黏接與塗裝組件中的環境應力龜裂
重點摘要
- 環境應力龜裂（ESC）需要應力與化學接觸同時存在——單獨出現其中之一通常無害，這也是材料資料表無法預測它的原因。
- 組裝製程會同時提供兩者。黏著劑、溶劑、塗料，以及施作時使用的夾持，會同時引入化學劑與應力。
- 非晶質聚合物是易受影響的類別——聚碳酸酯、ABS、壓克力、聚碸與 PPO 以這種方式失效的機率遠高於半結晶材料。
- 成型時殘留的內應力肉眼不可見，且往往大於使用負載；退火處理與偏光檢查是找出它的低成本方法。
環境應力龜裂是最常讓工程團隊措手不及的失效模式，因為它顛覆了塑膠通常的規格訂定方式。材料符合其拉伸強度，零件所受負載遠低於該強度，所接觸的化學品也被列為相容。然而組件仍然開裂，發生在出貨數週之後，呈脆性斷裂，與材料資料表上的行為截然不同。
原因在於 ESC 並非材料單獨的屬性，而是材料、應力狀態與化學環境三者組合的屬性——而規格訂定流程通常將這三者分開評估。
機制簡述
受拉應力作用的非晶質聚合物會形成銀紋（craze）：由拉伸的聚合物纖絲橋接的微小空洞區域。在一般條件下，銀紋會吸收能量，大致上無害。一旦引入與聚合物具有適當溶解度關係的化學劑，它會滲入銀紋，使纖絲局部塑化，並降低銀紋發展成裂紋所需的應力。聚合物並未溶解或發生化學劣化——對未受應力試樣進行的傳統化學相容性測試不會發現任何問題——但裂紋成長的能量障壁已經崩潰。
由此衍生兩項結論。第一，兩項要素缺一不可：未受應力的零件處於相同化學品中不會有問題，受應力的零件處於潔淨空氣中也不會有問題。第二，此過程與時間相關且具有門檻特性，因此零件可能撐過數個月後才失效，而應力或濃度的小幅增加就可能使失效時間改變一個數量級。
為何組裝通常是主因
黏接、塗裝與裝飾作業在同一位置同時提供這兩項必要條件的效率異常地高。
- 溶劑。溶劑型黏著劑、助黏劑、清潔擦拭布與油墨會讓化學劑直接接觸聚合物，而且往往位於零件應力最高的區域，因為接合處正是在那裡。
- 固化收縮。黏著劑與塗料在固化時會收縮，而與剛性基材黏接的剛性膜層會將這種收縮以拉應力的形式傳遞到基材表面——正是銀紋起始的位置。
- 組裝應力。壓入配合、卡扣配合、自攻螺絲、固化期間的夾持，以及熱膨脹不匹配，都會施加持續性應力。與使用負載不同，這些應力永遠不會消失。
- 成型殘留應力。往往是所有項目中最大的一項，且無法目視。零件出模時的內應力可能相當於甚至大於使用時承受的任何應力，並集中在澆口、厚度轉換處與縫合線附近。
若調查僅將使用負載視為應力項，而忽略其他三項，就會得出零件所受負載遠在限值內、ESC 不可能發生的結論。這個結論錯誤的頻率高到值得每次都加以查證。
找出看不見的應力
殘留應力的量測並不需要精密設備。將透明與半透明零件置於交叉偏光片之間，會呈現雙折射圖樣，直接對應應力分布；此技術只需數分鐘，即可立即顯示澆口區域與縫合線是否承受高應力。對於不透明零件，在規定時間內於特定試劑中進行受控浸泡，會使龜裂優先出現在受應力區域，提供定性的分布圖。將試樣在略低於玻璃轉移溫度下退火並量測尺寸變化，則可量化其中凍結的應力大小。
若確認殘留應力顯著，改善措施屬於成型端的作法：提高模具溫度、放慢充填速度、調整保壓、重新配置澆口、重新設計較厚的斷面以避免突然的厚度轉換，在某些情況下還需進行成型後退火。這些作法通常比更換材料便宜，而且一定比現場召回行動便宜。
從設計上排除化學接觸
若化學劑是由製程引入，替代方案往往可行卻未被充分利用：以無溶劑或水性清潔劑取代強效溶劑；以 UV 固化或熱熔型黏著劑取代溶劑黏合接頭；採用低收縮率的黏著劑配方；尤其是針對聚碳酸酯與壓克力，採用經專門驗證在這些基材上不會造成銀紋的黏著劑化學配方。
若化學劑是在使用過程中出現——清潔用品、防曬乳、驅蟲劑、燃料、鄰近零件滲出的塑化劑、醫療場所的消毒劑——設計上的因應之道是降低暴露表面的持續拉應力、將接頭配置在遠離暴露處，或改用半結晶材料。防曬乳與乾洗手液尤其值得一提，因為它們在消費性與醫療產品中造成接連不斷的現場失效，卻幾乎從未出現在原始需求文件中。
真正具預測力的測試
標準的化學相容性表是以未受應力的試片編製而成，因此系統性地低估了 ESC 風險。有意義的測試必須同時施加應力與化學品。彎曲條測試是在試片暴露於化學劑的同時維持固定應變；恆定拉伸負載測試則在一系列應力水準下量測失效時間；而在實際組裝完成的零件上、使用真實的黏著劑與真實的夾持進行測試，是唯一能掌握組裝本身所產生應力貢獻的方法。
請使用實際的使用化學品而非替代品，包括那些沒有人列入規格卻人人都在使用的化學品。在最高的實際溫度下測試，因為 ESC 會隨溫度大幅加速。並且盡可能測試到失效，而非固定時間長度，因為瞭解安全裕度比知道零件撐過某段任意時間更有價值。
在現場辨識 ESC
ESC 具有獨特的外觀，可與塑膠零件其他斷裂方式區分。即使是通常具延展性的材料，斷裂也呈脆性，斷口幾乎沒有拉伸或應力發白現象。裂紋表面在起始點附近通常平滑如玻璃，常可見裂紋起始處的鏡面狀區域，周圍則是裂紋加速擴展形成的較粗糙材料。多條平行裂紋，或斷口附近出現細密銀紋網絡，是常見現象，在單純過載失效中則很少見。
位置同樣具有診斷價值。ESC 裂紋起始於拉應力最高且曾有化學接觸之處，因此集中在澆口、縫合線、壁厚轉換處、嵌件與螺絲柱周圍，以及緊鄰黏接線與塗裝邊緣之處。從黏著劑膠條邊緣起始並延伸進入零件的裂紋，幾乎就是 ESC 的特徵。
若診斷仍有疑義，確認方法是再現測試：取同一批次的未受應力零件，施加已知應變，使其暴露於疑似化學劑，觀察是否出現相同的斷裂外觀。若是，機制即可確定，並可依成本而非猜測來選擇改善措施——降低應力、更換化學劑或更換材料。
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常見問題
什麼是環境應力龜裂？
ESC 是聚合物在機械應力與化學劑共同作用下發生的脆性龜裂，其應力水準與化學濃度單獨存在時都不會造成失效。化學劑並不會化學侵蝕聚合物，而是藉由降低形成新表面所需的能量，加速銀紋與裂紋成長。
哪些塑膠最容易受影響？
非晶質熱塑性塑膠屬於易受影響的類別：聚碳酸酯、ABS、壓克力、聚苯乙烯、聚碸與改質 PPO。聚丙烯、縮醛樹脂（POM）、尼龍與 PBT 等半結晶材料的抵抗力明顯較強，因為其結晶區域會阻礙銀紋擴展，不過在嚴苛條件下仍非完全免疫。
黏著劑會造成應力龜裂嗎？
會，而且是常見的機制。溶劑型黏著劑與清潔劑直接提供化學劑，反應型系統中未固化的成分也可能成為化學劑，固化收縮則提供應力。因此接頭可能在同一位置、同一時刻同時創造出兩項必要條件，這也是黏接的聚碳酸酯與壓克力組件經常以這種方式失效的原因。
如何檢測成型零件中的殘留應力？
偏光可直接顯示透明零件中的應力圖樣。對於不透明零件，使用受控試劑的溶劑浸泡測試，可將受應力區域顯現為龜裂。將試樣在玻璃轉移溫度以下退火並重新量測尺寸，可得知其中凍結應力的多寡。這三種方法相較於現場失效的代價都十分低廉。
ESC 是立即出現還是隨時間出現？
通常隨時間出現，這正是它危險之處。在使用應力水準下，裂紋起始可能需要數週或數個月，因此零件通過所有生產測試，卻在現場失效。在施加應力的條件下，以實際使用化學品進行加速測試，是在客戶發現之前將問題暴露出來的唯一可靠方法。
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