文化石用聚氨酯橡胶模具脱模性研究

【摘 要】液体聚氨酯橡胶耐磨、耐油性能优异，主要应用于各种零部件的制作，而在柔性模具领域的应用几乎为空白。本文通过实验找出了一种可用于制作柔性文化石模具的有机硅改性聚氨酯橡胶PU-30，并利用GYR-18硅树脂脱模剂解决了聚氨酯橡胶模具与水泥文化石产品之间的粘结，为聚氨酯橡胶在文化石行业的广泛使用奠定了基础。

【关键词】文化石；聚氨酯橡胶模具；脱模性；母模

0 引言

文化石又称艺术石或人造石，是以精选的或经过特别处理后的天然艺术石为母体，采用硅酸盐水泥、轻质骨料，并根据工程的需要加入珍珠岩、泡沫粒子等轻质保温材料以及各种辅助材料制作而成的内外墙装饰石材[1-2]。

文化石突出的特点就是具有天然的色泽和纹理以及自然的原始风貌。生产上普遍采用柔性模具将石材表面的质感与艺术性充分展现出来，目前采用的柔性模具主要有软质PVC塑胶和液体室温硫化硅橡胶（RTV）模具两种。其中软质PVC塑胶模具纹理差、易收缩；而RTV硅橡胶粘度低、流动性好能够精确呈现母模表面的纹理、室温成型、操作简单，但易收缩并受养护温湿度因素影响较大，会使部分产品表面产生一种无法清除的白色固体，造成大批产品和原材料的浪费，在一定程度上影响了文化石公司的收益。针对上述问题我公司尝试引进一种新的柔性材料―液体聚氨酯橡胶，该种材料具有不泛白、收缩率低、耐磨性能好、能够精确复制母模表面纹理等优点，不足是与文化石产品之间存在一定的分离难度。本文的主要目的是通过实验确定可用于文化石模具制作的聚氨酯橡胶的理化性能参数，改善模具与产品之间的脱模性，提高模具与产品的有效脱模次数；开拓聚氨酯在文化石行业领域内的应用。

1 试验

1.1 原材料

水泥：普通硅酸盐水泥P.O 42.5 ，上海海螺水泥有限公司；陶粒5～10mm，浙江长兴三星陶粒厂；黄砂，细度模数1.6～2.2，上海鑫鑫建材有限公司；迈地100萘系高效减水剂，上海花王化学有限公司；PU-18、PU-28、PU-30、PU-43、PU-60、PU-80、PU-93，经上海古猿人石材有限公司改性制备；RTV硅橡胶及其固化剂，广州天赐有机硅科技有限公司；水性1010、硅树脂1015、氟树脂3015、腊系亚光1000-5、凡士林，广州国昂有机硅科技有限公司；GYR-18脱模剂，上海古猿人公司自制。

1.2 实验仪器

水泥胶砂搅拌机JJ-5型，浙江路达机械仪器有限公司；电子天平，上海光正医疗仪器有限公司，多用电钻搅拌机，800转/分，上海喜立电动工具有限公司；真空抽气箱（上海双茂真空泵有限公司），数显式万能拉力试验机，型号WDS-05A，北京华德恒信科技；邵氏硬度计，橡胶粘度计型号A1730207，上海艾测电子科技有限公司。

1.3 橡胶性能检测

邵氏硬度（邵氏A，度），GB/T 531.1-2008；拉伸强度（MPa）GB/T 528-2008； 断裂伸长率（%）GB/T 528-2008；撕裂强度（KN/m），GB/T 529-2008；

1.4 模种处理

将1010、1015、3015、1000-5、凡士林（加热融化）以及GYR-18脱模剂分别分3次均匀喷涂到同一款式的12套母模模种的表面（其中每一种脱模剂喷涂2套母模，按喷涂的脱模剂类型将模种编号为1010-1，1010-2；1015-1，1015-2；3015-1，3015-2；1000-5-1，1000-5-2；凡-1，凡-2；GYR-18-1，GYR-18-2），每次喷涂间隔10分钟，最后一次喷涂后在低温下烘干。待烘干后，将母模按顺序放入模具框中，用于聚氨酯模具制作。

1.5 模具制备

将经过性能检测筛选出的聚氨酯橡胶的A、B组分按比例搅拌均匀，抽真空排除气泡，然后浇注到上述模具框中（模具按上述模种进行编号），待橡胶固化后脱模，模具分成2组，第I组：1010-1、1015-1、3015-1、1000-5-1、凡-1、GYR-18-1；第Ⅱ组：1010-2、1015-2、3015-2、1000-5-2、凡-2、GYR-18-2；然后静养48小时即可投入生产使用。

1.6 产品制作

1.6.1 方案1

选择第I组模具（共6片），参照古猿人公司文化石的制作方法：

（1）配制颜色面层浆料和结构浆料：

①颜色面层浆料：黑颜料4330、橙色4960和白水泥按一定比例混合加入适量的水搅拌均匀，颜色可以根据需要进行调整；

②结构浆料：将水泥、大陶粒、小陶粒、黄砂按一定比例倒入搅拌机中，然后持续加入适量的水和减水剂，并搅拌均匀；

（2）将配制好的颜色面层浆料喷涂到6片聚氨酯橡胶模具内表面，形成颜色层；

（3）向聚氨酯橡胶模具内表面浇注步骤（1）中②所配制的结构浆料，然后振动成型；

（4）将制备好的产品经过静养（20℃，85+5%RH，4-6h）；升温-恒温：20℃，85+5%RH60℃，100%RH，10h左右；降温：60℃，100%RH40℃，85+5%RH，2h左右，然后将产品脱模取出；

（5）将上述步骤（1）-（4）重复实验多次直至产品无法脱出为止，比较利用不同脱模剂制备的聚氨酯橡胶模具的脱模难易程度。注意：当产品无法脱出时，即停止此模具的使用。

1.6.2 方案2

（1）在第Ⅱ组模具的表面，喷涂一层与该编号对应的脱模剂；

（2）待模具表面的脱模剂干燥后，再按照2.6.1中的方案1进行实验和养护；

（3）按方案2中的（1）、（2）步骤重复实验多次；

（4）比较表面涂刷脱模剂后，聚氨酯橡胶模具的脱模难易程度。注意：当产品无法脱出时，即停止此模具的使用

1.7 脱模难易等级评定

其中脱模难易程度级别共分为5级：A模具倾覆文化石即可倒出，B稍加压力文化石即可取出，C稍加压力剥出文化石，D文化石取出困难，E文化石取不出

2 结果分析

2.1 聚氨酯橡胶理化性能分析

与金属模具相比，柔性模具制造设备简单、成本低、周期短、速度快，更适合用来制作文化石产品。考虑到文化石产品的纹理和质地、模具的使用寿命和模具制作的可操作性，主要从以下四个方面进行材料筛选：（1）拉伸和撕裂性能；（2）混合胶料的流动性；（3）软硬度；（4）室温可操作性。其中抗撕裂性能决定了模具的使用寿命，抗撕裂性能越好，使用寿命越长；混合胶料的流动性越好、粘度越低，越利于体现文化石的纹理和质感；成型橡胶的硬度越低，脱模时人为原因造成的的产品破损率越低；室温可操作性决定了厂家根据需要随时进行模具制作的可行性（大大降低了开模费用）。目前我公司使用的RTV硅橡胶具有以下性能：粘度43000 mPa・s；拉伸强度3.7MPa；撕裂强度22.5 KN/m ；断裂伸长率540%；邵氏硬度25±2A；室温硫化、操作简单，可以满足文化石模具对纹理和寿命的需求，因此本实验的性能筛选以此为基础。

表2列出了7种有机硅改性的聚氨酯橡胶的性能数据，它们的混合粘度均低于RTV硅橡胶，从理论上来讲纹理体现能力应该都不逊于硅橡胶。其中热硫化PU-80、PU-93聚氨酯的拉伸、撕裂性能优于室温硫化聚氨酯橡胶且硬度较大，据我司经验知硬模用于文化石制备时产品脱模破损率较高，相对而言更适合用于文化石板材的制作。其余5种常温硫化聚氨酯，从混合粘度、拉伸和撕裂性能、软硬度方面考虑，PU-30性能最接近于RTV硅橡胶，PU-28次之。因此综合考虑本文选择PU-30聚氨酯用于文化石模具的制备。

2.2 方案1中PU-30模具脱模性比较

表3列出了重复进行多次实验后模具的脱模难易等级，从表中可知1015-1、3015-1、1010-1和1000-5-1和凡-1模具重复用于产品制作的次数不高于5次，即在5次以内产品将无法从模具内部取出；而GYR-18模具在重复使用30次后依然保持相同等级的脱模性。

产生这种结果的原因猜测可能是1015、3015、1010、1000-5以及凡士林这5种聚氨酯制品用脱模剂，只起到了隔离母模和聚氨酯模具的作用。在橡胶模具与文化石母模分离时，脱模剂没有发生转移或只有部分发生转移，大部分脱模剂残留在模种表面，因此对于聚氨酯橡胶模具的后续使用没有产生太大影响。反之，GYR-18脱模剂部分或大部分转移到了模具的内表面，从而影响模具使模具与产品之间的粘性性降低，进而可以重复使用多次。

另外我们进行了补充实验，将脱模性良好的GYR-18模具接着重复使用至脱模难度增加到E级时（本实验做到80次），然后再其内表面喷涂一层GYR-18脱模剂，发现该模具的脱模性迅速恢复到B级，并重复使用50次左右，目前未出现难脱模问题，实验将会继续。此补充实验证明了上述猜测，即脱模剂可以主要附着在模具表面，起到有效分离产品和模具的作用。因此我们可以定期给模具喷涂一层脱模剂来缓解模具的脱模性，降低模具与产品之间的粘结。

2.3 方案2中PU-30模具脱模性比较

方案2与方案1的主要区别在于模具的使用方法不同。同样经过30次产品实验发现，表面喷涂脱模剂后，各模具的脱模等级都能达到A级，但存在以下问题：

（1）水性1010脱模剂喷涂后需要烘干，否则会使文化石面层颜色发花，同时延长了流水线的生产时间；

（2）腊系1000-5脱模剂可能会因喷涂量控制不好，使脱模剂残留在产品表面，影响了文化石产品的表面效果

（3）凡士林脱模剂属于油性脱模剂，不适合用于文化石模具，其会在产品和模具表面残留，污染模具和产品。同时凡士林的油性会影响文化石的颜色，并使产品容易沾灰。

（4）相对于其他而言，1015硅树脂和3015氟树脂脱模剂的脱模性能更好一些，但价格偏高，提高了文化石产品的成本。

3 结论

（1）通过实验筛选出了一种可替代液体硅橡胶用于文化石模具制作的液体聚氨酯橡胶PU-30（本实验只列举了7种），目前实验次数已达到80次，橡胶模具无损坏，此性能可满足生产要求。

（2）与方案1相比，方案2中模具的使用方法更有利于产品脱模。但每次喷涂脱模剂并烘干或晾干增加了生产工序，延长了操作时间，同时还额外增加了脱模剂使用成本。因此从生产成本、操作可行性和生产效率方面考虑，方案1中的GYR-18模具与GYR-18脱模剂的搭配使用较方案2中各模具每次喷涂脱模剂的的使用方法简单、便捷、节省成本，不仅没有增加生产工序还避免了脱模剂残留对产品表观颜色的影响。

（3）经过大量实验我们发现，脱模剂的正确选择与合理使用，对聚氨酯橡胶模具的脱模有很大关系。目前我司利用聚氨酯橡胶PU-30结合脱模剂GYR-18、聚氨酯橡胶模具制备方法和聚氨酯模具养护工艺配套使用（本文未做阐述），有效解决了聚氨酯橡胶与产品的粘连问题，消除了产品泛白的困扰，提高了产品的色泽和文理，为聚氨酯在文化石市场的广泛使用打下了基础。

【参考文献】

[1]孙纪光.文化石生产工艺与技术[D].化学工业出版社，2008.

[2]陈汉斌，夏艺，由继业，李静.人造文化石简介与应用[J]建筑学报，2011，112-113.

[3]李昂.脱模剂及其作用机理[J].特种橡胶制品，2002（23）4：26-29.