PC (聚碳酸酯)是一種性能優異的工程塑料，具有透明度高，沖擊韌性好，而且抗蠕變，使用溫度范圍廣，電絕緣性優良，尺寸穩定性好，可靠性高等特點，因此被廣泛應用于電子電氣、照明用具、儀器儀表、家用電器、汽車零部件、包裝等行業。另外，隨著高分子材料行業的快速發展，改性PC材料新品種不斷涌現，也極大地擴大了它的應用空間。同時其加工技術的研究也越來越受到各方面的重視。
PC是分子主鏈段結構中含有苯環、酯鍵、異丙基的線性聚合物，存在樹脂的熔體粘度高、對水分敏感等特點，給注塑成型加工過程帶來一定的難度。在正常加工溫度（230-320℃）范圍內熔體粘度對剪切速率的敏感性小但是對溫度的敏感性較大，近似于牛頓流體行為；由于酯鍵的存在，改性PC材料一般對水分較為敏感，高溫下易發生水解，容易形成銀絲、料花等缺陷。
在注塑成型過程中氣體的存在是不可避免的，而且會有相當一部分還殘留在塑料制品的內部。制品表面的料花可能是由水氣、困氣、分解氣中的某一種氣體為主的作用結果或幾種氣體共同作用的結果，它與原料、模具、成型系統、工藝參數的調節以及天氣的變化(如濕度)等因素有較大的關系。如何從源頭控制氣體的含量是解決料花問題的關鍵，這就關系到如何對相似外觀的料花異常加以客觀、可視化的區分和鑒定，可視化的驗證對于注塑成型已經成為當前的研究熱點。
本文利用二次元影像測量儀、顯微紅外光譜儀、SEM和SEM-EDS對5種改性PC制件（PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5）的料花進行形貌及定性分析；根據形貌測試結果可知，可以直觀和形象的看出氣泡沿著熔體流動方向不斷被拉長進而形成密集的橢圓形氣泡形貌，而且利用SEM-EDS的元素分析對困氣引起的改性PC材料的料花進行定性鑒別，另外利用料花微觀形貌差異對于困氣和分解導致的料花也完成了鑒別；因此光學分析法為注塑成型缺陷的分析鑒定提供了一種有效的分析方法且具有簡單、快速的特點。
1 實驗部分
1.1主要測試材料
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本文所用到的PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5均是自制的不同配方體系材料。
1.2主要設備及儀器
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顯微紅外光譜儀?
二次元影像測量儀
掃描電子顯微鏡-能譜分析儀
1.3 試樣制備
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利用制樣機對PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5進行切割，得到較為適合分析的樣品尺寸，用以顯微紅外光譜儀、二次元影響測量儀及SEM及SEM-EDS分析。
1.4.分析測試
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1.4.1 顯微紅外光譜法分析表面形貌：
利用顯微紅外光譜儀的顯微鏡功能對于5種不同的改性PC制件（樣品尺寸（長、寬、高）小于6cm *6cm *4cm）進行表面形貌分析，測試條件：常溫，ATR模式；成像技術：焦平面技術，放大倍數（150倍）；軟件功能：單圖形貌分析和面掃描形貌拼接；通過以上測試條件和功能，完成5種PC制件料花的形貌拍攝；
1.4.2 二次元影像測量儀形貌分析
利用二次元影像測量儀的對于5種不同的PC制件進行表面形貌分析。
測試方法：打開光源及測量軟件，將切割好的待測樣品（樣品尺寸（長、寬、高）小于8cm *8cm *5cm）置于樣品臺上，調節鏡頭高度和放大倍數調節旋鈕，使圖像清晰，并保存圖像，對于不同位置的觀察可以手動搖動樣品臺進行樣品的移動，并完成拍攝，保存好的圖像用以數據對比分析；
1.4.3 SEM形貌分析
利用SEM的對于5種不同的PC制件進行表面形貌分析。
測試方法：對于切割好的（樣品樣品尺寸（長、寬、高）小于4cm *4cm *3cm）進行噴金處理，再放入SEM樣品臺上抽真空測試（工作電壓：10-15KV，工作距離：10mm；發射電流：108 μA），需要利用調節白平衡及放大到合適倍數進行調焦使圖像清晰，并保存圖像，對于不同位置的觀察可以移動樣品臺進行相應部分的形貌拍攝，保存好的圖像用以數據對比分析。
1.4.4 SEM-EDS分析
利用SEM得到的圖像，同步傳到EDS分析軟件中，再通過調節信號強度（工作電壓：15KV，工作距離：10mm；發射電流：108 μA），，進行相應區域的元素分析。
1.5.料花形成機理
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注射成型充填過程中產生的氣泡（可能是水氣、困氣及分解氣等）經熔體的前沿呈噴射流動，在流動過程中氣泡由圓形被拉伸成橢圓形，并可能伴隨翻卷現象，最后接觸至模具的邊壁；形成一連串在光照下閃閃爍爍的大大小小的泡點，被冷卻固化的帶有氣泡的塑料定位在制品表面；白色線條狀常稱為銀紋，白色團塊狀稱之為料花。
2 結果與討論
2.1、改性PC材料的二次元影像測量分析
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利用二次元影像測量儀（下文簡稱為二次元）對PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5進行形貌分析；其通過二次元分析可得相應的形貌圖，分別見圖1和圖2；
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圖1 PC-1、PC-2、PC-3料花的二次元形貌圖
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從圖1可以看出三種改性PC制件表面均存在一些發亮的氣泡點，部分氣泡點存在交叉和部分破裂，推測是氣體隨著熔體向前流動，由圓形氣泡逐漸被拉成橢圓狀，以上過程與料花的形成機理的中氣泡的形成過程的基本一致，初步實現了料花的形成機理的可視化驗證。
另外從形貌圖可以看出制件表面的氣泡較為均勻的分布，說明氣體是在熔體流動過程中均勻的被帶到制件表面，可能是注塑加工過程中塑料成型階段產生的水氣導致的料花；水氣的來源可能是材料未充分烘干或者是加工環境濕度較大，材料發生重新吸水導致；因此在改性PC材料加工過程中未避免因水氣導致料花的產生需要充分干燥物料，且加工環境的濕度也需要進行把控。
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圖2.PC-4（左）、PC-5（右）料花的二次元形貌圖
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從圖2的左圖為PC-4的料花形貌圖，由圖可以看出表面呈現了多股熔體流動匯集的情況，且熔體中存在一些黑褐色物質和表面有發黃特征，可能是微弱的困氣燒焦引起的；困氣的原因可能來自一些與材料的配方體系不相容的雜質，因此在改性PC材料加工過程中需要對加工的螺桿和螺筒進行充分清機，減少雜質的殘留；
從圖2右圖可知：PC-5的料花表面也存在典型的橢圓狀氣泡形貌，且和前三個制件的料花形貌相比，PC-5的料花中的氣泡形貌排列雜亂，部分區域的出現多股熔體夾雜和氣泡交匯的特征，形貌較為雜亂，且表面存在發黃的微弱碳化現象，可能是PC基材發生了分解；樹脂發生分解的原因可能有3個方面，一方面可能是體系中本身使用了回收料，另外一方面可能是夾雜水分過多，導致PC樹脂發生水解產生的降解，第三可能是配方中含有一些耐熱性較差的組分，加工過程中發生分解，導致體系中小分子較多；因此改性PC材料因分解產生的料花需要充分評估真正的原因進行改善。
2.2改性PC材料的顯微紅外光譜儀分析
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利用顯微紅外光譜儀中的顯微鏡對PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5進行形貌分析可得相應的形貌圖，分別見圖3和圖4；
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圖3 PC-1、PC-2、PC-3料花的顯微形貌圖
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從圖3可以看出三種改性PC制件表面均存在一些橢圓形的氣泡狀形貌，且PC-1表面的氣泡呈現彩色形貌；由于不同配方體系，料花的形貌也存在差異，但整體上與氣體隨著熔體流動至樣品表面時，圓形氣泡被拉長，與料花形成機理的模型中趨勢相一致，說明顯微紅外光譜儀的顯微形貌分析也可以較好的用于料花形成機理的可視化驗證。根據圖3中的形貌可以看出表面的料花較為平滑且分布較為均勻，與前面二次元分析的規律較為相似，可能是水氣導致的料花；
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圖4 PC-4（左1）、PC-5（左2-左3）料花的顯微形貌圖（注：左2為單鏡頭下料花形貌圖，左3為6個鏡頭下料花的形貌拼接圖）
從圖4的左1圖可以看出表面的熔體中存在一些黑色點和灰色的點，可能熔體中夾雜異物，且表面也有發黃跡象，表面樹脂基體存在微弱碳化現象，可能是困氣導致；困氣的原因可能是熔體前端的黑色雜質產生的；黑色雜質可能來自螺桿中的碳化物，也可能是原材料中夾雜的灰塵顆粒等；
圖4的左2-左3為PC-5料花的單鏡頭下的顯微形貌圖和多鏡頭下的料花形貌拼接圖，從兩個圖中可知：表面的熔體流動呈現多向且表面平整性較差；尤其從形貌拼接圖中可以看出PC-5料花的形貌存在熔體表面形貌粗細不均現象，可能與基體分解有關；且熔體由于分解形成的氣體影響了熔體的正常流動，而出現多股熔體交叉的層疊狀橢圓形的料花氣泡形貌，此料花形貌圖也可以間接的證明料花的形成過程。
2.3改性PC材料的SEM分析
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利用SEM對PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5的料花進行形貌分析，可得相應的形貌圖，分別見圖5和圖6；
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圖5PC-1、PC-2、PC-3料花的SEM形貌圖（左至右）
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從圖5可以看出三種改性PC制件表面也存在一些橢圓形的氣泡狀形貌；由于噴金的影響，不同配方體系的氣泡形貌淺深存在差異，總體來說深度較淺；橢圓形的氣泡形貌同樣驗證了料花形成機理是正確的；SEM的形貌分析對于料花形成過程的可視性驗證提供了新的分析手段。
根據PC-1、PC-2、PC-3料花的SEM形貌圖中氣泡的深淺度及分布的規律性與前面二次元和顯微鏡的分析結果相一致，可以確定此料花的形成原因是水氣導致的；加工過程中需要控制材料體系中的含水量。
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圖6 PC-4（左1-左2）、PC-5（左3）料花的SEM形貌圖
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圖6的左1-左2為PC-4料花表面的兩種SEM形貌圖；由左1圖可以看出表面的熔體的前端存在與體系相容性較差的小顆粒狀物質，且還存在一些空洞，可能是夾雜的氣體占據了熔體的位置，導致未填充完全，另外左2圖可以明顯看到料花形成橢圓狀氣泡破裂的形貌圖，為典型的料花形貌特征，更加有力的證明了料花形成過程的合理性；根據PC-4料花左1的SEM形貌圖可以看出熔體的前端存在不相容的雜質顆粒，與二次元和顯微鏡的分析結果相一致，不相容的顆粒雜質可能是導致困氣產生的真正原因，PC-4料花左2的SEM形貌圖為料花中氣泡破裂后的形貌，說明困氣產生的料花形貌可能是多種形態的。
圖6的左3圖為PC-5料花的SEM形貌圖，從圖中可知：表面的熔體存在較為不規則的流動，而且可以看出熔體的“藕斷絲連”現象，可能是熔體中存在一些斷裂的低分子量的鏈段，冷卻過程中熔體形貌有較大差異引起的；說明此料花的形成原因可能是PC樹脂分解導致的。由于PC樹脂分解后，分子量分布變寬，熔體粘度發生變化，產生的小分子物質形成的氣泡及不同分子量分布的樹脂遇到模具表壁冷卻固化速度不一致從而形成分解產生的料花的特征形貌，可以用來區分其他原因導致的料花。
2.4改性PC材料的SEM-EDS分析
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利用SEM-EDS對PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5正常區域和料花位置進行元素分析，其中PC-1PC-2、PC-3和PC-5元素對比分析結果見表1，從表1數據可以看出這4個配方體系料花位置和正常位置的元素比例差別較小；
表2分別為料花位置和正常位置的能譜分析數據，通過能譜分析可得到料花位置和正常位置的元素的分析結果；從料花位置的元素組成來看，相對正常位置的成分主要是C、O、Al、Si四個元素來說，料花處多出了Na、K、Ca、Cl元素，可能是在注塑成型過程中，注塑機未清機干凈或者殘存其他雜質；由于PC熔體粘度較大，將雜質帶出，而雜質與熔體相容性較差，夾雜的氣體形成料花，夾雜的氣體導致局部熔體溫度過高，導致部分PC組分出現燒焦碳化現象（pc樹脂分解產生小分子物質，嚴重情況下形成碳化物導致顏色變深），可能會進一步造成體系中氣體增多，進而隨著熔體流動，翻卷至制件表面形成料花現象。
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2.4 不同料花產生原因與形貌的對應關系
通過對于5種不同配方體系的改性PC材料產生的料花形貌圖與料花的原因進行對比分析，可以發現明顯的規律，PC-1、PC-2、PC-3料花二次元、顯微鏡及SEM形貌圖均出現了規律性分布的橢圓形氣泡形貌，且深度較淺，與水氣形成的料花過程相近；PC-4的料花二次元、顯微鏡及SEM形貌圖中均可以看出黑色點及熔體的前端存在雜質，且表面發黃的特征說明樹脂存在困氣的燒焦現象，說明該類型料花為困氣導致；PC-5的料花二次元、顯微鏡及SEM形貌圖均出現多股熔體夾雜和氣泡交匯的特征，形貌較為雜亂，部分熔體粗細不均，且表面存在發黃的微弱碳化現象，部分熔體藕斷絲連”痕跡，與PC樹脂分解的料花形成過程相一致，可以根據是上述形貌判斷此類料花是由分解導致；通過以上分析將規律總結見下表3：
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根據上表總結的規律，可以較好的實現改性PC材料中不同原因產生料花種類的鑒別。
3 結論
本文利用二次元、顯微紅外光譜儀、SEM、SEM-EDS對5種改性PC材料的料花進行了形貌分析，并根據產生橢圓形的氣泡形貌與料花的形成機理模型中料花的形成過程相一致，實現了花形成機理進行了可視化的驗證；另外對于PC-4的料花產生原因進行了進一步研究，利用形貌圖及能譜分析結果對料花形成的原因進行了定性分析，找到了該產品改善的方向。最后利用料花的不同特征形貌對不同原因產生的料花進行了定性鑒別；此項研究對于其它注塑加工成型異常問題的分析具有借鑒意義。
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原文始發于微信公眾號（艾邦高分子）：改性PC材料注塑成型中的料花分析的可視化研究和原因的鑒別