塑胶螺丝柱开裂现象分析及预防措施

螺丝柱开裂是一种比较常见的塑胶结构失效现象，解决螺丝柱开裂是一件棘手的事情，因为一旦发生开裂，很难通过后续手段进行补救，最令人头疼且“恐惧”的是，此开裂现象不像其他塑胶件缺陷一样可以在注塑出来后马上可以发现，很多情况是刚开始并没有开裂（或者已经开裂，只是裂痕微小，肉眼察觉不出来），等到真正开裂时，塑胶件已经到达产线，或者已经组装好产品出货了。因此这种开裂往往难以预测，且产生的后果可能是毁灭性的。

螺丝柱，是塑胶产品的一种紧固结构，螺丝柱开裂导致紧固功能降低甚至失效，实际表现为，产品过不了跌落测试，产品内部功能件脱落导致损坏等问题，这是很严重的问题，它不同于一般的外观性问题（如：缩水、批锋、划伤等），外观性问题通常不会影响产品的功能，而螺丝柱开裂问题最终会影响产品的功能实现。

螺丝柱开裂现象一般发生在脆性材料、应力敏感材料或易产生内应力的材料中，常见的有PS、ABS、PC、PC/ABS合金等，特别是PC材料，PC材料就像NBA的杜兰特，综合能力很强，但是对外界的舆论很敏感（应力敏感、有机溶剂敏感），心理容易受伤，时不时做出一些不恰当的回应（应力释放，开裂），真让人又爱又恨，又由于不自带体系且能力突出，可以做到无缝兼容大部分球队体系，如雷霆（杜+威）、勇士（杜+库）、篮网（杜+欧/哈），所以PC这种材料你会发现它可以跟多种材料共混组成合金：PC+ABS、PC+PS、PC+PBT、PC+PET等。

PC塑胶螺丝柱开裂有两种情形：

1. 光孔螺丝柱打自攻螺丝后开裂；

2. 模内植入铜螺母后开裂。

其实开裂的本质原因就是材料内部力（主要为抗开裂力和内应力）的不平衡导致，这种不平衡分大小和方向不平衡（应力集中），当抗开裂力和内应力平衡时，产品不会出现开裂现象；而当抗开裂力小于内应力时，就会出现开裂。

抗开裂力，这个力的大小取决于分子链的长短，链间的缠结数目，分子链之间的作用力等等。

内应力，主要是指在塑料熔融加工过程中由于受到大分子链的取向和冷却收缩等因素影响而产生的一种内在应力。主要有取向内应力和收缩内应力。

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取向内应力

取向的机理：是指聚合物在外力作用下，分子链沿力场方向有序排列的现象。

取向需要靠外力的作用才能实现，而解取向是一个自发的过程。因此取向态是一非平衡状态，一旦外力除去，链段或大分子链便自发解取向而回复到原状。就像一根被拉伸的弹簧一样，当作用于弹簧的力去除，弹簧就会恢复到初始状态。因此，若想得到取向材料，必须在取向后迅速降温到聚合物的玻璃化温度以下，将链段或大分子链冻结。当然冻结状态属于热力学非平衡状态，只是具有相对的稳定性，时间温度都可能影响其取向结构的稳定性。

取向的特点：各向异性

未取向时，大分子链和链段的排列是随机的，因此呈现各向同性。

取向后，由于在取向方向上原子之间的作用力以化学键为主，而在与之垂直的方向上，原子之间的作用力以范德华力为主，因而呈现各项异性。

具体表现为，材料在力学、光学和热学性能上取向前后产生显著的差别。比如在取向方向上能提高其拉伸强度和冲击强度，但在取向垂直方向上其拉伸强度有所下降，冲击强度也有所降低，所以说分子取向有方向性。

取向的优缺点：这种取向的方向性在不同的成型工艺或制品上是有好处和坏处的。

塑料加工在高弹态时易控制分子取向性，在粘流态时不易控制分子取向性。挤出成型是塑料在高弹态下加工，可控制拉伸倍数、牵引力和速度，如塑料丝、膜、管、片和板等制品，其在拉伸方向上的强度得到了提高。注射成型是塑料在粘流态下加工，分子取向无序，受力的大小不同，冻结速度不一样，造成制品各处的内应力大小不同，易发生变形翘曲甚至开裂，所以注射成型加工不希望有较大的冻结分子取向性。

取向内应力：塑胶材料分子链在注塑成型过程中由于受到高压和高剪切力作用导致分子链发生剧烈变化，在分子未完全回复乱序及松弛的自然状态前即遭冻结，从而导致残留取向应力。

PC的分子式

尤以一些分子链中含有苯环的聚合物最为明显，如PC、PPO、PPS等，此类聚合物分子链刚性比较大，熔体粘度高，聚合物分子链活动性差，因而对于发生的可逆高弹形变恢复性差，也就是解取向困难，（普通塑胶材料在注塑成型后，很快就自发实现解取向，取向应力小），但是PC类材料在成型后解取向困难，此时取向应力会一直存在，当抗开裂力和内应力平衡时，产品不会出现开裂现象，但随着环境因素（温度、外力）的变化，当抗开裂力变小或者内应力+外应力的合力大于抗开裂力时，就会打破平衡状态，就会出现开裂现象，这也是为什么PC类制品成型时还好好的，而存放一段时间后就开裂的原因之一。

这里就可以解释为什么PC料光孔螺丝柱打自攻螺丝后开裂的问题。

基于上面讲过的导致开裂主要原因是因为抗开裂力和内应力平衡性被打破，由于内应力在成型后不会无缘无故增大，所以无非就是抗开裂能力降低，或者是引入了外应力（自攻螺丝挤压应力），这种开裂现象也称环境应力开裂。

环境应力开裂是塑料制品在使用中因特殊介质(腐蚀性介质、溶剂和某种气体)和应力的共同作用产生许多小裂纹，甚至发生断裂的现象。以上定义可见产生环境应力开裂具有两个非常重要的条件，一个是特殊介质，另一个是应力。

引起塑料制件发生环境应力开裂的特殊介质包括有机溶剂、水、某些表面活性剂和臭氧等。介质不会直接引起化学作用或分子降解，实际上，是介质渗透到分子结构并损害了聚合物链的内分子力，从而加快分子断裂，最终导致抗开裂能力降低。因此，应避免螺丝上涂敷有防锈油、螺纹紧固剂等有机溶剂，同时也要避免制品接触其他引起制品裂纹的介质。

引起塑料制件发生环境应力开裂的应力分为两种，机械应力和内应力。机械应力是指在使用过程中，产品一直处于机械应力的作用下，比如螺丝对螺孔部位的挤压应力。因此，为了减小机械应力，应合理设计螺丝孔处的配合结构。

其中有几个比较关键的地方：

1. 螺丝柱的内径，如是硬胶，应比正常情况偏大一点；

2. 螺丝柱外径，如果没法做大一些，需考虑加一字筋或十字筋；

3. 螺丝柱内孔深度，为了有足够空间容纳塑胶屑，内孔深度需比螺丝长度深一些；

4. 螺丝导向结构，为了防止螺丝斜打，支柱上须做限位结构，螺丝柱内孔顶端做斜角导向；

5. 装配过程中螺丝刀的扭矩需要根据螺丝大小匹配，避免扭力过大导致开裂；

6.选用合适的自攻螺丝，可减小应力集中。

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收缩内应力

收缩内应力，也称热应力，是塑料制品在熔融加工过程中因冷却定型时收缩不均匀而产生的一种内应力。

1. 由于塑胶结构问题，即使有冷却系统，但也难以做到制品各个部位冷却速率相同，所以冷却收缩内应力很难避免的，尤其是对厚壁塑料制品，在打开前模后，塑料制品的外层首先冷却凝固收缩，其内层包裹在后模芯可能还是热熔体，这样芯层就会限制表层的收缩，导致芯层处于压应力状态，而表层处于拉应力状态。当制品顶出后，具体表现为，制品会往内挤压变形。

2. 如果同在后模侧的结构，比如螺丝柱，由于螺丝柱内外冷却速率相差不大，成型后并不会发生往内孔挤压的变形。

3. 如果是模内植入没经过预热的铜螺母等金属嵌件进行注塑，此时螺丝柱的内孔与外壁的冷却速率不同，注塑成型后，螺丝柱会往内孔收缩紧紧抱住铜螺母，由于塑料与铜螺母等金属嵌件的热膨胀系数存在很大的差异，塑件内的铜螺母嵌件的收缩率相比塑胶收缩可看似为零，此时铜螺母会妨碍螺丝柱的整体收缩，由此产生的收缩应力会很大，铜螺母四周会聚集大量的收缩应力，如果这种收缩应力大于塑胶的抗开裂能力，就会引起塑件表面产生细微裂纹。这种细微的裂纹对于一般的塑胶还好，但是对于PC类的塑胶，本身对缺口极其敏感，如果这种微型裂纹没有得到及时终止，就会慢慢拓展为大的裂纹，直到开裂。

这也是为什么模内植入铜螺母后没发现开裂，过一段时间才发现开裂的原因。（当然，以上只是原因之一，可能还存在其他原因）

解决这一问题，可以考虑从减小收缩应力或提高塑胶抗开裂能力方面入手：

1. 在预埋前，对铜螺母进行预热，使得螺丝柱内外壁冷却速率接近，减小收缩应力；

2. 对铜螺母进行表面脱脂化处理，可以防止油脂加速制品的应力开裂；

3. 一件制品中不宜预埋过多铜螺母，否则塑胶在料筒中停留的时间过程，容易发生降解，降低塑胶的抗开裂能力；

4. 铜螺母的花纹或形状最好选用具有圆滑特征的螺母，减小应力集中；

5. 螺丝柱螺丝柱外径适当加大，如果没法做大，需考虑加一字筋或十字筋来加强螺丝柱的强度；

如果以上方法还是无法解决，可以考虑通过后续热压或超声波等埋入方案：塑胶件中金属螺纹嵌件的类型及埋入方法。

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为了减小后续出现螺丝柱开裂问题，可以从以下方面考虑

1. 塑胶原材料的选择

a）选取分子量大、分子量分布窄的树脂 

聚合物分子量越大，大分子链间作用力和缠结程度增加，其制品抗应力开裂能力较强；聚合物分子量分布越宽，其中低分子量成分越大，容易首先形成微观撕裂，造成应力集中，使制品开裂。 

b）降低水口料或再生料的添加成分

对于吸水性树脂及掺用再生料较多的树脂，因为吸水性树脂加热后会分解脆化，较小的残余应力就会引起脆裂，而再生料含量较高的树脂中杂质较多，易挥发物含量较高，材料的强度比较低，也容易产生应力开裂。 

c）共混改性 

易出现应力开裂的树脂与适宜的其它树脂共混，可降低内应力的存在程度。例如，在PC中混入适量ABS、PBT、PET等对提高PC的抗应力开裂都有明显的帮助。  

d）增强改性 

用增强纤维进行增强改性，可以降低制品的内应力，这是因为纤维缠结了很多大分子链， 从而提高应力开裂能力。例如，30%GFPC的耐应力开裂能力比纯PC提高6倍之多，但是需要注意的是添加填料不易偏多，否则树脂材料容易变脆。

e）添加其他添加剂 

在塑料中加入适宜的抗氧剂，可以缓解或阻止树脂材料在加工或使用过程中的氧化降解，提高其机械性能和耐老化性能。

2. 降低制品的取向内应力

分子取向性随着分子链越长越多取向性越大，并受压力，冻结温度和时间的变化而变化。可在选成型工艺上进行调整和控制，来减小注塑制品的分子取向性。

a）提高熔体和模具温度，使取向效应降低。

b）降低注射压力，保压压力和时间，分子取向性降低。

c）浇口减小制品的分子取向性小. 

d）制品壁簿、模具温度极低，制品来不及取向就冷却，取向效应减少。 

e）快速冲模时熔体在高剪切力的作用下，熔体温度升高，粘度降低，模具型腔被迅速冲满并快速冷却，取向力也小。

3. 降低制品的收缩内应力

这里主要考虑从模具冷却水路上进行优化，较小由于冷却不均形成的内应力。对于预埋金属嵌件，进行必要的预热处理。

4. 制品的结构设计

螺丝柱结构设计注意事项上面已有提到，这里就不复述。

5. 减少或避免制品接触引起环境应力开裂的介质

在制品成型后，从包装、运输、组装、使用的过程中，尽量避免制品接触一些引起环境应力开裂的有机溶剂、气体等物质。

6. 对制品进行必要的退火热处理

塑料制品的热处理是指将成型制品在一定温度下停留一段时间而消除内应力的方法。

一般是把制品浸在热油或热水中，也可在热风循环中，按塑料品种的不同，调节退火温度并保持一段时间即可完成退火。退火温度一般低于制品热变形温度10-20℃或在玻璃化温度附近，退火温度过高制品易变形，温度过低不能达到退火效果。

特别需要注意的是，退火后的产品应自然缓慢冷却，不可以采取速冷的方法。 另外，退火热处理法最好在成型后立即进行，这种效果最好。

这里又有个问题，怎么知道成型后的制品螺丝柱会不会应力开裂？

这里就需要在前期做应力开裂检查了，比如对于PC料，在室温下，将打入螺丝或埋入铜螺母的PC制品浸入冰醋酸或四氯化碳溶液中，以螺丝柱发生开裂破坏所需的时间来判断应力的大小，时间越长则应力越小。如果浸5-15秒就开裂，说明应力很大；如果浸1-2分钟不出现裂纹，说明内应力很小。

最后，如果螺丝柱真的开裂了，对于个别制品，可以通过打胶进行补救，如下图：

大家如果想了解更多的注塑产品缺陷知识，可参考以下这本书：