透明塑膠光學產品的殘留應力定性分析

■劉文斌/ACMT

殘留應力定性分析

隨著產業的不斷進步,台灣塑膠成型業已從早期低層次民生用品,發展到近年來蓬勃發展的電子電器、光電生醫等產業的精密產品,然而現階段由於傳統產業大量外移,整個經濟大環境已迫使台灣塑膠成型業者,必須思考如何開創更高附加價值之產品。例如近幾年來在政府及業者共同努力下,光電產業已成為一項明星產業,舉凡平面顯示器、導光板、背光板、光纖連接器、光波導、 塑膠光學鏡片、精密微小射出成型產品等,都有許多廠商爭先投入。

在蓬勃發展的光電產業中,透明性塑膠材料的使用佔了相當大的比重,例如具高透光率的PMMA、PC、 mCOC…等都是經常被使用到的透明性塑膠,對於透明性塑膠在成型過程中,往往需要藉由高剪切速率來加速成形,或藉由高溫來降低材料熔融黏度以利加工,然而拌隨衍生的成型加工殘留應力問題,常會影響到產品的物性與應用,此問題已經越來越受成型加工業者重視, 主要是因為殘留應力除了會影響塑膠成品尺寸精度要求外,同時也會造成光學特性的改變,另外對於後續加工, 例如塗佈、電鍍、熔接等製程都會造成嚴重影響。所以 如何觀測塑膠光學產品的內部殘留應力,是目前光電產 業上相當重要且需求的技術。

圖1: 射出成品厚度方向微觀結構 圖2: 射出成品厚度方向分子排向程度

 

 

前言

當塑膠成品在使用上發生了破裂或破壞時,就材料力 學的觀點而言,此現象即表示該塑膠件在破壞區域 上,所承受之總應力值超過了材料本身之物性強度值。

因此要解決成品在使用上的破損問題,就應該從 如何增加材料物性強度或從如何減少成品應力值來著 手。塑膠製品承受的應力作用通常可依應力來源區分為外部應力及內部應力兩種,外部應力是成品在使用時所遭受之外力作用,此部分將視產品應用場合而定,通常是無法控制其程度,一般產品設計者會依照常態之外部應力值,乘上一安全系數值來設計產品之強度。而內部應力通常是成品在加工成型過程中所產 生而留存在成品內部。所以要有效解決及控制塑膠成品之破壞問題,唯有降低應力作用或提高材料強度兩種方法,然而對於塑膠成型加工業者而言,如何使用較適當之加工條件,來防止材料強度降低及避免在加工時產生過大殘留內部應力則是最重要之議題。殘留應力就是在塑膠成型過程中,因加工條件造成分子結構不是處在其最低能量的最穩定狀態下,分子鏈可能是受到流動定向影響或是受到周圍分子鏈之冷卻拘束,而呈現不穩定之高能態,既是分子鏈有應力作用其上。所以一但有外界能量再度給於此受應力作用之 分子鏈,則此分子將極易釋放出應力而達到其最穩定 之組態。此塑膠成品中的殘留應力通常是不易藉由肉眼才觀察到,往往是在成品後加工時發生問題或是在使用時產生破壞,所以塑膠加工成型業者如何在成型階段或是在加工生產線上,藉由成品之觀測來迅速獲得殘留應力之分佈資訊是目前加工上相當需要的技術。

在一般塑膠射出成型加工過程中,由成品厚度方向來觀察,可以發現成品可依分子鏈之微觀結構差異不同,來區分不同之區域,如圖(1)所示既為厚度方向 的微觀結構。其中A層表示固化層,B層是流動高剪切層,C層是熔膠流動層,A層為塑料充填時緊貼兩側模壁,瞬間冷卻固化的高分子鏈定向層,此部分會因為射出成型之噴流效應,而使分子鏈排向方向與流動方向相反,而B層是塑料充填時緊靠A層固化層的高剪切區域所形成的分子鏈定向層,由於與A層具有最大之速度差,所以會形成最大之剪切流動應力效果,塑料充填結束時本區定向層尚未完全凝固,而外層之A層固化定向層有絕熱效果,使B層熱散失不至過快,另外由於高剪切作用會產生剪切加熱作用, 所以本區也是溫度最高之區域。而C層因熔膠高溫及冷卻時間足夠,分子鏈有足夠時間鬆弛定向,故無高分子鏈定向行為,高分子鏈彼此之間較無剪切作用現象,若產品厚度有變化,則主要會影響C層厚度,若是薄件成品則C層的厚度將會變小。圖(2)是沿厚度方向分子定向程度之分佈情況。

除了在成品厚度方向上下表面有一薄層固化層外,大部分區域是屬於熔膠流動層,而這區域主要之內部應力形成是由於不均勻冷卻造成,塑膠件厚度方向之冷卻是由與模壁接觸之成品表面開始向成品內部延伸, 所以中心層是最慢冷卻之位置。

所以當塑膠成品成型 後,開始進行冷卻階段時,在某一特定位置上之分子 鏈會受到其外部已冷卻收縮之分子鏈牽引,所以會感受到早先冷卻收縮之分子鏈的拉伸應力。所以嚴格來 看在成品厚度方向靠近表面之區域,分子鍊是處在壓縮應力狀況,而內部區域是處於拉伸應力狀況。圖(3) 是射出成品厚度方向應力分佈情況。

圖3: 射出成品厚度方向應力分佈狀況 圖4: 應力偏光裝置量測應力原理

 

二、殘留應力的影響

塑膠成型過程所產生之殘留應力,除了會影響成品在 使用上的強度外,尤其在某些二次後加工上(例如噴 塗、電鍍等)都會造成問題。殘留應力對塑膠成品的影響常見的有下列幾種:首先是成品的外觀尺寸變形及翹曲問題,由於剪切流動造成分子鏈的排向或是由於成品幾何造成流動的定向效果,在成品脫模時容易因應力鬆弛而造成尺寸發生變形,另外由於成品尺寸的不對稱性或在成品厚度方向冷卻收縮的不平衡性, 所形成的熱應力都將造成成品在離模後發生翹曲變形現象。此現像對於尺寸精密度有要求或有組裝搭接性 需求之塑膠射出件成品,將會是一大問題。
再則塑膠件在使用上比例最高的破壞型式,當屬環境應力破壞(Environment Stress Cracking, ESC) ─例如太陽UV光照射破壞、環候老化破壞、氣候性乾濕冷熱循環破壞等等,對此塑膠殘留應力也會造成環境應力破壞的加速。其他像塑膠件的蠕變性破壞、疲勞性 破壞等,都會因為殘留應力存在而加速加快其破壞產 生。另外塑膠件在成型過程中所產生的殘留應力,容 易因為外界給於能量或驅動力來產生應力鬆弛效果, 所以在塑膠成型業中最常見用來消除塑膠內部殘留應力之方法,即是退火(annealling) 程序,即是將塑膠成品放入烘箱中或給於所需熱量,使定向分子鏈獲得能量而能再次去相互重排以達到最低能量之穩定結構,而應力鬆弛的驅動力除了熱能外,機械能、光能、 化學能(溶劑作用)都可以達到同樣效果,然而在應力鬆弛同時也要考量成品尺寸變形之嚴重性。一般殘留內部應力常常會造成成品在使用上或二次加工上發生問題,例如表面接著、表面電鍍或表面塗裝等工法, 都會因為成品表面高度分子定向之高應力情況,而產生界面的不相容性。另外如接觸到溶劑、化學品等也 會造成在應力區域的加速劣化。

 
圖5: 應力偏光觀測裝置 圖6: 應力偏光觀測可有效觀察高應力區域

 

三、應力偏光檢測之理論基礎

光的產生是藉由電荷振動所釋放之輻射波,光束同時 具有粒子及波動之特性,所以光波可在真空中傳遞是 屬於電磁波之一種。然而由於光可以向四面八方照 射,所以若以自然光來做一些如乾射、繞射等分光觀 測時,將會因為各方向光波的互相干擾而無法辨識。 因此為方便於光譜觀測及便於以簡單數學方程式來表 示,所以一般常用單方向之光波來作為光源,而此單 方向光源是利用將白光光源,通過一單方向之光學偏光片,使其通過之光波都固定在一特定方向上。我們可以簡單拿兩片光學偏光片,依前後放置在一白光光源前, 當白光通過第一片偏光片時已成一單方向光波,若旋轉第二片偏光片觀察時,將會發現當兩片偏光片成平行時,可見到白光通過;但若兩片成垂直時, 則呈黑暗無光線通過。在存有應力之塑膠材料中,在 平面上可將應力分成兩個主軸應力,使材料具有兩不同的折射率。 因此光要通過此材料時,沿二個主應力 方向振動的光波彼此有不同的速率,穿出材料時,則 會有相對相位差產生。

而此相位差正比於平面上的兩個主軸應力之差值。所謂應力光學定律是指一透明塑膠材料當受應力時,其折射率會隨著所受應力變化而改變,當物體的應力狀態和光交互作用,則可由光彈條紋可推知物體的應力狀態。光彈性量測應力的方法其主要優點在於可了解 外力作用瞬間或成形定型後,測試品整體的應力場分 布,可實際用於產品QC檢測上。透明塑膠材料遭受 應力時將產生雙折射現象,當光線穿透具雙折射率材 料時,光在材料內 進行的速度也會不同。 當偏極光進入有應力作用之雙折射材料時,光線會分為較快速及較慢速,其速度差相對距離則稱為相位差 或遲延 (retardation,R)。在單色的光彈條紋中,粗線 的地方代表該點之主應力方向與x軸(或y軸)平行。因此兩道光之相位差為整數波長,因而造成光場之明暗條紋,光場之條紋可以肉眼觀察,條紋越密集的地方,表示應力愈大,亦即是應力集中的地方,也是材料發生破壞時最先開始之處,圖(4)是應力偏光儀量測觀察應力之原理。圖(5)是應力偏光觀測裝置。

 

四、應力偏光裝置觀測透明塑膠件殘留應力

對於光電產業常使用的透明性塑膠材料,目前最簡易可用來觀察材料內部殘留應力之方法,就是使用穿透式應力偏光裝置,來觀測光線通過透明塑膠件後所呈現之明暗干涉條紋,如圖(6)所示。此方法是一種非破壞性的定性觀測方法,主要是利用塑膠受應力作用下之光彈特性,
來觀測材料的雙折射率變化情形。此主要是應用Brewster的光彈性定律理論,對於受應力作用而產生應變之高分子材料,其在空間中對光線的折射率將會有方向性的不同,換言之,也就是說塑膠材料在不同方向所受之應力分量不同,其在這些方向所表現之折射率也會不同,
而其折射率之差異會與所受之應力程度成正比。當射出模溫接近或超過塑膠之Tg溫度時,可有效消除雙折射現象,此既是由於流動 所誘發之分子定向現象,可藉由使用較高模溫來使得 分子有足夠動能及足夠時間來鬆弛分子應力。此可藉 由將透明試片置於兩片正交之偏光板間,
可觀察到較無散射之彩色光環,既有較多區域呈現黑暗顏色,既 分子結構較無殘留應力存在。塑膠是由長度很長之高分子鏈所組成,所以就微觀角度而言,在分子鏈平行與垂直方向所表現之物性並不一致,此就是高分子鏈的異方向特性(anisotropic), 然而就整體高分子材料而言,因分子鏈間相互糾結成一團狀結構,所以單一分子鏈之異方向特性將不易被察覺;然而若因塑膠材料在加工時所形成之應力,將造成分子鏈之高度定向作用,則塑膠材料之異方向性將會顯現,利用材料內部應力產生之雙折射率,可用來觀察入射光因前進速度之差異所產生之相位差干涉條紋,藉此來反推內部應力之分佈情形。

圖(7)至圖(9)是一些透明塑膠成品之應力偏光觀測照 片,圖(7)是PC材料射出平板成品,退火前後之應力 偏光觀測。而圖(8)及圖(9)是多種透明性塑膠材料之 圓片成品,在有無經過偏光照射時之應力分佈觀察情 況,由此可明顯得知不同塑膠對成型應力之敏感性。

圖7: 熱回火(annealing) 可有效減少殘留應力 圖8: 不同透明塑膠材料試片肉眼觀測結果  圖9: 不同透明塑膠材料試片應力偏光觀測結果

五、结論

所以應力偏光觀測透明塑膠殘留應力技術是一相相當簡易之定性觀測方法,可使成型加工業者在生產線上迅速獲得應力分佈之資訊,可迅速調整成型加工參數之設定,減少成品的殘留應力及減少產生破壞之可能性。 ■

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