矽膠包覆成型 這項技術正在改變我們的製造方式，使各行各業都能生產出耐用、符合人體工學且高性能的組件。這種先進製程只需一步即可將柔性矽膠模壓到塑膠、金屬或玻璃等剛性基材上。最終形成無縫連接，兼具結構強度和矽膠的柔韌性、舒適性和耐環境因素性。
液態矽膠包覆成型（LSR包覆成型） 從醫用手把到電子連接器，它是生產可靠、多功能零件的首選方法。本文將涵蓋您需要了解的關於這方面的所有資訊。 矽膠包覆成型從基礎知識和材料到工藝流程、優勢以及在各行業的應用。
根據 ASTM D395 測試，矽膠包覆成型部件的壓縮永久變形值保持在 20-40% 之間，確保長期密封性能。[1].
什麼是矽膠包覆成型？
矽膠包覆成型是一種多步驟注塑成型工藝，它將柔性矽膠材料直接注塑到剛性基材上，形成一個一體化的組件。本質上，它是一種雙色注塑成型工藝，首先製作基材（通常由塑膠或金屬製成），然後將矽膠包覆在其上。
這項技術將基材的結構強度與矽膠的獨特性能相結合：耐溫性（-60°C 至 230°C）、生物相容性和卓越的抓握力。最終製成兼具基材強度和矽膠獨特性能的耐用高性能零件。
矽膠包覆成型的黏合機制主要依賴兩種方法：化學鍵結和機械互鎖。化學鍵結是指矽膠與經過適當處理的基材表面形成分子黏附。
根據 ASTM D2000 分類標準，當表面能超過 38 dynes/cm² 時，矽橡膠 (VMQ/LSR) 對金屬和高溫塑膠表現出優異的黏合性。[2].
它與傳統模具有何不同
傳統模塑製程使用單一材料，而包覆成型製程則將多種具有互補特性的材料結合在一起。包覆成型製程還能在硬質零件和軟質零件之間實現無縫過渡，無需額外的組裝步驟。
與傳統成型方法相比，這種技術能夠提供更好的抓握力、更符合人體工學的設計以及更佳的環境保護。此外，矽膠包覆成型無需人工組裝，從而降低了人工成本，並透過材料直接黏合增強了產品的整體耐用性。
矽膠包覆成型中所使用的材料
矽膠包覆成型主要依賴剛性基材與柔性矽膠材料的結合。該工藝結合了不同的材料特性，從而製造出功能性和耐用性更佳的部件。
剛性基材選項包括：
熱塑性塑料 提供結構完整性。其軟化溫度必須高於 170°C，才能承受矽膠固化過程。根據 ASTM D2000 標準，合適的材料包括：
- PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）：熱變形溫度 150-160°C
- 聚苯硫醚（PPS）：連續使用溫度 200-240°C
- PEEK（聚醚醚酮）：熱變形溫度 315°C
- PC（聚碳酸酯）：熱變形溫度 130-145°C
金屬 包括不銹鋼、鋁和黃銅在內的金屬，經過適當的表面處理和底漆塗裝後，能夠提供優異的強度。
增強聚合物 例如，玻璃纖維增強塑膠或碳纖維增強塑膠可以增加剛性。
對於柔性層，製造商使用兩種類型的矽膠：
- 液體矽橡膠（LSR）質地類似玉米糖漿，需要鉑催化劑，具有優異的耐化學性、抗拉強度、抗壓永久變形、耐熱性和極低的柔韌性。
- 高稠度橡膠（HCR）：更高的機械強度，適用於嚴苛的應用環境
矽膠材質特性（符合ASTM/ISO標準）[3].
| 硬度（肖氏 A） | 10 – 80 | ASTM D2240 |
| 拉伸強度 | 6 – 12 兆帕 | ASTM D412 |
| 斷裂伸長率 | 200％ - 800％ | ASTM D412 |
| 抗撕裂性 | 15 – 47 kN/米 | ASTM D624 |
| 壓縮變形（22小時@175°C） | 20％ - 40％ | ASTM D395 |
| 密度 | 1.11 – 1.20 克/立方厘米 | ASTM D792 |
| 工作溫度 | - 60°C至+ 230°C | - |
材料相容性指南
成功的包覆成型取決於選擇相容的基材和矽膠材料。以下相容性矩陣基於產業測試和Fecision超過18年的生產經驗。 [4].
| 基材 | 黏合等級 | 需要底漆 | 筆記 |
| PC（聚碳酸酯） | 優 | 沒有 | 強化學鍵合 |
| ABS | 良好 | 選配 | 廣泛應用於電子產業 |
| PBT | 固德 | 推薦的 | 高耐熱性 |
| PA（尼龍） | 中度 | 可以 | 高吸濕性 |
| PP | 差 | 特級 | 低表面能 |
| 不銹鋼 | 優 | 可以 | 強力底漆 |
| 鋁合金 | 良好 | 可以 | 清潔表面至關重要 |
材料選擇需要仔細考慮相容性因素。基材的玻璃化轉變溫度應高於 300°F (149°C)，以確保液態矽橡膠 (LSR) 能正確固化。包覆層材料的厚度應小於或等於基材的厚度。某些類型的 LSR，例如免底塗或自黏矽膠，無需底塗即可直接黏合到塑膠上，從而簡化了工藝流程。
矽膠包覆成型製程步驟詳解
矽膠包覆成型製程的每個環節都需要精準操作，以確保良好的黏合性和功能性。讓我們一起來了解這個工藝中的每一個關鍵步驟。
1. 基板準備
包覆成型製程的基礎在於基材的選擇。熱塑性塑膠的軟化溫度必須高於170°C才能承受矽膠固化過程。 PBT、PPS和PEEK等材料非常適合用作基材。
對於嵌件包覆成型，仔細檢查可以防止尺寸偏差，從而避免模具配合不良。根據 ISO 4287 標準，表面粗糙度應控制在 1.6-3.2 μm Ra 範圍內，以達到最佳黏合效果。
表面處理對黏合成功至關重要。油污和脫模劑等污染物會妨礙化學黏合的進行。建議的表面處理方法包括：
- 等離子處理：產生微觀粗糙度，有利於機械黏合。
- 電暈放電：啟動表面能，提高附著力。
- 化學底漆：在成型前 30 分鐘至 2 小時塗抹
2. 表面清潔和處理
油漬殘留和脫模劑等污染物會阻礙材料與基材的良好黏合。因此，在開始包覆成型製程之前，徹底清潔至關重要。
為了增強黏合力，製造商通常採用多種方法：例如，在零件設計中加入細微的倒角，以幫助矽膠更好地黏附在表面上；塗覆一層需要 30 分鐘到 2 小時才能乾燥的底漆；或者採用表面處理技術，例如等離子處理、電暈放電或噴砂處理，使表面更有利於黏合。為了實現可靠的化學黏合，表面能必須超過 38 達因/平方公分。
3. 模具安裝與預熱
模具的設計必須能承受射出成型壓力，同時又不壓碎基材。預熱塑膠和金屬嵌件有助於黏合。但是，熔點低的材料不應預熱。整個過程中的溫度控制至關重要。為了達到最佳固化效果，模具溫度通常在 150-200°C 之間。
4. 矽膠注射
大多數矽膠包覆成型製程分為兩步驟。首先將基材放入特製的模腔中，然後模具閉合，將液態矽橡膠（LSR）直接注入基材。注塑前，將兩種組分（A+B）以1:1的比例混合。混合料經由冷卻的流道流入加熱的模腔，並在模腔內發生硫化反應。注塑壓力範圍為50-150 MPa，取決於零件的幾何形狀。
5. 固化和冷卻
矽膠在特定的溫度和壓力條件下會發生硫化反應。這種化學反應需要精確的溫度控制，通常為 170-220°C。冷卻時間佔成型週期的 70-80%。固化時間依零件厚度和材料硬度而定，範圍為 5-30 秒。
6. 零件拆卸和精加工
固化後，將零件從模具中取出。由於液態矽橡膠（LSR）是一種熱固性聚合物，其成型狀態是永久性的。成型後處理通常包括去毛刺，以去除分型線周圍的多餘材料。隨後進行品質檢驗，以驗證黏合性、尺寸和表面光潔度。根據 ASTM D903 剝離試驗進行黏合強度測試，以確保良好的黏合性。
矽膠包覆成型的優點
製造商之所以採用矽膠包覆成型工藝，是因為它具有傳統製造工藝無法比擬的諸多優勢。此工藝能夠提升醫療保健、電子和汽車等行業的產品設計、舒適度和性能。
1）更好的握持感與舒適度
矽膠柔軟如橡膠般的質地帶來卓越的觸感，其防滑表面即使在潮濕或油膩的環境下也能確保牢固抓握。這種天然的人體工學特性可減少使用者長時間使用手術器械和手持工具等設備時的疲勞感。巧妙運用矽膠緩衝層可最大限度地減少壓力點，使產品握持和使用更加舒適。
2）耐久性和抗性
以矽膠包覆成型的產品極為耐用，能夠抵禦惡劣環境、-60°C 至 230°C 的極端溫度以及化學品侵蝕。這種耐用性確保產品即使經過長時間重複使用也能保持完整性。矽膠具有抗紫外線、抗氧化和防潮的特性，這意味著產品能夠持久保持美觀和功能完好。
3）設計彈性和美觀性
矽膠包覆成型製程兼具設計彈性與美觀。此工藝可實現多種顏色和紋理，從而實現品牌差異化、複雜形狀和定製圖案，並將剛性和柔性材料結合於同一組件中。這種多功能性意味著產品不僅外觀精美，而且功能實用。
4）成本效益高的生產方式
矽膠包覆成型製程省去了二次成型後的組裝工序，從而節省了時間和成本。這意味著產品能夠更快、更經濟地推向市場。此外，人工組裝工作量減少，產品整體品質也提升。
5. 防水隔熱
矽膠可形成防水、氣密的屏障，保護精密電子元件免受潮氣、灰塵和污染物的侵害。除了物理保護之外，矽膠包覆成型還能提供電氣絕緣，防止短路，確保運作安全。
跨行業應用
液態矽膠包覆成型技術因其能提高性能、舒適度和使用壽命，而廣泛應用於各行業。
1. 醫療保健器械
液態矽橡膠（LSR）因其對人體安全、低致敏性且易於消毒，是醫療用途的理想選擇。根據ISO 10993生物相容性測試標準，醫用級矽膠符合直接和間接接觸患者的要求。 [4]
醫用級液態矽橡膠（LSR）必須符合美國藥典（USP）VI級藥品應用要求和ISO 10993生物相容性標準。常用的滅菌方法包括高壓蒸氣滅菌（121℃蒸氣）、環氧乙烷（EtO）滅菌和伽馬射線（25-50 kGy）滅菌，且不會造成材料降解。 [5].
- 植入式組件（短期）
- 手術器械手柄和握柄
- 呼吸面罩和密封圈
- 導管組件
- 給藥系統
- 可穿戴醫療設備
2。 消費類電子產品
智慧型手機、耳機和智慧手錶的保護殼、按鍵墊和符合人體工學的錶帶均採用包覆成型矽膠。這種材質不僅帶來優質的觸感，還具備抗衝擊性和防水性。其優異的電絕緣性能（符合 ASTM D149 標準，介電強度為 15-25 kV/mm）能夠有效保護敏感元件。
3. 工業和電氣設備
矽膠包覆成型也適用於某些需要耐化學腐蝕和耐溫性的特定工業密封應用。在重載環境中，液態矽橡膠包覆成型可保護電氣連接器、控制面板和感測器外殼。其絕緣性能可防止在高濕度或高溫條件下發生漏電和腐蝕。
5. 家居和廚房用品
矽膠具有防水和耐清潔劑的特性，使其成為日常家用工具的理想材料，例如廚房用具手柄、水龍頭把手和食品級分配閥。其柔韌性和安全性使其成為炊具和衛生用品的首選材料。
6. 運動用品、玩具和嬰兒用品
觸感柔軟、安全耐用的包覆成型矽膠，為兒童玩具、奶瓶奶嘴和運動裝備增添了舒適性和安全性。無毒且耐高溫的矽膠材質，確保這些產品可安全用於日常使用。
矽膠具有耐水和耐清潔劑的特性，使其成為廚房用具手柄和食品級分配閥等日常家用工具的理想材料。符合FDA 21 CFR 177.2600標準，確保食品接觸安全。[6].
矽膠包覆成型設計考量因素
合理的零件設計是確保製造成功和最佳性能的關鍵。主要設計考量包括：
室壁厚度矽膠壁厚應在 1.0 毫米至 3.0 毫米之間。壁太薄可能會導致填充問題；壁太厚會增加循環時間並增加內部空隙的風險。
拔模角度矽膠表面最小拔模角為 1-2°，有利於零件脫模。紋理表面每 0.025mm 紋理深度需額外增加 1° 拔模角。
機械聯鎖在基材上設計倒角、凹槽或通孔，以形成機械黏合。這種方法可以補充化學黏合，並防止在應力作用下發生分層。
關閉設計基材與矽膠之間的銳利過渡可防止出現可能導致分層的變薄或羽化現象。澆口位置應盡量縮短流液到達截止區域的長度。
溫度相容性確保基材的熔點高於矽膠的固化溫度（170-220°C）。
表面處理： 對於金屬和玻璃基材，需要使用底塗劑；對於PC和ABS等塑料，通常使用自黏性液態矽橡膠（LSR）即可。表面能必須超過38達因/公分。
機械聯鎖： 在化學鍵結較弱的地方，可以增加機械鎖定結構，如倒角、凹槽或通孔，以增強強度。
紋理化： 基材和包覆成型表面紋理可改善黏合性、抓握力和美觀性。
正確的材料選擇、模具設計和表面處理是液態矽膠包覆成型成功的關鍵。符合 ISO 3302-1 成型公差標準： [7]
– 一般公差：尺寸小於10mm時，公差為±0.1-0.2mm
– 精度公差：使用適當的工具可達到±0.05mm
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參考
[1] ASTM D395 – 橡膠性能標準試驗方法 – 壓縮永久變形 ASTM International，2024
[2] ASTM D2000 – 橡膠製品標準分類系統，ASTM International，2024
[3] ASTM D2240、D412、D624、D792 – 橡膠性能標準試驗方法，ASTM International，2024
[4] ISO 10993 – 醫療器材生物學評價，國際標準化組織，2023
[5] 美國藥典第六類－生物反應性試驗，體內試驗，2024年版
