橡膠的硫化與成型技術(shù)1

1、 新書(shū)連載橡膠的硫化與成型技術(shù) (一 王作齡 編譯 摘要 : 、 月出版的 一用金型技術(shù) 一書(shū) 。 全書(shū)共分 10章 :、 、 的硫化方法及其進(jìn)步 、 、 模具設(shè)計(jì) 、 橡膠 制品模具 、 模具制作 、 關(guān)鍵詞 : 橡膠 ; 問(wèn)題與對(duì)策 :TQ Q ,T Q 333,T Q 334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :E 文章編號(hào) :167128232(2006 0620059205第 1章 模具工業(yè)動(dòng)向1. 1 前言大部分橡膠都通過(guò)模具加工成型為各類制 品和零部件 , 如果沒(méi)有模具就不能制造橡膠制 品和部件 , 模具是橡膠制品加工業(yè)不可缺少的 工具 。 橡膠硫化成型就是將混煉膠通過(guò)成型加 工機(jī)械 , 用模具硫化成

2、型為制品的工序 , 可分為 平板模壓硫化成型 、 注射成型 、 擠出成型 、 澆注 成型等各種成型方法 。 橡膠一般是在成型的同 時(shí)進(jìn)行硫化 (交聯(lián) 的 , 但也有在另外工序里進(jìn) 行硫化的情況 。近年來(lái) , 在用注射成型等工藝 的高溫短時(shí)間硫化工序中 , 模具也成為重要的 環(huán)節(jié) 。在成型硫化工序中 , 橡膠的粘性 、 流動(dòng)性 、 硫化特性等橡膠的基本物理性能對(duì)橡膠制品特 性均有影響 。因此 , 需要弄清楚對(duì)材料特性的 管理 、 設(shè)備的研究 、 成型硫化加工技術(shù) 、 模具等 諸問(wèn)題 。 將膠料成型硫化為具有一定形狀的金 屬模具 , 它在成型硫化過(guò)程中的問(wèn)題包括模具 的強(qiáng)度 、 剛性 、 導(dǎo)熱系數(shù)

3、 、 熱膨脹系數(shù) 、 結(jié)構(gòu) (排 氣孔 、 合模面 、 電鍍 、 邊緣部的 R 等 , 而這些問(wèn) 題與成型硫化尺寸 、 耐久性 、 硫化時(shí)間 、 開(kāi)?？s 裂 、 脫模性 、 模具污染等加工性能休戚相關(guān) 。橡膠制品多半是在比玻璃化溫度高的溫度 條件下使用的 , 硫化成型工序以橡膠的固體狀 態(tài)于 150210 下進(jìn)行 , 所以理論計(jì)算少 , 實(shí) 際上多數(shù)是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)進(jìn)行設(shè)計(jì) 的 。 因此 , 對(duì)于橡膠模具和塑料模具來(lái)說(shuō) , 由于所用材料的特性不同 , 所以模具的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)也不同 。橡膠需要硫化 , 膠料在模具中其粘度會(huì) 產(chǎn)生微妙的變化 ;硫化時(shí)硫化劑分解 , 產(chǎn)生氣體 , 因而產(chǎn) 生氣泡

4、的可能性較高 ;硫化起步后模腔中的壓力逐漸上升 ; 膠料流動(dòng)時(shí)粘度高 , 與溫度的相關(guān)性 小 , 流動(dòng)時(shí)壓力損失大 。橡膠模具加工雖然已有 100多年的歷史 , 但有關(guān)專著基本沒(méi)有 , 僅在橡膠工業(yè)便覽和模 具便覽中稍有登載 。自然 , 在橡膠模具設(shè)計(jì)和 制造時(shí)無(wú)可供參考的專著 , 橡膠技術(shù)人員和模 具設(shè)計(jì)人員只能參考有關(guān)塑料模具的專著進(jìn)行 設(shè)計(jì)和制作也是實(shí)情 。據(jù)調(diào)查 ,58%的企業(yè)希 望出版新的有關(guān)模具的專業(yè)書(shū) 。再者 , 橡膠模具會(huì)被污染 , 這已成為脫模性 差 , 硫化制品外觀 、 尺寸 、 表面光潔度不良等問(wèn) 題的元兇 。 幾乎所有的膠種都會(huì)對(duì)模具產(chǎn)生污 染 。 為防止模具被污染 ,

5、 一般可在模具的內(nèi)表 面涂布脫模劑 。但是 , 這也成為模具污染的原 因之一 , 許多企業(yè)往往對(duì)此苦不堪言 , 希望開(kāi)發(fā) 出不污染模具的硫化體系 、 配合劑 、 模具材質(zhì) 、 模具表面處理 、 脫模劑和模具清洗技術(shù)等 。 1. 2 模具用各種模具生產(chǎn)橡膠制品的企業(yè)占總體企業(yè)的 93%, 其中僅 2%的企業(yè)使用陶瓷模具 (生 產(chǎn)膠乳制品 , 其余皆使用金屬模具 。 在使用金 屬模具的橡膠加工企業(yè)中 , 制造密封類制品和 汽車零部件的企業(yè)居多 , 幾乎所有橡膠制品都95 第 33卷第 6期 王作齡 . 橡膠的硫化與成型技術(shù) (一 用金屬模具制造 。至于模具有平板硫化機(jī)用模壓模具 、 注射 成型用模

6、具 、 擠出成型用模具 ;96%的橡膠企業(yè) 使用平板硫化機(jī)用模壓模具 , 其次是注射成型 用模具 (67% 及擠出成型用模具 (42% , 除此 之外有 12%的企業(yè)使用磁力加壓模具 、 RI M 反 應(yīng)注射成型用模具 、 卷蒸成型模具 、 澆注模具和 吹塑成型模具 。在模具的設(shè)計(jì)和制造方面 ,工模具的情況分為以下三種 :件 , 要求模具制造企業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造 。 將橡膠制品的設(shè)計(jì)圖紙和所要求的內(nèi) 容附在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)上 , 按圖定制 。72%的企業(yè)自行設(shè)計(jì)模具 , 關(guān)于模具制造 , 完全依靠模具制造企業(yè)加工的占 65%, 公司自 行制造的占 3%, 由模具制造企業(yè)和橡膠企業(yè) 協(xié)作制造的占 20%

7、, 屬于上述第一種情況的企 業(yè)居多數(shù) , 即由具有專業(yè)技術(shù)的企業(yè)制造模具 這是目前的現(xiàn)狀 。從模具制造的基本狀況看 , 在金屬原材料 和需要改進(jìn)的方面還存在以下問(wèn)題 :模具污染 ;腐蝕 、 生銹 、 發(fā)霉 ;磨耗及磨耗引起的廢膠邊產(chǎn)生 ;耐久性 ;切削等加工性能 ;模具廉價(jià) ;由壓力和溫度引起的變形較小的材質(zhì) 。 關(guān)于制造模具的金屬原材料 , 不論采用哪 一種一般都不公開(kāi) , 據(jù)說(shuō)是普通軟鋼 (一般結(jié)構(gòu) 用軋制鋼 SS41SS50 、 半硬鋼 (機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳 鋼 S45C 、 鑄鋼 、 特種鋁合金 、 不銹鋼等 。制造 模具 用 的 金 屬 原 材 料 雖 然 主 要 使 用 S50C 、 N

8、AK 55、 HPM 、 不銹鋼等 , 但就試制而言 , 因加工 速度的原因 , 采用鋁合金為金屬原材料的企業(yè) 也很多 。 一般性模具 , 多采用 NAK 和 HPM 的 預(yù)硬化鋼制造 。制造模具的金屬材料很多 , 可 從軟鋼到特種鋼材中選擇 , 但橡膠模具使用 S50C 和 NAK 最多 。由于鋁合金具有導(dǎo)熱性高 、 機(jī)械加工時(shí)易 切削 、 硬度低 、 熱膨脹系數(shù)大等特征 , 因而在近 幾年得到大量應(yīng)用 。另外 , 導(dǎo)熱系數(shù)是鋼材 2 3倍 、 切削性和拉深加工性都很優(yōu)異的銅合 金 (如 HIT 75等 也已開(kāi)始被采用 。實(shí)際上 , 制造橡膠模具采用的金屬材料與 表 121樣 ,鋼 、 合金

9、工具鋼 、 但是 , 關(guān)于銅合金等新的金 。 輪胎等模具的金屬材 料可采用鋁合金 , 由于量輕和切削加工性好 , 今 后有望獲得較大的發(fā)展 。在表面處理方面 , 光 有氧化鋁膜處理技術(shù)還不夠 , 氮化鉻等處理方 法也受到了業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注 。表 121 模具用金屬材質(zhì)模具材質(zhì) 質(zhì)量等級(jí)一般結(jié)構(gòu)用軋制鋼 SS500、 SS400、 SS4150機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳鋼SS55C 、 S25C 、 S45C 、 S50C 、 S54C 、 S35C 、 SC460、 PXZ碳素工具鋼 SK 3、 NAK 、 SK 4、 SK 5合金工具鋼 SK D11、 SK D61、 FDAC 、 NAC 、 PD高速工具

10、鋼 SK H51高碳鉻軸承鋼 S V J2鎳鉬合金鋼 NAK 55鉻鉬鋼 SC M435、 SC M440、 IMPAX不銹鋼S US420 、 ST AVAX 、 PS L 、 Z 50、 S US304、 HPM 238、 S US303鋁合金A5052、 A7075、 A5056、 A2017、 A1070、 AC 27Y H75硬鋁 AMP79其它 NAK 80、 陶瓷模具 可用多種金屬材料來(lái)制造模具 , 只有 13的企業(yè)能根據(jù)膠種選用材質(zhì) , 而其余企業(yè)對(duì)此 并不介意 。 模具采用的金屬材質(zhì)與對(duì)應(yīng)膠種如 表 122所示 。 機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳素鋼 (S4555C 可 用于制作許多膠種用的模

11、具 , 但幾乎所有的金 屬模 具 表 面 都 要 進(jìn) 行 鍍 硬 質(zhì) 鉻 處 理 。硫 化 EPDM 的模具雖然可采用各種金屬材料制造 , 但在高溫下的注射成型工藝中 , 會(huì)產(chǎn)生模具污 染及脫模問(wèn)題 , 這一點(diǎn)必須引起注意 。從模具的主要研究課題看 , 在制造和改進(jìn) 方面需要重視和有待解決的問(wèn)題如下 :6 世 界 橡 膠 工 業(yè) 2006表 122 與不同橡膠相對(duì)應(yīng)的模具用金屬材質(zhì)膠種制造模具用金屬材質(zhì)天然橡膠 (NR S4555C 順丁橡膠 (BR S45C 、 S US303、 DDV 丁腈橡膠 (NBR S4555C 、 PS L三元乙丙橡膠(EPDM S45C 、 S55C 、 NAK

12、 、 SS41、 SK D11、 SC M 鋼 氯丁橡膠 (CR S4555C 、 SS41硅橡膠 (Q 鋁合金、 S55C氟橡膠 (FK M S4550C 、 丙烯酸酯橡膠 (AC M S 氯醚橡膠 (、 ;降低成本 , 縮短交貨期 ;根據(jù)收縮率 、 填充率 、 制品形狀不同考 慮橡膠收縮問(wèn)題 ;多模腔化與快速更換的平衡 ; 考慮排氣設(shè)計(jì) ;大型制品的開(kāi)模縮裂問(wèn)題 ; 各種橡膠金屬?gòu)?fù)合制品的金屬附件與 模具收縮之間的關(guān)系 (尺寸和傷痕 ;溢流部的擋塊和流膠槽的設(shè)定 ; 模腔數(shù)量的設(shè)定 ; 膠料在模腔內(nèi)的流動(dòng)特性 ; 橡膠模具的部件減量 ; 通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)注膠口和流膠道的方法 ; 流痕部位容易產(chǎn)

13、生撕裂的問(wèn)題 ; 縮短注射成型的注膠時(shí)間 。 1. 3 模具表面處理 為使硫化膠從模具中順利脫模和防止模具 污染可用多種方法對(duì)模具表面進(jìn)行處理 , 一般 多采用硬質(zhì)鉻鍍層處理方法 , 其次還有如表 123所示的研磨 、 拋光 、 噴砂處理 、 氮化處理 、 氟樹(shù)脂 涂層 、 各種鍍層處理 (電解鍍層 、 非電解鍍層 等 方法 。 陶瓷涂層處理方法應(yīng)用較少 , 這是因?yàn)?存在著成本和耐久性方面的問(wèn)題 。從模具的基本研究課題看 , 在表面處理和 有待改善方面存在的問(wèn)題如下 :能改善耐久性 、 模具耐污染性及脫模性 的表面處理方法 ; 由強(qiáng)堿 、 噴砂等清洗方法引起的鍍層剝 離和鍍層的耐久性 ;表

14、123 模具表面處理方法模具用金屬材料的表面處理 采用企業(yè) , %硬質(zhì)鉻鍍層處理 34研磨、 拋光加工 18噴砂處理 15氮化處理 87(6S iN 、 T iC 、 CrN 、 D LC 、 4復(fù)合鍍層處理 3氧化鋁膜處理 (鋁合金 2氟樹(shù)脂 (埋入式 處理1其它處理方法 (淬火、 氧化膜原樣 保持 金屬氧化膜1硬質(zhì)鉻鍍層的耐久性 、 改善模具耐污染 和脫模性及清洗保管方法 ;耐久性好的非電解鍍層 ;鍍層處理后各部件間的配合性 ;用氟樹(shù)脂涂層的模具壽命短暫及其清 洗保管方法 。關(guān)于模具的表面處理問(wèn)題 , 不進(jìn)行表面處 理便直接使用的企業(yè)占 10%, 只進(jìn)行硬質(zhì)鉻鍍 層處理便使用的企業(yè)占 34

15、%, 其余的企業(yè)是先 進(jìn)行如表 123所示的表面處理 , 而后再進(jìn)行硫 化成型 。 在目前使用的模具中 , 膠種與模具用 金屬材料和表面處理的組合情況如表 124所 示 。就表面處理而言 , 硬質(zhì)鉻鍍層處理可應(yīng)用 于所有膠種的硫化模具 , 其次氟樹(shù)脂涂層可有 效地用于 7種橡膠的硫化模具 , 其它的非電解 鎳鍍層處理 、 氮化處理 、 陶瓷涂層 、 氮化鉻處理 、 含有聚四氟乙烯的復(fù)合型鍍層處理 、 氧化鋁膜 處理等可用于少量膠種的硫化模具的表面處 理 。就模具而言 , 可直接使用金屬模具或者經(jīng) 表面處理后再使用 , 該文作者對(duì)模具行業(yè)提出 了以下研究課題 , 即 :模具技術(shù)整體系統(tǒng)化 ;無(wú)膠

16、邊模具和高精度模具的設(shè)計(jì) ;模具表面處理技術(shù)的進(jìn)步 ;針對(duì)硫化事故采取相應(yīng)措施的模具設(shè)16 第 33卷第 6期 王作齡 . 橡膠的硫化與成型技術(shù) (一 表 124 膠種與模具用金屬材料及表面處理表面處理 普通結(jié)構(gòu)用軋制鋼機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳素鋼合金工具鋼鉻鉬鋼(鎳鉬鋼 不銹鋼 鋁合金 碳素工具鋼硬質(zhì)鉻 鍍層 NR 、 NBR 、CR 、 EPDM 、Q 、 AC M 、 NR 2BRNR 、 S BR 、NBR 、 CR 、IIR 、 Q 、 FK M 、AC M 、 CS M 、ECONBR 、 Q EPDM (Q NBR 、 CR 、FK M 、 CS MQ EPDM氟樹(shù)脂 涂層 NR 、 CRB

17、R 、 EPDM 、TPE、 NR 2S BR非電解鎳鍍層氮化處理 EPDM 、 CR陶瓷涂層 NR復(fù)合鍍層 IIR氮化鉻處理 IIR 、 FK M計(jì) ;快速硫化模具 ;自動(dòng)化 、 省力化硫化模具 。1. 4 模具污染模具污染和伴隨著污染的脫模性是模具的問(wèn)題之一 , 它已成為企業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題 ,74%的企業(yè)存在著模具污染問(wèn)題 。橡膠渣滓和脫模劑固體成分等物質(zhì)的堆積 ;外露部件的污垢 、 外觀不良 , 一般材料制的部件 , 膠料在其中的流動(dòng)差 , 成型不良 , 污垢牢固地粘附在模具上 , 制品形狀改變 ;模腔滯留部中堆積增塑劑和內(nèi)脫模劑 ,配方變更 , 硫化條件放寬 , 但清洗頻率增加 ;形

18、狀復(fù)雜部分的間隙等配合處產(chǎn)生污垢 ;因涂布脫模劑加速了模具的污染進(jìn)程 ;硫化海綿橡膠時(shí)模具污染嚴(yán)重 , 脫模劑不足量 ;因模具形狀緣故不能徹底清洗 ;長(zhǎng)時(shí)間使用以氟樹(shù)脂處理的模具 , 其涂層易剝落 , 耐久性下降 ;與粘合劑一起硫化時(shí)模具被污染 ;注射成型中注膠口部分和 180度側(cè)面與膠料融合部分的模具污染對(duì)策 。自然 , 污染狀況也會(huì)因膠種和橡膠配方的不同而各異 。 各種橡膠對(duì)模具的污染程度隨橡 膠的性質(zhì)而不同 , 模具用硬質(zhì)鉻鍍層處理不夠 充分 , 就連氟樹(shù)脂涂層 、 復(fù)合涂層處理也不夠充 分 , 因此洗滌次數(shù)頻繁 。 對(duì)于硫化體系來(lái)說(shuō) ,H 2 NBR (氫化丁腈橡膠 、 EPDM 、

19、FK M 、 IIR 等橡膠 用過(guò)氧化物交聯(lián)和酚醛樹(shù)脂交聯(lián)都會(huì)成為問(wèn) 題 。 特別是 EPDM , 在注射成型的高溫條件下 , 用過(guò)氧化物硫化非常容易污染模具 。此外 , 脫 模劑用量不足的例子很多 , 對(duì)由脫模劑引起污 染的原因現(xiàn)在仍很模糊 。關(guān)于模具污染的原因有許多報(bào)道 , 已經(jīng)明 晰的新的污染原由有粘合劑污染 、 發(fā)泡劑 、 與橡 膠配合劑的反應(yīng)產(chǎn)物 、 隔離劑 、 橡膠混煉方法 、 過(guò)氧化物交聯(lián)中脫模劑反應(yīng)產(chǎn)生的脫模劑凝膠 分 、 洗滌時(shí)的水質(zhì) 、 稀釋脫模劑用水中所含的成 分等 。 模具污染的主要因素是硫化時(shí)引起的復(fù) 合污染 , 脫模性隨著模具污染程度的增加而降 低 。關(guān)于防止模具被

20、污染的方法 , 書(shū)中提出了 21種 。 需要特別注意的是發(fā)泡劑和隔離劑的 選擇 、 粘合劑的種類 、 涂布方法及涂布量 , 以及 脫模劑用的稀釋水和模具的洗滌水 。1. 5 脫模劑對(duì)于簡(jiǎn)單的模具污染所采取的相應(yīng)措施是 使用脫模劑 。 目前使用的許多脫模劑也是模具 被污染的原因之一 , 但眼下使用脫模劑來(lái)改善 26 世 界 橡 膠 工 業(yè) 2006模具污染和改進(jìn)脫模性的企業(yè)居多 ,96%的企 業(yè)使用外涂布型脫模劑 。此外 , 使用內(nèi)脫模劑 的企業(yè)為 20%, 完全不用脫模劑的企業(yè)僅為 10%。 采用橡膠模具進(jìn)行硫化和成型幾乎都使 用脫模劑 。企業(yè)中使用表 125所示的外涂型含氟類脫 模劑最多 (

21、53% , 其次是硅脫模劑 (43% 。此 外 , 還使用各種表面活性劑 、 聚四氟乙烯燒結(jié)物 (有時(shí)含于氟類脫模劑中 、 蠟 、 滑石粉等 。表 125 率 , %含氟脫模劑 44潤(rùn)滑劑 3硅脫模劑 36滑石粉 1表面活性劑 6鉀皂水溶液 1聚四氟乙烯類燒結(jié)物 4石腦油 正丙醇1蠟類4 使用這些脫模劑 , 以謀求解決模具污染和 脫模性的企業(yè)占 29%。脫模劑的選擇也依膠種 、 配方 、 硫化溫度的不同而各異 , 要根據(jù)實(shí)際 使用情況進(jìn)行選擇 。 今后要考慮開(kāi)發(fā)不污染模 具的脫模劑 。 1. 6 模具清洗 至少目前 , 企業(yè)還不能解決模具污染問(wèn)題 , 幾乎所有模具都是經(jīng)過(guò)清洗后再使用的 。 模具 清洗分為卸下清洗如安裝狀態(tài)清洗兩種方法 。 在實(shí)際生產(chǎn)中 , 機(jī)械處理方法 (噴砂處理等 應(yīng) 用得最多 , 其次堿洗法也在許多企業(yè)中實(shí)施 。 還有企業(yè)對(duì)污染模具采用有機(jī)溶劑清洗法 、 高 壓水噴射清洗法 、 酸洗法 、 超聲波清洗法 、 等離 子清洗等多種方法 。對(duì)于安裝狀態(tài)模具的清 洗 , 也 有 2. 5%的 企 業(yè) 采 用 模 具 清 洗 橡 膠 (MCR 清洗模具的方法 。采用堿洗和酸洗方法的企業(yè)分別為 55%和 7%, 但洗滌后的堿水溶液和酸溶液的處理卻成了問(wèn)題 , 處理費(fèi)用比較高 。對(duì)于 9%的企業(yè)所采用的高壓水噴射洗滌法 , 由