混煉功率曲線法控制洗模膠混煉工藝

白 明

(哈爾濱博實自動化股份有限公司，哈爾濱 黑龍江 150078)

洗模膠片主要用于清理半導體器件模具表面的污垢，其主要成分是生膠，其重量百分比大約為50%～70%[1]。此洗模膠制作工序包括捏煉機混煉，物料中既有固體(粉料、粒料)如填充劑、脫模劑、分散劑等，也有液體如固化劑、軟化劑、清污劑等，膠料混煉的最終目的是使配合劑均勻分散和批料間質量一致。本文采用一種新型控制法-瞬時功率控制法，通過直接控制混煉過程中膠料粘度、判斷加料量及捏煉機的填充因數，以便混煉過程保持在最佳狀態[2]，從而改善洗模膠的混煉工藝，以期提升產品性能、節約成本。

1 工藝原理

1.1 捏煉機流變理論

捏煉機流變理論經博倫等人[3-5]把膠料假設成牛頓型流體，推導出了功率消耗與轉子轉速的關系。

1.2 膠料的特征曲線及作用

每種膠料的各段混煉規程均與各自的功率曲線相對應，國內已經有技術人員對母煉膠混煉功率曲線進行了研究[6]。功率曲線可以用來查看捏煉機混煉功率、了解橡膠混煉過程，除可顯示混煉各階段的進展情況，還能在一定程度上表征混煉膠料的分散效果。功率曲線排膠控制法對生產工藝有很好的指導作用[7]。

2 實驗

2.1 設備與儀器

X(S)N-10×32型小型試驗加壓捏煉機，大連華韓橡塑機械有限公司產品，轉子速度(前/后)為32～25 r/min，功率22 kW，上頂栓壓力為0.6 MPa；MDR2000 型無轉子硫化儀，上海德杰儀器設備有限公司(檢測膠料硫化特性，條件為175℃×5 min)。

2.2 試驗膠料

試驗膠料為半導體封裝成型模具洗模膠。

3 結果與討論

3.1 加料量及加料點的確定

3.1.1 橡膠加料量的確定

為滿足洗模膠的硬度及拉伸、抗撕裂性等硫化性能，橡膠原料由BR和DPR按照一定比例混合組成，由于膠料加入捏煉機時膠溫與捏煉機溫度相差較大，導致混煉起始階段物料會在捏煉機轉子和混煉室壁間短暫滑移，這時混煉過程實際上處于停頓狀態，幾乎不消耗能量，此時只能通過調整膠料加料量來填充混煉室，當膠料的加料量足夠多時，由于上頂栓下壓、轉子在密閉腔里對膠料做功、膠料與混煉室壁摩擦生熱等原因，膠料溫度升高變軟，并逐漸被粉碎成塊，小劑量的分散劑開始在橡膠中分散和浸潤。

3.1.2 填料等粉劑的加料方式

填料在所有粉料中所占的比例極大，由于洗模膠產品的使用性能導致配方中需采用較小密度的填料進行填充。混煉過程中加入粉劑時混煉室溫度較低，摩擦力仍較大；膠料呈塊的狀態，經過粉劑的作用形成小塊的粉團，然后粉劑完全附著在橡膠塊的表面，并混入橡膠之中。通過膠塊相互間的觸壓，形成新的大塊，橡膠塊的體積逐漸變大，直至形成連續相。由于起潤滑劑作用的粉劑和小劑量的固體分散劑逐漸消失，在這一過程中轉矩上升。由于該過程中物料體積發生較大的變化，如果一次性加入粉劑，在橡膠填充量已定的條件下，捏煉機易產生超額定功率而斷電的保護狀態，導致生產中斷，另外由于DPR屬于液體膠，在溫度不太高的時段一次性加入大量粉劑，粉劑易吃入膠中及時分散；但粉劑的大量加入，使整個體系產生較多的熱量，膠料升溫非常明顯，對后續其它溫度較敏感液體配合劑的加入及混煉會造成不良影響。經過實驗得知，填充劑分兩次加料時，捏煉機電流升高在合理范圍，整體膠料溫升較緩慢，膠料吃粉較易，混煉效果較好。

3.1.3 軟化劑等液體配合劑的加料方式

用捏煉機混煉時，開始溫度低，膠料硬，摩擦力大，有利于配合劑在橡膠中的分散和浸潤。但是隨著混煉時間的延長，溫度增高，膠料變軟，摩擦力減小時，對配合劑在膠料中達到宏觀分散有好處，但對配合劑的微觀分散不利。加入粉劑后增大了摩擦力，再加入液體配合劑會較好的分散。液體軟化劑如開始加入，會使膠料太軟，膠料摩擦力小，粉劑不易分散好,甚至出現粉粒子。在實際操作中發現，如果將液體配合劑等一次性加入混煉室內，有時會發生上頂栓打滑現象，并且在混煉過程中有一小部分物料發生粘壁，主要集中在混煉室側壁、底部位置，為防止此現象的發生，且由于配方中粉劑含量較多而分兩次加入，可以把液體配合劑分兩份，與兩次填料分別混合一起加入捏煉機內。固化劑由于加量很少，一次性加入即可。綜上述，設定的混煉工藝為：

經大量實驗，對混煉的加料量、加料點進行調整后的混煉功率曲線如圖1所示。由圖1可知，混合塊狀膠料與少量的固體分散劑、脫模劑加完料混合時，功率曲線有一較平坦曲線出現，說明由于摩擦、密閉等原因，固體的分散劑與脫模劑在未混入膠料時已與混煉室壁接觸并發生熔化，由于轉子做功，膠料被擠壓剪切成碎塊，固體的分散劑和脫模劑不斷的擴散到膠料中。60 s過后加入1/2配合劑(填充劑、軟化劑、清污劑)與少量著色劑、固化劑等混合物，上頂栓下降，捏煉機功率由于粉劑等較大體積物料的加入迅速升高，并維持在一定階段，60 s過后再次升起上頂栓加入其余的物料，然后保持較高的功率做功。至此，到達預定時間，排料。

技術人員將按照此混煉工藝制成的洗模膠進行上機實驗，發現洗模過程中膠料的填充及洗模后膠料的抗撕扯效果均較好，克服了之前由于混煉工藝不完善導致部分物料未分散好而造成洗模膠沾粘模具。

圖1 加料量、加料點調整后的混煉功率曲線

3.2 混煉室填充因數的選擇

設定的混煉工藝為：

未改變設定的混煉工藝，但在此基礎上考察了整體物料的填充因數的影響。

初步選定混煉室填充因數為0.72、0.75、0.78進行生產。當填充因數為0.78時，功率消耗較大，接近額定功率，對生產中機器的使用造成一定的威脅性，所以此方式不符合要求。由實際生產數據可知，隨著填充因數的增加，混煉功率也相應增大，經技術人員將混煉室填充因數為0.75時混煉制成的模具清洗料上機實驗，洗模效果未見異常。說明在相同的作業時間內，單車膠料質量增大的同時可以保證膠料的物理與化學性能優異。

不同填充因數膠料的硫化數據如表1所示。由表1可知，增大填充因數后膠料的硫化數據波動較小。

表1 不同混煉填充因數膠料的硫化數據

3.3 排料時間改變

設定的混煉工藝為：

在對工藝設備功率校核時發現，排料段后期功率曲線上存在一個小平坦曲線，且混煉時間過長會導致出膠時膠溫較高，膠料中加入的液體配合劑會有相應的揮發損失，或者導致膠料受到的氧化破壞加劇，對膠料的性能不利。當排料段時間縮短30、45、60、75 s時，瞬時功率曲線平坦曲線適當縮短，混煉周期變短，有助于節約生產成本。

混煉時間縮短30、45、60 s的膠料的硫化儀數據如表2所示，由表2可知，混煉時間縮短30、45 s膠料的硫化數據波動較小，60 s膠料的硫化檢測數據不平穩，所以選擇工藝時間縮短30 s或45 s的膠料制成洗模膠片，上機實驗洗模效果以混煉時間縮短30 s的洗模膠洗模效果較為理想。

表2 不同縮短混煉時間的膠料硫化儀數據

綜上述，較合理的混煉工藝為：

3.4 混煉加工質量控制及功率控制的注意事項

功率曲線在加強全面質量管理的作用顯而易見。但其控制也不是無條件有效的，在一些不正常條件下也會失效，同時它還受到設備和工藝條件的制約，如混煉室溫度，如果起始混煉時為110～120℃，那么其混煉過程中根本就達不到規定的功率值，膠料溫度就已超過130℃的排膠溫度，瞬時功率控制根本起不到作用。所以連續生產需要根據實際情況做出相應的調整。

4 結論

混煉過程功率曲線的考察對洗模膠混煉工藝的改進有著重大的意義。通過對功率曲線的考察，改進洗模膠混煉工藝，在改善膠料性能的同時還可節約成本。由于產品的目的是洗模，所以同時需要參照制成品的使用效果再來選擇合適的混煉工藝。另外除填充劑、膠料和其余助劑加入時種類和重量錯誤的情況外，還可以發現混煉工藝操作存在的問題。