常见塑料制品开裂的原因浅析及检测方法简述

常见塑料制品开裂的原因浅析及检测方法简述引言工程塑料因为其优异的特性——高强度、耐热、耐冲击、抗老化等而被广泛应用于工业零件及各种外壳制造上。但在制造或使用过程中，塑料制品很有可能被钉螺丝或涂胶水，这样的处理常常会诱发塑料制品的应力开裂，致使次品率很高。而开裂是塑料制品经常出现的致命缺陷，包括制作表面丝状裂纹、微裂、顶白、开裂及因制件粘模、流道粘模而造成的创伤。引起开裂的原因涉及模具、成型工艺、塑料材料、环境应力等方面。开裂原因浅析及改进建议不同的开裂原因会导致不同的开裂类型，如果按照开裂的时间分类，塑料制品开裂现象通常有两种情况：（一）脱模开裂，塑料制品从模具脱出或在机器加工过程中出现开裂，这种开裂原因和后果比较容易预估；（二）应用开裂，塑料制品在放置一段时间后或使用过程中出现开裂，这种开裂往往难以预测，且产生的后果可能是毁灭性的。以下主要从塑料材料的选择和环境应力的角度出发，结合以上两种开裂类型简单阐述开裂原因及改进建议。1.材料类型所致开裂的原因分析及改进建议下面通过两个案例，从选材背景及加工后出现的问题来分析材料选择对产品开裂可能造成的影响。1.1圆孔性连接器（代表成型中空制品）一直以来，客户在生产成型小型圆孔时，选择的都是聚苯硫醚PPSGF30/GF40这种材料，器件没有出现任何开裂现象。在开发大圆孔径系列连接器时，客户再次选用全球多家知名厂家的PPSGF30/GF40材料。加工的结果是制品开裂非常严重，有些属于脱模开裂，有些属于应用开裂，而且不同厂家同类型含量的PPS均存在制品开裂问题。客户和材料厂商起初怀疑是塑料冲击强度不够，但同时发现冲击强度比PPSGF30/GF40低的PA6和PC材料却反而不开裂。在选用一些知名厂家提供的高抗冲击性PPSGF40材料后，开裂问题依然存在（图1）。根据客户提供的信息，我们分析，很可能是由于成型塑料圆孔的模具型芯采用的是硬质合金材料。金属材料导热和散热能力较强，而一般塑料材料散热能力较弱，金属材料和塑料挤出时不可避免会产生收缩相差较大的情况，塑料产品不同部位温度也有较大差别，对于延展性不好（断裂伸长率偏小）的塑料，无疑会发生断裂的现象。图11.2中空管材制品（代表塑料型材机加工）某客户考虑到要提高产品强度，将此前使用的PEEK的材料改为PEEKGF30和PPSGF40，由于产品呈中空长管状（壁厚5mm）,于是使用PEEKGF30和PPSGF40棒材（Φ95）进行机加工。加工的结果是制品有个别开裂现象，基本属于应用开裂。出现断裂处是壁厚到壁薄的过渡处。但选用纯的PEEK、PP、PC、PEI等棒材加工则没有出现开裂。（图2）根据以上信息，我们初步推测塑料切屑处易局部升温（塑料传热慢），从而导致更多残余应力；同时产品管径较大，塑料具有后收缩不均衡的特点。图2综合以上两个案例可以看出，在产品选材方面，应该充分考虑塑料材料的成型方式、部件结构、传热方式等实际工艺操作问题；对于一些中空结构，应该充分考虑壁厚、中空尺寸太小等，如壁薄、空芯大的部件应该尽量选用延展性好（断裂伸长率大）、传热性好的塑料，而选用塑料棒材加工成管材时则要充分考虑塑料热平衡问题，尽可能选择延展性好的塑料棒材，对于一些延展性不好的塑料管材，尽可能避免选用棒材加工成管材（一般出厂管材已进行残余应力热处理）。对于一些延展性不好的塑料，采用塑料管材和塑料棒材的效果是不一样的。2．环境应力所致开裂的原因分析及改进建议原料为GP-22型ABS+高浓度黑色母粒的塑料件从模具中拿出时完好无缺，空气中放置2到3天后，部分零件中铜嵌件周围出现垂直裂纹，有的甚至已完全裂开。因为塑料件在成型过程中未出现任何问题，说明问题不在于成型设备及工艺，经初步分析确认，问题主要由环境应力开裂引起，引起环境应力开裂的原因可能有以下几个方面。2.1原料方面（1）原料混有其它杂质或掺杂不适当的或过量的溶剂或其它添加剂。环境应力开裂是聚烯烃类塑料的特有现象，它是指当制品存在应力时，与某些活性介质接触，会出现脆性裂纹，最终可能导致制品破坏。这些活性物质可以是洗涤剂、皂类、水、油、酸、碱、盐及对材料并无显著溶胀作用的有机溶剂。环境应力开裂的必要条件是试样或零件内存在应力，并存在某种应力集中因素如缺口、表面划伤等。而ABS里含有聚烯烃成分，且原料里含的杂质或溶剂间接提供了这些活性物质，当ABS塑料件在储存的过程中由于种种偶然因素致表面出现缺口或划伤时，就会导致裂纹。（2）有些塑料如ABS等，在受潮状况下加热会与水汽发生催化裂化反应，使制件发生大的应变从而开裂。（3）塑料在机筒内加热时间太长，也会促使制件脆裂。2.2制品设计方面像聚苯乙烯及含有此成分的塑料应尽量少用金属嵌件，因为这些塑料脆性的冷热比容大。如果为了装配和强度的要求必须加入嵌件，比如嵌件由金属铜制成，而金属铜嵌件冷却时尺寸变化与塑料ABS的热收缩值相差很大，致使嵌件周围产生较大的内应力，于是造成了制品的开裂。具体改进措施如下：（1）更换嵌件所用材料，使嵌件与ABS制品线膨胀系数应尽可能接近；（2）加大嵌件各尖角部位的圆角，圆角太小可能引起产品应力集中，导致产品开裂；（3）加大嵌件周围塑料层的厚度。2.3嵌件的预热方面在带有嵌件的塑料制品中，嵌件的周围易出现裂纹或导致制品强度下降，这是由金属嵌件与塑料的热性能和收缩率差别较大引起。因此，在设计制件时，应加大嵌件周围的壁厚，借以克服这种困难，成型前对金属嵌件进行预热也是一项有效措施。因为预热后可减少熔料与嵌件的温度差，在成型中可以使嵌件周围的熔料冷却较慢，收缩比较均匀，发生一定的热料补缩作用，可防止嵌件周围产生过大的内应力。2.4退火处理方面由于塑料在料筒内塑化不均匀或在模腔内冷却速度不同，因此常会产生不均的结晶、定向和收缩，致使制品存有内应力，这在生产厚壁或带金属嵌件的制品时更为突出。存有内应力的制件在贮存和使用中常会出现力学性能下降，光学性能变坏，表面有银纹，甚至变形开裂。生产中解决这些问题的办法是对制件进行退火处理。高分子材料测试在衡量塑料等高分子材料的性能方面，通常进行的测试项目有：物理性能拉伸/延伸率，弯曲强度/模量，冲击强度，硬度，压缩强度/模量，吸水率，低温脆化温度，熔融指数，热变形/维卡软化点温度等热性能DSC分析（熔点，Tg点，结晶温度等），TGA分析（热裂解温度），TMA（线膨胀系数），热阻/导热系数，燃烧性能等电性能绝缘电阻，表面/体积电阻率，耐电压/击穿电压，介电常数/介质损耗角正切等气候环境高温，低温，恒温恒湿，温度循环，冷热冲击，光老化，臭氧老化等其他耐溶剂，塑料开裂失效分析等