Внутрішня напруга в пластмасі стосується внутрішньої напруги, яка виникає під час обробки розплавленого пластику через такі фактори, як орієнтація макромолекулярних ланцюгів і стиснення при охолодженні.
Суть внутрішньої напруги полягає в незбалансованій конформації, утвореній макромолекулярними ланцюгами під час обробки розплавом. Ця незбалансована конформація не може негайно повернутися до конформації рівноваги, адаптованої до умов навколишнього середовища після охолодження та затвердіння. Ця незбалансована конформація є по суті оборотною, високоеластичною деформацією. Ця заморожена пружна деформація зазвичай зберігається в пластиковому виробі як потенційна енергія. За відповідних умов ця вимушена, нестабільна конформація перетвориться на вільну, стабільну конформацію, а потенційна енергія буде вивільнена як кінетична енергія.
Коли сили та сили зчеплення між макромолекулярними ланцюгами не можуть протистояти цій кінетичній енергії, внутрішній баланс напруги порушується, і пластиковий виріб буде демонструвати розтріскування під напругою та деформацію деформації.
I. Причини внутрішньої напруги в пластмасах
1. Орієнтація внутрішньої напруги
Орієнтаційна внутрішня напруга – це внутрішня напруга, яка виникає, коли орієнтація макромолекулярних ланцюгів уздовж напрямку потоку заморожена під час процесів течії, заповнення та-утримання тиску розплавленого пластику.
Детальний процес генерації орієнтаційного напруження виглядає наступним чином: розплав біля стінки бігуна швидко охолоджується, спричиняючи збільшення в’язкості зовнішнього шару розплаву. Це призводить до набагато вищої швидкості потоку в внутрішньому шарі порожнини прес-форми порівняно з поверхневим шаром, що призводить до напруги зсуву між внутрішніми шарами та призводить до орієнтації вздовж напрямку потоку.
Розморожування орієнтованих макромолекулярних ланцюгів у пластикових виробах означає наявність нерозслабленої, оборотної, високоеластичної деформації. Отже, орієнтаційна напруга – це внутрішня сила, що змушує макромолекулярні ланцюги переходити від орієнтованої конформації до не-орієнтованої конформації. Термічна обробка може зменшити або усунути напругу орієнтації в пластикових виробах.
Розподіл орієнтаційної напруги в пластмасових виробах зменшується від поверхні до внутрішніх шарів, демонструючи параболічну зміну.
2. Стрес охолодження
Напруга при охолодженні — це внутрішня напруга, що виникає в пластикових виробах під час обробки розплавом через нерівномірну усадку під час охолодження та схоплювання. Особливо для товстостінних-пластикових виробів зовнішній шар охолоджується та твердне спочатку, стискаючись, у той час як внутрішній шар може залишатися гарячим розплавом. Цей внутрішній шар обмежує усадку поверхневого шару, в результаті чого внутрішній шар відчуває напругу стиску, а поверхневий шар – напругу розтягування.
Розподіл внутрішньої напруги охолодження в пластикових виробах збільшується від поверхні до внутрішнього шару, демонструючи параболічну зміну.
Крім того, пластикові вироби з металевими вставками схильні до нерівномірної внутрішньої напруги при усадці через значну різницю в коефіцієнтах теплового розширення між металом і пластиком.
Окрім двох основних типів внутрішньої напруги, згаданих вище, існує кілька інших типів: Для кристалічних пластикових виробів відмінності в кристалічній структурі та кристалічності різних частин виробу також створюють внутрішню напругу. Існують також структурні напруги та напруги виймання з форми, але їх частка, як правило, невелика.
II. Фактори, що впливають на генерацію внутрішньої напруги в пластмасах
1. Жорсткість молекулярного ланцюга
Чим більше жорсткість молекулярного ланцюга, тим вище в'язкість розплаву і тим гірше рухливість молекулярного ланцюга полімеру. Таким чином, відновлення після оборотної пружної деформації є поганим, що легко призводить до залишкової внутрішньої напруги. Наприклад, деякі полімери, що містять у своїх молекулярних ланцюгах бензольні кільця, такі як PC, PPO та PPS, мають відповідні продукти з більшою внутрішньою напругою.
2. Полярність молекулярного ланцюга
Чим більша полярність молекулярного ланцюга, тим сильніше міжмолекулярне притягання, що ускладнює міжмолекулярний рух і зменшує ступінь відновлення після оборотної пружної деформації, що призводить до більш високого залишкового внутрішнього напруження. Наприклад, деякі пластмаси, що містять у своїх молекулярних ланцюгах полярні групи, такі як карбонільні, складноефірні та нітрильні групи, мають відповідні продукти з вищою внутрішньою напругою.
3. Ефект стеричної перешкоди груп замісників
Чим більший об'єм груп-замісників на бічних групах макромолекули, тим більше він перешкоджає вільному руху ланцюга макромолекули, що призводить до збільшення залишкової внутрішньої напруги. Наприклад, фенільна група в полістиролі має більший об’єм, що призводить до більшої внутрішньої напруги в полістирольних виробах.
III. Три методи випробування внутрішньої напруги в деталях, виготовлених під тиском
1. Сольвентний метод
▶ Занурення в оцтову кислоту
Використовувана оцтова кислота (CH3COOH) повинна бути 95% або вище, а кількість повторних тестів не повинна перевищувати 10.
① Поверхневий стрес-тест: налийте оцтову кислоту (льодяну оцтову кислоту) у скляну ємність і повністю занурте виріб в оцтову кислоту на 30 секунд. Через 30 секунд вийміть зразок затискачами та негайно промийте його чистою водою (допускається водопровідна). Спостерігайте за побілкою та тріщинами на поверхні зразка.
Судження: тріщин бути не повинно. Допускається легке побілювання поверхні.
② Випробування на внутрішні навантаження: після висихання зразка, який пройшов випробування на навантаження на поверхню, повністю занурте його в оцтову кислоту на 2 хвилини. Через 2 хвилини вийміть зразок і негайно промийте його чистою водою (допускається водопровідна). Перевірте зразок на побілку та тріщини.
Судження: поломки бути не повинно. Допустимі невеликі тріщини на вставці і побілка поверхні.
▶Метилетилкетон (МЕК) + метод занурення в ацетон
Повністю занурте всю машину в суміш MEK і ацетону 1:1 при 21 градусі. Вийміть і негайно висушіть. Перевірте, як описано вище.
Принцип: ґрунтуючись на явищі розтріскування середніх напруг, молекули розчинника проникають між макромолекулами смоли, зменшуючи міжмолекулярні сили. Області з високою внутрішньою напругою вже мають ослаблені міжмолекулярні сили до занурення; ці ослаблені сили ще більше зменшуються після занурення, що призводить до розтріскування. Ділянки з низьким внутрішнім напруженням не тріскаються за короткий час.
Таким чином, величина і розташування внутрішньої напруги в деталі, що підлягає покриттю, можуть бути визначені часом і ступенем розтріскування на поверхні. Це визначає, чи потрібно гальванізувати пластикову частину.
2. Інструментальний метод
Освітіть пластикову частину поляризованим світлом. Проаналізуйте силу внутрішньої напруги, спостерігаючи за кількістю кольорових світлих смуг. Цей спосіб застосовний тільки до прозорих частин. Метод поляризованого світла вимагає дорогого обладнання, складний в експлуатації і має низьку точність, оскільки зміни в частині до і після обробки незначні. Світлі смуги, що з’являються на спектрі, не обов’язково спричинені внутрішньою напругою; наприклад, брижі на поверхні також можуть вплинути на результати тесту.
Цей метод не впливає на функціонування деталі, що робить його не-руйнівним. Деталі, які пройшли випробування, можна продовжувати гальванізувати та використовувати.
3. Метод раптової зміни температури
Цей метод передбачає багаторазове нагрівання та охолодження пластикової частини та оцінку величини внутрішнього напруження на основі часу, необхідного для появи тріщин. Він підходить для різних пластикових формованих деталей. Метод раптової зміни температури вимагає простого обладнання, але час тестування є відносно довгим.
Пластикова частина після перевірки пошкоджена і не може бути використана знову.
IV. Усунення внутрішнього стресу
Подібно до металів, у пластикових виробах також можна усунути деяку напругу завдяки процесу-відпалу після формування, як і метали. Однак це лише проміжний захід, коли процеси проектування та виробництва не відповідають вимогам, і його не рекомендують як звичайний метод.
Цей метод має кілька обмежень:
1. Він не може ефективно усунути дефекти наповнювачів зі скловолокна;
2. Випробування показують, що під час нагрівання після-формування міцність і хімічна стійкість матеріалу знижуються, що вимагає контрольованого часу відпалу, щоб запобігти виходу з ладу;
3. Тривалий нагрів і відпал істотно здорожує кінцевий продукт;
4. Стабільний нагрів і охолодження під час відпалу мають вирішальне значення, щоб уникнути теплового шоку, спричиненого швидкими змінами температури.
