楊吉

(德馬格塑料機械（寧波）有限公司，浙江 寧波 315807)

0 引言

液態(tài)硅膠擁有高的幾何設(shè)計自由，允許大流長比的產(chǎn)品設(shè)計，即使在熔體流動末端也無收縮，能夠精確的復(fù)制模具表面細節(jié)，達至μm 級。近些年來，高透明度的液態(tài)硅膠在高亮度LED 燈上的應(yīng)用也正在得到大力的發(fā)展。同時，液態(tài)硅膠由于其出色耐熱性，耐寒性，電絕緣性，壓縮性和親膚等特性，也被廣泛的運用在光學行業(yè)，醫(yī)療行業(yè)，電子/ 汽車行業(yè)，日常生活用品等方面。

1 液態(tài)硅膠注塑工藝

液態(tài)硅膠加工有許多方式，如注塑成型，擠出成型，澆筑成型等。本文主要介紹液態(tài)硅膠的注射成型工藝。

1.1 液態(tài)硅膠注塑裝備構(gòu)成

液態(tài)硅膠（LSR ：Liquid Silicone Rubber）注塑流程是把A，B 膠通過專用裝置的泵經(jīng)由混煉頭通常按1:1 混合后運送到靜態(tài)混煉器，再輸送到注塑機注射單元中，螺桿將混合后的材料注射到模具型腔里，利用模具加熱促進材料硬化，從而得到一定形狀和強度的制品。LSR 系統(tǒng)的設(shè)備主要包括：LSR 專用注塑機，LSR 供料系統(tǒng)，LSR 模具，模溫機，真空泵，取出設(shè)備如機械手等。整個流程如圖2 所示。

1.2 液態(tài)硅膠注塑成型特點

（1）硅膠成型中，A，B 組分混合后是在模具里加熱使其硫化變硬，為了不使硅膠在進入模具前固化，所以料筒溫度的控制尤其關(guān)鍵，注塑機的料筒與一般的成形機不同，硅膠成型不使用加熱圈，一般采用模溫機水冷的方式來控制料筒溫度在20～30 ℃之間。

（2）通常LSR 的黏度都比較低，注塑過程中容易發(fā)生回流和漏膠，螺桿部位需要密封。普遍做法是在螺桿尾部增加密封環(huán)，避免硅膠從螺桿后端泄露，造成注射不穩(wěn)定。同時由于LSR 為液態(tài)，不需要塑化，受到剪切發(fā)熱會有局部硫化風險，所以LSR 螺桿通常都是無壓縮比的螺桿，而且長徑比較普通熱塑性螺桿要短。

（3）液態(tài)硅膠在注射，保壓結(jié)束后，噴嘴后退，防止模具溫度傳遞到噴嘴處使得LSR 提前固化，一般采用氣動或液壓自鎖噴嘴或者彈簧復(fù)位形式，保壓結(jié)束后馬上關(guān)閉噴嘴，防止LSR 從噴嘴處流出。圖3 介紹了一種主動關(guān)閉式的螺桿頭結(jié)構(gòu)，該主動式控制是在預(yù)塑后，注射前通過螺桿反向旋轉(zhuǎn)，使得在注射前完全封閉樹脂的流動路徑，注射時不會發(fā)生回流現(xiàn)象，即使在注射量很小的情況下，也能實現(xiàn)精密穩(wěn)定的成型。該結(jié)構(gòu)對注塑機有較高的要求，通常液壓機很難有反轉(zhuǎn)螺桿這個動作，相比較而言，全電機更容易實現(xiàn)此動作。

圖3 主動式關(guān)閉螺桿頭

（4）LSR 必須加熱促進硬化，模仁表面溫度在170～220 ℃之間，一般是通過電熱棒加熱或油溫加熱，盡量保證溫度分布均勻。據(jù)筆者經(jīng)驗，一般小型模具采用電加熱棒的方式，較大型模具采用油溫控制的方式，或者可以使用高壓的水溫機。同時，制品外的模板及冷流道系統(tǒng)溫度在20～40 ℃，這就造成了極大的溫差，所以模仁和流道的板塊之間必須設(shè)計有隔熱板，以便很好的隔絕熱量，防止LSR 進入型腔前部分硫化，影響產(chǎn)品。

（5）LSR 的黏度很低，在注射過程中如果空氣不能被完全排出型腔外，就會造成短射或燒焦或者摻雜在制品中，導(dǎo)致制品周圍出現(xiàn)白邊，氣泡等。解決辦法是在每個生產(chǎn)周期中，將模具內(nèi)的空氣抽空，在合模到動模芯接觸到O 型圈位置時暫停，真空泵工作，當真空度達到設(shè)定值時，繼續(xù)合模，然后注射，因此注塑機上需要帶真空泵及控制回路。有的注塑機可以實現(xiàn)多段合模力，即剛開始使用較低鎖模力，待液態(tài)硅膠注射至產(chǎn)品95% 左右時，再提高到正常的鎖模力，這樣有利于排氣，又不至于產(chǎn)生飛邊，這無疑對成型是有幫助的。

（6）硬化后的LSR 制品很容易黏附在金屬模仁表面，加上制品的柔韌性使得脫模比較困難，這個問題也成了LSR 模具設(shè)計一個重要難題，目前LSR 脫模方式有頂針頂出，空氣頂出，刷子脫模，脫模系統(tǒng)如機械手等。其中刷子脫模較常用的刷子材料是尼龍和鋁合金，非常扁平的制品或醫(yī)療制品，通常選鋁合金刷頭。總的來說，刷子的選擇很大程度上取決于制品的形狀，材料，尺寸等。而且刷子總是在一個固定的位置對制品進行脫模操作，這就對模具的位置有較高要求，體現(xiàn)在注塑機上就是開模重復(fù)精度要高。

第二類：困境家庭兒童。困境家庭兒童則分為父母重度殘疾或重病的兒童、父母長期服刑在押或強制戒毒的兒童、父母一方死亡另一方因其他情況無法履行撫養(yǎng)義務(wù)和監(jiān)護職責的兒童、貧困家庭的兒童和受到忽視和虐待的兒童。

（7） 為了實現(xiàn)某些LSR 產(chǎn)品的生理無害性，有時需要對這些制品進行回火處理。制品在200 ℃的烤箱中回火4 h，提取揮發(fā)性單體/ 低分子顆粒。替代品是那些有低含量有機硅預(yù)制品的新材料，這使得固化得以完全進行，只產(chǎn)生少量的單體，為了達到FDA/BFR的要求，揮發(fā)性顆粒的數(shù)量需要在200 ℃/4 h 后低于0.5%。

（8）當生產(chǎn)LSR 制品的系統(tǒng)停機一周以上時，要用單獨的A 膠或B 膠過一遍管道和料筒，否則一旦料筒或管道里的AB 混合膠硫化，就只能拆螺桿料筒來清理，極為繁瑣。

2 液態(tài)硅膠模具特點

2.1 模具結(jié)構(gòu)

液體硅膠產(chǎn)品的注塑模具區(qū)別于普通的固體橡膠模具，也跟通常的熱塑性注塑模具有所不同。作為一種熱固性材料，它既有注塑模具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，又具有橡膠模具的加工精密性。圖4 介紹了一種液態(tài)硅膠模具的結(jié)構(gòu)，由加熱板，型腔板，冷流道系統(tǒng)，隔熱板，快速接合系統(tǒng)等組成。

圖4 LSR 模具結(jié)構(gòu)（圖片來自Elmet GmbH）

2.2 模具澆口及流道設(shè)計

液態(tài)硅膠模具澆口的設(shè)計一般有三種方式（如圖5 所示），開放式澆口優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)比較簡單，自平衡式冷流道，缺點是澆口附近表面質(zhì)量相對較差，澆口會有料殘留到下一模的產(chǎn)品上，開放式澆口系統(tǒng)通常會和注塑機上的自鎖噴嘴搭配使用。膜狀澆口除了上述的兩個優(yōu)點外，還優(yōu)化了澆口附近的表面質(zhì)量，缺點是澆口處會產(chǎn)生廢料。針閥式澆口系統(tǒng)可單獨調(diào)整澆口打開和關(guān)閉，澆口表面質(zhì)量也好，但是價格比較昂貴。

圖5 LSR 模具澆口設(shè)計（圖片來自Elmet GmbH）

熱塑性材料和LSR 都可以使用無流道模具設(shè)計，但在設(shè)計上有明顯的不同。熱塑性材料通常需要熱流道來保持樹脂在每次注射時的熔體溫度一致。LSR 正好相反，它需要一個冷流道，以防止液態(tài)硅膠在注射到加熱型腔之前硫化。

2.3 模具加工精度

熱塑性和LSR 模具都有相當復(fù)雜的幾何形狀。它們的主要區(qū)別是LSR 模具對分型面和鑲塊的配合精度要求更高。普通熱塑性材料可能使用5 絲左右的間隙配合也不產(chǎn)生毛邊。而相同的間距會讓很多LSR 材料產(chǎn)生毛邊，一般的LSR 模具分型面加工精度需要在3～5 μm 左右，排氣槽的深度一般在2～5 μm 左右。

2.4 收縮

注射成型過程中，在模內(nèi)時候液態(tài)硅膠幾乎是沒有收縮的， 但由于硅膠有相對高的熱膨脹系數(shù)，所以在脫模、冷卻后往往會有2.5%～3% 的收縮，具體的收縮率取決于材料配方。不過，從工藝角度看，收縮率可能受到幾個方面的影響，包括模具的溫度、制品脫模時的溫度，以及型腔壓力等，而且沿著注射流動方向的收縮率往往比大于垂直流動方向的收縮率。從模具設(shè)計的觀點來看， 設(shè)計人員應(yīng)該預(yù)先對影響收縮的相關(guān)因素有所考量。

3 液態(tài)硅膠注塑機的配置

除了前文提到過的水冷料筒，無壓縮比螺桿，螺桿后端密封，自鎖噴嘴，真空泵及其控制回路意外，LSR 注塑機還應(yīng)有以下的配置：

（1）與外部LSR 供料系統(tǒng)的電氣機械接口。注塑機注射單元需要與外部的LSR 供料機連接并有信號交互。

（2）集成的的加熱控制單元。方便在注塑機上調(diào)節(jié)加熱溫度，此為推薦配置，若模具自帶溫控器也可。

（3）模具針閥式氣動噴嘴控制。此為有流道設(shè)計的模具使用。

4 液態(tài)硅膠注塑工藝應(yīng)用

4.1 優(yōu)勢及應(yīng)用

液態(tài)硅膠由于其很多方面出色的性能，被應(yīng)用到多個領(lǐng)域當中。

（1）嬰兒及兒童用品。由于硅膠觸感柔軟，對人體親和且無過敏性，被廣泛用在兒童玩具，嬰兒奶嘴等方面。

（2）醫(yī)療制品。由于其惰性，柔韌，耐溫，滅菌性能，在醫(yī)療面罩，醫(yī)療植入，吸入器，密封件方面得到普遍推廣。由于醫(yī)療領(lǐng)域產(chǎn)品利潤率相對較高，所以液態(tài)LSR 的應(yīng)用有非常寬廣的前景。

（3）電子產(chǎn)品及汽車行業(yè)。得益于硅膠耐高溫，獨特的化學結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的電絕緣性能，耐壓縮性能，在鍵盤，連接器密封件，減震器方面應(yīng)用很廣。目前汽車行業(yè)使用的液態(tài)硅膠占了總的使用量的1/3 左右，是最大的領(lǐng)域，如車燈透鏡，汽車插頭連接器等。

（4）光學行業(yè)。硅膠優(yōu)異的透明性，均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無應(yīng)力，抗紫外線等特性，在透鏡，導(dǎo)光板，太陽能電池板等方面正在受到越來越多的關(guān)注。

4.2 硅膠的不足

（1）LSR 一旦硫化成型，就不能再次成型，無法回收，成型時間較長，成本較高。

（2）制品會吸附灰塵，容易泛黃，耐酸堿性能較差，

（3）硅膠制品與尖、銳東西碰撞容易損傷。

5 結(jié)束語

國外液態(tài)硅膠的生產(chǎn)應(yīng)用于上世紀80 年代就已經(jīng)開始，數(shù)十年的發(fā)展不斷拓寬著應(yīng)用領(lǐng)域，我國進入這個領(lǐng)域相對較晚，但在一代代拓荒者的不懈努力下，應(yīng)用領(lǐng)域由少轉(zhuǎn)向多，由基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為應(yīng)用研發(fā)。千淘萬漉雖辛苦, 吹盡狂沙始到金，液體硅膠行業(yè)雖然困難重重，荊棘遍地，但對于未來我們滿懷憧憬，相信我國的的液態(tài)硅膠技術(shù)會再上一個暫新的臺階。