粘接与涂覆组件中的环境应力开裂
要点速览
- 环境应力开裂（ESC）要求应力与化学介质同时存在——二者单独作用通常无害，这正是材料数据表无法预测它的原因。
- 装配环节恰好同时提供二者。胶粘剂、溶剂、涂层以及施胶时使用的夹持固定，会同时引入化学介质和应力。
- 非晶态聚合物是易感类别——聚碳酸酯、ABS、亚克力、聚砜和 PPO 发生此类失效的概率远高于半结晶材料。
- 成型残余应力不可见，且往往大于使用载荷；退火和偏振光检测是发现它的低成本手段。
环境应力开裂是最常令工程团队意外的失效模式，因为它打破了塑料通常的选型方式：材料满足其拉伸强度，零件承受的载荷远低于该强度，所接触的化学品在相容性清单上也被列为兼容，然而组件仍在出货数周后开裂，且呈脆性断裂，与材料数据表所示的行为截然不同。
原因在于，ESC 并非材料自身的属性，而是材料、应力状态和化学环境三者组合的属性——而选型流程通常把这三者分开评估。
机理简述
处于拉伸应力下的非晶态聚合物会形成银纹：由拉伸聚合物原纤维桥接的微观空洞区域。正常情况下，银纹会吸收能量，基本无害。一旦引入与聚合物具有合适溶解度关系的化学介质，它会渗入银纹，使原纤维局部增塑，并降低银纹发展为裂纹所需的应力。聚合物并未被溶解或发生化学降解——在未受应力的试样上进行的常规化学相容性测试不会发现任何问题——但裂纹扩展的能量势垒已经崩塌。
由此得出两点结论。第一，两个条件缺一不可：未受应力的零件处于同一化学品中完好无损，受应力的零件处于洁净空气中同样完好。第二，该过程与时间相关且存在阈值，因此零件可能存活数月后才失效，应力或浓度的小幅增加就可能使失效时间相差一个数量级。
为何装配往往是罪魁祸首
粘接、涂覆和装饰工序在同一位置同时提供两个必要条件方面异常“高效”。
- 溶剂。溶剂型胶粘剂、底涂剂、清洁擦拭布和油墨使化学介质直接接触聚合物，而且往往位于零件应力最高的区域，因为那里正是接合部位。
- 固化收缩。胶粘剂和涂层在固化时会收缩，粘接在刚性基材上的刚性膜层会将这种收缩以拉应力的形式传递到基材表面——这恰恰是银纹萌生的位置。
- 装配应力。压配合、卡扣连接、自攻螺钉、固化期间的夹持以及热膨胀失配都会施加持续应力。与使用载荷不同，这些应力永远不会消失。
- 成型残余应力。往往是其中最大的一项，而且不可见。零件出模时的内应力可能与使用中施加的任何应力相当甚至更大，并集中在浇口、厚度过渡处和熔接线附近。
如果调查只把使用载荷视为应力项而忽略其余三项，就会得出零件载荷远在限值之内、ESC 不可能发生的结论。这一结论错误的频率之高，值得每次都加以核查。
找出看不见的应力
残余应力测量不需要复杂的设备。将透明和半透明零件置于正交偏振片之间，会显示直接反映应力分布的双折射图样；该技术只需几分钟，即可立即显示浇口区域和熔接线是否承受高应力。对于不透明零件，在规定时间内受控浸入规定试剂，会优先在受应力区域产生银纹，从而得到定性的应力分布图。将试样在略低于玻璃化转变温度下退火并测量尺寸变化，则可量化被冻结的应力大小。
一旦确认残余应力显著，纠正措施属于成型工艺措施：提高模具温度、减慢充填速度、调整保压、更改浇口位置、通过加厚截面设计避免壁厚突变，在某些情况下还需成型后退火。这些措施通常比更换材料便宜，也始终比现场召回便宜。
从设计上消除化学暴露
如果化学介质由工艺引入，替代方案往往存在，却利用不足：用无溶剂或水基清洁剂取代强溶剂；用 UV 固化或热熔胶取代溶剂粘接的接头；采用低收缩的胶粘剂配方；尤其对于聚碳酸酯和亚克力，选用经专门验证、对这些基材不引起银纹的胶粘剂体系。
如果介质来自使用环境——清洁用品、防晒霜、驱虫剂、燃料、相邻零件析出的增塑剂、医疗场景中的消毒剂——设计上的应对方法是降低暴露表面的持续拉应力、使接头远离暴露区域，或改用半结晶材料。防晒霜和洗手液尤其值得一提，它们导致消费类和医疗产品中不断出现现场失效，却几乎从不出现在最初的需求文件中。
真正具有预测性的测试
标准化学相容性表是在无应力试样上编制的，因此系统性地低估了 ESC 风险。有意义的测试应同时施加应力和化学介质。弯曲条带试验在试样暴露于介质的同时保持规定应变；恒定拉伸载荷试验在一系列应力水平下测量失效时间；而在实际装配零件上、使用真实胶粘剂和真实夹持进行的测试，是唯一能够捕捉装配本身所带来应力贡献的方法。
请使用实际的使用环境化学品而非替代品，包括那些没人在规范中提及却人人都在用的化学品。在最高的现实温度下测试，因为 ESC 随温度显著加速。并尽可能测试至失效，而非固定时长，因为了解裕量比知道零件熬过了某个任意时间段更有价值。
如何在现场识别
ESC 具有独特的外观，可与塑料零件的其他破坏方式区分开来。即使在通常为韧性的材料中，断裂也呈脆性，断口处几乎没有拉伸变形或应力发白。裂纹表面在起裂点附近通常光滑如玻璃，常见一块镜面状区域为裂纹起始处，周围是裂纹加速扩展形成的较粗糙区域。多条平行裂纹或断口附近的细密银纹网络很常见，在单纯的过载失效中则很少见到。
位置同样具有诊断价值。ESC 裂纹在拉应力最高且发生过化学接触的位置萌生，因此集中在浇口、熔接线、壁厚过渡处、嵌件和螺钉柱周围，以及紧邻胶线和涂覆边缘之处。始于胶珠边缘并延伸进入零件的裂纹几乎就是其特征标志。
如果诊断存疑，确认方法是复现试验：取同一批次的无应力零件，施加已知应变，暴露于疑似介质，观察是否出现相同的断口外观。若出现，则机理即可确定，纠正措施——降低应力、更换介质或更换材料——便可依据成本而非猜测来选择。
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常见问题
究竟什么是环境应力开裂？
ESC 是聚合物在机械应力与化学介质共同作用下发生的脆性开裂，其应力水平和化学浓度单独存在时均不会导致失效。该介质并不对聚合物产生化学侵蚀，而是通过降低形成新表面所需的能量来加速银纹和裂纹扩展。
哪些塑料最易受影响？
非晶态热塑性塑料是易感类别：聚碳酸酯、ABS、亚克力、聚苯乙烯、聚砜和改性 PPO。聚丙烯、缩醛（聚甲醛）、尼龙和 PBT 等半结晶材料的抵抗力要强得多，因为其结晶区会阻碍银纹扩展，不过在苛刻条件下也并非完全免疫。
胶粘剂会引起应力开裂吗？
会，而且这是一种常见机理。溶剂型胶粘剂和清洁剂直接提供化学介质，反应型体系中未固化的组分也可能充当介质，而固化收缩则提供应力。因此，一个接头可以在同一时刻、同一位置同时造成两个必要条件，这就是粘接的聚碳酸酯和亚克力组件如此频繁地以这种方式失效的原因。
如何检测成型零件中的残余应力？
偏振光可直接显示透明零件中的应力图样。对于不透明零件，使用受控试剂的溶剂浸泡试验会将受应力区域显现为银纹。将试样在玻璃化转变温度以下退火并重新测量尺寸，可表明原先存在多少冻结应力。相对于一次现场失效，这三种方法都很便宜。
ESC 是立即出现还是随时间出现？
通常随时间出现，这正是它的危险之处。在使用应力水平下，裂纹萌生可能需要数周或数月，因此零件能通过所有生产测试，却在现场失效。在施加应力的条件下使用实际使用环境的化学品进行加速测试，是在客户发现之前暴露问题的唯一可靠方法。
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