■全鏈管理 / 蔡穎玫 博士
溫度及壓力對殘留應力的影響
在討論完流動對殘留應力的影響後，接著我們分別來看溫度與壓力對殘留應的效應。首先是塑料溫度，在射出成型系統中有三種機制可以對塑料加溫：
- 射出機料管加熱器；
- 射出螺桿旋轉摩擦剪切熱；
- 塑料充填流動時的剪切熱。
溫度提升可以增加高分子鏈的運動能力，也就是增加鬆弛行為，因此高料溫殘留應力會較低。料溫對三個區域的影響如下：
高料溫
- 定向固化層A區厚度減少；
- 定向高剪切層B區的高分子定向程度降低；
- 非定向核心層C區厚度增加。
低料溫
- 定向固化層A區厚度增加；
- 定向高剪切層B區的高分子定向程度增加；
- 非定向核心層C區厚度減少。
而壓力對殘留應力的影響會以保壓作用為主，由於持續對模穴補充更多塑料，壓力壓縮使得高分子彼此更靠近，分子鏈之間的空間更小，所以會造成：
- 澆口與澆口附近產生另一次高分子鏈定向行為；
- 澆口附近的高分子定向情形，容易造成該區沿流動方向龜裂(crack)；
- 若保壓速率慢，且澆口小，則定向的高分子鏈被固化的程度會增加。
若高分子鏈之間沒有應力狀態存在（彼此的距離沒有過近或過遠），則它們彼此之間就保持著最適當的距離（能量最低的狀態）。否則會有兩種應力現象：
- 內部拉伸應力(internal tensile stress)：高分子鏈之間的距離比最適當距離遠時，塑件內部產生拉伸應力。
- 內部壓縮應力(internal compressive stress)：高分子鏈之間的距離比最適當距離近時，塑件內部產生壓縮應力。
當保壓結束時，冷卻效應對殘留應力的影響就開始顯著，因為塑件中不同厚度層部位的高分子在不同的溫度、壓力條件下，會依循不同的P-V-T路徑冷卻固化。所以整體塑件會進行不均勻的冷卻作用，而不同厚度層的塑料也會因為不同的收縮量造成殘留應力。
塑件內部的壓縮或拉伸應力，係指高分子間因保壓效應與後續冷卻固化所產生之應力，與壓力、溫度和冷卻速率有關，因此需綜合考量溫度與壓力對分子鏈間距的影響，若在無應力狀態下，塑件內高分子間最適當的距離為1.00，以此為例來說明：
- 當塑料在料管內被加熱到250℃時，高分子間距由00膨脹為1.03；
- 保壓時高分子間的空間會被壓縮，假設保壓階段結束，冷卻階段剛開始時，模穴內壓力分佈狀態為澆口處500 kgf/cm2，而流動末端為300 kgf/cm2，此時高分子間平均距離為01。
冷卻過程中，塑件表層與內部的高分子間距變化：
- 表層塑料因接近模壁而最先冷卻，造成該區域高分子因被冷卻而彼此靠近，間距由01縮小為0.99；
- 而模穴內部壓力開始降低，造成尚未固化中心層區域的高分子間距擴大，由01增加為1.02；
- 塑料由表層向內繼續形成固化層時，該新生固化層區域的高分子也會因冷卻而彼此靠近，間距由02縮小為1.00；
- 模穴內部壓力持續降低，造成尚未固化中心層區域的高分子間距持續擴大，由02增加為1.03。
冷卻持續進行，塑料也由外向內持續固化：
- 固化層持續向模穴內部生成，新生成固化層區域內的高分子也因冷卻而彼此靠近，間距由03縮小為1.01；
- 當冷卻持續進行時，模穴內部壓力繼續降低，尚未固化中心層區域的高分子間距持續擴大，間距由03增加為1.04；
- 當整個塑件完全冷卻固化時，原中心區域的高分子也會因冷卻而彼此靠近，間距由04縮小為1.02。
因為塑件的冷卻固化是由外向內，層層熱傳導致高分子鏈運動行為與所在的厚度部位有關，造成分子鏈間距與厚度呈現不均勻的分布，靠近塑件表面部位表現出壓縮應力、越往內部拉伸應力越大。也為拉伸應力區範圍遠大於壓縮應力區，所以塑件在冷卻固化後，於各方向上尺寸均有收縮的傾向。
若更細部地考慮不同流動長度部位的殘留應力：
- 壓縮應力區：靠近澆口處 > 遠離澆口處
- 拉伸應力區：遠離澆口處 > 靠近澆口處
因此塑件充填末端的部位收縮較多，成型後的尺寸會小於靠近澆口處的尺寸。
冷卻過程不僅導致塑件內部的應力分布，冷卻快慢也會影響高分子鏈排向、殘留應力，以及塑件的收縮程度（如表1）。
若模具兩側冷卻速率不均，就會造成塑件厚度不對稱的應力分布、並導致單側收縮較大而翹曲：
- 冷卻速率慢的模側（高模溫），其壓縮應力較小；
- 最大拉伸應力區向冷卻速率慢的模側移動；
- 冷卻速率慢的一側塑件收縮較大；
- 塑件往冷卻速率慢的一側彎曲。
