塑料件应力开裂的原因（塑胶件的杀手环境应力开裂）

环境应力开裂，是塑胶件的一大杀手。

要避免环境应力开裂的发生，我们需要去深入了解环境应力开裂背后的机理，然后从塑胶材料选择、可能接触的化学物质和塑胶件承受的应力等三个维度去管控。

千万不要等到环境应力开裂发生了，再去逐一排查，这样不但费时费力，还有可能耽误项目进展和产品交付日期。

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什么是环境应力开裂

环境应力开裂（Environmental Stress Cracking, ESC）是指在内应力存在下，塑料树脂受化学物质作用发生的降解现象，最终导致塑料组分的损坏。

环境应力开裂是一种溶剂诱导型的破坏，是化学物质和机械应力协同作用发生的裂解。

环境应力开裂并不是化学反应，化学物质并不会导致直接的化学攻击或者分子降解。实际上，是化学物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。

在塑胶件的常见失效原因中，环境应力开裂占据大多数，占据31%，被称为塑胶件的杀手。如果加上化学攻击，基本占据了40%。

▲塑胶件失效原因类型

我们可以在很多场景下，看到塑胶件开裂的发生。

下面案例中，环境应力开裂应该占了绝大多数。

▲笔记本显示器边框开裂

▲汽车空调出风口塑胶罩开裂

▲汽车安全带卡扣开裂

▲汽车中控台塑胶开裂

▲汽车防冻液塑料水箱开裂

▲很多年以前的iPhone塑胶手机壳开裂

▲螺丝柱开裂

▲蓄电池塑胶外壳开裂

▲塑胶簸箕开裂

▲衣架开裂

▲塑胶管道开裂

▲其它各种各样的开裂

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环境应力开裂的步骤和特征

1.1 环境应力开裂的步骤

环境应力开裂的机械历程，类似于蠕变损坏，它包括流体吸收、塑性化、细纹产生、破裂扩展和最终破坏。

▲环境应力开裂步骤

下图显示了一个试样的环境应力开裂是如何一步一步产生的。

▲环境应力开裂步骤--实物展示

由于环境应力开裂过程取决于化学物质在塑料分子结构内的扩散，流体吸收速率是裂纹扩展和开裂扩大两个速率的决定因素。化学物质吸收越快，塑料越易开裂和随之而来的破损。

蠕变可以看着是在特定条件下发生的环境应力开裂。蠕变以空气作为化学试剂，它们主要区别是活性化学物质存在，它加速高分子断裂过程。这种加速作用结果显著缩短初期开裂的时间，实质上加速裂解扩大化的速率，这样缩短了最终破损的时间。

2.2 环境应力开裂的典型特征

环境应力开裂破损均有几个典型的特征：

• 脆性断裂：ESC损坏是由脆性断裂造成，任何材质正常情况均可产生塑变屈服的机理，作为ESC损坏最初开裂点，总发生在表面。他们往往是高应力区域所在，如微观缺损点或应力集中点。此初始开裂点一般总是直接与气态或液态活性化学物质接触。
• 多重开裂：起初多个单点开裂，随后连接成一个统一断裂，众多的原始开裂和随后联合是ESC破损机理的写照。
• 平滑的形态：原始开裂区域，通常当展显出相对平滑形态时，缓慢地开裂扩展，而活泼的化学物质能加快初始开裂出现及开裂扩展，粗糙表面，这种现象尤为明显。
• 细微裂纹残留：残留细微裂纹存在，无论是初始开裂区或附近区域，将预示会产生ESC。在许多场合下当裂缝长度达到一个极限大小时，最终破损将在塑变超荷时发生。
• 伸展的小纤维：最终断裂区可能出现伸展的小纤维和其他特征，这说明这种断裂是可塑变断裂。这是一个重要的启示说明ESC用化学作用机理是不合适的，因此一般伴随的化学作用引发的分子降解通常是不存在的。
• 交错带：最新实验表明，一般ESC是通过渐进式开裂扩展机理进行的，在实验室条件下重塑特征表面试验，显示了一系列交错带，相当导致开裂扩展的环。这些观察到的带区可以想象是重复出现细纹化的环，随后通过脆性开裂的裂解扩展，其中包含了蠕变和ESC破损机理各步骤。

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影响环境应力开裂的因素

环境应力开裂主要与以下三个因素有关：

• 塑胶材料的类型；
• 与塑胶件接触的化学物质；
• 作用于塑胶件的应力；

3.1 塑料类型

• 一般来说，相对于半结晶塑料，无定形塑料更容易发生环境应力开裂。这是由于无定形塑料相比于有序、密实的半结晶塑料结构来说具有很大的自由体积。所以，PC、ABS、PPO、PMMA等无定形塑料比PBT、POM、PA66、PPS等更容易发生环境应力开裂。当然，即使同一种塑料，因为其组成成分不同，其抗ESC能力也会存在差别。

▲PMMA在接触二氯甲烷前后的拉伸强度测试对比，二氯甲烷造成PMMA可以承受的最大载荷大幅度降低

• 分子量：随着塑料分子量减小，抵御ESC能力降低，同样从给定的物质来看分子降解现象随分子量而减小。随分子支链物增加，树脂分子量增大，这样就赋予其超凡的ESC抵御力。
• 较低结晶度：在半结晶塑料中，结晶度会显著提高抗ESC能力，一般来说，越高的结晶度，相应密度增大，这样抗ESC性能改善了。

▲四种塑料的抗ESC性能对比

3.2 化学物质

• 氢键：中等水平氢键属于易加剧ESC发生，例如，有机酯类、酮类、醛类、芳香烃类和氯化烃类相比有机醇类是更强的ESC作用化学物质。
• 分子大小： 具有较低分子量的化学试剂易加剧ESC发生，如硅油比硅脂更强，丙酮更强于甲基异丁酮，这种直接由分子大小所得结论，与较小分子有更大能力渗透入聚合物分子结构中去有关。

化学物质主要有两个来源；

• 生产过程中：注塑成型过程中的脱模剂、注塑模具中的各种油脂等、塑胶件在二次处理例如电镀、喷漆、丝印等过程中会碰到化学物质、以及在包装运输过程中碰到化学物质。
• 使用过程中：附件的零部件在生产过程中附有化学物质，或者使用环境中存在化学物质，例如胶水、清洁剂、润滑油等。

3.3 应力

• 使用过程中承受的拉伸应力：ESC只有在物质处于拉伸应力状态下才会发生，拉伸应力是分子发生断裂、最终造成ESC的原因。压缩应力在某些条件下足以造成塑胶件机械性失效，但不足以造成ESC。
• 注塑成型过程中的残余内应力：内部模塑残余应力与外界应力结合造成ESC巨大模塑残留应力足以造成ESC。
• 装配过程中产生的应力，例如超声波焊接、振动焊接、热熔和螺钉紧固等时产生的应力。

推荐阅读：

塑胶件 | 降低内应力的结构化思路

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如何避免环境应力开裂

避免ESC的发生需要从塑料类型、化学物质和应力三大方面入手，下面是一些建议，可以帮助减少发生ESC的风险：

• ESC的发生受时间、载荷和温度的影响。在产品设计之初，需要明确产品的预期寿命以及承受的载荷、环境温度和化学物质。短期的高温或过大载荷并不危险，固定的、长期的才是ESC发生的原因，而化学物质的存在更是触发了ESC的发生。
• 明确塑胶件在生产过程中和使用过程中可能存在的化学物质；根据这些化学物质，有针对性选取抗ESC性能好的塑胶材料，或者与这些化学物质兼容的塑胶材料；对于特定的塑胶材料，可能只是对某种化学物质不兼容。这些信息可以从专门的塑胶材料技术网站查询，或者向材料供应商咨询。在产品设计阶段，选择合适的塑胶材料是避免ESC发生的最好方法。
• 无定形塑料比半结晶塑料更容易发生ESC。尽量避免透明材料承受长期载荷。当选择塑胶材料时，需要关注的是其在使用温度下的机械性能值，而不是在常温下的值。
• 使用增强塑料。相对非增强塑料，增强塑料机械强度高，对温度或长期载荷不敏感。
• 在选定塑胶材料的前提下，严格管控生产和使用过程中的可能存在的化学物质。
• 确保选择的塑胶材料和塑胶件设计能够满足载荷要求，并有足够的余量。例如，塑胶件在20平方毫米的截面上需要承受1000牛顿的力，即应力为50MPa。如果选择的塑胶材料的断裂拉伸强度为60MPa，那么这可能就不够安全。这对于临时载荷可能没有问题。为了避免ESC的发生，需要把该处塑胶件的强度增加一倍。这是因为ESC是一个长期行为，塑胶件在长期载荷作用及使用温度下，所能承受的应力远远小于材料的断裂拉伸强度。
• 设计塑胶件承受压缩载荷，而不是拉伸载荷。
• 降塑胶件注塑成型过程中的内应力；内应力会造成ESC发生。螺钉、金属镶件、塑胶件壁厚的急剧变化、以及错误设计的卡扣等均会导致内应力的产生，从而导致ESC发生。
• 减小和避免塑胶件装配过程中产生的应力。

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作者简介：钟元，著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计：降本设计之道》

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