塑胶注射制品内应力的分析及控制

赵诚 赵晓博 张风

摘要：注塑制品一个普遍存在的缺点是有内应力。内应力的存在不仅是制件在储存和使用中出现翘曲变形和开裂的重要原因，也是影响制件光学性能、电学性能、物理力学性能和表观质量的重要因素。本文针对内应力这个内在的质量问题展开分析，并提出控制的一些方法，希望对控制产品质量的工程人员有所帮助和启示。

关键词：注塑;内应力;质量问题

引言：在注塑加工过程中，注塑制品存在着一个内在的质量问题-内应力。内应力的来源与所使用的塑料原料种类、注塑机的类型与塑化系统的结构、模具的结构及精度、塑料制品的结构、注塑成型的工艺参数的设定及控制、生产环境及操作者的状态等有关。其中任何一项出现问题，都将影响到制品的质量。而且，由于制品的表面质量是内在质量的反映，所以，凡是能引起制品内在质量的因素，都能同时引起制品的表面质量及其他质量问题，如引起制品的开裂、银纹、翘曲、变形、力学强度降低，甚至失去使用价值等问题。

由于注塑过程中，除了引起制品翘曲变形的内应力可以直观感觉到外，其它质量问题不但用肉眼看不到，而且在短时间内也没有表露出来。所以注塑加工现场的工程人员对于这个问题一般不很重视，但是却可能存在着很大的质量隐患。

一、内应力的种类

注塑制品的内应力主要有以下四种：

1、温度应力：是制品冷却时温度不均产生的应力。当熔体进入温度较低的模具时，靠近模腔壁的熔體迅速地冷却而固化。由于凝固的聚合物层导热性很差，因而在制品厚度方向上产生较大的温度梯度。先凝固的外层熔体要阻止后凝固的内层熔体的收缩，结果在外层产生压应力（收缩应力），内层产生拉应力（取向应力）。另方面，因制品壁厚不均匀，冷却速度不一致，从而产生冷却温度不均现象。

2、取向应力：是制品内部大分子取向产生的应力。对于线形树脂和纤维增强的塑料，在加工中最容易产生取向应力。其结果，沿着流动方向的分子取向程度最大，在速冷条件下，如果被拉直的分子链来不及松弛，则在该方向上产生了取向应力。

3、收缩应力：注塑过程中，塑料分子本身的平衡状态受到破坏，并产生不平衡体积时的应力。如结晶塑料的晶区与非晶区界面因收缩不均产生的内应力。

4、脱模应力：脱模时制品变形产生的应力。这主要是模具加工精度较差和设计不合理造成，如脱模斜度不够，顶针数量不够或顶出不平衡等。

以上2至4类应力可以归纳为成型应力，是成型过程产生的应力。一般注塑制品中同时都存在几种应力，制品的破坏，是由几种应力共同作用的结果。

二、内应力对注塑制品的影响

制品中内应力的存在会严重影响到制品的力学性能和使用性能。它的存在将降低了制品对光、热以及腐蚀介质的抵抗能力。同时，制品在使用过程中将出现裂纹、不规则变形和翘曲，制品表面泛白、浑浊、光学性能下降等结果。

三、内应力的控制方法

1、减小温度应力的影响

如果在浇口封闭前维持模腔压力，有利于提高制品密度，消除冷却温度应力，但是在浇口附近会产生较大的应力集中。设法降低浇口处温度，延长缓冷时间，有利于改善制品的应力不均，使制品的机械性能均一。

熔体温度的提高，不论对结晶型聚合物还是非结晶型聚合物都会导致拉伸强度的降低。对非结晶型聚合物，拉伸强度会因浇口的位置而异。当浇口与充模方向一致时，拉伸强度随熔体温度提高而降低;当浇口与充模方向垂直时，拉伸强度随熔体温度的提高而增加。

2、减小取向应力的影响

高分子取向使制件内存在着未松弛的高弹形变，主要集中在表层和浇口的附近，使这些地方存在着较大的取向应力，用退火的方法可以消除制件的取向应力。试验表明，提高加工温度和模具温度、降低注射压力和注射速度、缩短注射时间和保压时间都能在不同程度上使制件的取向应力减小。

3、减小收缩应力的影响

塑料制品如果在模内散热不好，冷热不均（尤其对大制品而言），可能会使制品出现收缩差异，产生较大的内应力，而使制品开裂。因此，模具的冷却水道的布置应尽量平衡。制品设计上，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却速度不一，冷却过程的收缩和结晶情形的不同，力学状态也不同。

4、减小脱模应力的影响

a、调整顶出装置，如顶板、顶杆等，使之平衡动作，避免作用力先后不一或倾斜歪曲顶出。

b、型腔、型芯要有适当的脱模斜度。当斜度不够时，脱模困难，制品受的机械应力过大而开裂。

c、型腔脱模面要有足够的光洁度，甚至连抛光方向也应尽量与料流方向一致。型芯部分的加强筋、柱子等应有足够的光洁度，使脱模顺畅。

d、采用小浇口，保压时间短，内应力小;用大流道，则注射压力低，注射时间短，内应力小;浇口设计在制品的厚壁处，则注射压力和保压压力低，内应力小。

e、调节好开模速度，避免高速拨模。

f、调节好模板的平行度及平稳性。

g、在模面上施加适当的脱模剂，使脱模顺畅。

h、制品在模内冷却时间太短，未充分硬化即开模顶出，可能在顶杆周围开裂。但冷却时间过长，制品包贴在模芯上，顶出时由于脱模光洁度不够或斜度不够而发生顶白现象。

i、深腔制品应设置适当的进气孔道，以免脱模时产生过大的负压，影响塑料制品与模具的分离。必要时，通过进气孔道向模具和制品之间吹入压缩空气有助于脱模。、

5、制品壁厚

制品壁厚是结构设计时所需要考虑的重要因素。不合理的壁厚会给制品带来很多缺陷。增加壁厚既可改善树脂的充模特性，又可降低取向应力，减少变形，提高制品强度。但同时收缩加大，保压和冷却时间加长，生产效率降低，消耗材料多。较大的收缩应力还将造成制品表面产生凹陷或内部出现缩孔与气泡，既影响外观又降低了强度。增加壁厚的同时也增加了制品的表面积，表面积与体积之比越大，表面冷却越快，取向应力和体积温度应力都随之增大。如果制品壁太薄，会降低强度，脱模时易破裂，还有碍于树脂的充模流动，造成填充不足或出现明显的熔合纹，严重影响制品质量。每种塑料根据充模能力都有一个最小壁厚。确定壁厚时在满足强度要求的前提下，壁厚尽量取薄些，可节省材料，减轻制品重量，降低成本，但不能小于最小壁厚。ABS常用的标准壁厚为1.2～3.5mm。壁厚设计还应注意均匀一致，否则将会由于收缩应力引起制品的翘曲变形。同一制品中，若必须存在壁厚相差较大的情况时，连接处应逐渐过渡，避免截面的突变。

6、材料选用

某些刚性大的塑料（如PC、PS塑料），本身不适合作脱模有困难的制品，而且容易出现应力开裂，所以应注意。一般非结晶型树脂比结晶型树脂容易产生残余应力而引起裂纹，也应注意。

塑料再生次数太多或再生料含量太高，或料在料筒内加热时间太长，都会促使制品脆裂。塑料分子量每成形一次，当降到某一数值下，其耐冲击强度急剧降低而变脆。

有些塑料在受潮状况下加热，会与水汽发生催化裂化反应，形成的降解产物和气态物质，除了影响制品外观外，还使制品发生大的应变，较小的残余应力就可以使出模后的制品产生开裂。

有些塑料本身质量不佳，例如分子量分布大，塑料受到污染，也是造成开裂的原因。

四、内应力的检验和消除

1、检验方法： 溶剂法

PS：在室温下用煤油处理。

PC、PS、聚砜、PPO：用四氯化硅溶剂处理，20秒内若制品开裂，说明内应力大。

POM：30%盐酸溶液中浸30min。

ABS：浸入冰醋酸溶液中30秒至两分钟。

PP：在80℃下，用63%（重量百分比）的三氧化铬与水的混合物处理。

2、热处理方法：有开裂倾向的塑料制品，可以用退火热处理方法来消除制品内应力，从而减小裂纹的生成。

POM 空气浴退火：140～150℃×壁厚每增5mm即增加40～60min;

油浴退火：140～150℃×壁厚每增5mm即增加20～30min。

PBT 120℃×1～2h 。

PC 110～135℃×时间根据厚度定。

聚砜 170～180℃×2～4h 。

PMMA 70～80℃×4h 。

ABS 65～75℃×2～4h 。

PS 介質为热空气或热水：60～70℃×30～60min（厚度≤6mm）;70～80℃×120～300min（厚度≤6mm）。

正确选用加热介质对热处理效果很重要。用空气作为加热介质，有操作简便和处理后不需要清洗等优点。例如ABS塑料在65～75℃空气中处理2～4小时效果良好。但空气热传导效率低，容易引起尼龙类和聚甲醛等塑料氧化变色。高沸点油作为热处理介质有传热快、制件加热均匀等优点，但操作比较麻烦，而且处理后的制件上存留的油斑有时很难除去。吸水性强的尼龙类塑料制件用水或乙酸钾的水溶液（沸点121℃）作热处理介质比较好。用这种介质既有利于防止制件在热处理过程中氧化变色，又能使其加速达到吸湿平衡。

热处理有时不一定能达到理想的效果，只能作为一种辅助工序，完全依靠热处理防止应力开裂的做法不可靠。必须从影响注塑制品内应力的几个主要因素方面采取有效措施，结合热处理方法才能取得满意效果。

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