LSR 之材料特性与成型过程介绍

■型创科技/ 刘文斌 技术总监

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液态硅烷橡胶的特性

液态硅烷橡胶(Liquid Silicone Rubber, LSR) 是种无毒、耐热性、具高回弹性的柔软热固性材料，其流变行为的主要表现为具低黏度、可快速固化、剪切稀化现象以及较高的热膨胀系数值。LSR 是以铂金(Pt, Au)作为催化剂的两液型快速固化材料，可采射出成型加工方式来成型，射出成型方式可达到大量制造、快速交联固化，以及可重复性的稳定生产等加工优点。

 

图1：液体硅橡胶是一种坚固，柔韧的材料，可以很好地保留其记忆力

LSR 塑料的射出产品具备较好的热稳定性、抗寒性与优越的电气绝缘性，燃烧时也不会产生有毒物质。LSR 塑料的应用领域极广，举凡健康用品、汽车、婴儿用品、医疗用具、潜水用品、厨房用具，以及密封性应用产品等，LSR 塑料都是在现阶段生产设计中不可取代的材料。

 

LSR 的成型加工制程

液态硅橡胶LSR 的成型加工只需要三个步骤：「计量混合」、「模塑成型」、「熟化定型」。液态硅橡胶LSR 具优异的流动性，在模具中固化后具有坚固性和柔韧性，使LSR 射出产品可进行非常态的细部结构与倒扣等设计，这是其它射出材料，如塑料或热塑性弹性体等所无法做到的。LSR 通常是以射出机射出成型，其成型设备与热塑性塑料常用的加工设备相似，但对于细部的要求却不全然相同。

图2：交联决定了热固性材料的许多特性，如强度，稳定性和耐热性

LSR 塑料为双液型或双成份组成的液态原材料，分A液成份和B 液成份，市售包装最常使用是20 公斤（约5 加仑）提桶或200 公斤（约55 加仑）圆桶包装。提桶或圆桶组件放置在配有精确随动板的高压泵中，以通过精确的高压控制泵将黏性组分从包装圆桶推出，利用混合装置精确地将A、B 液成份以1:1 比例充分混合。此外，因部分产品为有颜色的设计，所以可加装配有色料的加色泵组及颜色计量装置，将A 液、B 液、添加剂、色料等在静态混合器中充分混合后导入塑化系统。在混合系统中，冷却介质必须确保混合物能保持在受控的冷却温度(10~20℃ ) 下，以抑制交联或固化反应提早发生，冷却状态下的LSR 混合物可保持稳定长达数天。

图3：在某些情况下，LSR 容易闪烁，小至0.005mm 的间隙

LSR 专用的塑化螺杆同时具有均匀化、混合的功能，通过螺杆将混合料射出到成型高温模具中，在模温170 ～ 200℃条件下，触发起始交联反应使硅胶材料发生固化反应成型最终产品。当LSR 模具使用冷流道进料系统时，值得注意的是流道要足够低温且足够冷。此外，为避免漏料或漏胶，针阀装置会安装在模具部件表面，射出完成后，针阀立即将封闭射嘴。

 

图4：LSR 部件位于一对铝制模具的顶部

LSR 的成型加工设备考量

液态硅橡胶射出成型机的关键组成

• 由于LSR 塑料的低黏度特性，在加工过程中要考虑材料的回流和逸漏，因此对射出螺杆的密封要求非常重要。

• 为防止LSR 塑料的感温过早固化，射出机与模具间的隔热设计相当重要，最好是采用针阀式射嘴，当射胶完成后立刻封闭喷嘴。

• A 液、B 液两组成成份的混合、计量装置。

定量供料系统

定量供料系统共有下列几种形式可供选择：

• 双向泵可上下移动送料，能够有较好的稳压效果，藉由A 液、B 液泵间相连接，同步由液压气动机构进行控制，因此此种形式的供料系统可较精确的控制计量且可靠性较高。

• 单向泵是种通用型，只能单项选择送料。

• 带有止逆阀的同步单向泵。

• 计量筒系统主要与单向泵互相配合使用。

图5：LSR 材料于洒水器的应用

模具的设计

在设计考虑上，一般有以下几种形式：

• 热流道形式比较浪费物料，设计简单，成本低，多用于大型件产品。

• 有针阀的冷流道可实现自动化，成型周期短。

• 无针阀的冷流道系统，由于LSR 塑料的膨胀系数较高，加热时会发生膨胀，冷却时却有较微小的收缩，因此成品不能在模具中保持精准的侧边距，所以较建议采用针阀式冷流道系统来进行加工。

• LSR 塑料应保持较低温度和流动性，冷流道采闭合式系统，在射出加工周期中，闭合系统在每一个流道中都采用「封胶针」或「针形阀」来控制LSR 材料的准确计量。

 

由于硅橡胶具显著的受热膨胀特性，收缩率为2 ～ 4％（反应固化温度为150℃），同时硅橡胶具有受压变形的特点。LSR 塑料流动/ 反应固化的分析如下：

• 液态硅橡胶的反应固化化学反应，需要一定的反应时间。

• 理想的流动场( 流长比)，在直径2mm，170cm 长度的流道中，LSR 熔胶的流动距离可超过100cm (L/t >500) 。

• 最小厚度1/1000 mm。

• 模温过高会导致反应交联固化提早，从而引起流动受阻。

• 层流形式可避免产生气泡。

• 高速射出会导致扰流形式流动。

• 物料的黏度会改变流动的模式。

• 湍流或扰流形式容易导致白点。

 

基于上面的分析叙述，在模具的设计上要注意以下几项重点：

• 为避免扰流和喷流，应使用较小的针点或翼状小进浇口。

• 用T 型导向栓代替柱形导向栓，以增加模具定位精度。

• 应加装隔热层或隔热板。

• 不要使用含聚合抑制剂的防锈剂/ 油，一般可用甲苯、二甲苯等擦拭模具。此外，固化的LSR 容易沾黏在金属表面上，应用上最为普遍的脱模技术包括顶针顶出和空气推顶。通过以上信息，可以看到硅橡胶射出成型技术主要解决的问题是在于其混合、计量部分，以及螺杆的密封与模具的设计。

 

图6：LSR 材料的应用范围十分广泛，在许多领域的产品中都能看到其应用

结论

液态硅橡胶(LSR) 的射出成型加工因为是属于较独特的加工技术，所以需要对LSR 材料有基本认识，且在产品设计、模具设计与生产加工上给予适当与正确的设计与规划，能充分理解LSR 射出成型与生产制作流程设计的原则，就可避免出现产品问题，生产高质量、高效率的LSR 产品。LSR 材料的射出成型加工在目前算是一项经济效益还不错的市场，而且产业上对于LSR 产品之需求也有越来越多的趋势，新应用产品也会越来越多，这势必会引导更多成型加工业者投入LSR 的产品生产，也会让液态硅橡胶(LSR) 射出成型加工产业链与市场更加茁壮。■

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