关于作者:钟元,2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》(DFMA)。2020年即将出版《面向成本的产品设计:降本设计之道》(DFC)。关注头条号或微信号“降本设计”,获取更多原创产品设计知识和理念!“降本设计”专注于面向制造和装配的产品设计(DFMA)、面向成本的产品设计(DFC)等产品设计知识和理念分享,帮助工程师成长和提高技能,帮助企业降低产品成本。
1塑胶件开裂:触目惊心导读:
本篇文章介绍如何塑胶件环境应力开裂的危害、产生的机理以及如何避免其发生。
工程师在进行塑胶件设计时,有很大的几率碰到塑胶件开裂的质量问题。一旦碰到开裂问题,要去解决则变得非常困难。
作为一名消费者,也经常会发现自己使用的产品发生开裂。这种失效会深深的伤害品牌荣誉,消费者也许以后再也不会买该品牌的产品了。
笔记本显示器边框开裂
汽车空调出风口塑胶罩开裂
汽车安全带卡扣开裂
汽车中控台塑胶开裂
汽车防冻液塑料水箱开裂
很多年以前的iPhone塑胶手机壳开裂
螺丝柱开裂
蓄电池塑胶外壳开裂
塑胶簸箕开裂
衣架开裂
塑胶管道开裂
其它各种各样的开裂
环境应力开裂的概念
环境应力开裂(Environmental Stress Cracking, ESC)是指在内应力存在下,塑料树脂受化学物质作用发生的降解现象,最终导致塑料组分的损坏。这是一种溶剂诱导型的破坏,是化学物质和机械应力协同作用发生的裂解。
环境应力开裂并不是化学反应,化学物质并不会导致直接的化学攻击或者分子降解。实际上,是化学物质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。
在塑胶件的常见失效原因中,环境应力开裂占据大多数,占据31%,被称为塑胶件的杀手。如果加上化学攻击,基本在占据了40%。 我相信,上述案例中的塑胶件开裂,环境应力开裂占了绝大多数。
环境应力开裂的步骤
ESC损坏的机械历程,类似于蠕变损坏,它包括流体吸收、塑性化、细纹产生、破裂扩展和最终破坏。
下图显示了一个试样的环境应力开裂是如何一步一步产生的。
由于ESC过程取决于化学物质在塑料分子结构内的扩散,流体吸收速率是裂纹扩展和开裂扩大两个速率的决定因素。化学物质吸收越快,塑料越易开裂和随之而来的破损。
近来分析比较,认为蠕变在特定条件下发生的ESC,在此情况下,蠕变是简化了的ESC,它以空气作为化学试剂,它们主要区别是活性化学物质存在,它加速高分子断裂过程。这种加速作用结果显著缩短初期开裂的时间,实质上加速裂解扩大化的速率,这样缩短了最终破损的时间。
环境应力开裂的特征
环境应力开裂破损均有几个典型的特征:
平滑的形态:原始开裂区域,通常当展显出相对平滑形态时,缓慢的开裂扩展,而活泼的化学物质能加快初始开裂出现及开裂扩展,粗糙表面,这种现象尤为明显。
伸展的小纤维:最终断裂区可能出现伸展的小纤维和其他特征,这说明这种断裂是可塑变断裂。这是一个重要的启示说明ESC用化学作用机理是不合适的,因此一般伴随的化学作用引发的分子降解通常是不存在的。
交错带:最新实验表明,一般ESC是通过渐进式开裂扩展机理进行的,在实验室条件下重塑特征表面试验,显示了一系列交错带,相当导致开裂扩展的环。这些观察到的带区可以想象是重复出现细纹化的环,随后通过脆性开裂的裂解扩展,其中包含了蠕变和ESC破损机理各步骤。
环境应力开裂主要与以下三个因素有关:
塑胶材料的类型;与塑胶件接触的化学物质;作用于塑胶件的应力;塑料类型
一般来说,相对于半结晶塑料,无定形塑料更容易发生环境应力开裂。这是由于无定形塑料相比于有序、密实的半结晶塑料结构来说具有很大的自由体积。所以,PC、ABS、PPO、PMMA等无定形塑料比PBT、POM、PA66、PPS等更容易发生环境应力开裂。当然,即使同一种塑料,因为其组成成分不同,其抗ESC能力也会存在差别。(PMMA在接触二氯甲烷前后的拉伸强度测试对比,
二氯甲烷造成PMMA可以承受的最大载荷大幅度降低)
(四种塑料的抗ESC性能对比)
化学物质
氢键:带有中等水平氢键流体一般相对高度氢键化学品而言是属于易加剧ESC试剂,例如,有机酯类、酮类、醛类、芳香烃类和氯化烃类相比有机醇类是更强的ESC作用化学物质。分子大小: 具有较低分子量的化学物质相比较高分子量是比较强烈的ESC试剂,如硅油比硅脂更强,丙酮更强于甲基异丁酮,这种直接由分子大小所得结论,与较小分子有更大能力渗透入聚合物分子结构中去有关。
化学物质主要有两个来源;
应力
使用过程中承受的拉伸应力:ESC只有在物质处于拉伸应力状态下才会发生,拉伸应力是分子发生断裂、最终造成ESC的原因。压缩应力在某些条件下足以造成塑胶件机械性失效,但不足以造成ESC。注塑成型过程中的残余内应力:内部模塑残余应力与外界应力结合造成ESC巨大模塑残留应力足以造成ESC。(CAE软件显示的塑胶件内应力分布)
如何避免ESC的发生
避免ESC的发生需要从塑料类型、化学物质和应力三大方面入手,下面是一些建议,可以帮助减少发生ESC的风险:
明确塑胶件在生产过程中和使用过程中可能存在的化学物质;根据这些化学物质,有针对性的选取抗ESC性能好的塑胶材料,或者与这些化学物质兼容的塑胶材料;对于特定的塑胶材料,可能只是对某种化学物质不兼容。这些信息可以从专门的塑胶材料技术网站查询,或者向材料供应商咨询。在产品设计阶段,选择合适的塑胶材料是避免ESC发生的最好方法。
在选定塑胶材料的前提下,严格管控生产和使用过程中的可能存在的化学物质。
设计零件承受压缩载荷,而不是拉伸载荷。
降塑胶件注塑成型过程中的内应力;内应力会造成ESC发生。螺钉、金属镶件、塑胶件壁厚的急剧变化、以及错误设计的卡扣等均会导致内应力的产生,从而导致ESC发生。如何降低塑胶件内应力,这是一个比较大的话题,将在下一批文章中展开。
—END—
1. 免责声明:部分图片来源于网络,仅供学习用,侵权删。
2. 原创作品,欢迎转载,抄袭必究。如需转载,请联系作者,转载要求不能修改内容和保留文末作者及公头条号信息。
关于作者:
钟元,2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》(DFMA)。
2020年即将出版《面向成本的产品设计:降本设计之道》(DFC)。
欢迎关注“降本设计”头条号。“降本设计”专注于面向制造和装配的产品设计(DFMA)、面向成本的产品设计(DFC)等产品设计知识和理念分享,帮助工程师成长和提高技能,帮助企业降低产品成本。