Вътрешното напрежение в пластмасите се отнася до присъщо напрежение, генерирано по време на обработката на разтопена пластмаса поради фактори като ориентацията на макромолекулните вериги и свиването при охлаждане.
The essence of internal stress is the unbalanced conformation formed by macromolecular chains during molten processing. This unbalanced conformation cannot immediately return to an equilibrium conformation adapted to environmental conditions upon cooling and solidification. This unbalanced conformation is essentially a reversible, highly elastic deformation. This frozen elastic deformation is normally stored in the plastic product as potential energy. Under suitable conditions, this forced, unstable conformation will transform into a free, stable conformation, and the potential energy will be released as kinetic energy.
Когато силите и силите на заплитане между макромолекулните вериги не могат да издържат на тази кинетична енергия, вътрешният баланс на напрежението се нарушава и пластмасовият продукт ще прояви напукване под напрежение и деформация на изкривяване.
I. Причини за вътрешно напрежение в пластмасите
1. Ориентация Вътрешен стрес
Ориентационно вътрешно напрежение е вътрешно напрежение, генерирано, когато ориентацията на макромолекулните вериги по посока на потока е замразена по време на процесите на поток, пълнене и -задържане на налягането на разтопената пластмаса.
Детайлният процес на генериране на ориентиращо напрежение е както следва: стопилката в близост до стената на канала се охлажда бързо, причинявайки увеличаване на вискозитета на външния слой стопилка. Това води до много по-висока скорост на потока в основния слой на кухината на формата в сравнение с повърхностния слой, което води до напрежение на срязване между вътрешните слоеве и води до ориентация по посока на потока.
Размразяването на ориентирани макромолекулни вериги в пластмасови продукти означава наличието на неотпусната, обратима, силно еластична деформация. Следователно напрежението на ориентацията е вътрешната сила, която кара макромолекулните вериги да преминават от ориентирана конформация към не-ориентирана конформация. Топлинната обработка може да намали или елиминира напрежението при ориентация в пластмасовите продукти.
Разпределението на напрежението при ориентиране в пластмасовите продукти намалява от повърхността към вътрешните слоеве, показвайки параболична промяна.
2. Охлаждащ стрес
Напрежението при охлаждане е вътрешно напрежение, генерирано в пластмасовите продукти по време на обработката на стопилката поради неравномерно свиване по време на охлаждане и втвърдяване. Особено за пластмасови продукти с дебели стени, външният слой се охлажда и втвърдява първо, като се свива, докато вътрешният слой все още може да бъде горещо разтопен. Този основен слой ограничава свиването на повърхностния слой, което води до това, че основният слой е под напрежение на натиск, а повърхностният слой под напрежение на опън.
Разпределението на охлаждащото вътрешно напрежение в пластмасовите продукти се увеличава от повърхността към вътрешния слой, показвайки параболична промяна.
Освен това пластмасовите продукти с метални вложки са склонни към неравномерно вътрешно напрежение при свиване поради значителната разлика в коефициентите на топлинно разширение между метала и пластмасата.
Освен двата основни вида вътрешно напрежение, споменати по-горе, има няколко други вида: За кристалните пластмасови продукти разликите в кристалната структура и кристалността на различните части на продукта също генерират вътрешно напрежение. Съществуват също структурни напрежения и напрежения при изваждане от формата, но техният дял като цяло е малък.
II. Фактори, влияещи върху генерирането на вътрешно напрежение в пластмасите
1. Твърдост на молекулярната верига
Колкото по-голяма е твърдостта на молекулярната верига, толкова по-висок е вискозитетът на стопилката и толкова по-лоша е мобилността на полимерната молекулярна верига. Следователно, възстановяването от обратима еластична деформация е лошо, което лесно води до остатъчно вътрешно напрежение. Например, някои полимери, съдържащи бензенови пръстени в своите молекулни вериги, като PC, PPO и PPS, имат съответните продукти с по-високо вътрешно напрежение.
2. Полярност на молекулярната верига
Колкото по-голяма е полярността на една молекулна верига, толкова по-силно е междумолекулното привличане, което прави междумолекулното движение по-трудно и намалява степента на възстановяване от обратима еластична деформация, което води до по-високо остатъчно вътрешно напрежение. Например, някои пластмаси, съдържащи полярни групи като карбонилни, естерни и нитрилни групи в техните молекулни вериги, имат съответните продукти с по-високо вътрешно напрежение.
3. Стеричен възпрепятстващ ефект на заместващите групи
Колкото по-голям е обемът на заместващите групи на страничните групи на макромолекулата, толкова повече възпрепятства свободното движение на макромолекулната верига, което води до повишено остатъчно вътрешно напрежение. Например фениловата група в полистирола има по-голям обем, което води до по-високо вътрешно напрежение в полистиролови продукти.
III. Три метода за изпитване на вътрешно напрежение в шприцовани части
1. Метод на разтворителя
▶ Потапяне в оцетна киселина
Използваната оцетна киселина (CH3COOH) трябва да бъде 95% или по-висока, а броят на повторните тестове не трябва да надвишава 10.
① Тест за повърхностен стрес: Изсипете оцетна киселина (ледена оцетна киселина) в стъклен съд и напълно потопете продукта в оцетната киселина за 30 секунди. След 30 секунди извадете пробата със скоби и незабавно я изплакнете с чиста вода (допуска се чешмяна вода). Наблюдавайте повърхността на пробата за избелване и пукнатини.
Преценка: Не трябва да има напукване. Допустимо е леко побеляване на повърхността.
② Тест за вътрешен стрес: След изсушаване на пробата, преминала теста за повърхностен стрес, потопете го изцяло в оцетна киселина за 2 минути. След 2 минути извадете пробата и незабавно я изплакнете с чиста вода (допуска се чешмяна вода). Наблюдавайте пробата за побеляване и пукнатини.
Преценка: Не трябва да има счупване. Допустими са леки пукнатини при вложката и побеляване на повърхността.
▶Метил етил кетон (MEK) + Метод на потапяне в ацетон
Потопете цялата машина изцяло в смес 1:1 от МЕК и ацетон при 21 градуса. Извадете и веднага изсушете. Проверете, както е описано по-горе.
Принцип: Въз основа на феномена на напукване при средно напрежение, молекулите на разтворителя проникват между макромолекулите на смолата, намалявайки междумолекулните сили. Зоните с високо вътрешно напрежение вече имат отслабени междумолекулни сили преди потапянето; тези отслабени сили се намаляват допълнително след потапяне, което води до напукване. Зоните с ниско вътрешно напрежение няма да се напукат за кратко време.
Следователно, величината и местоположението на вътрешното напрежение в частта, която ще бъде покрита, може да се определи от времето и степента на напукване на повърхността. Това определя дали пластмасовата част трябва да бъде галванизирана.
2. Инструментален метод
Осветете пластмасовата част с поляризирана светлина. Анализирайте силата на вътрешното напрежение, като наблюдавате количеството цветни светли ленти. Този метод е приложим само за прозрачни части. Методът с поляризирана светлина изисква скъпо оборудване, сложен е за работа и има ниска точност, тъй като промените в частта преди и след обработката не са значителни. Светлите ивици, появяващи се в спектъра, не се дължат непременно на вътрешно напрежение; например повърхностните вълни също могат да повлияят на резултатите от теста.
Този метод няма влияние върху функцията на частта, което го прави не-разрушителен тест. Частите, които са преминали теста, могат да продължат да галванизират и използват.
3. Метод на внезапна промяна на температурата
Този метод включва многократно подлагане на пластмасовата част на нагряване и охлаждане и оценка на големината на вътрешното напрежение въз основа на времето, необходимо за появата на пукнатини. Подходящ е за различни пластмасови формовани части. Методът за внезапна промяна на температурата изисква просто оборудване, но времето за тестване е относително дълго.
Пластмасовата част след проверка е повредена и не може да се използва отново.
IV. Премахване на вътрешния стрес
Подобно на металите, пластмасовите продукти също могат да имат известно напрежение, елиминирано чрез процес на „отгряване“ след-формоване, точно като металите. Това обаче е само временна мярка, когато процесите на проектиране и производство не могат да отговорят на изискванията, и не се препоръчва като обикновен метод.
Този метод има няколко ограничения:
1. Не може ефективно да елиминира дефекти в пълнителите от стъклени влакна;
2. Тестовете показват, че по време на нагряване след-формоване здравината и химическата устойчивост на материала намаляват, което налага контролирано време за отгряване, за да се предотврати повреда;
3. Продължителното нагряване и отгряване значително оскъпява крайния продукт;
4. Стабилното нагряване и охлаждане по време на отгряване са от решаващо значение за избягване на топлинен шок, причинен от бързи температурни промени.
