干货分享|透明塑胶光学产品的残留应力定性分析

ACMT协会 2023年8月18日浏览：1068 收藏：2

透明塑胶光学产品的残留应力定性分析

■型创科技 / 刘文斌技术总监

前言

当塑胶成品在应用上发生破裂或破坏时，就材料力学的观点而言，即表示该塑胶件在破坏区域上，其所承受之应力数值总合超过了材料本身的物性强度数值。因此要解决成品在使用上的破坏或破裂问题，就必须要从增加材料物性强度或减少成品应力值来着手。塑胶制品承受的应力作用通常可依应力来源区分为「外部应力」及「内部应力」两种，「外部应力」是成品在使用时所遭受之外力作用，此部分将视产品应用场合而定（例如塑件使用上遭受碰撞、荷重、嵌合等），通常是无法控制其程度，一般产品设计者会依照常态之外部应力值，乘上一安全系数值来设计产品的结构强度。而内部应力通常是成品在加工成型过程中所产生而留存在塑件成品内部（称为塑件的残留应力或成型应力）。所以要有效解决塑胶成品的破坏问题，唯有降低应力作用或提高材料强度两种方法。

然而对于塑胶成型加工业者而言，如何使用较适当之加工条件，来防止材料强度降低及避免在加工时产生过大残留内部应力则是现场加工人员最重要的议题。残留应力就是指在塑胶成型过程中，因加工条件造成分子结构不是处在其最低能量的最稳定状态下，分子链可能是受到流动定向影响或是受到周围分子链之冷却拘束，而呈现不稳定之高能态状况。所以一旦有外界能量再度给予此受应力作用的分子链具备有足够的动能，则此分子将极易释放出应力而达到其最稳定的最低能阶组态。塑胶成品中的残留应力通常难以透过肉眼进行观察，往往是在进行成品后加工制程时发生了问题或是在使用时产生了破坏，才会被发现，所以塑胶加工成型业者如何在成型阶段或是在加工生产在线，藉由成品之观测来迅速获得残留应力的分布信息，是目前加工上相当重要的技术。

在一般塑胶射出成型加工过程中，由成品厚度方向来观察，可以发现成品可依分子链之微观结构差异，来区分不同之区域，如图 1 所示。干货分享|透明塑胶光学产品的残留应力定性分析的图2

图1：射出成品厚度方向微观的分子链结构分布

其中 A 层是固化层，B 层是流动高剪切层，C 层是高温熔胶流动层；A 层为塑料充填时紧贴两侧模壁，瞬间冷却固化的高分子链定向层，此部分会因为射出成型之喷泉流场效应(Fountain Flow)，而使分子链排向方向与流动方向相反，而 B 层是塑料充填时紧靠 A 层固化层的高剪切区域所形成的分子链定向层，由于与 A 层具有最大之速度差，所以会形成最大的剪切流动应力效果，塑料充填结束时本区定向层尚未完全凝固，而外层之 A 层固化定向层有绝热效果，使 B 层热散失不至过快，另外由于高剪切作用会产生剪切加热作用，所以本区也是在产品厚度方向上温度有可能是最高的区域。而 C 层因熔胶高温及有足够时间来进行冷却，分子链有足够时间进行分子链排向的松弛作用，所以最终高分子链的定向行为会因为分子链松弛而消除，是故 C 层区域的高分子链彼此之间较无剪切作用现象，若产品厚度有变化，则主要会影响 C 层厚度，若是薄件成品则 C层的厚度将会变小。图 2 是沿厚度方向分子定向效果分布情况的示意图。干货分享|透明塑胶光学产品的残留应力定性分析的图3

图2：射出成品厚度方向分子排向（定向）程度

除了在成品厚度方向上下表面有一薄层固化层外，大部分区域是属于熔胶流动层，而这区域主要的内部应力形成是由于不均匀的冷却造成，塑胶件厚度方向的冷却作用是由与模壁接触之成品表面开始向成品内部延伸，所以中心层是最慢冷却的区域。所以当塑料成品成型后，开始进行冷却阶段时，在某一特定位置上之分子链会受到其较外部端已冷却收缩之分子链牵引，所以会感受到先前已冷却收缩之分子链的拉伸应力。所以严格来看，在成品厚度方向靠近上下表面的区域，分子链是处在压缩应力状况，而内部区域是处于拉伸应力状况。图 3 是射出成品厚度方向应力分布情况示意图。

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图3：射出成品厚度方向应力分布状况

残留应力的影响

塑料成型过程所产生的残留应力，除了会影响成品在使用上的强度外，尤其在某些二次后加工制程上（例如喷涂、电镀等）都会容易造成产品不良现象发生。残留应力对塑料成品的影响常见的有下列几种：首先是成品的外观尺寸变形及翘曲问题，由于剪切流动造成分子链的排向或是由于成品几何造成流动的定向效果，在成品脱模时容易因应力松弛而造成尺寸发生变形，另外由于成品尺寸的不对称性或在成品厚度方向冷却收缩的不平衡性，所形成的热应力都将造成成品在脱模后发生翘曲变形现象。此现象对于尺寸精密度有要求或有组装搭接嵌扣性需求之塑胶射出成品，将会有尺寸配合度的问题发生。再则塑料件在使用上比例最高的破坏型式，当属环境应力破坏 (Environment Stress Cracking,ESC) ──例如太阳 UV 光照射破坏、老化破坏、气候性干湿冷热循环破坏等等，对此塑料残留应力也会造成环境应力破坏的加速。其他像塑胶件的蠕变性破坏、疲劳性破坏等，都会因为残留应力存在而加速加快其破坏产生。

另外，塑胶件在成型过程中所产生的残留应力，容易因为获得外界能量或驱动力（例如受热、照光、吸湿等）来诱发应力松弛效果，所以在塑料成型业中最常用来消除塑料内部残留应力之方法，即是退火（或回火、annealing），将塑胶成品放入烘箱中或给予所需热量，使定向分子链获得能量而能再次重新调整分子链组态或相互重排以达到最低能量之稳定结构，而应力松弛的驱动力除了热能外，如机械能、光能、化学能（溶剂作用）都可以达到同样效果，然而在应力松弛的同时，也要考虑成品尺寸变形之严重性。一般残留内部应力常常会导致成品在使用上或二次加工上发生问题，例如表面接着、表面电镀或表面涂装等工法，都会因为成品表面高度分子定向的高应力情况，而产生接口的不兼容性。另外如接触到溶剂、化学品等也会造成在应力区域的加速劣化。

应力偏光检测之理论基础

光的产生是藉由电荷振动所释放之辐射波，光束同时具有粒子及波动之特性，所以光波可在真空中传递，是属于电磁波之一种。然而由于光可以向四面八方照射，所以若以自然光来做一些如干射、绕射等分光光谱观测时，将会因为各方向光波的互相干扰而无法辨识。因此为方便于光谱观测及便于以简单数学方程式来表示，所以一般常用单方向之光波来作为观测光源，而所谓单方向光源则是利用将白光光源，通过一单方向之光学偏光片，使其通过之光波都固定在一特定方向上。我们可以简单拿两片光学偏光片依前后放置在一白光光源前，当白光通过第一片偏光片时已成一单方向光波，若旋转第二片偏光片观察时，将会发现当两片偏光片成平行时，可见到白光通过；但若两片成垂直时，则呈黑暗无光线通过。

在有残留应力存在的塑胶材料中，在特定平面上可将应力分成两个主轴应力，此不均匀之应力将使材料产生两个不同的折射率。因此光要通过此材料时，沿二个主轴应力方向振动的光波彼此有不同的速率，穿出材料时，则会有相对速度差产生。而此相位差将正比于平面上的两个主轴应力之差值。所谓应力光学定律是指当一透明塑胶材料受应力时，其折射率会随着所受应力变化而改变，当物体的应力状态和光交互作用，则可藉由光弹条纹来推知物体的应力状态。光弹性量测应力的方法其主要优点在于可了解外力作用瞬间或成型定型后，测试品整体的应力场分布，可实际用于产品 QC 检测上。干货分享|透明塑胶光学产品的残留应力定性分析的图5

图4：应力偏光装置量测应力原理

透明塑胶材料遭受应力时将产生双折射现象，当光线穿透具双折射率的材料时，光在材料内进行的速度也会不同。当偏极光进入有应力作用之双折射材料时，光线会分为较快速及较慢速两光束，其速度差相对距离则称为相位差或光程差或迟延 (retardation,R)。在单色光的光弹条纹中（明暗条纹），粗线的地方代表该点之主应力方向与ｘ轴（或ｙ轴）平行。因此两道光之相位差为整数波长，因而造成光场之明暗条纹，光场之条纹可以肉眼观察，条纹越密集的地方，表示应力愈大，亦即是应力集中的地方，也是材料较容易发生破坏时最先开始之处，图 4 是应力偏光仪量测观察应力之原理，而图 5 是应力偏光观测装置。

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图5：应力偏光观测装置

应力偏光仪观测透明塑胶件的残留应力

对于光电产业常使用的透明性塑胶材料而言，目前最简易可用来观察材料内部残留应力之方法，就是使用穿透式应力偏光仪，来观测光线通过透明塑胶件后，所呈现之明暗干涉条纹（使用单波长光源）或七彩条纹（使用白光光源），如图 6 所示。干货分享|透明塑胶光学产品的残留应力定性分析的图7

图6：应力偏光观测可有效观察高应力区域

此方法是一种非破坏性的定性观测方法，主要是利用塑料受应力作用下之光弹特性，来观测材料的双折射率变化情形。此由 Brewster 的光弹性定律理论中可知，对于受应力作用而产生应变之高分子材料，其在空间中对光线的折射率将会有方向性的不同，换言之，也就是说塑胶材料在不同方向所受之应力分量不同，其在这些方向所表现之折射率也会不同，而其折射率之差异会与所受之应力程度成正比。当射出模温接近或超过塑料之 Tg 温度时，可有效消除双折射现象，此即是由于流动所诱发之分子定向现象，可藉由使用较高模温使分子有足够动能及足够时间来松弛分子应力。藉由将透明试片置于两片正交之偏光板间，可观察到较无散射之彩色光环，有较多区域呈现黑暗颜色，代表分子结构较无残留应力存在。

塑料是由长度很长之高分子链所组成，所以就微观角度而言，在分子链平行与垂直方向所表现之物性并不一致，此就是高分子链的异方向特性 (anisotropic)，然而就整体高分子材料而言，因分子链间相互纠结成一团状结构，所以单一分子链之异方向特性将不易被察觉；然而若因塑胶材料在加工时所形成之应力，将造成分子链之高度定向作用，则塑胶材料之异方向性将会显现，利用材料内部应力产生之双折射率，可用来观察入射光因前进速度之差异所产生之相位差干涉条纹，藉此来反推内部应力之分布情形。

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