這次與大家聊一聊PC/ABS產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力開裂的問題。噴漆開裂和環(huán)境應(yīng)力開裂兩者不同，噴漆開裂的應(yīng)力來源主要是注塑殘余應(yīng)力，對(duì)象特指噴漆件；而環(huán)境應(yīng)力開裂的應(yīng)力來源分為機(jī)械應(yīng)力（后文中會(huì)詳細(xì)介紹）和殘余應(yīng)力兩種，一般為不噴漆件。相較于ABS材料來說，PC/ABS產(chǎn)品發(fā)生環(huán)境應(yīng)力開裂（Environment Stress Crack，以下簡(jiǎn)稱ESC）的可能性更高一些。

表1 應(yīng)力開裂的分類

一、環(huán)境應(yīng)力開裂（ESC）

ESC是指塑料制件，在有應(yīng)力存在條件下受化學(xué)試劑作用發(fā)生的分子鏈斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致制件的開裂失效。這是一種溶劑誘導(dǎo)型的破壞，是化學(xué)試劑和應(yīng)力協(xié)同作用的結(jié)果。研究表明，塑料零部件使用過程中的破損問題，其中約25％屬于環(huán)境應(yīng)力開裂ESC問題。

1.應(yīng)力類型

由定義可知，產(chǎn)生ESC重要的因素是：持續(xù)的應(yīng)力+化學(xué)試劑誘導(dǎo)。應(yīng)力分為兩種：機(jī)械應(yīng)力和殘余應(yīng)力。

1）機(jī)械應(yīng)力：是指在使用過程中，產(chǎn)品一直處于機(jī)械應(yīng)力的作用下。比如螺絲對(duì)螺孔部位的擠壓應(yīng)力、工作中結(jié)構(gòu)件的受力等，都屬于機(jī)械應(yīng)力的范疇；

2）殘余應(yīng)力：是指由于注塑工藝/產(chǎn)品結(jié)構(gòu)/模具結(jié)構(gòu)等原因所造成的應(yīng)力殘留。化學(xué)試劑不會(huì)直接引起化學(xué)作用或分子降解。實(shí)際上，是化學(xué)試劑滲透到分子結(jié)構(gòu)并損害了聚合物鏈的內(nèi)分子力，從而加快分子斷裂。

圖 1 PC/ABS車燈開裂

2.開裂過程

ESC開裂包含了流體吸收（制件使用過程中接觸到的揮發(fā)性溶劑，甚至是空氣）、細(xì)紋出現(xiàn)、裂紋擴(kuò)展和破壞四個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)ESC破損有以下兩個(gè)典型的特征：

1）脆性斷裂：ESC損壞是由脆性斷裂造成，作為ESC損壞開始的開裂點(diǎn)，總發(fā)生在表面。他們往往是高應(yīng)力區(qū)域所在，如：微觀缺損點(diǎn)或應(yīng)力集中點(diǎn)。此初始開裂點(diǎn)一般總是直接與氣態(tài)或液態(tài)活性化學(xué)試劑接觸。

2）多重開裂：起初多個(gè)單點(diǎn)開裂，隨后連接成一個(gè)統(tǒng)一斷裂，眾多的原始開裂和隨后聯(lián)合是ESC破損機(jī)理的寫照。

二、PC/ABS材料ECS開裂問題改良方向

了解ESC產(chǎn)生的原理之后，如何改良PC/ABS的ESC開裂問題呢？制件的使用環(huán)境（包含環(huán)境中可能接觸的溶劑、結(jié)構(gòu)件需要承受的力等）無法改變，因此改良方向可以分以下四方面進(jìn)行：

1.材料耐化學(xué)性改良
提高PC/ABS材料的耐化學(xué)性，比如：選用丙烯腈含量較高的ABS和耐化學(xué)性改良的PC原料作為改性基材等；

2.制件產(chǎn)品設(shè)計(jì)改良
避免因不良產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良而導(dǎo)致的應(yīng)力問題；

3.注塑殘余應(yīng)力改良
選用流動(dòng)性更高的PC/ABS材料，以及注塑工藝向低殘余應(yīng)力方向調(diào)整；

4.機(jī)械應(yīng)力改良
對(duì)于有螺絲柱進(jìn)行裝配的制件，需要更好的考量螺絲與螺孔的配合問題，設(shè)計(jì)上在保證鉚合強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量的降低螺柱周邊的應(yīng)力。

三、耐環(huán)境開裂測(cè)試方法

1.定拉伸負(fù)荷法

在一定的溫度和拉伸負(fù)荷下，測(cè)試材料的失效情況。
 

每個(gè)條件下的試樣需要至少5組，樣品一般為ISO標(biāo)準(zhǔn)的拉伸樣條，尺寸有特定要求。樣品的接觸測(cè)試試劑前需要記錄尺寸及外觀狀態(tài)。測(cè)試材料在不同的暴露時(shí)間、負(fù)重（應(yīng)力）、溫度下，質(zhì)量、尺寸、外觀及拉伸性能發(fā)生的變化。

2.彎曲樣條法

將樣品固定在一定弧度治具上，測(cè)定一定實(shí)驗(yàn)時(shí)間后材料的性能惡化情況。

該法適合片狀樣品的耐環(huán)境應(yīng)力開裂測(cè)試，尤其是樣品的局部對(duì)應(yīng)力開裂的敏感性?？捎脕頇z測(cè)氣體、液體以及含有可遷移物質(zhì)（如聚合物膠黏劑、增塑劑等）的固態(tài)物質(zhì)對(duì)特定材料環(huán)境應(yīng)力開裂的影響。
根據(jù)材料本身性質(zhì)的差異或使用條件的不同，可以選擇不同的應(yīng)變條件（圖3）。測(cè)試樣品根據(jù)需要密封在容器中、放置在室溫環(huán)境中或烘箱中。達(dá)到測(cè)試時(shí)間后，將樣品從測(cè)試環(huán)境中移除測(cè)試所需要的性能。拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率是非常典型的測(cè)試項(xiàng)目。一般習(xí)慣用這種方法來表征在測(cè)試時(shí)間內(nèi)材料應(yīng)力松弛較小的材料的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能。

氣態(tài)或者液態(tài)作用試劑具有較強(qiáng)的滲透能力，膏狀作用試劑也能滲透到據(jù)材料表層2-3mm的深度。而如果作用試劑存在彈性體、塑料片等固體介質(zhì)中，一般會(huì)將待測(cè)試介質(zhì)夾在兩片實(shí)驗(yàn)之間（圖4）進(jìn)行試驗(yàn)，保證固態(tài)介質(zhì)和實(shí)驗(yàn)材料之間的接觸有一定的壓力。

圖4 彎曲樣條法三明治夾樣法

3.圓球或頂針插入法

具體方法為在材料上預(yù)制一個(gè)圓孔，用比圓孔略大的圓球或頂針插入預(yù)制的圓孔，給材料施加恒定的應(yīng)變，并將插有圓球或頂針的樣品放入作用試劑中，觀察材料的失效情況。在測(cè)試條件下，施加的應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生微裂紋并快速的發(fā)展成可視的裂紋。

通過觀察圓球或頂針附近的裂紋情況或后續(xù)材料的性能變化來檢測(cè)材料對(duì)特定化學(xué)試劑的耐受性。該法適用于模塑或切割成型的制件或樣品。這種方法快速而準(zhǔn)確，更適合于無定型材料。對(duì)于半結(jié)晶性材料頂針法比圓球法更適合。

注：與其他測(cè)試方法相比，球壓法對(duì)材料近表面的各向異性更不敏感，更適合評(píng)估材料在化學(xué)試劑下的應(yīng)力開裂情況。頂針法更適合已成型制件或厚度小的樣品，頂針法要求實(shí)樣厚度大于1mm，圓球法要求試料厚度大于2mm，理想厚度是4mm。

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