تنش داخلی در پلاستیک به تنش ذاتی ناشی از پردازش پلاستیک مذاب به دلیل عواملی مانند جهت گیری زنجیره های ماکرومولکولی و انقباض خنک کننده اشاره دارد.
جوهر تنش داخلی، ترکیب نامتعادلی است که توسط زنجیرههای ماکرومولکولی در طی فرآیند مذاب ایجاد میشود. این ترکیب نامتعادل نمی تواند بلافاصله پس از سرد شدن و انجماد به یک ترکیب تعادلی سازگار با شرایط محیطی بازگردد. این ترکیب نامتعادل اساساً یک تغییر شکل برگشت پذیر و بسیار الاستیک است. این تغییر شکل الاستیک منجمد معمولاً به عنوان انرژی پتانسیل در محصول پلاستیکی ذخیره می شود. در شرایط مناسب، این ترکیب اجباری و ناپایدار به یک ترکیب آزاد و پایدار تبدیل میشود و انرژی پتانسیل به صورت انرژی جنبشی آزاد میشود.
هنگامی که نیروها و نیروهای درهمتنیدگی بین زنجیرههای ماکرومولکولی نتوانند این انرژی جنبشی را تحمل کنند، تعادل تنش داخلی مختل میشود و محصول پلاستیکی ترک خوردگی تنش و تغییر شکل تابخوردگی را نشان میدهد.
I. علل استرس داخلی در پلاستیک
1. جهت گیری استرس داخلی
تنش داخلی جهتگیری، یک تنش داخلی است که زمانی ایجاد میشود که جهتگیری زنجیرههای ماکرومولکولی در امتداد جهت جریان در طول فرآیندهای جریان، پر کردن و نگه داشتن{0} فشار پلاستیک مذاب منجمد شود.
فرآیند دقیق تولید تنش جهت گیری به شرح زیر است: مذاب در نزدیکی دیواره دونده به سرعت سرد می شود و باعث افزایش ویسکوزیته لایه مذاب بیرونی می شود. این منجر به سرعت جریان بسیار بالاتری در لایه هسته حفره قالب در مقایسه با لایه سطحی می شود که منجر به تنش برشی بین لایه های داخلی و در نتیجه جهت گیری در امتداد جهت جریان می شود.
انجماد کردن زنجیرههای ماکرومولکولی جهتیافته در محصولات پلاستیکی نشاندهنده وجود تغییر شکل غیرآرام، برگشتپذیر و بسیار الاستیک است. بنابراین، تنش جهتگیری نیروی داخلی است که زنجیرههای ماکرومولکولی را برای انتقال از یک ترکیب جهتدار به یک ترکیب غیر جهتدار هدایت میکند. عملیات حرارتی می تواند تنش جهت گیری را در محصولات پلاستیکی کاهش یا از بین ببرد.
توزیع تنش جهتگیری در محصولات پلاستیکی از سطح به لایههای داخلی کاهش مییابد و یک تغییر سهموی را نشان میدهد.
2. استرس خنک کننده
تنش خنک کننده یک تنش داخلی است که در محصولات پلاستیکی در طی فرآیند مذاب به دلیل انقباض ناهموار در هنگام سرد شدن و گیرش ایجاد می شود. مخصوصاً برای محصولات پلاستیکی با دیوار{1} ضخیم، لایه بیرونی ابتدا سرد و جامد می شود، در حالی که لایه داخلی ممکن است هنوز ذوب داغ باشد، منقبض می شود. این لایه هسته انقباض لایه سطحی را محدود می کند و در نتیجه لایه هسته تحت تنش فشاری و لایه سطحی تحت تنش کششی قرار می گیرد.
توزیع تنش داخلی خنک کننده در محصولات پلاستیکی از سطح به لایه داخلی افزایش می یابد و یک تغییر سهموی را نشان می دهد.
علاوه بر این، محصولات پلاستیکی با درج های فلزی به دلیل تفاوت قابل توجهی در ضرایب انبساط حرارتی بین فلز و پلاستیک، مستعد تنش داخلی انقباض ناهموار هستند.
علاوه بر دو نوع اصلی تنش داخلی که در بالا ذکر شد، چندین نوع دیگر نیز وجود دارد: برای محصولات پلاستیکی کریستالی، تفاوت در ساختار کریستالی و کریستالی بودن بخشهای مختلف محصول نیز باعث ایجاد تنش داخلی میشود. تنشهای سازهای و تنشهای قالبگیری نیز وجود دارد، اما نسبت آنها به طور کلی کم است.
II. عوامل موثر بر ایجاد استرس داخلی در پلاستیک
1. صلبیت زنجیره مولکولی
هرچه سفتی زنجیره مولکولی بیشتر باشد، ویسکوزیته مذاب بالاتر است و تحرک زنجیره مولکولی پلیمری ضعیف تر است. بنابراین، بازیابی از تغییر شکل الاستیک برگشت پذیر ضعیف است و به راحتی منجر به تنش داخلی باقی مانده می شود. به عنوان مثال، برخی از پلیمرهای حاوی حلقه های بنزن در زنجیره های مولکولی خود، مانند PC، PPO و PPS، محصولات مربوطه با تنش داخلی بالاتری دارند.
2. قطبیت زنجیره مولکولی
هرچه قطبیت یک زنجیره مولکولی بیشتر باشد، جاذبه بین مولکولی قویتر میشود و حرکت بین مولکولی را دشوارتر میکند و درجه بازیابی از تغییر شکل الاستیک برگشتپذیر را کاهش میدهد و در نتیجه تنش درونی پسماند بالاتری ایجاد میکند. به عنوان مثال، برخی از پلاستیکهای حاوی گروههای قطبی مانند گروههای کربونیل، استر و نیتریل در زنجیرههای مولکولی خود، محصولات مربوطه با تنش داخلی بالاتری دارند.
3. اثر مانع استریک گروه های جایگزین
هرچه حجم گروههای جایگزین در گروههای جانبی ماکرومولکول بیشتر باشد، مانع حرکت آزاد زنجیره ماکرومولکولی میشود که منجر به افزایش تنش درونی پسماند میشود. به عنوان مثال، گروه فنیل در پلی استایرن دارای حجم بیشتری است و در نتیجه تنش داخلی بالاتری در محصولات پلی استایرن ایجاد می کند.
III. سه روش برای تست تنش داخلی در قطعات قالب گیری تزریقی
1. روش حلال
▶ غوطه وری در اسید استیک
اسید استیک (CH3COOH) مورد استفاده باید 95 درصد یا بیشتر باشد و تعداد آزمایشات مکرر نباید از 10 تجاوز کند.
① تست استرس سطحی: اسید استیک (اسید استیک یخبندان) را در ظرف شیشه ای ریخته و محصول را به مدت 30 ثانیه به طور کامل در اسید استیک غوطه ور کنید. پس از 30 ثانیه نمونه را با گیره بردارید و بلافاصله با آب تمیز بشویید (آب لوله کشی قابل قبول است). سطح نمونه را از نظر سفیدی و ترک مشاهده کنید.
قضاوت: نباید ترک خورده باشد. سفید شدن جزئی سطح مجاز است.
② تست استرس داخلی: پس از خشک شدن نمونه ای که تست تنش سطحی را گذرانده است، آن را به مدت 2 دقیقه کاملا در اسید استیک غوطه ور کنید. پس از 2 دقیقه نمونه را بردارید و بلافاصله آن را با آب تمیز بشویید (آب لوله کشی قابل قبول است). نمونه را از نظر سفیدی و ترک مشاهده کنید.
قضاوت: نباید شکسته شود. ترک های خفیف در درج و سفید شدن سطح مجاز است.
▶متیل اتیل کتون (MEK) + روش غوطه وری استون
کل دستگاه را به طور کامل در مخلوط 1:1 از MEK و استون در دمای 21 درجه فرو کنید. آن را بردارید و بلافاصله خشک کنید. همانطور که در بالا توضیح داده شد بازرسی کنید.
اصل: بر اساس پدیده ترک خوردگی تنش متوسط، مولکول های حلال بین ماکرومولکول های رزین نفوذ کرده و نیروهای بین مولکولی را کاهش می دهند. نواحی با تنش داخلی بالا در حال حاضر دارای نیروهای بین مولکولی ضعیف قبل از غوطه وری هستند. این نیروهای تضعیف شده پس از غوطه وری بیشتر کاهش می یابد و منجر به ترک خوردن می شود. نواحی با تنش داخلی کم در مدت زمان کوتاهی ترک نخواهند خورد.
بنابراین، میزان و محل تنش داخلی در قسمتی که قرار است آبکاری شود را می توان با زمان و میزان ترک خوردگی روی سطح تعیین کرد. این تعیین می کند که آیا قسمت پلاستیکی باید آبکاری شود یا خیر.
2. روش ابزاری
قسمت پلاستیکی را با نور پلاریزه روشن کنید. قدرت تنش داخلی را با مشاهده مقدار نوارهای نور رنگی تجزیه و تحلیل کنید. این روش فقط برای قطعات شفاف قابل استفاده است. روش نور پلاریزه به تجهیزات گران قیمت نیاز دارد، برای کار پیچیده است و دقت پایینی دارد زیرا تغییرات در قسمت قبل و بعد از درمان قابل توجه نیست. نوارهای نوری که در طیف ظاهر می شوند لزوماً به دلیل استرس داخلی نیستند. به عنوان مثال، امواج سطحی نیز می توانند بر نتایج آزمایش تأثیر بگذارند.
این روش هیچ تاثیری بر عملکرد قطعه ندارد و آن را به یک آزمایش غیرمخرب تبدیل میکند. قطعاتی که تست را پشت سر گذاشته اند می توانند آبکاری و استفاده را ادامه دهند.
3. روش تغییر ناگهانی دما
این روش شامل قرار دادن مکرر قسمت پلاستیکی در معرض گرمایش و سرمایش و ارزیابی میزان تنش داخلی بر اساس مدت زمانی است که طول می کشد تا ترک ها ظاهر شوند. برای قطعات مختلف قالب گیری پلاستیکی مناسب است. روش تغییر ناگهانی دما به تجهیزات ساده نیاز دارد، اما زمان آزمایش نسبتا طولانی است.
قسمت پلاستیکی پس از بازرسی آسیب دیده و قابل استفاده مجدد نیست.
IV. از بین بردن استرس درونی
مشابه فلزات، محصولات پلاستیکی نیز میتوانند از طریق فرآیند «پختزنی» پس از قالبگیری، مانند فلزات، مقداری تنش را از بین ببرند. با این حال، زمانی که فرآیندهای طراحی و ساخت نمی توانند الزامات را برآورده کنند، این تنها یک معیار توقف است و به عنوان یک روش معمولی توصیه نمی شود.
این روش چندین محدودیت دارد:
1. نمی تواند به طور موثر نقص در پرکننده های الیاف شیشه را از بین ببرد.
2. آزمایشها نشان میدهند که در طول{1}}گرمسازی پس از قالبگیری، استحکام و مقاومت شیمیایی مواد کاهش مییابد، و نیاز به زمان کنترلشده بازپخت برای جلوگیری از شکست دارد.
3. حرارت دادن و بازپخت طولانی مدت به طور قابل توجهی هزینه محصول نهایی را افزایش می دهد.
4. گرمایش و سرمایش پایدار در طول بازپخت برای جلوگیری از شوک حرارتی ناشی از تغییرات سریع دما بسیار مهم است.
