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塑胶外壳内应力的原因和影响

发布时间:2022-04-18

塑料内应力是指塑料在熔融加工过程中,由于大分子链的取向、冷却收缩等因素,使塑胶外壳产生的一种内应力。


内应力的本质是熔融加工过程中形成的大分子链的不平衡构象,这种不平衡构象在冷却固化后,并不能立即恢复到适合环境条件的平衡构象,这种不均衡构象的本质是一种可逆的高弹性形变,而冻结的高弹性形变通常以势能的形式储存在塑胶外壳制品中,在合适的条件下,这种被迫的不稳定构象会转化为舒适的稳定构象,势能会转化为动能而释放出来。


当大分子链之间的作用力和相互缠结力无法承受这种动能时,内应力平衡就会被破坏,塑胶外壳就会产生应力开裂和翘曲变形等现象。


塑胶外壳内应力产生的原因

1、取向内应力

取向内应力是塑料熔体流动充模和保压补料过程中,大分子链沿流动方向的排列和取向构象被冻结而产生的内应力。

取向应力的详细过程是:靠近流道壁的熔体冷却速度快,造成外层熔体粘度增加,从一点到另一点,熔体在型腔核心层的流速远高于表层的流速,造成熔体内层与层之间产生剪切应力作用,产生沿流动方向的取向。

塑胶外壳中取向大分子链的解冻也象征着其中存在未释放的可逆高弹性形变,所以取向应力是大分子链从取向构象力向无取向构象转变的内力。塑胶外壳中的取向应力可以通过热处理来减小或排除。

塑胶外壳的取向内应力分布从产品表层到内层越来越小,呈抛物线变化。


2、冷却内应力

冷却内应力是塑胶外壳在熔融加工过程中由于冷却定型时收缩不均匀而产生的一种内应力。特别是对于厚壁的塑胶外壳,塑胶外壳的外层先冷却固化收缩,其内层仍可能是热熔体,芯层会限制表层的收缩,造成芯层处于压应力状况和表层处于拉应力状态。

塑胶外壳冷却内应力的分布从塑胶外壳的表层到内层越来越大,也呈抛物线变化。

另外,带金属嵌件的塑胶外壳,由于金属和塑料的热膨胀系数相差较大,容易形成收缩不均匀的内应力。

除了上述两个重要的内应力,还有以下内应力:对于结晶塑胶外壳,当塑胶外壳内部各部分的结晶结构和结晶度不同时,就会产生内应力。此外,还有构型内应力和脱模内应力,但内应力所占比例都很小。

图片6-2.png


影响塑胶外壳内应力的因素

1、分子链的刚性

分子链刚性越高,熔体粘度越高,聚合物分子链的流动性越差。因此,对于产生的可逆高弹性形变恢复性较差,容易产生残余内应力。比如一些分子链上带有苯环的聚合物,如PC、PPO、PPS等,在它们相应的塑胶外壳中具有更高的内应力。


2、分子链的极性

分子链的极性越大,分子间相互吸引的作用力越大,使得分子间的相互运动更加困难,减小恢复可逆弹性形变的程度,产生较大的残余内应力。比如分子链中带有羰基、酯基、眼基等极性基团的某些种类的塑料,在相应的塑胶外壳中会有比较大的内应力。


3、取代基团的位阻效应

大分子侧基取代基团的体积越大,阻碍大分子链自由运动而产生的残余内应力越大。例如聚苯乙烯取代基团的苯基的体积较大,所以聚苯乙烯塑胶外壳的内应力较大。

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