熔體溫度對注射成型熱塑性聚氨酯制件殘余應(yīng)力及外形精度的影響

相 寧，葛 勇，張曉雯，王博倫，鄭夢瑤，顏 悅

(中國航發(fā)北京航空材料研究院 北京市先進(jìn)運(yùn)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明件工程技術(shù)研究中心,北京 100095)

熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethanes，TPU)彈性體是一種具有微相分離結(jié)構(gòu)的嵌段共聚物，其中硬段由二異氰酸酯構(gòu)成，主要影響材料的熔融溫度及高溫性能；軟段由長鏈的多元醇構(gòu)成，主要影響材料的低溫性能及彈性[1-2]。由于TPU的材料種類豐富且性能優(yōu)異，使其在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用[3-5]。其中具有高透光性、優(yōu)異的耐低溫性能和良好粘接性能的TPU膠片已經(jīng)成功用于層合結(jié)構(gòu)透明件的中間層，以提高層合結(jié)構(gòu)透明件的抗沖擊能力[6]。注射成型技術(shù)可以實現(xiàn)大曲率、大厚度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的一體化成型，已逐漸在TPU中間層的制備上取得應(yīng)用。然而注射成型是一種包含剪切流場和梯度溫度場等多物理場作用的成型過程，容易引發(fā)殘余應(yīng)力[7-9]。殘余應(yīng)力會影響TPU注射成型制件的尺寸精度、光學(xué)性能以及界面粘接性能，最終影響層合結(jié)構(gòu)透明件的使用。

在傳統(tǒng)的熱塑性透明樹脂注射成型領(lǐng)域中，國內(nèi)外學(xué)者對殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及控制手段開展了廣泛的研究。韓健等[10]發(fā)現(xiàn)注射成型工藝中的保壓壓力和熔體溫度對制件殘余應(yīng)力的分布有明顯影響，并發(fā)現(xiàn)熔接痕區(qū)域存在雙折射行為。陳宇宏等[11]通過對比注射成型和注射壓縮成型對汽車角窗透明產(chǎn)品殘余應(yīng)力分布和光學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)，注射壓縮成型可以極大降低制件的殘余應(yīng)力并減少其分布范圍。王忠輝等[12]通過單一變量的實驗方法研究了注射速度對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制件殘余應(yīng)力和光學(xué)性能的影響，結(jié)果表明提高注射速度可以降低制件的整體殘余應(yīng)力，且透光率隨殘余應(yīng)力的變化趨勢與霧度的變化趨勢相反。奚國棟等[13]基于線性黏彈性模型模擬計算了無定形材料在注射成型過程中由溫度和壓力引起的殘余應(yīng)力和收縮，發(fā)現(xiàn)提高保壓壓力和注射溫度可以降低制品的最終收縮量。葛勇等[14]通過研究注射工藝對聚碳酸酯殘余應(yīng)力的影響后，得出熔體溫度對殘余應(yīng)力的影響最為顯著。Isayev[15-16]在對比了自由淬火和注射成型無定形聚合物的雙折射性能后指出，注射成型制件的熱殘余應(yīng)力比流動殘余應(yīng)力大一個數(shù)量級，并且流動殘余應(yīng)力主要是由于分子取向?qū)е碌摹?/p>

雖然國內(nèi)外學(xué)者對透明產(chǎn)品的注射成型過程中殘余應(yīng)力的形成和控制進(jìn)行了大量研究，但針對彈性體類透明聚氨酯注射成型制件殘余應(yīng)力的研究卻少見報道。本工作將探索注射成型過程中熔體溫度對制件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律以及作用機(jī)理，并結(jié)合殘余應(yīng)力在制件中的分布規(guī)律，分析闡述殘余應(yīng)力對TPU制件翹曲變形和尺寸精度的影響規(guī)律和作用機(jī)理。

1 實驗材料與方法

1.1 原料與儀器

實驗所用TPU原材料為一種聚醚型脂肪族透明TPU，熔融指數(shù)為13.18 g/10 min(190 ℃/2.16 kg)，數(shù)均分子量Mn=70928；成型設(shè)備為KM-CX-130/750型注塑機(jī)，螺桿直徑為45 mm；101-3AB型鼓風(fēng)烘箱；WPA-100-L型寬量程2D雙折射測定儀；HD-6型橡膠厚度計；游標(biāo)卡尺。

1.2 注射成型實驗

使用鼓風(fēng)烘箱在85 ℃下對原料干燥4 h，確保原料干燥充分。TPU制件為注射成型的長方形平板，其理論尺寸為長×寬×厚=200 mm×100 mm×3 mm。采用單因素四水平實驗方法考察熔體溫度對TPU制件殘余應(yīng)力與外形精度的影響，所考察的因素及水平值如表1所示，注射成型基本工藝參數(shù)如表2所示。

1.3 性能表征

1.3.1 殘余應(yīng)力測量

雙折射法測量殘余應(yīng)力的具體原理為，當(dāng)透明高分子材料產(chǎn)生應(yīng)力后會產(chǎn)生光學(xué)雙折射現(xiàn)象，平面偏振光垂直射入試樣后，產(chǎn)生雙折射沿受力點(diǎn)主應(yīng)力方向分成兩束平面偏振光，這兩束光的光程差與光通過處的殘余應(yīng)力成正比，即應(yīng)力-光學(xué)定律[13]：

δ=c×d×(σ1-σ2)

(1)

式中：δ為偏振光在光線通過處由于折射率不同導(dǎo)致的光程差，nm；σ1和σ2分別為第一和第二方向上的主應(yīng)力，MPa；d為樣品厚度，mm；c為材料的光彈系數(shù)，Pa-1,是材料的固有屬性，當(dāng)測試溫度固定時，可以認(rèn)為c是一個固定值[17]。

TPU制件厚度截面雙折射測量的裁樣示意圖如圖1所示，制件采用側(cè)進(jìn)膠，澆口位于制件短邊上。將平行于熔體流動方向標(biāo)記為PF，垂直于熔體流動方向標(biāo)記為VF，制件厚度方向標(biāo)記為TD。分別沿PF方向和VF方向進(jìn)行裁切取樣，取樣寬度為2.2 mm。

圖1 TPU制件厚度截面雙折射測量的樣品裁樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample cutting position for birefringence measurement on the thickness section

本工作采用寬量程2D雙折射測定儀，在恒定室溫的條件下，通過雙折射法測定制件整體的光程差分布以及裁切樣品的光程差分布，并通過光程差大小以及分布來表征制件的應(yīng)力大小和分布，進(jìn)而研究不同熔體溫度對制件殘余應(yīng)力分布的影響。

1.3.2 制件尺寸精度測量

TPU制件的尺寸精度測量位置如圖2所示，在平板制件不同位置均勻的選取10個測量點(diǎn)，利用厚度計測量每一個點(diǎn)的厚度；利用游標(biāo)卡尺分別沿line 1，line 2和line 3三條直線位置對制件的長度進(jìn)行測量；利用游標(biāo)卡尺分別沿line 4，line 5和line 6三條直線位置測量制件的寬度。按下式計算三個方向上每個測量值的尺寸變形率D：

(2)

圖2 尺寸精度測量位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement positions of dimensional accuracy

2 結(jié)果與分析

2.1 注射成型TPU制件殘余應(yīng)力分析

通常，注射成型制件的殘余應(yīng)力主要由兩部分構(gòu)成，一部分為熔體填充過程中因黏性流動產(chǎn)生的流動殘余應(yīng)力，另一部分為制件在冷卻過程中各點(diǎn)收縮程度不同產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力[16]。目前對于不同殘余應(yīng)力之間相互作用的物理機(jī)理還不清楚，通常認(rèn)為總殘余應(yīng)力是流動殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力的疊加[18]。

不同熔體溫度下TPU制件的整體光程差分布如圖3所示，圖中右側(cè)為近澆口區(qū)域。通過圖3可以看出，制件整體殘余應(yīng)力隨熔體溫度的上升而下降，尤其是制件的中心區(qū)域殘余應(yīng)力下降更為明顯。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，制件整體的殘余應(yīng)力較大；當(dāng)熔體溫度為170～190 ℃時，制件殘余應(yīng)力的分布大多集中在近澆口的邊緣區(qū)域，并沿熔體流動方向呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，較低的熔體溫度使熔體填充后分子鏈段沒有充分的時間進(jìn)行布朗運(yùn)動，分子鏈段取向被凍結(jié)，產(chǎn)生較大的流動殘余應(yīng)力；而更低的模具溫度加劇了制件的冷卻，收縮不一致產(chǎn)生較大的熱殘余應(yīng)力。二者結(jié)合導(dǎo)致制件整體呈現(xiàn)出較大的殘余應(yīng)力。隨著熔體溫度的上升，分子鏈段在熔體冷卻階段解取向程度增大[18-19]，流動殘余應(yīng)力降低，且熔體溫度升高延緩了制件的冷卻速率，使熱殘余應(yīng)力下降。因此，制件殘余應(yīng)力整體呈現(xiàn)出隨熔體溫度上升而下降的趨勢。

圖3 不同熔體溫度下TPU制件的光程差分布圖(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃Fig.3 Effect of different melt temperatures on optical path difference distribution of TPU parts(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃

圖4為制件沿熔體流動方向的中心線上光程(optical path difference,OPD)差定量分布結(jié)果，通過曲線對比可以進(jìn)一步驗證圖3中所得到的規(guī)律，即隨著熔體溫度由160 ℃上升到190 ℃，制件光程差最大值由945 nm下降到30.7 nm。沿熔體流動方向上，制件在近澆口區(qū)域的殘余應(yīng)力最大，是因為近澆口區(qū)域的注射壓力要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)澆口的注射壓力，所以在近澆口區(qū)域分子鏈沿流動方向的取向遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)澆口區(qū)域。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，制件在遠(yuǎn)澆口區(qū)域殘余應(yīng)力再次上升，這與其他熔體溫度下的結(jié)果明顯不同。主要原因是在遠(yuǎn)澆口區(qū)域熔體溫度下降導(dǎo)致熔體黏度上升，流動前沿的熔體流動阻力加大，加劇了分子的流動取向，同時較低的熔體溫度和模具溫度使熔體快速冷卻定型，導(dǎo)致了較大的流動殘余應(yīng)力。隨著熔體溫度的上升，較低的熔體黏度保證了熔體在遠(yuǎn)澆口區(qū)域的低阻力填充，當(dāng)熔體溫度高于170 ℃時，在制件遠(yuǎn)澆口區(qū)域沒有出現(xiàn)殘余應(yīng)力的顯著增加，殘余應(yīng)力分布較為均勻。

圖4 制件在沿熔體流動方向中心線上的光程差分布曲線Fig.4 Optical path difference distribution curves along the centerline in flow direction of TPU parts

2.2 注射成型TPU制件截面方向上殘余應(yīng)力分析

為深入分析熔體溫度對制件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律和作用機(jī)理，按照圖1所示位置在制件截面方向上分別沿PF方向和VF方向進(jìn)行裁片取樣，觀察制件在截面上的殘余應(yīng)力分布，結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為沿PF方向上制件截面的光程差分布圖，從圖中可以看出，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，樣品在芯層的殘余應(yīng)力較大，隨著熔體溫度上升，樣品殘余應(yīng)力迅速下降。圖5(b)為沿VF方向上制件截面的光程差分布圖，可以看出，熔體溫度變化對樣品VF方向上的殘余應(yīng)力影響不如PF方向上明顯。通過對比圖5(a)和圖5(b)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，樣品芯層在PF方向上的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)大于VF方向。圖6顯示了熔體在注射填充和冷卻過程中TPU分子鏈段沿熔體流動方向發(fā)生取向排布[18-19]，較低的熔體溫度不利于鏈段取向的松弛，導(dǎo)致樣品在PF和TD兩個方向上微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各向異性，所以樣品芯層在PF方向上殘余應(yīng)力較大(圖6(a))。同理在VF和TD兩個方向上沒有明顯的各向異性(圖6(b))，故樣品芯層在VF方向上殘余應(yīng)力較小。熔體溫度升高有利于分子鏈段和分子鏈解取向從而使樣品在PF和TD兩個方向上微觀結(jié)構(gòu)趨向于各向同性，因此殘余應(yīng)力在這兩個方向上的差異減小。通過上述分析發(fā)現(xiàn)，注射成型制件芯層的殘余應(yīng)力主要是由于熔體流動導(dǎo)致分子鏈和分子鏈段取向并被凍結(jié)所形成的，故主要?dú)w因于流動殘余應(yīng)力。此外，文獻(xiàn)中對注射成型過程中熱殘余應(yīng)力分布的仿真研究也表明，制件芯層的熱殘余應(yīng)力較小，其主要分布在制件的皮層區(qū)域，并以厚度中性面對稱分布[20-21]。

圖5 不同熔體溫度下注射成型制件的截面光程差分布圖(a)裁樣方向平行于熔體流動方向；(b)裁樣方向垂直于熔體流動方向Fig.5 Optical path difference distribution of the injection molded TPU parts in cross section with different melt temperatures(a)cutting direction parallel to the direction of melt flow;(b)cutting direction perpendicular to the direction of melt flow

圖6 熔體溫度為160 ℃時制件微觀結(jié)構(gòu)示意圖(a)PF方向；(b)VF方向Fig.6 Schematic diagrams of microstructure in TPU parts molded at 160 ℃ melt temperature(a)PF direction;(b)VF direction

對圖5中的截面樣品進(jìn)一步分析得到了制件截面的快軸方向分布規(guī)律，如圖7所示，圖中的雙向箭頭代表了快軸的方向，即光傳播速度較快的方向。如圖7(a-1)～(d-1)所示，在樣品芯部區(qū)域，快軸方向平行于PF方向。由于在有內(nèi)應(yīng)力的透明材料中，垂直于受拉主應(yīng)力方向的折射率較大，平行于受拉主應(yīng)力方向的折射率較小，而光在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的折射率成反比，即快軸方向為折射率較小的方向。因此，PF方向為受拉主應(yīng)力方向。這與分子鏈和分子鏈段的取向方向一致，進(jìn)一步證明了注射成型制件芯層的殘余應(yīng)力主要為流動殘余應(yīng)力。而在皮層區(qū)域，快軸的方向發(fā)生了改變，說明主應(yīng)力方向發(fā)生了改變，不再與流動方向一致，說明皮層的殘余應(yīng)力是流動殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力共同作用的結(jié)果。通過圖7(a-2)～(d-2)發(fā)現(xiàn)，樣品在VF方向上有明顯的皮-芯層結(jié)構(gòu)，而且芯層的快軸方向與皮層的快軸方向不同。

圖7 不同熔體溫度下注射成型制件截面的快軸方向(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃；(1)裁樣方向平行于熔體流動方向；(2)裁樣方向垂直于熔體流動方向Fig.7 Direction of fast axis in cross section of slices at different melt temperatures(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃；(1)cutting direction parallel to the direction of melt flow;(2)cutting direction perpendicular to the direction of melt flow

為進(jìn)一步研究殘余應(yīng)力在制件截面上的分布規(guī)律，在制件截面上沿厚度方向的中心線進(jìn)行光程差的定量測量，如圖8所示。通過觀察圖8(a)中PF方向上光程差分布曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，光程差在厚度方向上的分布曲線整體上呈現(xiàn)拋物線狀，芯層區(qū)域殘余應(yīng)力最大，光程差最大值為1050 nm，并逐漸向兩側(cè)遞減；當(dāng)熔體溫度由160 ℃上升至180 ℃時，殘余應(yīng)力隨熔體溫度上升顯著下降；當(dāng)熔體溫度為180 ℃時，樣品光程差最大值僅為150 nm。此外，從圖8(a)中還可看出當(dāng)熔體溫度高于170 ℃時，芯層區(qū)域光程差分布曲線較為平坦。由上述研究可知，芯層主要為流動殘余應(yīng)力，可見當(dāng)熔體溫度低于180 ℃時，樣品芯層的流動殘余應(yīng)力隨熔體溫度上升而顯著下降，而熔體溫度高于180 ℃時，樣品芯層的流動殘余應(yīng)力對熔體溫度的變化不敏感。當(dāng)熔體接觸到溫度較低的模具表面時發(fā)生快速冷卻使流動取向凍結(jié)，且壁面處的剪切應(yīng)力大于芯層區(qū)域，因此皮層區(qū)域的分子取向更加明顯，在該區(qū)域應(yīng)出現(xiàn)一個殘余應(yīng)力極大值。但在圖8(a)中未發(fā)現(xiàn)皮層區(qū)域出現(xiàn)光程差峰值，這可能是因為流動殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而皮層熔體快速冷卻產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力[21]，兩者主應(yīng)力方向不同，從而兩者相互疊加后在PF方向上皮層區(qū)域未觀察到殘余應(yīng)力峰值。圖7(a-2)～(d-2)中皮層區(qū)域快軸的方向與芯層區(qū)域的不同可以佐證這一推論。

圖8 制件截面在豎直中心線上的光程差分布曲線 (a)對應(yīng)圖5(a)中的樣品；(b)對應(yīng)圖5(b)中的樣品Fig.8 Optical path difference distribution curves on vertical center line of part section(a)corresponding to the sample of fig.5(a);(b)corresponding to the sample of fig.5(b)

從圖8(b)可知，在VF方向上光程差曲線沿厚度方向上呈現(xiàn)對稱分布，截面樣品在上下兩個皮層區(qū)域出現(xiàn)了明顯的殘余應(yīng)力峰，芯層區(qū)域的殘余應(yīng)力普遍較小，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，芯層光程差僅為72 nm。在皮層和芯層之間存在殘余應(yīng)力急劇減小并趨于零的零應(yīng)力層。上述研究得到TPU制件沿PF方向具有較大的流動殘余應(yīng)力，而在VF和TD兩個方向上微觀結(jié)構(gòu)沒有明顯的各向異性，不能有效表征制件中流動殘余應(yīng)力的分布。因此，沿VF方向表征的皮層殘余應(yīng)力結(jié)果更大程度反映的是熱殘余應(yīng)力。故當(dāng)皮層熔體快速冷卻產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力時，在圖8(b)中的皮層區(qū)域觀察到了明顯的殘余應(yīng)力峰值，且皮層殘余應(yīng)力隨熔體溫度上升而下降。這是因為隨著熔體溫度上升，延長的冷卻時間有助于熔體收縮的均勻性，可以降低熱殘余應(yīng)力。芯層殘余應(yīng)力較小且對熔體溫度變化不敏感，除了因為在VF方向上微觀結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)各向同性外，還因為熱殘余應(yīng)力主要分布在皮層區(qū)域，因此芯層的整體殘余應(yīng)力較小。

由圖5(b)和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)注射成型的TPU制件具有明顯的皮-芯結(jié)構(gòu)和零應(yīng)力層，且殘余應(yīng)力在皮層和芯層的分布規(guī)律不同。在皮層中的殘余應(yīng)力是流動殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力疊加的結(jié)果，而在芯層是以流動殘余應(yīng)力為主。有文獻(xiàn)指出零應(yīng)力層是熔體在壁面上瞬間冷卻層結(jié)束的位置[18]，因此可以根據(jù)零應(yīng)力層之間的厚度占制件總厚度的比例來計算芯層的相對厚度。圖9為芯層厚度的比例隨熔體溫度的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，隨著熔體溫度上升，芯層的厚度占比逐漸增加。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，較低的熔體溫度使瞬間冷卻層結(jié)束的位置向芯層偏移從而產(chǎn)生了較厚的皮層，而皮層則因為驟冷產(chǎn)生不均勻收縮，導(dǎo)致了較大的熱殘余應(yīng)力。同時由于皮層阻隔熱傳導(dǎo)的效果較好，延緩了芯層降溫速度，從而內(nèi)部熔體在相對較低的壓力下凝固，減少了冷卻收縮不均勻程度，使芯層的熱殘余應(yīng)力較小，以流動殘余應(yīng)力為主導(dǎo)。隨著熔體溫度上升可以有效減緩皮層區(qū)域的瞬間冷卻，所以皮層變薄，熱殘余應(yīng)力降低。較高的熔體溫度不僅可以使分子鏈和鏈段的取向松弛，降低流動殘余應(yīng)力，還可以有效緩解因皮層驟冷而產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力，因此當(dāng)熔體溫度為190 ℃時，制件殘余應(yīng)力整體較低。

圖9 制件芯層厚度隨熔體溫度的變化曲線Fig.9 Core thickness ratio plots of TPU parts at different melt temperatures

2.3 熔體溫度對制件外形精度的影響

TPU作為一種熱塑性彈性體材料，在常溫下處于高彈態(tài)，所以成型后由于殘余應(yīng)力釋放會導(dǎo)致較大的翹曲變形和尺寸變化。TPU制件的翹曲變形如圖10所示。當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，制件在近澆口區(qū)域產(chǎn)生了較大的翹曲變形，隨著熔體溫度的升高，制件的翹曲變形明顯改善。通過對比制件翹曲變形的位置和制件整體殘余應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，制件的翹曲變形量和殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。這主要是因為制件在近澆口區(qū)域殘余應(yīng)力較大，隨著近澆口區(qū)域殘余應(yīng)力的釋放，制件的彈性形變發(fā)生不均勻恢復(fù)進(jìn)而導(dǎo)致了較大的翹曲。而隨著熔體溫度的上升，近澆口區(qū)域的殘余應(yīng)力顯著降低，制件的翹曲變形也得到了改善，當(dāng)熔體溫度上升到190 ℃后，制件的翹曲變形基本消失。

圖10 不同熔體溫度下注射成型制件的翹曲變形情況 (a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃Fig.10 Warpage deformation of TPU parts injection molded at different melt temperatures(a)160 ℃;(b)170 ℃;(c)180 ℃;(d)190 ℃

表3列出了制件的三維尺寸精度隨熔體溫度的變化規(guī)律。由表3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，制件在長度方向上變形率為-15.58%，說明在長度方向上出現(xiàn)了明顯的收縮，而在寬度和厚度方向上變形率分別為7.45%和21%，表明制件在這兩個方向上發(fā)生了膨脹。同時，制件的變形率隨熔體溫度升高呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，說明制件的尺寸精度顯著提高，當(dāng)熔體溫度上升到190 ℃時，制件在長、寬、厚三個方向上的變形率分別為-0.32%，0.66%和9%，與熔體溫度為160 ℃時相比，在長、寬、厚三個方向上的尺寸變形率分別下降了15.26%，6.79%和12.08%。綜合分析TPU尺寸變形方向和殘余應(yīng)力測量結(jié)果，可以得出TPU制件的尺寸變化主要是由于流動殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的。當(dāng)熔體溫度較低時，注射成型過程使分子鏈段沿著流動方向進(jìn)行取向，導(dǎo)致了較大的流動殘余應(yīng)力，而分子鏈在松弛的過程中，分子鏈卷曲收縮，故在長度方向上出現(xiàn)收縮，相應(yīng)地在另外兩個方向上出現(xiàn)膨脹。

表3 熔體溫度對制件尺寸精度的影響Table 3 Influence of melt temperature on dimensional accuracy of parts

TPU分子鏈段由硬段和軟段構(gòu)成，具有典型的微相分離結(jié)構(gòu)，因此TPU的分子鏈取向主要分為硬段取向和軟段取向兩部分。常溫下TPU處于高彈態(tài)，軟段運(yùn)動相對自由，故在制件后期長時間存放的過程中軟段的取向基本得到松弛，而硬段的取向因相鄰分子鏈段的長程有序結(jié)構(gòu)在熔融溫度以下運(yùn)動受限而難以松弛[22]。此外，由于硬段取向的限制，軟段在模內(nèi)冷卻階段也難以充分松弛。故隨著熔體溫度升高，鏈段取向可以獲得更大程度的松弛，從而提高了開模后制件的尺寸精度。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)熔體溫度為160 ℃時，TPU制件整體殘余應(yīng)力較大，隨熔體溫度上升，制件殘余應(yīng)力下降明顯，當(dāng)熔體溫度由160 ℃上升到190 ℃時，光程差最大值由945 nm下降到30.7 nm，且主要分布在近澆口區(qū)域。

(2)注射成型TPU制件具有明顯的皮-芯結(jié)構(gòu)和零應(yīng)力層；芯層區(qū)域以流動殘余應(yīng)力為主，皮層區(qū)域的殘余應(yīng)力為流動殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力疊加的結(jié)果。隨熔體溫度升高，芯層區(qū)域在平行于熔體流動方向上流動殘余應(yīng)力顯著降低，垂直于熔體流動方向上變化不明顯，皮層區(qū)域殘余應(yīng)力峰值降低。

(3)TPU制件的翹曲變形主要發(fā)生在近澆口區(qū)域，與高殘余應(yīng)力分布位置相對應(yīng)，升高熔體溫度可以有效降低制件的翹曲變形，制件的尺寸改變主要是由于流動殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的，當(dāng)熔體溫度由160 ℃升高到190 ℃時，制件在長、寬、厚三個方向上的尺寸變形率分別下降了15.26%，6.79%和12.08%。