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塑料盖收缩裂口成因分析及解决方案

[摘要] 研究盖的收缩裂口位置及其产生原因与收缩应力的关系，分析盖型结构的力学特性。结果表明，圆盘的径向和弦向收缩率相等，对实际发生在盖边沿的裂口无影响。经分析高分子材料及其成型特性、结晶规律和结构受力情况以及结构退让性，计算得出了盖的环圈收缩外翻倾向对其本身经纬向收缩率的重大影响，提出了减轻盖的内应力的方法。

关键词：收缩应力；裂纹；盖；高分子材料；力学分析

工农业生产和日常生活中，因热胀冷缩导致盖开裂的事例很多，它直接影响了商品流通与使用，造成液体泄漏，甚至酿成消防事故。典型的如以LDPE为主制成的冰箱盖的开裂。在弹性力学中形变与应力成正比，杭州电子科技大学胡建人等采用变形分析的方法解决了绳的内应力分布计算和断裂强力问题，在改进推导方法和延伸概念后获得了新的结构功能。

1 盖的特征与应变分析

盖的几何形状可视为圆盘与圆环的组合如图1所示。对于一个半径为及的圆盘。若圆盘部分的径向与弦向收缩率相同，则径向相对收缩率PD=△R／(2R)=△R／R，周长相对收缩率PC=2π△R／(2πR)=△R／R，两者比较PC=PD=△R／R，即径向对弦向相对收缩率无明显优势。

2 应力分析

2．1 变形对应力的影响

根据应力正比于相对伸长量，各向同性材料的经纬、方向的收缩应力相当，盖的撕裂口方向应无规律。按高分子材料的抗拉强度，以及实际径向力汇于圆心区域，则即使应力超过材料强度发生断裂，也应发生在应力集中的圆心附近。上述2点与裂口发生在盖环边缘的事实相勃。2．2 高分子材料成型过程对力学性能的影响

考虑到LDPE支链较多，结晶度约55％~60％；HDPE呈线型，很少有支链，结晶度85％~90％特点，当从圆盘中心注塑成型时，由于流动性，盖的圆盘部分因径向流动造成高分子材料的线型呈径向排列为主，冷却成型后塑料盖的发束径向抗拉强度高，弦向抗拉强度将明显低于径向，在同样的收缩率下，易径向开裂。高分子材料结晶取向对强度影响显著，这可以从双向拉伸的聚丙烯膜BOPP的力学性能了解到。例如：按1：1加填料的PVC打包带，经拉伸定型后经纬强度差距显著。塑料的机械强度、甚至透气性与是否有填料、填料形态及线型大分子是否有结晶等因素有关，而才能使得全部实验进程更加流畅成型高聚物经拉伸取向后，其抗张强度大为提高，纬向易撕裂(典型的如打包带)。作者曾经对中心浇口注塑成型的聚苯乙烯(PS)，透明圆盘和类盖形PS托盘作过大量冲击试验，统计数据表明，冲击裂口大体沿径向进行；局部试样弯曲试验表明，PS的径向弯曲性能远高于弦向。在弦向弯曲力矩作用下，扇形PS试样或PS薄圆盘极易沿径向流动线断裂。

3 盖环结构径向退让性对应力的影响

实际盖在工作时的机构为内物与盖两部分，两者的相互影响是外力。为方便分析，设内物不随温度变化收缩，直径与盖相同。

3．1 退让性对径向与弦向应力表现的影响

当盖的圆盘部分径向收缩后，由于高分子材料的柔性，盖环与圆盘部分的连结折角部分多少会产生一定的蠕变，也即赋予了盖环部分一定的退让性(reform ability)，退让的结果减小了径向受阻产生的应力。由于弦向的材料成闭合圆环，弦向收缩后环形材料自身相互牵连上光油，实际效果为无退让性，结果弦向应力极大地表现出来，形成了开裂倾向。

3．2 盖环外翻变形率对弦向应力的因此贡献

圆盘部分径向退让后，环形盖圈受到外翻的力矩。设盖环与内物接触点为O，O两端的力臂长度比α=lB／lA，如图2所示。收缩后，盖环自然位置应在圆心外R—△R处，这时盖环圆周长度为C1=2π(R—△R)。由于受盖内物的阻碍，在圆盘部分径向收缩力的作用下，盖环下沿口B绕O点外翻。为简化计算起见采用刚体模型，则外翻的盖环下沿口B离开止回阀内物与盖环接触支点O的水平距离为△r=α△R= lB·△R／lA。由于盖环收缩后的自然位置应在R—△R处，受阻外翻后，下沿口B与上沿口A的水平距离：

下沿口B相对上沿A的周长扩大率PC1为：

而圆盘边缘的相对收缩率PC=△C／C=△R／R，显然下沿B外翻后的相对周长伸长率是上沿A与圆盘边缘(1+α)(1+△R／R)倍。其中。随支点O的位置变动，在相当多的情况下α 1，故盖环下沿口B的弦向相对变形远大于圆盘边缘处的相对弦向变形，盖的收缩裂口恰与此吻合有其必然性。

4 解决方案与措施

为减小盖的开裂倾向，根据盖环下沿口变形与。点两侧的力臂长度比有关，可降低支点O的位置；提高盖的径向退让余地，将瓶口做成略微内倾的形式可减少内应力力矩，降低内应力。在盖的圆盘部分边缘沿径向增加伸缩圈，可减小圆盘边缘的变形，最终导致圆环部分的上下边沿位移均减少，从而大大降低圆环的弦向变形引起的内部阻力。目前有些盖形产品根据被扣物体边沿结构设计了环形突出结构，它可以起到减少径向阻力产生，但无法避免弦向应力。高分子材料在低温时柔性减低，它直接影响了盖形结构的低温稳定性，增强了脆性。

5 结 语

盖的冷缩裂口从盖环下沿口开始符合力学分析条件。在经纬收缩率相同的假设条件下，获得径向和弦向收缩一致，对(2)高性能对位芳纶纤维及其复玻璃织维等资料实验之坚牢度合材料盘面的自由收缩应力的方向性无显著影响。盖的径向退让减少了径向应力产生，但弦向相互牵连无退让余地，可产生较大的应力。盖环下沿的外翻趋势造工艺水晶成的环圈相对变形率大，扩大了盖环边缘的弦向应力，是造成冷缩开裂的首要原因。高分子材料注塑成型过程的径向定向结晶弱化了弦向强度，也是塑料盖开裂的一个原因。采用针对性的措施可减弱开裂倾向。（文/胡建人）