針對(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)注塑件在使用中經(jīng)常出現(xiàn)放射狀裂紋,從而造成制件報廢的問題。人們在分析原因時往往只考慮成型工藝的影響,而忽視使用環(huán)境的影響。通過試驗找到了ABS注塑件使用中產(chǎn)生的裂紋是因乙酸、油漆稀料等造成的外應(yīng)力釋放所致,并提出了ABS注塑件設(shè)計、制造、裝配及使用的正確操作方法,為ABS注塑件的安全使用提供了科學依據(jù)。
(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)樹脂經(jīng)共混改性后,形成了多種不同的牌號,其成型方法有注射、擠出、吸塑等,其中注射成型是主要的成型加工方法。注射成型主要有可成型復(fù)雜、尺寸精密的制件,易于實現(xiàn)自動化,操作簡單等優(yōu)點,但也存在注塑件會出現(xiàn)各種各樣質(zhì)量問題的缺點。ABS注塑件質(zhì)量分為內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量兩方面的內(nèi)容。內(nèi)部質(zhì)量包括制件內(nèi)部的材料組織結(jié)構(gòu)形態(tài),制件的密度、強度、應(yīng)力等;外部質(zhì)量即為制件表面質(zhì)量,常見的有欠注(未注滿)、分型線明顯(跑料)、凹陷(塌坑或縮痕)、變色(分解紋)、暗紋(黑印)、熔接痕(合料紋)、銀絲(水紋)、剝層(起皮)、流動痕(水波紋)、噴射流(蛇行紋)、變形(翹曲、扭曲)、光潔程度差(劃傷、劃痕)、龜裂(裂紋)、無光澤(不亮)、氣泡(空洞或中空)、白化(有白印)等。影響ABS注塑件質(zhì)量問題的因素很多,其中應(yīng)力開裂是常見的致命缺陷之一,嚴重阻礙了ABS注塑件的應(yīng)用。
1、ABS注塑件應(yīng)力開裂原因分析
1. 1 應(yīng)力分類及產(chǎn)生過程聚合物受力后,內(nèi)部會產(chǎn)生與外力相平衡的內(nèi)力,單位面積上的內(nèi)力即稱為應(yīng)力。根據(jù)形成的原因應(yīng)力可分為內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力包括主動應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力兩種類型。主動應(yīng)力是與外力(注塑壓力、保壓壓力等)相平衡的內(nèi)力,故也稱為成型應(yīng)力。
成型應(yīng)力的大小取決于聚合物的大分子結(jié)構(gòu)、鏈段的剛性、熔體的流變學性質(zhì)及制件形狀的復(fù)雜程度和壁厚大小等許多因素。成型應(yīng)力值過大,很容易使制件發(fā)生應(yīng)力開裂和熔體破裂等成型缺陷。誘發(fā)應(yīng)力的形成原因很多,諸如塑料熔體或注塑件內(nèi)部溫差或收縮不均勻引起的內(nèi)力;制件脫模時因為模腔壓力和外界壓力的差值所引起的內(nèi)力;
塑料熔體因為流動取向引起的內(nèi)力等。顯然,誘發(fā)應(yīng)力一般都無法與外力平衡,并且很容易保留在冷卻后的制件內(nèi)部,成為殘余應(yīng)力,從而對制件質(zhì)量產(chǎn)生影響。外應(yīng)力主要指注塑件使用中因受到外力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)變力。對于塑料結(jié)構(gòu)件,使用中往往與金屬固定件連接,為達到緊固、牢靠,從而使制件受到較大的剪切、擠壓,制件內(nèi)部必然產(chǎn)生與外力相平衡的內(nèi)力。
應(yīng)力在注射過程中對制件質(zhì)量的影響從理論上講,當聚合物注射充模后,如能在保壓壓力作用下以極其緩慢的冷卻速率固化,則聚合物大分子在模腔內(nèi)就有充分的時間進行變形和重排,從而可使變形量逐漸與注塑壓力和保壓壓力的作用達到平衡,脫模后制件中無殘余應(yīng)力,尺寸和形狀穩(wěn)定。然而,在實際生產(chǎn)中,出于對生產(chǎn)率的要求,上述方法幾乎是不可能的。即使生產(chǎn)中采用緩冷措施,所得到的冷卻速率對于大分子的變形和重排來講,仍然非常劇烈。
故充模后的聚合物在保壓壓力作用下冷卻固化時,大分子只能簡單地按照模腔形狀堆積在一起,而沒有時間進行趨向于穩(wěn)定狀態(tài)的排列。所以,變形量與注塑壓力和保壓壓力的作用不相適應(yīng),脫模后制件內(nèi)仍將存在較大的殘余應(yīng)力。大分子還將隨時間的延長繼續(xù)進行變形和重排,以便和成型時的應(yīng)力作用結(jié)果相適應(yīng)(消除殘余應(yīng)力)。帶有較大殘余應(yīng)力的制件經(jīng)常會在不大的外力或溶劑作用下脆化開裂,即應(yīng)力開裂。
應(yīng)力開裂是注塑件常出現(xiàn)的質(zhì)量問題之一,尤其是在氣候溫差變化較大的北方地區(qū),應(yīng)力開裂現(xiàn)象更為突出。裂紋多出現(xiàn)在制件的澆口、棱邊、熔接痕等應(yīng)力較集中的部位。另外,由于應(yīng)力的作用,制件還常出現(xiàn)變形、翹曲、扭曲等缺陷。內(nèi)應(yīng)力從成型工藝上采取相應(yīng)的措施,一般都可以使之降低到較低的限度。外應(yīng)力往往容易被人們忽略,以致于把注塑件的開裂完全歸結(jié)于成型過程中產(chǎn)生的應(yīng)力,使質(zhì)量問題無法從根本上得到解決。
2、影響ABS注塑件應(yīng)力的因素分析
影響ABS注塑件應(yīng)力的因素主要有樹脂的質(zhì)量、成型條件、制件和模具設(shè)計的合理性、制件的使用環(huán)境和過程等。樹脂的質(zhì)量對制件的應(yīng)力影響很大。揮發(fā)物多,分子量分布寬,制件應(yīng)力就大。
成型條件的影響因素主要有材料中的水分、料筒溫度、注塑壓力、保壓時間、模具溫度等。ABS樹脂成型前必須干燥,干燥程度越高,對降低內(nèi)應(yīng)力越明顯。提高料筒溫度,可以降低熔體粘度,有利于解除分子取向,降低應(yīng)力,但過高的料筒溫度易使樹脂分解,反而增大了制件應(yīng)力,所以料筒溫度應(yīng)適宜。提高注塑壓力或延長保壓時間,會增加分子取向應(yīng)力,但有利于降低收縮應(yīng)力。模具溫度提高會降低應(yīng)力,但會使成型周期延長,增加了樹脂分解的可能。
制件和模具結(jié)構(gòu)主要包括制件厚度、轉(zhuǎn)角過渡、進料方式等。如澆口位置、冷卻管道的位置會對制件的成型質(zhì)量有較大影響。增加制件壁厚會降低分子取向應(yīng)力,但使收縮應(yīng)力增加。制件轉(zhuǎn)角處用圓弧過渡,可避免應(yīng)力集中。
制件的使用環(huán)境主要包括受力情況、是否接觸溶劑等。制件裝配中與金屬組合,應(yīng)控制裝配扭矩,過大的扭矩易使ABS注塑件在組合處產(chǎn)生較大應(yīng)力。易使ABS注塑件應(yīng)力開裂的溶劑或溶劑氣體環(huán)境應(yīng)避免接觸。
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