成型条件对残留应力的影响──温度及压力篇

■全链管理 / 蔡颖玫 博士

温度及压力对残留应力的影响

在讨论完流动对残留应力的影响后，接着我们分别来看温度与压力对残留应的效应。首先是塑料温度，在射出成型系统中有三种机制可以对塑料加温：

• 射出机料管加热器；
• 射出螺杆旋转摩擦剪切热；
• 塑料充填流动时的剪切热。

温度提升可以增加高分子链的运动能力，也就是增加松弛行为，因此高料温残留应力会较低。料温对三个区域的影响如下：

高料温

• 定向固化层A区厚度减少；
• 定向高剪切层B区的高分子定向程度降低；
• 非定向核心层C区厚度增加。

低料温

• 定向固化层A区厚度增加；
• 定向高剪切层B区的高分子定向程度增加；
• 非定向核心层C区厚度减少。

而压力对残留应力的影响会以保压作用为主，由于持续对模穴补充更多塑料，压力压缩使得高分子彼此更靠近，分子链之间的空间更小，所以会造成：

• 浇口与浇口附近产生另一次高分子链定向行为；
• 浇口附近的高分子定向情形，容易造成该区沿流动方向龟裂(crack)；
• 若保压速率慢，且浇口小，则定向的高分子链被固化的程度会增加。

若高分子链之间没有应力状态存在（彼此的距离没有过近或过远），则它们彼此之间就保持着最适当的距离（能量最低的状态）。否则会有两种应力现象：

• 内部拉伸应力(internal tensile stress)：高分子链之间的距离比最适当距离远时，塑件内部产生拉伸应力。
• 内部压缩应力(internal compressive stress)：高分子链之间的距离比最适当距离近时，塑件内部产生压缩应力。

 

图1：塑件冷却结束后的高分子间距与应力状态

当保压结束时，冷却效应对残留应力的影响就开始显著，因为塑件中不同厚度层部位的高分子在不同的温度、压力条件下，会依循不同的P-V-T路径冷却固化。所以整体塑件会进行不均匀的冷却作用，而不同厚度层的塑料也会因为不同的收缩量造成残留应力。

图2：塑料温度对高分子链排向的影响

塑件内部的压缩或拉伸应力，系指高分子间因保压效应与后续冷却固化所产生之应力，与压力、温度和冷却速率有关，因此需综合考虑温度与压力对分子链间距的影响，若在无应力状态下，塑件内高分子间最适当的距离为1.00，以此为例来说明：

• 当塑料在料管内被加热到250℃时，高分子间距由00膨胀为1.03；
• 保压时高分子间的空间会被压缩，假设保压阶段结束，冷却阶段刚开始时，模穴内压力分布状态为浇口处500 kgf/cm2，而流动末端为300 kgf/cm2，此时高分子间平均距离为01。

冷却过程中，塑件表层与内部的高分子间距变化：

• 表层塑料因接近模壁而最先冷却，造成该区域高分子因被冷却而彼此靠近，间距由01缩小为0.99；
• 而模穴内部压力开始降低，造成尚未固化中心层区域的高分子间距扩大，由01增加为1.02；
• 塑料由表层向内继续形成固化层时，该新生固化层区域的高分子也会因冷却而彼此靠近，间距由02缩小为1.00；
• 模穴内部压力持续降低，造成尚未固化中心层区域的高分子间距持续扩大，由02增加为1.03。

冷却持续进行，塑料也由外向内持续固化：

• 固化层持续向模穴内部生成，新生成固化层区域内的高分子也因冷却而彼此靠近，间距由03缩小为1.01；
• 当冷却持续进行时，模穴内部压力继续降低，尚未固化中心层区域的高分子间距持续扩大，间距由03增加为1.04；
• 当整个塑件完全冷却固化时，原中心区域的高分子也会因冷却而彼此靠近，间距由04缩小为1.02。

因为塑件的冷却固化是由外向内，层层热传导致高分子链运动行为与所在的厚度部位有关，造成分子链间距与厚度呈现不均匀的分布，靠近塑件表面部位表现出压缩应力、越往内部拉伸应力越大。也为拉伸应力区范围远大于压缩应力区，所以塑件在冷却固化后，于各方向上尺寸均有收缩的倾向。

若更细部地考虑不同流动长度部位的残留应力：

• 压缩应力区：靠近浇口处 > 远离浇口处
• 拉伸应力区：远离浇口处 > 靠近浇口处

因此塑件充填末端的部位收缩较多，成型后的尺寸会小于靠近浇口处的尺寸。

冷却过程不仅导致塑件内部的应力分布，冷却快慢也会影响高分子链排向、残留应力，以及塑件的收缩程度（如表1）。

 表1：模温高低对分子链排向、残留应力及收缩程度的影响

若模具两侧冷却速率不均，就会造成塑件厚度不对称的应力分布、并导致单侧收缩较大而翘曲：

• 冷却速率慢的模侧（高模温），其压缩应力较小；
• 最大拉伸应力区向冷却速率慢的模侧移动；
• 冷却速率慢的一侧塑件收缩较大；
• 塑件往冷却速率慢的一侧弯曲。

 

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