Ứng suất bên trong nhựa đề cập đến ứng suất vốn có được tạo ra trong quá trình xử lý nhựa nóng chảy do các yếu tố như sự định hướng của chuỗi phân tử và sự co lại khi làm mát.
Bản chất của ứng suất bên trong là cấu trúc không cân bằng được hình thành bởi các chuỗi cao phân tử trong quá trình nấu chảy. Hình dạng không cân bằng này không thể ngay lập tức trở lại trạng thái cân bằng thích nghi với điều kiện môi trường khi làm mát và hóa rắn. Hình dạng không cân bằng này về cơ bản là một biến dạng có tính đàn hồi cao và thuận nghịch. Biến dạng đàn hồi đông đặc này thường được lưu trữ trong sản phẩm nhựa dưới dạng thế năng. Trong điều kiện thích hợp, cấu hình cưỡng bức, không ổn định này sẽ chuyển thành cấu hình tự do, ổn định và thế năng sẽ được giải phóng dưới dạng động năng.
Khi các lực và lực vướng víu giữa các chuỗi cao phân tử không thể chịu được động năng này thì sự cân bằng ứng suất bên trong bị phá vỡ và sản phẩm nhựa sẽ xuất hiện hiện tượng nứt ứng suất và biến dạng cong vênh.
I. Nguyên nhân gây ra ứng suất bên trong nhựa
1. Định hướng căng thẳng nội tại
Ứng suất bên trong định hướng là ứng suất bên trong được tạo ra khi sự định hướng của các chuỗi cao phân tử dọc theo hướng dòng chảy bị đóng băng trong quá trình chảy, làm đầy và giữ áp suất-của nhựa nóng chảy.
Quá trình chi tiết tạo ra ứng suất định hướng như sau: Chất nóng chảy gần thành ống dẫn nguội đi nhanh chóng, làm tăng độ nhớt của lớp nóng chảy bên ngoài. Điều này dẫn đến tốc độ dòng chảy trong lớp lõi của khoang khuôn cao hơn nhiều so với lớp bề mặt, dẫn đến ứng suất cắt giữa các lớp bên trong và dẫn đến sự định hướng dọc theo hướng dòng chảy.
Sự tan băng của các chuỗi phân tử định hướng trong các sản phẩm nhựa biểu thị sự hiện diện của biến dạng không bị giãn, có thể đảo ngược và có độ đàn hồi cao. Do đó, ứng suất định hướng là nội lực thúc đẩy các chuỗi cao phân tử chuyển từ dạng có định hướng sang dạng không{1}}định hướng. Xử lý nhiệt có thể làm giảm hoặc loại bỏ ứng suất định hướng trong các sản phẩm nhựa.
Sự phân bố ứng suất định hướng trong các sản phẩm nhựa giảm dần từ bề mặt đến các lớp bên trong, thể hiện sự thay đổi hình parabol.
2. Căng thẳng làm mát
Ứng suất làm mát là ứng suất bên trong được tạo ra trong các sản phẩm nhựa trong quá trình xử lý nóng chảy do độ co rút không đều trong quá trình làm mát và đông kết. Đặc biệt đối với các sản phẩm nhựa có thành-dày, lớp ngoài nguội đi và đông cứng trước, co lại trong khi lớp bên trong có thể vẫn nóng chảy. Lớp lõi này hạn chế sự co ngót của lớp bề mặt, dẫn đến lớp lõi chịu ứng suất nén và lớp bề mặt chịu ứng suất kéo.
Sự phân bố ứng suất bên trong làm mát trong các sản phẩm nhựa tăng dần từ bề mặt đến lớp bên trong, thể hiện sự thay đổi hình parabol.
Hơn nữa, các sản phẩm nhựa có lớp chèn kim loại dễ bị co ngót bên trong không đồng đều do sự khác biệt đáng kể về hệ số giãn nở nhiệt giữa kim loại và nhựa.
Ngoài hai loại ứng suất nội chính nêu trên còn có một số loại khác: Đối với sản phẩm nhựa kết tinh, sự khác biệt về cấu trúc tinh thể và độ kết tinh của các bộ phận khác nhau của sản phẩm cũng tạo ra ứng suất nội. Ngoài ra còn có ứng suất cấu trúc và ứng suất phá khuôn, nhưng tỷ lệ của chúng nhìn chung là nhỏ.
II. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo ra ứng suất bên trong nhựa
1. Độ cứng của chuỗi phân tử
Độ cứng của chuỗi phân tử càng lớn thì độ nhớt nóng chảy càng cao và khả năng di động của chuỗi phân tử polymer càng kém. Vì vậy, khả năng phục hồi từ biến dạng đàn hồi thuận nghịch kém, dễ dẫn đến ứng suất dư bên trong. Ví dụ, một số polyme chứa vòng benzen trong chuỗi phân tử của chúng, chẳng hạn như PC, PPO và PPS, có các sản phẩm tương ứng có ứng suất bên trong cao hơn.
2. Phân cực chuỗi phân tử
Độ phân cực của chuỗi phân tử càng lớn thì lực hút giữa các phân tử càng mạnh, khiến cho việc di chuyển giữa các phân tử trở nên khó khăn hơn và giảm mức độ phục hồi khỏi biến dạng đàn hồi thuận nghịch, dẫn đến ứng suất dư bên trong cao hơn. Ví dụ, một số loại nhựa chứa các nhóm phân cực như nhóm carbonyl, este và nitrile trong chuỗi phân tử của chúng có các sản phẩm tương ứng có ứng suất bên trong cao hơn.
3. Tác dụng cản trở không gian của các nhóm thay thế
Thể tích của các nhóm thế ở các nhóm bên của đại phân tử càng lớn thì càng cản trở sự chuyển động tự do của chuỗi đại phân tử, dẫn đến ứng suất dư bên trong tăng lên. Ví dụ, nhóm phenyl trong polystyrene có thể tích lớn hơn, dẫn đến ứng suất bên trong cao hơn trong các sản phẩm polystyrene.
III. Ba phương pháp để kiểm tra ứng suất bên trong các bộ phận đúc phun
1. Phương pháp dung môi
► Ngâm axit axetic
Axit axetic (CH3COOH) được sử dụng phải từ 95% trở lên và số lần thử lặp lại không quá 10.
① Kiểm tra độ bền bề mặt: Đổ axit axetic (axit axetic băng) vào hộp thủy tinh và ngâm hoàn toàn sản phẩm vào axit axetic trong 30 giây. Sau 30 giây, dùng kẹp lấy mẫu ra và rửa ngay bằng nước sạch (có thể dùng nước máy). Quan sát bề mặt mẫu xem có bị trắng và nứt không.
Phán quyết: Không nên có vết nứt. Cho phép làm trắng nhẹ bề mặt.
② Kiểm tra ứng suất bên trong: Sau khi làm khô mẫu đã vượt qua bài kiểm tra ứng suất bề mặt, hãy ngâm hoàn toàn mẫu vào axit axetic trong 2 phút. Sau 2 phút, lấy mẫu ra và rửa ngay bằng nước sạch (có thể dùng nước máy). Quan sát mẫu xem có bị trắng và nứt không.
Phán quyết: Không nên có sự đổ vỡ. Cho phép có các vết nứt nhỏ ở phần chèn và làm trắng bề mặt.
►Phương pháp ngâm metyl etyl xeton (MEK) + axeton
Nhúng toàn bộ máy vào hỗn hợp MEK và axeton theo tỷ lệ 1:1 ở 21 độ. Lấy ra và vắt khô ngay lập tức. Kiểm tra như mô tả ở trên.
Nguyên lý: Dựa vào hiện tượng nứt ứng suất trung bình, các phân tử dung môi thẩm thấu vào giữa các đại phân tử nhựa, làm giảm lực liên phân tử. Các khu vực có ứng suất bên trong cao đã có lực liên kết phân tử yếu đi trước khi ngâm; những lực suy yếu này càng giảm đi sau khi ngâm, dẫn đến nứt. Các khu vực có ứng suất bên trong thấp sẽ không bị nứt trong thời gian ngắn.
Do đó, cường độ và vị trí của ứng suất bên trong bộ phận được mạ có thể được xác định theo thời gian và mức độ nứt trên bề mặt. Điều này xác định xem phần nhựa có nên được mạ điện hay không.
2. Phương pháp nhạc cụ
Chiếu sáng phần nhựa bằng ánh sáng phân cực. Phân tích cường độ ứng suất bên trong bằng cách quan sát lượng dải sáng màu. Phương pháp này chỉ áp dụng cho các phần trong suốt. Phương pháp ánh sáng phân cực đòi hỏi thiết bị đắt tiền, vận hành phức tạp và có độ chính xác thấp do những thay đổi của bộ phận trước và sau khi xử lý là không đáng kể. Các dải sáng xuất hiện trên quang phổ không nhất thiết là do ứng suất bên trong; ví dụ, gợn sóng bề mặt cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm.
Phương pháp này không ảnh hưởng đến chức năng của bộ phận nên đây là phương pháp thử nghiệm không{0}}phá hủy. Các bộ phận đã vượt qua bài kiểm tra có thể tiếp tục mạ điện và sử dụng.
3. Phương pháp thay đổi nhiệt độ đột ngột
Phương pháp này liên quan đến việc làm nóng và làm mát bộ phận nhựa nhiều lần, đồng thời đánh giá mức độ ứng suất bên trong dựa trên thời gian để các vết nứt xuất hiện. Nó phù hợp cho các bộ phận đúc nhựa khác nhau. Phương pháp thay đổi nhiệt độ đột ngột đòi hỏi thiết bị đơn giản nhưng thời gian thử nghiệm tương đối dài.
Phần nhựa sau khi kiểm tra bị hư hỏng và không thể sử dụng lại được.
IV. Loại bỏ căng thẳng nội bộ
Tương tự như kim loại, các sản phẩm nhựa cũng có thể được loại bỏ một số ứng suất thông qua-quy trình "ủ" sau đúc, giống như kim loại. Tuy nhiên, đây chỉ là biện pháp tạm thời khi quy trình thiết kế, sản xuất không đáp ứng được yêu cầu và không được khuyến khích áp dụng như một phương pháp thông thường.
Phương pháp này có một số hạn chế:
1. Nó không thể loại bỏ một cách hiệu quả các khuyết tật trong chất độn sợi thủy tinh;
2. Các thử nghiệm cho thấy rằng trong quá trình gia nhiệt sau{1}}đúc, độ bền và khả năng kháng hóa chất của vật liệu giảm xuống, đòi hỏi phải có thời gian ủ được kiểm soát để ngăn ngừa hỏng hóc;
3. Việc gia nhiệt và ủ kéo dài làm tăng đáng kể giá thành của sản phẩm cuối cùng;
4. Gia nhiệt và làm mát ổn định trong quá trình ủ là rất quan trọng để tránh sốc nhiệt do thay đổi nhiệt độ nhanh chóng.
