注塑成型中內部應力的微觀解釋

2025-09-04

簡單來說，內應力是指產品內部分子間在不受外力作用時所存在的相互平衡的應力。你可以把它想像成一塊塑膠被無形的手從各個方向拉扯或擠壓。

從微觀角度來看，這主要與快速冷卻過程中聚合物鏈（塑膠的基本組成單元，就像一團亂麻）的「強製凍結」有關；成型工藝具體來說，它可以分為兩類：

1.微觀本質：兩種類型的內在壓力

（1）流動誘導應力或分子取向應力

微觀過程：在 射出成型 在這個過程中，熔融塑膠在高壓下通過狹窄的澆口和流道高速注入模腔。這種強大的剪切力使原本纏結的聚合物鏈拉伸並沿著流動方向排列（就像一群混亂的人群突然被命令排成一列朝一個方向跑一樣）。

凍結效應：當熔體接觸到冰冷的模壁時，表面材料會瞬間冷卻凝固。這種冷卻速度非常快，以至於剛被拉伸和取向的聚合物鏈來不及恢復到其原本自然的捲曲和鬆弛狀態，而是被「凍結」在取向狀態。

應力產生：凍結的分子鏈如同拉伸的彈簧，儲存彈性位能，並強烈渴望回縮至捲曲狀態。然而，它們被周圍同樣固化的分子鏈牢牢束縛，阻止了回縮。這會在流動方向上產生固有的拉應力。這種取向效應在產品厚度增加以及表面與核心冷卻速率差異增加時更為顯著。

微觀過程：塑膠從熔融狀態（例如，高於200°C）冷卻至室溫時，會發生顯著的熱收縮。然而，這種冷卻過程並不均勻。當產品表面首次接觸模具時，由於表面快速冷卻凝固，體積相對保持恆定，因此會發生不均勻收縮。同時，產品內部的芯材則持續冷卻和收縮。

當芯材想要收縮時，由於凝固硬化的外殼（表皮）像「緊身衣」一樣限制了芯材的自由收縮，就會產生應力。結果是，芯材受到表皮的拉力，無法完全收縮，因此處於張力狀態；而表皮則受到芯材的擠壓，因此處於壓縮狀態。這就像一個熱餡餅：外皮先冷卻變硬，而餡料則繼續冷卻和收縮。最終，餡料會將外皮向中心拉扯，導致裂縫（如果應力過大）。