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      塑膠制品

      塑膠螺絲柱開裂現象分析及預防措施

      文章出處:責任編輯:人氣:-發表時間:2021-06-23 14:48【

      塑膠螺絲柱開裂是一種比較常見的塑膠結構失效現象,解決螺絲柱開裂是一件棘手的事情,因為一旦發生開裂,很難通過后續手段進行補救,令人頭疼且“恐懼”的是,此開裂現象不像其他塑膠件缺陷一樣可以在注塑出來后馬上可以發現,很多情況是剛開始并沒有開裂(或者已經開裂,只是裂痕微小,肉眼察覺不出來),等到真正開裂時,塑膠件已經到達產線,或者已經組裝好產品出貨了。因此這種開裂往往難以預測,且產生的后果可能是毀滅性的。

      螺絲柱,是塑膠產品的一種緊固結構,螺絲柱開裂導致緊固功能降低甚至失效,實際表現為,產品過不了跌落測試,產品內部功能件脫落導致損壞等問題,這是很嚴重的問題,它不同于一般的外觀性問題(如:縮水、批鋒、劃傷等),外觀性問題通常不會影響產品的功能,而螺絲柱開裂問題最終會影響產品的功能實現。

      螺絲柱開裂現象一般發生在脆性材料、應力敏感材料或易產生內應力的材料中,常見的有PS、ABS、PC、PC/ABS合金等,特別是PC材料,PC這種材料你會發現它可以跟多種材料共混組成合金:PC+ABS、PC+PS、PC+PBT、PC+PET等。

      PC塑膠螺絲柱開裂有兩種情形:

      1. 光孔螺絲柱打自攻螺絲后開裂;

      2. 模內植入銅螺母后開裂。

      其實開裂的本質原因就是材料內部力(主要為抗開裂力和內應力)的不平衡導致,這種不平衡分大小和方向不平衡(應力集中),當抗開裂力和內應力平衡時,產品不會出現開裂現象;而當抗開裂力小于內應力時,就會出現開裂。

      抗開裂力,這個力的大小取決于分子鏈的長短,鏈間的纏結數目,分子鏈之間的作用力等等。

      內應力,主要是指在塑料熔融加工過程中由于受到大分子鏈的取向和冷卻收縮等因素影響而產生的一種內在應力。主要有取向內應力和收縮內應力。

      01  

      取向內應力

      取向的機理:是指聚合物在外力作用下,分子鏈沿力場方向有序排列的現象。

      取向需要靠外力的作用才能實現,而解取向是一個自發的過程。因此取向態是一非平衡狀態,一旦外力除去,鏈段或大分子鏈便自發解取向而回復到原狀。就像一根被拉伸的彈簧一樣,當作用于彈簧的力去除,彈簧就會恢復到初始狀態。因此,若想得到取向材料,必須在取向后迅速降溫到聚合物的玻璃化溫度以下,將鏈段或大分子鏈凍結。當然凍結狀態屬于熱力學非平衡狀態,只是具有相對的穩定性,時間溫度都可能影響其取向結構的穩定性。

      取向的特點:各向異性

      未取向時,大分子鏈和鏈段的排列是隨機的,因此呈現各向同性。

      取向后,由于在取向方向上原子之間的作用力以化學鍵為主,而在與之垂直的方向上,原子之間的作用力以范德華力為主,因而呈現各項異性。

      具體表現為,材料在力學、光學和熱學性能上取向前后產生顯著的差別。比如在取向方向上能提高其拉伸強度和沖擊強度,但在取向垂直方向上其拉伸強度有所下降,沖擊強度也有所降低,所以說分子取向有方向性。

      取向的優缺點:這種取向的方向性在不同的成型工藝或制品上是有好處和壞處的。

      塑料加工在高彈態時易控制分子取向性,在粘流態時不易控制分子取向性。擠出成型是塑料在高彈態下加工,可控制拉伸倍數、牽引力和速度,如塑料絲、膜、管、片和板等制品,其在拉伸方向上的強度得到了提高。注射成型是塑料在粘流態下加工,分子取向無序,受力的大小不同,凍結速度不一樣,造成制品各處的內應力大小不同,易發生變形翹曲甚至開裂,所以注射成型加工不希望有較大的凍結分子取向性。

      取向內應力:塑膠材料分子鏈在注塑成型過程中由于受到高壓和高剪切力作用導致分子鏈發生劇烈變化,在分子未完全回復亂序及松弛的自然狀態前即遭凍結,從而導致殘留取向應力。

      PC的分子式

      尤以一些分子鏈中含有苯環的聚合物最為明顯,如PC、PPO、PPS等,此類聚合物分子鏈剛性比較大,熔體粘度高,聚合物分子鏈活動性差,因而對于發生的可逆高彈形變恢復性差,也就是解取向困難,(普通塑膠材料在注塑成型后,很快就自發實現解取向,取向應力?。?,但是PC類材料在成型后解取向困難,此時取向應力會一直存在,當抗開裂力和內應力平衡時,產品不會出現開裂現象,但隨著環境因素(溫度、外力)的變化,當抗開裂力變小或者內應力+外應力的合力大于抗開裂力時,就會打破平衡狀態,就會出現開裂現象,這也是為什么PC類制品成型時還好好的,而存放一段時間后就開裂的原因之一。

      這里就可以解釋為什么PC料光孔螺絲柱打自攻螺絲后開裂的問題。

      基于上面講過的導致開裂主要原因是因為抗開裂力和內應力平衡性被打破,由于內應力在成型后不會無緣無故增大,所以無非就是抗開裂能力降低,或者是引入了外應力(自攻螺絲擠壓應力),這種開裂現象也稱環境應力開裂。

      環境應力開裂是塑料制品在使用中因特殊介質(腐蝕性介質、溶劑和某種氣體)和應力的共同作用產生許多小裂紋,甚至發生斷裂的現象。以上定義可見產生環境應力開裂具有兩個非常重要的條件,一個是特殊介質,另一個是應力。

      引起塑料制件發生環境應力開裂的特殊介質包括有機溶劑、水、某些表面活性劑和臭氧等。介質不會直接引起化學作用或分子降解,實際上,是介質滲透到分子結構并損害了聚合物鏈的內分子力,從而加快分子斷裂,最終導致抗開裂能力降低。因此,應避免螺絲上涂敷有防銹油、螺紋緊固劑等有機溶劑,同時也要避免制品接觸其他引起制品裂紋的介質。

      引起塑料制件發生環境應力開裂的應力分為兩種,機械應力和內應力。機械應力是指在使用過程中,產品一直處于機械應力的作用下,比如螺絲對螺孔部位的擠壓應力。因此,為了減小機械應力,應合理設計螺絲孔處的配合結構。

      其中有幾個比較關鍵的地方:

      1. 螺絲柱的內徑,如是硬膠,應比正常情況偏大一點;

      2. 螺絲柱外徑,如果沒法做大一些,需考慮加一字筋或十字筋;

      3. 螺絲柱內孔深度,為了有足夠空間容納塑膠屑,內孔深度需比螺絲長度深一些;

      4. 螺絲導向結構,為了防止螺絲斜打,支柱上須做限位結構,螺絲柱內孔頂端做斜角導向;

      5. 裝配過程中螺絲刀的扭矩需要根據螺絲大小匹配,避免扭力過大導致開裂;

      6.選用合適的自攻螺絲,可減小應力集中。

      02收縮內應力

      收縮內應力,也稱熱應力,是塑料制品在熔融加工過程中因冷卻定型時收縮不均勻而產生的一種內應力。

      1. 由于塑膠結構問題,即使有冷卻系統,但也難以做到制品各個部位冷卻速率相同,所以冷卻收縮內應力很難避免的,尤其是對厚壁塑料制品,在打開前模后,塑料制品的外層首先冷卻凝固收縮,其內層包裹在后模芯可能還是熱熔體,這樣芯層就會限制表層的收縮,導致芯層處于壓應力狀態,而表層處于拉應力狀態。當制品頂出后,具體表現為,制品會往內擠壓變形。

      2. 如果同在后模側的結構,比如螺絲柱,由于螺絲柱內外冷卻速率相差不大,成型后并不會發生往內孔擠壓的變形。

      3. 如果是模內植入沒經過預熱的銅螺母等金屬嵌件進行注塑,此時螺絲柱的內孔與外壁的冷卻速率不同,注塑成型后,螺絲柱會往內孔收縮緊緊抱住銅螺母,由于塑料與銅螺母等金屬嵌件的熱膨脹系數存在很大的差異,塑件內的銅螺母嵌件的收縮率相比塑膠收縮可看似為零,此時銅螺母會妨礙螺絲柱的整體收縮,由此產生的收縮應力會很大,銅螺母四周會聚集大量的收縮應力,如果這種收縮應力大于塑膠的抗開裂能力,就會引起塑件表面產生細微裂紋。這種細微的裂紋對于一般的塑膠還好,但是對于PC類的塑膠,本身對缺口極其敏感,如果這種微型裂紋沒有得到及時終止,就會慢慢拓展為大的裂紋,直到開裂。

      這也是為什么模內植入銅螺母后沒發現開裂,過一段時間才發現開裂的原因。(當然,以上只是原因之一,可能還存在其他原因)

      解決這一問題,可以考慮從減小收縮應力或提高塑膠抗開裂能力方面入手:

      1. 在預埋前,對銅螺母進行預熱,使得螺絲柱內外壁冷卻速率接近,減小收縮應力;

      2. 對銅螺母進行表面脫脂化處理,可以防止油脂加速制品的應力開裂;

      3. 一件制品中不宜預埋過多銅螺母,否則塑膠在料筒中停留的時間過程,容易發生降解,降低塑膠的抗開裂能力;

      4. 銅螺母的花紋或形狀最好選用具有圓滑特征的螺母,減小應力集中;

      5. 螺絲柱螺絲柱外徑適當加大,如果沒法做大,需考慮加一字筋或十字筋來加強螺絲柱的強度;

      如果以上方法還是無法解決,可以考慮通過后續熱壓或超聲波等埋入方案:塑膠件中金屬螺紋嵌件的類型及埋入方法。

      03為了減小后續出現螺絲柱開裂問題,可以從以下方面考慮

      1. 塑膠原材料的選擇

      a)選取分子量大、分子量分布窄的樹脂?

      聚合物分子量越大,大分子鏈間作用力和纏結程度增加,其制品抗應力開裂能力較強;聚合物分子量分布越寬,其中低分子量成分越大,容易首先形成微觀撕裂,造成應力集中,使制品開裂。?

      b)降低水口料或再生料的添加成分

      對于吸水性樹脂及摻用再生料較多的樹脂,因為吸水性樹脂加熱后會分解脆化,較小的殘余應力就會引起脆裂,而再生料含量較高的樹脂中雜質較多,易揮發物含量較高,材料的強度比較低,也容易產生應力開裂。?

      c)共混改性?

      易出現應力開裂的樹脂與適宜的其它樹脂共混,可降低內應力的存在程度。例如,在PC中混入適量ABS、PBT、PET等對提高PC的抗應力開裂都有明顯的幫助。??

      d)增強改性?

      用增強纖維進行增強改性,可以降低制品的內應力,這是因為纖維纏結了很多大分子鏈,?從而提高應力開裂能力。例如,30%GFPC的耐應力開裂能力比純PC提高6倍之多,但是需要注意的是添加填料不易偏多,否則樹脂材料容易變脆。

      e)添加其他添加劑?

      在塑料中加入適宜的抗氧劑,可以緩解或阻止樹脂材料在加工或使用過程中的氧化降解,提高其機械性能和耐老化性能。 

      2. 降低制品的取向內應力

      分子取向性隨著分子鏈越長越多取向性越大,并受壓力,凍結溫度和時間的變化而變化??稍谶x成型工藝上進行調整和控制,來減小注塑制品的分子取向性。

      a)提高熔體和模具溫度,使取向效應降低。

      b)降低注射壓力,保壓壓力和時間,分子取向性降低。

      c)澆口減小制品的分子取向性小.?

      d)制品壁簿、模具溫度極低,制品來不及取向就冷卻,取向效應減少。?

      e)快速沖模時熔體在高剪切力的作用下,熔體溫度升高,粘度降低,模具型腔被迅速沖滿并快速冷卻,取向力也小。

      3. 降低制品的收縮內應力

      這里主要考慮從模具冷卻水路上進行優化,較小由于冷卻不均形成的內應力。對于預埋金屬嵌件,進行必要的預熱處理。

      4. 制品的結構設計

      螺絲柱結構設計注意事項上面已有提到,這里就不復述。

      5. 減少或避免制品接觸引起環境應力開裂的介質

      在制品成型后,從包裝、運輸、組裝、使用的過程中,盡量避免制品接觸一些引起環境應力開裂的有機溶劑、氣體等物質。

      6. 對制品進行必要的退火熱處理

      塑料制品的熱處理是指將成型制品在一定溫度下停留一段時間而消除內應力的方法。

      一般是把制品浸在熱油或熱水中,也可在熱風循環中,按塑料品種的不同,調節退火溫度并保持一段時間即可完成退火。退火溫度一般低于制品熱變形溫度10-20℃或在玻璃化溫度附近,退火溫度過高制品易變形,溫度過低不能達到退火效果。

      特別需要注意的是,退火后的產品應自然緩慢冷卻,不可以采取速冷的方法。 另外,退火熱處理法最好在成型后立即進行,這種效果最好。

      這里又有個問題,怎么知道成型后的制品螺絲柱會不會應力開裂?

      這里就需要在前期做應力開裂檢查了,比如對于PC料,在室溫下,將打入螺絲或埋入銅螺母的PC制品浸入冰醋酸或四氯化碳溶液中,以螺絲柱發生開裂破壞所需的時間來判斷應力的大小,時間越長則應力越小。如果浸5-15秒就開裂,說明應力很大;如果浸1-2分鐘不出現裂紋,說明內應力很小。


      關鍵字:塑膠螺絲柱開裂

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