LSR液态硅胶射出成型与应用

■ACMT/刘文斌

液态硅烷橡胶材料介绍

液态硅胶(Liquid Silicone Rubber, LSR)是一种无毒、耐高温、高回弹性的软质性热固性材料,分子组成中同时具有 无机与有机分子结构的独特性软质弹性体材料,其流变行为主要表现为低黏度、高流动性、快速固化、剪切稀化以 及较高的热膨胀系数。 LSR是以铂金作为触媒的双液态组份材料,可进行快速反应固化,可以藉由射出成型方式进 行大量重复式稳定生产。其产品表现为良好的耐高温与耐低温特性,热安定性良好,极佳的电气绝缘性与机械性能, 优越的耐化性,耐磨耗性、耐臭氧性,卓越的色彩稳定性,能够阻水形成防水密封,具防火阻燃性且燃烧时不会产 生有毒的物质,极其洁净,无杂质以及任何潜在的生物污染物,符合医疗和食品级别等。因此在健康用品、汽车、 婴儿用品、医疗用品、潜水用品、厨房用具以及密封件等产品的生产设计中成为不可替代的材料。
最近几年来由于液态硅烷橡胶(LSR)的材料生产技术、成型设备与加工技术的改良与创新,使得液态硅烷橡胶材料 已经逐渐脱离了之前小批量生产需求的状况,已经有逐渐扩大应用层面的趋势。尤其这几年来在手机产业对LSR硅 烷橡胶应用于机壳密封的大量需求带动下,使得LSR材料受到高度瞩目与重视。 LSR材料目前已经有往大型件产 品与微型件微小产品的应用上发展,另外在多色、多材质的材料组合应用上,例如LSR硅橡胶与热塑性塑胶的共射 产品,都可以看到LSR材料的新产品与新应用问市。所以未来几年LSR材料的产业信息与成型技术将会越来越受 重视,这现象可以由近年来许多成型设备厂商投入LSR加工设备 与许多LSR材料的新应用产品发表可以得到印证。 另外最近由于个人式穿戴装置的流行(例如运动手表手环、无线耳机接收器、VR/AR眼镜等),也造就LSR硅橡胶 材料的另一波产品应用风潮。

 

图 1: 交联决定了热固性材料的许多特性,如强度,稳定性和耐热性(左)

图 2: 在某些情况下,LSR 容易闪烁小至 0.005mm 的间隙(右)

LSR硅橡胶料商最近也相继推出高洁净高透光性等级的LSR塑料,也使得LSR材料的应用扩展到光学镜产品、 LED封装、车灯聚焦鱼眼灯光学件产品。液态硅烷橡胶(LSR)对于射出成型厂商的商机扩展,主要需归功于成型技 术的更新,例如LSR材料在发泡技术、多色或不同软硬度的多材质共射技术,以及热塑性塑胶与热固性塑料(LSR)的共射包覆技术的创新发展,都使得LSR塑料的应用层面更多元化。另外在LSR材料的研发、成型设备与模 具技术的改进也使得LSR塑料的产品更具多功能性,不但提高了产品的质量同时也降低了成型加工业者进入 LSR塑料成型产业的门槛。

液态硅烷橡胶射出成型技术

LSR材料特性与成型过程介绍
1、液态硅烷橡胶的特性
液态硅烷橡胶(Liquid Silicone Rubber , LSR)是一种无毒、耐热性、具高回弹性的柔软热固性材料,其流变 行为的主要表现为具低黏度、可以快速固化、剪切稀化现象以及较高的热膨胀系数值。 LSR是以铂金(Pt,Au) 作为催化剂的两液型快速固化材料,可以采用射出成型加工方式来成型,射出成型方式可以达到大量制造、快 速交联固化、及可重复性的稳定生产等加工优点。 LSR塑料的射出产品表现出较好的热稳定性、抗寒性及优越 的电气绝缘性,当燃烧时也不会产生有毒物质。所以LSR塑料的应用领域相当宽广,举凡在健康用品、汽车、 婴儿用品、医疗用具、潜水用品、厨房用具以及密封性应用产品等,都是LSR塑料在现阶段生产设计中不可取 代的材料。
2、成型加工制程
传统固态高温硬化硅橡胶一般是藉由压缩或转注模塑成型的,因此在产品设计上会限制以浅/简单或没有垂直 于分型在线的细部结构产品为主。虽然高稠度高温硬化硅橡胶以注射成型方式加工是可行的;然而产业界较少 应用射出加工来进行固态硅橡胶材料成型,且在设备与技术上会较有限制。然而液态硅橡胶LSR的成型加工只 需要三个步骤:计量混合,模塑成型和熟化定型。液态硅橡胶LSR具有优异的流动性,在模具中固化后具有坚 固性和柔韧性,这使得LSR射出产品可允许进行非常态的细部结构与倒扣等设计,这是其他射出材料例如塑胶 或热塑性弹性体所做不到的。 LSR最常使用射出机射出成型,但成型设备与热塑性塑料常用的加工设备虽然相 似但细部要求不全然相同LSR塑料为双液型或双成份组成的液态原材料,分为A液成份和B液成份,市售包 装最常使用是20公斤(约5加仑)提桶或200公斤(约55加仑)圆桶包装。提桶或圆桶组件放置在配有精确随动板的高压泵中,以通过精确的高压控制泵将黏性组分从包装圆桶推出,利用混合装置将A液成份和B液 成份以精确的1:1比例充分混合。又因部分产品为有颜色的设计,所以可以加装配有颜色色料的加色泵组及颜 色计量装置。 A液+B液组成、添加剂、色料等在静态混合器中充分混合后导入塑化系统。在将LSR两种组 分接触的混合系统中,冷却水等冷却介质必须能确保混合物保持在受控的冷却温度(10º~20℃)下以抑制交联 或固化反应提早发生。冷却状态下的LSR混合物可长期保持稳定长达数天。

 

图 3:LSR 部件位于一对铝制模具的顶部

图 4: 矽橡胶特性 ( 导电性 )- 导电矽胶也用于键盘接口,抗静电的零部件,以及高压电缆的屏蔽材料。

LSR专用的塑化螺杆同时具有均匀化、混合的功能,通过螺杆将混合料射出到成型高温模具中,在模温 170~200℃条件下,触发起始交联反应使硅胶材料发生固化反应成型最终产品。当LSR模具使用冷流道进料 系统时,值得注意的是流道要足够低温且足够冷。为了避免漏料或漏胶,针阀装置将会安装在模具部件的表面, 射出完成后,针阀立即将封闭射嘴。

2-1定量供料系统
可选择下列几种形式:

1)双向泵可上下移动送料,能够有较好的稳压效果,藉由A液、B液泵之间相连接,同步由液压气动机构进 行控制,因此此种形式的供料系统可以比较精确的控制计量且可靠性较高。
2)单向泵是一种通用型,只能单项选择送料
3)带有止逆阀的同步单向泵
4)计量筒系统主要与单向泵互相配合使用

2-2液态硅橡胶射出成型机的关键组成
1)由于LSR塑料的低黏度特性,在加工过程中要考虑材料的回流和逸漏,因此对射出螺杆的密封要求非常重要。
2)为了防止LSR塑料的感温过早固化,射出机与模具间的隔热设计相当重要,最好是采用针阀式射嘴,当射 胶完成后立刻封闭喷嘴。
3)A液、B液两组成成份的混合、计量装置

 

图 5: 矽橡胶特性 ( 抗辐射 ) 与其它有机橡胶相比,普通(二甲基)矽胶没有特殊的抗辐射性能。可用于制成核电站和连接器的电缆
图 6: 矽橡胶特性 ( 耐蒸汽 )- 长期放置在水中后矽胶仅吸收1% 的水分,而其机械强度或电气特性不会受到影响。一般情况下,矽胶在大气压下与蒸汽接触不会退化

2-3模具设计在设计考量上,一般有以下列几种形式:
1)热流道形式比较浪费物料,设计简单,成本低,多用于大型件产品。
2)有针阀的冷流道可实现自动化,成型周期短。
3)无针阀的冷流道系统,由于LSR塑料的膨胀系数较高,加热时会发生膨胀,冷却时却有较微小的收缩,因 此成品不能在模具中保持精准的侧边距。所以可以采用冷流道系统来进行加工,
4)LSR塑料应保持较低温度和流动性,冷流道采用闭合式系统,在射出加工周期中,闭合系统在每一个流道中 都采用“封胶针”或“针形阀”来控制LSR材料的准确计量。由于硅橡胶具有显著的受热膨 胀特性,收缩率为 2~4%(反应固化温度为150℃),同时硅橡胶具有受压变形的特点。

LSR塑料流动/反应固化的分析:

1)液态硅橡胶的反应固化化学反应,需要一定的反应时间
2)理想的流动场(流长比),在直径2mm,170cm长度的流道中,LSR熔胶的流动距离可超过100cm (L/t >500)
3)最小厚度1/1000 mm
4)模温过高会导致反应交联固化提早,从而引起流动受阻。
5)层流形式可避免产生气泡
6)高速射出会导致扰流形式流动
7)物料的黏度会改变流动的模式
8)湍流或扰流形式容易导致白点

 

图 7: 矽橡胶特性 ( 阻燃性 )- 矽胶用火烧时不易燃烧,但一旦点燃会持续地烧尽。但对其添加少量的阻燃剂后,会抗燃并成为自生式灭火器
图 8: 矽橡胶特性 ( 耐油性 )- 常温下矽胶的耐油性劣于普通的有机橡胶。但对于有耐高温要求的汽车或飞机来说,其性能表现得更好

因此模具的设计上要注意以下几个重点:
1)为了避免扰流和喷流,应使用较小的针点或翼状小进浇口
2)用T型导向栓代替柱形导向栓,以增加模具定位精度
3)应加装隔热层或隔热板。
4)不要使用含聚合抑制剂的防锈剂/油,一般可用甲苯、二甲苯等擦拭模具。此外固化的LSR容易沾黏在金 属表面上,应用上最为普遍的脱模技术包括顶针顶出和空气推顶。 通过以上信息,可以看到硅橡胶射出成型技术主要解决的问题是在于其混合、计量部分,以及螺杆的密封与模 具的设计。

3.冷流道成型系统
冷流道成型系统可以充分利用LSR材料剪切稀化的性质,达到无废料与无毛边的产品成型。在过去几年中,冷 流道系统模具在LSR材料的制造业中被采用的趋势越来越多,并且导致LSR橡胶产品的产量提升,产品废料 减少且人工成本也降低,使得LSR成型加工技术越来越受重视。 LSR塑料成型时几乎不会在模具中产生太大 的收缩,此特性和热塑性材料成型时现像类似。但是由于LSR的热膨胀系数较高,当加热时LSR材料会产生 相当程度的膨胀,当冷却时LSR塑料仅有微小的收缩现象。因此LSR射出件通常较困难在模具中保持精准的 侧边距,只有在表面积较大的模穴中才可以达到较精准的尺寸要求。与热浇道系统射出成型相似,在冷流道系 统加工时,热固性LSR塑料应保持较低熔胶温度和LSR塑料的可流动性,以确保没有物料的损失。这种加工 方法最适合用于洁净室环境中,生产大小与结构相似的大体积射出件。
目前LSR材料射出加工所使用的冷流道系统设备有两种基本类型,即闭合系统和开放系统,这两种系统各有其 优缺点。射出成型周期中,闭合系统在每一个通道中都会采用“开关销”或“针阀”来控制LSR橡胶材料的流 量。而开放系统则是根据射出压力大小,利用“收缩嘴”和阀门通道来控制熔胶的流量。与开放系统相比较, 闭合系统最典型的特点是在较低的射出压力下进行射出充填。
设备中可调控的“节流阀”可以对不平衡的分流道系统以及熔胶的不同剪切稀化性质进行微调;但是缺点是对 某些特定大小的射出件和模具,设备上需再增加额外的调整变动。开放系统利用通过喷嘴机构或是阀门机构时 产生的高剪切速率,在射出压力降低时,进行节流。一般情况下,开放系统的空模穴充填时间要比闭合系统稍微短一些。开放系统由于分流道和节流喷嘴较小,模穴密度会较高。分流道设计上要求达到自然平衡,并需与 LSR材料的流变特性严格匹配。因为开放系统的流道尺寸较小,所以通常不建议使用可以调节的“节流器”, 只需普通的阀门机构就可以有很好的控制流量效果,并可以获得最佳的压力点。

4.LSR模具的设计考量
4-1分模线 当设计液态硅烷橡胶(LSR)射出成型模具时,首先需要考虑分模线的位置,因为分模线内部需设计一些排气的 通道,需利用这些通道将模穴中的空气排出外界,排气沟或排气孔必须设置在注塑的流动末端,也就是熔胶最 后到达的模穴流动末端位置。预先考虑分模线与排气位置,将有助于避免充填时包入空气和使熔胶结合线强度 的降低。由于LSR塑料的黏度低,所以必须确保分模面上模具的精度,以避免成型时发生毛边现象。虽然如此 LSR最终产品表面上的分模线一般都会比较明显。射出件的几何形状与分模线位置还会影响产品的脱模性。在 产品设计上,轻微的导角将有助于确保射出件与模穴表面不会形成过大的真空黏着。

4-2收缩 虽然液态硅烷橡胶(LSR)材料在射出成型过程中几乎没有收缩,但是由于硅烷橡胶具有较高的热膨胀系数值, 因此LSR在冷却脱模后通常会有2%~3%的体积收缩量。确实的收缩量值数据主要取决于LSR材料的配方, 但是从加工的观点而言,产品设计者如果在设计前端就预先将影响收缩的一些因素考虑进来的话,产品成型后 的最后收缩情况将会有所改变且得到控制,这些因素主要包括加工的模具温度、产品离模时的温度和模穴压力 等。另外需要考虑的是浇口的位置,因为通常LSR熔胶在流动方向上的收缩量值,要比在垂直流动方向上的收 缩量来的明显。另外射出件的尺寸大小也是一个影响因素,一般而言射出产品厚度越厚其收缩量值会越小;再 则如果产品在实际应用上会要求二次升温固化,则还需要考虑会有额外增加的约0.5%~0.7%的后收缩量。

4-3排气 当模具为空模穴时关合模后,空气就会滞留在模穴内,当进行射出充填时随着LSR熔胶的注入,模穴空间中的 空气首先被挤压,当LSR熔胶被持续注入模穴中,原先滞留在模穴空间内的空气就会被越来越压缩,空气就会 藉由在分模在线的排气沟排出到外界,由于LSR塑料的黏度较低,在模穴中的充填很快。如果在此快速充填的 过程中,模穴内的空气来不及完全被排出,甚至被包覆在熔胶中,就会造成气体包封的问题(通常会呈现延着 射出件外缘有一圈白色线条或是在产品内部看到一些小气泡),或是流动末端有高压气体造成熔胶烧焦的现象。 一般典型的排气沟通道尺寸为宽度1~3mm,深度0.004~0.005mm。

排除模穴内滞留空气的最有效方法,是在每一次射出成形循环周期中,采用模穴抽真空的方式将模穴内的滞留 空气强制抽出。换言之在设计模具分模线时应确保公母模板的密闭性,真空pump藉由适当通道与控制可以将 模穴内空气抽到适当真空度。还有一种成功应用的方法是利用调节模具的锁模力来达到排气的效果。成形时在 模具低压锁模时将LSR塑料进行充填,当充填达到约模穴的90%~95%时,模具再转换成高压锁模条件,但 低压条件下需注意避免LSR塑料产生逸料形成毛边现象。

4-4浇口 一个合适的加工设计,既希望浇口在产品表面上的痕迹小而结构尚足够坚固,这是非常困难的。但是如果将浇 口设置在非重要区域或内层表面上,就可以避免很多需处理的麻烦,例如利用冷流道系统进行LSR材料的射出 成型就可以省去浇口痕迹的消除,从而避免了后续需要大量劳动工作来处理浇口,并且可以减少大量物料的浪 费。在很多情况下,无浇口的设计也直接缩短成型加工循环周期时间。如果采用冷流道系统,在热模穴与冷流 道之间设置有效的隔离温度的隔热机构对LSR加工成型是十分重要的。如果分流道区域过热,物料在射出前 就会开始进行反应固化,但是如果冷却过度的话,它也会从模具上浇口阀门附近区域吸收过多的热量,而妨碍 LSR塑料的固化反应完成程度。
闭合系统的阀门或是开关销,一般设计为0.5~0.8mm之间,借以保证活动销和它周围流动物料的活动空间。 而开口系统中,喷嘴和阀门通常要设计小一些(0.2~0.5mm),这样可以有较好的流量控制。对于低黏度的 LSR来说,若是通过传统浇口尺寸来注入LSR物料,例如潜伏式浇口或是锥形浇口,那喂料直径就要设计的略 小些。 (注入口直径通常在0.2~0.5mm之间。)

4-5脱模 除非是较特殊的LSR配方,一般固化后的LSR容易沾黏在金属表面上,这特性通常对于脱模程序时带来了一 定的困难度。虽然如此目前LSR橡胶的热撕裂强度还是能够满足脱模的要求,在脱模后基本上没有损失。应用 最为普遍的脱模技术设备,包括分流柱塔板,推顶销和空气推顶。其他应用较多的方法包括滚筒扫除机,排除 塔,和机器手臂操作。使用推顶系统时,必须使推顶系统保持在相近的公差范围内。如果推顶销和套管之间过 度清除,或是元件磨损时间过长,都会引起产品出现毛边现象。反锥形或蘑菇形推顶器的接触压比较大,可增 进系统的密闭性因而功效较强。

4-6模具材料 一般情况下,护圈板都是采用非合金加工钢(no. 1.1730, DIN code C45W)来制造的。由于模板要暴露在 170℃~210℃的高温下,所以应该采用预回火的钢材(no. 1.2312, DIN code 40 CrMnMoS 86)来制造,以提 高耐冲击性能。具有模穴的模板最好采用耐温性较好的弹性热钢为材料。针对像抗油品级这类的高填充LSR材 料,建议使用更强硬的钢材材料,例如镀铬钢和金属粉末都在这一应用上有了较大的发展与应用(no.1.2379, DIN code X 155 CrVMo 12 I)。

在作为研磨性物料制作模具时,要注意使用特别的插件或者其他可替换的加工工具,这样元件磨损后才可以单 独更换,而不必更换整个模具。模具模穴表面的优劣对于产品的质量有重要的影响,简言之射出完成的产品会 将模具模穴的原貌准确的复制下来。抛光钢材表面对于透明性产品的表面外观十分重要。表面经过处理后的钛 /镍钢材具有很高的抗磨损能力,而PTFE/镍更加容易脱模。 LSR材料在某种程度上具有研磨特性,因而最好 不要选择铝质材料。在经济与成本考量与允许情况下,应选用较好的金属钢材,以便得到更好的兼容性,同时 便于由粗胚产品加工成为最终产品。

4-7温度控制 LSR材料的射出成型加工中,最常见的加热方式是以电热加热方式,通常采用电热电阻丝加热器、加热管或者 加热片形式来加热模具。 LSR的一次型固化过程中,模具内温度的均匀分布是非常重要的。在大型模具中,最 经济的加热方法是油温加热控制法。

用绝缘板或隔热材料包覆模具,将有助于减少热量损失。如果模具表面温度下降过快,会使物料的固化速度降 低,也会影响跟抑制产品的脱模,对产品的质量将会有不良影响。加热器与分模线之间保留一段距离,可以有 效避免模板的弯曲与变形,模具变形很容易造成产品出现毛边现象。如果模具是属于冷流道系统设计,那么在 冷热界面上必须有适合的隔离装置,这是LSR模具必不可少的。例如3.7165(TiAl6V4)这样的钛合金,相较 其他钢材而言,其热传导性能较差,因此是冷热隔离的良好材料。对于整体模具的加热系统,应该在模具与模 板之间放置绝缘层或隔热材料,把热损失降低到最小。

4-8模拟设计 LSR多模穴模具的分流道系统中,LSR将会充填所有的模具空间,在此多模穴的流道设计上,LSR塑料的分流 道设计上的几何平衡性十分重要。采用计算机辅助工程CAE流动模拟分析软件来协助设计分流道的尺寸与流道 系统layout的平衡性,也可以藉由CAE分析结果来微调设计浇口尺寸与流道尺寸,将可以协助模具设计上的 改进,可以避免反复性的试误法而造成开发或是生产成本过高的问题。 CAE分析结果可以利用实际现场充填 实验研究来验证,但是正确的CAE模拟分析需要CAE工程师对于所加工的LSR材料的射出机械反应性能清楚 了解,否则所给定的分析成型条件将会与实际生产现场有所差异。利用有限元素分析法来进行产品设计验证, 已经逐渐成为业界产品开发的标准设计流程。

结论

液态硅橡胶(LSR)的射出成型加工因为是属于较独特的加工技术,所以需要对于LSR材料有基本认识,且在产 品设计、模具设计与生产加工上给予适当与正确的设计与规划,能充分理解LSR射出成型与生产制作流程设计 的原则,就可避免出现产品问题,生产高质量高效率的LSR产品。 LSR材料的射出成型加工在目前算是一项 经济效益还不错的市场,而且产业上对于LSR产品的需求也有越来越多的趋势,新应用产品也会越来越多,这 势必会引导更多成型加工业者投入LSR的产品生产,也会让液态硅橡胶(LSR)射出成型加工产业链与市场更加 茁壮。

参考文献

http://www.ptonline.com/articles/injection-molding -lsr-three-‘m’s-of-innovation-mega-micro-andmulti By Mikell Knights From: Plastics Technology Issue: November 2007■

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