聚碳酸酯(PC)部件的應力開裂問題及解決方法

2020.07.17

聚碳酸酯( 簡稱PC) 是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物,是一種綜合性能優良的無定型熱塑性工程塑料,其具有無臭、無毒、高度透明的無色或微黃色特性,另外還具有優良的物理機械性能,尤其是耐沖擊性優異,彎曲強度、拉伸強度、壓縮強度高;蠕變性小,尺寸穩定,在-60-120 ℃環境下具有穩定的力學性能,可長期使用,具有良好的耐熱性和耐低溫性;尺寸穩定性、電性能和阻燃性能優異。

基于PC 材料具有以上優良的物理化學性能,使電器附件行業中的家用開關、插座產品在先后經歷了酚醛塑料(電木粉)、ABS 熱塑性塑料后,各生產廠家最后基本上均采用了PC 塑料作為產品表面的非金屬材料,PC除能滿足電工行業開關、插座產品的所有安全標準要求外,還具有產品成型速度快,外觀光潔漂亮的特性。

但其致命的弱點——制件的殘留內應力較大,在使用過程中如使用不當就會存在應力開裂問題,最終影響產品的使用性能。產品開裂,輕者影響外觀,重者影響產品的使用性能,甚至會出現用戶在使用過程中發生觸電,造成人身安全事故,給用戶和企業造成重大損失,因此PC產品應力開裂問題是生產廠家需要面對和解決的痛點。

下面,就PC 材料在電器附件行業產品的生產使用中所出現的開裂問題和解決方案,給大家一一進行剖析。


PC產品應力開裂現象

應力開裂是指塑料制品在暴露于化學介質中及應力同時作用下,發生提前開裂而破壞的一種復雜失效行為,與環境作用、材料特性、成型方式等多種因素有關。關于PC 材料的應力開裂,日本富川昌美、左藤行彥等人的研究表明,聚碳酸酯大分子的局部取向引起制件產生微裂,這種微裂在未產生割裂形成空隙時,通過熱處理可以消除;在環境和外力的影響作用下,微裂不斷生長、發展,從而產生了裂縫,這種裂縫已形成空隙,成為不可恢復的斷裂破壞。

通常認為:在成型聚碳酸酯時,分子鏈被迫取向,且取向由于聚碳酸酯分子鏈上具有苯環而比較困難,并在成型后,被取向的鏈趨于恢復自然狀態,但是由于整個分子鏈已經被凍結和大分子鏈之間的相互左右,從而造成制品存在殘留應力;同時聚碳酸酯內部還存在大分子鏈間的作用力和相互纏結力即抗開裂力,這個力的大小取決分子鏈的長短,鏈間的纏結數目,分子鏈之間的作用力。

當抗開裂能力和內應力平衡時,產品不會出現開裂現象,而當抗開裂能力小于內應力時,就會出現產品成型時合格,而存放一段時間后開裂的現象。簡要概括為:分子鏈上苯環——成型取向——制品成型后出現內應力——當內應力和抗開裂能力平衡——合格制品——當內應力大于抗開裂能力——產品開裂。


PC材料內應力的快速檢測方法

CCl4浸泡法

具體方法為:把待檢測的產品完全浸泡在常溫(20-25℃)CCl4(四氯化碳)溶液中,時間為1 min,然后把產品取出在清水中沖洗干凈,檢查產品是否有裂紋或斷裂部分,無裂紋則為合格。有專家在聚碳酸酯應力開裂的研究中,即以國產超高粘PC 及日本C-1400 兩種材料的標準試條,采用CCl4溶液浸泡,通過嚴格控制CCl4溫度10/15/20/25/30/35/40(℃)進行應力開裂的試驗,并指出溫度越高,開裂時間越短。

乙酸乙酯和正丙醇混合溶液浸泡法

具體方法為:把待檢測的產品完全浸泡在常溫(20-25℃)乙酸乙酯和正丙醇混合(按3:1)溶液中,時間為1min,然后把產品取出在清水中沖洗干凈,檢查產品是否有裂紋/斷裂部分,無裂紋則為合格。

冰乙酸浸泡法

具體方法為:把待檢測的產品完全浸泡在常溫(20-25℃)冰乙酸溶液中,時間為3 min,然后把產品取出在清水中沖洗干凈,檢查產品是否有裂紋/斷裂部分,如有出現,即此位置是應力集中地方,裂紋越嚴重,內應力越大,需要進行改善。CCl4 易揮發,具有一定的毒性;乙酸乙酯和正丙醇溶液易燃,因此前兩種方法現在基本上不再使用,現在普遍使用第三種方法對PC 材料產品檢測其應力開裂問題。


開裂問題的解決方法

PC材料產品的開裂問題的解決,是個復雜且綜合的問題,根據實際工作經驗,得出需要從以下幾個方面對產品質量進行控制和改進,才能有效防止產品開裂問題的批量發生。

原材料控制

PC 材料的一個重要指標為分子量的高低,其檢測指標為熔體流動速率(MFR)。高分子量的聚碳酸酯分子鏈長度更長,鏈間纏結數目更多,分子間的作用力更大故抗開裂能力更強。較高的分子量其熔體流動速率較低,流動性能較差,但成型制件的強度更高。熔體流動速率的高低不僅代表了材料的力學性能,同時直接影響材料的價格和塑膠件成型的效率。

回收料的控制

在產品注塑生產過程中,生產廠家都會在原材料中適當加入生產過程中產生的廢料和水口,需要注意的是加入的回收料必須要處理干凈,不得有油污混入。結合注塑廠多年現場生產實例表明(表一),回收料的總比例應控制在20 % 以下。

產品設計及裝配工藝改善

為消除塑膠件成品應力開裂現象,工程技術人員在設計產品之初,要考慮注塑零部件裝配成成品的狀態,防止裝配后零部件相互配合尺寸出現過贏狀態,從而使某一注塑零部件長期處于受力變形的風險;如果此問題無法徹底避免,則需要對長期受力零件的部位結構進行加強(如過渡部分進行加筋或倒角等)。對于成品塑膠件的驗證,一般會采用冷熱沖擊法進行試驗,具體方法為:隨機抽取20 個以上的成品,放入冷熱沖擊箱里,低溫段為-40℃,高溫段為+80 ℃,各溫度段時間為4 h,沖擊50 個周期,如沒有發現產品開裂即為正常。

注塑模具的設計改善

(1)優化澆口位置及數量

模具設計時,澆口位置及數量的設計應保證熔體均勻快速地充滿型腔;盡量使熔接線和熔接痕出現在不敏感區域,從而減少注塑件開裂的風險。

(2)避免塑膠件直角連接,增加倒角,圓弧過渡

所有PC 材料的塑膠模具,其產品型腔內部要避免出現銳角和直角部位,若連接的部分是銳角和直角,應在角尖的部分進行倒角,使其圓滑過渡,避免在連接部位產生應力集中問題,防止日久后塑膠件在此部位發生開裂現象。

此外,適當加大流道,取消非必要的橫向加強筋,增加縱向加強筋,增大脫模斜度,頂出裝置設計成大面積頂出,少使用金屬內嵌件(無法避免時,在成型前需將嵌件預熱至200 ℃,以降低開裂風險)等手段,均對解決應力開裂問題有明顯效果。

注塑過程的工藝控制

原材料干燥、注射速率、注射溫度、注塑壓力、成型周期、模具溫度等等工藝因素均影響PC 注射成型制品質量,已有相關文獻所闡述,如原材料充分干燥,減少微量水分對熱熔體催化裂解的可能;注射速度不宜快,否則易出現熔體破裂現象;后續熱處理消減內應力等。

其中聚碳酸酯應力開裂的研究中通過對料溫、模溫、壓力及保壓時間做正交試驗分析得到,模具溫度是影響PC 制件應力開裂的主要因素,模溫增高則應力開裂時間延長,但過高會降低缺口沖擊強度;料溫對較薄壁厚(4~5mm)有顯著影響,保壓時間對較厚壁厚(10 mm)有顯著影響,而注射壓力無明顯影響。

對于電器附件行業生產廠家而言,模具通常保持在80~120 ℃(適當高一些100 ℃左右),且為保持模溫的恒定,建議加模溫機;料溫適當低一些,機筒溫度一般控制在250 ℃左右,逐段降低機筒溫度,特別是前兩段的溫度;并縮短保壓時間,注射壓力適中。

此外,PC材料注塑過程中,要避免大噸位的注塑機生產小克數的產品,以成品重量約為注塑機容量的40 %~60 % 為最佳,防止粒子在注塑機料筒里長時間加熱而引起原材料的分解。


結論

目前,PC 材料應用前景十分廣闊,尤其在電器附件行業應用日益擴大,但由于聚碳酸酯材料的結構特征及注塑工藝條件的限制,不可能完全避免內應力;而應力釋放過程緩慢,其周期短則兩三天,長達一年以上,最后導致產品開裂,給生產廠家帶來大量損失;故在生產過程中,廠家要盡量減小內應力或避免應力集中而造成產品開裂,從原料——回收料——產品結構設計及裝配——模具設計——注塑工藝各環節嚴格控制、層層把控以減少應力開裂問題。筆者總結的聚碳酸酯在電器附件行業應用中的應力開裂問題和解決方案對生產有一定的指導作用。

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參考自:科學大注塑


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