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关于PC/ABS产品环境应力开裂分析
发布时间:2021.01.07
信息摘要:
​这次与大家聊一聊PC/ABS产品环境应力开裂的问题。喷漆开裂和环境应力开裂两者不同,喷漆开裂的应力来源主要是注塑残余应力,对象特指喷漆件;相较于ABS材料来说,PC/ABS产品发生环境应力开裂(Environment Stress Crack,以下简称ESC)的可能性更高一些。



这次与大家聊一聊PC/ABS产品环境应力开裂的问题。喷漆开裂和环境应力开裂两者不同,喷漆开裂的应力来源主要是注塑残余应力,对象特指喷漆件;而环境应力开裂的应力来源分为机械应力(后文中会详细介绍)和残余应力两种,一般为不喷漆件。相较于ABS材料来说,PC/ABS产品发生环境应力开裂(Environment Stress Crack,以下简称ESC)的可能性更高一些。


表1 应力开裂的分类

应力开裂

喷漆开裂

环境应力开裂

注塑残余应力

机械应力

残余应力


一、环境应力开裂(ESC)


ESC是指塑料制件,在有应力存在条件下受化学试剂作用发生的分子链断裂现象,最终导致制件的开裂失效。这是一种溶剂诱导型的破坏,是化学试剂和应力协同作用的结果。研究表明,塑料零部件使用过程中的破损问题,其中约25%属于环境应力开裂ESC问题。


1.应力类型

由定义可知,产生ESC重要的因素是:持续的应力+化学试剂诱导。应力分为两种:机械应力和残余应力。

1)机械应力:是指在使用过程中,产品一直处于机械应力的作用下。比如螺丝对螺孔部位的挤压应力、工作中结构件的受力等,都属于机械应力的范畴;

2)残余应力:是指由于注塑工艺/产品结构/模具结构等原因所造成的应力残留。化学试剂不会直接引起化学作用或分子降解。实际上,是化学试剂渗透到分子结构并损害了聚合物链的内分子力,从而加快分子断裂。


PC-ABS车灯开裂


图 1 PC/ABS车灯开裂

 

2.开裂过程


ESC开裂包含了流体吸收(制件使用过程中接触到的挥发性溶剂,甚至是空气)、细纹出现、裂纹扩展和最终破坏四个环节。同时ESC破损有以下两个典型的特征:


1)脆性断裂:ESC损坏是由脆性断裂造成,作为ESC损坏最初开裂点,总发生在表面。他们往往是高应力区域所在,如:微观缺损点或应力集中点。此初始开裂点一般总是直接与气态或液态活性化学试剂接触。


2)多重开裂:起初多个单点开裂,随后连接成一个统一断裂,众多的原始开裂和随后联合是ESC破损机理的写照。

 

二、PC/ABS材料ECS开裂问题改善方向


了解ESC产生的原理之后,如何改善PC/ABS的ESC开裂问题呢?制件的使用环境(包含环境中可能接触的溶剂、结构件需要承受的力等)无法改变,因此改善方向可以分以下四方面进行:


1.材料耐化学性改善
提高PC/ABS材料的耐化学性,比如:选用丙烯腈含量较高的ABS和耐化学性改良的PC原料作为改性基材等;


2.制件产品设计改善
避免因不良产品结构设计不良而导致的应力问题;


3.注塑残余应力改善
选用流动性更高的PC/ABS材料,以及注塑工艺向低残余应力方向调整;


4.机械应力改善
对于有螺丝柱进行装配的制件,需要更好的考量螺丝与螺孔的配合问题,设计上在保证铆合强度的基础上,尽量的降低螺柱周边的应力。

 

三、耐环境开裂测试方法


1.定拉伸负荷法


在一定的温度和拉伸负荷下,测试材料的失效情况。

 


恒定拉伸负荷法测定材料的耐环境应力开裂性能
图2:恒定拉伸负荷法测定材料的耐环境应力开裂性能



每个条件下的试样需要至少5组,样品一般为ISO标准的拉伸样条,尺寸有特定要求。样品的接触测试试剂前需要记录尺寸及外观状态。测试材料在不同的暴露时间、负重(应力)、温度下,质量、尺寸、外观及拉伸性能发生的变化。


2.弯曲样条法


将样品固定在一定弧度治具上,测定一定实验时间后材料的性能恶化情况。


弯曲样条法测定耐环境应力开裂性能示意图
图2 弯曲样条法测定耐环境应力开裂性能示意图



该法适合片状样品的耐环境应力开裂测试,尤其是样品的局部对应力开裂的敏感性。可用来检测气体、液体以及含有可迁移物质(如聚合物胶黏剂、增塑剂等)的固态物质对特定材料环境应力开裂的影响。
根据材料本身性质的差异或使用条件的不同,可以选择不同的应变条件(图3)。测试样品根据需要密封在容器中、放置在室温环境中或烘箱中。达到测试时间后,将样品从测试环境中移除测试所需要的性能。拉伸强度和断裂伸长率是最典型的测试项目。一般习惯用这种方法来表征在测试时间内材料应力松弛较小的材料的耐环境应力开裂性能。


弯曲样条法的不同应变的治具和蓝色PC测试样条
图3 弯曲样条法的不同应变的治具和蓝色PC测试样条,测试结果参考图片中的分级



气态或者液态作用试剂具有较强的渗透能力,膏状作用试剂也能渗透到据材料表层2-3mm的深度。而如果作用试剂存在弹性体、塑料片等固体介质中,一般会将待测试介质夹在两片实验之间(图4)进行试验,保证固态介质和实验材料之间的接触有一定的压力。


弯曲样条法三明治夹样法

图4 弯曲样条法三明治夹样法


3.圆球或顶针插入法


具体方法为在材料上预制一个圆孔,用比圆孔略大的圆球或顶针插入预制的圆孔,给材料施加恒定的应变,并将插有圆球或顶针的样品放入作用试剂中,观察材料的失效情况。在测试条件下,施加的应变会产生微裂纹并快速的发展成可视的裂纹。


通过观察圆球或顶针附近的裂纹情况或后续材料的性能变化来检测材料对特定化学试剂的耐受性。该法适用于模塑或切割成型的制件或样品。这种方法快速而准确,更适合于无定型材料。对于半结晶性材料顶针法比圆球法更适合。

 


注:与其他测试方法相比,球压法对材料近表面的各向异性更不敏感,更适合评估材料在化学试剂下的应力开裂情况。顶针法更适合已成型制件或厚度小的样品,顶针法要求实样厚度大于1mm,圆球法要求试料厚度大于2mm,理想厚度是4mm。




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