第二章 基礎理論
2-1 殘留應力簡介
塑膠材料由於具有高黏度特性，所以一般在成形加工時都需要利用高 溫、高壓、高剪切等加工條件，來有效降低塑膠融膠黏度至容易成形加工 之範圍，另外由於塑膠具有較低之熱傳導係數，是熱的不良導體，所以高 溫成形後需要長時間才能達到均勻溫度之冷卻。而現代塑膠射出成型製程，
一般為求經濟效益快速生產，所以對於射出成型週期都盡量縮短，而所對 應之射出成型條件如射速快、冷卻時間短等等，就成了必要的要求，當塑 膠射出成型製品受到過大之速度差或不均勻冷卻等等因素影響，往往會造 成塑膠製品內部產生殘留應力。
一般來說，製品在經過成形或二次加工過程後，在無外力作用下或無 溫度梯度存在時，物體內部仍然維持承受應力之狀況即為所謂的殘留應力。
在塑膠成形過程中，由於流動以及溫度上的變化造成塑膠分子結構不是處 在最低能量之最穩定狀態，分子鏈受到流動定向影響或是受到周圍分子鏈 之拘束，而呈現不穩定之高能量狀態，因此一旦有外界能量給於此受應力 作用之分子鏈時，則此分子鏈將極易釋放出應力而達到其最穩定之組態。
當塑膠製品在應用上發生破裂或破壞時，就材料力學的觀點，即表示 該塑膠件在破壞區域上，其所承受之應力數值總合超過了該材料之材料強
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度數值。因此要解決製品在使用上的破壞或破裂問題，勢必要增加材料強 度或減少製品的應力值。塑膠製品承受的應力作用通常可依照造成的原因 區分為外部應力及內部應力兩種，外部應力是製品在使用時因遭受外力作 用而造成之應力，此部分應力將依產品應用場合而定，通常無法控制其程 度，一般產品設計者會依照常態之外部應力值，乘上一安全係數值來設計 產品之強度。而內部應力通常是塑膠製品在加工成形過程中所產生而留存 在於成品內部。所以若要有效解決塑膠製品之破壞產生，降低內部殘留應 力作用或提高材料強度是較為可行的兩種方法。
對於塑膠射出成形製程而言，通常工業上會選用較適當之成形加工條 件，以防止材料強度降低及避免因成形加工時所產生過大的內部殘留應力。
需要瞭解塑膠件發生破壞之原因與產生破壞之位置與型態，才能有效分析 解決成形及設計上的問題點。
2-2 射出成型製品殘留應力成因
在一般塑膠射出成型過程中，通常塑膠製品常見之內部應力可分為剪 切流動造成之流動應力與冷卻收縮所造成之熱應力兩種[7]。當塑膠材料在 成形過程中會因為高剪切作用而造成分子鏈結構的高度定向現象，此種是 屬於熔膠剪切流動所形成之應力，另外因為不均勻之冷卻造成塑膠製品內 分子鏈的不均勻收縮，或是塑膠熔膠之溫度快速冷卻至塑膠材料的玻璃轉
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換點以下時，冷卻收縮造成分子鏈間應力無法完全釋放，此種是屬於冷卻 所形成之應力。
另外結晶性材料之不平衡結晶作用，因為結晶區域會比非結晶區域排 列的較為整齊[8]，因此體積收縮較多，使塑膠製品產生不均勻收縮時的拉 伸與壓縮應力，以及模穴壓力對不同位置分子鏈之不同影響，例如不同形 狀尤其是形狀較為複雜的模穴，塑料熔膠流動時的速度差與壓力不同都可 能使剪切應力無法釋放形成殘留應力。
由塑膠製品厚度方向觀察，可依分子鏈之微觀結構差異，來區分不同 之區域，參考圖2.1。其中固化層為塑膠充填時緊貼兩側模壁，瞬間冷卻固 化的高分子鏈定向層，此部分會因為射出成型之噴流效應，而使分子鏈排 向方向與流動方向相反；而流動高剪切層是塑膠充填時緊靠固化層的高剪 切區域所形成的分子鏈定向層，由於與固化層具有最大之速度差，所以會 形成最大之剪切流動應力效果，塑膠充填結束時本區定向層尚未完全凝固，
而外層之固化定向層有絕熱效果，使流動高剪切層熱散失不至過快，另外 由於高剪切作用會產生剪切加熱作用，所以本區也是溫度最高之區域。
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圖2.1 射出噴泉模流示意圖
而融膠流動層位於中心層因熔膠高溫及冷卻時間足夠，分子鏈有足夠 時間鬆弛定向，故無高分子鏈定向行為，高分子鏈彼此之間較無剪切作用 現象，若產品厚度有變化，則主要會影響熔膠流動層厚度，若是薄件成品 則熔膠流動層的厚度將會變小。
除了在成品厚度方向上下表面有一薄層固化層外，大部分區域是屬於 熔膠流動層，而這區域主要之內部應力形成是由於不均勻冷卻造成，塑膠 件厚度方向之冷卻是由與模壁接觸之成品表面開始向成品內部延伸，所以 中心層是最慢冷卻之位置。因此當塑膠成品成形後，開始進行冷卻階段時，
在某一特定位置上之分子鏈會受到其外部已冷卻收縮之分子鏈牽引，會受 到較早先冷卻收縮之分子鏈的拉伸應力。在成品厚度方向靠近表面之區域，
分子鏈是處在壓縮應力狀況，而內部區域是處於拉伸應力狀況。
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殘留應力對塑膠製品的影響常見的有下列幾種：
1. 外觀尺寸變形及翹曲問題
由於在材料充填時因為流動時所產生之剪切應力影響材料分子鏈 的排向或是由於成品幾何造成流動的定向效果，以及在塑膠製品脫模時 容易因應力鬆弛而造成尺寸發生變形，另外由於塑膠製品尺寸的不對稱 性或在製品厚度方向冷卻收縮的不平衡性，所形成的熱應力都將造成成 品在脫模後發生翹曲變形現象。此現象對於尺寸精密度有要求或有組裝 搭接性需求之塑膠射出製品，將會是一大問題。
2. 環境應力破壞（Environment Stress Cracking , ESC）
環境應力破壞可說是塑膠製品在應用及使用上比例最高的破壞型 式，例如太陽UV光照射破壞、老化破壞、氣候性乾溼冷熱循環破壞等 等，對此塑膠殘留應力會加速環境應力的破壞。其他像塑膠件的蠕變性 破壞、疲勞性破壞等，也都會因為殘留應力存在而加速加快其破壞產 生。
3. 影響使用或二次加工
例如表面接著、表面電鍍或表面塗裝等加工方法，都會因為塑膠製 品表面高度分子定向之高應力情況，而產生介面之不相容性。另外如接 觸到溶劑、化學品等也會造成在應力區域的加速劣化。以射出成型製程 而言，使塑膠熔膠溫度從熔點緩慢的下降，塑膠高分子能夠有足夠的時
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間移動、排列，將能降低塑膠製品之殘留應力，因為塑膠材料在從熔點 以下至玻璃轉換點的溫度區間時，較容易移動、排列，但是射出成型製 程在經濟效益考量下，往往不可能採用此種方式降低殘留應力，如此生 產效率將會大為下降，並且還有尺寸收縮等因素需要考量。因此改善殘 留應力目前最常研究與使用之方式主要為調整射出成型之參數，例如料 溫、模溫、冷卻時間、保壓壓力、充填速度等因素等等，或甚至更換材 料。因此在射出成型製程時對於不同材料適當調整成形參數也可適當改 變塑膠製品尺寸收縮與殘留應力情況。
4. 光學性質的影響
對於塑膠件而言，當內部的應力直不同時，會造成不同的折射率，
此為雙折射現象。現今，在低成本、高產量以及自動化得訴求下，光學 元件漸漸地以塑膠為材料，但在射出成形的製程中，高壓擠入以及保壓 等過程中，塑料都維持在高壓狀態，因而造成模穴內部融膠壓力分布不 均以及高分子配向性（Molecular Orientation），使得產品產生翹曲變形 以及雙折射現象等等問題，對於光學塑膠元件都是十分重大的缺陷，也 是現今所需解決關鍵性的問題。
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2-3 光彈法原理
光於同一介質行進之速度為一定值，當進入不同透明非結晶體介質會 產生折射與反射現象，但部份透明非結晶體材料會因為內部殘留應力或外 部受力使得材料硬力分布不均，造成折射率不同，當光線進入後會呈現出 雙折射之現象，由於光線的速度與折射率成正比例的關係，因而分解成沿 快軸與慢軸方向前進之兩不等速度且相互垂直之平面偏極光，因此兩分量 將因主應力的不同而以不同的速度通過透明材料，因而造成相位偏移（Phase shift），當應力解除時則回復為具有透明非結晶體等向性的特徵，這種暫時 性之雙折射特性（Temporary Double Refraction）稱為光彈效應。
如果相位偏移是建設性的，則兩分量彼此加強，而形成亮的區域；反 之，如果相位偏移造成兩分量互相干擾，則形成暗的區域。如此一來，在 偏光儀（Polariscope）將看到透明材料上產生明暗的線條，這些線條稱為光 彈條紋，可以用來解釋應力分佈的情況並計算之。應力造成光線速度的改 變可以解釋如下：當壓力產生時，造成透明材料的分子結構較「稠密」，
因此折射指數（Refractive index）增加，光線速度因而變慢；反之，當透明 材料承受拉應力時，其分子結構變得較「稀疏」，折射指數降低，光線速 度變快。
光彈法是除了應變規之外，另外一種常用分析應力的實驗方法，其原 理為根據某些透明材料所呈現的雙折射現象（Double refraction or