橡胶:使用温度处于高弹态的高分子材料,橡胶具有良好的弹性,其弹性模量仅为10MPa,伸长率可达100%~1000%,同时还具有良好的耐磨性、隔音性、绝缘性等。成为重要的弹性材料、密封材料、减震防震和传动材料。
应用:国防、交通运输、机械制造、医药卫生、农业和日常生活等各个方面。
常用的橡胶有天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶是由天然胶乳经过凝固、干燥、加压等工序制成的片状生胶。合成橡胶主要有丁苯橡胶、顺丁橡胶、聚氨酯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。
成形:将生胶经塑炼和混炼后才能使用。橡胶制品是以生胶为基础加入适量配合剂(硫化剂、硫化促进剂、防老剂、填充剂、软化剂、发泡剂、补强剂、着色剂等),然后再经过硫化成形获得。橡胶制品的成形方法与塑料成形方法相似,主要有压制成形、注射成形和传递成形等。
一、橡胶的压制成形
(一)压制成形工艺流程
橡胶的压制成形是将经过塑炼和混炼预先压延好的橡胶坯料,按一定规格和形状下料后,加入到压制模中,合模后在液压机上按规定的工艺条件进行压制,使胶料在受热受压下以塑性流动充满型腔,经过一定时间完成硫化,再进行脱模、清理毛边,最后检验得到所需制品的方法。
(1)塑炼 在一定的温度下利用机械挤压、辊轧等方法,使生胶分子链断链,使其由强韧的弹性状态转变为柔软、具有可塑性的状态,这种使弹性生胶转变为可塑状态的加工工艺过程称为塑炼。
(2)混炼 为了提高橡胶制品的使用性能,改进橡胶的工艺性能和降低成本,必须在生胶中加入各种配合剂。将各种配合剂混入生胶中,制成质量均匀的混炼胶的工艺过程称为混炼。
(3)制坯 制坯是将混炼胶通过压延或挤压的方法制成所需的坯料,通常是片材,也可为管材或型材。
(4)裁切 在裁切坯料时,坯料质量分数应有超过成品质量分数5%~10%的余量,结构精确的封闭式压制模成形时余量可减小到1%~2%,一定的过量不仅可以保证胶料充满型腔,还可以在成形时排除型内的气体和保持足够压力。裁切可用圆盘刀或冲床按型腔形状剪切。
(5)模压硫化 模压硫化是成形的主要工序,它包括加料、闭模、硫化、脱模和模具清理等步骤,胶料经闭模加热加压后成形,经过硫化使胶料分子交联,成为具有高弹性的橡胶制品。脱模后的橡胶制品经修边和检验合格后即为成品。
(二)压制工艺
橡胶压制成形工艺的关键是控制模压硫化过程。
硫化是指橡胶在一定压力和温度下,坯料结构中的线性分子链之间形成交联,随着交联度的增加,橡胶变硬变韧的过程。
硫化过程的主要参数:硫化温度、压力和时间等。
(1)硫化温度 硫化温度直接影响硫化速度和产品质量。硫化温度高,硫化速度快,生产效率就高。但是硫化温度过高会使橡胶高分子链裂解,从而使橡胶的强度、韧度下降,因此硫化温度不宜过高。橡胶的硫化温度主要取决于橡胶的热稳定性,橡胶的热稳定性愈高则允许的硫化温度也愈高。
(2)硫化时间 硫化时间是和硫化温度密切相关的,在硫化过程中,硫化胶的各项物理、力学性能达到或接近最佳点时,此种硫化程度称为正硫化或最宜硫化。在一定温度下达到正硫化所需的硫化时间称为正硫化时间,一定的硫化温度对应有一定的正硫化时间。当胶料配方和硫化温度一定时,硫化时间决定硫化程度,不同大小和壁厚的橡胶制品通过控制硫化时间来控制硫化程度,通常制品的尺寸越大或越厚,所需硫化的时间越长。
(3)硫化压力 为使胶料能够流动充满型腔,并使胶料中的气体排出,应有足够的硫化压力。通常在100~140℃范围压模时,必须施用20~50MPa的压力,才能保证获得清晰复杂的轮廓。增加压力能提高橡胶的力学性能、延长制品的使用寿命。试验表明,用50MPa压力硫化的轮胎的耐磨性能,较压力在2MPa硫化的轮胎的耐磨性能高出10%~20%。但是,过高的压力会加速分子的降解作用,反而会使橡胶的性能降低。
通常,对硫化压力的选取应根据胶料的配方、可塑性、产品的结构等因素决定。在工艺上应遵循的原则为:制品塑性大,压力小;制品厚、层数多、结构复杂,压力大;薄制品压力低。生产中采用的硫化压力多在3.5~14.7MPa之间,模压一般天然橡胶制品常用压力为4.9~7.84MPa之间。
(三)压制模具
橡胶压制模与一般塑料压塑模结构相同,如图5-27所示。
橡胶模在设计时注意如下问题:
(1)测温孔 为保证橡胶制品的质量,硫化温度的误差应控制在±2℃范围,因此,在压制模型腔附近必须设置测温孔。在压制过程中,利用水银温度计通过测温孔控制温度。测温孔应设置在型腔附近约5~10mm处。
(2)流胶槽 由于在加料时一般有5%~10%的余量,为保证制品精度,在型腔周围设置流胶槽,流胶槽多为R1.5~2mm的半圆形,在流胶槽与型腔之间开设一些小沟,使多余的胶料排出。
二、注射成形工艺条件
注射成型工艺条件主要有料筒温度、注射温度(胶料通过喷嘴后的温度)、注射压力、模具温度和成型时间。
(1)料筒温度 胶料在料筒中加热塑化,在一定温度范围内,提高料筒温度可以使胶料的粘度下降,流动性增加,有利于胶料的成形。
一般柱塞式注射机料筒温度控制在70~80℃;螺杆式注射机因胶温较均匀,料筒温度控制在80~100℃,有的可达115℃。
(2)注射温度 一般应控制在不产生焦烧的温度下,尽可能接近模具温度。
(3)注射压力 注射压力是注射时螺杆或柱塞施于胶料单位面积的力,注射压力大,有利于胶料充模,还使胶料通过喷嘴时的速度提高,剪切摩擦产生的热量增大,这对充模和加快硫化有利。采用螺杆式注射机时,注射压力一般为80~110MPa。
(4)模具温度 在注射成形中,由于胶料在充型前已经具有较高的温度、充型之后能迅速硫化,表层与内部的温差小,故模具温度较压制成形的高,一般可高出30~50℃。注射天然橡胶时,模具温度为170~190℃。
(5)成形时间 成形时间是指完成一次成形过程所需时间,它是动作时间与硫化时间之和,由于硫化时间所占比例最大,故缩短硫化时间是提高注射成形效率的重要环节。硫化时间与注射温度、模具温度、制品壁厚有关。