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高性能硅橡膠按鍵的制造
閱讀次數:次 發布人:原創 添加時間:2013-7-18
電子設備的控制開關、按鍵及各種消費電子產品的遙控器,都選用高性能硅橡膠按鍵.這是因為硅橡膠具有良好的回彈性和優異的手感,以及表面能較低不易污染,抗老化性能好等獨特的優點。硅橡膠導電按鍵已成為新型電子產品所必需的配套部件,在橡膠行業中也發展成一項專用的一大類產品滿足各式各樣的電子設備及消費電子產品的需求。
該項技術國外在7O年代初已開發應用,8O年代已完全成熟。廣泛應用于軍用電子設備、電話機、電子琴、計算機和量大面廣的消費電子產品的遙控器。國內8O年代后期引進國外成熟技術由合資廠在沿海一帶建廠生產,主要是以生產遙控器按鍵為主。對量小、要求高的尤其是軍用電子設備硅橡膠按鍵的研究仍處在試制階段。
技術要求及主要參數
硅橡膠按鍵是以硅橡膠的回彈性代替金屬彈簧構件,并將鍵與簧一體化都由硅橡膠構成 。因此,對硅橡膠按鍵提出以下技術要求:
(1)產品使用壽命:大于15萬次(試驗條件為1~2次/秒)。
(2)反彈性起好能迅速復位。
(3)行程0.3~1.5mm,負荷力(50~250
(4)標準接觸電阻值:≤100n。
(5)按 鍵 絕 緣 電 阻 值≥1×101~/500VDC。
(6)產品外觀平滑,表面平整,無缺路,色調一致 零件尺寸應符合設計圖紙要求。
對于硅橡膠導電按鍵而言,按鍵材料分為兩個部分:一是具有高彈性、高強度、高抗撕性能的絕緣硅橡膠;二是具有良好導電性和具有一定物理機械性能的彈性導電硅橡膠。成 品應能通過規定的環境試驗和壽命試驗。
1.膠料主要性能與參數
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因素:一是膠料本身的特性指標;二是構形設計。通常按鍵的優劣,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。該參數的含義是當用50~250克力作用于按鍵 ,將按鍵按至一定行程,這時需要成品對外力有高的反應靈敏度,而當外力除去之后,成品要在規定 的時間內反彈回原始位置,反彈力要大。最佳的反彈力除與膠料材料固有的特性有關外,產品的結構形狀將是起決定的因素之一。圖2是不 同結構形式的硅橡膠按鍵負荷行程特性曲線。
曲線圖可視為行程和受力的力學關系,這將由材料特性和結構形式所決定。歸結到材料特性主要是指彈性、硬度、強度和抗撕強度等指標。經分析國外產品與經大量試驗結果,提出以下材料性能指標,作為高性能硅橡膠按鍵絕緣膠料的質量控制指標。
拉伸強度(MPa):5.0~8.0
扯斷伸長率( ):>300
撕裂強度(KN/m):>20
硬度(邵A):50~60
導電膠料除強度及硬度有 一定要求外,接觸電阻值應小于100n,還應考慮在受應力、應變和高低溫下阻抗不應發生變化。
2.制造工藝路線的確定
遙控器按鍵的生產工藝較為特殊 ,它是 由絕緣膠和導電膠料復合而成,兩種膠科不 能互串。目前生產質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電膠料硫化,再用沖頭沖至成膠粒,生產時將膠粒采用自動化裝料法,將導電膠粒裝入模具規定的位置,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,就是將導電膠先壓成一定厚度,用手輥將導電膠片擠壓到模具導電腔內,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:效率高、成本易操作。
缺點:不清潔、導電膠易漏裝
二次硫化工藝特點:清潔、導電膠與絕緣膠分明、效率高。
缺點:設備投資大,成本略高。
眾所周知,未經填充補強的硅橡膠強度很低,因而無使用價值,要達到高性能指標,必需在補強方法和助劑選擇上深入研究才能達到預期的效果。
A. 絕緣硅膠料的研制
(1)氣相法SIO:品種對膠料力學性能的影響
我們圍繞如何提高材料力學性能和彈性開展了對補強劑的選擇試驗。多年來,很多科開展了對補強劑的選擇試驗。多年來,很多科實際使用中白碳黑品種與量之間相互滲透,積累了一定的經驗,對開展本項工作有一定的幫助。我們選用2號、4號白碳黑,經D.處理的2號白碳黑和西德產R972白碳黑及沉淀法SiO2等材料,基本配方如下:
●硅膠 110一2 100
●結構控制劑 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 |
拉仲強度(MPa) |
6.1 |
6.2 |
5.8 |
10.1 |
扯斷伸長率(%) |
240 |
400 |
370 |
410 |
撕裂強度(KN/m) |
|
29 |
10 |
15 |
沖擊彈性( ) |
45 |
31 |
36 |
41 |
試驗結果表明,白碳黑品種對膠料的物理機械性能影響甚大,其中綜合性能最佳的
是西德進口的R 972白碳黑。但考慮到料源的穩定因素等,還是選用2#和4#白碳黑并用,調整比例, 使抗撕強度提高到20 K N /m以上,達到實用化要求。
(2)結構控制劑對硅膠性能的影響 為了獲得優異的抗撕、扯斷強度及高彈性膠料,我們對結構控制劑進行了篩選,我們選用的結構控制劑有 :
●六甲基二硅氮烷
●八甲基環四硅氧烷
●羥基硅油
●硅二醇等
結構控制劑對硅膠性能的影響
種類 性能 |
硬度 (邵A) |
強度 (MPa) |
撕裂 (KN/m) |
伸長率 (%) |
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 |
實驗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構控制劑,用量控制 在二氧化硅用量的10%左右。
硅二醇用量對硅膠性能的影響
用量 性能 |
硬度 (邵A) |
伸長率 (%) |
強度 (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 |
以上試驗表明,在氣相法Si O 2按一定量填充情況下,適當增加硅二醇等結構控制劑的量,能使氣相法Sl O在膠料中充分分散。同 時膠料中硅醇基濃度增加可使硅橡膠與氣相
SiO2的結合程度增加,從而提高硅膠的物理機械強度。
(3)膠料其他性能的綜合試驗
在解決上述二大問題之后,我們又圍繞如何進一步提高膠料的抗撕和強度等問題進行了一系列試驗。在國外發達國家這個問題已基本解決,但在國內目前雖然建立了多種理論, 并在一定程度上指導生產實踐,但至今尚未得到同行一致認可的完整的理論。因而在國內高強度、高抗撕膠料一直處在試制階段,沒有形成定型的批量生產。表4是采用含乙烯基有機硅化合物對膠料改性的結果。
乙烯基硅化合物對膠科性能的影響
種類 性能 |
硬度 (邵A) |
強度 (MPa) |
抗撕 (KN/m) |
伸長率 (%) |
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.導電硅膠科
導電性高分子材料,按其結構分為兩種類型,一種是本身能呈現導電性能的高分子料,另一種是在高分子化合物中配合導電填充劑。考慮到在硅膠中填充導電填充劑,不但要考慮到膠的導電性,而且還要考慮到綜合力學性能和性能/成本價格比等因素,我們選擇以填充導電碳黑為主的技術路線。填充碳黑的高分子材料的導電機理是異常復雜的,其導電機理主要歸納為以下兩種:
(1)碳黑粒子互相聯接成鍵產生導電通路。
(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隙遷移所產生的電子導通, 即由導電微粒提供的自由電子載流子產生的導通現象。
根據這些機理,我們確定選擇能用于絕緣膠料必需相容的硅橡膠為基料,乙炔碳黑為導電填充料,在試驗中我們曾選擇性地填加一些金屬料末,結果并不理想。
乙炔碳黑用量與電阻值的相關性
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 |
當乙炔黑用量達到一個臨界值時,膠料的電阻值急劇下降 ,這一現象可解釋為只有當碳黑用量超過這一臨界值時,才足以形成一個連續的導電鏈狀結構,而低于這一用量時,只能形成部分連續的結構。
決定導電膠的導電性能由以下幾個因素決定 :
●碳黑的品種及表面狀態
●是否對碳黑作過表面處理
●碳黑在硅橡膠中能否分散均勻,這將取決于混煉時間、方法、及硫化溫度等因素。
四、 結論
(1) 通過大量配方試驗,掌握了不同種類白碳黑、結構控制劑對膠料力學性能的影響,研制 出具有高彈性、低壓縮變形和具有綜合物理機械性能的硅橡膠按鍵絕緣膠料, 達到實用化要求。
(2) 以硅橡膠為基料,乙炔黑為導電填充料,研制成具有適合于按鍵專用的導電膠料,接觸電阻可控制在i00 歐姆以內。
(3) 初步確定出一條適合于大批量產的工藝方法、并已在擴大試生產中驗證。
(4 ) 硅橡膠導電按鍵 除應用于遙控器生產外,還可推廣應用于軍用電子設備的各種
按鍵,具有可靠,手感好,防潮密封等特點。
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