橡胶的硫化与成型技术6王作龄

王作龄 . 橡胶的硫化与成型技术 ( 六)
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P1 : 机筒内单位流动长度的压力损失 I P2 : 细管内单位流动长度的压力损失 I P c1 = P 1 - P 2 : 流动端压力损失 P c2 : 流动端压力损失 ( 残余 ) P ends= P o1 - P o 2
图 4- 8 胶料在毛细 管流变仪细管内的流动 状态 ( 变更尖端口型的直径 )
图 4- 1 平板硫化模具的结构与模具设计的要点 表 4- 1
项 模具温度 , C 模腔内压力 , MPa 橡胶收缩率 , % 热膨胀系数 橡 胶 1~ 3 5~ 10 1~ 1. 2 10- 4 10- 4 10- 5
橡胶模具硫化时所设定的诸条件பைடு நூலகம்
目 条 件
150~ 200 0. 1~ 210 0. 4~ 4. 0
具有以下特征: 由于胶料在模具内硫化 ( 交联 ) , 导致焦 烧在逐步发展; 模具内的压力随着硫化起步而提高 , 其 原因可认为是分型面上的胶料进行 着早期硫 化, 通过 堆砌效应 , 使模具内胶料 的热膨胀 所 致。模具内压力提高 , 对于除去模腔内胶料中 的气孔和改善制品外观有一定作用 , 但容易发 生开模缩裂现象 ; 硫化时, 硫化剂分解产生的气体、 水分和 挥发分成为产生空隙和气泡的原因 ; 模具内的主流道( sprue) 、 分流道 ( runner) 和注胶口等流道直径变化处产生了压力损失。 此外 , 胶料的流动性对温度的相关性较小。 上述胶料在模具内的行为是橡胶和热固性 树脂的特征 , 对橡胶模 具设计具有 重要意义。 因此 , 必须在充分掌握这些行为的基础上, 进行 模具设计和橡胶配方设计。 4. 2 模具内胶料的流动与硫化行为 4. 2. 1 模具结构与标准模压硫化条件 为研究胶料在模具内的流动和硫化行为 , 就必须掌握影响模具结构的基本因素 , 以及标
第4章
模具内胶料流动和硫化 行为及其模具设计
准的硫化压力、 硫化温度、 橡胶的剪切速率、 橡 胶的收缩率、 模具材料的热膨胀系数等参数的 意义。影响平板硫化模具标准结构和模具性能 的要点如图 4- 1 所示。橡胶模具实际硫化时 所设定的诸条件如表 4- 1 所示。
4. 1
前 言 胶料在模具内的各种行为与塑料不同 , 它
模内胶料压力
LDPE( 低密度聚乙烯 ) 在扩大的流道内的流动 状态。由 图可观察 到, LDPE 一边 附着 在管壁 上 , 一边流动 , 而 NBR 则一边在管壁上滑动 , 一 边飞快流动的现象。 如注射成型硫化那样, 负载的压力大时, 所 表现出来的流动特性与平板硫化不同, 这一点 是可以理解的。对此, 胶料在设有注胶口和流 道的注射成型硫化模具中, 最难流动的地方是 如何流动的呢? 对此 , Sombatoonpop 用 NR 配合 胶料进行过详细的研究。为了研究胶料在毛细 管内的流动 , 使用了毛细管流变仪。由柱塞一
! ∀ 用金型技术 一书 。 全书共分 10 章 : 模具工业动向 、 橡胶 与弹性体 、 橡胶与 弹性体的 硫化 方法及其进步 、 模具内胶料流动和硫化行为与模 具设计的关系 、 配炼与配方设计 、 模具设计 、 橡胶制 品模 具、 模具制作 、 脱模与防止污染 、 硫化事故与对策 。 关键词 : 橡胶 ; 硫化 ; 成型 ; 模具设计 ; 制作 中图分类号: TQ 330. 4, TQ 330. 6,TQ 333, TQ 334 文献标识码 : E 文章编号 : 1671 8232( 2006) 11 0048 05
速率进行测定时 , 在某一剪切速率范围内该压 力损失与剪切速率无相关性, 存在着显于定值 的区域 ( 图 4- 10) 。可认为, 在该区域胶 料与 管壁表面之间产生了适当的滑动, 显示出清晰 的活塞流动, 挤出的橡胶表面光滑洁净 , 挤出膨 胀小 , 与显示出良好成型加工性的成型加工条 件相当。 减小注射成型硫化模具内注胶口和流道的 直径 , 增加模腔数量对降低压力损失是有效的。 压力损失与橡胶材料的设计有关, 对此 , 要注意 以下几点 : 降低可塑度 , 使其表现出近似于塑 填充剂和补强剂用量过多, 压 性流动的性能;
1 模腔填充率 1. 15% ; 2 模膜填充率 1. 05%
4. 2. 3 注射成型硫化模具内流道中胶料的流 动性能和硫化性能 注射成型模具内, 胶料的流动性能与压模 内胶料的流动性能相比 , 其压力高两倍, 剪切速 率提高几千倍, 胶料的流动更具动态性质。 图 4- 6 为橡胶注射成型时 , 将胶料从模具 注胶口注射到模腔中的状况。由图可知, 由注
图 4- 10 乙丙橡胶挤 出压 力损失 与剪 切速率 的关 系 及其最佳成型加工区域 ( A 区域 )
通过位于 C 、 D 位置的两个浇口 ( 厚度2. 5 mm) , 以流量1. 0 cc s 的速度 , 注射到半径为 50 mm 的 1 4 圆周形状 的模腔内, 推断模腔内的 压力变 化、 温度上升和硫化速度的变化。如上所述, 此 时的压力是胶料流动时胶流前锋的压力变化 , 而不是研究平板硫化模具模腔内胶料硫化时的 压力上升曲线。硫化时因膨胀引起的压力变化
图 4- 4 平板机压力与施于模腔内胶料的 压力之间的关系
1 模腔填充率 1. 15% ; 2 模腔填充率 1. 05%
图 4- 5 为平板机压力与模腔内胶料的应 力和施加于合模面上的压力之间的关系。由图 可见, 模腔填充率为1. 05% 时, 模腔内的胶料无 压力负担 , 只在 P L 面上有负载压力。模腔的
填充剂 钢 铝 材 材
2. 2 10- 5
模具内剪切速率 , m s 平板机硫化 注射成型硫化 1~ 10 1000~ 5000
编译者简介 : 王作龄 ( 1938 ) , 男 , 山东青 岛人 , 高 级工程 师 , 长 期从事橡胶科技情报研究、 日文科技文献翻译及审定工作。
4. 2. 2
压模内胶料的流动与硫化行为
第 33 卷第 11 期 2006 年 11 月
世界橡胶工业 World Rubber Industry
Vol. 33 No. 11: 48~ 52 Nov. 2006
橡胶的硫化与成型技术( 六)
王作龄
摘要 :
编译
该书系编译自由日本橡胶 协会模具分会编写 、 日本工业调查会于 2004 年 11 月出版的
图 4- 3
1
NBR 胶料硫化时模腔内发 生的压力行为
N BR 胶料 A ; 模腔填充率 1. 2% ; 2 NBR 胶料 B; 模腔填充率 1. 05%
胶口注出的胶料, 最初经由注胶口接触到对面 壁上, 以折叠的形状是从模腔的尖端开始进行 填充。该折叠现象与产生的流痕有关系, 也和 与流向呈垂直方向的强度降低有关系。
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世
表 4- 2
界
橡
胶
工
业
2006
压模内胶料的流动行为和硫化行为
胶料在模具内的行为 边软化流动 , 边流向合模线。 由平板机加热 , 从外部逐渐向内部进行硫化。
主要因素 胶料的流动 硫化进行方向
1. 胶料在硫化进行方向上一边产生气孔 , 一边向内部推进 , 继之 , 沿合模线排出。 2. 此时 , 重要的是胶料的焦烧时间。焦烧时间过短 , 在合模面 与模腔的界面上 的薄层橡胶开 始硫化 , 由 卷入空气和硫化时 产生的分解气体 于堆砌效应 , 气体不能从内部溢出 , 从而容易变成气孔。 3. 为除去模内以卷入空气为主的硫化初期的气体 , 设定最初预热时间和排气时间内 , 胶料不焦烧的硫化 速度很重要。 4. 从硫化中期到后期所产生的以硫化剂的分解气体为主的 气体 , 有望随着之 后硫化进行的 同时压力增 高 , 沿合模线排出。 随着硫化起步 , 合模面因堆砌效应而阻止胶料流到外部。因此 , 内部的胶料由热膨胀而出现模内压力增 高现象。该压力增高现象有助于制得外观质量好且致密的橡胶制品。
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是由热膨胀率产生的压力 , 需要由其它模拟软 件解析。
同的 SBR 胶料 , 研究了图 4- 13 所示的哑铃状 试样注射时胶流前锋产生压力的行为。
图 4- 11
Isayev 氏的流动解析模具
对该胶流前锋压力变化的解析结果如图 4 - 12 所示。此时 , 由于模具较 小, 胶流前 锋压 力出现随时间延长而急剧上升的趋势。使用相
图 4- 6 橡胶注射成型时从注胶口注射到 模腔中的流动特性
边将有色胶料混入白色胶料中, 一边进行注射 , 硫化后取出橡胶 , 观察其截面, 研究胶料的流动 状况。
图 4 - 7 为 模 具 温 度 185 C 时 , NBR 和
图 4- 7
NBR 与 LDPE 的注射流动行为之比较
图 4- 8 是以 100 mm S 的速度, 将 NR 配合 胶料注射到细管内, 从直径大的部分注射到直 径小的部分时的状态 , 亦即, 在细管尖端安装小 径口型时的流动状态。由图可见, 细管内部表 现出对比鲜明的两种绮丽的流动。据此可以容 易地推断细管内胶料的流动, 如同上文所指出 的那种 , 在壁之间边滑动边移动。根据最近对
充满模具的胶 料在由平 板机施加 的压力
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下, 进行着如图 4- 2 所示的流动和硫化过程。 胶料在压缩力的作用下进行着挤压流动, 流向 合模面和模腔的合模线。硫化过程是从外部加 热的, 所以硫 化由外向 内进行。如图 4- 2 所 示, 模芯为金属圆棒时, 由该圆棒传热也可从内 部逐渐进行硫化。此时, 胶料所含的水分、 挥发 分, 因热的作用而挥发掉 , 由硫化剂分解的气体 在硫化的同时, 在模具内部漂移, 最终也是从模 具的合模面处溢出。
图 4- 12 流道和模腔内胶流前锋的压力变化
图 4- 13 注射成型哑铃状试样 的形状
图 4- 2 压模内胶 料的流动和硫化行为
再者 , 最好是随着硫化的进行 , 观察压力上 升行为。图 4- 3~ 4- 5 为丁腈橡胶模压硫化 时模腔内压力上升行为和混炼胶的硫化性能。 由图 4- 3 可知 , 模内压力从胶料起硫时就开始 上升, 在硫化饱和时达到平衡。由于堆砌效应 的缘故, 合模面上早期硫化的薄层橡胶 , 封住了 模腔内部的胶料 , 模腔内失去流动场所的胶料 因热膨胀 , 使模内压力上升。图 4- 4 为平板机 压力与模腔内载荷应力之间的关系。模腔填充 率为1. 05% 时, 即使提高平板机压力, 施于胶料 上的 应 力 也 几 乎不 变。但 当 模 腔 填 充 率 为 1. 15% 时 , 模腔内压随着平板机压力提高而增 加。
图 4- 9
P= P1 L o+ I L R P2 L+ I P ends
P ends = P - 2
细管内的压力与测定中使用的 Bagley 标图
力损失会增大; 通过使用软化剂或增塑剂, 降 低压力损失; 增粘剂会引起压力损失增大等。 此外 , 减小与流道壁摩擦的配方设计, 内壁的平 滑性和滑移性对降低压力损失也有影响。 关于注射成型时 , 模具内胶料的流动性和 压力的变化, 研究得并不多。注射成型模具硫 化时的压力变化 , 可认为基本上与压模相同, 所 以, 在此还对胶料在高压下通过喷嘴、 主流道、 分流道和浇口 , 边注射边进入模腔时胶流前锋 的压力变化进行了研究。 流动解析使用 SBR 胶料和图 4- 11 所示的 模具。 胶料由 喷嘴 A 通过流道 B 、 C、 D, 而后 再
填充率变为 1. 15% 时, 胶料和合模面双方均有 负载压力。但是 , 当进一步增加平板机压力时 , 只有合模面单方面压力增大。上述有关压模内 胶料的流动行为和硫化行为经 整理, 列入表 4 - 2。
图 4- 5
施予模具内胶料的压力和施予模具 P L 面的 应力与模腔填充率的关系
胶料负载的压力 FPS ; 合模面的负载压力 FPF;
胶料流动时引起的压力损失的研究结果 , 可以 推断这种流动状态。 胶料在细管中流动, 于不同内径的流道内 流动时, 压力急剧降低的现象被称为压力损失 ( 图 4- 9) 。据推断 , 这种压力损失是由于胶料 与管壁表面之间的摩擦或者胶料自身, 因弹性 损失的生热引起的能量损失所致。当变更剪切
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