硅膠注塑成型的特點(diǎn)及工藝應(yīng)用

楊吉

(德馬格塑料機(jī)械（寧波）有限公司，浙江 寧波 315807)

0 引言

液態(tài)硅膠擁有高的幾何設(shè)計(jì)自由，允許大流長(zhǎng)比的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，即使在熔體流動(dòng)末端也無(wú)收縮，能夠精確的復(fù)制模具表面細(xì)節(jié)，達(dá)至μm 級(jí)。近些年來(lái)，高透明度的液態(tài)硅膠在高亮度LED 燈上的應(yīng)用也正在得到大力的發(fā)展。同時(shí)，液態(tài)硅膠由于其出色耐熱性，耐寒性，電絕緣性，壓縮性和親膚等特性，也被廣泛的運(yùn)用在光學(xué)行業(yè)，醫(yī)療行業(yè)，電子/ 汽車(chē)行業(yè)，日常生活用品等方面。

1 液態(tài)硅膠注塑工藝

液態(tài)硅膠加工有許多方式，如注塑成型，擠出成型，澆筑成型等。本文主要介紹液態(tài)硅膠的注射成型工藝。

1.1 液態(tài)硅膠注塑裝備構(gòu)成

液態(tài)硅膠（LSR ：Liquid Silicone Rubber）注塑流程是把A，B 膠通過(guò)專(zhuān)用裝置的泵經(jīng)由混煉頭通常按1:1 混合后運(yùn)送到靜態(tài)混煉器，再輸送到注塑機(jī)注射單元中，螺桿將混合后的材料注射到模具型腔里，利用模具加熱促進(jìn)材料硬化，從而得到一定形狀和強(qiáng)度的制品。LSR 系統(tǒng)的設(shè)備主要包括：LSR 專(zhuān)用注塑機(jī)，LSR 供料系統(tǒng)，LSR 模具，模溫機(jī)，真空泵，取出設(shè)備如機(jī)械手等。整個(gè)流程如圖2 所示。

1.2 液態(tài)硅膠注塑成型特點(diǎn)

（1）硅膠成型中，A，B 組分混合后是在模具里加熱使其硫化變硬，為了不使硅膠在進(jìn)入模具前固化，所以料筒溫度的控制尤其關(guān)鍵，注塑機(jī)的料筒與一般的成形機(jī)不同，硅膠成型不使用加熱圈，一般采用模溫機(jī)水冷的方式來(lái)控制料筒溫度在20～30 ℃之間。

（2）通常LSR 的黏度都比較低，注塑過(guò)程中容易發(fā)生回流和漏膠，螺桿部位需要密封。普遍做法是在螺桿尾部增加密封環(huán)，避免硅膠從螺桿后端泄露，造成注射不穩(wěn)定。同時(shí)由于LSR 為液態(tài)，不需要塑化，受到剪切發(fā)熱會(huì)有局部硫化風(fēng)險(xiǎn)，所以LSR 螺桿通常都是無(wú)壓縮比的螺桿，而且長(zhǎng)徑比較普通熱塑性螺桿要短。

（3）液態(tài)硅膠在注射，保壓結(jié)束后，噴嘴后退，防止模具溫度傳遞到噴嘴處使得LSR 提前固化，一般采用氣動(dòng)或液壓自鎖噴嘴或者彈簧復(fù)位形式，保壓結(jié)束后馬上關(guān)閉噴嘴，防止LSR 從噴嘴處流出。圖3 介紹了一種主動(dòng)關(guān)閉式的螺桿頭結(jié)構(gòu)，該主動(dòng)式控制是在預(yù)塑后，注射前通過(guò)螺桿反向旋轉(zhuǎn)，使得在注射前完全封閉樹(shù)脂的流動(dòng)路徑，注射時(shí)不會(huì)發(fā)生回流現(xiàn)象，即使在注射量很小的情況下，也能實(shí)現(xiàn)精密穩(wěn)定的成型。該結(jié)構(gòu)對(duì)注塑機(jī)有較高的要求，通常液壓機(jī)很難有反轉(zhuǎn)螺桿這個(gè)動(dòng)作，相比較而言，全電機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作。

圖3 主動(dòng)式關(guān)閉螺桿頭

（4）LSR 必須加熱促進(jìn)硬化，模仁表面溫度在170～220 ℃之間，一般是通過(guò)電熱棒加熱或油溫加熱，盡量保證溫度分布均勻。據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，一般小型模具采用電加熱棒的方式，較大型模具采用油溫控制的方式，或者可以使用高壓的水溫機(jī)。同時(shí)，制品外的模板及冷流道系統(tǒng)溫度在20～40 ℃，這就造成了極大的溫差，所以模仁和流道的板塊之間必須設(shè)計(jì)有隔熱板，以便很好的隔絕熱量，防止LSR 進(jìn)入型腔前部分硫化，影響產(chǎn)品。

（5）LSR 的黏度很低，在注射過(guò)程中如果空氣不能被完全排出型腔外，就會(huì)造成短射或燒焦或者摻雜在制品中，導(dǎo)致制品周?chē)霈F(xiàn)白邊，氣泡等。解決辦法是在每個(gè)生產(chǎn)周期中，將模具內(nèi)的空氣抽空，在合模到動(dòng)模芯接觸到O 型圈位置時(shí)暫停，真空泵工作，當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，繼續(xù)合模，然后注射，因此注塑機(jī)上需要帶真空泵及控制回路。有的注塑機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多段合模力，即剛開(kāi)始使用較低鎖模力，待液態(tài)硅膠注射至產(chǎn)品95% 左右時(shí)，再提高到正常的鎖模力，這樣有利于排氣，又不至于產(chǎn)生飛邊，這無(wú)疑對(duì)成型是有幫助的。

（6）硬化后的LSR 制品很容易黏附在金屬模仁表面，加上制品的柔韌性使得脫模比較困難，這個(gè)問(wèn)題也成了LSR 模具設(shè)計(jì)一個(gè)重要難題，目前LSR 脫模方式有頂針頂出，空氣頂出，刷子脫模，脫模系統(tǒng)如機(jī)械手等。其中刷子脫模較常用的刷子材料是尼龍和鋁合金，非常扁平的制品或醫(yī)療制品，通常選鋁合金刷頭?？偟膩?lái)說(shuō)，刷子的選擇很大程度上取決于制品的形狀，材料，尺寸等。而且刷子總是在一個(gè)固定的位置對(duì)制品進(jìn)行脫模操作，這就對(duì)模具的位置有較高要求，體現(xiàn)在注塑機(jī)上就是開(kāi)模重復(fù)精度要高。

第二類(lèi)：困境家庭兒童。困境家庭兒童則分為父母重度殘疾或重病的兒童、父母長(zhǎng)期服刑在押或強(qiáng)制戒毒的兒童、父母一方死亡另一方因其他情況無(wú)法履行撫養(yǎng)義務(wù)和監(jiān)護(hù)職責(zé)的兒童、貧困家庭的兒童和受到忽視和虐待的兒童。

（7） 為了實(shí)現(xiàn)某些LSR 產(chǎn)品的生理無(wú)害性，有時(shí)需要對(duì)這些制品進(jìn)行回火處理。制品在200 ℃的烤箱中回火4 h，提取揮發(fā)性單體/ 低分子顆粒。替代品是那些有低含量有機(jī)硅預(yù)制品的新材料，這使得固化得以完全進(jìn)行，只產(chǎn)生少量的單體，為了達(dá)到FDA/BFR的要求，揮發(fā)性顆粒的數(shù)量需要在200 ℃/4 h 后低于0.5%。

（8）當(dāng)生產(chǎn)LSR 制品的系統(tǒng)停機(jī)一周以上時(shí)，要用單獨(dú)的A 膠或B 膠過(guò)一遍管道和料筒，否則一旦料筒或管道里的AB 混合膠硫化，就只能拆螺桿料筒來(lái)清理，極為繁瑣。

2 液態(tài)硅膠模具特點(diǎn)

2.1 模具結(jié)構(gòu)

液體硅膠產(chǎn)品的注塑模具區(qū)別于普通的固體橡膠模具，也跟通常的熱塑性注塑模具有所不同。作為一種熱固性材料，它既有注塑模具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，又具有橡膠模具的加工精密性。圖4 介紹了一種液態(tài)硅膠模具的結(jié)構(gòu)，由加熱板，型腔板，冷流道系統(tǒng)，隔熱板，快速接合系統(tǒng)等組成。

圖4 LSR 模具結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)自Elmet GmbH）

2.2 模具澆口及流道設(shè)計(jì)

液態(tài)硅膠模具澆口的設(shè)計(jì)一般有三種方式（如圖5 所示），開(kāi)放式澆口優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，自平衡式冷流道，缺點(diǎn)是澆口附近表面質(zhì)量相對(duì)較差，澆口會(huì)有料殘留到下一模的產(chǎn)品上，開(kāi)放式澆口系統(tǒng)通常會(huì)和注塑機(jī)上的自鎖噴嘴搭配使用。膜狀澆口除了上述的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)外，還優(yōu)化了澆口附近的表面質(zhì)量，缺點(diǎn)是澆口處會(huì)產(chǎn)生廢料。針閥式澆口系統(tǒng)可單獨(dú)調(diào)整澆口打開(kāi)和關(guān)閉，澆口表面質(zhì)量也好，但是價(jià)格比較昂貴。

圖5 LSR 模具澆口設(shè)計(jì)（圖片來(lái)自Elmet GmbH）

熱塑性材料和LSR 都可以使用無(wú)流道模具設(shè)計(jì)，但在設(shè)計(jì)上有明顯的不同。熱塑性材料通常需要熱流道來(lái)保持樹(shù)脂在每次注射時(shí)的熔體溫度一致。LSR 正好相反，它需要一個(gè)冷流道，以防止液態(tài)硅膠在注射到加熱型腔之前硫化。

2.3 模具加工精度

熱塑性和LSR 模具都有相當(dāng)復(fù)雜的幾何形狀。它們的主要區(qū)別是LSR 模具對(duì)分型面和鑲塊的配合精度要求更高。普通熱塑性材料可能使用5 絲左右的間隙配合也不產(chǎn)生毛邊。而相同的間距會(huì)讓很多LSR 材料產(chǎn)生毛邊，一般的LSR 模具分型面加工精度需要在3～5 μm 左右，排氣槽的深度一般在2～5 μm 左右。

2.4 收縮

注射成型過(guò)程中，在模內(nèi)時(shí)候液態(tài)硅膠幾乎是沒(méi)有收縮的， 但由于硅膠有相對(duì)高的熱膨脹系數(shù)，所以在脫模、冷卻后往往會(huì)有2.5%～3% 的收縮，具體的收縮率取決于材料配方。不過(guò)，從工藝角度看，收縮率可能受到幾個(gè)方面的影響，包括模具的溫度、制品脫模時(shí)的溫度，以及型腔壓力等，而且沿著注射流動(dòng)方向的收縮率往往比大于垂直流動(dòng)方向的收縮率。從模具設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看， 設(shè)計(jì)人員應(yīng)該預(yù)先對(duì)影響收縮的相關(guān)因素有所考量。

3 液態(tài)硅膠注塑機(jī)的配置

除了前文提到過(guò)的水冷料筒，無(wú)壓縮比螺桿，螺桿后端密封，自鎖噴嘴，真空泵及其控制回路意外，LSR 注塑機(jī)還應(yīng)有以下的配置：

（1）與外部LSR 供料系統(tǒng)的電氣機(jī)械接口。注塑機(jī)注射單元需要與外部的LSR 供料機(jī)連接并有信號(hào)交互。

（2）集成的的加熱控制單元。方便在注塑機(jī)上調(diào)節(jié)加熱溫度，此為推薦配置，若模具自帶溫控器也可。

（3）模具針閥式氣動(dòng)噴嘴控制。此為有流道設(shè)計(jì)的模具使用。

4 液態(tài)硅膠注塑工藝應(yīng)用

4.1 優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

液態(tài)硅膠由于其很多方面出色的性能，被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。

（1）嬰兒及兒童用品。由于硅膠觸感柔軟，對(duì)人體親和且無(wú)過(guò)敏性，被廣泛用在兒童玩具，嬰兒奶嘴等方面。

（2）醫(yī)療制品。由于其惰性，柔韌，耐溫，滅菌性能，在醫(yī)療面罩，醫(yī)療植入，吸入器，密封件方面得到普遍推廣。由于醫(yī)療領(lǐng)域產(chǎn)品利潤(rùn)率相對(duì)較高，所以液態(tài)LSR 的應(yīng)用有非常寬廣的前景。

（3）電子產(chǎn)品及汽車(chē)行業(yè)。得益于硅膠耐高溫，獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的電絕緣性能，耐壓縮性能，在鍵盤(pán)，連接器密封件，減震器方面應(yīng)用很廣。目前汽車(chē)行業(yè)使用的液態(tài)硅膠占了總的使用量的1/3 左右，是最大的領(lǐng)域，如車(chē)燈透鏡，汽車(chē)插頭連接器等。

（4）光學(xué)行業(yè)。硅膠優(yōu)異的透明性，均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)應(yīng)力，抗紫外線等特性，在透鏡，導(dǎo)光板，太陽(yáng)能電池板等方面正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。

4.2 硅膠的不足

（1）LSR 一旦硫化成型，就不能再次成型，無(wú)法回收，成型時(shí)間較長(zhǎng)，成本較高。

（2）制品會(huì)吸附灰塵，容易泛黃，耐酸堿性能較差，

（3）硅膠制品與尖、銳東西碰撞容易損傷。

5 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)外液態(tài)硅膠的生產(chǎn)應(yīng)用于上世紀(jì)80 年代就已經(jīng)開(kāi)始，數(shù)十年的發(fā)展不斷拓寬著應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域相對(duì)較晚，但在一代代拓荒者的不懈努力下，應(yīng)用領(lǐng)域由少轉(zhuǎn)向多，由基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為應(yīng)用研發(fā)。千淘萬(wàn)漉雖辛苦, 吹盡狂沙始到金，液體硅膠行業(yè)雖然困難重重，荊棘遍地，但對(duì)于未來(lái)我們滿懷憧憬，相信我國(guó)的的液態(tài)硅膠技術(shù)會(huì)再上一個(gè)暫新的臺(tái)階。