塑膠螺絲柱開(kāi)裂是一種比較常見(jiàn)的塑膠結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，解決螺絲柱開(kāi)裂是一件棘手的事情，因?yàn)橐坏┌l(fā)生開(kāi)裂，很難通過(guò)后續(xù)手段進(jìn)行補(bǔ)救，令人頭疼且“恐懼”的是，此開(kāi)裂現(xiàn)象不像其他塑膠件缺陷一樣可以在注塑出來(lái)后馬上可以發(fā)現(xiàn)，很多情況是剛開(kāi)始并沒(méi)有開(kāi)裂（或者已經(jīng)開(kāi)裂，只是裂痕微小，肉眼察覺(jué)不出來(lái)），等到真正開(kāi)裂時(shí)，塑膠件已經(jīng)到達(dá)產(chǎn)線，或者已經(jīng)組裝好產(chǎn)品出貨了。因此這種開(kāi)裂往往難以預(yù)測(cè)，且產(chǎn)生的后果可能是毀滅性的。

螺絲柱，是塑膠產(chǎn)品的一種緊固結(jié)構(gòu)，螺絲柱開(kāi)裂導(dǎo)致緊固功能降低甚至失效，實(shí)際表現(xiàn)為，產(chǎn)品過(guò)不了跌落測(cè)試，產(chǎn)品內(nèi)部功能件脫落導(dǎo)致?lián)p壞等問(wèn)題，這是很嚴(yán)重的問(wèn)題，它不同于一般的外觀性問(wèn)題（如：縮水、批鋒、劃傷等），外觀性問(wèn)題通常不會(huì)影響產(chǎn)品的功能，而螺絲柱開(kāi)裂問(wèn)題最終會(huì)影響產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)。

螺絲柱開(kāi)裂現(xiàn)象一般發(fā)生在脆性材料、應(yīng)力敏感材料或易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的材料中，常見(jiàn)的有PS、ABS、PC、PC/ABS合金等，特別是PC材料，PC這種材料你會(huì)發(fā)現(xiàn)它可以跟多種材料共混組成合金：PC+ABS、PC+PS、PC+PBT、PC+PET等。

PC塑膠螺絲柱開(kāi)裂有兩種情形：

1. 光孔螺絲柱打自攻螺絲后開(kāi)裂；

2. 模內(nèi)植入銅螺母后開(kāi)裂。

其實(shí)開(kāi)裂的本質(zhì)原因就是材料內(nèi)部力（主要為抗開(kāi)裂力和內(nèi)應(yīng)力）的不平衡導(dǎo)致，這種不平衡分大小和方向不平衡（應(yīng)力集中），當(dāng)抗開(kāi)裂力和內(nèi)應(yīng)力平衡時(shí)，產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象；而當(dāng)抗開(kāi)裂力小于內(nèi)應(yīng)力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂。

抗開(kāi)裂力，這個(gè)力的大小取決于分子鏈的長(zhǎng)短，鏈間的纏結(jié)數(shù)目，分子鏈之間的作用力等等。

內(nèi)應(yīng)力，主要是指在塑料熔融加工過(guò)程中由于受到大分子鏈的取向和冷卻收縮等因素影響而產(chǎn)生的一種內(nèi)在應(yīng)力。主要有取向內(nèi)應(yīng)力和收縮內(nèi)應(yīng)力。

01  

取向內(nèi)應(yīng)力

取向的機(jī)理：是指聚合物在外力作用下，分子鏈沿力場(chǎng)方向有序排列的現(xiàn)象。

取向需要靠外力的作用才能實(shí)現(xiàn)，而解取向是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。因此取向態(tài)是一非平衡狀態(tài)，一旦外力除去，鏈段或大分子鏈便自發(fā)解取向而回復(fù)到原狀。就像一根被拉伸的彈簧一樣，當(dāng)作用于彈簧的力去除，彈簧就會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)。因此，若想得到取向材料，必須在取向后迅速降溫到聚合物的玻璃化溫度以下，將鏈段或大分子鏈凍結(jié)。當(dāng)然凍結(jié)狀態(tài)屬于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)，只是具有相對(duì)的穩(wěn)定性，時(shí)間溫度都可能影響其取向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

取向的特點(diǎn)：各向異性

未取向時(shí)，大分子鏈和鏈段的排列是隨機(jī)的，因此呈現(xiàn)各向同性。

取向后，由于在取向方向上原子之間的作用力以化學(xué)鍵為主，而在與之垂直的方向上，原子之間的作用力以范德華力為主，因而呈現(xiàn)各項(xiàng)異性。

具體表現(xiàn)為，材料在力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能上取向前后產(chǎn)生顯著的差別。比如在取向方向上能提高其拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，但在取向垂直方向上其拉伸強(qiáng)度有所下降，沖擊強(qiáng)度也有所降低，所以說(shuō)分子取向有方向性。

取向的優(yōu)缺點(diǎn)：這種取向的方向性在不同的成型工藝或制品上是有好處和壞處的。

塑料加工在高彈態(tài)時(shí)易控制分子取向性，在粘流態(tài)時(shí)不易控制分子取向性。擠出成型是塑料在高彈態(tài)下加工，可控制拉伸倍數(shù)、牽引力和速度，如塑料絲、膜、管、片和板等制品，其在拉伸方向上的強(qiáng)度得到了提高。注射成型是塑料在粘流態(tài)下加工，分子取向無(wú)序，受力的大小不同，凍結(jié)速度不一樣，造成制品各處的內(nèi)應(yīng)力大小不同，易發(fā)生變形翹曲甚至開(kāi)裂，所以注射成型加工不希望有較大的凍結(jié)分子取向性。

取向內(nèi)應(yīng)力：塑膠材料分子鏈在注塑成型過(guò)程中由于受到高壓和高剪切力作用導(dǎo)致分子鏈發(fā)生劇烈變化，在分子未完全回復(fù)亂序及松弛的自然狀態(tài)前即遭凍結(jié)，從而導(dǎo)致殘留取向應(yīng)力。

PC的分子式

尤以一些分子鏈中含有苯環(huán)的聚合物最為明顯，如PC、PPO、PPS等，此類聚合物分子鏈剛性比較大，熔體粘度高，聚合物分子鏈活動(dòng)性差，因而對(duì)于發(fā)生的可逆高彈形變恢復(fù)性差，也就是解取向困難，（普通塑膠材料在注塑成型后，很快就自發(fā)實(shí)現(xiàn)解取向，取向應(yīng)力?。?，但是PC類材料在成型后解取向困難，此時(shí)取向應(yīng)力會(huì)一直存在，當(dāng)抗開(kāi)裂力和內(nèi)應(yīng)力平衡時(shí)，產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，但隨著環(huán)境因素（溫度、外力）的變化，當(dāng)抗開(kāi)裂力變小或者內(nèi)應(yīng)力+外應(yīng)力的合力大于抗開(kāi)裂力時(shí)，就會(huì)打破平衡狀態(tài)，就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，這也是為什么PC類制品成型時(shí)還好好的，而存放一段時(shí)間后就開(kāi)裂的原因之一。

這里就可以解釋為什么PC料光孔螺絲柱打自攻螺絲后開(kāi)裂的問(wèn)題。

基于上面講過(guò)的導(dǎo)致開(kāi)裂主要原因是因?yàn)榭归_(kāi)裂力和內(nèi)應(yīng)力平衡性被打破，由于內(nèi)應(yīng)力在成型后不會(huì)無(wú)緣無(wú)故增大，所以無(wú)非就是抗開(kāi)裂能力降低，或者是引入了外應(yīng)力（自攻螺絲擠壓應(yīng)力），這種開(kāi)裂現(xiàn)象也稱環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂。

環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂是塑料制品在使用中因特殊介質(zhì)(腐蝕性介質(zhì)、溶劑和某種氣體)和應(yīng)力的共同作用產(chǎn)生許多小裂紋，甚至發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。以上定義可見(jiàn)產(chǎn)生環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂具有兩個(gè)非常重要的條件，一個(gè)是特殊介質(zhì)，另一個(gè)是應(yīng)力。

引起塑料制件發(fā)生環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂的特殊介質(zhì)包括有機(jī)溶劑、水、某些表面活性劑和臭氧等。介質(zhì)不會(huì)直接引起化學(xué)作用或分子降解，實(shí)際上，是介質(zhì)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，最終導(dǎo)致抗開(kāi)裂能力降低。因此，應(yīng)避免螺絲上涂敷有防銹油、螺紋緊固劑等有機(jī)溶劑，同時(shí)也要避免制品接觸其他引起制品裂紋的介質(zhì)。

引起塑料制件發(fā)生環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂的應(yīng)力分為兩種，機(jī)械應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力是指在使用過(guò)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。因此，為了減小機(jī)械應(yīng)力，應(yīng)合理設(shè)計(jì)螺絲孔處的配合結(jié)構(gòu)。

其中有幾個(gè)比較關(guān)鍵的地方：

1. 螺絲柱的內(nèi)徑，如是硬膠，應(yīng)比正常情況偏大一點(diǎn)；

2. 螺絲柱外徑，如果沒(méi)法做大一些，需考慮加一字筋或十字筋；

3. 螺絲柱內(nèi)孔深度，為了有足夠空間容納塑膠屑，內(nèi)孔深度需比螺絲長(zhǎng)度深一些；

4. 螺絲導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，為了防止螺絲斜打，支柱上須做限位結(jié)構(gòu)，螺絲柱內(nèi)孔頂端做斜角導(dǎo)向；

5. 裝配過(guò)程中螺絲刀的扭矩需要根據(jù)螺絲大小匹配，避免扭力過(guò)大導(dǎo)致開(kāi)裂；

6.選用合適的自攻螺絲，可減小應(yīng)力集中。

02收縮內(nèi)應(yīng)力

收縮內(nèi)應(yīng)力，也稱熱應(yīng)力，是塑料制品在熔融加工過(guò)程中因冷卻定型時(shí)收縮不均勻而產(chǎn)生的一種內(nèi)應(yīng)力。

1. 由于塑膠結(jié)構(gòu)問(wèn)題，即使有冷卻系統(tǒng)，但也難以做到制品各個(gè)部位冷卻速率相同，所以冷卻收縮內(nèi)應(yīng)力很難避免的，尤其是對(duì)厚壁塑料制品，在打開(kāi)前模后，塑料制品的外層首先冷卻凝固收縮，其內(nèi)層包裹在后模芯可能還是熱熔體，這樣芯層就會(huì)限制表層的收縮，導(dǎo)致芯層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而表層處于拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)制品頂出后，具體表現(xiàn)為，制品會(huì)往內(nèi)擠壓變形。

2. 如果同在后模側(cè)的結(jié)構(gòu)，比如螺絲柱，由于螺絲柱內(nèi)外冷卻速率相差不大，成型后并不會(huì)發(fā)生往內(nèi)孔擠壓的變形。

3. 如果是模內(nèi)植入沒(méi)經(jīng)過(guò)預(yù)熱的銅螺母等金屬嵌件進(jìn)行注塑，此時(shí)螺絲柱的內(nèi)孔與外壁的冷卻速率不同，注塑成型后，螺絲柱會(huì)往內(nèi)孔收縮緊緊抱住銅螺母，由于塑料與銅螺母等金屬嵌件的熱膨脹系數(shù)存在很大的差異，塑件內(nèi)的銅螺母嵌件的收縮率相比塑膠收縮可看似為零，此時(shí)銅螺母會(huì)妨礙螺絲柱的整體收縮，由此產(chǎn)生的收縮應(yīng)力會(huì)很大，銅螺母四周會(huì)聚集大量的收縮應(yīng)力，如果這種收縮應(yīng)力大于塑膠的抗開(kāi)裂能力，就會(huì)引起塑件表面產(chǎn)生細(xì)微裂紋。這種細(xì)微的裂紋對(duì)于一般的塑膠還好，但是對(duì)于PC類的塑膠，本身對(duì)缺口極其敏感，如果這種微型裂紋沒(méi)有得到及時(shí)終止，就會(huì)慢慢拓展為大的裂紋，直到開(kāi)裂。

這也是為什么模內(nèi)植入銅螺母后沒(méi)發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂，過(guò)一段時(shí)間才發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂的原因。（當(dāng)然，以上只是原因之一，可能還存在其他原因）

解決這一問(wèn)題，可以考慮從減小收縮應(yīng)力或提高塑膠抗開(kāi)裂能力方面入手：

1. 在預(yù)埋前，對(duì)銅螺母進(jìn)行預(yù)熱，使得螺絲柱內(nèi)外壁冷卻速率接近，減小收縮應(yīng)力；

2. 對(duì)銅螺母進(jìn)行表面脫脂化處理，可以防止油脂加速制品的應(yīng)力開(kāi)裂；

3. 一件制品中不宜預(yù)埋過(guò)多銅螺母，否則塑膠在料筒中停留的時(shí)間過(guò)程，容易發(fā)生降解，降低塑膠的抗開(kāi)裂能力；

4. 銅螺母的花紋或形狀最好選用具有圓滑特征的螺母，減小應(yīng)力集中；

5. 螺絲柱螺絲柱外徑適當(dāng)加大，如果沒(méi)法做大，需考慮加一字筋或十字筋來(lái)加強(qiáng)螺絲柱的強(qiáng)度；

如果以上方法還是無(wú)法解決，可以考慮通過(guò)后續(xù)熱壓或超聲波等埋入方案：塑膠件中金屬螺紋嵌件的類型及埋入方法。

03為了減小后續(xù)出現(xiàn)螺絲柱開(kāi)裂問(wèn)題，可以從以下方面考慮

1. 塑膠原材料的選擇

a）選取分子量大、分子量分布窄的樹(shù)脂?

聚合物分子量越大，大分子鏈間作用力和纏結(jié)程度增加，其制品抗應(yīng)力開(kāi)裂能力較強(qiáng)；聚合物分子量分布越寬，其中低分子量成分越大，容易首先形成微觀撕裂，造成應(yīng)力集中，使制品開(kāi)裂。?

b）降低水口料或再生料的添加成分

對(duì)于吸水性樹(shù)脂及摻用再生料較多的樹(shù)脂，因?yàn)槲詷?shù)脂加熱后會(huì)分解脆化，較小的殘余應(yīng)力就會(huì)引起脆裂，而再生料含量較高的樹(shù)脂中雜質(zhì)較多，易揮發(fā)物含量較高，材料的強(qiáng)度比較低，也容易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂。?

c）共混改性?

易出現(xiàn)應(yīng)力開(kāi)裂的樹(shù)脂與適宜的其它樹(shù)脂共混，可降低內(nèi)應(yīng)力的存在程度。例如，在PC中混入適量ABS、PBT、PET等對(duì)提高PC的抗應(yīng)力開(kāi)裂都有明顯的幫助。??

d）增強(qiáng)改性?

用增強(qiáng)纖維進(jìn)行增強(qiáng)改性，可以降低制品的內(nèi)應(yīng)力，這是因?yàn)槔w維纏結(jié)了很多大分子鏈，?從而提高應(yīng)力開(kāi)裂能力。例如，30%GFPC的耐應(yīng)力開(kāi)裂能力比純PC提高6倍之多，但是需要注意的是添加填料不易偏多，否則樹(shù)脂材料容易變脆。

e）添加其他添加劑?

在塑料中加入適宜的抗氧劑，可以緩解或阻止樹(shù)脂材料在加工或使用過(guò)程中的氧化降解，提高其機(jī)械性能和耐老化性能。 

2. 降低制品的取向內(nèi)應(yīng)力

分子取向性隨著分子鏈越長(zhǎng)越多取向性越大，并受壓力，凍結(jié)溫度和時(shí)間的變化而變化?？稍谶x成型工藝上進(jìn)行調(diào)整和控制，來(lái)減小注塑制品的分子取向性。

a）提高熔體和模具溫度，使取向效應(yīng)降低。

b）降低注射壓力，保壓壓力和時(shí)間，分子取向性降低。

c）澆口減小制品的分子取向性小.?

d）制品壁簿、模具溫度極低，制品來(lái)不及取向就冷卻，取向效應(yīng)減少。?

e）快速?zèng)_模時(shí)熔體在高剪切力的作用下，熔體溫度升高，粘度降低，模具型腔被迅速?zèng)_滿并快速冷卻，取向力也小。

3. 降低制品的收縮內(nèi)應(yīng)力

這里主要考慮從模具冷卻水路上進(jìn)行優(yōu)化，較小由于冷卻不均形成的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于預(yù)埋金屬嵌件，進(jìn)行必要的預(yù)熱處理。

4. 制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺絲柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)上面已有提到，這里就不復(fù)述。

5. 減少或避免制品接觸引起環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂的介質(zhì)

在制品成型后，從包裝、運(yùn)輸、組裝、使用的過(guò)程中，盡量避免制品接觸一些引起環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂的有機(jī)溶劑、氣體等物質(zhì)。

6. 對(duì)制品進(jìn)行必要的退火熱處理

塑料制品的熱處理是指將成型制品在一定溫度下停留一段時(shí)間而消除內(nèi)應(yīng)力的方法。

一般是把制品浸在熱油或熱水中，也可在熱風(fēng)循環(huán)中，按塑料品種的不同，調(diào)節(jié)退火溫度并保持一段時(shí)間即可完成退火。退火溫度一般低于制品熱變形溫度10-20℃或在玻璃化溫度附近，退火溫度過(guò)高制品易變形，溫度過(guò)低不能達(dá)到退火效果。

特別需要注意的是，退火后的產(chǎn)品應(yīng)自然緩慢冷卻，不可以采取速冷的方法。 另外，退火熱處理法最好在成型后立即進(jìn)行，這種效果最好。

這里又有個(gè)問(wèn)題，怎么知道成型后的制品螺絲柱會(huì)不會(huì)應(yīng)力開(kāi)裂？

這里就需要在前期做應(yīng)力開(kāi)裂檢查了，比如對(duì)于PC料，在室溫下，將打入螺絲或埋入銅螺母的PC制品浸入冰醋酸或四氯化碳溶液中，以螺絲柱發(fā)生開(kāi)裂破壞所需的時(shí)間來(lái)判斷應(yīng)力的大小，時(shí)間越長(zhǎng)則應(yīng)力越小。如果浸5-15秒就開(kāi)裂，說(shuō)明應(yīng)力很大；如果浸1-2分鐘不出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明內(nèi)應(yīng)力很小。