關于作者：鐘元，2011年出版書籍《面向制造和裝配的産品設計指南》（DFMA）。 2020年即将出版《面向成本的産品設計：降本設計之道》（DFC）。 關注頭條号或微信号“降本設計”，獲取更多原創産品設計知識和理念！“降本設計”專注于面向制造和裝配的産品設計(DFMA)、面向成本的産品設計(DFC)等産品設計知識和理念分享，幫助工程師成長和提高技能，幫助企業降低産品成本。

導讀：

本篇文章介紹如何塑膠件環境應力開裂的危害、産生的機理以及如何避免其發生。

1塑膠件開裂：觸目驚心

工程師在進行塑膠件設計時，有很大的幾率碰到塑膠件開裂的質量問題。一旦碰到開裂問題，要去解決則變得非常困難。

作為一名消費者，也經常會發現自己使用的産品發生開裂。這種失效會深深的傷害品牌榮譽，消費者也許以後再也不會買該品牌的産品了。

筆記本顯示器邊框開裂

汽車空調出風口塑膠罩開裂

汽車安全帶卡扣開裂

汽車中控台塑膠開裂

汽車防凍液塑料水箱開裂

很多年以前的iPhone塑膠手機殼開裂

螺絲柱開裂

蓄電池塑膠外殼開裂

塑膠簸箕開裂

衣架開裂

塑膠管道開裂

其它各種各樣的開裂

2環境應力開裂的機理

環境應力開裂的概念

環境應力開裂（Environmental Stress Cracking, ESC）是指在内應力存在下，塑料樹脂受化學物質作用發生的降解現象，最終導緻塑料組分的損壞。這是一種溶劑誘導型的破壞，是化學物質和機械應力協同作用發生的裂解。

環境應力開裂并不是化學反應，化學物質并不會導緻直接的化學攻擊或者分子降解。實際上，是化學物質滲透到分子結構并損害了聚合物鍊的内分子力，從而加快分子斷裂。

在塑膠件的常見失效原因中，環境應力開裂占據大多數，占據31%，被稱為塑膠件的殺手。如果加上化學攻擊，基本在占據了40%。 我相信，上述案例中的塑膠件開裂，環境應力開裂占了絕大多數。

環境應力開裂的步驟

ESC損壞的機械曆程，類似于蠕變損壞，它包括流體吸收、塑性化、細紋産生、破裂擴展和最終破壞。

下圖顯示了一個試樣的環境應力開裂是如何一步一步産生的。

由于ESC過程取決于化學物質在塑料分子結構内的擴散，流體吸收速率是裂紋擴展和開裂擴大兩個速率的決定因素。化學物質吸收越快，塑料越易開裂和随之而來的破損。

近來分析比較，認為蠕變在特定條件下發生的ESC，在此情況下，蠕變是簡化了的ESC，它以空氣作為化學試劑，它們主要區别是活性化學物質存在，它加速高分子斷裂過程。這種加速作用結果顯著縮短初期開裂的時間，實質上加速裂解擴大化的速率，這樣縮短了最終破損的時間。

環境應力開裂的特征

環境應力開裂破損均有幾個典型的特征：

• 脆性斷裂：ESC損壞是由脆性斷裂造成，任何材質正常情況均可産生塑變屈服的機理，作為ESC損壞最初開裂點，總發生在表面。他們往往是高應力區域所在，如微觀缺損點或應力集中點。此初始開裂點一般總是直接與氣态或液态活性化學物質接觸。

• 多重開裂：起初多個單點開裂，随後連接成一個統一斷裂，衆多的原始開裂和随後聯合是ESC破損機理的寫照。
  
• 平滑的形态：原始開裂區域，通常當展顯出相對平滑形态時，緩慢的開裂擴展，而活潑的化學物質能加快初始開裂出現及開裂擴展，粗糙表面，這種現象尤為明顯。

• 細微裂紋殘留：殘留細微裂紋存在，無論是初始開裂區或附近區域，将預示會産生ESC。在許多場合下當裂縫長度達到一個極限大小時，最終破損将在塑變超荷時發生。
  
• 伸展的小纖維：最終斷裂區可能出現伸展的小纖維和其他特征，這說明這種斷裂是可塑變斷裂。這是一個重要的啟示說明ESC用化學作用機理是不合适的，因此一般伴随的化學作用引發的分子降解通常是不存在的。
  
• 交錯帶：最新實驗表明，一般ESC是通過漸進式開裂擴展機理進行的，在實驗室條件下重塑特征表面試驗，顯示了一系列交錯帶，相當導緻開裂擴展的環。這些觀察到的帶區可以想象是重複出現細紋化的環，随後通過脆性開裂的裂解擴展，其中包含了蠕變和ESC破損機理各步驟。

3影響環境應力開裂的因素

環境應力開裂主要與以下三個因素有關：

• 塑膠材料的類型；
• 與塑膠件接觸的化學物質；
• 作用于塑膠件的應力；

塑料類型

• 一般來說，相對于半結晶塑料，無定形塑料更容易發生環境應力開裂。這是由于無定形塑料相比于有序、密實的半結晶塑料結構來說具有很大的自由體積。所以，PC、ABS、PPO、PMMA等無定形塑料比PBT、POM、PA66、PPS等更容易發生環境應力開裂。當然，即使同一種塑料，因為其組成成分不同，其抗ESC能力也會存在差别。

（PMMA在接觸二氯甲烷前後的拉伸強度測試對比，

二氯甲烷造成PMMA可以承受的最大載荷大幅度降低）

• 分子量：随着塑料分子量減小，抵禦ESC能力降低，同樣從給定的物質來看分子降解現象随分子量而減小。随分子支鍊物增加，樹脂分子量增大，這樣就賦予其超凡的ESC抵禦力。
• 較低結晶度：在半結晶塑料中，結晶度會顯著提高抗ESC能力，一般來說，越高的結晶度，相應密度增大，這樣抗ESC性能改善了。

（四種塑料的抗ESC性能對比）

化學物質

• 氫鍵：帶有中等水平氫鍵流體一般相對高度氫鍵化學品而言是屬于易加劇ESC試劑，例如，有機酯類、酮類、醛類、芳香烴類和氯化烴類相比有機醇類是更強的ESC作用化學物質。
  
• 分子大小： 具有較低分子量的化學物質相比較高分子量是比較強烈的ESC試劑，如矽油比矽脂更強，丙酮更強于甲基異丁酮，這種直接由分子大小所得結論，與較小分子有更大能力滲透入聚合物分子結構中去有關。

化學物質主要有兩個來源；

• 生産過程中：注塑成型過程中的脫模劑、注塑模具中的各種油脂等、塑膠件在二次處理例如電鍍、噴漆、絲印等過程中會碰到化學物質、以及在包裝運輸過程中碰到化學物質。

• 使用過程中：附件的零部件在生産過程中附有化學物質，或者使用環境中存在化學物質，例如膠水、清潔劑、潤滑油等。

應力

• 使用過程中承受的拉伸應力：ESC隻有在物質處于拉伸應力狀态下才會發生，拉伸應力是分子發生斷裂、最終造成ESC的原因。壓縮應力在某些條件下足以造成塑膠件機械性失效，但不足以造成ESC。
• 注塑成型過程中的殘餘内應力：内部模塑殘餘應力與外界應力結合造成ESC巨大模塑殘留應力足以造成ESC。

（CAE軟件顯示的塑膠件内應力分布）

• 裝配過程中産生的應力，例如超聲波焊接、振動焊接、熱熔和螺釘緊固等時産生的應力。
  

如何避免ESC的發生

避免ESC的發生需要從塑料類型、化學物質和應力三大方面入手，下面是一些建議，可以幫助減少發生ESC的風險：

• ESC的發生受時間、載荷和溫度的影響。在産品設計之初，需要明确産品的預期壽命以及承受的載荷、環境溫度和化學物質。短期的高溫或過大載荷并不危險，固定的、長期的才是ESC發生的原因，而化學物質的存在更是觸發了ESC的發生。
  
• 明确塑膠件在生産過程中和使用過程中可能存在的化學物質；根據這些化學物質，有針對性的選取抗ESC性能好的塑膠材料，或者與這些化學物質兼容的塑膠材料；對于特定的塑膠材料，可能隻是對某種化學物質不兼容。這些信息可以從專門的塑膠材料技術網站查詢，或者向材料供應商咨詢。在産品設計階段，選擇合适的塑膠材料是避免ESC發生的最好方法。

• 無定形塑料比半結晶塑料更容易發生ESC。盡量避免透明材料承受長期載荷。當選擇塑膠材料時，需要關注的是其在使用溫度下的機械性能值，而不是在常溫下的值。

• 使用增強塑料。相對非增強塑料，增強塑料機械強度高，對溫度或長期載荷不敏感。
  
• 在選定塑膠材料的前提下，嚴格管控生産和使用過程中的可能存在的化學物質。

• 确保選擇的塑膠材料和塑膠件設計能夠滿足載荷要求，并有足夠的餘量。例如，塑膠件在20平方毫米的截面上需要承受1000牛頓的力，即應力為50MPa。如果選擇的塑膠材料的斷裂拉伸強度為60MPa，那麼這可能就不夠安全。這對于臨時載荷可能沒有問題。為了避免ESC的發生，需要把該處塑膠件的強度增加一倍。這是因為ESC是一個長期行為，塑膠件在長期載荷作用及使用溫度下，所能承受的應力遠遠小于材料的斷裂拉伸強度。
  
• 設計零件承受壓縮載荷，而不是拉伸載荷。
  
• 降塑膠件注塑成型過程中的内應力；内應力會造成ESC發生。螺釘、金屬鑲件、塑膠件壁厚的急劇變化、以及錯誤設計的卡扣等均會導緻内應力的産生，從而導緻ESC發生。如何降低塑膠件内應力，這是一個比較大的話題，将在下一批文章中展開。

• 減小和避免塑膠件裝配過程中産生的應力。

—END—

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