PC在电器附件行业中的应力开裂问题和解决方案

2024年4月17日发(作者：)

技术・创新/

Technology and Innovation

PC在电器附件行业中的应力开裂问题和解决方案

Stress Cracking Problems and Solutions of PC in the Electrical Appliances

Industry

郑 伟

1

王金秀

1

郑弘博

2

（1.飞雕电器集团有限公司 上海 201614； 2.上海电机学院 上海 200240）

摘要：

通过描述聚碳酸酯材料应力开裂机理及内应力快速检测方法，在查阅大量相关文献及企业多年生产经

验基础上总结了电器附件行业应对应力开裂问题的解决方案。

关键词：

聚碳酸酯；应力开裂； 注塑工艺；熔体流动速率

Abstract：

By describing the polycarbonate material stress cracking mechanism and rapid detection method of in-

ternal stress, this paper summarizes the solutions to cope with the stress cracking problem in the electrical appliances

industry on the basis of large numbers of relevant literatures and many years of enterprise production experience.

Key words：

polycarbonate; stress cracking; injection molding process; melt flow rate (MFR)

聚碳酸酯(简称PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分

子聚合物，是一种综合性能优良的无定型热塑性工程塑

料，其具有无臭、无毒、高度透明的无色或微黄色特性，

另外还具有优良的物理机械性能，尤其是耐冲击性优异，

弯曲强度、拉伸强度、压缩强度高；蠕变性小，尺寸稳定，

在-60~120 ℃环境下具有稳定的力学性能，可长期使用，

具有良好的耐热性和耐低温性；尺寸稳定性、电性能和

阻燃性能优异。

基于PC材料具有以上优良的物理化学性能，使电器

附件行业中的家用开关、插座产品在先后经历了酚醛塑

料（电木粉）、ABS热塑性塑料后，各生产厂家最后基

本上均采用了PC塑料作为产品表面的非金属材料，PC

除能满足电工行业开关、插座产品的所有安全标准要求

外，还具有产品成型速度快，外观光洁漂亮的特性。但

其致命的弱点——制件的残留内应力较大，在使用过程

中如使用不当就会存在应力开裂问题，最终影响产品的

使用性能。产品开裂，轻者影响外观，重者影响产品的

使用性能，甚至会出现用户在使用过程中发生触电，造

成人身安全事故，给用户和企业造成重大损失，因此PC

产品应力开裂问题是我们生产厂家需要面对和解决的痛

点。

下面，笔者就PC材料在电器附件行业产品的生产使

用中所出现的开裂问题和解决方案，给大家一一进行剖

析。

1 PC材料应力开裂现象

应力开裂是指塑料制品在暴露于化学介质中及应力

同时作用下，发生提前开裂而破坏的一种复杂失效行为，

与环境作用、材料特性、成型方式等多种因素有关

[1]

。

关于PC材料的应力开裂，日本富川昌美、左藤行彦等

人的研究表明

[2~3]

，聚碳酸酯大分子的局部取向引起制件

产生微裂，这种微裂在未产生割裂形成空隙时，通过热

处理可以消除；在环境和外力的影响作用下，微裂不断

生长、发展，从而产生了裂缝，这种裂缝已形成空隙，

成为不可恢复的断裂破坏。他们同时提出裂纹发生的活

34

日用电器/

Electrical Appliances

技术

・创新/

化能为36.2千卡/克分子。

通常认为：在成型聚碳酸酯时，分子链被迫取向，

解取向由于聚碳酸酯分子链上具有苯环而比较困难，并

在成型后，被取向的链趋于恢复自然状态，但是由于整

个分子链已经被冻结和大分子链之间的相互左右，从而

造成制品存在残留应力；同时聚碳酸酯内部还存在大分

子链间的作用力和相互缠结力即抗开裂力，这个力的大

小取决分子链的长短，链间的缠结数目，分子链之间的

作用力。当抗开裂能力和内应力平衡时，产品不会出现

开裂现象，而当抗开裂能力小于内应力时，就会出现产

品成型时合格，而存放一段时间后开裂的现象

[4]

。简要

概括为：分子链上苯环——成型取向——制品成型后出

现内应力——当内应力和抗开裂能力平衡——合格制

品——当内应力大于抗开裂能力——产品开裂。

min，然后把产品取出在清水中冲洗干净，检查产品是否

有裂纹/断裂部分，无裂纹则为合格。

2.3 冰乙酸浸泡法

具体方法为：把待检测的产品完全浸泡在常温（20-25

℃）冰乙酸溶液中，时间为

3 min，然后把产品取出在清

水中冲洗干净，检查产品是否有裂纹/断裂部分，如有

出现，即此位置是应力集中地方，裂纹越严重，内应力

越大，需要进行改善。

CCL

4

易挥发，具有一定的毒性；乙酸乙酯和正丙醇

溶液易燃，因此前两种方法现在基本上不再使用，现在

我司使用第三种方法对PC材料产品检测其应力开裂问

题。

3 PC材料应力开裂的解决方案

PC材料产品的开裂问题的解决，是个复杂且综合的

2 PC材料内应力的快速检测方法

2.1 CCL

4

浸泡法

具体方法为：把待检测的产品完全浸泡在常温（20~25

℃）CCL

4

溶液中，时间为1 min，然后把产品取出在清

水中冲洗干净，检查产品是否有裂纹/断裂部分，无裂

纹则为合格。上海电动工具研究所汤锦良、彭兰生在聚

碳酸酯应力开裂的研究中

[5]

，即以国产超高粘PC及日本

C-1400两种材料的标准试条，采用CCL

4

溶液浸泡，通

过严格控制CCL

4

温度（10/15/20/25/30/35/40 ℃）进行应

力开裂的试验，并指出温度越高，开裂时间越短。

2.2乙酸乙酯和正丙醇混合溶液浸泡法（按3:1混合）

具体方法为：把待检测的产品完全浸泡在常温（20~25

℃）乙酸乙酯和正丙醇混合（按

3:1）溶液中，时间为1

问题，根据我司相关技术人员在生产及工作中长期积累

总结以及与上海工程技术大学校企之间的“高分子开关

面板材料开裂问题研究”项目合作，得出需要从以下几

个方面对产品质量进行控制和改进，才能有效防止产品

开裂问题的批量发生。

3.1原材料方面的控制

PC

材料的一个重要指标为分子量的高低，其检测指

标为熔体流动速率（MFR）。高分子量的聚碳酸酯分子

链长度更长，链间缠结数目更多，分子间的作用力更大

故抗开裂能力更强。我们公司与上海工程技术大学校企

合作时针对原材料做了相关试验，共采用三种配方的PC

材料，分别测量其熔体流动速率，试验结果如表1所示。

其中，配方1为纯的高分子原料，配方2为纯的中

表1 熔体流动速率测试结果

类别

配方1

配方2

配方3

试样1/g

0.064

9

0.163

4

0.154

试样2/g

0.058 9

0.162 2

0.154

8

试样3/g

0.059 3

0.161 5

0.157 7

试样4/g

0.060 1

0.164 6

0.144 9

试样5/g

0.061 1

0.180 4

0.152 4

平均值/g

0.060 9

0.166 4

0.153 1

t/s

10

10

10

2017年01月/Jan.2017

35

技术・创新/

Technology and Innovation

分子原料，配方3为15 %的高分子和85 %的中

分子的混合料，试验温度为280 ℃，标称负荷为1.2

kg。

经过计算得，三种配方得MFR分别为：

MFR1=3.668 g/10 min；

MFR2=9.984 g/10 min；

MFR3=9.144 g/10 min。

MFR1＜MFR3 ＜MFR2，通过以上试验数据

表明PC料的熔体流动速率与待测试样的分子量

直接相关，较高的分子量其熔体流动速率较低，

流动性能较差，但成型制件的强度更高。

熔体流动速率的高低不仅代表了材料的力学

性能，同时直接影响材料的价格和塑胶件成型的

效率；根据电器附件行业产品的特性，PC

原材

料其熔体流动速率应控制在20 g/10 min以内。

3.2二料的控制

在产品注塑生产过程中，生产厂家都会在原

材料中适当加入生产过程中产生的废料和注塑

口，需要注意的是加入的二料必须要处理干净，

不得有油污混入。我司在多年的注塑生产过程中，

采用不同比例二料进行调试及验证结果如表2所

示。

故结合我司多年现场生产实例表明，二料的

总比例应控制在20 %以下，同时为了减少在生

产中需要加入注塑口二料比例的压力，有效减少

注塑口的产生，建议在条件允许的情况下注塑模

具应采用热流道结构模具。

3.3产品设计结构及装配工艺改善

为消除塑胶件成品应力开裂现象，工程技术

人员在设计产品之初，要考虑注塑零部件装配成

成品的状态，防止装配后零部件相互配合尺寸出

现过赢状态，从而使某一注塑零部件长期处于受

力变形的风险；如果此问题无法彻底避免，则需

36

日用电器/

Electrical Appliances

表2 不同比例二料注塑成型的对比结果

类别二料比例冰乙酸浸泡法状态样条抗拉强度均值

配方115

%没有变化61.4 MPa

配方220

%没有变化60.5 MPa

配方325

%表面有轻微龟裂57.3 MPa

配方430

%薄弱部分有裂痕55.8 MPa

配方535

%有断裂50.2 MPa

（a）（b）

图1 自攻螺钉与自切螺钉示意图

要对长期受力零件的部位结构进行加强（如过渡部分进行加筋

或倒角等）。注塑件内部有螺钉连接的部位，则产品设计时要

避免在塑胶件上使用自攻螺钉（如图1（a）所示），而是要

内部制作螺纹或采用自切螺钉（如图1（b）所示）的方式；

从而避免装配连接部位因自攻螺钉旋入造成塑胶件材料蠕动挤

压产生应力变形，长期受力发生开裂现象。对于成品塑胶件的

验证，我公司采用冷热冲击法进行试验，具体方法为：随机抽

取20个以上的成品，放入冷热冲击箱里，低温段为-40℃，

高温段为+80 ℃，各温度段时间为4 h，冲击50个周期，如没

有发现产品开裂即为正常。

3.4注塑模具的结构设计改善

3.4.1优化浇口位置及数量

模具设计时，浇口位置及数量的设计应保证熔体均匀快速

地充满型腔；尽量使熔接线和熔接痕出现在不敏感区域，从而

减少注塑件开裂的风险。在我们公司与上海工程技术大学联合

发表的基于Moldflow的开关面板支架浇口优化设计

[6]

一文中，

以开关面板为例，借助Moldflow软件通过三种方案（方案一、

方案二为单个浇口，位置不同，其中方案二更接近软件分析的

技术

・创新/

（a）（b）

图2 开关按键连接处直角和倒角比对图

最佳浇口位置；方案三为2个浇口）流动模拟分析显示，

方案一的熔接痕最多，并且在圆角部位有熔接线产生；

方案三较方案二的熔接痕数量多，且大多分布在制件的

尖角、凹槽等处，即方案二制品强度最高。

3.4.2避免塑胶件直角连接，增加倒角，圆弧过渡

所有PC材料的塑胶模具，其产品型腔内部要避免出

现锐角和直角部位，若连接的部分是锐角和直角，应在

角尖的部分进行倒角，使其圆滑过渡，避免在连接部位

产生应力集中问题，防止日久后塑胶件在此部位发生开

裂现象。图

2是我公司生产过程中开关按键部件（原结

构如图2（a）所示）因应力问题而开裂，后对产品结构

进行增加倒角调整后（改善后结构如图2（b）所示），

开裂问题得到解决。

此外，适当加大流道，取消非必要的横向加强筋，

增加纵向加强筋，增大脱模斜度，顶出装置设计成大面

积顶出，少使用金属内嵌件（无法避免时，在成型前需

将嵌件预热至200 ℃，以降低开裂风险）等手段，均对

解决应力开裂问题有明显效果。

3.5注塑过程的工艺控制

原材料干燥、注射速率、注射温度、注塑压力、成

型周期、模具温度等等工艺因素均影响PC注射成型制

品质量，已有相关文献

[4~7]

所阐述，如原材料充分干燥，

减少微量水分对热熔体催化裂解的可能；注射速度不宜

快，否则易出现熔体破裂现象；后续热处理消减内应力等。

其中聚碳酸酯应力开裂的研究中

[5]

通过对料温、模温、

压力及保压时间做正交试验分析得到，模具温度是影响

PC制件应力开裂的主要因素，模温增高则应力开裂时间

延长，但过高会降低缺口冲击强度

；料温对较薄壁厚（4~5

mm）有显著影响，保压时间对较厚壁厚（10 mm）有显

著影响，而注射压力无明显影响。

故对于电器附件行业生产厂家而言，模具通常保持

在

80~120 ℃（适当高一些100 ℃左右），且为保持模温

的恒定，建议加模温机；料温适当低一些，机筒温度一

般控制在250 ℃左右，逐段降低机筒温度，特别是前两

段的温度；并缩短保压时间，注射压力适中。此外，PC

材料注塑过程中，要避免大吨位的注塑机生产小克数的

产品，以成品重量约为注塑机容量的40 %~60 %为最佳，

防止粒子在注塑机料筒里长时间加热而引起原材料的分

解。

4 结语

目前，PC材料应用前景十分广阔，尤其在电器附件

行业应用日益扩大，但由于聚碳酸酯材料的结构特征及

注塑工艺条件的限制，不可能完全避免内应力；而应力

释放过程缓慢，其周期短则两三天，长达一年以上，最

后导致产品开裂，给生产厂家带来大量损失；故在生产

过程中，厂家要尽量减小内应力或避免应力集中而造成

产品开裂，从原料——二料——产品结构设计及装配——

模具设计——注塑工艺各环节严格控制、层层把控以减

少应力开裂问题。笔者总结的聚碳酸酯在电器附件行业

应用中的应力开裂问题和解决方案对生产有一定的指导

作用。

（下转45页）

2017年01月/Jan.2017

37

势，提出了一种智能吸尘器智能特性等级评价的新方法。

本方法建立了智能吸尘器典型智能特性等级评价体系框

架，并采用层次分析法设计了评价数学模型和评价实现

流程，将评价过程进行数值量化，最后结合智能吸尘器

表3 某智能吸尘器产品评价项目评分结果

项目序号一级评价指标二级评价指标分值

学习用户习惯C

11

16.38

记忆工作环境C

12

0

1

自学习B

1

软件自动升级C

13

0

单项合计C

1

16.38

自动调节C

21

0

断电记忆C

22

21.58

防碰撞C

23

13.94

2

防跌落C

24

13.65

自适应B

2

防缠绕C

25

11.00

智能爬坡C

26

0

单项合计C

2

60.17

智能运行C

31

14.37

信息监测C

32

6.68

3

导航与定位C

33

26.51

自组织

B

3

路径规划C

34

52.44

单项合计C

3

100

维护预测C

41

0

能量预测C

42

41.60

4自推理B

4

性能预测C

43

0

单项合计C

4

41.60

误操作报警C

51

9.34

硬件故障报警C

52

22.13

5自诊断B

5

远程故障诊断C

53

0

单项合计C

5

31.47

无线控制C

61

12.26

互联网服务C

62

0

6自协调B

6

互联互通C

63

0

单项合计C

6

12.26

时间自校正C

71

33.33

7自校正B

7

电路自校正C

72

0

单项合计C

7

33.33

易用性C

81

24.43

可干预性C

82

0

0

8

其他智能特性

可扩展性C

83

B8

功能安全性C

84

26.43

信息安全性C

85

0

单项合计C

8

50.86

技术

・创新/

具体产品案例进行分析，对其智能特性等级做出了科学

合理的评价。本文方法研究能够为企业生产、市场监管

和消费者选购提供合理的参考，同时也能为其他智能家

电产品的智能特性评价研究起到借鉴作用。

参考文献：

[1] GB/T 28219-2011,智能家用电器的智能化技术通则[S].

[2] CQC 9213-2015 ,家用吸油烟机智能化水平评价技术要求[S].

[3] 郭金玉, 张忠彬, 孙庆云. 层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学

学报,2008,18(5).

[4]邓雪, 李家铭,曾浩健,等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研

究[J]. 数学的实践与认识, 2012,42(7).

[5]张贤明. MATLAB语言及应用案例[M].南京:东南大学出版社, 2010.

（上接37页）

参考文献：

[1] Wright D C. Enviromental Stress Cracking of Plastics[M].

Billingham: Rapra Technology Limited ,1996:3-4.

[2] 富川昌美.高分子化学,24卷,265号.

[3] 左藤行彦.高分子化学,22卷,239号.

[4]傅敏迪.产学研结合解决PC材料应力开裂难题[C]. 天津:全国电器附

件行业技术交流大会, 2009. 21-24.

[5] 汤锦良, 彭兰生. 聚碳酸酯应力开裂的研究[J]. 工程塑料应用, 1982, (4):

15-19.

[6] 吴利英. 聚碳酸酯的注射成型工艺[J]. 工程塑料应用, 2003, 31(10):

22-24.

[7] 韩健, 韩冬雪, 刘春太, 陈静波, 申长雨. 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, (4): 76-79.

[8] 付云龙, 王斌,龚红英,何秀峰，郑伟. 基于Moldfl ow的开关面板支架

浇口优化设计[J]. 塑料, 2013, 42(5): 99-102.

2017年01月/Jan.2017

45