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塑膠外殼內應力的原因和影響

發布時間:2023-05-16

塑料內應力是指塑料在熔融加工過程中,由于大分子鏈的取向、冷卻收縮等因素,使塑膠外殼產生的一種內應力。


內應力的本質是熔融加工過程中形成的大分子鏈的不平衡構象,這種不平衡構象在冷卻固化后,并不能立即恢復到適合環境條件的平衡構象,這種不均衡構象的本質是一種可逆的高彈性形變,而凍結的高彈性形變通常以勢能的形式儲存在塑膠外殼制品中,在合適的條件下,這種被迫的不穩定構象會轉化為舒適的穩定構象,勢能會轉化為動能而釋放出來。


當大分子鏈之間的作用力和相互纏結力無法承受這種動能時,內應力平衡就會被破壞,塑膠外殼就會產生應力開裂和翹曲變形等現象。


塑膠外殼內應力產生的原因

1、取向內應力

取向內應力是塑料熔體流動充模和保壓補料過程中,大分子鏈沿流動方向的排列和取向構象被凍結而產生的內應力。

取向應力的詳細過程是:靠近流道壁的熔體冷卻速度快,造成外層熔體粘度增加,從一點到另一點,熔體在型腔核心層的流速遠高于表層的流速,造成熔體內層與層之間產生剪切應力作用,產生沿流動方向的取向。

塑膠外殼中取向大分子鏈的解凍也象征著其中存在未釋放的可逆高彈性形變,所以取向應力是大分子鏈從取向構象力向無取向構象轉變的內力。塑膠外殼中的取向應力可以通過熱處理來減小或排除。

塑膠外殼的取向內應力分布從產品表層到內層越來越小,呈拋物線變化。


2、冷卻內應力

冷卻內應力是塑膠外殼在熔融加工過程中由于冷卻定型時收縮不均勻而產生的一種內應力。特別是對于厚壁的塑膠外殼,塑膠外殼的外層先冷卻固化收縮,其內層仍可能是熱熔體,芯層會限制表層的收縮,造成芯層處于壓應力狀況和表層處于拉應力狀態。

塑膠外殼冷卻內應力的分布從塑膠外殼的表層到內層越來越大,也呈拋物線變化。

另外,帶金屬嵌件的塑膠外殼,由于金屬和塑料的熱膨脹系數相差較大,容易形成收縮不均勻的內應力。

除了上述兩個重要的內應力,還有以下內應力:對于結晶塑膠外殼,當塑膠外殼內部各部分的結晶結構和結晶度不同時,就會產生內應力。此外,還有構型內應力和脫模內應力,但內應力所占比例都很小。

圖片6-2.png


影響塑膠外殼內應力的因素

1、分子鏈的剛性

分子鏈剛性越高,熔體粘度越高,聚合物分子鏈的流動性越差。因此,對于產生的可逆高彈性形變恢復性較差,容易產生殘余內應力。比如一些分子鏈上帶有苯環的聚合物,如PC、PPO、PPS等,在它們相應的塑膠外殼中具有更高的內應力。


2、分子鏈的極性

分子鏈的極性越大,分子間相互吸引的作用力越大,使得分子間的相互運動更加困難,減小恢復可逆彈性形變的程度,產生較大的殘余內應力。比如分子鏈中帶有羰基、酯基、眼基等極性基團的某些種類的塑料,在相應的塑膠外殼中會有比較大的內應力。


3、取代基團的位阻效應

大分子側基取代基團的體積越大,阻礙大分子鏈自由運動而產生的殘余內應力越大。例如聚苯乙烯取代基團的苯基的體積較大,所以聚苯乙烯塑膠外殼的內應力較大。

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