プラスチック内部応力とは、プラスチックの溶融加工時の高分子鎖の配向や冷却収縮などによって発生する内部応力の一種です。
内部応力の本質は、溶融プロセス中に高分子鎖によって形成されるアンバランスな構造です。 このアンバランスな立体構造は、冷却固化してもすぐには環境条件に適したバランスのとれた立体構造に戻ることができません。 このアンバランスな構造の本質は可逆的な高弾性変形であり、凍結した高弾性変形は通常、位置エネルギーの形でプラスチック製品に蓄えられます。 適切な条件下では、この強制的に不安定な立体構造は、自由で安定な立体構造に変化します。 位置エネルギーが運動エネルギーに変換されて放出されます。
この運動エネルギーに高分子鎖間の力や絡み合いの力が耐えられなくなると、内部応力バランスが崩れ、プラスチック製品に応力亀裂や反り変形が発生します。
1. プラスチックの内部応力の原因
1. 配向内部応力
配向内部応力は、溶融プラスチックの流動充填および圧力維持の過程で、流れ方向に整列した高分子鎖が凍結することによって発生する内部応力の一種です。
配向応力発生の詳細なプロセスは次のとおりです。ランナー壁近くの溶湯は、急速な冷却速度により溶湯の外層の粘度を増加させ、キャビティのコア層内の溶湯の流量が多くなります。表面層の流速よりも速いため、層がせん断応力を受け、流れ方向に沿った配向が生じます。
プラスチック製品内の配向高分子鎖の解凍は、その製品に緩和されていない可逆的な高弾性変形が存在することも意味します。そのため、配向応力は、配向構造から非配向構造に移行しようとする高分子鎖の内力です。形態。 熱処理により、プラスチック製品の配向応力を軽減または除去できます。
プラスチック製品の配向内部応力分布は、製品表層から内層に向かってどんどん小さくなり、放物線状に変化します。
2. 内部応力の冷却
冷却内部応力とは、プラスチック製品の溶融加工時の冷却・成形時の不均一な収縮によって生じる内部応力の一種です。 特に厚肉のプラスチック製品の場合、プラスチック製品の外層が最初に冷えて固化して収縮しますが、内層はまだホットメルトである可能性があるため、コア層が表面層の収縮を制限し、コア層の収縮が発生します。表面層は圧縮応力状態にあります。 引張応力状態。
プラスチック製品の冷却内部応力の分布は、製品の表層から内層に向かってどんどん大きくなり、放物線状に変化します。
また、金属インサートを使用したプラスチック製品の場合、金属とプラスチックの熱膨張係数が大きく異なるため、不均一な収縮による内部応力が発生しやすくなります。
内部応力には上記 2 つの重要な内部応力のほかに、次のようないくつかの種類があります。 結晶性プラスチック製品の場合、製品の各部分の結晶構造や結晶化度の違いによっても内部応力が発生することがあります。 その他、形状内部応力や離型時の内部応力等がありますが、内部応力の割合は非常に小さいです。
2. プラスチックの内部応力に影響を与える要因
1. 分子鎖の剛さ
分子鎖の剛性が大きいほど溶融粘度が高くなり、ポリマー分子鎖の運動性が悪く、可逆的な高弾性変形の回復が悪く、残留内部応力が発生しやすい。 たとえば、PC、PPO、PPS など、分子鎖中にベンゼン環を含む一部のポリマーでは、対応する製品の内部応力が比較的大きくなります。
2. 分子鎖の極性
分子鎖の極性が大きくなるほど分子間の相互引力が大きくなり、分子間を移動しにくくなり、可逆的な弾性変形の回復度が低下するため、残留内部応力が大きくなります。 例えば、分子鎖中にカルボニル基、エステル基、ニトリル基などの極性基を含むプラスチックの種類では、対応する製品の内部応力が比較的大きくなります。
3. 置換基による立体障害効果
高分子側置換基の体積が大きくなると、高分子鎖の自由な運動が阻害され、残留内部応力が増大する。 例えば、ポリスチレンの置換基であるフェニル基は体積が大きいため、ポリスチレン製品の内部応力は比較的大きくなります。
3. 射出成形品の内部応力を検出する 3 つの方法
1. 溶剤法
▶酢酸浸漬
使用する酢酸 (CH3COOH) は 95% 以上が酢酸でなければならず、繰り返し使用の回数は 10 回を超えてはなりません。
①表面応力試験：ガラス容器に酢酸（氷酢酸）を注ぎ、製品を酢酸中に30秒間完全に浸漬します。 30 秒後、サンプルをクリップで取り出し、すぐに清水（水道水で十分です）で洗い、サンプル表面に白化やひび割れがないか確認します。
判定：ひび割れがなく、表面が若干白っぽくなっているのは許容範囲。
②内部応力試験：表面応力試験に合格したサンプルを乾燥後、酢酸に2分間完全に浸漬します。 2分後サンプルを取り出し、すぐに清水（水道水で十分です）で洗い、白濁やひび割れの有無を検査します。
判定：インサートに破損はなく、若干のクラックや表面の白化は許容されます。
▶メチルエチルケトン＋アセトン浸漬法
21℃のメチルエチルケトンとアセトンの1：1混合液に機械全体を浸し、取り出してすぐに乾燥させ、上記の方法で確認してください。
原理：中応力クラッキング現象、つまり溶媒分子が樹脂の高分子に浸透した後、分子間の相互力が減少します。 内部応力が大きいところは浸漬前に分子間力が弱まっており、浸漬後はその弱まったところがさらに弱まって割れが発生し、内部応力が小さいところは短時間では割れません。
したがって、めっき表面のクラック発生時期と程度から、めっき内部応力の大きさと位置を知ることができる。 プラスチック部品が電気メッキされているかどうかを判断するため。
2. 計測方法
プラスチック部品を偏光で照明し、色付きの光の帯の量に応じて内部応力の強さを分析します。 透明パーツのみに適しています。 偏光法に必要な機器は高価であり、操作が複雑で精度も高くありません。なぜなら、加工物は処理の前後で大きく変化せず、スペクトルバンドに現れる光のバンドが必ずしも影響を与えるわけではないからです。ワーク表面の波紋などの内部応力の影響を軽減します。 テスト結果に影響します。
この方法は部品の性能には影響しません。 これは非破壊検査であり、検査が完了した部品は引き続き電気メッキして使用できます。
3. 温度急変法
めっきするプラスチック部品を冷却と加熱を繰り返し、亀裂が発生する時間によって内部応力の大きさを評価する方法です。 各種プラスチック成形品に適しています。 温度急変法は設備が簡単ですが、試験時間が長くなります。
オーバーホールしたプラスチック部品が破損しており、継続使用ができません。
第四に、内部ストレスの除去
プラスチック製品も金属と同様に、成形後に「焼きなまし」という工程を行うことで応力の一部を緩和することができます。 これはあくまで設計プロセスなどが満足できない場合の対処法であり、常套手段として推奨するものではありません。
このアプローチにはいくつかの制限があります。
1. ガラス繊維充填材の場合、それをうまく除去することができません。
2. このテストでは、成形後の加熱プロセス中に材料の強度が低下し、材料の耐薬品性が低下するため、破損を避けるためにアニーリング時間を制御する必要があることがわかりました。
3. 長時間の加熱とアニーリングは最終製品のコストを大幅に増加させます。
4. アニーリングプロセス中、急冷および急加熱による熱衝撃を避けるために、加熱および冷却の安定性が保証されます。
