残留应力之成因与问题解析

■全链管理 / 蔡颖玫 博士

什么是射出成型残留应力

什么是残留应力？它的表象是什么？以看得见的部分可分为透明与不透明产品，不透明塑件的残留应力表现在产品表面，常见为浇口附近的应力痕，以及肉厚变化差异较大部位的光泽不均纹路。

若为透明产品则可以利用仪器观测产品内部的残留应力，应力偏光仪可以快速定性地观察到部件中残留应力严重的部位，依循应力光学定律(Stress-Optic law)，观测到的光弹条纹越密集，则材料内部储存的应力越大。

残留应力会造成塑件的双折射率现象，导致不同方向的折射率差异，会影响光学塑件的成像与聚焦能力，尤其是高要求的精密光学产品，很小的双折射率也会造成光学特性与功能的极大误差。

除了表面质量，残留应力也会以另一种形式显现，有的时候可能产品脱模时没有明显的变形现象，但过了一段时间后，成型过程加诸于塑料的应力随时间或高温环境下逐渐释放，因而造成翘曲变形、尺寸偏移、甚至破裂等问题。

对于需要进行喷涂、电镀等表面处理的塑件，其表面未必可以观察到残留应力的存在，但是在喷涂溶剂的作用下，会造成应力区部位加速裂化。

塑件在电镀程序*中，表面的残留应力会导致预处理步骤的粗化程度不足，降低镀层附着能力，当固定部位出现化学镀层沉积不全造成起皮现象，就是残留应力的关系。

*塑料电镀基本流程：清洁→预处理→导电涂层（化学镀层）→金属电镀→镀层处理

残留应力成因

我们知道残留应力对塑件质量的影响，有时候看得到有时候又看不到，颇为恼人。常说知己知彼，我们必须要知道残留应力的成因，才能有效避免，因此必须要知道塑料的本质，也就是塑料是由无数条高分子链组成，彼此纠结。塑料高分子类似一条很长的弹簧，在不受外力作用下，会蜷曲成一定大小的球形状态，也就是能量最低、最稳定的结构。

 

图1：射出成型过程中微观下塑料高分子链的形态变化

然而，在射出过程中，塑料高分子经历了非常大的物理变化、形态变化，从料斗进料时的固态原料、受到料管加热与螺杆剪切变成熔融态、在射出单元作用下高速高压将流体塑料通过喷嘴灌入模具中、持续保压至浇口封阻、模具中的冷却水路将熔胶热量带走、逐渐冷却至固态、塑件顶出时仍高于室温、脱模后持续冷却至室温状态。因为脱模后塑料仍有收缩行为，有些产品会在脱模后以治具固定一段时间，以避免塑件自由收缩造成尺寸超差。

巨观上，塑料高分子历经固态到液态再回到固态，但是微观上，高分子链已经经过不同程度的拉伸和压缩，尤其又在短时间内快速降温，可想而知分子链并没有足够的时间回到最稳定的状态，分子链从高能量形态回到低能量形态称之为松弛。并且分子链间彼此纠缠，邻近的分子链可能因为流场作用或冷却效应造成被拉伸/压缩程度不一，两条分子链都想回到稳定态，但是回到稳定态的差距却不一样，因而形成残留应力累积在塑件中。

 

依据不同成因，可分为：

• 流动导致残留应力：高剪切流场对分子链造成高度排向，能量储存在被拉伸的分子链上，形成拉伸应力，因此在充填方向有较高的残留应力，也是应力的主要来源。
• 热导致残留应力：塑料因冷却程度不一，高分子链松弛能力不同，造成分子链间的距离不均匀，就变成残留应力形式储存在分子链间。因为冷却收缩是各方向都会发生的，所以热残留应力并无特别方向性，唯有在模温差异大之处会特别明显。

 

图2：流动导致与热导致残留应力

因为塑件中保有残留应力，只要一有机会（温度提高或熔剂作用）分子链便开始运动，依位置不同造成不同的巨观结果：

• 靠近塑件表面的分子链收缩而产生应力痕；
• 塑件内部的分子链收缩程度不一造成尺寸变形。

残留应力越大，分子链潜在运动能力越强，当有机会释放应力时，过大的残留应力会造成塑件开裂问题。

降低残留应力须考虑的面向

由前面内容我们知道若要降低残留应力，要尽量避免造成高分子链伸缩程度差异，可分为三个面向：

产品设计

模具设计

成型条件

......

（具体后续内容可进入东莞开模&ACMT_技术平台查阅）

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