1、橡胶在模具内的流动、硫化行为及其模具设计模具会对橡胶性能和橡胶制品的成本产生影响。一般，胶料在模腔内具有特有的流动性 和硫化行为，因此，橡胶制品的模具设计比塑料的困难。文中就模具内橡胶的流动、硫 化行为与模具的设计作了详细的介绍。关键词: 模腔; 模具 ; 硫化 中图分类号: TQ 330 4+1文献标识码: B 文章编号: 1671-8232( 2011) 08-0028-080 前 言用模具进行硫化是橡胶在模压成型和注射成型加工中经常使用的最重要的一种硫化方式。模具的好坏，对于橡胶制品的质量和生产成本等有很大的影响。和塑料用模具相比，橡胶用模具的设计稍微复杂一些，这是由于橡胶特有的流动性和
2、硫化行为所致。橡胶模具设计的基本思路和塑料模具几乎是一样的，但是，首先还是应该很好地了解橡胶的特征后再进行设计。 1 胶料在模具内的流动和硫化行为高分子材料基本上显示出非牛顿流体的特征，其黏性和剪切速率以及温度的关系如下式所示。 = / n ( 1) = Aexp( B / T) n 1 ( 2)式中: 黏度( Pas) ，应力( Pa) ，剪切速率( s 1) ，n幂指数，A，B常数，T温度( K) 。为了说明橡胶的流动、硫化行为，成型加工性以及和塑料相比时的流动性、成型加工性等性能，将它们汇总于表 1。由表 1 可知，橡胶的黏度与温度的相关性较小，成型加工温度要比塑料的成型加工温度( 10
3、0 290) 低，仅为60 140 。剪切速率与其他因素的相关性在不同的胶料和配方中没有多大的变化，幂指数为 0 3。 橡胶的最大特征之一就是其流过细管时的压力损失比塑料的大。压力损失是由于橡胶和细管内壁摩擦产生的热和橡胶本身弹性损失系数所产生的热所引起的。应力缓和是一项与未硫化胶强度有关的特性，同时也与未硫化胶在模腔内的停留时间有关。如果设定适当的值，延长在模腔内的停留时间，由于不是很快地从卸模面( PL) 上流出，所以能够制成致密的硫化橡胶。反之，如果应力缓和过大，则弹性过强，胶料难以流动，所以，设定适当的值是非常重要的。图 1，2，3 分别示出了橡胶黏度和剪切速率的相关性，橡胶注射成型中
4、的压力损失，以及由配备了应力缓和机械装置的门尼可塑度仪测定的应力缓和曲线和应力缓和系数。图 1 列示了黏度与剪切速率的相关性，其特征是不受橡胶的种类和配方因素的影响，幂指数值大体为 0 3 这一定值。 图 2 中所示的压力损失以前基本上不作为评价橡胶成型加工性的指标使用，但日本橡胶协会成型加工技术研究分会和橡胶混炼研究分会的共同实验的结果表明，将其作为评价指标还是有效的。该压力损失是由于橡胶和毛细管内壁的摩擦而生热，以及橡胶本身在流动时由于动态损失而生热，这二个因素导致了能量损失。如果将压力损失作为指标，则可以确切地评价混炼和成型加工性的关系，配合剂的种类以及添加量和流动性的关系等。图 4 所
5、示为配合了炭黑的 EPDM 胶料的压力损失与剪切速率的相关性。如果进而求出不同配合胶料的压力损失和剪切速率的相关性，则可以通过测定全部试样得到如图 4 所示的曲线。从图 4 可以看出，有一个不依赖于剪切速率且显示出一定压力损失的 A 区域，在该区域的剪切速率下显示出优异的成型加工性。正如图 2( 3) 所示那样，改变毛细管流动计吸管的直径( R) 和长度( L) 的比例( L/R) ，根据压力趋势给出虚线图，推算出该压力损失的大小。 图 3 中的应力缓和是由配备了应力缓和装置的门尼可塑度计测定的作为缓和系数的值，该值可作为评价未硫化胶停留在模腔内保持内压的力的指标，这是由里吉提出的加工性指标。
6、里吉通过改变门尼可塑度计转子的旋转次数来测定应力缓和系数，将旋转 2 次和旋转 15 次的应力缓合系数之比定义为工艺指( ProcessingIndex) 。他在报告中称，该值越接近 1，成型加工性越优异。该评价橡胶流动性的指标和评价橡胶成型加工性一起，均可以有效地应用在模具设计中。 下文叙述橡胶在模具内的流动状态。图 5 所示为在加压硫化模具内橡胶和气泡的流动情况。为了观察橡胶在加压硫化用模具内的流动情况，将白色橡胶和着色橡胶交替地叠压在一起，填充于模腔内。改变硫化时间，硫化后取出硫化胶，观察其在横断面上的流动状态。如图 5 所示，橡胶向着卸模面( PL 面) 上的排气孔方向流动，橡胶中含有
7、的气泡也向同一方向移动。依靠排气以及交替从上下两个方向施加的压力，橡胶在模腔内边填充边排出空气。此时，应力缓和系数较大的橡胶停留在模腔内，难以从卸模面( PL 面) 上流出，所以，充满在模腔内，多余的空气和挥发份首先逸出。图 6 所示为加压硫化模具内进行硫化时，橡胶和气泡的流动方向以及模腔内压升高的情况。硫化是从模腔外侧向内侧方向进行的，气泡也随之移动，并向着卸模面( PL 面) 移动。在排气孔周围由于橡胶已被压薄，所以很快地被硫化，这就阻碍了橡胶从模腔内部向 PL 面移动。为此，模腔内部的橡胶失去了流动的空间，于是在模腔内发生热膨胀，因此显示出内压升高的现象。 图 7 所示为注射成型时模腔内
8、胶料的流动情况。图 8 是由注入口向模腔内喷出状态的比较。从日本学者的试验中可知，从注胶口射出的胶料向着对面的模腔壁飞去，然后又折返到前面回到注胶口一侧。这是由于射出时模腔的大小不同，但是可以认为，这是由于射出压力较大所产生的基本流动。另一方面，还用带色的 橡 胶研究了其在流道中的流动状态. 显然，流动状态受到流速大小的影响，但是，还是显示出较对称的平稳的流动。注射成型时橡胶在模具内的硫化行为基本上和加压硫化时的相同，但是，和加压硫化的压力相比，注射硫化的压力单向程序性高。另外，注射硫化的温度也较高，这是二者的不同之处。注射成型时通常采用 P-V-T 曲线来表征硫化行为。 图 9 列示了 NB
9、R 注射成型硫化中的 P-V-T 曲线和硫化曲线与模腔内压上升行为之间的关系。图 9 中最引人注目的亮点是从 4 到 5 所示的模腔内硫化压力上升的行为。在橡胶的硫化曲线中扭矩上升的趋势直接和模腔内的压力变化相互联动。该压力上升行为表明，去除硫化中硫化剂分解所产生的气体和胶料中的挥发分是十分重要的。2 橡胶用模具设计的基本要点，根据橡胶的流动性及硫化行为进行调节 下文将叙述橡胶的流动性和硫化行为对于项目总体设计的影响，特别是与影响较大的设计项目的关系。图 10 表示压力硫化成型的模具和注射成型硫化模具的基本构造和设计项目。橡胶用模具见图 10 所示，它可以分为加压成型和注射成型两大类，但是它们
10、的基本构造没有太大的区别。模具的基本设计可以按照表 2 所示的设计程序进行。作为与流动性、硫化行为关系最为密切的设计要素，有排气孔部，流道，注胶口的设计，模腔的数目及其配置等。和塑料模具的设计相比，日本橡胶模具研究分会强调橡胶用模具的设计要特别注意以下两点:1) 由于橡胶中含有较多的空气和挥发分，而且在硫化时会产生硫化剂所分解的气体，所以去除气体是一个重点问题。由于排气孔是压力集中的部位，所以，压力模 PL 面排气孔结构的设计极为重要，因为硫化中的不良现象多数集中在排气孔部位。2) 为了进行硫化反应，应充分考虑橡胶在流动中的焦烧稳定性，同时，还必须考虑硫化过程中模腔内压上升的情况，以及配合剂的
11、分散和取向等问题。在表 2 所示的模具设计要素中，尤其是对于流动性( 黏度、压力损失、应力缓和) 以及与硫化行为相关性较高的要素进行了重点探讨。然而，由于不能进行定量的探讨，所以，只能就模具的设计方向加以说明。( 1) 排气孔图 11 所示为橡胶用模具设计中占有重要地位的排气孔的基本结构和种类。橡胶用模具的标准合模面长度也因模腔容积的不同而各异，一般为 0 3 4 5 mm，基本结构是单个排气孔。PL 面的间隙为 0 02 0 03 mm 左右，PL 面和模腔的相接面只能取 R 形，这是为了避免在这部分产生应力集中。模腔内胶料是向着 PL 面的排气孔方向流动的，从这里逸出水分、挥发分及硫化剂的
12、分解气体等。应力在此处集中，橡胶容易发生撕裂等现象。图 12 列示了排气孔合模面长度和模腔内压的关系。已知合模面长度和模腔内压有关，采用简单的模拟模具进行实验时可知，如图 12 所示的那样，合模面长度越长，模腔内压越是呈上升的趋势。对于容易流动的热塑性弹性体( TPE) 来说，为了保持模腔内压，也有将合模面长度设定为 10 20 mm 的事例。 在无飞边模具中为了消除飞边，合模面长度设计得较短。这种模具的排气孔构造和橡胶的流动性、压力损失以及应力缓和系数之间的关系如表 3 所示。评价橡胶的流动性、压力损失以及应力缓和系数应按照表 3 所示的设计理念进行，据此对排气孔构造加以修正。 2) 流道、
13、注胶口如图 10 所示，流道是指胶料从注射成型机的口型射出，通过注胶口到达模腔内的细管的通道。流道必须满足下列条件。图 13 示出了具有代表性的橡胶用模具的流道结构。能够使流动阻力达到最小程度的最大断面 2) 不受模具温度影响的最小表面积的形状硫化后制件容易取出。 一般情况下可以采用如图 13 中所示的断面为圆形，半圆形和梯形的流道。在使用圆形流道时直径因形状的不同而各异，一般为 4 10 mm。 流道形状可依据胶料的流动性、制品的体积和流道长度加以设定，一般情况下多根据经验加以确定。虽然可以有效利用 CAE 解析法获得树脂温度和树脂压力的数据 ( 注射塑料) 等，但是很难由此确定流道的形状，
14、一般多使用过去的实际数据。图 14 列示了流道构造设计方向的列线图和修正系数。有学者根据塑料实验的结果，制成了如图 14 所示的列线图。该学者认为，该图也适用于 EPDM 及 TPE。使用从注胶道到注胶口，距离在 50 mm 以下厚度在 1 4 mm 的制品的模具时，可以参考该列线图。如果合模面长度较长的话，可参考图 14 下图所示的修正系数进行修正。为了很好地向模腔内射出胶料，注胶口起着重要的作用。为了可以在短时间内能充满模具，需要对其形状、直径、位置和数量等进行精心的设计。另外，为了在硫化后容易从模具内取出制品也可以采用底座浮起式构造。具有代表性的注胶口的种类和结构如图 15 所示。 注胶
15、口的形状基本上都是圆形的。确定圆形注胶口直径尺寸的经验公式见公式( 3) 所示。虽然公式( 3) 是以塑料作为对象的，但也适用于显示出塑料性流动的 EPDM 胶料。 式中，d 是注胶口直径 ( mm) ，m 是胶料的常数 ( 高流动性为 0 6，中流动性为 0 7，低流动性为 0 8) ，K 是厚度系数( 0.1 0.15) t 是制品厚度， A 是模腔面积( mm2) 。式( 3) 适用于一个注胶口的场合，在有多个注胶口的情况下，可对每一个注胶口的模腔面积进行计算。如果计算值达不到 0.5 2mm 时，则表示不适用。流动性、压力损失和应力缓和对于该流道和注胶口的影响如表 4 所示。 采用设置
16、了多个流道的模具时，应该考虑到流动性和压力损失的问题。宜采用下面两种方法来决定: 其一，互相对称性配置法，以确保胶料从注胶口出来的同时到达同一距离处; 其二，形成相同压力损失的配置法。实际使用的模腔流道的设置，多使用圆形，椭圆形，而不使用方形断面。在实际制作模具时，多数情况是在试制前先要进行细致的调整工作。( 3) 硫化行为在橡胶的硫化行为中，焦烧性、硫化速率和气体产生量与模具设计密切相关。表 5 中列示了硫化速率较快的橡胶，焦烧时间短和气体产生量多的橡胶以及模具设计的理念。在模具设计中，流动性和硫化行为交织在一起，难以明确区别，所以，将这些现象放在硫化行为中一起说明。 硫化快的橡胶在模腔内开
17、始硫化的速率较快，焦烧时间也有变短的倾向，硫化剂分解产生气体也是在早期急剧地进行。对于这种现象，应将排气孔合模面长度缩短，宜采用直径较大的流道和注胶口，PL 面间隙稍大的模具。关于急剧产生气体的问题可以采用模腔容积大，PL 面间隙稍宽的设计方式来解决。硫化速率与模腔内压力急剧上升的行为相关联，所以，在 PL 面和模腔中应力容易快速集中，因此，也容易发生橡胶制品撕裂现象，导致产生制品外观不佳，表面有空隙及孔洞等问题。这涉及到排气孔结构的设计问题。3 结 语以上阐述了模具内橡胶的流动和硫化行为，说明了与此关系特别密切的排气孔，流道，注胶口及流道的配置问题。关于流动性，硫化行为和模具设计的关系还没有定性的数据，在此仅表歉意。
