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高性能硅橡膠按鍵的制造
閱讀次數(shù)：次 發(fā)布人：原創(chuàng) 添加時(shí)間：2013-7-18
電子設(shè)備的控制開(kāi)關(guān)、按鍵及各種消費(fèi)電子產(chǎn)品的遙控器，都選用高性能硅橡膠按鍵.這是因?yàn)楣柘鹉z具有良好的回彈性和優(yōu)異的手感，以及表面能較低不易污染，抗老化性能好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。硅橡膠導(dǎo)電按鍵已成為新型電子產(chǎn)品所必需的配套部件，在橡膠行業(yè)中也發(fā)展成一項(xiàng)專用的一大類產(chǎn)品滿足各式各樣的電子設(shè)備及消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求。
該項(xiàng)技術(shù)國(guó)外在7O年代初已開(kāi)發(fā)應(yīng)用，8O年代已完全成熟。廣泛應(yīng)用于軍用電子設(shè)備、電話機(jī)、電子琴、計(jì)算機(jī)和量大面廣的消費(fèi)電子產(chǎn)品的遙控器。國(guó)內(nèi)8O年代后期引進(jìn)國(guó)外成熟技術(shù)由合資廠在沿海一帶建廠生產(chǎn)，主要是以生產(chǎn)遙控器按鍵為主。對(duì)量小、要求高的尤其是軍用電子設(shè)備硅橡膠按鍵的研究仍處在試制階段。
技術(shù)要求及主要參數(shù)
硅橡膠按鍵是以硅橡膠的回彈性代替金屬?gòu)椈蓸?gòu)件，并將鍵與簧一體化都由硅橡膠構(gòu)成 。因此，對(duì)硅橡膠按鍵提出以下技術(shù)要求：
(1)產(chǎn)品使用壽命：大于15萬(wàn)次(試驗(yàn)條件為1～2次／秒)。
(2)反彈性起好能迅速?gòu)?fù)位。
(3)行程0．3～1．5mm，負(fù)荷力(50~250
(4)標(biāo)準(zhǔn)接觸電阻值：≤100n。
(5)按 鍵 絕 緣 電 阻 值≥1×101~／500VDC。
(6)產(chǎn)品外觀平滑，表面平整，無(wú)缺路，色調(diào)一致 零件尺寸應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖紙要求。
對(duì)于硅橡膠導(dǎo)電按鍵而言，按鍵材料分為兩個(gè)部分：一是具有高彈性、高強(qiáng)度、高抗撕性能的絕緣硅橡膠；二是具有良好導(dǎo)電性和具有一定物理機(jī)械性能的彈性導(dǎo)電硅橡膠。成 品應(yīng)能通過(guò)規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)。
1.膠料主要性能與參數(shù)
按鍵絕緣部分的成品要求具有良好的反彈性，而反彈性好壞取決于兩個(gè)因素：一是膠料本身的特性指標(biāo)；二是構(gòu)形設(shè)計(jì)。通常按鍵的優(yōu)劣，能否正常工作的主要考核指的就是衡量其反彈性太小和手感。該參數(shù)的含義是當(dāng)用50～250克力作用于按鍵 ，將按鍵按至一定行程，這時(shí)需要成品對(duì)外力有高的反應(yīng)靈敏度，而當(dāng)外力除去之后，成品要在規(guī)定 的時(shí)間內(nèi)反彈回原始位置，反彈力要大。最佳的反彈力除與膠料材料固有的特性有關(guān)外，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀將是起決定的因素之一。圖2是不 同結(jié)構(gòu)形式的硅橡膠按鍵負(fù)荷行程特性曲線。
曲線圖可視為行程和受力的力學(xué)關(guān)系，這將由材料特性和結(jié)構(gòu)形式所決定。歸結(jié)到材料特性主要是指彈性、硬度、強(qiáng)度和抗撕強(qiáng)度等指標(biāo)。經(jīng)分析國(guó)外產(chǎn)品與經(jīng)大量試驗(yàn)結(jié)果，提出以下材料性能指標(biāo)，作為高性能硅橡膠按鍵絕緣膠料的質(zhì)量控制指標(biāo)。
拉伸強(qiáng)度(MPa)：5．0～8．0
扯斷伸長(zhǎng)率( )：>300
撕裂強(qiáng)度(KN／m)：>20
硬度(邵A)：50～60
導(dǎo)電膠料除強(qiáng)度及硬度有 一定要求外，接觸電阻值應(yīng)小于100n，還應(yīng)考慮在受應(yīng)力、應(yīng)變和高低溫下阻抗不應(yīng)發(fā)生變化。
2.制造工藝路線的確定
遙控器按鍵的生產(chǎn)工藝較為特殊 ，它是 由絕緣膠和導(dǎo)電膠料復(fù)合而成，兩種膠科不 能互串。目前生產(chǎn)質(zhì)量和效率較高的公司均采用二次硫化工藝。這種工藝方法是先將導(dǎo)電膠料硫化，再用沖頭沖至成膠粒，生產(chǎn)時(shí)將膠粒采用自動(dòng)化裝料法，將導(dǎo)電膠粒裝入模具規(guī)定的位置，最后將絕緣膠料覆蓋上，再次硫化而成另一種方法是一次硫化工藝，就是將導(dǎo)電膠先壓成一定厚度，用手輥將導(dǎo)電膠片擠壓到模具導(dǎo)電腔內(nèi)，把多余的膠邊撕下后，覆蓋上絕緣膠一次硫化而成。
一次硫化工藝特點(diǎn)：效率高、成本易操作。
缺點(diǎn)：不清潔、導(dǎo)電膠易漏裝
二次硫化工藝特點(diǎn)：清潔、導(dǎo)電膠與絕緣膠分明、效率高。
缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，成本略高。
眾所周知，未經(jīng)填充補(bǔ)強(qiáng)的硅橡膠強(qiáng)度很低，因而無(wú)使用價(jià)值，要達(dá)到高性能指標(biāo)，必需在補(bǔ)強(qiáng)方法和助劑選擇上深入研究才能達(dá)到預(yù)期的效果。
A. 絕緣硅膠料的研制
(1)氣相法SIO：品種對(duì)膠料力學(xué)性能的影響
我們圍繞如何提高材料力學(xué)性能和彈性開(kāi)展了對(duì)補(bǔ)強(qiáng)劑的選擇試驗(yàn)。多年來(lái)，很多科開(kāi)展了對(duì)補(bǔ)強(qiáng)劑的選擇試驗(yàn)。多年來(lái)，很多科實(shí)際使用中白碳黑品種與量之間相互滲透，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)開(kāi)展本項(xiàng)工作有一定的幫助。我們選用2號(hào)、4號(hào)白碳黑，經(jīng)D．處理的2號(hào)白碳黑和西德產(chǎn)R972白碳黑及沉淀法SiO2等材料，基本配方如下：
●硅膠 110一2 100
●結(jié)構(gòu)控制劑 3-5
●氣相法白碳黑 40-50
●DCP 1
|
性能 白炭黑種類 |
2# |
4# |
2#、4#并用 |
R972（西德） |
|
硬度(日陋 ) |
58 |
52 |
50 |
58 |
|
拉仲?gòu)?qiáng)度(MPa) |
6.1 |
6.2 |
5.8 |
10.1 |
|
扯斷伸長(zhǎng)率(%) |
240 |
400 |
370 |
410 |
|
撕裂強(qiáng)度(KN／m) |
|
29 |
10 |
15 |
|
沖擊彈性( ) |
45 |
31 |
36 |
41 |
試驗(yàn)結(jié)果表明，白碳黑品種對(duì)膠料的物理機(jī)械性能影響甚大，其中綜合性能最佳的
是西德進(jìn)口的R 972白碳黑。但考慮到料源的穩(wěn)定因素等，還是選用2#和4#白碳黑并用，調(diào)整比例， 使抗撕強(qiáng)度提高到20 K N ／m以上，達(dá)到實(shí)用化要求。
(2)結(jié)構(gòu)控制劑對(duì)硅膠性能的影響 為了獲得優(yōu)異的抗撕、扯斷強(qiáng)度及高彈性膠料，我們對(duì)結(jié)構(gòu)控制劑進(jìn)行了篩選，我們選用的結(jié)構(gòu)控制劑有 ：
●六甲基二硅氮烷
●八甲基環(huán)四硅氧烷
●羥基硅油
●硅二醇等
結(jié)構(gòu)控制劑對(duì)硅膠性能的影響
|
種類 性能 |
硬度 (邵A) |
強(qiáng)度 (MPa) |
撕裂 （KN/m） |
伸長(zhǎng)率 (%) |
沖彈 (%) |
壓變20% 150℃×24 h |
|
羥基硅油 |
56 |
5.5 |
11 |
300 |
40 |
20 |
|
硅二醇 |
52 |
6.1 |
29 |
370 |
31 |
23 |
|
硅氮烷A |
48 |
6.8 |
32 |
480 |
35 |
32 |
|
硅氮烷B |
46 |
6.6 |
35 |
530 |
34 |
13 |
實(shí)驗(yàn)表明采用硅氮烷類及硅二醇都能使硅膠料獲得良好的力學(xué)性能。但考慮到膠料
的綜合性能及加工工藝，成本等因素，我們選用了以硅二醇為主的結(jié)構(gòu)控制劑，用量控制 在二氧化硅用量的10%左右。
硅二醇用量對(duì)硅膠性能的影響
|
用量 性能 |
硬度 (邵A) |
伸長(zhǎng)率 (%) |
強(qiáng)度 (MPa) |
撕裂 （KN/m） |
沖彈 (%) |
|
硅二醇 5 |
56 |
310 |
6.7 |
10 |
37 |
|
硅二醇 7 |
38 |
560 |
5.4 |
25 |
22 |
|
硅二醇 9 |
32 |
630 |
5.1 |
24 |
21 |
以上試驗(yàn)表明，在氣相法Si O 2按一定量填充情況下，適當(dāng)增加硅二醇等結(jié)構(gòu)控制劑的量，能使氣相法Sl O在膠料中充分分散。同 時(shí)膠料中硅醇基濃度增加可使硅橡膠與氣相
SiO2的結(jié)合程度增加，從而提高硅膠的物理機(jī)械強(qiáng)度。
(3)膠料其他性能的綜合試驗(yàn)
在解決上述二大問(wèn)題之后，我們又圍繞如何進(jìn)一步提高膠料的抗撕和強(qiáng)度等問(wèn)題進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家這個(gè)問(wèn)題已基本解決，但在國(guó)內(nèi)目前雖然建立了多種理論， 并在一定程度上指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，但至今尚未得到同行一致認(rèn)可的完整的理論。因而在國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度、高抗撕膠料一直處在試制階段，沒(méi)有形成定型的批量生產(chǎn)。表4是采用含乙烯基有機(jī)硅化合物對(duì)膠料改性的結(jié)果。
乙烯基硅化合物對(duì)膠科性能的影響
|
種類 性能 |
硬度 (邵A) |
強(qiáng)度 (MPa) |
抗撕 （KN/m） |
伸長(zhǎng)率 (%) |
沖彈 (%) |
壓變20% 150℃×24 h |
|
羥基硅油 乙烯基硅油 |
50 |
6.4 |
33 |
810 |
31 |
|
|
硅二醇 硅氨烷 |
52 |
11.9 |
30 |
330 |
46 |
18 |
|
硅氨烷 A151 |
46 |
6.6 |
35 |
530 |
34 |
13 |
B.導(dǎo)電硅膠科
導(dǎo)電性高分子材料，按其結(jié)構(gòu)分為兩種類型，一種是本身能呈現(xiàn)導(dǎo)電性能的高分子料,另一種是在高分子化合物中配合導(dǎo)電填充劑�？紤]到在硅膠中填充導(dǎo)電填充劑，不但要考慮到膠的導(dǎo)電性，而且還要考慮到綜合力學(xué)性能和性能／成本價(jià)格比等因素，我們選擇以填充導(dǎo)電碳黑為主的技術(shù)路線。填充碳黑的高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理是異常復(fù)雜的，其導(dǎo)電機(jī)理主要?dú)w納為以下兩種：
(1)碳黑粒子互相聯(lián)接成鍵產(chǎn)生導(dǎo)電通路。
(2)除了粒子之間接觸，又由于電子分散于基體中碳黑粒子問(wèn)隙遷移所產(chǎn)生的電子導(dǎo)通， 即由導(dǎo)電微粒提供的自由電子載流子產(chǎn)生的導(dǎo)通現(xiàn)象。
根據(jù)這些機(jī)理，我們確定選擇能用于絕緣膠料必需相容的硅橡膠為基料，乙炔碳黑為導(dǎo)電填充料，在試驗(yàn)中我們?cè)x擇性地填加一些金屬料末，結(jié)果并不理想。
乙炔碳黑用量與電阻值的相關(guān)性
|
炭黑用料 性能 |
體積電阻率 |
接觸電阻 |
|
50 |
2.7*100 |
300 |
|
60 |
3.2*10 |
160 |
|
70 |
1.0*1000 |
80 |
當(dāng)乙炔黑用量達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，膠料的電阻值急劇下降 ，這一現(xiàn)象可解釋為只有當(dāng)碳黑用量超過(guò)這一臨界值時(shí)，才足以形成一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電鏈狀結(jié)構(gòu)，而低于這一用量時(shí)，只能形成部分連續(xù)的結(jié)構(gòu)。
決定導(dǎo)電膠的導(dǎo)電性能由以下幾個(gè)因素決定 ：
●碳黑的品種及表面狀態(tài)
●是否對(duì)碳黑作過(guò)表面處理
●碳黑在硅橡膠中能否分散均勻，這將取決于混煉時(shí)間、方法、及硫化溫度等因素。
四、 結(jié)論
(1) 通過(guò)大量配方試驗(yàn)，掌握了不同種類白碳黑、結(jié)構(gòu)控制劑對(duì)膠料力學(xué)性能的影響，研制 出具有高彈性、低壓縮變形和具有綜合物理機(jī)械性能的硅橡膠按鍵絕緣膠料， 達(dá)到實(shí)用化要求。
(2) 以硅橡膠為基料，乙炔黑為導(dǎo)電填充料，研制成具有適合于按鍵專用的導(dǎo)電膠料，接觸電阻可控制在i00 歐姆以內(nèi)。
(3) 初步確定出一條適合于大批量產(chǎn)的工藝方法、并已在擴(kuò)大試生產(chǎn)中驗(yàn)證。
(4 ) 硅橡膠導(dǎo)電按鍵 除應(yīng)用于遙控器生產(chǎn)外，還可推廣應(yīng)用于軍用電子設(shè)備的各種
按鍵，具有可靠，手感好，防潮密封等特點(diǎn)。
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