LSR 之材料特性與成型過程介紹

■型創科技/ 劉文斌 技術總監

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液態硅烷橡膠的特性

液態硅烷橡膠(Liquid Silicone Rubber, LSR) 是種無毒、耐熱性、具高回彈性的柔軟熱固性材料，其流變行為的主要表現為具低黏度、可快速固化、剪切稀化現象以及較高的熱膨脹系數值。LSR 是以鉑金(Pt, Au)作為催化劑的兩液型快速固化材料，可采射出成型加工方式來成型，射出成型方式可達到大量制造、快速交聯固化，以及可重復性的穩定生產等加工優點。

 

圖1：液體硅橡膠是一種堅固，柔韌的材料，可以很好地保留其記憶力

LSR 塑料的射出產品具備較好的熱穩定性、抗寒性與優越的電氣絕緣性，燃燒時也不會產生有毒物質。LSR 塑料的應用領域極廣，舉凡健康用品、汽車、嬰兒用品、醫療用具、潛水用品、廚房用具，以及密封性應用產品等，LSR 塑料都是在現階段生產設計中不可取代的材料。

 

LSR 的成型加工制程

液態硅橡膠LSR 的成型加工只需要三個步驟：「計量混合」、「模塑成型」、「熟化定型」。液態硅橡膠LSR 具優異的流動性，在模具中固化后具有堅固性和柔韌性，使LSR 射出產品可進行非常態的細部結構與倒扣等設計，這是其它射出材料，如塑料或熱塑性彈性體等所無法做到的。LSR 通常是以射出機射出成型，其成型設備與熱塑性塑料常用的加工設備相似，但對于細部的要求卻不全然相同。

圖2：交聯決定了熱固性材料的許多特性，如強度，穩定性和耐熱性

LSR 塑料為雙液型或雙成份組成的液態原材料，分A液成份和B 液成份，市售包裝最常使用是20 公斤（約5 加侖）提桶或200 公斤（約55 加侖）圓桶包裝。提桶或圓桶組件放置在配有精確隨動板的高壓泵中，以通過精確的高壓控制泵將黏性組分從包裝圓桶推出，利用混合裝置精確地將A、B 液成份以1:1 比例充分混合。此外，因部分產品為有顏色的設計，所以可加裝配有色料的加色泵組及顏色計量裝置，將A 液、B 液、添加劑、色料等在靜態混合器中充分混合后導入塑化系統。在混合系統中，冷卻介質必須確保混合物能保持在受控的冷卻溫度(10~20℃ ) 下，以抑制交聯或固化反應提早發生，冷卻狀態下的LSR 混合物可保持穩定長達數天。

圖3：在某些情況下，LSR 容易閃爍，小至0.005mm 的間隙

LSR 專用的塑化螺桿同時具有均勻化、混合的功能，通過螺桿將混合料射出到成型高溫模具中，在模溫170 ～ 200℃條件下，觸發起始交聯反應使硅膠材料發生固化反應成型最終產品。當LSR 模具使用冷流道進料系統時，值得注意的是流道要足夠低溫且足夠冷。此外，為避免漏料或漏膠，針閥裝置會安裝在模具部件表面，射出完成后，針閥立即將封閉射嘴。

 

圖4：LSR 部件位于一對鋁制模具的頂部

LSR 的成型加工設備考量

液態硅橡膠射出成型機的關鍵組成

• 由于LSR 塑料的低黏度特性，在加工過程中要考慮材料的回流和逸漏，因此對射出螺桿的密封要求非常重要。

• 為防止LSR 塑料的感溫過早固化，射出機與模具間的隔熱設計相當重要，最好是采用針閥式射嘴，當射膠完成后立刻封閉噴嘴。

• A 液、B 液兩組成成份的混合、計量裝置。

定量供料系統

定量供料系統共有下列幾種形式可供選擇：

• 雙向泵可上下移動送料，能夠有較好的穩壓效果，藉由A 液、B 液泵間相連接，同步由液壓氣動機構進行控制，因此此種形式的供料系統可較精確的控制計量且可靠性較高。

• 單向泵是種通用型，只能單項選擇送料。

• 帶有止逆閥的同步單向泵。

• 計量筒系統主要與單向泵互相配合使用。

圖5：LSR 材料于灑水器的應用

模具的設計

在設計考慮上，一般有以下幾種形式：

• 熱流道形式比較浪費物料，設計簡單，成本低，多用于大型件產品。

• 有針閥的冷流道可實現自動化，成型周期短。

• 無針閥的冷流道系統，由于LSR 塑料的膨脹系數較高，加熱時會發生膨脹，冷卻時卻有較微小的收縮，因此成品不能在模具中保持精準的側邊距，所以較建議采用針閥式冷流道系統來進行加工。

• LSR 塑料應保持較低溫度和流動性，冷流道采閉合式系統，在射出加工周期中，閉合系統在每一個流道中都采用「封膠針」或「針形閥」來控制LSR 材料的準確計量。

 

由于硅橡膠具顯著的受熱膨脹特性，收縮率為2 ～ 4％（反應固化溫度為150℃），同時硅橡膠具有受壓變形的特點。LSR 塑料流動/ 反應固化的分析如下：

• 液態硅橡膠的反應固化化學反應，需要一定的反應時間。

• 理想的流動場( 流長比)，在直徑2mm，170cm 長度的流道中，LSR 熔膠的流動距離可超過100cm (L/t >500) 。

• 最小厚度1/1000 mm。

• 模溫過高會導致反應交聯固化提早，從而引起流動受阻。

• 層流形式可避免產生氣泡。

• 高速射出會導致擾流形式流動。

• 物料的黏度會改變流動的模式。

• 湍流或擾流形式容易導致白點。

 

基于上面的分析敘述，在模具的設計上要注意以下幾項重點：

• 為避免擾流和噴流，應使用較小的針點或翼狀小進澆口。

• 用T 型導向栓代替柱形導向栓，以增加模具定位精度。

• 應加裝隔熱層或隔熱板。

• 不要使用含聚合抑制劑的防銹劑/ 油，一般可用甲苯、二甲苯等擦拭模具。此外，固化的LSR 容易沾黏在金屬表面上，應用上最為普遍的脫模技術包括頂針頂出和空氣推頂。通過以上信息，可以看到硅橡膠射出成型技術主要解決的問題是在于其混合、計量部分，以及螺桿的密封與模具的設計。

 

圖6：LSR 材料的應用范圍十分廣泛，在許多領域的產品中都能看到其應用

結論

液態硅橡膠(LSR) 的射出成型加工因為是屬于較獨特的加工技術，所以需要對LSR 材料有基本認識，且在產品設計、模具設計與生產加工上給予適當與正確的設計與規劃，能充分理解LSR 射出成型與生產制作流程設計的原則，就可避免出現產品問題，生產高質量、高效率的LSR 產品。LSR 材料的射出成型加工在目前算是一項經濟效益還不錯的市場，而且產業上對于LSR 產品之需求也有越來越多的趨勢，新應用產品也會越來越多，這勢必會引導更多成型加工業者投入LSR 的產品生產，也會讓液態硅橡膠(LSR) 射出成型加工產業鏈與市場更加茁壯。■

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