）取代基团的位阻效应
⼤分⼦侧基取代基团的体积越⼤，则妨碍⼤分⼦链⾃由运动导致残余内应⼒加⼤。例如，聚苯⼄烯取代基团的苯基体积
较⼤，因⽽聚苯⼄烯制品的内应⼒较⼤。
⼏种常见聚合物的内应⼒⼤⼩顺序如下:
PPO>PSF>PC>ABS>PA6>PP>HDPE
塑料内应⼒的降低与分散
（1）原料配⽅设计
1）选取分⼦量⼤、分⼦量分布窄的树脂
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。
2）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。
3）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。
4）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%GFPC的耐应⼒开裂能⼒⽐纯PC提⾼6倍之多。聚⼄烯和聚丙烯增强会改变原来的硬度、强度，有时让产品变
脆，为了弥补这个，可以加⼀些弹性体，如POE。当然也可以直接加两⽅⾯都兼顾的南京塑泰的增韧母粒ST-12 增韧⼜
增强。
5）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）成型加⼯条件的控制
在塑料制品的成型过程中，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。
①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。
②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，熔体进⼊模其后，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。
模温对塑料结晶影响很⼤，模温越⾼，越有利于晶粒堆砌紧密，晶体内部的缺陷减⼩或消除，从⽽减少内应⼒。
另外，对于不同厚度塑料制品，其模温要求不同。对于厚壁制品其模温要适当⾼⼀些。
以PC为例，其内应⼒⼤⼩与模具温度的关系如表5-5所⽰。
③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。.
以PC为例，其内应⼒⼤⼩与注射压⼒的关系如表5-6所⽰。.
④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。
⑤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。
⑥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。
⑦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。
（3）塑料制品的热处理
塑料制品的热处理是指将成型制品在⼀定温度下停留⼀段时间⽽消除内应⼒的⽅法。热处理是消除塑料制品内取向应⼒
的最好⽅法。
对于⾼聚物分⼦链的刚性较⼤、玻璃化温度较⾼的注塑件；对壁厚较⼤和带⾦属嵌件的制件；对使⽤温度范围较宽和尺
⼨精度要求较⾼的制件；时内应⼒较⼤⽽⼜不易⾃消的制件以及经过机械加⼯的制件都必须进⾏热处理。
对制件进⾏热处理，可以使⾼聚物分⼦由不平衡构象向平衡构象转变，使强迫冻结的处于不稳定的⾼弹形变获得能量⽽
进⾏热松弛，从⽽降低或基本消除内应⼒。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℃。热处理时间取决于塑料种类、制件厚度、热处理温度和注塑条件。⼀般厚度的制件，热处理1~2⼩时即可，随
着制件厚度增⼤，热处理时间应适当延长。提⾼热处理温度和延长热处理时间具有相似的效果，但温度的效果更明显
些。
热处理⽅法是将制件放⼊⽔、⽢油、矿物油、⼄⼆醇和液体⽯蜡等液体介质中，或放⼊空⽓循环烘箱中加热到指定温
度，并在该温度下停留⼀定时间，然后缓慢冷却到室温。实验表明，脱模后的制件⽴即进⾏热处理，对降低内应⼒、改
善制件性能的效果更明显。此外，提⾼模具温度，延长制件在模内冷却时间，脱模后进⾏保温处理都有类似热处理的作
⽤。
尽管热处理是降低制件内应⼒的有效办法之⼀，但热处理通常只能将内应⼒降低到制件使⽤条件允许的范围，很难完全
消除内应⼒。对PC制件进⾏较长时间的热处理时，PC分⼦链有可能进⾏有序的重排，甚⾄结晶，从⽽降低冲击韧性，
使缺⼝冲击强度降低。因⽽，不应把热处理作为降低制件内应⼒的唯⼀措施。
(4)塑料制品的设计
①塑料制品的形状和尺⼨
在具体设计塑料制品时，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合理设计⾦属嵌件
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。
a.尽可能选择塑料件作为嵌件。
b.尽可能选择与塑料热膨胀系数相差⼩的⾦属材料做嵌件材料，如铝、铝合⾦及铜等。
c.在⾦属嵌件上涂覆⼀层橡胶或聚氨酯弹性缓冲层，并保证成型时涂覆层不熔化，可降低两者收缩差。
d.对⾦属嵌件进⾏表⾯脱脂化处理，可以防⽌油脂加速制品的应⼒开裂。
e.⾦属嵌件进⾏适当的预热处理。
f.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≥0.8D；对于铜
嵌件，塑料厚度h≥0.9 D。
g.⾦属嵌件应设计成圆滑形状，最好带精致的滚花纹。
③塑料制品上孔的设计
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。
（5）塑料模具的设计
在设计塑料模具时，浇注系统和冷却系统对塑料制品的内应⼒影响较⼤，在具体设计时应注意如下⼏点。
①浇⼝尺⼨
过⼤的浇⼝将需要较长的保压补料时间，在降温过程中的补料流动必定会冻结更多的取向应⼒，尤其是在补填冷料时，
将给浇⼝附近造成很⼤的内应⼒。
适当缩⼩浇⼝尺⼨，可缩短保压补料时间，降低浇⼝凝封时模内压⼒，从⽽降低取向应⼒。但过⼩的浇⼝将导致充模时
间延长，造成制品缺料。
②浇⼝的位置
浇⼝的位置决定⼚塑料熔体在模腔内的流动情况、流动距离和流动⽅向。.当浇⼝设在制品壁厚最⼤部位时，可适当降低
注射压⼒、保压压⼒及保压时间，有利于降低取向应⼒。当浇⼝设在薄壁部位时，宜适当增加浇⼝处的壁厚，以降低浇
注射压⼒、保压压⼒及保压时间，有利于降低取向应⼒。当浇⼝设在薄壁部位时，宜适当增加浇⼝处的壁厚，以降低浇
⼝附近的取向应⼒。
熔体在模腔内流动距离越长，产⽣取向应⼒的⼏率越⼤。为此，对于壁厚、长流程且⾯积较⼤的塑料件，应适当分布多
个浇⼝，能有效地降低取向应⼒，防⽌翘曲变形。
另外，由于浇⼝附近为内.应⼒多发地带，可在浇⼝附近设汁成护⽿式浇⽇，使内应⼒产⽣在护⽿中，脱模后切除内应⼒
较⼤的护⽿，可降低塑料制品内的内应⼒。
③流道的设计
设计短⽽粗的流道，可减⼩熔体的压⼒损失和温度降，相应降低注射压⼒和冷却速度，从⽽降低取向应⼒和冷却压⼒。
④冷却系统的设计
冷却⽔道的分布要合理，使浇⼝附近、远离浇⼝区、壁厚处、壁薄处都得到均匀且缓慢的冷却，从⽽降低内应⼒，
⑤顶出系统的设计
要设计适当的脱模锥度，较⾼的型芯光洁度和较⼤⾯积的顶出部位，以防⽌强⾏脱模产⽣脱模应⼒。