液态硅橡胶注射成型：材料–工艺–质量关系综述

《Polymers》：Liquid Silicone Rubber Injection Molding: A Review of Material–Process–Quality Relationships

　　

液态硅橡胶（LSR）注射成型通过流动、传热与交联的耦合作用，生产具有复杂几何形状和严苛功能要求的弹性体部件。本综述考察了配方、加工条件与设备操作如何共同影响制品质量。文献检索基于Web of Science和Google Scholar关键词搜索及引文追踪，未设发表年份下限，检索截止时间为2026年9月。流变行为与固化动力学构成了材料输送、模腔填充和脱模讨论的基础，同时涉及计量、注射、热管理与过程监测等设备技术。现有证据将加工历史与收缩、表面复制、力学性能及缺陷相关联。生物医学、光学、多材料和软体机器人应用实例说明了功能要求如何指导制造工艺选择。加工条件同时影响多个质量结果，因此其选择需综合考虑配方、几何形状和预期功能。一个关键空白仍在于将过程信号、独立表征的材料状态与跨配方和模具的有效控制动作相连接。未来优先方向包括基于材料状态的控制、热效率、硅橡胶的再利用与回收，以及混合制造。通过将设备功能与材料响应和可测量的质量结果相关联，本综述为面向具体应用选择加工与评价方法提供支持。

主体内容总结

1. 引言

液态硅橡胶（LSR）兼具热稳定性与弹性体柔韧性，适用于性能要求苛刻的部件。随着具身智能与人机交互技术的发展，软体机器人和可穿戴设备对能够适应变形和接触、同时包含复杂几何形状的柔性部件提出了更高要求。注射成型将反应性LSR胶料输送至加热模具中进行填充和固化，其适合自动化和可重复生产的特点使其成为复杂LSR部件的重要制造途径。然而，自动化与可重复生产本身并不能保证一致的制品质量，填充和固化过程中材料状态的演变控制同样至关重要。未固化LSR具有较低黏度和剪切变稀行为，有利于在复杂型腔中的流动，但加热模具中逐步形成的网络会限制这种流动。因此，填充与传热和固化相耦合，而非独立于材料输送步骤。这些相互作用由流变学、反应动力学、注射条件和模具设计共同决定。现有综述从不同视角讨论了硅橡胶：Xing等人聚焦耐高温加成型LSR的组成–性能关系，Huang和Chen将硅橡胶配方和制造方法与工业应用相关联，Bont等人则涉及LSR注射成型阶段、工艺变量、材料模型和仿真。本综述在此基础上，围绕设备操作如何影响材料响应以及这些变化如何在制品质量中体现来组织证据。

2. 影响LSR注射成型的材料特性

2.1 组成、交联化学与配方

商业注射级LSR通常由双组分加成型体系组成，包含乙烯基官能化聚二甲基硅氧烷（PDMS）、含氢硅氧烷交联剂、铂催化剂、抑制剂和补强二氧化硅。两个组分分别储存，在进入冷却注射单元前按比例精确计量和混合。加热后，化合物在Si–H基团与乙烯基之间发生硅氢加成反应，逐步形成三维网络。Si–H/乙烯基的相对浓度影响网络发展，而催化剂活性和抑制剂决定反应速率及可用于加工的时间。填料同样改变材料性能和加工条件：乙烯基官能化二氧化硅改善了分散性并降低了未固化黏度，同时提供反应位点以整合入固化网络；而经3-氨丙基三乙氧基硅烷改性的纤维素纳米晶体改善了力学性能但提高了固化温度，作者将其归因于表面改性剂对铂催化剂的抑制作用。填料选择因此需要协调表面化学、分散性和几何形状与制造部件所需的流动性和固化响应。

2.2 影响注射成型的材料行为

在发生显著交联之前，填料相关的物理结构也贡献于流变响应，区别于固化过程中形成的化学网络。表面改性可以降低流动阻力同时保持补强效果。进入加热模具后，温度和反应进程共同改变流动行为。在早期加热阶段，黏度可能降低以利于填充；同时，加速的硅氢加成反应驱动交联网络形成并限制材料流动。Batch、Macosko和Kemp将固化动力学与LSR注射成型中的传热耦合，证明凝胶时间强烈依赖于配方和模具温度。因此，可用的填充窗口源于初始流动阻力、温度上升曲线和反应速率的综合效应。在成型仿真中描述这些行为需要适合预测目标的材料数据：预测填充和压力需要捕捉剪切速率、温度和固化演变影响的黏度模型；预测温度和固化分布还需密度、比热容、热导率和反应动力学数据；预测尺寸变化和残余应力则依赖压力–比容–温度行为和材料力学响应的适当描述。

3. LSR注射成型的加工科学

3.1 计量、混合与材料输送

组分A和B按指定比例计量并在进入冷却注射单元前混合，需要时增加用于颜料或其他低含量添加剂的附加进料流。此阶段引入的变异可持续通过固化并进入最终制品。在光学LSR中，偏离标称A/B比改变了交联温度、反应焓、黏度和模腔压力，以及收缩率、密度、硬度、拉伸强度和断裂伸长率。进料准备还确立了化合物的气体含量和热历史。混合后，冷却和停留时间控制限制了输送过程中的过早交联。

3.2 模腔填充与注射动力学

注射速度影响流动前沿推进、剪切条件、压力以及填充期间可用于传热的时间。Choi和Kim使用模流仿真评估了与流道设计和注射速度相关的固化不平衡，并测量了成型试样的撕裂强度。对于微结构部件，这种协调必须从主型腔延伸至单个表面特征。Wei?er等人将LSR黏度和加工条件与微结构形成相关联。耦合的热–流变–固化仿真提供了一种共同考察这些效应的途径，其应用扩展到多材料成型，如Sahli等人对聚酰胺66/LSR双注射成型的实验和数值研究。

3.3 传热与固化动力学

铂催化硅氢加成反应强烈依赖于温度，因此固化程度根据材料经历的温度历史发展。凝胶化标志着这一发展网络的转变。Harkous等人使用热学和流变学方法考察了LSR凝胶点测定。Wei?er等人计算了不同模具温度和部件厚度下的温度和交联演变。动力学方法以不同方式表达反应进程：Kamal–Sourour模型等唯象模型结合n级和自催化项描述反应速率，而等转化率方法估计表观活化能随转化率的变化。对于填充配方，应用这些动力学描述需要将反应进程与物理填料结构的变化分离。Azevedo等人表明，对同一种商业LSR的量热和流变测量支持不同的动力学描述，并将流变测试中持续增长的扭矩与二氧化硅填料相互作用相关联。将反应动力学与瞬态传热耦合，可以预测整个部件内的温度和固化分布。

3.4 工艺–结构–质量关系

Park等人实验表明，注射成型条件的变化同时改变了模腔压力历史和力学强度。Bont和Johnston测量了不同成型条件下的各向异性收缩，流动方向与横向收缩比从低于0.92到高于1.30不等，他们结合尺寸测量、动态力学分析和模拟固化行为，提出流动诱导取向与固化相互作用解释了观察到的各向异性。在表面层面，流动与固化之间的相关相互作用控制着复制 fidelity。Chang等人结合序贯近似优化与径向基函数模型，确定针对硅树脂透镜残余应力和体积收缩的加工条件。

4. 精密制造设备技术

4.1 计量与混合

计量系统控制供应给注射单元的材料组成和均匀性。在常规A/B进料中，组分从独立容器按指定比例输送，需要时增加颜料流。各流股通过静态混合器，其固定元件反复分割、重定向和重组材料。动态混合器在需要时提供额外的混合强度或输送能力。一项专利系统在成型前不久独立计量催化剂、交联剂、抑制剂和功能添加剂，将设备级调节扩展到常规A/B比之外。

4.2 注射单元

LSR设备将冷却料筒与加热模具相结合，在输送过程中限制过早交联，并在进入型腔后促进固化。在螺杆式系统中，螺杆计量和注射化合物，而计量筒和混合器的温度控制有助于保持流动性。在柱塞式单元中，前进的柱塞将化合物从冷却材料腔向喷嘴排出。工业LSR单元中，遵循Euromap 82.3的OPC UA通信连接计量单元和注射成型机，支持协调供应和注射。Heienbrock等人表明，掺入回收颗粒会改变LSR黏度和后续注射成型行为。

4.3 流道与模具技术

冷流道结合冷却和热隔离以在循环间保留未固化化合物，而针阀喷嘴调节向各型腔的输送。流道几何和喷嘴布置分配化合物，而冷却和绝缘限制从模具向上游材料的热传递。进入型腔后，被置换的空气必须通过也限制材料泄漏的路径逸出。排气和密封因此紧密相连。Kang等人变化模具温度、注射速度、注射压力和真空条件考察EDM纹理的复制，在考察范围内获得约148°的最大水接触角。Kuo和Lin研究了LSR注射成型的快速模具制造。

4.4 热控制

嵌入式电加热器和循环导热流体是常见的供热方式。在复杂模具中，传热距离的差异即使热源保持恒温也会产生不均匀的热条件。Kuo等人比较了光学级LSR模具中的常规和随形加热通道，发现随形设计改善了加热响应和模具表面温度均匀性：在导热油温度180 °C下，模拟表面温差从约16.86 °C降至8.19 °C。感应加热和高强度红外辐射等替代热源提供了进一步调整热输送的方式。

4.5 智能监测

模腔压力因其演变反映填充和保压、热膨胀以及与交联相关的体积变化而特别具有信息量。Wei?er等人识别了交联过程中的特征压力曲线变化，并使用信号微分区分固化阶段。Chang等人将小波分析应用于光学LSR成型，使用降噪和特征提取考察V/P切换及其与透射率、收缩和残余应力的关系。在LSR汽车前照灯透镜成型中，拉杆应变测量记录了合模力变化，并与深度神经网络和NSGA-III优化相结合。物理模型可以纳入从DSC获得的固化参数，而数据驱动方法将测量历史与控制目标或质量结果相关联。从预测或优化转向闭环控制需要实施调整并通过反馈评估其效果。

5. 质量形成与缺陷控制

5.1 尺寸精度与收缩

Barbaroux等人使用实验设计表明，模具温度、保压压力、流道配置和工艺切换条件影响注射成型硅橡胶环的质量、体积、尺寸和力学性能。Barbaroux等人使用平衡溶剂溶胀评估在不同温度和压力条件下成型部件的交联密度。Chang等人以填充时间、胶料温度、固化压力和固化时间为优化变量，以体积收缩和残余应力为质量指标研究LSR透镜阵列。

5.2 表面质量与复制保真度

Hopmann等人通过一步注射成型制备了具有锥形微结构的超疏水LSR表面。Lozano-Hernández等人使用混合聚合物镶件在LSR中复制微米和纳米纹理。Kuo和Lin在LSR菲涅尔透镜成型中报道了约91.5%的微槽深度复制和99.2%的槽宽复制，微槽尺寸变化在约±1 μm以内。Chang等人报道了LSR中残余应力与光学透射率之间的负相关关系。

5.3 力学性能与网络均匀性

Delebecq等人考察了网络拓扑与动态力学行为、压缩永久变形、拉伸性能、断裂伸长率和撕裂强度之间的关系。压缩行为与分子链迁移率和填料–聚合物相互作用相关，而断裂伸长率取决于交联间摩尔质量和弹性链的分布。Mayer等人报道，含有高达40 wt.%回收粉末的化合物可使用常规液体注射成型设备加工，压缩永久变形几乎不变，而硬度下降，拉伸强度和断裂伸长率分别降低约16.6%和12.6%。

5.4 缺陷形成与控制

Park等人考察了工艺参数变化与模腔压力历史和力学响应的关系，包括排气和固化条件的影响。Uhlmann等人研究了模具镶件精加工和分型面设计，使用电火花修整生产紧密配合的镶件，并考察EDM表面粗糙度在排气中的作用，在所研究装置中报道了低合模力下的无飞边成型。内部缺陷增加了质量评估的另一维度：X射线显微计算机断层扫描已用于重建硅橡胶绝缘子中的孔隙和裂纹；超声脉冲回波成像可重建室温硫化硅橡胶涂层中的脱粘区域；太赫兹成像可分辨硅橡胶中约100 μm的近表面 voids。

6. 工业应用与功能集成

6.1 医疗与生物医学器件

PDMS微流控细胞培养研究表明材料吸收可影响生物环境。Nikousaleh等人研究了医用级ABS/LSR注射成型，使用动态模具温度控制和表面预处理以适应ABS的热限制并改善其与LSR的粘附，同时评估了灭菌后的界面稳定性。Zhang等人在用于植入式电极潜在组织锚定界面的LSR部件上复制了微柱，并评估了1000个注射循环中的复制一致性。Filion等人使用工业LSR注射成型批量制造PDMS微流控器件，与常规实验室加工相比，多种体积和表面性能的批次间变异减小。

6.2 光学与汽车照明部件

光学级LSR用于LED封装、菲涅尔透镜、自由曲面光学和汽车照明。Hopmann和R?big将LED电路板置于模具中并用透明LSR包覆成型，在一个部件中集成初级光学封装和光学头部。Hu等人研究了紧凑型汽车前照灯的LSR光导，部件几何必须结合预期光分布和系统配置来考虑。

6.3 多材料与集成部件

热塑性塑料/LSR多组分成型在一个部件中结合刚性支撑与柔性、密封、阻尼或触觉响应。Ou等人将耦合的热–流变–固化模型与聚酰胺/LSR包覆成型实验和界面粘附评估相结合。Seitz等人比较了常压等离子体和Pyrosil火焰处理用于自粘硅橡胶/热塑性塑料接头。Hartung和Heim发现UVC/臭氧处理可活化聚碳酸酯表面并促进LSR粘附，而无臭氧UVC处理产生较低的剥离强度和对LSR牌号的显著依赖性。

6.4 功能表面、可穿戴界面与软体机器人

Kaitainen等人研究了具有微柱结构和银涂层的导电LSR干式生物电极及其与接触阻抗的关系。Bryantono等人使用失芯注射成型从低黏度硅树脂制造空心软体夹持器，结合注射与可水溶的牺牲芯。Ishikawa等人提出了用于软体机器人的真空内硅橡胶成型工艺。

7. 挑战与未来展望

7.1 从过程监测到基于材料状态的控制

一个关键方向是使用测量信号指导设备调整。核心挑战在于随配方、模具和机器变化将信号与材料状态相关联。状态估计始于代表成型过程中剪切和热条件的流变学表征。物理描述可帮助区分与流动相关的信号变化和网络发展，而生产数据捕捉难以显式表示的变异。数字孪生研究为使用生产数据更新模型提供了框架。跨不同生产条件转移这些方法需要考虑材料响应和测量–控制关系的变化。

7.2 高效热管理

Kuo等人开发了具有随形导热流体通道的LSR鱼眼透镜模具，报道了改善的硫化效率。在厚度变化的部件中，即使模具表面温度均匀，不同区域也可能经历不同的内部温度历史并在不同时间达到所需固化状态。将热预测和固化状态估计与分区加热相结合，可允许局部热输入跟随这些差异。红外和感应加热等快速响应方法提供了额外调整热输送的方式。

7.3 资源高效与可持续制造

冷流道、精确计量和缺陷预防从源头减少损失，而再利用和回收解决剩余废料。在机械再利用中，保留的颗粒成为配方的一部分并影响加工和最终性能。Liedl等人以10–30 wt.%重新引入研磨LSR，同时变化粒径和硬度。化学回收将再利用点从固化颗粒移至回收分子原料。动态网络硅树脂玻璃体复合材料通过改变网络设计本身来解决再加工性问题。对于常规加成型LSR，从回收原料到可注射成型配方的路线仍是关键开发任务。

7.4 多材料与混合制造

Mayer等人研究了热塑性塑料–LSR表面处理，报道了使用常压等离子体和硅化处理改善表面能和剥离性能。下一步问题是这些初始改进如何在重复变形、热老化、灭菌或化学暴露期间持续。混合制造将集成从材料组合扩展到制造方法组合。紫外线后固化硅树脂和印刷硅树脂气动执行器提供了常规模具填充之外的成型途径，而牺牲模具为难以成型的几何提供了路线。

8. 结论

精密LSR注射成型依赖于材料流动、传热和交联的协调。配方确立化合物的流变和固化响应，而材料输送、注射条件和模具热管理共同塑造其加工历史。这些效应是耦合的：有利于填充的条件也可能改变飞边形成、固化时间和尺寸响应。因此，工艺选择需要根据材料、几何形状和预期应用平衡竞争的质量目标。未来研究应发展指导有效反馈并减少部件间变异的状态估计方法；热管理策略应根据固化分布、产品质量和每合格部件的能耗进行评估；再利用和回收路线需与配方开发和再加工整合；多材料和混合制造依赖于可复现的结构和保留的界面或器件性能。