聚碳酸酯无底涂镀铝件内应力消除方法

陶永亮 ，王晓光 ，廖秋明

(1. 重庆川仪工程塑料有限公司，重庆 400712 ；2. 曼德电子电器有限公司保定光电分公司，河北 保定 071000 ；3. 广东明耀汽车部件科技有限公司，广东 肇庆 526105)

聚碳酸酯（PC）材料以其质量轻、强度高等优越性能日益受到各个汽车厂家重视。PC 以其在工程塑料中独特的高透光率、高折射率、高抗冲性、优良尺寸稳定性及易加工成型等特点[1～2]，使其在汽车车灯领域得到广泛应用。在汽车照明系统中，PC 耐冲击性和透光性良好，易成型加工的特性，用于车灯中反射镜、灯体、装饰件等由PC 注塑而成，设计灵活性大，便于加工，是无机玻璃无法替代。PC 在车灯反射镜和装饰件应用，具有较好地无底涂性能，应用广泛，由于PC 熔融温度高，熔体黏度大，流动性差，冷却速度快，使制品内应力较大。给镀铝件作高温实验中出现发彩现象，需要消除内应力后满足使用要求。

1 PC 塑件加工与镀铝概况

1.1 PC 塑件加工概况

聚碳酸酯（Polycarbonate）是分子主链中含有—[O—R—O—CO]—苯环链节热塑性树脂，简称PC，为按分子结构所带酯基不同可分脂肪族、脂环族、脂肪一芳香族型，实际应用中具有实用价值是芳香族聚碳酸酯为主，并以双酚 A 型聚碳酸酯为应用最多。由于聚碳酸酯其优良机械性能，俗称防弹胶。PC 具有机械强度高、使用温度范围广、电绝缘性能好、尺寸稳定性好、透明性好等特点被广泛使用于车灯及其他领域[3]。PC 在车灯上应用广泛， PC 在前灯中塑料类材料中占比50% 左右，主要应用在前照灯和雾灯内配镜、镀铝装饰件及外配光镜。PC 属于极性高分子，其表面自由能较高，表面湿张力在40 dyn/cm 以上，膨胀系数差异小，与镀铝层结合力很好，可作无底镀，即在基材上直接镀铝再镀保护膜，灯具里使用PC 作镀铝件零件也是比较多。装饰条一般采用有色透明PC 制作，通过镀铝方式变成金属色装饰；装饰圈一般采用镀铝方式呈金属色包嵌在照明灯外；灯具中反射镜是重要零部件，以往采用压铸件镀铝制作，现全部采用PC 或者其他材料注塑镀铝，减轻了重量，简化了工艺[3～4]。

灯具塑件表面质量高，不准有发黄，有熔接痕、银丝、气泡、震纹、雾晕、白烟等缺陷，塑件还有进行镀膜处理，给成型带来了一定的难度。注塑机选择应选择锁模力为主设备，不必选择容量大设备，应选专用PC 螺杆。PC 在室温下会吸收一定水分，若直接用于成型会严重影响制品质量。因此在PC 注塑之前均需要烘干处理。一般烘干温度为110～120 ℃左右，干燥时间通常为6～8 h[5]。

注塑过程中注射压力对产品质量有很大影响。PC熔融黏度随压力和剪切速率增加变化不明显，PC 熔融黏度多为高聚物黏度大，玻璃化温度高，生产中采用较高的注塑压力利于增加产品密度，减少收缩，提高产品机械性能。由于产品中内应力也随着注射压力增加而增大，所以采用较高压力注塑的产品应该进行退火处理，消除产品内应力。

注塑中模具温度影响熔体充模时的流动行为，并会影响塑料制品性能。模温实际上决定了熔体冷却速度[6]。PC 注射到模腔里，冷却速度越快，塑料熔体温度下降越迅速，熔体黏度增大流动困难，造成压力损失增加，熔接痕等缺陷很多，严重时会充模不足。随着模温增加，熔体流动性增加了，所需充模压力减小，产品表面光洁度提高，制品模缩收缩率增大，需要延长冷却时间来解决。对熔融黏度高的PC，必须选择较高的模温。控制模温一般保持75～140 ℃。一般采用多台模温机进行控制，保持定模和动模型芯应有的温度，减少环境对动定模型芯的影响。不会使模壁与中心熔体冷却相差很大，产品产生内应力[2]。

1.2 镀铝发彩原因分析

真空镀膜是物理气相沉积PVD（Physical Vapor Deposition）应用。真空镀膜技术是在真空条件下，将金属或者其他镀膜材料沉积到基材表面上的技术。常用有真空蒸发镀膜法、磁控溅射镀膜法和离子镀膜法3 种[7]。灯具镀铝采用真空蒸发镀膜。蒸发镀技术有许多优点，设备与工艺相对较简单，即可镀制非常纯净的膜层，又可制备具有特定结构和性质的膜层等，是当今非常重要的镀膜技术，一直在汽车灯具塑料上广泛应用[8]。

镀铝发彩分为两种，一种是镀铝镀膜后直接看到发彩现象，属于表面缺陷；另一种是镀铝镀膜后看不到发彩现象，通过实验后或灯具经过回火后才能看到发彩现象，属于内在缺陷。两种发彩现象是不一样。

镀铝镀膜后直接看到发彩的现象，基本上与镀保护膜有关，说明镀保护膜（Si2O3膜）时间久了或硅油的流量过多引起的，需要调整镀保护膜时间或硅油的流量，可得到改善[9]，或是电压过高导致钨丝升华造成[10]，都属于工艺调整。对于实验后或灯具经过回火后才能看到发彩的现象，可分两种情况，一种有底涂镀铝，即做了底漆后镀铝的情况，喷涂的底漆没有固化好，通俗说法是底漆没有烘干烘透，在高温下有水分等逸出造成的发彩现象，这种发彩形状往往是点圆状；另一种无底涂镀铝，即素材直接镀铝的情况，没有喷涂油漆素材直接镀铝，高温实验后有发彩的情况就比较复杂了，其主要是由素材内应力引起的发彩的，这种发彩形状往往是块式弥散状，图1 所示。

图1 内应力引起的发彩示意图

1.3 无底涂镀铝发彩原因分析

在PC 塑件成型后会有应力产生，这是由于材料的结构决定材料的性能。PC 成型时，分子链被迫取向，但是由于PC 分子链上含有苯环，所以解取向比较困难，而在成型后，被取向的分子链有恢复自然状态的趋势，但是由于整个分子链已经被冻结，从而造成制品存在残留应力。当然在注塑成型阶段中，还有剪切应力，取向应力和收缩应力也是属于产品的内应力的范畴[11]。这些内应力在有颜色的产品中是很难识别的，只有通过相关的实验进行识别，

采用溶剂浸泡法来识别PC 产品中的内应力：将PC 制件侵入四氯化碳容易中，以制品发生开裂破坏所需的时间说明内应力很小判定应力的大小，如果时间越长则应力越小。如果侵泡5～15 s 就开裂，说明应力很大；如果侵泡1～2 min 不出现裂纹，说明应力较小[12]。

PC 透明件塑件除了用溶剂浸泡法，可用偏振光透仪，把透明塑料制件放在两块透振方向相互垂直的偏振片之间，通过白光观察到彩色图样，压力改变，彩色图样也发生变化，说明双折射性质随应力变化，判定内应力的大小[4]。如图2 所示，应力图上彩色为应力较集中处。

图2 偏振光透仪和应力检查示意图

PC 塑件进行无底涂镀铝后，是无法识别内应力的情况。高温实验也是用户对厂家提出的要求，在高温实验后识别到内应力。通常情况下，PC 塑件镀铝在高温实验后，其有两个过程，一是高温过程中材料中有气体物质逸出，二是高温过程中塑件有形变（无法目测）现象，作为镀铝件由于气体物质逸出和不太规则形变，造成内应力的释放，经过铝膜等反射后表现出来就是幻彩，或称发彩。即发彩的最主要原因是塑件内部的应力在恒定高温的诱导下产生应力释放[13]。

2 消除无底涂镀铝发彩案例

本文主要介绍回火处理和等离子体处理两种方法解决镀铝件高温试验后产生发彩的现象。

2.1 车灯反射镜零件

塑件残留内应力较大，易发生应力开裂，影响整灯使用[14]。当然影响PC 制件内应力的因素很多，有产品结构，注射工艺，热处理等原因。其中PC 熔融温度高，熔体黏度大，流动性差，冷却速度快，使制品内应力较大。分子链的刚性大使分子取向后又不易松弛，从而使制品中残留的内应力难以自消，必须对其进行后处理以消除内应力。升高温度，使之达到可使塑件分子链活动的程度，让被冻结的分子链经升温后松弛产生乱序，从而达到消除残留应力的目的。对PC制品进行热处理是消除或减小内应力最简单的方法[15]。

车灯反射镜零件（适用于高温下大功率车灯，如军车灯，火车灯，改装项目灯等），使用材料：PC2407（1225Z100K），产品进行无底涂镀铝，镀铝后看不出任何发彩现象，每次试验后都有不同程度的发彩。如图3 所示。用户有环境适应性的温度循环试验要求（120 ℃、2 h，-40 ℃、1 h，120 ℃、2 h，-40 ℃、1 h），属于高低温冲击试验，将塑料待镀件重复受冷受热，依据裂纹呈现的时间来评定内应力的大小。这种在冷热冲击试验箱进行，设备复杂，测试时间较长。经试验后的塑料件已被损坏，不能再应用。

图3 车灯反射镜发彩情况

起初厂家用回火处理温度是110 ℃、3 h 后，镀铝后做试验没有通过，有发彩。后来我让厂家提高温度降低时间120 ℃、2 h 进行回火处理，经过几次试验确认，没有发彩，产品通过了用户的验收。生产上先进行烘箱回火后（可溶剂检测）进行镀铝处理。

2.2 组合前灯有限无底涂镀铝

组合前灯透镜装饰框附近进行镀铝，是有限镀铝。使用材料：PC1803（黑色），采用无底涂镀铝。产品镀铝后没有发彩，经过高温试验（120°、2 h）后发现镀铝面上发彩。如图4 所示。为了解决发雾，厂家采用退火处理，毛坯件（120°、2～4 h）退火，退火效果不是很理想，产品较大，烘箱温度分别有差异，还是有些产品有发彩现象。考虑到产品大，用烘箱处理工作量大，效率低，用烘箱退火不适宜。厂家经过考量，利用镀铝机上离子清洗功能，通过plasma（等离子体）对塑件表面进行清洗的试验，取得较好的效果。等离子轰击镀铝的表面主要作用是除尘，活化表面，等离子轰击原来是23 s，改进后50～60 s，甚至再延长轰击时间，最后解决了试验发彩的现象。这样减少事先处理的麻烦，但是对产品的保鲜要求更高。需要结合注塑周期进行一体化生产，尽量在注塑完成后4 h 前完成镀铝，保证车间环境温湿度，有利于镀层与产品表面的结合效果。

图4 前灯体镀铝发彩示意图

等离子体的产生最主要靠电子去撞击中性气体原子，使中性气体原子解离产生等离子体[16]，等离子清洗是利用等离子体来达到常规清洗方法无法达到的效果。通过物理（化学）作用对工件表面进行处理，实现分子水平的污染物去除，从而提高工件表面活性。被清除的污染物可能有有机物、环氧树脂、光刻胶、氧化物、微颗粒污染物等，所以等离子清洗是一种高精密清洗[17]。等离子清洗是等离子表面改性的其中较为常见的一种方式。

等离子体中的大量离子、激发态分子、自由基等多种活性粒子作用到表面，清除了表面原有污染物和杂质，产生刻蚀作用，将表面变粗糙，出现微细坑洼，增大比表面，提高固体表面的润湿性能。等离子体粒子能量0～20 eV，聚合物大部分键能0～10 eV，等离子体作用到表面，可将固体表面原化学键产生断裂，等离子体中自由基与键形成网状交联结构，激活了表面活性。如果放电气体中引入反应性气体，活化材料表面会发生复杂化学反应，引入新官能团，如烃基、羧基等，官能团都是活性基团，能明显提高材料表面活性[18]。

3 结束语

PC 无底涂镀铝件在高温实验后的发彩现象是常事，这与PC 成型后存在内应力有较大地关联。一般用户对厂家送来的产品都会进行一些针对的试验检测，随机抽查5～6 件，发现一件有疑问，将整个批次直接被用户不予接受。厂家在镀铝前应根据产品大小、技术要求、处理设备等情况，选择回火处理或者等离子处理后进行镀铝生产。同时通过对注塑工艺的调整，降低注塑件的内应力，稳定镀铝镀膜工艺，只有从多处着手，才能保证解决高温实验后的发彩现象。