橡胶成形技术

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橡胶成形技术

    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。橡胶压制成形的工艺流程如图5-26所示。

（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。表5-11是常见胶料的最适宜硫化温度。

表5-11  常见胶料的最宜硫化温度（℃）

（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。

图5-27橡胶压制模
1－定位销　　2－压制模　　3－住塞　　4－流胶槽

二、橡胶注射成形

（一）橡胶注射成形工艺过程

    橡胶注射成形的工艺过程：预热塑化、注射、保压、硫化、脱模和修边等工序。将混炼好的胶料通过加料装置加入料筒中加热塑化，塑化后的胶料在柱塞或螺杆的推动下，经过喷嘴射入到闭合的模具中，模具在规定的温度下加热，使胶料硫化成形。

    在注射成型过程中，由于胶料在充型前一直处于运动状态受热，因此各部分的温度较压制成形时均匀，且橡胶制品在高温模具中短时即能完成硫化，制品的表面和内部的温差小，硫化质量较均匀。注射成型的橡胶制品具有质量较好、精度较高、而且生产效率较高的工艺特点。

（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。表5-12是天然橡胶注射成形与压制成形时间对比表，由表中可以看出注射成形时间较压制成形时间少得多。

表5-12  天然橡胶注射成形与压制成形时间对比表