硅橡膠模具在灌封工藝中的應(yīng)用研究

(蘇州華旃航天電器有限公司,江蘇 蘇州 215129)

1 引言

連接器和電纜組件制造行業(yè)，廣泛采用膠粘劑灌封工藝粘接和固定零部件、保護(hù)導(dǎo)線。采用灌封工藝的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上往往往具有盛裝膠粘劑的腔體結(jié)構(gòu)，但部分連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒有此類腔體，大多數(shù)電纜組件中往往也沒有類似腔體結(jié)構(gòu)。這種情況下采用灌封技術(shù)，通常做法是設(shè)計(jì)專用模具輔助灌封。目前的灌封模具大多采用剛性材料加工，多年實(shí)踐證明其能夠滿足灌封技術(shù)的需要。剛性模具優(yōu)點(diǎn)突出，便于實(shí)現(xiàn)較小尺寸結(jié)構(gòu)要素的加工和精確性要求，但也存在因配合間隙大而造成的滲膠現(xiàn)象，加工周期長和制造成本高，安全性低等長期難以解決的問題。針對這些問題，我們進(jìn)行了分析、研究，從技術(shù)角度提出硅橡膠模具代替剛性材料的可行性解決方法。

2 現(xiàn)狀和存在的問題

目前，灌封模具均采用剛性材料制作，連接器和電纜組件的灌封模具多采用金屬(鋁合金)、非金屬(聚四氟乙烯)材料，其中聚四氟乙烯材料應(yīng)用最多。公司連接器和電纜組件中多采用鋁合金、鋼S136和聚四氟乙烯板作為剛性灌封模具的材料，支撐了多年來的電纜組件的灌封工序，其優(yōu)點(diǎn)突出，但也存在固有缺陷。三種灌封模具的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1)鋁合金材料模具優(yōu)點(diǎn)是易加工，加工費(fèi)用和材料成本低；重量輕，人、箱負(fù)荷小，安全性高，便于搬運(yùn)；便于薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)與工件間存在無法消除的間隙；表面易粘接，脫模不便，灌膠型腔需預(yù)涂脫模劑；硬度低，表面易損傷；灌封后膠面外觀差，存在針狀孔。

2)鋼S136材料模具優(yōu)點(diǎn)是硬度高，表面不易損傷；便于薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工實(shí)現(xiàn)；膠面外觀好。缺點(diǎn)是與工件間存在無法消除的間隙；表面易粘接，脫模不便，灌膠腔需預(yù)涂脫模劑；難加工，加工費(fèi)用和材料成本較高；重，不便于搬運(yùn)，人、箱負(fù)荷大，安全性低，灌封膠體外觀好，但不能避免針狀孔。

3)聚四氟乙烯材料模具優(yōu)點(diǎn)是易加工；加工費(fèi)用和材料成本較低；重量輕，便于搬運(yùn)，人、箱負(fù)荷小，安全性高；膠面外觀較好；表面不易粘接，脫模方便。缺點(diǎn)是與工件間存在無法消除的間隙；硬度低，表面易損傷，影響局部外觀；不便于薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工實(shí)現(xiàn)；灌封膠體外觀好，但不能避免針狀孔。

為彌補(bǔ)現(xiàn)有剛性模具不足，我們對彈性材料制作模具的可行性進(jìn)行了研究。

3 硅橡膠材料

研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的快速模具制造技術(shù)(RT)中采用硅橡膠間接制模的方法很值得借鑒，該技術(shù)利用了液體硅橡膠優(yōu)異的仿真性、脫模性和加工成型方便，以及耐熱老化等特點(diǎn)，采用液體硅橡膠刷涂在產(chǎn)品表面制作成軟模具，代替金屬或其它材料制造的模具。

回顧我們曾在某電纜網(wǎng)模具上采用硅橡膠材料制作的密封墊成功克服滲膠和防粘的成功事例，分析認(rèn)為采用硅橡膠材料制作灌封工裝是解決上述問題的一個(gè)新思路，為此，我們對硅橡膠材料特性進(jìn)行了深入的研究。

硅橡膠，分子式mSiO2．nH2O，是一種由硅原子和氧原子交替組成，以O(shè)-Si-O鍵為基本鍵型的直鏈狀的高分子量的聚硅氧烷，空間結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 硅橡膠的空間結(jié)構(gòu)

硅橡膠的主鏈連接甲基，側(cè)鏈上引入極少量的不飽和基團(tuán)，分子間作用力小，分子呈螺旋狀結(jié)構(gòu)，甲基朝外排列并可自由旋轉(zhuǎn)；硅橡膠O-Si-O鍵角較大，低旋轉(zhuǎn)自由能；Si-O鍵能較高，達(dá)370kj/mol,比一般的橡膠的碳-碳結(jié)合鍵能240KJ/mol要大得多，具有較高的熱穩(wěn)定性；硅橡膠主鏈被甲基(-CH3)基團(tuán)覆蓋，低表面張力和低表面能，表面自由能為20～22 111J·ln．2，低表面張力和低表面能是硅橡膠具有疏水性、防粘性等特點(diǎn)的原因。

硅橡膠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其作為模具具有與眾不同的優(yōu)勢：

1)低表面張力和低表面能造就的防粘性和脫模性特點(diǎn)。粘接理論認(rèn)為粘接機(jī)理是擴(kuò)散、滲透、共交聯(lián)所致。硅橡膠表面活性較差，側(cè)鏈上的甲基無法與環(huán)氧膠粘劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩者之間只存在吸附作用，因此粘接強(qiáng)度比較低。提高粘接強(qiáng)度的措施是進(jìn)行表面活化處理，產(chǎn)生化學(xué)鍵作用。通常情況下這是硅橡膠的缺點(diǎn)，但作為灌封模具材料而言卻很合適。

2)弱分子作用力和螺旋狀結(jié)構(gòu)造就良好的復(fù)制性、脫模性、彈性。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無拔模斜度、有倒拔模斜度以及具有深凹槽的工件來說可以直接取出，這是硅橡膠模具相對于其它模具所獨(dú)有的特點(diǎn)。對于灌封而言，其彈性特點(diǎn)使得模具與工件之間不再存在間隙。

3)Si-O鍵的高鍵能造就其耐高溫性和熱穩(wěn)定性。該特點(diǎn)不但能夠適應(yīng)目前公司各類環(huán)氧膠粘劑的固化溫度環(huán)境，而且能夠在該溫度下保證對膠體定形。

快速模具制造技術(shù)(RT)利用了硅橡膠優(yōu)異的仿真性、脫模性和加工成型方便，以及耐熱老化等特點(diǎn)。之所以采用液體硅橡膠，是因?yàn)橐后w不具備空間結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)隨附著面空間結(jié)構(gòu)而變化，這種造就了其具有很強(qiáng)的仿真復(fù)制性，快速獲得樣品的外形結(jié)構(gòu)和尺寸。但對于灌封而言，液體硅橡膠的這種特點(diǎn)不利因素。灌封模具對液體膠粘劑有約束和成形的功能，需要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。特別在高溫焙烘過程中必須能保持這種穩(wěn)定性。

基于對硅橡膠特性的研究，我們認(rèn)為只要是硅橡膠材料，同樣具備優(yōu)異的脫模性、易加工成形、耐熱老化等特性。硅橡膠家族中的模壓料成形后具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，高溫條件下能夠保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是加工灌封模具的理想選材。

4 技術(shù)驗(yàn)證

4.1 技術(shù)目標(biāo)確定

根據(jù)分析，我們認(rèn)為采用模壓料硅橡膠加工灌封模具具有可行性，公司模壓硅橡膠零件具有成熟的工藝基礎(chǔ)，其成形完全沒有問題，需要開展的工作是驗(yàn)證硅橡膠模具能否起到剛性模具成形功能，以及能否實(shí)現(xiàn)消除間隙避免滲膠的功能，因此驗(yàn)證制定如下技術(shù)目標(biāo)：

1)硅橡膠模具與工件配合消除間隙防止?jié)B膠。

2)硅橡膠模具高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定保持。

3)良好的整體脫模。

4.2 選材

選材分為膠粘接和硅橡膠兩部分，為了驗(yàn)證滲膠情況，應(yīng)選用流動(dòng)性比較好的膠粘劑，在目前常用的環(huán)氧膠粘劑中，成都晨光化工研究院生產(chǎn)的DG-4膠粘劑流動(dòng)性比較好，適合作為驗(yàn)證的膠粘劑選料。

硅橡膠選用符合HG6-678-74標(biāo)準(zhǔn)的硅橡膠6144、SE41450G硅橡膠，其耐溫在-59.5℃～232℃溫度范圍，能夠承受大多數(shù)環(huán)氧膠粘劑的焙烘溫度。該兩種硅橡膠公司具有成熟的成形工藝，易于實(shí)現(xiàn)，可以制成厚制品，表面光滑。

4.3 驗(yàn)證實(shí)施過程

為了驗(yàn)證第一個(gè)技術(shù)目標(biāo)，選用硅橡膠6144材料的J30J-66A3的護(hù)套作為簡易灌封模具，J30J-51TJ外殼作為工件。將護(hù)套套在外殼灌膠腔尾端，按照公司灌封工藝進(jìn)行膠粘劑灌封，然后放入烘箱，溫度設(shè)置為80℃。

脫模時(shí)，護(hù)套輕松順暢的從膠體表面剝離，兩者之間基本上沒有粘接力。

觀察膠體，其外形與模具組裝到產(chǎn)品上時(shí)的外形一致。膠體外觀表面比較光滑，僅存在一些細(xì)小的紋理，膠體拐角處存在一個(gè)較小的空洞，這與剛性模具存在的問題相似。

觀察外殼灌膠腔尾端，表面沒有任何膠液。

圖2是護(hù)套，圖3是灌封實(shí)物照片。

圖2 灌封實(shí)物圖

圖3 灌封實(shí)物圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析總結(jié)如下：

1)脫模優(yōu)于剛性材料。剛性材料中，聚四氟乙烯材料屬于不易粘接材料，與膠粘劑粘接力比較小，但較大面積粘接時(shí)，粘接力仍較強(qiáng)，脫模時(shí)需要沖擊力使其脫開，從這一點(diǎn)結(jié)果清楚表明，硅橡膠模具的脫模性遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于聚四氟乙烯材料的模具，更是其他剛性材料的脫模性難以企及的。

2)外形表明簡易模具能夠在高溫下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)膠粘劑成形目標(biāo)。

3)膠粘劑表面的空洞問題與剛性模具灌封存在類似問題，初步分析歸結(jié)為材料和操作方面的因素造成，對此需要作進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4)由于護(hù)套的長寬尺寸均小于外殼灌膠腔長寬尺寸，護(hù)套擴(kuò)張后套在外殼上，形成緊配合，配合間隙將被完全被消除，避免了滲膠問題。滲膠問題解決，免除了生產(chǎn)中的清潔工序，避免了清潔過程操作造成的導(dǎo)線、外殼損傷問題。

第二次試驗(yàn)采用硅橡膠6144、SE41450G硅橡膠簡易模具，結(jié)構(gòu)和形狀與第一次的不同，膠粘劑采用DG-4。圖4是模具圖，圖5實(shí)物照片。

圖4 模具

圖5 灌封實(shí)物圖

試驗(yàn)結(jié)果與第一次相似，膠體表面仍存在空洞，不同的是這次是數(shù)量較多的針孔狀空洞。

針對空洞現(xiàn)象，通常認(rèn)為膠體中空洞來源和形成有兩種途徑：

1)調(diào)膠、灌注過程中攪動(dòng)膠液卷入了空氣形成隨機(jī)分布的氣泡，受熱脹裂形成；

2)固化過程中膠粘劑放熱，氣流擾動(dòng)形成。

對于DG-4膠粘劑而言，其固化放熱很緩慢，第二種途徑一般不易形成空洞，可能性途徑是第一種。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可做出源于第一種途徑下的空洞形成機(jī)理：

1)硅橡膠表面能低，與膠液潤濕差，膠液流動(dòng)時(shí)，界面層分離，空氣被卷入形成氣泡，一部分隨機(jī)分布在膠液中，還有一部分附著很容易進(jìn)入形成微小氣泡，膠粘劑時(shí)氣泡受熱膨脹炸裂所致；

2)硅橡膠6144、SE41450G材料制模時(shí)，交聯(lián)過程產(chǎn)生乙醇等低分子物質(zhì)沒有完全排出，致使模具在膠粘劑固化受熱時(shí)氣體二次排出所致。

對于兩個(gè)機(jī)理，我們進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

1)將兩種模具在150℃溫度下真空焙烘2小時(shí)后進(jìn)行試驗(yàn)。按照機(jī)理二，如果模具中存在交聯(lián)氣體，經(jīng)過前兩次試驗(yàn)焙烘和本次真空焙烘，應(yīng)該釋放殆盡，灌封過程中釋放不應(yīng)還有氣體釋放，因此不會(huì)造成空洞現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)空洞依然出現(xiàn)，并未改觀，這表明機(jī)理二形成空洞的可能性不大。

2)將調(diào)配好的膠液進(jìn)行真空脫泡5～6分鐘。灌封時(shí)規(guī)定熱風(fēng)槍的溫度調(diào)至250℃左右，風(fēng)力調(diào)至1檔，慢慢的將膠液調(diào)至灌封腔口，用熱風(fēng)槍吹入灌封腔。灌到一半高度時(shí)，用熱風(fēng)腔對著灌封腔來回緩緩吹動(dòng)膠面，盡量將殘留空氣趕出，繼續(xù)灌封。觀察固化后的膠體，3件樣品中有2個(gè)外表面沒有針孔，1件產(chǎn)品膠體表面仍然存在針狀孔。

3)按照第(2)項(xiàng)操作灌封，將其放在真空烘箱中焙烘。固化后觀察膠體其它2個(gè)樣品中仍然有一件樣品的膠體表面存在針狀孔。

第2、3項(xiàng)證明第一種機(jī)理形成空洞的可能性也不大，這也就是說，空洞的形成根源不是源自，存在其他的影響因素，這些因素或許單獨(dú)造成了空洞，也可能是和其他因素綜合作用導(dǎo)致針孔形成，這有待于進(jìn)一步的研究。

上述試驗(yàn)表明，

1)硅橡膠模具與工件配合消除間隙防止?jié)B膠。

2)硅橡膠模具高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定保持。

3)良好的整體脫模。

硅橡膠灌封模具能夠?qū)崿F(xiàn)剛性材料灌封模具相同的灌封功能，而且更加容易脫模，不滲膠，可減少工序。

5 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，灌封工藝中的剛性灌封模具完全可以采用硅橡膠模壓灌封模具替代，不僅能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工裝的全部功能，而且可以實(shí)現(xiàn)減少工序，提高質(zhì)量的優(yōu)勢，其中不足之處有待于進(jìn)一步研究。

[1] 項(xiàng)建云，葛茂忠，硅橡膠模在工藝品上的應(yīng)用研究，模具技術(shù)2008.NO.1，頁49.

[2] 道康寧(上海)有限公司,道康寧Silastic硅(氟硅)橡膠在汽車行業(yè)的解決方案，2005.10.18