橡膠成形技術

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橡膠成形技術

    橡膠：使用溫度處于高彈態的高分子材料，橡膠具有良好的彈性，其彈性模量僅為10MPa，伸長率可達100%～1000%，同時還具有良好的耐磨性、隔音性、絕緣性等。成為重要的彈性材料、密封材料、減震防震和傳動材料。

    應用：國防、交通運輸、機械制造、醫藥衛生、農業和日常生活等各個方面。

    常用的橡膠有天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠是由天然膠乳經過凝固、干燥、加壓等工序制成的片狀生膠。合成橡膠主要有丁苯橡膠、順丁橡膠、聚氨酯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠等。

    成形：將生膠經塑煉和混煉后才能使用。橡膠制品是以生膠為基礎加入適量配合劑（硫化劑、硫化促進劑、防老劑、填充劑、軟化劑、發泡劑、補強劑、著色劑等），然后再經過硫化成形獲得。橡膠制品的成形方法與塑料成形方法相似，主要有壓制成形、注射成形和傳遞成形等。

一、橡膠的壓制成形

（一）壓制成形工藝流程

    橡膠的壓制成形是將經過塑煉和混煉預先壓延好的橡膠坯料，按一定規格和形狀下料后，加入到壓制模中，合模后在液壓機上按規定的工藝條件進行壓制，使膠料在受熱受壓下以塑性流動充滿型腔，經過一定時間完成硫化，再進行脫模、清理毛邊，最后檢驗得到所需制品的方法。橡膠壓制成形的工藝流程如圖5-26所示。

（1）塑煉  在一定的溫度下利用機械擠壓、輥軋等方法，使生膠分子鏈斷鏈，使其由強韌的彈性狀態轉變為柔軟、具有可塑性的狀態，這種使彈性生膠轉變為可塑狀態的加工工藝過程稱為塑煉。

（2）混煉  為了提高橡膠制品的使用性能，改進橡膠的工藝性能和降低成本，必須在生膠中加入各種配合劑。將各種配合劑混入生膠中，制成質量均勻的混煉膠的工藝過程稱為混煉。

（3）制坯  制坯是將混煉膠通過壓延或擠壓的方法制成所需的坯料，通常是片材，也可為管材或型材。

（4）裁切  在裁切坯料時，坯料質量分數應有超過成品質量分數5%～10%的余量，結構精確的封閉式壓制模成形時余量可減小到1%～2%，一定的過量不僅可以保證膠料充滿型腔，還可以在成形時排除型內的氣體和保持足夠壓力。裁切可用圓盤刀或沖床按型腔形狀剪切。

（5）模壓硫化  模壓硫化是成形的主要工序，它包括加料、閉模、硫化、脫模和模具清理等步驟，膠料經閉模加熱加壓后成形，經過硫化使膠料分子交聯，成為具有高彈性的橡膠制品。脫模后的橡膠制品經修邊和檢驗合格后即為成品。

（二）壓制工藝

    橡膠壓制成形工藝的關鍵是控制模壓硫化過程。

    硫化是指橡膠在一定壓力和溫度下，坯料結構中的線性分子鏈之間形成交聯，隨著交聯度的增加，橡膠變硬變韌的過程。

    硫化過程的主要參數：硫化溫度、壓力和時間等。

（1）硫化溫度  硫化溫度直接影響硫化速度和產品質量。硫化溫度高，硫化速度快，生產效率就高。但是硫化溫度過高會使橡膠高分子鏈裂解，從而使橡膠的強度、韌度下降，因此硫化溫度不宜過高。橡膠的硫化溫度主要取決于橡膠的熱穩定性，橡膠的熱穩定性愈高則允許的硫化溫度也愈高。表5-11是常見膠料的最適宜硫化溫度。

表5-11  常見膠料的最宜硫化溫度（℃）

（2）硫化時間  硫化時間是和硫化溫度密切相關的，在硫化過程中，硫化膠的各項物理、力學性能達到或接近最佳點時，此種硫化程度稱為正硫化或最宜硫化。在一定溫度下達到正硫化所需的硫化時間稱為正硫化時間，一定的硫化溫度對應有一定的正硫化時間。當膠料配方和硫化溫度一定時，硫化時間決定硫化程度，不同大小和壁厚的橡膠制品通過控制硫化時間來控制硫化程度，通常制品的尺寸越大或越厚，所需硫化的時間越長。

（3）硫化壓力  為使膠料能夠流動充滿型腔，并使膠料中的氣體排出，應有足夠的硫化壓力。通常在100～140℃范圍壓模時，必須施用20～50MPa的壓力，才能保證獲得清晰復雜的輪廓。增加壓力能提高橡膠的力學性能、延長制品的使用壽命。試驗表明，用50MPa壓力硫化的輪胎的耐磨性能，較壓力在2MPa硫化的輪胎的耐磨性能高出10%～20%。但是，過高的壓力會加速分子的降解作用，反而會使橡膠的性能降低。

通常，對硫化壓力的選取應根據膠料的配方、可塑性、產品的結構等因素決定。在工藝上應遵循的原則為：制品塑性大，壓力小；制品厚、層數多、結構復雜，壓力大；薄制品壓力低。生產中采用的硫化壓力多在3.5～14.7MPa之間，模壓一般天然橡膠制品常用壓力為4.9～7.84MPa之間。

（三）壓制模具

    橡膠壓制模與一般塑料壓塑模結構相同，如圖5-27所示。

    橡膠模在設計時注意如下問題：

（1）測溫孔  為保證橡膠制品的質量，硫化溫度的誤差應控制在±2℃范圍，因此，在壓制模型腔附近必須設置測溫孔。在壓制過程中，利用水銀溫度計通過測溫孔控制溫度。測溫孔應設置在型腔附近約5～10mm處。

（2）流膠槽  由于在加料時一般有5%～10%的余量，為保證制品精度，在型腔周圍設置流膠槽，流膠槽多為R1.5～2mm的半圓形，在流膠槽與型腔之間開設一些小溝，使多余的膠料排出。

圖5-27橡膠壓制模
1－定位銷　　2－壓制模　　3－住塞　　4－流膠槽

二、橡膠注射成形

（一）橡膠注射成形工藝過程

    橡膠注射成形的工藝過程：預熱塑化、注射、保壓、硫化、脫模和修邊等工序。將混煉好的膠料通過加料裝置加入料筒中加熱塑化，塑化后的膠料在柱塞或螺桿的推動下，經過噴嘴射入到閉合的模具中，模具在規定的溫度下加熱，使膠料硫化成形。

    在注射成型過程中，由于膠料在充型前一直處于運動狀態受熱，因此各部分的溫度較壓制成形時均勻，且橡膠制品在高溫模具中短時即能完成硫化，制品的表面和內部的溫差小，硫化質量較均勻。注射成型的橡膠制品具有質量較好、精度較高、而且生產效率較高的工藝特點。

（二）注射成形工藝條件

    注射成型工藝條件主要有料筒溫度、注射溫度（膠料通過噴嘴后的溫度）、注射壓力、模具溫度和成型時間。

（1）料筒溫度  膠料在料筒中加熱塑化，在一定溫度范圍內，提高料筒溫度可以使膠料的粘度下降，流動性增加，有利于膠料的成形。

一般柱塞式注射機料筒溫度控制在70～80℃；螺桿式注射機因膠溫較均勻，料筒溫度控制在80～100℃，有的可達115℃。

（2）注射溫度  一般應控制在不產生焦燒的溫度下，盡可能接近模具溫度。

（3）注射壓力  注射壓力是注射時螺桿或柱塞施于膠料單位面積的力，注射壓力大，有利于膠料充模，還使膠料通過噴嘴時的速度提高，剪切摩擦產生的熱量增大，這對充模和加快硫化有利。采用螺桿式注射機時，注射壓力一般為80～110MPa。

（4）模具溫度  在注射成形中，由于膠料在充型前已經具有較高的溫度、充型之后能迅速硫化，表層與內部的溫差小，故模具溫度較壓制成形的高，一般可高出30～50℃。注射天然橡膠時，模具溫度為170～190℃。

（5）成形時間  成形時間是指完成一次成形過程所需時間，它是動作時間與硫化時間之和，由于硫化時間所占比例最大，故縮短硫化時間是提高注射成形效率的重要環節。硫化時間與注射溫度、模具溫度、制品壁厚有關。表5-12是天然橡膠注射成形與壓制成形時間對比表，由表中可以看出注射成形時間較壓制成形時間少得多。

表5-12  天然橡膠注射成形與壓制成形時間對比表