Unter innerer Spannung in Kunststoffen versteht man eine inhärente Spannung, die während der Verarbeitung von geschmolzenem Kunststoff aufgrund von Faktoren wie der Ausrichtung makromolekularer Ketten und der Abkühlungskontraktion entsteht.
Der Kern der inneren Spannung ist die unausgeglichene Konformation, die makromolekulare Ketten während der Schmelzverarbeitung bilden. Diese unausgeglichene Konformation kann beim Abkühlen und Erstarren nicht sofort in eine an die Umgebungsbedingungen angepasste Gleichgewichtskonformation zurückkehren. Bei dieser unausgeglichenen Konformation handelt es sich im Wesentlichen um eine reversible, hochelastische Verformung. Diese eingefrorene elastische Verformung wird normalerweise als potentielle Energie im Kunststoffprodukt gespeichert. Unter geeigneten Bedingungen wandelt sich diese erzwungene, instabile Konformation in eine freie, stabile Konformation um und die potentielle Energie wird als kinetische Energie freigesetzt.
Wenn die Kräfte und Verschränkungskräfte zwischen makromolekularen Ketten dieser kinetischen Energie nicht standhalten können, wird das innere Spannungsgleichgewicht gestört und das Kunststoffprodukt weist Spannungsrisse und Verformungen auf.
I. Ursachen innerer Spannungen in Kunststoffen
1. Orientierungsinterner Stress
Interne Orientierungsspannung ist eine interne Spannung, die entsteht, wenn die Ausrichtung makromolekularer Ketten entlang der Fließrichtung während der Fließ-, Füll- und Druckhalteprozesse des geschmolzenen Kunststoffs eingefroren wird.
Der detaillierte Prozess der Erzeugung von Orientierungsspannungen ist wie folgt: Die Schmelze in der Nähe der Angusswand kühlt schnell ab, was zu einem Anstieg der Viskosität der äußeren Schmelzschicht führt. Dies führt zu einer viel höheren Strömungsgeschwindigkeit in der Kernschicht des Formhohlraums im Vergleich zur Oberflächenschicht, was zu Scherspannungen zwischen den Innenschichten und einer Orientierung entlang der Fließrichtung führt.
Das Auftauen orientierter makromolekularer Ketten in Kunststoffprodukten weist auf das Vorhandensein einer nicht entspannten, reversiblen, hochelastischen Verformung hin. Daher ist Orientierungsspannung die innere Kraft, die makromolekulare Ketten dazu bringt, von einer orientierten Konformation in eine nicht-orientierte Konformation überzugehen. Eine Wärmebehandlung kann Orientierungsspannungen innerhalb von Kunststoffprodukten reduzieren oder beseitigen.
Die Verteilung der Orientierungsspannung in Kunststoffprodukten nimmt von der Oberfläche zu den inneren Schichten hin ab und zeigt eine parabolische Änderung.
2. Kühlstress
Kühlspannung ist eine innere Spannung, die in Kunststoffprodukten während der Schmelzverarbeitung durch ungleichmäßige Schrumpfung beim Abkühlen und Aushärten entsteht. Insbesondere bei dickwandigen Kunststoffprodukten kühlt und verfestigt sich zuerst die äußere Schicht und schrumpft, während die innere Schicht möglicherweise noch eine heiße Schmelze ist. Diese Kernschicht begrenzt die Schrumpfung der Oberflächenschicht, was dazu führt, dass die Kernschicht unter Druckspannung und die Oberflächenschicht unter Zugspannung steht.
Die Verteilung der inneren Kühlspannung in Kunststoffprodukten nimmt von der Oberfläche zur Innenschicht hin zu und weist eine parabolische Änderung auf.
Darüber hinaus neigen Kunststoffprodukte mit Metalleinsätzen aufgrund der erheblichen Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Metall und Kunststoff zu ungleichmäßiger innerer Schrumpfspannung.
Neben den beiden oben genannten Hauptarten von Eigenspannungen gibt es noch mehrere weitere Arten: Bei kristallinen Kunststoffprodukten erzeugen Unterschiede in der Kristallstruktur und Kristallinität verschiedener Teile des Produkts ebenfalls Eigenspannungen. Es gibt auch Strukturspannungen und Entformungsspannungen, deren Anteil jedoch im Allgemeinen gering ist.
II. Faktoren, die die Entstehung innerer Spannungen in Kunststoffen beeinflussen
1. Steifigkeit der Molekülkette
Je größer die Steifigkeit der Molekülkette ist, desto höher ist die Schmelzviskosität und desto schlechter ist die Beweglichkeit der Polymermolekülkette. Daher ist die Erholung nach einer reversiblen elastischen Verformung schlecht, was leicht zu einer inneren Restspannung führt. Beispielsweise weisen einige Polymere, die Benzolringe in ihren Molekülketten enthalten, wie PC, PPO und PPS, entsprechende Produkte mit höherer innerer Spannung auf.
2. Polarität der Molekülkette
Je größer die Polarität einer Molekülkette, desto stärker ist die intermolekulare Anziehung, wodurch die intermolekulare Bewegung schwieriger wird und der Grad der Erholung von der reversiblen elastischen Verformung verringert wird, was zu einer höheren inneren Restspannung führt. Beispielsweise weisen einige Kunststoffe, die polare Gruppen wie Carbonyl-, Ester- und Nitrilgruppen in ihren Molekülketten enthalten, entsprechende Produkte mit höherer innerer Spannung auf.
3. Sterische Hinderungswirkung von Substituentengruppen
Je größer das Volumen der Substituentengruppen an den Seitengruppen des Makromoleküls ist, desto stärker wird die freie Bewegung der Makromolekülkette behindert, was zu einer erhöhten inneren Eigenspannung führt. Beispielsweise hat die Phenylgruppe in Polystyrol ein größeres Volumen, was zu einer höheren inneren Spannung in Polystyrolprodukten führt.
III. Drei Methoden zur Prüfung der Eigenspannung in Spritzgussteilen
1. Lösungsmittelmethode
▶ Eintauchen in Essigsäure
Die verwendete Essigsäure (CH3COOH) muss 95 % oder höher sein und die Anzahl der wiederholten Tests sollte 10 nicht überschreiten.
① Oberflächenbelastungstest: Gießen Sie Essigsäure (Eisessig) in einen Glasbehälter und tauchen Sie das Produkt 30 Sekunden lang vollständig in die Essigsäure ein. Entfernen Sie nach 30 Sekunden die Probe mit den Klammern und spülen Sie sie sofort mit klarem Wasser ab (Leitungswasser ist akzeptabel). Beobachten Sie die Probenoberfläche auf Weißfärbung und Risse.
Beurteilung: Es darf keine Risse geben. Eine leichte Aufhellung der Oberfläche ist zulässig.
② Interner Stresstest: Nach dem Trocknen der Probe, die den Oberflächenstresstest bestanden hat, wird sie 2 Minuten lang vollständig in Essigsäure getaucht. Nehmen Sie die Probe nach 2 Minuten heraus und spülen Sie sie sofort mit klarem Wasser ab (Leitungswasser ist akzeptabel). Beobachten Sie die Probe auf Weißfärbung und Risse.
Urteil: Es darf kein Bruch vorliegen. Leichte Risse an der Einlage und Oberflächenaufhellung sind zulässig.
▶Methylethylketon (MEK) + Aceton-Eintauchmethode
Tauchen Sie die gesamte Maschine vollständig in eine 1:1-Mischung aus MEK und Aceton bei 21 Grad. Herausnehmen und sofort trocken schleudern. Überprüfen Sie wie oben beschrieben.
Prinzip: Basierend auf dem Phänomen der Rissbildung bei mittlerer Spannung dringen Lösungsmittelmoleküle zwischen die Harzmakromoleküle ein und reduzieren so die zwischenmolekularen Kräfte. Bereiche mit hoher innerer Spannung weisen bereits vor dem Eintauchen abgeschwächte intermolekulare Kräfte auf; Diese abgeschwächten Kräfte werden nach dem Eintauchen noch weiter reduziert, was zu Rissen führt. Bereiche mit geringer Eigenspannung werden nicht in kurzer Zeit reißen.
Daher können Größe und Ort der inneren Spannung im zu plattierenden Teil durch den Zeitpunkt und das Ausmaß der Rissbildung auf der Oberfläche bestimmt werden. Dies bestimmt, ob das Kunststoffteil galvanisiert werden soll.
2. Instrumentelle Methode
Beleuchten Sie das Kunststoffteil mit polarisiertem Licht. Analysieren Sie die Stärke der inneren Spannung, indem Sie die Menge der farbigen Lichtbänder beobachten. Diese Methode ist nur auf transparente Teile anwendbar. Die Methode mit polarisiertem Licht erfordert teure Geräte, ist komplex in der Bedienung und weist eine geringe Genauigkeit auf, da die Änderungen am Teil vor und nach der Behandlung nicht signifikant sind. Die im Spektrum erscheinenden Lichtbänder sind nicht unbedingt auf innere Spannung zurückzuführen; Beispielsweise können auch Oberflächenwellen die Testergebnisse beeinflussen.
Diese Methode hat keinen Einfluss auf die Funktion des Teils und ist somit ein zerstörungsfreier Test. Teile, die den Test bestanden haben, können weiter galvanisiert und verwendet werden.
3. Methode der plötzlichen Temperaturänderung
Bei dieser Methode wird das Kunststoffteil wiederholt erhitzt und abgekühlt und die Größe der inneren Spannung wird anhand der Zeitspanne ermittelt, die benötigt wird, bis Risse entstehen. Es ist für verschiedene Kunststoffformteile geeignet. Die Methode der plötzlichen Temperaturänderung erfordert eine einfache Ausrüstung, aber die Testzeit ist relativ lang.
Das Kunststoffteil ist nach der Inspektion beschädigt und kann nicht wieder verwendet werden.
IV. Beseitigung von innerem Stress
Ähnlich wie bei Metallen können auch bei Kunststoffprodukten wie bei Metallen einige Spannungen durch einen nach dem Formen erfolgenden „Glühprozess“ abgebaut werden. Dies ist jedoch nur eine Notlösung, wenn Konstruktions- und Herstellungsprozesse die Anforderungen nicht erfüllen können, und wird nicht als reguläre Methode empfohlen.
Diese Methode weist mehrere Einschränkungen auf:
1. Defekte in Glasfaserfüllstoffen können nicht wirksam beseitigt werden.
2. Tests zeigen, dass während der Erwärmung nach dem Formen die Festigkeit und chemische Beständigkeit des Materials abnimmt, was eine kontrollierte Glühzeit erforderlich macht, um ein Versagen zu verhindern;
3. Längeres Erhitzen und Glühen erhöht die Kosten des Endprodukts erheblich;
4. Eine stabile Erwärmung und Abkühlung während des Glühens ist entscheidend, um einen durch schnelle Temperaturänderungen verursachten Thermoschock zu vermeiden.
