■全鏈管理 / 蔡穎玫 博士
前言
殘留應力為「溫度」、「壓力」及「充填時流場的速度變化」等成型條件對塑膠高分子鏈形態的綜合影響結果，本篇文章我們就來討論在產品與模具設計都沒有變動下，成型條件──「流動」對殘留應力的作用。
首先，我們先理解射出程序包含充填及保壓動作，兩階段目的不同，對分子鏈的影響也不同：
- 充填：極短時間內對塑料高速擠壓，高剪切率作用下分子鏈排向程度高；
- 保壓：塑料幾乎充滿模穴的條件下持續填料，剪切率極低但高壓作用於分子鏈而提升排向程度與被壓縮程度。
流動對殘留應力的影響
為了更具體地觀察高分子鏈在充填流場中的變化，讓我們對模穴內的厚度方向做一剖面，可以看到熔膠在厚度中心有最快的流動速度，其波前就像噴泉般地流動，越靠近模壁流動速度越慢，並在塑件表面也就是模壁處形成不流動的固化層。
探究厚度方向塑料流動速度差異的原因，是因為塑膠導熱效果極差（約為金屬的1/1000），當模具金屬及冷卻水管的熱傳作用已把壁面處熔膠的熱量帶走，但模穴內仍保有相當高的溫度，由剖面的溫度分布可看到，模壁處塑料處於固化溫度，越往內部溫度逐漸爬升，到達固化層厚度時溫度最高，再往中心的塑料溫度會稍降，但仍維持高溫以持續完成充填保壓程序。
在固化層厚度部位出現最高溫的原因，是因為此為塑料固態與流動態的介面，介面一端為靜止狀態，但另一端仍保有移動性，兩者速度差極大，兩相接觸時摩擦生熱貢獻出高溫分布於此，充填速度越快此摩擦升溫的程度越高。正因為介面兩端的速度差異極大，此處也正是厚度方向上最大剪切率發生的部位，此處升溫現象因而稱作shear heating。
說明完了速度與溫度的分布，接下來更能理解充填流場對高分子鏈排向的影響。依據塑料狀態在厚度方向分為「A. 定向固化層」、「B. 定向高剪切層」、「C. 非定向核心層」等三個部分，分別討論分子鏈的排向行為：
A. 定向固化層
- 塑料充填時緊貼模壁，瞬間冷卻固化的高分子鏈定向層；
- 高分子鏈定向程度與塑料種類、模溫、速度有關；
- 固化層造成後續塑料充填的通道變窄，流動阻力變大；
- 固化層會造成加纖料的浮纖問題。
B. 定向高剪切層
- 塑料充填時鄰近A區固化層的高剪切區域，此區域的高分子鏈亦有定向行為；
- 塑料充填結束時本區定向層尚未完全凝固，原因為：
– 定向固化層A區的絕熱效果降低B區散熱能力；
– 剪切摩擦生熱作用。 - B區的高分子鏈定向程度與塑料種類、充填速度及冷卻速率有關；
- 冷卻過程中B區的高分子鏈定向會有鬆弛的現象。
C. 非定向核心層
- 因A、B區有絕熱保溫效果，使得C區高溫降到分子鏈凍結溫度的時間足夠長，高分子鏈的定向行為因而可以獲得鬆弛；
- 產品厚度設計若有變化，對C區的影響最大；
- 薄件產品的C區厚度會變小，因此具有充填困難及非等向性(anisotropic)的產品性質等特徵。
結語
總的來說，射出成型在熔膠充填過程中會因為噴泉流現象，帶動高分子鏈的形態變化與排向分布。厚度中心起點的高分子鏈具有能量較低的形態，受到噴泉流場的牽引致使分子鏈沿充填方向被拉伸，直到波前處分子鏈排向與充填方向垂直，接著流場持續帶動塑料往模壁移動，分子鏈維持拉伸狀態直到一端與模壁接觸而冷卻被凍結。
其中厚度中心的熔膠波前高分子鏈垂直排向為暫態現象，當熔膠持續往前推進時，分子鏈可以運動鬆弛而呈現C區的非定向分布。然而靠近模壁的分子鏈因為已被冷卻，缺乏鬆弛運動所需的動能，因此只能維持高程度的定向，如前述A區與B區。
從巨觀的熔膠流動行為，到微觀高分子鏈的排向現象，都屬於定性的描述，與這些有關的定量性質可以用黏度與剪切率來表示。黏度是流體流動能力的表徵，黏度越高代表越難流動；而剪切率代表速度變化率，剪切率越高代表速度變化越大。一般像水這樣的小分子其黏度與剪切率無關，但是塑料高分子鏈間的糾纏行為會降低移動能力，因而增加黏度。
而射出成型的充填是在極短時間內提供塑料高速移動的驅動力，也就是高剪切率的環境，剪切率越高，高分子鏈的排向程度也越大，分子鏈因解糾纏而降低整體黏度，稱之為剪切致稀(shear-thinning)。
因此，充填速率對三個區域的影響如下：
快速充填
- 定向固化層A區厚度幾乎相同，高分子定向程度增加；
- 定向高剪切層B區厚度減少，高分子定向程度降低；
- 非定向核心層C區厚度增加。
慢速充填
- 定向固化層A區厚度幾乎相同，高分子定向程度降低；
- 定向高剪切層B區厚度增加，高分子定向程度增加；
- 非定向核心層C區厚度減少。
