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透明塑料制品的残余应力测试

在塑料制品生产中，即使大部分工艺都被很好的控制，如果不好的生产条件和错误的摆放位置，都会导致产品有大的残余应力。生产者需要可靠的，专业的应力测试方法。
        所有的医用塑料制品生产过程，包括：浇铸模具、挤压、真空和机械加工等固有的残余应力。这种应力有些时候是人为的且是必须的，例如双轴的塑料薄膜，双轴的应力用来加强塑料薄膜的机械拉伸特性。但是在其他产品中，残余（或永久）应力会是个大问题。减少使用寿命，导致产品张裂变为碎片。当塑料制品中残余应力较大时，塑料的拉伸力会变得很低，不耐高温，且容易张裂。 

残余应力对产品的影响：
        1应力释放引起的畸变
        应力释放引起的畸变会导致产品安装使用时发生错误，并且直接导致产品形貌变化及最终失效。在温度稍高的环境中生产塑料产品时，会带来残余应力。但是大多数医疗器械生产商并不能认识到这一点，知道他们把产品进行杀菌处理或热熔处理时才意识到。
       2、张裂
       产品的张裂现象是最直观的结果当残余应力很大时。当对产品进行浸泡处理时，会加大裂纹的产生速度。当塑料模具等被切割时，残余应力也会影响切割质量。表面龟裂纹也是由许多细小的肉眼难辨的微型裂缝组成的。在生产过程中，这些问下哦裂纹很难被生产者发现。但是通过化学试剂可以使裂纹显现。例如，苯乙烯被煤油浸泡后会在残余应力区域产生裂纹。正确的退火能够降低应力且阻止产生裂纹。
       3、光学性能的下降 
       光学及塑料制品被大量用于制作透镜等光学元件，残余应力在材料中引入了双折射-一束入射光由于折射不对称被分为了两束光，会导致塑料棱镜等光学元件的聚焦不准。即使是很微小的双折射现象都会影响光学特性是产品性能下降。
       4、改变产品机械的特性 
       具有导向性的塑料制品相比较其它退火产品拥有其独特的物理机械特性。此类产品在设计生产的过程中均会引入轴向应力导致无力机械特性发生变化。挤压成型的塑料管材和板材一般都会有空洞和缝隙，纵向拉伸的产生双折射的材料等，都会由于残余应力的存在而降低性能。如果在低温环境中处理，在两个轴方向上产品会变得更短和更薄。

如何测量残余应力：
        测量产品的残余应力能够预先找到产品的隐患。例如，通过偏振光检验透明塑料制品可以看到残余应力的分布位置和模具的缺点。这种观察法用来观测不规则产品的应力分布。在生产中要定期检测产品的残余应力大小，以验证生产过程是否出现问题。 
       利用光弹性效应原理，能够在透明材料上通过颜色判断应力大小。通过双折射现象可以使残余应力变得可以测量。产品双折射现象会带来独特的物理机械特性。塑料产品在偏振光的照射下，会出现各种颜色的条纹。这些颜色包含了丰富的应力信息。 
      使用一个简单的偏光计，你就可以观察透明产品的应力条纹和分布。一个简单的偏光计主要是由白光光源及偏振片组成的。图一就是通过偏光计观察产品应力分布，也可以比较相同的产品应力差异。 

            图一：医用塑料包装上部分显示过大的残余应力，而下部分由于经过退火所以应力明显较小。

定量测量双折射应力大小：
        想要精确的定量测量应力大小不能仅使用简单的偏光计。使用专业的技术定量测量产品的残余应力对产品的质量控制具有重要的意义。使用正确的仪器和方法能够简单方便的测量产品的残余应力。
        不论是在线还是离线的仪器都可以可靠地测量产品的残余应力。选择最合适的偏光计系统要看使用者的具体要求。例如分辨率、允许的误差范围、产品的应用及操作者的水平等等。可用偏光显微镜和偏光计加上一个补偿楔实现定量测量产品的残余应力。操作者需要移动补偿楔位置，直到看到黑色的应力条纹出现在测量点（图三）。补偿楔上的刻度可以读出光程差的大小。

               图二： 观察透明塑料样品的一台偏光计                图三：用补偿楔测量出产品应力大小  
            （美国Strainoptics公司 型号：SV-2000）   

更加先进的测试方法：       
         应用于商业上更加成熟的偏光计是基于计算机可实现自动测量的应力测试系统，更加的高效和便于操作,能够代替人工操作减少误差。基于电脑的偏光系统能够同时测量出塑料薄膜的光程双折射和残余应力。其中一种型号是基于计算机偏光系统的高精度应力分析系统。SCA系统就是利用光谱学分析方法使系统能够自动测量样品的光程差、双折射、任意点的残余应力和任意线上的应力曲线图等。这种先进的应力测试方法不仅可以测量各向同性的单轴薄膜，也可以测量各项异性的双轴薄膜产品。图片四是一套实验室测量双轴塑料薄膜的SCA应力测试系统。一个5厘米宽任意长度的薄膜样品放在工作台上。首先使用软件设置好计算机读取点的间隔，然后马达就会带着样品移动，完成后会自动生成图表并保存文件。这套简洁的系统可以在实验室或工厂使用。同时可以应用于在线测量。SCA分析系统能够轻松的适用于真实生产过程的控制。       

                               图四：基于计算机的双轴塑料薄膜应力分析系统可以垂直或倾斜测量样品
                                                            （Strainoptics公司，型号SCA-1500）               
        另一种应力测试方法是图像分析法，通过高分辨率的摄像机代替人眼观测。这种系统主要应用于低应力的产品中，例如精密光学元件、退火制品等等。这种系统不仅能进行点和线的测量，还可以显示整个产品的应力分布彩图。如图片五。利用这个功能，观察者能轻易观测出样品上应力最大的区域，通过设定应力的阈值，可以判断出产品是否合格。不论是SCA分析系统或图像分析，都提供给操作者便捷的、高重复性的、精确的测试透明材料的残余应力的最佳方案。

                                                      图五：利用数字图像技术产生应力分布全彩图
校准和提供证书： 
        测量产品其它大部分特性的校准规程很早就有。但是知道近些年，应力的校准规范还很少并且价格昂贵。这样的校准规程保证了偏光计或其它应力仪例如光路的准直，不论对人工读数的仪器还是基于电脑的仪器都可以进行校准。校准这些应力仪的最实用的工具是标准光程差样片（例如0-100nm）。这种标定样片起源于美国国家标准和技术协会并且可提供证书满足ISO国际标准。 

结束语
        总之，重视测量医用塑料等产品的残余应力一定会给产品质量控制等带来巨大的好处。残余应力低的产品的性能会更加优越、不容易损坏、受环境影响愈小。利用这种经济方便的、无损的检测方法既可以离线也可以在线的实时检测产品。检测残余应力对产品质量控制，提前发现产品缺陷等方面有着巨大的好处！