覆革ABS吸塑件应力开裂分析

杨诗润 杨冰 黄军， 程涛

（1.随州市众星汽车内饰件有限责任公司，湖北 随州，441300；2.湖北省齐星汽车车身股份有限公司，湖北 随州，441300）

丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）将聚苯乙烯（PS）、苯乙烯－丙烯腈共聚物（SAN）和丁二烯－苯乙烯共聚物（BS）的各种性能有机地统一起来，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能。聚氯乙烯（PVC）人造革近似天然皮革，具有柔软、耐磨、阻燃、表面花色设计自由度大等特点，将其与ABS片材制成覆革ABS板材更是性能、外观、舒适和环保的完美统一。

但ABS在制品加工过程中容易产生内应力以及PVC在低温状态下形成玻璃体的特性使PVC革变硬变脆的问题［1－2］。通过对ABS吸塑件的开裂特征［3］分析发现，覆革ABS吸塑板材开裂的原因为ABS板在低温条件下的应力开裂行为，开裂能量以动能形式释放，进而引发低温呈脆性的薄PVC革开裂。覆革ABS板材的应力开裂行为主要与ABS板材的应力开裂有关，因此现主要从ABS材料的吸塑成型过程、制品结构设计和微裂纹方面分析应力开裂产生的原因，从而找到解决应力开裂问题的方法。

1 试验部分

1.1 主要原料及设备

1）主要厚料：冰乙酸，烟台市双双化工有限公司，分析纯，乙酸质量分数不小于99.5%；覆革ABS板，湖北随州凯威高分子材料有限公司（ABS性能如表1）。

表1 ABS的力学性能

2）主要设备：吸塑模具、烘烤箱，自制；万能拉伸试验机，WDW型，济南鑫光试验机制造有限公司；哑铃型制样机（带夹具），XYZ系列，承德市金建检测仪器有限公司；高低温交变试验箱，GDJS－150型，无锡市苏德试验设备有限公司。

1.2 试样制备

1）吸塑件的制备：用夹具将裁剪好的覆革ABS板材放入烘烤箱中，在180℃下烘烤190s，再将烘烤好的板材取出放在已清理干净的模具上固定，开启负压吸塑成型（吸合负压为2.026 kPa），冷却定型5min后取出，裁剪得到成品。

2）拉伸性能测试标准样条：分别由吸塑前的覆革ABS板材和吸塑件中间裁剪的较大块边料裁剪后，再用哑铃型制样机制得。

3）应力测试试样：由吸塑前的覆革ABS板材和吸塑件中间裁剪的较大块边料裁剪所得，其中受力作用的试样是在待测板材上先钻4个直径4mm的孔，再旋入4个直径5mm的自攻丝。

1.3 性能测试

1）拉伸性能按GB／T 1040—2006测试。

2）应力开裂测试。①覆革ABS样板材料的测试：在25℃下用冰乙酸浸泡3min后，观测样板的应力开裂情况。②受力作用的试样测试：在25℃下用冰乙酸浸泡带自攻丝的覆革ABS板测试样，测试样从放入冰乙酸到出现裂纹的时间，记为开裂时间。

3）低温测试：将测试样板和吸塑产品在－50℃，24h下观察是否发生开裂。

2 结果与讨论

2.1 ABS板材对应力开裂的影响

对于无定形聚合物是否存在发生应力开裂行为的隐患，可通过溶剂法来检验，其原理是由于敏感化学溶剂对聚合物起到一定的增塑作用，降低了材料的拉伸屈服强度，使蠕变过程更容易发生，制品冻结的内应力释放出来，进而发生银纹甚至开裂现象［4－6］。对于ABS制品而言，一般采用冰乙酸来检验内应力，通常制品开裂的时间越短，程度越严重，其内应力越大。

由于ABS板材较薄，不适合做冲击试验，故以断裂伸长率间接评价板材的冲击韧性。一般认为，断裂伸长率越大，材料的韧性越好。表2是ABS板材的拉伸性能，图1是不同覆革ABS板材的应力测试情况。

表2 ABS板材吸塑前的拉伸性能

图1 ABS板材吸塑前在冰乙酸中浸泡后的形貌

从图1（a）和（b）对比看出，采用ABS 532制成的板材可明显地改善覆革ABS板材的应力开裂行为。由表1和表2知，ABS 532的韧性和拉伸屈服强度优于ABS 510材料的，尤其是韧性方面。这主要是因为原材料韧性的提高，增加了ABS板材的韧性，更有利于减缓板材内部分子链的取向应力。另外，板材拉伸屈服强度的提高有利于改善应力开裂行为，这与Wright［4］的研究结果是一致的。在生产应用中，板材生产商通常会在原材料中添加一定比例的ABS回料来降低生产成本。从图1（c）和（d）对比看出，降低ABS回料的添加比例，可改善ABS板材的应力开裂行为，因为回料比例的减小，使ABS相对分子质量相对较高，分布更窄，进而板材的拉伸屈服强度和韧性得到提高（如表2），抗应力开裂的能力增强。

从图1（d）中可发现ABS板材表面出现很多大小不一的白点，说明材料内部存在缺陷，这些缺陷即为应力集中物，包括填料团聚体、裂缝、孔隙、银纹和杂质等［7］。通过与板材生产厂家商议，提高材料的干燥度，减小回料的颗粒和滤网孔大小等，最终解决了材料（确定ABS 532添加不超过质量分数15%的回收料）对覆革ABS板应力开裂影响的问题。

2.2 成型过程对应力开裂的影响

成型过程引起的残余应力与聚合物应力开裂行为密切相关，一般认为制品开裂行为是在拉应力作用下产生的［8］。覆革ABS板材在吸塑成型的二维拉伸和冷却过程中，由于ABS板材相对较厚，远离模具的表层拉伸程度相对靠近模具的里层较小，并且表层先固化，芯层和里层发生非均匀冷却固化，从而在ABS板材表层产生横向拉应力以及在板材厚度方向上产生纵向拉应力（覆革ABS板示意如图2）。而PVC薄革贴紧模具，里外层固化定型可认为是同步进行，且PVC分子链相对较短，柔顺性好，因此PVC薄革内部的残留应力是非常次要的，吸塑件开裂是由ABS板材应力引起的。

图2 覆革ABS板的组成结构示意

表3是ABS板材的拉伸性能。由表3可知，与吸塑前相比，吸塑后未经退火处理的ABS板材拉伸性能下降，说明吸塑后的板材内部存在内应力，而经过退火处理后，拉伸性能明显得到改善。表4是吸塑件试样经退火处理后的应力测试情况（退火条件80℃，2h）。由表4可看出退火处理能够明显地减小吸塑件的成型应力，抗开裂能力增强，因为退火处理降低了ABS板材成型后的残留应力。

表3 ABS板材的拉伸性能

表4 覆革ABS板材吸塑成型后在冰乙酸中的浸泡情况

2.3 产品结构对应力开裂的影响

覆革ABS吸塑件结构设计不够合理（如钻孔位置杂乱，拐角尖锐、拉伸比过大等），成型装配后易造成应力集中于某一个部位，当其所受到的外应力高于材料的实际强度时，制品就会发生开裂。解决的办法是合理安排钻孔位置，尽量呈对称分布；拐角采用圆弧角过渡，一般要求倒角半径大于5mm；采用小的拉伸比，避免厚度不均产生应力集中，覆革ABS吸塑件最小厚度要求达到2.5mm。

图3是某项目的内饰侧围结构设计。图3（a）中开窗结构四角尖锐，易造成应力集中，左右的钻孔与车身固定，并在其上装配安全带，造成覆革ABS件受到较大的挤压和拉伸应力，使制品存在开裂和安全的隐患，产品结构经过更改后［如图3（b）］，产品在固定受力的情况下进行低温试验，未出现开裂行为，从而增加了安全系数，获得了客户的好评。

图3 内饰侧围结构设计

2.4 微裂纹对应力开裂的影响

覆革ABS吸塑件上微裂纹的产生主要发生在产品后续的工装操作（如裁剪、钻孔、开槽、开窗口以及后续的内饰件装配等）过程中。工装操作不当易在产品内部或外部产生宏观或微观上的微裂纹，微裂纹成为应力集中点，会增加板材的开裂几率。另外吸塑件在装配过程中，常因装配孔的微小错位而受到拉伸应力或弯曲应力。虽然在常温状态下，ABS对缺口基本不敏感［9］，但在低温条件下，板材表现出明显的脆性，内应力或外应力或这2种应力的共同作用驱使产品在应力集中点处开裂，蔓延，直至出现宏观性的破坏。解决问题的办法是尽量采用设备操作，减少裂纹源；规范吸塑件与车身本体的安装孔位，避免吸塑件受过大的外应力（如拉伸、压缩和挤压应力等）。

3 结论

ABS制品的应力开裂是一个常见的质量问题，通过试验研究，总结出原材料、成型过程、产品结构和微裂纹对ABS吸塑件应力开裂的影响较大，提出选用韧性优异的ABS原材料、合适的回料添加比例，制品退火处理，合理的产品结构设计以及正确的工装操作可有效地解决ABS吸塑件的应力开裂问题。

［1］张甲敏，刘耀民，邹朝军.ABS注塑件应力开裂原因及解决措施［J］.工程塑料应用，2006，34（8）：42－45.

［2］单英才，单戈，何鑫.解放J6卡车汽车地毯新材料应用的研究［J］.中国科技博览，2013，（25）：510.

［3］曾常春.冰箱ABS内衬开裂的影响因素及对策［J］.塑料科技，2002，9（5）：30－33.

［4］Wright D C.Enviromental Stress Cracking of Plastics［M］.Billingham：Rapra Technology Limited，1996：3－4.

［5］韩健，韩冬雪，刘春太，等.注塑工艺对聚碳酸酯制品环境应力开裂行为的影响［J］.中国塑料，2010，24（4）：76－79.

［6］尹建伟，黄达成，郭小会，等.PC／ABS合金应力开裂行为研究［J］.工程塑料应用，2010，38（4）：54－57.

［7］何曼君，陈维孝，董西侠.高分子物理［M］.上海：复旦大学出版社，2000：315－317.

［8］Turnbull A，Maxwell A S，Pillai S.Residual stress in polymers－evaluation of measurement techniques［J］.Journal of Materials Science，1999，34（2）：451－459.

［9］周武雷.热塑性材料缺口敏感性研究［D］.贵阳：贵州大学硕士学位论文，2005：1.