CN1106920C - 混合式冲压模具 - Google Patents

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Abstract

一种冲压模具，包括基材冲压表面，该表面包含其上涂敷弹性体材料涂层的粗结构的基体。所得的表面是一种复合表面，该表面主要为在适当位置有突出通过弹性体的基体的弹性体。

Description

混合式冲压模具
本发明涉及一种冲压模具，特别的是肥皂冲压模具。本文中的肥皂是指含有肥皂、合成洗涤剂、或其混合物的固体产品，其中包含至少20％的所述产品。
肥皂冲压模具一般由一对对称的、相对的半模组成，每个半模有一个模腔，使其在基材周围组合在一起，形成基材的冲压块。冲压过程的关键部分涉及在半模分开后，从半模中冲压的块的脱模。已经提出了促进脱模的各种方法，包括使用模具推顶器、用滑石粉或脱模流体涂敷基材冲压表面，或者用弹性体涂料涂敷冲压表面。
例如，EP 285 722公开了一种为基材赋予耐磨脱模表面的复合涂层，所述涂层包含其上浸满硅树脂薄膜的热金属基体。
已经证明，用弹性体涂料涂敷模具的方法是促进脱模的特别成功的方法；然而，用这种方法已经遇到了各种问题。首先，在用于冲压机时，由于模具的冲压作用，弹性体连续暴露于剪切应力和变形。这导致弹性体涂层在较短的时间内损坏。这种情况在连续操作的冲压机情况下可能每三周发生一次，模具上的涂层需要替换，这涉及较长时间地关闭机器。
使用这种涂层的另一个问题是，在涂敷过程中，某些弹性体可能在固化前下垂和向下流过模具的非水平面，这导致产生厚度不均匀的不匀表面。在模具冲压表面上的这种缺陷一般转变成冲压制品上的缺陷。
使用某些弹性体的另一个问题是它们需要粘结剂，来获得与模具表面的适当粘性，这种粘结剂一般包含反应性化学物质、具有高危险的种类和作为载体溶剂的挥发性有机化合物。现代的健康、安全和环境立法越来越严格地控制这些材料的工业应用。
本发明的一个希望的目的是提供一种用于冲压模具的基材冲压表面，可以克服或改善至少一些上述问题。
在本发明的第一个方面，提供一种具有基材冲压表面的冲压模具，包含其上涂敷弹性体材料涂层的粗结构的基体。在本说明书中，术语“粗结构”在应用于基体时，是指基体表面是不均匀的，如果在横截面上观察，会包括许多凹陷、隆起和平台。典型的是，隆起到凹陷的距离在50-200微米范围内，或者70-150微米。在涂敷到这样的基体表面上时，弹性体填充凹陷处并且涂敷进入基体，其方式使得由于所述粘结的联锁性质，弹性体强结合到基体上。此外，低粘度弹性体组合物在涂敷到这种粗基体结构上时，被基体保留直至其固化，因此，弹性体不太可能排出或流下。
在本发明的一个优选的实施方案中，冲压表面是一种复合结构，基体在合适的地方突出通过弹性体涂层。理想的是，所述表面主要是弹性体。
一般来说，所述基体包含陶瓷或金属材料，在一个实施方案中，陶瓷或金属材料通过等离子体或火焰喷涂技术涂敷到模具上。另外，可以通过模具材料的激光或机械微加工、化学腐蚀、阳极氧化、火花腐蚀、等离子体或离子束处理形成所述基体。然而，本发明不限于形成粗结构基体的上述方法。
在本申请人公开的欧洲专利申请No.95924225中可以发现术语“弹性体”的详细描述以及合适的弹性体的特定实例，其内容在本文中引作参考。在本发明的一个优选的方面，所述弹性体包括硅树脂或氟硅树脂弹性体。
用于本发明模具的合适的弹性体典型的是具有较低缓冲量和低模量。根据另一个方面，优选的弹性体一般可以含有碳，所以，可以是根据美国试验与材料学会(American Society for Testing andMaterials)D1418分类的“R”、“M”或“U”类。这些类型是不饱和碳链弹性体、饱和碳链弹性体、以及在聚合物链中含碳、氮和氧的弹性体。已经发现，这类弹性体比较容易在模具上重新整修，例如，完全烧掉旧弹性体涂层的残渣。
合适的含碳弹性体包括聚氨酯、丁腈橡胶、和氢化的丁腈橡胶，特别是氢化的丙烯腈聚丁橡胶。后者的实例包括Therban(来自Bayer公司)和Zetpol(来自Zeon公司)。
本发明还涉及一种制造冲压模具的方法，所述方法包括下列步骤：
-在模具表面制备粗结构的基体表面；和
-在所述基体上涂敷弹性体涂层。
理想的是，所述方法包括固化弹性体的后续步骤。
典型地，基体形成步骤包括上述的基体形成方法。
本发明还涉及复合混合式涂层在冲压模具中作为基材冲压表面的使用这类涂层包含其上涂敷有弹性体涂层的粗结构基体。
理想的是，所得的混合式涂层包括基体突出通过弹性体涂层的小块部分。此外，基体可以以岛状突出通过弹性体。
本发明还涉及一种使用具有包含其上涂敷弹性体材料涂层的粗结构的基体的冲压表面的冲压模具冲压制品，例如洗涤剂决的方法，所述方法包括下列步骤：
-向所述冲压模具提供产品组合物；
-冲压在模具中的组合物，形成冲压产品；和
-从模具中脱模冲压产品。
理想的是，被冲压产品是洗涤剂组合物，例如肥皂。然而，本发明的方法和设备类似地可以用于各种不同产品的冲压，例如片剂和食品。
根据本发明制备的涂层和基材冲压表面获得优异的金属-弹性体界面粘结强度。在许多情况下，所述粘结强度避免了使用单独的粘结剂的要求。所以，在本发明的另一个方面，提供了一种弹性体涂敷的模具，在该模具的金属模具和弹性体层之间没有粘结剂或底漆。此外，本发明的基体为弹性体涂布机提供多点接触的载体表面，使得弹性体可以深入到基体中、润湿其纹理并产生优异的机械联锁和弹性体基的粘合。所述涂层具有以基体纹理最大隆起高度控制的均匀且最佳的厚度。
用本发明的涂层，通过突出通过弹性体涂层的硬质基体的小决部分(在这种情况的实施方案中)防止功能弹性体涂层的偶然损坏。因此，即使使用较软和易碎的弹性体，也可以获得抵抗物理损坏性能的改善。在模具表面上关键部位的弹性体中发生的剪切应力被降低到最小，因为弹性体的区域被基体的岛状物所约束并且防止对整体弹性体剪切变形和对磨损过程的贡献。这些因素对提供更坚固的工厂设备和混合式模具寿命的明显增加有所贡献。
基体粗糙度的仔细控制使得可以为混合式涂敷模具赋予复合的最终表面形貌。这可能有助于降低在产品弹性体表面的摩擦并减少在肥皂块上产生难看的表面斑点。此外，通过控制混合式涂敷模具的纹理，可以把优选的表面纹理加到肥皂块上。
从只通过实施例的方式给出的一些实施方案的下列描述，可以更清楚地理解本发明。
1.混合式模具的实施方案，包括制造方法
所述混合式模具由下列部件组成，金属肥皂模具，硬质耐磨粗基体；和弹性体顶部涂层。混合式模具制备的实例如下。
(a)用铝加工金属肥皂模具，然后涂敷市售的混合涂层，例如，PlasmaCoat 1915/11，来自Impreglon UK Ltd，包含一种碳化钨基层和硅树脂弹性体。
(b)通过热喷涂技术，在模具的成型表面上涂敷一种镍/铝粉末制成的硬质耐磨粗晶基体。如下所述，把一种选择的弹性体涂敷在基体上。然后，把根据制造商推荐的方法制备的弹性体[如DowCorning Silicone Silastic 9050/50]用清洁柔软的漆刷涂敷在模具的成型表面上，达到所述镍/铝的纹理被完全覆盖的涂层厚度。把涂敷弹性体的模具放在160℃烘箱内2小时，来固化弹性体。
2.混合式模具用于肥皂的描述
本节表明，在冲压产品和使用弹性体涂层获得的冲压表面之间粘合力的有利降低(如欧洲专利申请No.95924225中所表明)在使用本发明的混合式涂层中是固有的。
使用其端面通过火焰喷涂Ni/Al粉末(在38-280微米的窄颗粒尺寸分布范围内)涂敷的铝冲头进行了实验室测试。然后用溶液啧涂涂敷硅树脂弹性体。在固化弹性体之前，涂敷另外的涂层[1、2和3]，获得最终涂层厚度的范围[未量化]。这种混合式涂层的最终表面粗糙度为1-15微米Ra，并且发现取决于金属颗粒尺寸和弹性体涂层厚度。
把每个冲头压入预热到40℃的肥皂配料中。压入深度为3mm，并在压入过程中，冲头以12rpm旋转。然后把冲头从肥皂中拉出，测量分离冲头和肥皂所需的力。对于所有涂敷的冲头，产生的粘合力在10-45N范围内，或者如果把涂敷单层弹性体的冲头排除在外，为10-25N。与未涂敷的抛光不锈钢对比冲头[100N]相比，所有涂敷弹性体的冲头表现出明显降低的粘合力。3.与传统的涂敷弹性体的模具相比，混合式模具优点的说明
3.1没有化学底漆的金属-弹性体的粘结
实验已经证明，弹性体进入混合底层的机械楔入可以给出优异的金属-弹性体界面粘结强度或断裂能，其程度使其不再需要使用化学粘结剂或底漆(这是传统的金属-弹性体结所需要的)。所以，可以避免使用和暴露于在反应性底漆中通常含有的有害化学物质。为了获得在几种肥皂模具材料(如硅树脂弹性体和黄铜)之间的足够粘结力，化学底漆是必要的，在最差的情况下，不使用化学底漆，有效界面粘结强度为零。
然而，如同在许多其它橡胶-金属粘结的应用中一样，使用化学粘结剂可以获得界面粘结力的明显增大。根据界面粘结力或长期耐用性和界面抵抗腐蚀的稳定性看，对于特定的基底-弹性体混合式组合，化学粘结剂可以是有益的。在这种情况下，所述混合式纹理产生大大提高的且褶合式的界面，这种混合式纹理在发生任何界面实效之前必须发生机械破坏或化学腐蚀。
已经用两种具有不同粘结强度的硅树脂弹性体和180°剥离试验[BS 3712，第4部分，1991]举例说明了这些特征，(a)足够的界面强度而没有底漆和(b)带有底漆的混合式基底的增强。该试验由叠层组成，其中，把细不锈钢丝网筛嵌入弹性体中并从刚性金属衬底上剥离。使用方程G＝2P/w，从剥离强度[P，单位宽度(w)的剥离力]计算断裂能(G)。
所述衬底是(i)已经用玻璃珠喷砂的黄铜，(ii)与前述的黄铜，然后用S2260涂底漆[这是传统弹性体涂敷的金属模具的参比；没有底漆导致几乎为零的断裂能且没有有用的粘结强度]，(iii)已经用火焰喷涂Ni/Al粉末的铝和(iv)已经用火焰喷涂Ni/Al粉末、然后用S2260涂底漆的铝。根据Dow Corning推荐，提供并使用底漆和弹性体。
平均断裂能[KJ/m2]和失效方式【粘着的或界面的]
弹性体     Silastic9050/50       Silastic9280/50
没有底漆的玻璃珠喷砂黄酮     ～0.6/界面     ～0.8/界面
玻璃珠喷砂黄铜并有S2260底漆       2.3/粘着的      4.0/界面
混合基底(在铝上火焰喷涂Ni/Al粉末)       2.3/粘着的      3.5/界面
混合基底(在铝上火焰啧涂Ni/Al粉末和S2260底漆)       2.2/粘着的      4.6/界面
用较弱的弹性体[9050/50]，降低效果的衬底(i)，其它三种衬底导致弹性体的粘结失效，即界面断裂能超过弹性体的断裂能[2.3KJ/m2]。(a)所以，即使没有底漆，由混合式基底提供的界面粘结强度也是足够的。(b)因为失效仍然保持粘结性，所以，在向所述混合式基底加上底漆时，没有获得另外的信息。用较强的弹性体[9280/50]，所有衬底造成在基底和弹性体之间的界面失效，即界面强度小于弹性体的内部强度。从这一点可以总结出，(a)由单独的混合式基底提供的界面粘结强度[3.5KJ/m2]，类似于带有底漆的玻璃珠喷砂黄铜[4.0KJ/m2]，和(b)如果与混合式基底一起使用底漆，提高断裂能[4.6KJ/m2]。
3.2弹性体应用的简易性
3.2.1通过纹理过的混合式表面保留低粘度弹性体
通过刷、浸渍或啧涂在基体上可以涂敷低粘度弹性体涂层，所述弹性体通过基体的纹理保留直至固化。它们不太可能从非水平表面上流下，这产生更均匀的弹性体厚度。这避免了在带有薄弹性体涂层的模具中涂料流下或流干。正如用本申请人公布的欧洲专利申请No.9592，4225.6中所述的涂料在某些条件下可能发生那样情况。
当金属表面，所获得的黄铜或者火焰喷涂Ni/Al涂敷的铝，用低粘度弹性体[Silastic 9050/50]涂敷，然后都在室温下以90°角度(垂直)保持15分钟，然后按推荐在160℃固化2小时。按照薄涂层模具所进行的，涂敷约100微米的薄涂层，在EP 95954225.6给出了其完全的描述。没有使用控制，在两个平板之间再现相同的厚度。
沿着在弹性体表面的一半上气相沉积几个纳米厚的金膜所形成的边界，使用激光轮廓测定仪从每个板的顶部在一系列位置上测量涂层厚度，激光从金上反射，但是通过透明的弹性体并从基底反射回来。因此，在金膜边缘进行的步骤能用于计算所述厚度。
图1表示流下对弹性体涂层厚度的影响(以90度流下角对薄涂层测量)，并给出对于黄铜和混合式涂敷板所获得的结果。
该实施例和数据表明，在涂敷后于室温下垂直放置15分钟，然后在较高温度固化2小时的薄涂敷黄铜板发生了流干现象。与之相比，混合式板的数据表明没有流干的迹象，而是获得了100+/-20微米的涂层厚度。
所以，对于薄涂层，混合式表面减少了在有角度的表面上的低粘度弹性体涂层的滑落。
3.2.2用高粘度弹性体涂敷纹理过的混合式表面
在固化前具有高粘度或膏状稠度的弹性体难以直接涂敷成薄的、均匀的、无裂纹的涂层。它们可以从有机溶剂中涂敷，但是，这涉及有害有机溶剂的使用和弹性体最终机械性能的潜在降低。用涂布机直接涂敷在金属模具上导致不均匀的涂层厚度。然而，具有混合基底的基体可以为涂布机提供多接触点的支持表面，使得所述的膏压入基体中。利用细心和技术，可以制造有效均匀的、与肥皂接触的表面。通过所述基体纹理的最大隆起高度控制，所述涂层是均匀的且具有最佳厚度。混合基底的纹理被未固化的弹性体完全润湿，这产生优异的机械联锁和弹性体-基底粘结。
为了举例说明这个优点，用上述的180°剥离试验和在混合式基底Ni/Al上的弹性体Silastic 9280/50获得了界面断裂能。使用软塑料涂布机涂敷模用于具涂层用的足够的弹性体薄层，如上所述，然后，用更多未固化的弹性体和在160℃固化2小时以形成剥离试验的叠层。从该组件获得的断裂能为3.6KJ/m2，失效方式为界面断裂。与之相比，当用有机溶剂(如甲苯)中的稀溶液涂敷起始的弹性体层时，获得了非常类似的界面断裂能3.5KJ/m2。所以，直接涂敷法产生了同样高的界面粘结强度，但是避免了有害或溶剂应用的问题。
3.3改进的寿命
硬质突出基体防止了所述功能性弹性体涂层的偶然损坏。即使使用较软和易碎的弹性体，也可以获得改进的抗物理损坏性能。在模具表面的关键部位的弹性体中产生的剪切应力降低到最小。因为弹性体的区域被基体的岛状物约束，并防止了其对整体弹性体剪切变形和磨损过程的贡献。这些因素对更坚固的工厂设备和混合式模具寿命的明显提高有所贡献，如下列实施例所示。
把黄铜冲头的端面涂敷碳化钨的火焰喷涂层。然后涂敷弹性体[Dow Corning硅树脂Silastic 9050/50]，以制造混合式涂层。类似的黄铜冲头用Dow Corning底漆S2260涂底漆并涂敷相同的弹性体。
然后把这些冲头安装在机器上，该机器被设计成通过在肥皂上的摩擦产生加速的磨损。实践中已经发现该试验模仿了工厂情况下的模具寿命。使冲头重复进入通过一个开口缓慢挤出的试验肥皂中。设计施加在冲头上的压力与冲压过程中的压力相匹配。连续进行该试验，直至肥皂开始粘到冲头表面上，记录发生这种情况的压入循环次数。然后用乙醇清洗冲头并放回到机器上。重复该过程，直至肥皂再次粘在冲头表面上。这些被称为第一次和第二次粘结值。这种粘结由对弹性体表面的微观损坏引起并且是模具磨损开始的象征。
弹性体涂敷的冲头第一次冲压70,000次，然后第二次冲压72,000次，而混合式涂敷的冲头连续操作直到第一次冲压100,000次，然后第二次冲压110,000次。本发明的混合式涂层产生了约40％的寿命改进。
3.4形貌、摩擦和结构
通过仔细控制基体的粗糙度，有可能将复合的最终表面形貌赋予混合式涂敷的模具。这有助于减小在肥皂弹性体表面的摩擦，并减少在肥皂块上产生难看的表面斑点。此外，通过控制混合式涂敷的模具纹理，优选的表面纹理可以施加到肥皂块上。
3.4.1摩擦
用火焰喷涂的金属和弹性体以类似的方式涂敷铝平板，形成在前面的第2节中所述的冲头。以滑动速度范围为[7-30mm/s]和外加垂直负载下测量一块肥皂沿所述板的表面滑动产生的摩擦力。从摩擦力/垂直力曲线的斜率计算摩擦系数。还使用3mm厚的硅树脂层(可以认为是整体的弹性体)也获得了这些数值。厚弹性体与肥皂的摩擦系数非常高[1.9-2.4]，由弹性体的整体变形产生。通过在基体内约束弹性体，摩擦被大幅度降低[0.4-0.8]。
3.4.2纹理
使用非接触式激光轮廓测定仪测定在第2节中所述的粘结试验后混合式涂敷的冲头和肥皂表面的粗糙度。在所述冲头的粗糙度和所得肥皂表面粗糙度(都用Ra(微米)测量)之间有强烈的直接相关性[～1∶1]。
本发明不限于上述的实施方案，在构造和细节方面都可以变化。

Claims (15)

1.一种具有基材冲压表面的冲压模具，所述基材冲压表面包含其上涂敷弹性体材料涂层的粗结构基体，其中，在横截面上观察，所述基体表面包括许多凹陷、隆起和平台，且冲压表面包含复合表面，该表面主要为有突出通过弹性体的基体的弹性体。
2.根据权利要求1的冲压模具，其中，所述基体有许多与弹性体的接触点。
3.根据前面的权利要求的任一项的冲压模具，所述弹性体可以深压入所述基体中。
4.根据权利要求1的冲压模具，其中，基体以岛状突出通过弹性体。
5.根据前面的权利要求的任一项的冲压模具，其中，所述模具没有把所述弹性体粘结到基体上的粘结剂或底漆。
6.根据前面的权利要求的任一项的冲压模具，其中，所述基体包含陶瓷或金属材料。
7.根据权利要求6的冲压模具，其中，通过等离子体或火焰喷涂涂敷所述基体。
8.根据前面的权利要求的任一项的冲压模具，其中，通过所述模具材料的激光或机械微加工、化学腐蚀、阳极氧化、火花腐蚀、等离子体或离子束处理以形成所述基体。
9.根据前面的权利要求的任一项的冲压模具，其中，所述弹性体包括硅树脂或氟硅树脂弹性体。
10.根据权利要求1-8的任一项的冲压模具，其中，所述弹性体包括含碳弹性体。
11.根据权利要求10的冲压模具，其中，所述弹性体选自不饱和碳链弹性体、饱和碳链弹性体和在碳链中含碳、氮和氧的弹性体。
12.根据权利要求11的冲压模具，其中，所述弹性体是聚氨酯、丁腈橡胶、或氢化的丁腈橡胶。
13.一种制造冲压模具的方法，包括下列步骤：
-在模具表面制备粗结构的基体表面；和
-在所述基体上涂敷弹性体涂层，
从而形成该冲压模具的冲压表面，且该冲压表面包含复合表面，该表面主要为有突出通过弹性体的基体的弹性体。
14.一种使用根据权利要求1-12的任一项的冲压模具冲压产品的方法，所述冲压模具具有包含其上涂敷有弹性体涂层的粗结构基体的冲压表面，所述方法包括下列步骤：
-向所述冲压模具提供产品的组合物；
-在所述模具中冲压所述组合物，形成一种冲压产品；和
-从所述模具中脱出冲压的产品。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述产品是肥皂块。
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