橡胶注射成型技术优化方案

1.概述

随着工农业技术的发展，橡胶模塑制品的种类和应用日益扩大。过去，橡胶模塑制品都是使用平板硫化机进行压制，工艺比较落后，生产效率低。60年代以后，橡胶制品的注射成型在一些国家中得到较大的发展，到了20世纪80年代，欧洲、日本已大量使用橡胶注射成型机生产橡胶模塑制品，在美国同样也有了较大范围的使用，使橡胶成型机器及技术均取得很大的进步。

橡胶注射成型技术的优点是：

（1）自动化程度高，有的产品可以进行全自动生产；

（2）生产率高；

（3）制品物理力学性能均匀、稳定；

（4）胶边小，先合模再注射胶料，可最大限度地减少“飞边”；

（5）节省胶料；

（6）可以采用高温快速硫化工艺，缩短生产周期。

鉴于以上优点，用注射成型方法生产橡胶模塑制品显然是今后坚持的发展方向。目前发达国家已普遍使用橡胶注射成型模制工艺，并由此而开发使用了多种系列的橡胶注射成型机，橡胶注射成型模制工艺如图3-22所示。

图3-22　橡胶注射成型模制工艺

我国近30年来不断有人尝试使用和研制橡胶注射成型机，但是最初进展较慢，究其原因可能是：

（1）橡胶注射成型工艺技术比较复杂，对成型机械的结构亦要求较高；

（2）由于种种原因，我国橡胶模塑制品厂的产品特点是品种多、数量少，极少能形成稳定的大批量生产，这样对橡胶注射成型技术的发展很不利。

近年来，随着我国橡胶工业的飞速发展，各种新技术的采用使橡胶注射成型技术在近三四年中亦取得了长足的进步，目前国内已有五六家机械厂生产橡胶注射成型机，并不断扩大机器设备的种类与规格，使之与制品生产相适应。

目前，国产橡胶注射机有立式和卧式两类，以立式为主，其特点是塑化机构和注射机构分开，采用独立的柱塞式注射机构可将注射压力提高到180—190MPa，从而可以提高制品质量，节约胶料，并可生产形状复杂的制品。注射成型机采用立式结构可使操作方便，但操作高度较高。

现有注射容积300cm3，600cm3，800cm3，1000cm3，1500cm3，2000cm3。2500cm3 等多种规格的立式注射成型机，可满足一般使用要求，但机器价格较高，在生产某些特种制品时则必须使用橡胶注射成型机。

2.橡胶注射成型过程

与热固性塑料注射成型类似，用注射法生产橡胶制品一般要经过预热、塑化、注射、硫化、出模等几个过程。

塑化过程就是把带状和粒状胶料加入机筒的加料口中，由于机筒内螺杆的旋转，对物料产生输送、混合作用，而机筒外加热及剪切生热的内热，使运动着的胶料逐渐升温变成黏流态，这股热流体沿螺槽向机筒前端运动。

注射过程是经过塑化堆积在机筒前端的热流体在螺杆向前推力或柱塞推力作用下，以强大的压力使胶料经喷嘴、模腔流道、浇口强行注入闭合的热模中。

热压硫化过程则是当注射完毕，模腔中充满胶料后，经过一段时间的保压，使胶料保持所需的硫化压力进行硫化。

脱模过程是硫化到达预定的程序时间，模具自动开启，由顶出机构将制品顶出。

从上面的4个过程来看，橡胶注射成型与前面介绍的热塑性塑料和热固性塑料的注射成型有许多共同点，但是对橡胶注射成型来说，胶料的塑化、注射以及胶料在充模后的热压硫化比较特殊，是决定橡胶注射成型顺利与否的关键。

（1）胶料的塑化与注射。

在注射成型过程中，必须控制好各部分的温度和胶料的注射速度，目的是使胶料获得良好的流变性而又不发生焦烧现象。胶料的塑化就是在注射之前使胶料在较低的温度下就具有较好的流动性，从而可借助于压力使胶料顺利充满模腔。为防止焦烧，机筒温度不宜过高，一般控制在70℃～80℃。在注射过程中，由于胶料在高压下快速通过较小的喷嘴，其流动剪切速率可达103～104s-1，因此，胶料产生较强的摩擦生热，胶温可迅速达到120℃以上，而且胶料内部温度均匀，为进入模腔后硫化过程的顺利进行做好准备。

与塑料熔体相比，一般来说橡胶流体的流动性较差，这样在塑化和注射阶段掌握好胶料的黏度，即流动性的变化至关重要，对注压工艺影响极大。橡胶注压成型过程中门尼黏度值的变化规律如图3-23所示。

图3-23　橡胶注压成型过程中门尼黏度值的变化规律

为了能在较低温度下，使胶料具有较佳的流变性，对各种胶料研究其流变性的影响因素十分重要。橡胶流体大多属于剪切变稀流体，随着剪切速率和剪切应力的上升，其黏度下降，胶料的流动性改善，注压时间可缩短。橡胶的流变曲线是生产工艺的重要参考。

（2）胶料的热压硫化。

当胶料被注压入模腔后胶温已经达到120℃以上，这时已接近硫化温度，由于模具的加热，在很短时间内模内胶料温度可加热到80℃～220℃的硫化温度，因此模内橡胶制品的热压硫化可在高温下快速进行。

注射硫化的独特优点是：胶料塑化及入模过程使得模腔中内、外层胶料温度均匀性大大提高，从而使硫化胶内外层硫化程度比较一致，质量均匀，并加快了硫化速度。

橡胶的热压硫化过程一般经历以下4个阶段：

①预热阶段（硫化前的整个升温过程）；

②交联度增加阶段；

③最佳硫化阶段；(www.zuozong.com)

④过硫阶段（网构降解阶段）。

显然，从制品要求来说，希望橡胶制品整体都能均匀达到第三阶段，此时制品的质量最优，而以上4个阶段决定于温度，只有均匀的硫化温度分布才可能获得优质产品。所以，在橡胶注压过程中，掌握它的硫化性能十分重要：注压时，在给定的温度和时间条件下，胶料逐渐地由黏流态向高弹态转变，胶料硫化动力学如图3-24所示。硫化开始时，在一定温度下胶料进行交联，硫化反应稳定进行，交联程度随时间而增加，并达到最大值（正硫化），该值在一段时间内保持不变（硫化平坦期）。而后，或者由于热量的集聚作用而增大，或者由于热氧化降解而减小，此时，胶料的物理性能开始下降。只有在硫化平坦期（即最佳硫化阶段），制品的物理性能最佳，这就是热压硫化需要正确把握的重要时机。此时，模具开启，顶出制品最为适宜，过早可能欠硫，交联度不够，过迟则会产生过硫现象。

图3-24　胶料硫化动力学

不同成型方法，热压硫化阶段掌握的难易程度不同。对于模压硫化过程，硫化时制品的内外层温差较大，往往外层胶已达到最佳硫化阶段，即硫化平坦期，而内层胶却处于交联度增加阶段。当内层胶进入最佳硫化阶段时，外层胶可能已经发生过硫现象了。而注射成型的注压硫化过程可以在相当大程度上克服以上缺点。由于胶料经螺杆剪切、机筒加热塑化后，温度上升迅速，当胶料通过喷嘴注入模腔，不仅胶温能进一步急剧上升，更可贵的是在很短时间内，制品内外层胶几乎同时达到最佳硫化阶段，整个硫化阶段很短。这样，注射工艺为模制品的高温快速硫化提供了内外层胶料温度均匀一致的条件，使得注射法生产的制品质量良好，生产效率高。

3.橡胶注射成型工艺条件

橡胶注射成型工艺条件比较多，如温度、压力、速度等，各种工艺条件之间是互相影响、互相制约的，正确选择与确定工艺条件是生产合格优质制品的保证。通常在注射工艺中主要掌握的工艺条件有如下几方面。

（1）螺杆转速。

实验表明，螺杆转速增加，机筒内的胶料受到剪切、均化作用加强，这样可以获得较高的注射温度，可缩短注射时间和硫化时间。但转速过高，反而使注射温度降低，硫化时间增加，螺杆转速与注射温度和硫化时间的关系如图3-25所示。其原因可能是因为螺杆转速过高，使螺杆表面胶料分子链发生取向，产生“包轴现象”，结果有一部分胶料随着螺杆而旋转，不能产生剪切作用，故胶温反而下降。

图3-25　螺杆转速与注射温度和硫化时间的关系

因此，一般认为螺杆转速以不超过100r/min为宜。国内设备一般取n=30～50r/min，螺杆直径大者，转速宜取低值，黏度高的胶料，转速应低。

（2）注射速度。

注射速度是指柱塞或螺杆向前推进的速度。注射柱塞移动速度对注射温度和硫化时间的影响如图3-26所示，当注射速度增加，注射温度和硫化速度随之增加，使注射时间减小，生产率提高。

图3-26　注射柱塞移动速度对注射温度和硫化时间的影响

但注射速度过高，会造成过量的剪切摩擦热，易烧焦或制品表面产生皱纹或缺胶。

（3）注射压力。

如前所述，注射压力对胶料的充模具有决定性作用，其值大小取决于胶料的性质、注射机类型、模具结构等。一般提高注射压力可以增加胶料的流动性，缩短注射时间，提高胶料温度，硫化时间也可大大缩短。因此，原则上注射压力在许可条件下选取较高值。

（4）温度。

适当高温是保证胶料顺利注射和快速硫化的必要条件，因此，必须对注射成型过程的物料温度进行严格控制。这可从控制机筒温度、注射温度及模具温度等方面进行。

①机筒温度。机筒温度不仅与橡胶的塑化过程有关，而且对注射成型的其他工艺条件如注射温度、注射时间以及硫化时间都有影响。机筒温度对注射温度、注射时间及硫化时间的影响（天然胶）见表3-1。

表3-1　机筒温度对注射温度、注射时间及硫化时间的影响（天然胶）

由表3-1可以看出，对于机筒温度的选择，通常应在不发生焦烧的前提下尽量提高一些。当然，机筒温度的选择还受注射机类型、操作方式以及胶料种类、配方等因素的影响。

②注射温度。注射温度是指胶料通过喷嘴之后的温度。其控制原则是在焦烧安全性许可的前提下，尽可能接近模腔温度。温度过高，容易发生焦烧，若过低，则造成硫化时间延长。

③模具温度。模具温度根据胶料硫化的条件来确定，从提高生产率的角度看，模温应尽可能采用充模时不会焦烧的最高温度，以免因模温过低，延长硫化时间，降低产量，一般模温的选择应比焦烧时的温度低3℃～5℃，这就是较安全的最高模温。

（5）硫化时间。

硫化时间的选择主要由胶料的配方来决定，但也要因制品的厚度不同而有所变化。对于厚制品在模内硫化阶段，其内外胶层仍会存在一定的温度差，因此其硫化时间要适当延长。据测定在180℃～200℃的硫化温度时，制品厚度与硫化时间的关系见表3-2。

表3-2　制品厚度与硫化时间的关系

（6）胶料条件。

一般情况下，可用测定门尼黏度和焦烧时间来预估胶料是否适合于注射。如果门尼黏度不大于65，而焦烧时间在10～20min，通常认为这种胶料适合于注射。

门尼黏度高，注射温度可较高，但所需注射时间长，易于焦烧；门尼黏度低的胶料易于充模，注射时间短，但需要较长硫化时间，故以不低于40s为好。

胶料的焦烧性能可在注射工艺过程中，通过控制操作温度下的停留时间来控制。对于柱塞式注射机，要求胶料在100℃的机筒中停留6～10个周期（每周期2min），不产生焦烧；而往复式螺杆注射机，如机筒温度为90℃～120℃，则胶料的焦烧时间比胶料在机筒内的停留时间长两倍以上。若在配方中加延迟性促进剂，可使胶料不易焦烧。

4.橡胶注射成型技术的发展——抢胎硫化胶囊注射硫化机的开发

如上所述，橡胶制品采用注射法成型已经是近十年来为人们所公认的成熟的生产工艺技术了。与旧式的模压硫化法相比，其优越性是显而易见的，但是，国内目前橡胶制品的注射成型仅用于中、小制品上，橡胶注射机的一次注射量大多为几百克，比较大型的也只2000～3000g（如2500g）。对于像轮胎硫化机上生产的轮胎硫化胶囊，小规格的是2000～3000g，大规模的可达20000～30000g，这样小型的注射机就难以满足要求了。进入20世纪90年代以后，国防上一些橡胶制造商开发与生产一般小型橡胶注射机后，由于液压技术的发展，推进了橡胶注射硫化机的研制，使一次注射量大大提高，这就使轮胎硫化胶囊用注射法生产成为现实。

大型的轮胎硫化胶囊注射硫化机实际上是集挤出塑化、柱塞注射和平板硫化于一体，它吸取螺杆式挤出机塑化能力大、混练均匀、塑化质量高等优点，用于塑化胶料上。柱塞式注射机则注射压力高，注射物料黏度高，不产生漏流与逆流的注射特征以及平板硫化机对大型制品的硫化能力高、易于控制等一系列的优点。将三方面集中组合成完整的轮胎硫化胶囊注射硫化机，这种机器在法国（rep公司）、德国（DESMA公司）和美国（H.I.E公司）均已研制开发成功，并已进行生产使用。

用注射法生产轮胎硫化胶囊，与传统的模压法生产轮胎硫化胶囊相比，其优越性十分显著。首先，生产能力提高。采用注射硫化机器，由于在螺杆挤出机与注射机内已经使胶料升温至黏流态，进行注射充模以后，可使胶囊的正硫化时间大为缩短，而由于加料的自动化和制品修边处理方面的简化等，结果使整个成型周期大大缩短。据有关数据介绍，硫化时间可减少一半以上，成型周期可缩短3/4。其次，原料消耗降低。这表现在制品后期修边整理时废边的减薄与减少上。用注射硫化法生产轮胎胶囊制品的壁厚均匀性提高，壁厚公差缩小，这样可使胶囊厚度变薄，如用模压法生产胶囊，一般壁厚为6～8mm，注射法生产胶囊壁厚可减薄至4～5mm，壁厚公差在±0.1mm范围内，从而能减少胶料损耗的20%～30%，节约大量胶料。再次，提高产品质量。其表现之一是提高了轮胎平衡性的合格率。据国外轮胎厂的资料表明，由于采用注射法获得稳定壁厚的薄型胶囊，轮胎在硫化时，能使胶囊在内压介质作用下，更好地自轮胎内层各部位同时接触加压，充压均匀，使应力分布平均，最终可明显地提高高速轮胎平衡性的通过率。随着汽车速度的提高，对轮胎平衡性能的要求也越来越高。法国rep公司采用注射法生产薄壁胶囊提高了轮胎的均匀性和平衡性的公差，废品率减少20%～25%。产品质量提高表现之二是注射法生产的胶囊内部质地均匀、密实，分子网状交联充分，硫化时永久变形小，内部虽长期受高温水内的游离氧作用，但老化剥落程度低，所以使用寿命长，比模压法生产的胶囊寿命延长40%左右，而且制品质量均匀性大多提高。根据以上的优点，可以看到注射法生产轮胎胶囊，其生产成本下降，经济效益提高，但是轮胎胶囊注射硫化机比较复杂，价格比较昂贵，设备投资高，目前国内尚未开始生产。