周傳忠 田雨

摘 要：本文針對(duì)氯醇橡膠球囊產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的微裂紋以及在實(shí)際工況條件下微裂紋擴(kuò)大致使產(chǎn)品失效的情況進(jìn)行細(xì)致介紹，利用有限元分析和高速攝像等方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行剖析，結(jié)合生產(chǎn)工藝流程分析問(wèn)題產(chǎn)生原因，對(duì)不同溫度下4501橡膠各力學(xué)性能指標(biāo)的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，以此對(duì)產(chǎn)品啟模過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率的提升。

關(guān)鍵詞：4501橡膠;球囊;啟模工藝;溫度;力學(xué)性能

1 研究背景

1.1 產(chǎn)品問(wèn)題概述

啟模過(guò)程復(fù)雜，一直以來(lái)產(chǎn)品的合格率維持在可觀的水平。但是，隨著氣候環(huán)境等因素的變化，產(chǎn)品呈現(xiàn)出了一種新的缺陷，在放大鏡下觀察可以發(fā)現(xiàn)，注膠柱根部產(chǎn)生了微裂紋。微裂紋在實(shí)際工況條件下不斷擴(kuò)大生長(zhǎng)，最終穿透膠囊壁，導(dǎo)致了產(chǎn)品失去氣密性而失效。經(jīng)過(guò)排除法初步分析，微裂紋最有可能在啟模階段形成。因此，觀察微裂紋產(chǎn)生過(guò)程，分析產(chǎn)生原因并以此改進(jìn)生產(chǎn)工藝，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)4501橡膠的性質(zhì)和微裂紋的產(chǎn)生機(jī)理，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，有著積極地意義。

1.2 氯醇橡膠4501

氯醇橡膠4501（簡(jiǎn)稱4501橡膠）是以氯醇橡膠生膠為原料制備而成的一種主鏈含醚鍵、側(cè)鏈含氯的特種橡膠[1]，由于其良好的綜合性能特別是高低溫性能和耐氣體滲透性能而在航天航空領(lǐng)域有著重要應(yīng)用[2-5]。氯醇橡膠生膠主要是由環(huán)氧氯丙烷、環(huán)氧乙烷和烯丙基縮水甘油醚等單體聚合而成，依據(jù)聚合單體的不同，分為均聚氯醇（表氯醇）橡膠、二元共聚氯醇橡膠和三元共聚氯醇橡膠三種[6]。其中均聚氯醇橡膠是環(huán)氧氯丙烷獨(dú)立聚合而成;二元共聚氯醇橡膠則由環(huán)氧氯丙烷和環(huán)氧乙烷按照等摩爾比聚合而成;而三元共聚氯醇橡膠則由以上三種單體共聚而成（其中縮水甘油醚的比例不超過(guò)5wt%）。

氯醇橡膠通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合而成，沒(méi)有乳化劑等雜質(zhì)引入，屬于純度較高的橡膠品種。適合在航天領(lǐng)域嚴(yán)苛的工況中使用。

1.3 產(chǎn)品成型工藝

4501橡膠由于其優(yōu)秀的綜合性能，在大范圍溫度變化、反復(fù)曲撓運(yùn)動(dòng)、高標(biāo)準(zhǔn)氣密性要求的工況中有著重要應(yīng)用。膠囊作為其中最有代表性的產(chǎn)品，在嚴(yán)苛的工況環(huán)境下很好的體現(xiàn)出了材料的各項(xiàng)性能，加之復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，使其尤為值得研究和討論。

膠囊產(chǎn)品采用模壓成型工藝制備，其工藝路線經(jīng)歷金屬骨架處理、膠料毛坯制備、一段硫化、啟模、二段硫化、修邊、檢查包裝七個(gè)階段。由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故硫化過(guò)程中所使用的產(chǎn)品模具復(fù)雜（如圖1所示），使得啟模過(guò)程繁復(fù)。

啟模過(guò)程分為如下幾個(gè)階段：首先用注膠塞專用啟模工具將注膠塞取出，清除注膠腔內(nèi)的剩余膠膜，撬松上模后，用注膠柱專用脫模工裝對(duì)注膠柱按壓脫模，隨后分別脫除中模、下模。將帶有模芯的球囊連接充氣脫模工裝，放入布袋中，打開(kāi)充氣閥，將膠囊從工裝中脫除，完成全部啟模過(guò)程。

2 研究分析

2.1 啟模過(guò)程

通過(guò)對(duì)啟模過(guò)程中各步驟進(jìn)行分析可知，脫除上模和充氣脫除模芯兩個(gè)步驟可對(duì)注膠柱根部產(chǎn)生影響。在脫除上模的過(guò)程中，模具與注膠柱表面發(fā)生滑移，拉扯注膠柱使其產(chǎn)生位移，可以造成注膠柱根部的微裂紋產(chǎn)生。在充氣脫模的過(guò)程中（如圖2所示），由于外壓的注入，產(chǎn)品發(fā)生較大形變，結(jié)構(gòu)最大外徑處會(huì)膨脹約160%，可對(duì)注膠柱根部的微裂紋產(chǎn)生影響。

2.2 膠囊表面應(yīng)力分析

為了確認(rèn)啟模過(guò)程中的充氣脫除模芯步驟對(duì)于膠囊注膠柱根部的影響，由于產(chǎn)品隨上模脫除過(guò)程中的應(yīng)力難以測(cè)量，因此通過(guò)有限元分析的方法，對(duì)膠囊表面的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。膠囊在150℃脫模，需注入外壓，結(jié)構(gòu)最大外徑會(huì)膨脹約160%，即最大外徑由95mm變?yōu)?52mm?？紤]膠囊留有2mm注膠柱情況，分析膠囊是否在脫模過(guò)程中發(fā)生破壞。

由有限元分析可知，膠囊注膠柱最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在根部，為5.48MPa。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，由于一段硫化溫度約150℃，產(chǎn)品從脫去上模開(kāi)始，表面溫度逐漸降低（如圖3所示），而一般情況下膠料的力學(xué)性能隨溫度的降低而隨之升高。當(dāng)膠料處于較高溫度時(shí)進(jìn)行充氣脫模，較大的變形量和較低力學(xué)性能可能是誘發(fā)注膠柱根部微裂紋產(chǎn)生的原因。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察，熟練操作人員在充氣脫模前操作時(shí)間約2min，此時(shí)對(duì)膠囊溫度進(jìn)行了測(cè)定，約為120℃，充氣脫模后，檢查了注膠柱根部，發(fā)現(xiàn)有裂紋產(chǎn)生。

綜上所述，在啟模過(guò)程中，膠囊產(chǎn)品在充氣脫模時(shí)溫度較高，橡膠材料相對(duì)力學(xué)強(qiáng)度較低，充氣脫模膨脹時(shí)其外側(cè)注膠柱根部應(yīng)力集中部位發(fā)生撕裂，是微裂紋產(chǎn)生的原因。因此，本文通過(guò)研究不同溫度條件下4501膠料的力學(xué)性能變化趨勢(shì)，分析得到適合膠囊產(chǎn)品充氣脫模過(guò)程的適宜溫度，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品合格率。

2.3 性能測(cè)試

2.3.1 溫度對(duì)撕裂強(qiáng)度的影響

一般而言，溫度對(duì)于膠料力學(xué)性能的影響十分明顯。為了研究啟模過(guò)程中膠料的力學(xué)性能受溫度變化的趨勢(shì)，對(duì)僅一段硫化后的4501膠料的撕裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著溫度的降低，材料的拉伸強(qiáng)度逐漸升高，增長(zhǎng)幅度較為平緩，增幅達(dá)到90.0%。

2.3.2 溫度對(duì)拉斷伸長(zhǎng)率的影響

溫度對(duì)于4501橡膠拉斷伸長(zhǎng)率的影響與對(duì)撕裂強(qiáng)度的影響相似。同樣在100℃及以下溫度，僅一段硫化后的4501橡膠的伸長(zhǎng)率明顯升高。如圖5所示。

2.4 研究總結(jié)

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于僅一段硫化的4501膠料，溫度對(duì)于其撕裂強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率的影響相似，隨著溫度的降低，上述性能指標(biāo)都存在上升趨勢(shì)，其中橡膠的撕裂強(qiáng)度增長(zhǎng)較為平穩(wěn)，拉斷伸長(zhǎng)率在100℃至80℃間增長(zhǎng)顯著。

2.5 成果應(yīng)用

根據(jù)上述有關(guān)溫度對(duì)4501橡膠力學(xué)性能影響的研究結(jié)果，對(duì)膠囊產(chǎn)品啟模工序進(jìn)行了改進(jìn)。在充氣脫模前增加一測(cè)溫工序，利用紅外測(cè)溫儀對(duì)膠囊表面的溫度進(jìn)行測(cè)定，考慮到實(shí)際生產(chǎn)效率等因素，待溫度處于85～100℃范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行充氣脫模操作。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察，對(duì)本工藝改進(jìn)措施進(jìn)行驗(yàn)證，均能正常脫出，根部無(wú)裂紋。檢測(cè)結(jié)果證明，本改進(jìn)方案可行、有效。

3 總結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了一種具有優(yōu)異高低溫性能和耐氣體滲透性能的橡膠4501的特點(diǎn)，以及以此制備的一種具有代表性的產(chǎn)品——膠囊——的生產(chǎn)工藝。針對(duì)生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)的微裂紋以及在實(shí)際工況條件下微裂紋擴(kuò)大致使產(chǎn)品失效的情況進(jìn)行細(xì)致介紹。利用有限元分析等方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行剖析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝流程分析發(fā)現(xiàn)，啟模過(guò)程中，產(chǎn)品表面溫度的變化是影響微裂紋產(chǎn)生的主要原因。通過(guò)研究不同溫度下4501橡膠各力學(xué)性能指標(biāo)的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)溫度低于100℃后，產(chǎn)品的整體力學(xué)性能由顯著的提升。因此對(duì)產(chǎn)品啟模過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，利用新工藝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)生產(chǎn)，檢測(cè)結(jié)果顯示改進(jìn)方案可行、有效。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚玉紅，許耀東，田友峰，等.紅外光譜法差示掃描量熱法鑒別氯醚橡膠類型[J].橡膠科技，2014.

[2]錢麗麗，黃承亞.氯醚橡膠/氟橡膠共混物性能的研究[J].特種橡膠制品，2009（30）：40-42.

[3]饒秋華，晏欣，宋玉蘇，等.氯醚橡膠/丁腈橡膠共混物的研究[J].特種橡膠制品，2003（24）：1-2.

[4]蔣修治.氯醚橡膠的最新動(dòng)向[J].橡膠參考資料，2006（36）：18-21.

[5]那洪東.氯醚橡膠及氯化聚乙烯橡膠的交聯(lián)和配合技術(shù)[J].世界橡膠工業(yè)，2002（29）：6-12.

[6]賴林海，楊李，王玉榮.用三異丁基鋁/無(wú)水磷酸/1，8-重氮-雙環(huán)[5.4.0]-7-十一碳烯催化體系合成三元氯醚橡膠[J].合成橡膠工業(yè)，2015（38）：176-180.