La contrainte interne dans les plastiques fait référence à une contrainte inhérente générée lors du traitement du plastique fondu en raison de facteurs tels que l'orientation des chaînes macromoléculaires et la contraction de refroidissement.
L'essence de la contrainte interne est la conformation déséquilibrée formée par les chaînes macromoléculaires lors du traitement en fusion. Cette conformation déséquilibrée ne peut pas revenir immédiatement à une conformation d'équilibre adaptée aux conditions environnementales lors du refroidissement et de la solidification. Cette conformation déséquilibrée est essentiellement une déformation réversible et hautement élastique. Cette déformation élastique gelée est normalement stockée dans le produit plastique sous forme d’énergie potentielle. Dans des conditions appropriées, cette conformation forcée et instable se transformera en une conformation libre et stable, et l'énergie potentielle sera libérée sous forme d'énergie cinétique.
Lorsque les forces et les forces d'enchevêtrement entre les chaînes macromoléculaires ne peuvent pas résister à cette énergie cinétique, l'équilibre des contraintes internes est perturbé et le produit en plastique présentera des fissures sous contrainte et des déformations.
I. Causes des contraintes internes dans les plastiques
1. Contrainte interne d’orientation
La contrainte interne d'orientation est une contrainte interne générée lorsque l'orientation des chaînes macromoléculaires le long de la direction d'écoulement est gelée pendant les processus d'écoulement, de remplissage et de maintien de la pression-du plastique fondu.
Le processus détaillé de génération de contraintes d'orientation est le suivant : La matière fondue près de la paroi du canal refroidit rapidement, provoquant une augmentation de la viscosité de la couche extérieure de matière fondue. Cela se traduit par une vitesse d'écoulement beaucoup plus élevée dans la couche centrale de la cavité du moule par rapport à la couche superficielle, entraînant une contrainte de cisaillement entre les couches internes et entraînant une orientation dans la direction de l'écoulement.
Le dégel des chaînes macromoléculaires orientées dans les produits en plastique signifie la présence d'une déformation non relâchée, réversible et hautement élastique. Par conséquent, la contrainte d'orientation est la force interne qui pousse les chaînes macromoléculaires à passer d'une conformation orientée à une conformation non orientée -. Le traitement thermique peut réduire ou éliminer les contraintes d'orientation dans les produits en plastique.
La répartition des contraintes d'orientation dans les produits en plastique diminue de la surface vers les couches internes, présentant un changement parabolique.
2. Stress de refroidissement
La contrainte de refroidissement est une contrainte interne générée dans les produits en plastique lors du traitement par fusion en raison d'un retrait inégal pendant le refroidissement et la prise. Surtout pour les produits en plastique à paroi épaisse-, la couche externe refroidit et se solidifie d'abord, se rétrécissant tandis que la couche interne peut encore être thermofusible. Cette couche centrale limite le retrait de la couche superficielle, ce qui fait que la couche centrale est soumise à une contrainte de compression et la couche superficielle est soumise à une contrainte de traction.
La répartition des contraintes internes de refroidissement dans les produits en plastique augmente de la surface vers la couche interne, présentant un changement parabolique.
De plus, les produits en plastique comportant des inserts métalliques sont sujets à des contraintes internes de retrait inégales en raison de la différence significative des coefficients de dilatation thermique entre le métal et le plastique.
Outre les deux principaux types de contraintes internes mentionnées ci-dessus, il existe plusieurs autres types : Pour les produits en plastique cristallin, les différences dans la structure cristalline et la cristallinité des différentes parties du produit génèrent également des contraintes internes. Il existe également des contraintes structurelles et des contraintes de démoulage, mais leur proportion est généralement faible.
II. Facteurs affectant la génération de contraintes internes dans les plastiques
1. Rigidité de la chaîne moléculaire
Plus la rigidité de la chaîne moléculaire est grande, plus la viscosité à l'état fondu est élevée et plus la mobilité de la chaîne moléculaire du polymère est faible. Par conséquent, la récupération après une déformation élastique réversible est médiocre, conduisant facilement à une contrainte interne résiduelle. Par exemple, certains polymères contenant des cycles benzéniques dans leurs chaînes moléculaires, tels que le PC, le PPO et le PPS, ont des produits correspondants présentant une contrainte interne plus élevée.
2. Polarité de la chaîne moléculaire
Plus la polarité d'une chaîne moléculaire est grande, plus l'attraction intermoléculaire est forte, ce qui rend le mouvement intermoléculaire plus difficile et réduit le degré de récupération après une déformation élastique réversible, ce qui entraîne une contrainte interne résiduelle plus élevée. Par exemple, certains plastiques contenant des groupes polaires tels que des groupes carbonyle, ester et nitrile dans leurs chaînes moléculaires ont des produits correspondants avec une contrainte interne plus élevée.
3. Effet d’entrave stérique des groupes substituants
Plus le volume des groupes substituants sur les groupes latéraux de la macromolécule est important, plus il entrave le libre mouvement de la chaîne macromoléculaire, entraînant une augmentation des contraintes internes résiduelles. Par exemple, le groupe phényle du polystyrène a un volume plus grand, ce qui entraîne des contraintes internes plus élevées dans les produits en polystyrène.
III. Trois méthodes pour tester la contrainte interne dans les pièces moulées par injection
1. Méthode au solvant
▶ Immersion dans l'acide acétique
L'acide acétique (CH3COOH) utilisé doit être égal ou supérieur à 95 % et le nombre de tests répétés ne doit pas dépasser 10.
① Test de contrainte de surface : versez de l'acide acétique (acide acétique glacial) dans un récipient en verre et plongez complètement le produit dans l'acide acétique pendant 30 secondes. Après 30 secondes, retirez l'échantillon avec des pinces et rincez-le immédiatement à l'eau claire (l'eau du robinet est acceptable). Observez la surface de l’échantillon pour déceler tout blanchiment et toute fissure.
Jugement : Il ne devrait y avoir aucune fissure. Un léger blanchiment de la surface est autorisé.
② Test de contrainte interne : après avoir séché l'échantillon qui a réussi le test de contrainte de surface, plongez-le complètement dans l'acide acétique pendant 2 minutes. Après 2 minutes, retirez l'échantillon et rincez-le immédiatement à l'eau claire (l'eau du robinet est acceptable). Observez l'échantillon pour le blanchiment et les fissures.
Jugement : Il ne devrait y avoir aucune casse. De légères fissures au niveau de l'insert et un blanchiment de la surface sont autorisés.
▶Méthyléthylcétone (MEK) + méthode d'immersion dans l'acétone
Plongez complètement l'ensemble de la machine dans un mélange 1:1 de MEK et d'acétone à 21 degrés. Retirer et essorer immédiatement. Inspectez comme décrit ci-dessus.
Principe : Basé sur le phénomène de fissuration sous contrainte moyenne, les molécules de solvant pénètrent entre les macromolécules de résine, réduisant ainsi les forces intermoléculaires. Les zones soumises à des contraintes internes élevées présentent déjà des forces intermoléculaires affaiblies avant l'immersion ; ces forces affaiblies sont encore réduites après immersion, conduisant à des fissures. Les zones à faible contrainte interne ne se fissureront pas en peu de temps.
Par conséquent, l'ampleur et l'emplacement de la contrainte interne dans la pièce à plaquer peuvent être déterminés par le moment et l'étendue de la fissuration sur la surface. Cela détermine si la pièce en plastique doit être galvanisée.
2. Méthode instrumentale
Éclairez la pièce en plastique avec une lumière polarisée. Analysez la force du stress interne en observant la quantité de bandes lumineuses colorées. Cette méthode n'est applicable qu'aux pièces transparentes. La méthode de la lumière polarisée nécessite un équipement coûteux, est complexe à mettre en œuvre et présente une faible précision car les changements survenus dans la pièce avant et après le traitement ne sont pas significatifs. Les bandes lumineuses apparaissant sur le spectre ne sont pas nécessairement dues à un stress interne ; par exemple, les ondulations de la surface peuvent également affecter les résultats des tests.
Cette méthode n'a aucun impact sur le fonctionnement de la pièce, ce qui en fait un test non-destructif. Les pièces qui ont réussi le test peuvent continuer la galvanoplastie et l'utilisation.
3. Méthode de changement soudain de température
Cette méthode consiste à soumettre la pièce en plastique à plusieurs reprises à un chauffage et à un refroidissement, et à évaluer l'ampleur des contraintes internes en fonction du temps nécessaire à l'apparition des fissures. Il convient à diverses pièces moulées en plastique. La méthode de changement soudain de température nécessite un équipement simple, mais la durée du test est relativement longue.
La pièce en plastique après inspection est endommagée et ne peut plus être utilisée.
IV. Élimination du stress interne
À l'instar des métaux, les produits en plastique peuvent également subir une certaine élimination des contraintes grâce à un processus de "recuit" post-moulage, tout comme les métaux. Cependant, il ne s’agit que d’une mesure provisoire lorsque les processus de conception et de fabrication ne peuvent pas répondre aux exigences, et cette méthode n’est pas recommandée comme méthode habituelle.
Cette méthode présente plusieurs limites :
1. Il ne peut pas éliminer efficacement les défauts des charges en fibre de verre ;
2. Les tests montrent que lors du chauffage après-moulage, la résistance du matériau et sa résistance chimique diminuent, ce qui nécessite un temps de recuit contrôlé pour éviter toute défaillance ;
3. Un chauffage et un recuit prolongés augmentent considérablement le coût du produit final ;
4. Un chauffage et un refroidissement stables pendant le recuit sont cruciaux pour éviter les chocs thermiques provoqués par des changements rapides de température.
