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模型制品制造中的收縮率

2018/10/24 14:51
導讀: 橡膠工藝工作者都知道,模型橡膠制品是絕不會與其硫化模型一樣大的。成品在室溫下的尺寸與模型尺寸之差(以百分率表示)稱之為對模型的收縮率。由于模型制品的尺寸往往要求非常嚴格,因而
        橡膠工藝工作者都知道,模型橡膠制品是絕不會與其硫化模型一樣大的。成品在室溫下的尺寸與模型尺寸之差(以百分率表示)稱之為對模型的收縮率。由于模型制品的尺寸往往要求非常嚴格,因而掌握收縮率對正確地進行模型設計是相當重要的。
        一方面,橡膠冷卻時收縮是必要的,因為如果橡膠和模型熱膨脹系數相同,就難以脫模。另一方面,由于橡膠的收縮,就難以制造公差嚴格的制品。下面就要談到,降低硫化溫度、增加膠料中填充劑的用量、采用適當類型的橡膠、填充劑和模型材料,均可降低收縮率。
        收縮率主要取決于硫化膠和模型材料之間熱膨脹系數之差和硫化溫度。在硫化時完全充滿模型的橡膠制品,冷至室溫時,它比模型收縮得多,因為它的熱膨脹系數比模型大得多。因此,對模型尺寸的收縮量,取決于兩者熱膨脹系數之差和硫化溫度與室溫之差。計算收縮量的困難在于膠料不同時硫化膠的熱膨脹系數也不相同。但是,即使預先不作實驗,也可大體計算出收縮量。表3和圖9表明無填充劑天然膠膠料硫化溫度對其收縮率的影響(基本配方見圖9)。



        但是硅橡膠料與上述情況有所不同。硫化時間增加時,由于低分子成分的揮發而收縮率也有所增加。在所有硅橡膠中,以Sliopren SVA Batches 為基料的混煉膠收縮率最低(大約與天然膠相同),受硫化時間的影響也最小。
        除硫化溫度外,膠料中生膠含量對膨脹系數并因而對收縮率也有重大影響。一般地說,含膠量越高,熱膨脹系數越大。詳細的試驗還指出,諸如促進劑、防老劑、增塑劑、樹脂、蠟、油膏、再生膠及硫黃等類物質也會影響膠料的熱膨脹系數,其作用與生膠類同。所以計算收縮率時,也應將其并入橡膠含量中。
        填充劑對收縮率的影響比較復雜。曾發現,加入填充劑越多,則膠料收縮率越低。由于填充劑和模型材料的熱膨脹系數皆屬同一數量級(見表8),故填充劑的作用應該說主要是使膠料中的生膠含量降低。此外,還有其他難以用計算方法表示的影響,使實際收縮率比按生膠和填充劑的熱膨脹系數計算值小。表7和圖10及圖11所列許多填充劑的實驗結果清楚地反映了這一事實。用基本膠料配方(配方見圖7)并加入相應的填充劑作了相關的實驗。混煉膠在3大氣壓(表壓)(143℃)下硫化。表中首先列出收縮率的實測值,最后一欄是含膠量變化時的計算值。在計算中假定填充劑和模型金屬的熱膨脹系數是相等的,因而填充劑對收縮性不起作用。圖10與圖11上面一條曲線也是以收縮率的同樣計算為根據的。


        這些結果表明,填充劑增加時收縮率下降不能只用填充劑的熱膨脹系數比生膠小來解釋。所以用橡膠含量計算收縮率并不能滿足實際要求,而同樣重要的是應根據實驗曲線加以修正。丁腈膠中加入酯類增塑劑時更須作特別修正,因為朱維(Juve)和比錫(Beathy)曾發現,含這種增塑劑的膠料收縮率要比不加增塑劑的丁腈膠膠料大得多。
        由于橡膠和硫黃之間的反應而產生的收縮與溫度無關,對收縮率影響也小。實驗指出,含有常量硫黃之軟橡膠膠料這種收縮率小于0.1%。填充膠料因生膠含量低,其收縮更小,這種收縮在誤差范圍以內,通常可以不必考慮。
        表8列出一些物質的熱膨脹系數,可用于計算收縮率。
        需要指出的是,以膠料成分計算膠料收縮率時,由于硫化膠的各向異性,三個方向的收縮程度并不相同,以致精確度受到限制。對無填料的膠料無須為難。但必須估計到有時因壓延或其他操作而引起的取向(因有粒子或纖維而使在一特定的方向取向增加),相互垂直的三個方向收縮率不一致。無奈這種取向的程度不能預知,也就難于進行必要的校正。
        這一問題對橡膠與金屬結合的制品尤為嚴重。因為這時橡膠被金屬扯住,不能進行正常的收縮,而橡膠能夠自由移動的地方必然收縮較大。一種最特殊的情況是,兩個大金屬板之間夾有一片很薄的橡膠層,并且相互全部粘合在一起,膠層的整個收縮只能在與金屬垂直的方向進行,其收縮率幾乎是正常情況線性收縮率的三倍。根據不同的制品形狀,必須估計到這種垂直收縮率至少是水平方向的1~3倍。
        綜上所述,根據橡膠成分計算的收縮率只是一個大約數值。不過這種精確度已能滿足一般要求。在特殊情況下,應通過實驗確定收縮率。為此可用一具有精確尺寸的容器(例如其內部尺寸為300×200毫米)進行試樣硫化,根據試樣收縮后的長寬與容器的差數,可同時測出長和寬的收縮率。例如,混煉膠膠片(如300×15×15毫米)可在模型中交叉折疊四層后進行硫化,以消除壓出效應。長度的變化必須很精確地加以測量—最好是在一帶有三角形槽溝的鐵砧上用一個能自動制動的測微螺旋進行。測微螺旋與橡膠件接觸時必須非常準確,可以用放大鏡觀察。收縮率可用下式進行粗略計算(方程式9)。
        方程式9
        s(對模型的收縮率,%)=△T·△A·k·△F·△H
        其中:
        △T=硫化溫度與室溫之差
        △A=橡膠與模型熱膨脹系數之差
        K=橡膠+丙酮溶物的體積(以%計)
        △F=填充劑與模型熱膨脹系數之差
        △H=丙酮溶物與模型熱膨脹系數之差
        若△F和△H因子非常小,可忽略不計,則可用近似方程式10:
        方程式10
         S=△T·△A·k
        以上近似公式的可靠性是以假定填充劑與丙酮可溶物分別與模型材料和橡膠的熱膨脹系數相同為依據的,亦即假定它們與收縮率無關。嚴格地講,為了用方程式10進行實際計算,應該以有關填充劑類型和用量的因子△F和所用配合劑類型的因子△H加以修正。但是已如上述,由于各種原因,即使進行這種修正也不能得到十分精確的結果。反之,在多數情況下,用圖10和圖11中實驗得到的修正因子,可以相當準確地確定制造特定制品時模型應有多大尺寸,也可以確定利用現成模具而得到特定大小的制品應該怎樣調整膠料配方和硫化溫度。
        
        含膠量為99%的天然膠膠料,在143C的鋼模中硫化時,硫化膠冷至室溫的收縮率為2.49%。若已知鋼模的收縮率,則扣除0.1%即可求得相當準確的對輕金屬模的收縮率。
        特定溫度下的收縮率,可將另一溫度下的收縮率乘以與溫度有關的因子求得,如
        在143C下的收縮率是2.49%,在151℃C下的收縮率是:
       
        從圖10或11的曲線中求得計算曲線和含有相應數量填充劑的曲線之差,并從上述公式所計算的不含填充劑的膠料計算值中減去這個差值,即可求得為填充劑而作的必要修正。
 
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