粗糙度对PMMA材料的耐酒精溶剂的影响
Effect of Roughness on Alcohol Solvent Resistance of PMMA Materials

作者: 王华方 , 马佳焱 , 范 蓉 , 张少斌 :常州星宇车灯股份有限公司,江苏 常州;

关键词: PMMA应力检测有限元分析粗糙度溶胀 PMMA Stress Detection Finite Element Analysis Roughness Swelling

摘要:
本文针对PMMA (亚克力)材料的样板,研究了粗糙度对PMMA材料的耐酒精溶剂的劣化试验的影响。首先通过应力检测设备和有限元分析软件分析PMMA样板的应力分布,然后对未进行处理和完成粗糙度处理的亚克力板进行不同温度的加热,最后对不同温度下的亚克力板喷涂不同浓度的酒精进行劣化试验,验证粗糙度对亚克力材料与酒精溶剂的溶胀作用的影响。

Abstract: Aiming at the sample of PMMA (acrylic) material, this paper studies the influence of roughness on the degradation test of PMMA material's alcohol solvent resistance. First, the stress distribution of PMMA sample is ana-lyzed through stress detection equipment and finite element analysis software, and then the acrylic plate that has not been treated and the roughness treatment is heated at different temperatures. Finally, the acrylic plate sprayed with different concentrations of alcohol at different temperatures is subjected to degradation tests to verify the influence of roughness on the swelling effect of acrylic material and alcohol solvent.

1. 引言

PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯,又称亚克力、有机玻璃)是比较常见的高分子材料。PMMA材料不仅仅绿色环保,价格低廉,更因为其良好的光学性能、机械性能、耐老化性能以及注塑加工性能,被广泛的应用于航空、医疗、建筑、军用和汽车 [1] 等领域。尤其在汽车车灯的应用,更能体现出PMMA材料性能的优良。同时,PMMA材料也存在硬度低、易脆、遇醇类溶剂会发生溶胀开裂等缺点。

目前,汽车的贯穿式尾灯灯罩多选用PMMA材料,但在注塑生产过程中,灯具不可避免的会产生内应力。为了保证车灯的外观,车主通常使用市场上常用的几款玻璃清洗剂对玻璃和车灯进行清洗,玻璃水的成分中含有乙醇,会致使PMMA材料溶胀 [2],当灯罩内应力(残余应力)趋近材料承受极限,进一步表现为白发、开裂等失效模式。在汽车车灯行业,客户也会要求在产品交付前,对灯具进行酒精的劣化试验,检验产品质量。表面粗糙度在汽车等行业,也是被研究的对象,例如2017年龙波等人研究出表面粗糙度与应力集中和疲劳寿命的关系 [3],2017年蒋奔等人分析了塑料模具表面粗糙度 [4],但粗糙度对塑料产品的质量的研究很少,本文针对亚克力样板,通过应力检测仪器和有限元分析研究,对亚克力样板的应力分布进行分析,再对应力较大的部位对应的模仁位置进行处理打磨,降低粗糙度,设计不同检测温度忽然酒精浓度的检测条件下的试验,证明粗糙度与亚克力材料的应力开裂存在关系,并通过验证不同检测条件的劣化试验,验证本文结果的有效性。

2. 亚克力样板的应力分析

2.1. 注塑应力实测分析

WPA-200是一款基于相位差的概念对透明材料进行评估、测量、分析的一款可定量计算产品内部应力的装置,如图1所示。

Figure 1. WPA-200 stress detection instrument

图1. WPA-200应力检测仪器

准备样板(图2),分析注塑后的残余应力分布情况:

长:155 mm,宽100 mm,厚:4 mm

Figure 2. PMMA template

图2. PMMA样板

对样板注塑后的残余应力线分析结果,见图3

Figure 3. Test results of PMMA sample line stress

图3. PMMA样板线应力检测结果

显然,样板注塑后的整体应力较小,中间分布均匀,两边靠近样板边缘位置应力略大。

对样板注塑后的残余应力面分析结果,见图4

Figure 4. Measurement results of PMMA sample surface stress

图4. PMMA样板面应力检测结果

图4可知,注塑后的样板靠近浇口位置的区域,应力值最大为2.755 MPa,与样板的整体应力相比,略大。

2.2. 温度应力仿真分析

对样板进行酒精劣化试验,要求对90℃的样板进行60%的酒精浓度的应力检测。在workbench中,通过热力耦合分析,计算样板在检测条件下的温度应力:

Figure 5. Stress distribution on the front of the PMMA template

图5. PMMA样板正面应力分布

Figure 6. Stress distribution on the side of PMMA template

图6. PMMA样板侧面应力分布

由仿真结果(图5图6),可知样板的温度应力在表面分布均匀,分布在样板的四个侧面的应力不均匀,最大可达3.2 MPa,最小只有1.2 MPa。

2.3. 偏光应力仪分析PMMA材料

综合分析样板的注塑应力和温度应力可知,PMMA材料的样板侧面应力大于表面应力。

为了验证结果,利用偏光应力仪检测PMMA材料的应力。偏光应力仪利用材料双折射率的分布对透明材料的应力分布进行定性分析。PMMA的试验样板厚度较薄,为了更好的观测PMMA材料的侧面应力和表面应力的区别,选用厚度一定的PMMA材料样条进行观测,结果如下:

Figure 7. PMMA spline front stress detection

图7. PMMA样条正面应力检测

Figure 8. PMMA spline side stress detection

图8. PMMA样条侧面应力检测

在偏光应力仪检测下,PMMA材料的样条表面呈灰白色(见图7),PMMA样条的侧面颜色非常鲜艳(见图8),依据偏光应力仪的颜色比色卡(见图9),可知PMMA材料的样条四周的侧面应力较大,表面应力较小。

Figure 9. Color sequence of stress magnitude analysis

图9. 分析应力大小的颜色序列

总结1:根据应力分析,PMMA材料的样板侧面应力较大,样板表面应力分布较为均匀,应力值偏低。

3. 粗糙度分析

零件表面的粗糙度是由较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征。

粗糙零件表面存在的波谷,类似于尖角缺口和裂纹,当PMMA材料受到外部作用力时,粗糙的表面接触面积减小,根据外应力的计算公式,

P = F S

粗糙面受到的同样大小的外力时,零件的疲劳强度受到粗糙度的影响越大。同时,表面粗糙度也同样对零件抗腐蚀性有影响。粗糙表面,更容易使得液体和气体从零件的粗糙表面的微观凹谷渗入材料内层,导致表面腐蚀开裂。

在数学方程式上,应力线与磁力线相似,类似于磁力线的原理,将应力线看作在物体上穿行的一簇平行曲线,在物体表面的缺口、孔附近,曲线被迫绕行,各线之间的间隙被缩短,出现应力集中现象,酒精腐蚀后应力开裂的速度会提高。

总结2:粗糙表面会加速应力集中位置的应力开裂速度。

3.1. 粗糙表面处理

利用显微镜观察初始状态下的PMMA样板的表面粗糙度(见图10图11)。

利用显微镜观察对样板原件的侧面所在的模具位置进行抛光打磨处理的PMMA样板的表面粗糙度(见图12图13)。

Figure 10. Original template

图10. 样板原件

Figure 11. 300-fold microscope observation of the original sample

图11. 300倍显微镜观察样板原件

Figure 12. Polished parts

图12. 抛光处理件

Figure 13. 300-fold microscope observation of polished parts

图13. 300倍显微镜观察抛光处理件

原样板侧面凹凸不平,模具抛光打磨后的样板侧面光滑,对处理前后的样板做不同检测环境下的酒精劣化试验,检测样板的应力开裂现象,分析粗糙度对PMMA样板的耐酒精溶剂的影响。

3.2. 酒精劣化的试验验证

未作处理的样板,在不同检测条件下的劣化情况见表1

总结3:粗糙的亚克力板在检测温度高于50℃时开始出现开裂现象,开裂位置由四周向样板中间扩散,如下图14所示。

对抛光处理的样板,进行不同检测条件下的劣化试验,结果如下表2

Table 1. Test results of degradation of the original sample

表1. 原样板劣化试验结果

Figure 14. Test results of degradation of the original sample

图14. 原样板劣化试验结果

Table 2. Test results of deterioration of polished samples

表2. 抛光后样板劣化试验结果

抛光处理后的亚克力样板,当检测温度达到90℃时才出现开裂现象。显然粗糙度的改善,有效提高了亚克力样板的耐酒精溶剂的性能。

4. 结论

本文考虑了亚克力材料的样板在对应力集中区域的粗糙度进行处理后,进行了不同检测条件下的酒精劣化试验,论证了粗糙度对亚克力材料的应力开裂的影响。通过应力检测设备分析了注塑后的残余应力分布情况,再利用有限元分析,计算了加热后的亚克力样板应力分布情况,定位出亚克力材料的样板的应力开裂风险区域,对相应的模具位置进行抛光打磨处理,降低了亚克力样板侧面的粗糙度,对未处理的亚克力板,和抛光打磨后的亚克力板进行了耐酒精溶剂的试验,论证了粗糙度的降低,能够有效改应力开裂问题,说明了本文结论的有效性。

文章引用: 王华方 , 马佳焱 , 范 蓉 , 张少斌 (2021) 粗糙度对PMMA材料的耐酒精溶剂的影响。 纳米技术, 11, 230-237. doi: 10.12677/NAT.2021.113026

参考文献

[1] 高云凯, 邱娜, 栾大齐, 等. PMMA材料在车身轻量化方面的应用[J]. 汽车技术, 2013, 3(3): 55.

[2] 袁新强, 蒋鹏, 郝晓丽, 等. PMMA材料在MMA/无水乙醇混合溶剂中的溶解[J]. 合成树脂及塑料, 2018, 35(5): 13-17+33.

[3] 龙波, 苏雷, 金鹏, 等. 表面粗糙度对压气机盘疲劳寿命的影响[J]. 航空维修与工程, 2017(4): 52-55.

[4] 蒋奔, 翟明. 塑料模具表面粗糙度变化机理及影响因素分析[J]. 工程塑料应用, 2017, 45(6): 141-144.

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