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如何利用温控模具技术生产弹性体吹塑部件

发布时间:2018-6-11 9:24:39  浏览:
硅橡胶目前尚无法通过挤出吹塑成型进行加工。目前人们开发出一种新方法,可确保材料的低预交联程度,为其提供充足的弹性,使其充气膨胀形成弹性空心体。这一发展为之前由复杂的传统工艺制造的空心体生产提供了经济有效的替代解决方案。

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吹塑成型硅橡胶空心体的脱模过程


硅橡胶以其优异的物理和化学性能而闻名,如高柔性、广泛的应用温度和良好的耐化学性。因此,它们被越来越多地应用于医疗技术、电子和汽车行业。但是,迄今为止,它在复杂的空心体和介质输送管方面的应用受到限制,因为没有合适的加工方法来制造含硅橡胶的部件。
 
在热塑性塑料加工过程中,挤出吹塑成型为经济有效地生产复杂的空心体提供了可能性。该部件通过在冷却的吹塑模具内对软化管(所谓的“型坯”)进行充气来生产。由于在成型过程中空心体内没有金属芯,因此只要材料具有足够的熔体强度即可生产大而长的复杂部件。但是,由于硅橡胶机械性能低,如:熔体强度低,目前尚不能加工未交联的硅橡胶。
 
研究机械利用增强材料系统改进了硅胶吹塑成型技术。他们在之前的项目中对固态硅橡胶的吹塑成型可行性进行了研究,从而首次实现了经济有效的挤出吹塑成型加工。低预交联程度增加了材料的弹性,使部件能够借助压缩空气在吹塑模具中成型。研究表明,在温控模头中预交联材料是有利的,而且它可以通过适当的设计措施和工艺控制来实现。本文介绍了预交联固体硅橡胶在模内自由膨胀情况下的膨胀行为,从而确定预交联对其造成哪些影响。
 
预交联管的生产
研究使用的是固体硅橡胶Addisil 2060 E IND。两种过氧化物混合形成两阶段交联体系。预交联由德国慕尼黑WackerChemie AG 公司的过氧化二(2,4- 二氯苯甲酰)(2,4-DCBP)在120℃时引发。为了完成硅橡胶的交联,研究使用了0.74 wt. % 的2,4 DCBP。在后续研究过程中,仅有小部分固体硅橡胶预交联,因为只有低预交联程度才能使材料借助压缩空气成型。出于这个原因,还可根据所需的预交联程度使用更少量的2,4-DCBP:0.0074 wt. % 的2,4-DCBP,即可满足硅橡胶1 wt. % 的预交联程度。最终的交联由德国莱沃库森的Momentive Performance Materials GmbH 公司的过氧化二异丙苯(DCP)在约180℃时引发。它需要0.6 wt. % 的DCP。两种过氧化物在压延机上混入固体硅橡胶中。
 

图1 硅橡胶吹塑成型用的模头结构


在型坯挤压成型期间,材料在模头中被预交联。IKV 为此开发了一个专用模头(图1)。螺杆直径为19mm、长径比为20 的橡胶挤出机(制造商:Brabender GmbH & Co.KG,德国杜伊斯堡,型号:Stiftextruder 19/20)将固体硅橡胶送入模头。模头有两个热分离区:物料流在顶部偏转并形成环形;水冷却至50℃,以防橡胶预交联并在早期堵塞模具。底部是一个80mm 长的无偏转区域,其中硅橡胶的预交联在120℃时发生。该部分的尺寸使平均停留时间在生产率为1 kg/h 的情况下为3 分钟,因为橡胶加工分析仪的交联曲线测量结果表明,硅橡胶需要这么长的时间进行预交联。模具位于其边上,它可以选择控制间隙宽度和壁厚,其温度也控制在120℃。
 
利用这一工厂技术,外部模具间隙直径为14mm、模具间隙为1.83mm 的预交联型坯,在螺杆速度为41rpm 时被生产出来。型坯的形状并不完全对应模具的形状。材料离开模具后由于具有粘弹特性而膨胀,随后因其固有的重量而展开。图2 所示为在预交联程度为0-4 wt.% 时型坯外轮廓(直径)和壁厚的测量结果。很明显,预交联改变了材料的粘弹特性,型坯的膨胀增加也反映了这一点。
 
预交联改善吹塑成型性
在后续研究过程中,具有不同预交联程度的型坯按上述的参数挤出成型,而且它们在膨胀期间的行为也被记录下来。因此,型坯在挤出之后以及材料在环境温度下冷却之后直接膨胀。型坯在自由膨胀期间和模内的膨胀行为均被记录。在自由膨胀期间,13cm 长的型坯的一端被挤压产生所谓的“底部飞边”,然后放置在吹气芯杆上使其沿自身长度自由下垂。型坯通过吹气芯杆用0.2 巴的压缩空气吹胀。两台摄像机从底部和侧面记录其膨胀行为。
 


图2 型坯膨胀:预交联型坯长度上的的壁厚和直径会随预交联度程度不同而变化


图3 所示为型坯在自由膨胀期间管温25℃时不同预交联程度下的最大拉伸比和断裂直径。随着预交联程度的增强,断裂直径也开始增加并在3 wt. % 时变得平稳。由于型坯预交联程度越高,膨胀越大(图2),拉伸比从3 wt. % 时起开始下降。更高的型坯预交联程度尚无法研究,因为它从6 wt. % 的预交联程度开始已无法挤出成型;从该预交联程度开始,模头已被堵塞。
 

图3 型坯在温度为25℃时的自由膨胀:13cm长的型坯爆裂时的直径和不同预交联程度下的最大拉伸比


通过预交联硅橡胶,断裂直径可从3cm 增加到6cm。图4 中外轮廓的进化也清楚地表明,由于预交联的原因,型坯能够在更大的区域里更均匀地膨胀。预交联程度仅为1 wt. % 的型坯表现得像未交联的材料一样(图4a):小气泡形成后又很快破裂。图4b 中的型坯表现出不对称的轮廓进化,这是由不正确的芯杆定心造成的,它在如此大的拉伸比下显而易见。
 

图4 型坯25℃时的自由膨胀:型坯外轮廓的进化:a)预交联程度为1 wt. %;b)预交联程度为4wt. %


在挤出之后直接自由膨胀的情况下,型坯的平均温度为110℃。测试在预交联程度为4wt. % 的条件下进行。图5 所示为型坯直径和时间在不同型坯温度条件下的关系。两个测试点的结果表明,拉伸速度(曲线的梯度)随着直径的增加而增加。型坯(110℃)在挤出之后直接膨胀的情况下,更高的温度不仅提高了吹胀速度,而且提高了可达到的最大直径。与25℃的管温相比,更低的标准偏差也表明挤出后的型坯质量更好,而且变化更少。110℃热型坯外轮廓的进化如图6 所示。
 

图5 型坯在不同温度条件下的自由膨胀:直径的进化随膨胀时间而变化



图6 在挤出之后直接膨胀的预交联程度为4 wt. %的型坯外轮廓的进化(型坯温度为110℃)


与图4b 相比,型坯轮廓变得更均匀,这是因为喷嘴的对中得以改善,而且特性受温度影响而改变。由于温度升高,型坯更容易膨胀,更易于受到施加压力的影响,而且变形范围更大。
 
硅橡胶空心体的成型
针对模内的膨胀行为,研究选用了玻璃瓶来观察吹胀行为。瓶子大小根据可达到的直径选定,其高度为280mm,直径为75mm。将瓶子纵向切开,并放在型坯周围用于观察。瓶子在底部挤压型坯。图7 所示为型坯在110℃时在玻璃瓶中的变化。在型坯首次接触玻璃壁之前,其行为与自由膨胀的行为相似。但是,这种变形因为与玻璃壁接触而受到限制,而且型坯只能沿着玻璃壁向下延伸。
 

图7 型坯外轮廓在110℃时在玻璃瓶内膨胀过程中的进化


与对热塑性塑料的观察相比,很明显型坯并非先在中心膨胀再延伸到边缘区域,而是先在上部区域膨胀,而下部区域直到上部与玻璃壁接触才会膨胀。这可能是因为较慢的挤出速度和型坯长度上的相关温度差异造成的。这也意味着上部区域更热,能够比型坯下部更容易、更快速地膨胀。
 
结论和展望
固体硅橡胶的吹塑成型使硅橡胶可用于生产复杂的空心体。为了进行东莞吹塑成型加工,一种专门设计的温控模头被用于在加工过程中预交联材料。本文介绍的材料吹胀行为的研究表明,预交联是一种用硅橡胶实现高拉伸强度的适用方法。在型坯挤出过程中,预交联可以在模头中轻松进行。结合适当的工艺控制,拉伸比最高可达到4.5,同时还可生产吹塑成型部件。
 
下一步可通过加热的金属模具来制造吹塑成型部件并测试其质量。研究重点在于部件的壁厚分布和焊缝的强度。
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