葛　勇，王　韬，厉　蕾

（北京航空材料研究院，北京１０００９５）

摘要：采用正交实验法考察了不同注射成型工艺参数对聚碳酸酯（ＰＣ）残余应力的影响，结果表明：熔体温度对残余应力影响最大，冷却时间和模具温度次之，注射压力影响最小。熔体温度升高，分子链快速松弛，残余应力减小。同时试样浇口附近处的残余应力较大且分布集中，沿熔体流动方向，残余应力逐渐减小。对于不同成型工艺，残余应力的分布趋势

基本相同。

关键词：注射成型；聚碳酸酯；残余应力；光程差

随着光学制件在实际生产应用中使用要求的提高，低光学畸变、角偏差尤其是低双折射的光学性能越发重要。而在光学件的实际成型加工过程中，聚合物需经历一个复杂的热历史，其产生的残余应力是影响光学性能的重要原因之一。通常残余应力分为流动残余应力和热残余应力两种，其中流动残余应力是在充填和保压阶段因聚合物分子链不完全松弛发生取向而产生的；热残余应力是由聚合物熔体的不均匀冷却所致，靠近模具表面的熔体产生压应力，而内层熔体产生张应力。研究表明在制品纵向方向上，残余应力是以抛物线形状分布的，且存在一零应力层界于表层压应力和内层张应力之间，零应力层的位置与成型制品的厚度并无明显关系。与热残余应力相比，流动残余应力要小几个数量级，但光学件光学性能的各向异性主要受“冻结”的分子取向影响，因此，对流动残余应力的研究也不容忽视。

针对光学件残余应力的影响机理及工艺优化，国内外学者对材料所受的热历史［４，５］、加工成型方式［２，６－８］及成型工艺参数［９－１１］开展了一系列研究。Ｃｈｅｎ等在采用数值模拟方法研究注射成型参数对制品双折射的影响时发现，熔体温度和“冻结层”厚度是决定残余应力的主要因素。Ｌｅｅ等的研究结果表明，双折射及外层区域热引发的残余应力受熔体温度、保压压力和保压时间的影响较为显著，而内层区域热残余应力受成型参数的影响较小。与传统的注射成型相比，注射压缩成型能有效地减小因流动引发的残余应力，其双折射值更低而且均匀。在注射压缩成型的压缩阶段，因熔体的反向流动会使双折射的分布发生改变。此外，退火也可以有效地减小制件的内应力，研究发现退火工艺不同，残余应力的变化也不同，初始退火温度对应力的变化起决定性作用。虽然对于光学件成型过程中残余应力的影响因素研究较多，但是大多集中于数值模拟以及制品纵向方向双折射的定性分布，而针对注射制品流动平面内双折射的分布以及定量测量的研究鲜见报道。

本工作针对注射成型聚碳酸酯（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＰＣ）光学件的残余应力展开研究，采用正交实验方差分析考察注射成型工艺参数对ＰＣ残余应力的影响，利用双折射测定仪对ＰＣ残余应力进行定量测量，分析了制品流动平面残余应力的分布规律。

１ 实验材料与方法

１．１ 注射成型试样制备

实验所用原料为美国ＧＥ公司生产的ＯＱ２７２０聚碳酸酯，熔融指数为７．５ｇ／１０ｍｉｎ（ＡＳＴＭ　Ｄ１２３８，３００℃／１１．７６Ｎ），使用ＨＴＦ１１０Ｘ／１Ｊ型注射机。首先将ＰＣ粒料放入鼓风干燥箱内，粒料铺层厚度为１０～１５ｍｍ，在１２０℃下干燥４～８ｈ后，注射成型为直径５０ｍｍ，厚３ｍｍ边缘浇口的试样，如图１所示。本实验采用四因素三水平Ｌ９（３４）正交实验方法分析注射成型参数对ＰＣ残余应力的影响，所选的成型参数分别为熔体温度、模具温度、注射压力和冷却时间，表１列出了各因素参数及其水平。实验中其余成型参数保持恒定，其中注射速度为１２５ｍｍ／ｓ、保压压力为５０ＭＰａ、保压时间为４０ｓ。

１．２ 残余应力测试方法

大多数非晶体的透明材料，当其受到应力时，由原来的光学各向同性变为各向异性，呈现出类似晶体的光学特性。只要载荷存在，此种效应通常都会保持下去，而当载荷卸去之后，效应也会随之消失，该种现象称为暂时双折射或人工双折射。当光线通过具有双折射的透明物体时，偏光状态会发生改变，折射率亦会发生变化。因而通过对光线透过物体前后偏光状态的比较，可以对物体的双折射进行分析。聚合物的应力大小与双折射存在应力－光性定律的正比关系：

ｎ１－ｎ２ ＝Ｃ（σ１－σ２） （１）

式中：ｎ１－ｎ２是双折射值；σ１－σ２是应力值；Ｃ 是应力光学系数，是材料的固有属性。

当光线透过具有双折射的物体时，产生的光程差与双折射之间的关系可表示为：

Ｒ ＝ （ｎ１－ｎ２）ｄ （２）

式中：Ｒ 是光程差；ｄ 是试样的厚度。联立公式（１），（２）可得，光程差与残余应力之间的关系为：

Ｒ ＝Ｃｄ（σ１－σ２） （３）

采用ＷＰＡ－１００双折射测定仪对ＰＣ的残余应力进行定性定量测量，测量的应力结果以光程差表示。

２ 实验结果与分析

２．１ 注射成型参数对ＰＣ残余应力的影响

实验测量的不同注射成型条件下ＰＣ试样的残余应力结果如表２所示，测量结果包括９组试样各自的最小光程差、最大光程差和平均光程差。本工作选取试样的平均光程差为考察对象，表２中Ｓ 为因素的离差平方和。

为了考察各成型参数对ＰＣ残余应力的影响程度以及各因素对光程差的贡献度，本工作采用方差分析（Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖａｒｉａｎｃｅ，ＡＮＯＶＡ）对结果进行处理。

ＤＯＦ（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ）为各因素的自由度，贡献度（Ｐ）是各因素的离差平方和所占总离差平方和的比例，其值可以用来考察各因素对ＰＣ残余应力的影响程度。各因素的离差平方和、自由度、平均离差平方和（Ｖ）和贡献度列于表３。结果表明，熔体温度对ＰＣ残余应力的影响最大，其贡献度为７４．１７％；冷却时间和模具温度次之，其贡献度分别为１２．２５％和９．１２％；注射压力的影响则最小，贡献度仅为４．４６％。这是因为在常规的加工条件下，聚碳酸酯熔体流动行为非常接近于牛顿流体，熔体黏度主要与温度有关。

图２示出了熔体温度、模具温度、注射压力和冷却时间对ＰＣ光程差的影响。从图２可以看出，熔体温度从２８０℃升至３２０℃时，ＰＣ试样的光程差从７７８ｎｍ降至５３９ｎｍ；模具温度从６０℃升至１００℃时，ＰＣ试样的光程差从７００ｎｍ降至６１６ｎｍ。熔体温度升高，分子链运动加快，分子间的作用力减弱，分子链松弛程度增大，故而冻结应力减小。

ＰＣ光程差随注射压力变化的趋势为先增大后减小，其原因可能是注射压力与熔体温度耦合作用的结果。当注射压力较低时，随注射压力增大，熔体密实度增大，黏度增加，熔体分子取向增大，残余应力增加；当注射压力较大时，增大注射压力会导致熔体温度升高，因而残余应力降低。冷却时间延长可以有效地降低ＰＣ的光程差，但降低的趋势越来越小，这可能是因为冷却时间延长能让ＰＣ分子链的松弛程度增大，减小了因冷却过快造成的应力冻结。然而当ＰＣ 分子链松弛到一定程度后，其再受冷却时间的影响程度降低，光程差的降低趋势减弱。根据图２ 中所示，本实验优选出的注射成型工艺为Ａ３Ｂ３Ｃ３Ｄ３，但还需进一步的实验验证。

２．２ ＰＣ试样的残余应力分布分析

图３为９组ＰＣ试样残余应力条纹分布图，可以直观地看出，所有试样的彩色条纹从浇口处出发，沿充填流动的方向排布。每个试样浇口位置处的残余应力较大，沿流动方向逐渐减小。应力彩色条纹呈弯向浇口的弧形排布，且弧形曲率沿流动方向逐渐减小，逐步接近于直线，这主要是由于沿熔体流动方向，模腔内压力逐渐降低。

图４为Ｓ７和Ｓ９试样的双折射及其方向分布图，可以更能清楚地看出在浇口附近，双折射方向呈弧形分布，且在浇口周围、填充末端以及试样边缘附近处，双折射的方向倾向于流动方向，而在整个试样的中心部分基本呈直线分布。出现该种现象的原因是熔体在圆形模腔内的流动速度不一致，在浇口附近及填充末端处，熔体流经的空间区域较窄，流速较大，分子链沿流动方向的取向增大，因而双折射倾向于流动方向分布。试样边缘处双折射方向倾向于流动方向的原因是，熔体进入模腔后发生不均匀冷却，靠近模具壁的熔体冷却较快，熔体黏度增大，流动阻力增大；而中心区域熔体冷却慢，熔体黏度小，流动阻力小。因此，熔体Ｓ４和Ｓ８曲线对应的双峰向远离浇口位置发生了偏移。出现双峰现象可能为流动残余应力与热残余应力耦合作用的结果，在靠近浇口处，流动残余应力大且对的流动从模具壁向中心层方向存在温度梯度，其流速由零至最大。故而在试样边缘处，熔体分子发生沿流动方向的取向，导致双折射方向倾向于流动方向。

为了进一步掌握残余应力沿流动方向的分布规律，实验对Ｓ１，Ｓ４和Ｓ８试样进行了残余应力定量测量。图５是Ｓ１，Ｓ４和Ｓ８试样沿经过浇口的直径方向的光程差线性分析图，可以看出，三条曲线的走向趋势基本一致，都包含两个应力峰。但稍有不同的是，Ｓ１，总应力的贡献大，因而出现第一个应力峰；离浇口越远，流动残余应力减小，但其对总应力的贡献也降低，相反热残余应力对总应力的贡献增加，并且热残余应力比流动残余应力大几个数量级，故而出现了第二个应力峰值。三条曲线应力峰发生偏移的原因是这三种ＰＣ试样的注射工艺参数不同，引起试样的双折射发生变化。由２．１节的分析结果可知，试样残余应力影响的主导因素是熔体温度，熔体温度高，分子链松弛快，应力小。在远离浇口的位置方向上，熔体的温度逐渐降低，且在不同试样对应的相同位置处，Ｓ８的熔体温度最高，Ｓ４次之，Ｓ１最小，故而曲线的峰向远离浇口处发生偏移。

图６是Ｓ８试样的残余应力３Ｄ分布图，由图６可见，整个试样的应力分布非常不均匀，应力集中区域主要在浇口附近，且浇口位置处中心部分出现较低值，而两侧及浇口前方的应力较大。在浇口附近处出现应力集中的现象，原因为熔体一旦进入模腔与模具接触后，开始冷却形成一个固化层，且与模具壁接触的时间延长，固化层厚度随之增加，因此浇口附近处的固化层比远离浇口区域的固化层厚，这会导致浇口附近处的熔体流动速度急剧变化，在经过浇口的直径方向上流动速度最大，相应的剪切速率和剪切应力增大，光程差增加［１０］。浇口前方及两侧应力较大的原因是在保压阶段初期，浇口处熔体的流动速度很慢且温度很高，应力能够快速地松弛。浇口两侧及前方虽然流动更慢，但是此时熔体的温度较低，需要的松弛时间更长，这就导致应力不能快速松弛而发生冻结。

３ 结论

（１）熔体温度对ＰＣ残余应力的影响最大，其次是冷却时间和模具温度，而注射压力的影响则最小。提高熔体温度可以较大程度地降低ＰＣ试样的光程差；提高模具温度、延长冷却时间亦能有效地减小ＰＣ的残余应力，但减小程度较弱。

（２）不同成型参数下制得的ＰＣ试样其残余应力分布趋势基本相同，稍有不同的是注射成型条件的改变，使得ＰＣ试样的残余应力分布发生了整体偏移。

（３）在ＰＣ试样的浇口及边缘处，双折射方向倾向于流动方向，分子的取向增大。试样的残余应力分布极不均匀，应力主要集中在浇口附近处，且离浇口越远，光程差越小。

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