砂輪用聚酰亞胺膠粘劑的研究現(xiàn)狀

白俊敬

(鄭州輕工業(yè)學院材料與化學工程學院，河南鄭州 450002)

砂輪用聚酰亞胺膠粘劑的研究現(xiàn)狀

白俊敬

(鄭州輕工業(yè)學院材料與化學工程學院，河南鄭州 450002)

聚酰亞胺樹脂是一種耐高溫、高強度的工程塑料，它可用于制造金剛石砂輪，使砂輪的耐熱性得到改善。本文從耐高溫性、可加工性、高粘結(jié)性、耐磨性等方面概述了聚酰亞胺作為金剛石砂輪結(jié)合劑的優(yōu)越性，實踐證明，聚酰亞胺膠粘劑具有優(yōu)異的耐熱和高溫粘接性能，用其制造的金剛石砂輪耐磨性優(yōu)于酚醛砂輪。

聚酰亞胺;膠粘劑;耐高溫;可加工性;高粘結(jié)性;耐磨性

Abstract:Polyimide resin is a high strength and heat resistant engineering plastic，which is applied in diamond wheel manufacturing and has improved heat resistance of the wheel.Superiority as the bond resin of grinding wheel are presented based on the high heat resistance，processability，high coherence and wearability.The experiment also indicates that the polyimide adhesives exhibite good thermal stabilities and excellent adhesive properties at elevated temperature，and grinding experiment shows that the wear resistance，grinding efficiency and workpiece surface quality of polyimide resinoid bond diamond wheel are superior to those of phenolic resinoid diamond wheels.

Key words:polyimide resin;adhesive;high heat resistance;processability;high coherence;wear resistance

1 前言

聚酰亞胺樹脂是一類性能優(yōu)良的耐高溫、高強度的工程塑料，不僅耐熱性能好，而且揮發(fā)物少，化學穩(wěn)定性也好，廣泛地應用于航天工業(yè)、電子工業(yè)、電氣材料工業(yè)和汽車工業(yè)等領域。上世紀70年代，在德國漢諾威國際機床工具展覽會上，美國首次展出了用聚酰亞胺膠粘劑制造的金剛石砂輪，隨后聚酰亞胺作為膠粘劑在砂輪制造業(yè)中的使用在世界擴展開來。采用這種膠粘劑制造的砂輪熱穩(wěn)定好，如歐洲kinel系列砂輪專用膠粘劑制造的砂輪，可以在250℃溫度下長期使用。同時由于用這種膠粘劑制造的砂輪可以在較高的磨削速度和較大的進刀量條件下工作，可以大大節(jié)約加工工時費用。此外，這類砂輪的耐用度也比用酚醛樹脂作為膠粘劑制造的砂輪高出許多。我國用聚酰亞胺作為膠粘劑制造砂輪，始于上世紀70年代末期，經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)聚酰亞胺粘合劑金剛石砂輪的產(chǎn)量已達相當規(guī)模，在一些廠家聚酰亞胺膠粘劑已基本取代了酚醛樹脂粘合劑。

2 目前砂輪用結(jié)合劑的現(xiàn)狀

砂輪是碳化硅、氧化鋁、金剛砂、氮化硼等細小顆粒借助膠粘劑結(jié)合之后成型，再經(jīng)燒制而成。這種新型膠粘劑制備的砂輪不僅耐熱、耐壓性能好，而且粘接強度特別高。目前國內(nèi)金剛石砂輪所用結(jié)合劑主要是酚醛樹脂及改性的酚醛樹脂。實踐證明，酚醛樹脂在使用過程中存在以下不足:①耐熱溫度不高，有部分金剛石未充分發(fā)揮作用而早脫落，使其利用率降低，表現(xiàn)為砂輪不耐磨;②固化時必須加入固化劑烏洛托品，如果工藝條件控制不當，固化過程中產(chǎn)生的氣體使砂輪組織出現(xiàn)氣孔，有時致使砂輪報廢;③不論在砂輪的制造還是使用過程中，經(jīng)常散發(fā)出難聞的氣體;④當進刀量大時，砂輪經(jīng)常出現(xiàn)龜裂。針對這些問題，武漢工業(yè)大學研制成功金剛石砂輪用超細增韌聚酰亞胺樹脂粉(簡稱DIAPI)，使用效果普遍反映較好，而且價格比939P樹脂粉便宜[1]。

3 聚酰亞胺樹脂的特性

3.1 耐高溫性

由于砂輪在工作時產(chǎn)生大量的熱，因此作為砂輪用結(jié)合劑聚酰亞胺必須具備耐高溫性能。早期開發(fā)的一般為縮合型聚酰亞胺膠粘劑，由于聚酰胺酸在固化反應過程中會有水分子生成，易帶來缺陷，不適于大面積粘接[2]。后來人們開發(fā)了熱塑性聚酰亞胺膠粘劑，可以加熱熔融對材料進行粘接，但其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg較低，一般不超過250℃，因此高溫粘接性能不夠理想[3－4]。而加成型聚酰亞胺膠粘劑，不但高溫粘接性能更優(yōu)異，還具有良好的加工性能。這類膠粘劑通常以具有反應性封端基團的酰亞胺預聚體的形式使用，預聚體在一定溫度下熔融流動，經(jīng)進一步升溫封端基反應交聯(lián)得到體型結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺，因而耐熱性能優(yōu)異;并且無小分子放出，滿足砂輪用結(jié)合劑的需要。典型的為雙馬來酰亞胺型的聚酰亞胺。目前，商業(yè)化的雙馬來酰亞胺樹脂品種相對比較單一，主要有4，4′－二氨基二苯甲烷型雙馬來酰亞胺、1，3－二氨基苯型雙馬來酰亞胺樹脂等[5]。

3.2 可加工性

近年來，在磨料磨具生產(chǎn)中，樹脂結(jié)合劑磨具的比例正在逐年增加，為了易于加工，降低砂輪加工的成本，聚酰亞胺必須具有良好的溶解性能，可以在N－甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)和二甲基甲酰胺(DMF)等極性溶劑中完全溶解，因此，可以在聚酰亞胺結(jié)構(gòu)上懸掛側(cè)鏈或者引入醚鍵等柔性基團，對于規(guī)整的化合物，通過共聚破壞其對稱性和規(guī)整度來增加其可溶性。例如引入芳氮雜環(huán)和制備含氟的聚酰亞胺，其中有印杰等[6－7]將含氟基團()和長鏈亞甲基、醚鍵引入聚酰亞胺結(jié)構(gòu)中;另外，還可以通過化學亞胺化的手段來提高其可溶性。美國和日本合成了一些熱塑性聚酰亞胺，改善了聚酰亞胺的加工性，在聚酰亞胺骨架結(jié)構(gòu)中引入全間位的醚鍵結(jié)構(gòu)，可以大大改善聚酰亞胺的加工性能。Yanmaguchi等和Kumar等利用全間位1，3－雙(4－氨基苯氧基)苯(BAPB)單體，與其它各種二配單體合成了多種易加工的醚型聚酰亞胺，并研究了化學結(jié)構(gòu)與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度間的關(guān)系，認為全間位單體結(jié)構(gòu)可使聚酰亞胺在保持良好的力學、熱學性能的同時，大大改善加工性能[8]。杜宏偉等[9]選用帶有醚鍵的二酐 3，3′，4，4′－ 三苯二醚四酸二酐(HQDPA)和帶有側(cè)基的二胺3，3′－甲基4，4′－二氨基二苯甲烷(DMMDA)，通過低溫溶液縮聚—化學亞胺化法合成了一種國內(nèi)鮮見報道的有機可溶性聚酰亞胺。該聚合物能很好地溶解在強極性溶劑NMP、DMF和THF中，而不溶于一般的弱極性或非極性溶劑中，比如乙醇、甲苯、己烷和石油醚等，但能迅速地溶解在氯仿中。同時，與其它類型的聚合物相比，聚酰亞胺的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度很高。

3.3 高粘結(jié)性

作為樹脂結(jié)合劑，首先應具有粘結(jié)性能好、粘結(jié)強度高的特點。一般熱固性聚酰亞胺的粘接性能是由固化過程中樹脂的熔體流動性、樹脂的固化反應程度以及固化交聯(lián)反應引起的固化收縮程度這幾方面綜合決定的。彭進等[10]通過試驗對國產(chǎn)三種聚酰亞胺樹脂粉的熔點、固化時間、流動性、抗擊性能、硬度等理化性能分析比較，并對其在立方氮化硼(CBN)砂輪上的應用進行磨削對比試驗，發(fā)現(xiàn)含大量小分子的樹脂其流動性好，但同時也降低了樹脂的力學性能，而且熱壓時容易導致溢流，不利于加工成型。而凝膠時間表明，樹脂磨具硬化所需的時間短，故在樹脂磨具的熱壓過程中，放氣的時間應控制好，以免其硬化太快而使揮發(fā)物不能及時逸出而導致產(chǎn)生發(fā)泡等缺陷。對于預聚體分子量較大者，其交聯(lián)密度小，因此其樹脂的韌性好，比較適合制造精磨與拋光砂輪;交聯(lián)度過大易造成脆性，因此對于結(jié)構(gòu)相同的聚酰亞胺樹脂，應根據(jù)性能不同選擇合適的合成工藝。

3.4 耐磨性

樹脂砂輪的耐磨性與樹脂的耐溫高低有直接關(guān)系。由于砂輪在磨削過程中放出大量的熱導致樹脂分解或軟化，粘結(jié)力下降，磨料大量脫落，使得在實際磨削應用中，昂貴的超硬材料沒有完全磨削充分發(fā)揮其效用，嚴重影響了磨具的磨削效率和磨削比，同時也造成了很大的浪費。因此，目前國內(nèi)廣泛選用了耐熱性更好的聚酰亞胺樹脂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的酚醛樹脂用于砂輪等超硬樹脂磨具[11－13]。而金剛石砂輪磨削性能的好壞與砂輪的顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)，程蓓等[1]用掃描電鏡觀察了砂輪的斷裂面和磨削面的微觀狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)酚醛樹脂金剛石砂輪在磨削過程中，金剛石顆粒周圍的樹脂被燒蝕，形成了明顯的空洞，金剛石顆粒隨時都可能脫落，而磨削前的斷裂面顯示:金剛石顆粒均勻的分布在酚醛砂輪中，砂輪組織致密，無氣孔存在。相比酚醛樹脂，聚酰亞胺金剛石砂輪的磨削面和金剛石砂輪周圍的樹脂顆粒被燒蝕和炭化的情況明顯小于酚醛樹脂砂輪，主要是由于聚酰亞胺的耐熱性優(yōu)于酚醛樹脂的結(jié)果，因此其耐磨性能優(yōu)于酚醛樹脂砂輪。

4 砂輪用聚酰亞胺結(jié)合劑的展望

雖然我國聚酰亞胺樹脂結(jié)合劑開發(fā)和應用已有二十余年歷史，但在砂輪結(jié)合劑方面應用范圍較窄、規(guī)格品種也較少，結(jié)合劑配方單一。因此，要滿足砂輪應用需求，要在提高玻璃化溫度、可加工性方面加大研發(fā)力度，主要途徑是通過結(jié)構(gòu)的設計和改性來改善聚酰亞胺結(jié)合劑的耐高溫和可加工性能。另外，可以利用聚酰亞胺的特性，在盡量降低成本的基礎上制造出壽命長、性能好的樹脂砂輪結(jié)合劑，從而滿足應用的需要。

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Research Present Status of the Po1yimide Resinoid Adhesives Used in Diamond Grinding Whee1

BAI Jun－jing
(School of Material and Chemical Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China)

TQ437.9

A

1003－3467(2010)05－0021－03

2009－11－30

鄭州輕工業(yè)學院博士基金資助項目(000392)

白俊敬(1980－)，女，在讀研究生，研究方向為新型有機材料的合成，電話:13939042517。