注射成型工艺及优化方案

注射工艺所考虑的问题是在怎样的温度和压力条件下，能使胶料获得良好的流变性能，并在尽可能短的成型周期内获得高质量的产品。

1.温度首先应该指出，橡胶注射温度的控制与塑料注射有原则上的不同。塑料的注射是在料筒中先将物料加热到熔点Tm或黏流温度Tf以上，使它具有流动性，然后在柱塞或螺杆压力的推动下将物料注入模型，冷却凝固而得产品。物料的流动性主要靠外界加热提高温度来达到。橡胶注射时，首先考虑的不是加热流动，而是防止胶料温度过高发生焦烧的问题。一旦温度太高，胶料在机筒中发生早期硫化，轻则喷嘴堵塞，重则会使整个机筒堵塞，造成生产事故。为了达到高温快速硫化，又希望胶料从机筒经喷嘴射出后，尽可能接近模腔的硫化温度，以缩短生产周期，提高生产效率。温度虽然对胶料的流动性有一定的影响，但起决定性作用的则是注射压力、相对分子质量大小（塑化程度）及胶料配方。

下面分别从上述两个方面介绍机筒中物料温度控制和出喷嘴后物料温度的变化问题。

（1）机筒中的胶料温度变化及控制：胶料进入机筒后的温度变化如图11-29所示。当胶料进入螺杆后，由于机筒和螺杆的加热以及胶料本身变形放出的大量热能，温度很快上升，当胶料推出螺槽而进入机筒前端筒腔时，温度又有所下降，有时（如天然橡胶）可能下降30℃，此时胶料被缓缓向前推移直到全部填满筒腔。注射时，胶料通过喷嘴射出，由于强烈的剪切摩擦，胶料的温度又急剧上升。螺杆前推时温度曲线的变化如图中虚线所示。

图11-29　胶料在机筒中的温度变化图

1-螺杆后退位置时　2-螺杆前移位置时

胶料在机筒中的允许最高温度与胶料硫化特性有关，一般不应超过120℃。因为硫黄的熔点为119℃，高于120℃时就可能开始硫化，而机筒上测得的温度又往往比胶料内层温度低20～25℃，所以机筒温度多半控制在90～95℃，这样胶料温度就不至于超过120℃。

为了保证机筒中胶料温度在允许范围以内，需要控制影响胶料温度的因素。影响机筒中胶料温度的因素很多，主要有螺杆转速、背压大小、胶料可塑度、螺杆结构及机筒温度。

（2）经过喷嘴后的胶料温度：胶料通过喷嘴后的升温程度与喷嘴结构（包括入口斜度和孔径大小）及胶料组成有关。

三种胶料的试验机台研究结果表明，当喷嘴锥形部位的斜度为30°～75°时，胶料温度上升最慢，此时压力损失也小。

在一定条件下，当喷嘴孔径减小时，胶料温度上升，注射时间增加，硫化时间缩短，如图11-30所示。当孔径小于2mm时，喷嘴大小对温度影响不大，曲线变化较为平坦，而太大时（大于6mm）影响也不大，所以一般取2～6mm为佳。

喷嘴直径有时仅差零点几毫米就会得到不同的结果。例如，试验表明，当用直径3.2mm的喷嘴注射某胶料时会引起焦烧，而改用4mm的喷嘴时，直径仅差0.8mm，则不产生焦烧现象。

胶料种类不同，通过喷嘴后升温情况也不相同。图11-31表明各种胶料经喷嘴射出时温度上升的情况。

图11-30　喷嘴大小对温度和注射时间的影响

图11-31　各种胶料经喷嘴后温度升高与门尼黏度的关系

1-天然橡胶　2-丁苯橡胶（SBR 1500）　3-丁苯橡胶（SBR 1712）　4-丁基橡胶　5-异戊橡胶

2.压力注射压力对胶料充模起着决定性作用。注射压力的大小取决于胶料的性质、注射机的类型、模具的结构以及注射工艺条件的选择等。橡胶的表观黏度随压力和剪切速率的增加而降低。所以增加注射压力可以提高胶料的流动性，缩短注射时间。由于提高压力可使胶料温度上升，因而硫化周期也大大缩短。从防焦的观点来看，提高压力也是有利于防止焦烧的。因为提高压力虽然会提高胶料的温度，但它缩短了胶料在注射机中的停留时间，因此减少了焦烧的危险性。所以原则上，注射压力应在许可压力范围内选用较大的数值。

图11-32表明注射压力对注射温度和注射时间的影响。图11-33是乙丙橡胶、聚异戊二烯橡胶和丁苯橡胶注射压力对注射时间的影响。由图可见，压力开始增高时，胶料流动性大大增加，注射时间急剧降低，当注射压力达到一定值后，注射时间不再缩短。由此我们可以得到以下三点结论。

图11-32　注射压力对注射温度和注射时间的影响

图11-33　三种橡胶的注射压力对注射时间的影响

（1）如果注射压力不足，注射时间增加，注射困难，生产效率显著下降。一般来说，橡胶注射要求在较高的注射压力下进行，具体多大需根据该胶料的流变曲线确定。

（2）在压力不足时，微小的压力波动就会引起注射时间、胶料温度等工艺参数的变化，造成产品质量的波动，而在较高的注射压力下产品质量比较稳定。(www.xing528.com)

（3）过高的注射压力并不能进一步缩短注射时间，图11-32、图11-33中曲线已进入水平状态，对提高生产效率不再显示什么效果，反而增加了设备的负荷，因此此时无论是注射部件、锁模机构或液压系统都需相应增大和加固。此外过高的注射压力还会造成卸模困难、溢边太厚等弊病。

3.时间完成一次成型过程所需的时间称为成型周期或总周期，用t总表示，它是硫化时间t硫和动作时间t动的总和：

t总=t硫+t动

其中，动作时间包括注射机部件往复行程所需的时间t行、充模时间t充、模型开闭时间t模和取件时间t取：

t动=t行+t充+t模+t取

供料、塑化等过程是在硫化时间进行的，这些时间已包括在硫化时间之内，所以不必另行计算。

在整个注射周期中，硫化时间和充模时间极为重要；它们的计算分配取决于胶料的硫化特性和设备参数。从硫化工艺来看，主要根据胶料在一定温度下的焦烧时间t焦和正硫化时间t正硫进行配合，要求：

t充＜t焦

t硫=t正硫

充模时间必须小于焦烧时间，不然胶料会在喷嘴和模型流道处硫化，此外还要考虑到充模后应留下一定的时间，以使胶料能在硫化反应开始前完成压力均化过程，提高分子链的松弛程度，消除物料中流动取向造成的内应力。

以丁腈40胶料为例，如果在190℃下进行注射硫化，预先测得该胶料在190℃下的焦烧时间为25s，正硫化时间为60s，那么t充可定为15s，压力均化为5s，这样，

15s+5s＜325s

确定充模时间后，就可以根据每次注胶量确定注射速度和压力。

胶料的配方，特别是填充剂及软化剂的品种和含量，对注射压力和充模时间有十分重要的影响，图11-34表明高耐磨炭黑HAF、白炭黑和软质高岭土为填充剂时的情况。

图11-35为软化剂对注射压力和充模时间的影响。可以看出，软化剂可以大大缩短一定压力下的充模过程，如不加软化剂时，该胶料在700MPa的注射压力下，充模过程还是十分缓慢的，然而同样的胶料加入环烷油软化剂后，在20～30MPa的压力下，只要50s即可完成充模。

图11-34　填充剂对注射压力与充模时间依赖关系的影响

（100质量份异戊橡胶+60质量份填充剂）

1-高耐磨炭黑HAF　2-白炭黑　3-软质高岭土

图11-35　软化剂对注射压力与充模时间依赖关系的影响

1-不加软化剂　2-加入软化剂

硫化时间在整个周期中占很大比例，有时往往比其他过程所需时间多出许多倍。缩短硫化时间是注射工艺的重要任务。硫化时间虽然与喷嘴大小、流胶道结构、注射压力等因素有关，但它主要取决于胶料的性质。采用高温快速有效的硫化体系可以大大缩短硫化时间，这种体系在不太高的温度下有很好的防焦性能，一旦达到高温后，在数秒至数十秒内即可达到正硫化点。