解锁LSR注塑技术密码：从材料特性到生产挑战

在当今高技术制造业中，液体硅橡胶（Liquid Silicone Rubber，简称LSR）因其独特的性能和广泛的适用性，而成为众多领域不可或缺的高性能弹性体材料。LSR的注射成型技术作为生产精密橡胶制品的关键工艺，近年来经历了显著的技术革新，推动了医疗、电子、汽车等多个行业的产品创新。本文将深入探讨LSR材料的基础知识、其注塑加工的特点、商业用途，以及面临的技术挑战，并展现市场主流的解决方案（部分引自今年Chinaplas展会上的相关创新成果）。

 

LSR材料简介

液体硅橡胶（LSR）是一种双组分、室温下保持流动性的热固性材料，其主要成分是线性聚硅氧烷，通过添加适量的填料、交联剂、催化剂和其他助剂，可以调整其性能以满足不同应用需求（图1）。

 

图1：©互联网

为什么越来越多的成型厂家选择LSR？世上没有无缘无故的爱！LSR独特的性能对于各大品牌和OEM厂商来说，有着极大的诱惑力，并且这些性能还处于不断优化中。LSR具有透明度高、无嗅无味、粘度适中、触感良好、不变黄等特性，同时具有高绝缘性、耐磨、耐高温（持续工作温度达180℃）、耐低温（在-50℃下仍具有柔软性）、耐候、耐化学腐蚀、阻燃、抗老化、抗撕裂、高回弹性、生物相容、环保、电气绝缘性好等优点功效，使得其制品在极端环境下仍能保持稳定的功能表现，并对人体无毒，可完全达到食品级要求。

 

LSR制品的主要应用领域

因其特殊又优异的性能，LSR制品在建筑、电子电器、汽车、医疗、机械等多个领域得到了广泛应用，甚至在公共卫生、运动和休闲行业也有了越来越多的应用。

在建筑领域，密封性突出兼具很强抗紫外线辐射能力的LSR制品，被用作公路接缝的密封剂、高层建筑物嵌板、幕墙和内墙接缝的密封等。

 

图2：史达利公司（STARLIM SPRITZ GUSS GMBH）展示的激光数字硅胶板

LSR是一种低粘度的材料，可以进行高精度的注塑成型，能够制造出误差率极小的形状复杂部件。在消费电子领域，LSR适用于制造键盘、防护罩和耳机等消费电子产品。利用其耐油、耐化学品和弹性恢复性，LSR制品还可用于制造电脑、电话等设备的按键、智能穿戴设备的密封件等部件。奥地利史达利公司（STARLIM SPRITZGUSS GMBH）是世界上最大的液体硅胶加工厂商，年产140亿件硅胶制品，该公司在Chinaplas 2024上展示了一种激光数字硅胶板，它即使与人体皮肤接触也不会留下痕迹（图2）。用户使用APP可以扫描硅胶样品板表面激光水印，获取信息。该技术能够解决自动装配和长期重复使用部件认证相关问题，以及作为为客户提供产品数字化信息的接口。

在汽车领域，依靠其耐高温和耐化学品性能，LSR制品多出现在发动机密封件、电缆护套、燃油泵等汽车零部件中。

 

图3：©互联网

在医疗领域，得益于其卓越的生物兼容性和无毒抗菌特性，LSR制品常见于导管、密封圈、呼吸面罩、手术手套、支架植入物等医疗用具、器械和设备中（图3）。

 

图4：©互联网

在日常生活用品领域，因LSR安全无害，适合直接接触食品，因此这种材料也是食品生产和婴儿护理市场许多产品的理想材料，包括玩具、婴儿奶嘴、厨具、美容产品等（图4）。

 

图5：LSR材料的辊筒

在机械工程领域，例如塑料机械的制造过程中，也有一些地方用到了LSR配件，如常见的密封圈，以及薄膜生产线配置的胶辊等部件（图5）。

 

LSR注塑与常规注塑的异同

液体硅橡胶LSR为双组分的液态混合物，分为A组分与B组分。注塑工艺是通过定量装置将两者比例控制为1:1，再由静态混合器予以充分混合后进入塑化系统，经高温加热硫化成型，形成高度交联的弹性体（图6）。

 

图6：©互联网

与热塑性塑料的传统注射成型技术大致上相似，LSR注塑成型技术也要用到两个分开的模具，并使它们在重压下合在一起。模具腔内注满液体材料，待其凝固，形成固体零件后脱模而出。对注塑过程的温度、压力和速度进行精确控制，以保证产品质量的一致性，重复该生产过程，直到达到产品订单的需求量。

 

图7：©互联网

 

然而，尽管LSR注塑成型技术与常规热塑性注塑成型技术“形”似，“神”却有所不同！两者之间存在一些不同之处，第一大区别在于化学成分和热反应方式。LSR是一种热固性材料，在固化过程中会发生化学反应和分子变化，这种变化是永久性的，无法再回到未变化时的液体状态，类似于鸡蛋被煮熟了的样子。其次，在温度控制上，与热塑性塑料注塑过程是用热液填充冷模不同，LSR注塑则是用冷液填充热模，因此在进行直接浇注时，热塑性塑料使用“热流道”，而LSR则使用“冷半模”，模具相对简化，但模具的温度控制更为重要，以确保产品质量。另外，LSR低粘度的特性，使其能够在窄至1μm的间隙中轻松流动，因此LSR的加工压力要求显著降低（图7）。

 
LSR注塑技术的主要难点及解决方案

LSR注塑工艺除了对产品本身的结构设计有一定要求外；同时需要材料、注塑机、模具、自动化及辅机等有效组合，才能建立一套稳定的生产系统，从而大大降低产品的日常损耗，提升生产效率、减少故障停机率。当前LSR注塑生产技术的主要难点和挑战包括模具设计、硫化控制、材料稳定性和自动化设备等，通过合理的解决方案可以有效提高生产效率和产品质量。

◆ 收缩率控制：
LSR在脱模和冷却后会出现一定的收缩，这对制品的尺寸精度提出了更高的要求。解决方案包括优化模具设计、调整加工工艺参数以及采用后硫化等技术来降低收缩率。

◆ 脱模困难：
LSR制品在硫化后容易粘附在模具表面，导致脱模困难。解决方案包括采用经氮化或回火热处理的模具材料、设计合理的脱模结构以及使用脱模剂等。

◆ 温度控制：
LSR在模压过程中需要确保整个模具的温度场均匀分布，以促进LSR均匀固化。解决方案包括采用电加热方式、优化加热元件布局以及使用温度控制系统等。

图8：©互联网

德国阿博格（Arburg）公司是LSR注塑领域的领军者，在Chinaplas展上为汽车行业展示了一套方案，演示高性价比精密制造耐高温且耐介质的LSR轿车阀门，其核心产品是一台黄金版全电动注塑机Allrounder 470 E Golden Electric Evo，直接通过一套气动冷流道系统进行注塑，不会产生任何浇口（水口）。此机配备了1个具有液体冷却的高耐磨料筒、无压缩螺杆、1个止回流阀和液压的针式开合喷嘴、双主泵全闭环液压系统、带有1个专用于LSR加工的GESTICA控制界面、混合器和计量器的接口和模具吹气单元，以及用GESTICA控制界面进行控制的模具加温系统（图8）。

◆ 漏胶问题：
由于LSR的低粘度性，加工过程中容易出现漏胶现象。解决方案包括加强螺杆的密封性、采用针阀射嘴以及优化喂料系统等，防止材料回流和漏胶。

 

图9：©积康螺杆

国内的积康螺杆制造（上海）股份有限公司推出了一种水冷式液态硅胶螺杆料管装置，冷却系统保证料管温度均衡，从料管尾部到喷嘴的最前端，水流顺畅密封性好，特别开发的耐磨密封环让直线运动和旋转运动同时密封成为可能（图9）。 

 
◆ 材料浪费与成本控制：
LSR的高反应活性对精确的混合与注射提出高要求，以避免材料固化在设备中，固化过的产品不能循环再用，且LSR材料成本较高，造成浪费。解决方案是采用先进设备，在成型过程中引入高精度计量喂料系统、高效混合头、改制料管组的注塑机，以及特殊加热模具和高温控制器，以避免固化不全或过度固化，求得减少材料浪费，并确保混合均匀。

 

图10：©Mastip

塑料模具热流道系统供应商新西兰麦斯帝普（Mastip）公司针对LSR的最新解决方案是Aquilo液态硅胶注塑系统，采用“冷半模”设计，确保混合材料在进入加热型腔板之前保持未固化状态。阀针浇口技术的使用改善了型腔之间以及注射之间的平衡，消除了循环之间浇口中的材料固化。阀针浇口的时序控制是型腔保持平衡的关键部件。过量的闪光粉和浇口材料固化会导致成型零件出现缺陷，因此使用Mastip的LSR冷半模将提高制件质量并减少浪费（图10）。

◆ 模具设计与维护：
LSR材料流动性好，容易造成模具堵塞，因此对模具的设计和制造要求较高。而复杂的模具设计对精度要求极高，且需耐受LSR硫化过程中的高温，造成维护成本高昂。解决方案是合理设计模具结构，增加排气通道，以提高模具的使用寿命和制品精度，减少制品缺陷。

 

图11：©伊之密

在LSR注塑生产过程中，将LSR材料与另一种颜色的塑料相互套合，此工艺在广东和香港注塑界被唤作“套啤”，常见于玩具、电子产品外壳等产品的生产，可以增加产品的视觉效果和复杂度。针对一款“套啤”而成的LSR+注塑双色折叠饭盒产品（图11），伊之密公司推出了UN230CE-BTP全电动注塑+LSR多物料机搭载折叠式硅胶双色餐盒模具解决方案，实现热塑性注塑+热固性LSR一体成型，打破技术瓶颈，解决目前行业内套啤生产的各种痛点。

◆ 工艺参数优化：
成型高质量LSR产品的要素是工艺参数的稳定性，LSR材料的硫化速度快，需要通过不断调整和优化工艺参数，精确控制注射速度、温度和压力等参数，以生产出尺寸精确、形状复杂的制品，并保证制品的硫化程度和性能，提高生产效率。

◆ 材料成本较高：
较高的材料成本导致较高的制品成本，解决方案是研发新型材料，降低材料成本，提高性能。加工商也要与瓦克（Wacker）、迈图（Momentive）等LSR材料供应商合作，开发适用于特定应用的LSR配方，平衡成本与性能。

◆ 自动化设备：
LSR注塑技术需要配备高精度的自动化设备，从原料准备到成品取出均可通过机器完成，减少人工干预，提升产品质量一致性，实现省人工、高效、稳定的生产。

图12：©住友德马格

在CHINAPLAS的住友德马格（Sumitomo Demag）展台上，一套自动化系统与130吨锁模力的欧系全电动LSR专用注塑机IntElect LSR配套展示，Success 11 3轴机械手于模内取出4个不同的智能盖（SMART CAPS）硅胶产品放置在仿形台上进行激光打码，等待打码结束之后，机械手取出并有序放在传送带上，在传送过程中对产品进行视觉检测和清除次品（图12）。

面对当前LSR注射成型生产技术的难点，需要不断探索和创新解决方案，以提高制品的质量和性能，满足市场的需求，推动着产品创新与产业升级。

 

总结

如前所述，液态硅橡胶LSR俨然成为了一种突破传统认知局限和技术壁垒的“新贵”材质，越来越受到业界的关注和青睐，其在各大细分市场广泛应用的话题热度与日俱增。根据国外有关机构的预测，LSR制品市场的规模将以9.25%的年复合增长率不断增长，预计到2028年将超过43亿美元，亚太地区是LSR的最大应用市场。

未来，随着材料科学、自动化技术与智能制造的深度融合，LSR注射成型技术将在未来得到更广泛的应用，为更多领域带来高性能、高附加值的解决方案，从而迈入LSR应用的新纪元。

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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