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塑料的收缩与翘曲
第七章收缩与翘曲
塑料射出成形先天上就会发生收缩,因为从制程温度降到室温,会造成聚合物的密度变化,造成收缩。整个塑件和剖面的收缩差异会造成内部残留应力,其效应与外力完全相同。在射出成形时假如残留应力高于塑件结构的强度,塑件就会于脱模后翘曲,或是受外力而产生破裂。
7-1 残留应力
残留应力(residual stress)是塑件成形时,熔胶流动所引发(flow-induced)或者热效应所引发(thermal-induced),而且冻结在塑件内的应力。假如残留应力高过于塑件的结构强度,塑件可能在射出时翘曲,或者稍后承受负荷而破裂。残留应力是塑件收缩和翘曲的主因,可以减低充填模穴造成之剪应力的良好成形条件与设计,可以降低熔胶流动所引发的残留应力。同样地,充足的保压和均匀的冷却可以降低热效应引发的残留应力。对于添加纤维的材料而言,提升均匀机械性质的成形条件可以降低热效应所引发的残留应力。
7-1-1 熔胶流动引发的残留应力
在无应力下,长链高分子聚合物处在高于熔点温度呈现任意卷曲的平衡状态。于成形程中,高分子被剪切与拉伸,分子链沿着流动方向配向。假如分子链在完全松弛平衡之前就凝固,分子链配向性就冻结在塑件内,这种应力冻结状态称为流动引发的残留应力,其于流动方向和垂直于流动方向会造成不均匀的机械性质和收缩。一般而言,流动引发的残留应力比
热效应引发的残留应力小一个次方。
塑件在接近模壁部份因为承受高剪应力和高冷却速率的交互作用,其表面的高配向性会立即冻结,如图7-1所示。假如将此塑件存放于高温环境下,塑件将会释放部份应力,。凝固层的隔热效应使聚合物中心层维持较高温度,能够释放较多应力,所以中心层分子链具有较低的配向性。
可以降低熔胶剪应力的成形条件也会降低因流动引发的残留应力,包括有:
? 高熔胶温度。
? 高模壁温度。
? 长充填时间(低熔胶速度)。
? 降低保压压力。
? 短流动路径。
图7-1 充填与保压阶段所冻结的分子链配向性,导致流动引发之残留应力。
(1) 表示高冷却率、高剪应力或高配向性;
(2)表示低冷却率、低剪应力或低配向性。
7-1-2 热效应引发之残留应力
热效应引发残留应力的原因包括下列:
? 塑料从设定的制程温度下降到室温,造成收缩。
? 塑料凝固时,塑件从表层到中心层经历了不同的热力历程和机械历程,例如不同的冷却时间和不同的保压压力等。
? 由于密度和机械性质变化导致压力、温度、分子链配向性和纤维配向性的改变。
? 模具的设计限制了塑件在某些方向的收缩。
塑料于射出成形的收缩可以用自由冷却的例子说明。假如温度均匀的塑件突然被两侧的冷模壁夹住,在冷却的初期,塑件表层冷却而开始收缩时,塑件内部的聚合物仍然呈高温熔融状态而可以自由收缩。然而,当塑件中心温度下降时,局部的热收缩受限于已经凝固的表层,导致中心层为拉伸应力,表层为压缩应力的典型应力分布,如图7-2所示。
塑件从表层到中心的冷却速率差异会引发热效应之残留应力。更有甚者,假如模具两侧模壁的冷却速率不同,还会引发不对称的热效应残留应力,在塑件剖面不对称分布的拉伸应力与压缩应力造成弯曲力矩,使塑件产生翘曲,如图 7-3的说明。肉厚不均匀的塑件和冷却效