硅橡胶模具的现状及前景

硅橡胶模具的现状及前景

许文凯1143041173

硅橡胶(港台地区称为砂胶)是一种用途十分广泛的模具专用材料。硅橡胶具有其他任何一种模具材料不能比拟的优良性能和广泛用途( 1) 硅橡胶具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率。( 2) 模具制作方法简单易行, 可以在常温下固化。硅橡胶模具具有很好的弹性, 对凸凹部分浇注成型后, 也可直接取出。( 3) 硅橡胶模具能经受重复使用, 保持制件原型, 可小批量生产产品, 模具修改也很方便。( 4) 模具中还可以加入金属镶件等零件, 制件成品还可以进行电镀和喷漆处理。

（5）不用任何脱模剂(聚醋树脂类制品可上千次顺利制模);4耐高温及各类酸、碱物质。因此,硅橡胶在装饰建材、工艺美术、精密铸造，玻璃钢行业、石膏水泥制品以及水暖密封、聚氨脂硬发泡装饰品等凡需使用模具的行业都可以用硅橡胶制作模具。硅橡胶模具的特点

目前,制模用的硅橡胶是双组分的液体硅橡胶,分为缩合型和加成型两类.缩合型模具硅橡胶的主要组分包括:端基和部分侧基为羟基的聚硅氧烷(生胶) 、填料、交联剂和硫化促进剂.

加成型模具硅橡胶的主要组分包括:端基和部分侧基为乙烯基的聚硅氧烷(生胶) 、含氢硅油(交联剂) 、铂触媒(催化剂) 、白炭黑(填料) .目前,这两种模具硅橡胶材料已在国内外许多行业获得了广泛应用. 一般来说,缩合型模具硅橡胶的撕裂强度较低,在模具制造与使用过程中易被撕破,因此很难适用于花纹深且形状复杂的模具. 在用缩合型模具胶制造厚模具的过程中,由于缩合交联过程中产生的乙醇等低分子物质难于完全排出,致使模具在受热时硅橡胶降解老化而显著影响其使用寿命;同时由于乙醇等低分子物质的排出致使硫化胶的体积收缩. 因此,缩合型模具硅橡胶大多用作塑料与人造革生产中的高频压花模具或用于一些尺寸要求不精密的工艺品制造[8～12].由于采用加成硫化体系,加成型模具硅橡胶在硫化时不产生低分子化合物,因而具有极低的线收缩率,胶料可以深部固化,而且物理性能、力学性能和耐热老化性能优异,成为了模具胶中正在大力发展的品种. 加成型模具硅橡胶适用于制造精密模具和铸造模具,而且模具制造工艺简单,不损伤原型,仿真性好[8～12].

缩合型与加成型模具硅橡胶的具体比较列于表

表2.表 1

硅橡胶模具的传统制造方法与步骤（可参考崔怡）

硅橡胶模具的传统制造方法与步骤简述如下[1 ,2 ,6～8]:

(1)按照用户要求设计硫化母模,即原型的图纸.

(2)根据图纸要求制作原型.

(3)制作模框,并固定原型.

(4)将液体硅橡胶两个组分按一定比例计量、混合、脱泡后,进行浇注. 浇注完毕,还需脱泡.

(5)对于缩合型硅橡胶,在室温下硫化24 h(25 ℃)或更长时间(低于25 ℃) ;对于加成型硅橡胶,既可在室温下硫化24 h(25 ℃)或更长时间(低于25 ℃) ,也可以在60 ℃的烘箱中硫化2 h 左右.

(6)在上述一段硫化后,拆取模框,刀剖分型.

(7)再将硅橡胶模具置于恒温箱内,使其与原型相接触的模面向上,根据不同的模具厚度,在

50～60 ℃的通风环境中“熟化”,即二段硫化2～5 h.

原型设计与制造环节的局限性

由于硅橡胶模具技术是利用原型作为样模而制造模具的,因而原型的设计和制造是重要的环节. 原型的形状、尺寸和表面粗糙度等将直接影响硅橡胶模具的制造质量. 可以说,设计并制造不出理想的原第型就不可能获得理想的硅橡胶模具.传统的原型设计一般不考虑制造因素的约束.为了满足硅橡胶模具的精度要求,采用经验数据对原型的尺寸进行补偿,而不是建立在科学分析的基础上,从而导致模具设计的一次成功率较低.传统的原型制造所用的原材料非常有限:若手工加工原型,其原材料常用木材、粘土等易于加工成型的非金属材料;若机械加工原型,其原材料常用易于加工的低熔点合金. 而且,原型的制造工艺与其几何形状直接相关,曲面越复杂,加工难度越大. 因此,机械加工原型存在生产周期长、成本高的缺点,手工加工原型存在生产周期长、精度低、互换性差的缺点.显然,这种原型的设计和制造模式不能满足当前激烈竞争的制造业需求.

硅橡胶硫化环节的局限性

硫化是硅橡胶模具制造的主要过程之一,也是最后一个加工工序. 在这个工序中,硅橡胶要经历一系列复杂的化学变化,由液体胶变为高弹性体,从而获得更完善的物理性能、力学性能和化学性能. 因此,硫化对于硅橡胶模具的制造和应用具有十分重要的意义.模具硅橡胶的硫化工艺条件包含温度和时间,这些因素对胶料的硫化质量有非常重要的影响,可

称为硫化二要素.

由表1 所示的硫化机理可知,缩合型硅橡胶在硫化过程中必然生成乙醇或水或氢气等低分子副产物,故其硫化过程通常分为一段硫化与二段硫化两个阶段. 如上所述,内含原型的室温下的硫化是一段硫化,又称定型硫化. 在这段硫化过程中,为了防止低分子副产物汽化膨胀而在模具内部或与原型的接触面上形成气泡、孔洞等缺陷,硫化须在室温下进行;为了使硅橡胶模具的形状在开模取出原型的过程中不发生塑性改变,硫化时间必须足够长. 低分子副产物对硅橡胶模具有不良影响,在一段硫化后,还需在较高温度下进行二段硫化,以充分去除残留在模具内的小分子副产物,从而显著改善模具的压缩永久变形性、稳定其物理力学性能、提高耐热性[1 ,2 ,6 ,8 ,12].

低分子副产物在二段硫化过程中的去除遵循扩散机理. 由分子运动动力学原理可知,提高硫化温度可加速其扩散过程,往烘箱中鼓入足够量的新鲜空气也可加速其扩散过程. 但在传统的硅橡胶模具技术中,对于一个具体形状与尺寸的硅橡胶模具,其二段硫化的温度、时间、新鲜空气的鼓入速度的具体数值完全靠经验确定. 显然,这不符合当代制造业精益生产的要

求.加成型硅橡胶在硫化过程中无低分子副产物生成,故其硫化过程既可一次完成,又可分

为两个阶段而逐步完成. 传统的加成型硅橡胶模具制造技术普遍采用两段硫化法. 显然,基于经验数据的两段硫化法有利于提高整个硅橡胶模具的硫化程度的均匀性,从而保证模具

的物理力学性能,改善其压缩永久变形性和尺寸稳定性,延长其使用寿命[7 ,8 ,12]. 但

是,与一次硫化成型法相比,两段硫化法增加了一道生产工序,增大了能耗和设备使用率,从而提高了生产成本、延长了生产周期. 若采用一次硫化成型法,并要求硅橡胶模具内的每处胶料都达到正硫化状态而又不发生过硫缺陷,则传统的经验模式难以胜任.

研究展望

为了大大缩短模型和原型的开发周期,制造业已开始应用快速成形技术制造复杂形状的模

型与部件原型. 在过去短短的十几年中,出现了多种快速成形技术. 这些快速成形技术能够根据CAD 数据模型直接生成物理实体,其共同特征是通过添加材料而不是去除材料来生

成一个原型零件,从而使原型的生产成本降为传统方法的1/ 3～1/ 4 ,生产周期降为传统方

法的1/ 4～1/ 5[13～15]. 因此,以快速原型作为硫化母模是硅橡胶模具技术的发展趋势之一.并行设计技术的主要思想是在产品的早期设计阶段就考虑制造因素的约束,并及时提供给设计人员,作为设计、修改方案的基本依据,在满足功能要求的前提下,使产品能够快速地、经济地制造,提高产品设计、制造的一次成功率,达到降低产品成本、缩短产品开发周期的目的[16]. 因此,应用并行设计技术开展基于快速原型的硅橡胶模具的计算机辅助

设计研究将是硅橡胶模具技术的发展趋势之一.橡胶热硫化成型CAE 技术有助于指导胶料配方设计、提高制品质量、优化硫化工艺条件[17～19].因此,开展模具硅橡胶材料热硫化成型过程的数值模拟,进而采用正向模拟方法来控制硅橡胶材料的化学结构、定量预测硅橡胶模具的物理力学性能,或者采用反向模拟方法来优化硫化工艺条件、设计高聚物材料的配方等,也将是硅橡胶模具技术的发展趋势之一.

由于模具硅橡胶有许多优良性能,其应用范围十分广泛。在工艺美术行业,可用于高分子树脂类工艺美术品的生产,如安微省阜阳白天鹅旅游工艺厂生产的各种仿金银、仿玉石玛瑙、仿红木雕漆、仿象牙等圆雕及浮雕工艺壁挂、工艺钟、灯具、仿石家具、壁画及文物复制等产品都是采用硅橡胶模具生产制作。在其他工艺美术行业如石膏、泥塑、菱镁制品、低温金属仿古文物、脱胎漆等,凡是需用模具生产的产品,都可以利用模具硅橡胶制作。高频压花制革是硅橡胶软模具应用的又一领域,这种方法国内外非常盛行。它是用硅橡胶直接在设计的原型_匕肠」成工作模具,再以各种塑料的粉材、人造革或板材置于模上,在高频压花机上施以一定压力,并用高频电场使塑料加热成型。这种模具的制造工艺简