固化條件對彩色超薄切割砂輪性能的影響

智紅梅

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 ， 河南 鄭州 450042)

0 前言

樹脂磨具在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，樹脂超薄切割砂輪在金屬材料加工應(yīng)用中具有以下優(yōu)點(diǎn)：切割速度快，切割尺寸精度高，切割表面平滑，用于硬質(zhì)材料的切割加工，自銳性好，磨具不需要修正，生產(chǎn)加工成本低[1-6]。

固化條件記錄了樹脂砂輪硬化時(shí)溫度隨時(shí)間的變化過程。不同的固化條件能夠反應(yīng)出樹脂砂輪硬化時(shí)的反應(yīng)時(shí)間、升溫速率、初始溫度、最高溫度、終止溫度以及不同溫度下的保溫時(shí)間，實(shí)際上固化條件代表著樹脂砂輪的固化工藝。固化條件不同，樹脂的固化程度不同，會(huì)直接影響砂輪的外觀顏色、磨削比以及儲(chǔ)存時(shí)間。

本文設(shè)計(jì)了5種不同的固化條件，分別對5種不同配方在5種固化條件下制備的砂輪的性能進(jìn)行測量和分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 樹脂砂輪配方設(shè)計(jì)

選用的結(jié)合劑為液狀與粉狀比例(質(zhì)量比)為1∶3的酚醛樹脂，采用冰晶石與磨粒配合，增強(qiáng)砂輪的耐磨性，提高砂輪的壽命，采用石膏填充，增加砂輪的塑性，并且砂輪內(nèi)使用增強(qiáng)玻璃纖維布，增加砂輪的強(qiáng)度和韌性。具體的砂輪配方見表1。

表1 砂輪配方

注：BF，樹脂結(jié)合劑；WA，白剛玉；A，棕剛玉。

1.2 材料規(guī)格

本實(shí)驗(yàn)制備的砂輪主要用于鋼材的粗切割。因此，各原料選用規(guī)格以及生產(chǎn)廠家如下：粉狀酚醛樹脂(淺黃色粉)，型號2123#，水分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))<1.5%，游離酚2.0%～4.0%，150 ℃下聚合度40～85，軟化度10～105，125 ℃下流動(dòng)度30～50、烏洛托品10%(鄭州市亨通化工有限公司)；液狀酚醛樹脂(紅棕色透明黏稠液體)，型號2130，游離酚≤12%，固含量≥80%，黏度(涂-4，s)600～1 500(無錫光明化工有限公司)；白剛玉(白色顆粒)，粒度100#(淄博市淄川新城剛玉廠)；棕剛玉(紅棕色，發(fā)黑顆粒)，粒度100#(洛陽耐寶新型材料有限公司)；冰晶石(白色粉狀)，牌號CM-0、相對分子質(zhì)量209.94(焦作市華塑化工有限公司)；石膏(白色粉狀)，無水生石膏粉，結(jié)晶水含量≤5%，密度2.9～3.1kg/L(潞城市泰山石膏建材有限公司)；玻璃纖維砂輪網(wǎng)布，品牌FSD，厚度0.5mm(無錫市富仕德特種玻璃纖維有限公司)；鈷綠(綠色粉狀)，型號WX4101，江西萬相新材料科技有限公司。

1.3 冷壓成型

本實(shí)驗(yàn)采用的冷壓成型設(shè)備型號為YH78-100T全自動(dòng)樹脂砂輪成型機(jī)，砂輪對應(yīng)的模具內(nèi)直徑尺寸為105mm，模具旋轉(zhuǎn)速度為60r/min，刮板微提升程為1.5～3mm，主機(jī)公稱壓力為1 000～5 000N，通過可控制編程器，采用定質(zhì)量投料、定模成型的方法，循環(huán)作業(yè)。

在模壓成型之前，要先稱料進(jìn)行混料操作，首先用液狀酚醛樹脂將磨粒表面潤濕，然后再加入冰晶石或石膏粉，混合均勻后，再加入粉狀酚醛樹脂。混料完成后，先晾曬一段時(shí)間，然后對物料進(jìn)行過24#篩，去結(jié)塊，將過篩后的混合料和增強(qiáng)玻璃纖維布加入模具中，成型設(shè)備自動(dòng)攤料，經(jīng)壓制成型后，取出。成型操作在鄭州市東方磨料磨具有限公司完成。

1.4 固化條件設(shè)計(jì)

樹脂砂輪在固化時(shí)，大量的水分、固化劑分解的氣體、游離醛等物質(zhì)要從砂輪內(nèi)部揮發(fā)出來，因此適宜在低溫下保溫較長時(shí)間，然后再高溫下固結(jié)硬化，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的5種固化條件如下。

固化條件1：90 ℃下保溫4h，100、110、120、130、140、150、160、170 ℃下分別保溫1h，之后停止加熱，20min內(nèi)鼓風(fēng)至20 ℃出爐(速冷)。溫度為90～170 ℃下每升溫10 ℃所用時(shí)間為10min。

固化條件2：90 ℃下保溫4h，100、110、120、130、140 ℃下分別保溫1h，150 ℃下保溫2h，溫度190 ℃下保溫1h，之后停止加熱，20min內(nèi)鼓風(fēng)至20 ℃出爐(速冷)。90～150 ℃中每升溫10 ℃所需時(shí)間為10min，150～190 ℃升溫40 ℃所用時(shí)間為20min。

固化條件3：100 ℃下保溫5h，110、120、130、140 ℃下分別保溫1h，150 ℃下保溫4h，160 ℃下保溫1h，190 ℃下保溫1h，196 ℃下保溫10min，之后停止加熱，16.5h內(nèi)鼓風(fēng)至25 ℃出爐(模擬爐內(nèi)自然降溫)。100～160 ℃中每升溫10 ℃所需時(shí)間為10min，160～190 ℃升溫30 ℃所需時(shí)間為20min，190～196 ℃升溫6 ℃所需時(shí)間為10min。

固化條件4：100 ℃下保溫5h，110、120、130、140 ℃下分別保溫1h，150 ℃下保溫4h，160 ℃下保溫1h，190 ℃下保溫1h，196 ℃下保溫10min，之后停止加熱，1h內(nèi)鼓風(fēng)至105 ℃出爐(模擬爐外自然降溫)。100～160 ℃中每升溫10 ℃所需時(shí)間為10min，160～190 ℃升溫30 ℃所需時(shí)間為20min，190～196 ℃升溫6 ℃所需時(shí)間為10min。

固化條件5：100 ℃下保溫4h，110、120、130、140 ℃下分別保溫1h，150 ℃下保溫2h，160 ℃、170 ℃下分別保溫1h，之后停止加熱，20min內(nèi)鼓風(fēng)至20 ℃出爐(速冷)。溫度100～170 ℃中每升溫10 ℃所需時(shí)間為10min。

固化設(shè)備采用的是101-2ABS型電熱鼓風(fēng)干燥箱，其靈敏度為±2 ℃，最高溫度可達(dá)300 ℃。

1.5 回轉(zhuǎn)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)國標(biāo)GB/T2493-1995，假設(shè)砂輪的工作的轉(zhuǎn)速為11 000r/min，砂輪直徑為105mm，那么砂輪工作的線速度為121m/s，因該線速度>50m/s，所以砂輪回轉(zhuǎn)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該為16 500r/min。本實(shí)驗(yàn)采用的砂輪回轉(zhuǎn)機(jī)型號為JS-400QZD-1S1P，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)24 000r/min，回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行兩次，第一次在砂輪固化完成后24h內(nèi)進(jìn)行，第二次在2個(gè)月后進(jìn)行，每片的回轉(zhuǎn)時(shí)間為3min。

1.6 磨削實(shí)驗(yàn)方法

砂輪在磨削過程中，磨削力很復(fù)雜，一般可以把總的磨削力分解為三個(gè)方向相互垂直的力，即軸向磨削力Fx、徑向磨削力Fy和切向磨削力Fz，主要起作用的磨削力為徑向磨削力和切向磨削力，本次磨削實(shí)驗(yàn)提供的徑向磨削力為Fy=15.856 N，通常，切向磨削力Fz=(0.313-0.625)Fy。

假定砂輪工作的轉(zhuǎn)速為11 000 r/min，砂輪直徑為105 mm，砂輪工作的線速度為v=121 m/s，切向磨削力Fz=0.625×Fy=10 N，磨削功率1.21 kW，因此選用的角磨機(jī)型號為DW810，其最高功率可達(dá)1 500 W，最高轉(zhuǎn)速為11 000 r/min。

實(shí)驗(yàn)采用的切割耗材為直徑12 mm的圓鋼，實(shí)驗(yàn)時(shí)保持切割位置與圓鋼所在進(jìn)給箱面的距離最長不超過100 mm。每片砂輪切割10次，記錄磨削前后數(shù)據(jù)，計(jì)算磨削比。為了檢測砂輪的抗老化性能，制備的砂輪共分為兩大組，第一大組在硬化完成后24h內(nèi)完成磨削實(shí)驗(yàn)，第二大組在硬化完成2個(gè)月后進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 砂輪外觀

固化完成后的部分樣品如圖1所示。

圖1 砂輪外觀圖

通過比較不同配方的顏色，可以得出：當(dāng)不使用助色劑時(shí)，對于剛玉系列磨粒來說，固化條件僅影響顏色的深淺，砂輪外觀顏色主要跟棕剛玉與白剛玉的比例和酚醛樹脂的顏色有關(guān)，棕剛玉的含量越高，砂輪顏色越偏向黑色。通過比較配方2、5的顏色，可以得出：當(dāng)使用助色劑時(shí)，不論復(fù)合磨粒本身是什么顏色或者固化后的樹脂是什么顏色，砂輪的顏色都以助色劑的顏色為主，固化條件僅影響助色劑顏色的深淺。

通過比較固化條件1與其他4個(gè)條件各砂輪的顏色，可以得出最高固化溫度越高，砂輪顏色越深。通過比較固化條件3、4各砂輪顏色，可以得出固化后降溫越慢，砂輪顏色越深。通過比較固化條件1、5各砂輪顏色，可以得出固化初始溫度越高，砂輪顏色越深。通過比較固化條件1、2與3、4、5各砂輪的顏色，可以得出初始固化溫度越低，顏色分布越均勻。

2.2 砂輪的強(qiáng)度

各固化條件下的砂輪24 h內(nèi)以及2個(gè)月后回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度檢測見表2。

表2 不同配方、不同固化條件砂輪回轉(zhuǎn)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

注：“√”表示通過回轉(zhuǎn)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

通過回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的砂輪片的強(qiáng)度都符合要求，可以采用磨削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測砂輪的磨削性能和抗老化性能。

2.3 砂輪磨削性能

各固化條件下的砂輪固化完成后24 h內(nèi)進(jìn)行的磨削實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ鲾?shù)據(jù)見表3。

表3 不同配方、不同固化條件砂輪24 h內(nèi)磨削數(shù)據(jù)(磨削比) %

注：表中磨削比均為×1000倍的數(shù)值，表4同。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，固化條件4下的砂輪平均磨削比最高，固化條件5下的砂輪平均磨削比最低。

2.4 砂輪抗老化性能

各固化條件下的砂輪固化完成后2個(gè)月后進(jìn)行的磨削實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ鲾?shù)據(jù)見表4。各配方砂輪的性能衰減見表5?？傮w上各固化條件砂輪磨削性能衰減見表6。

表4 不同配方、不同固化條件砂輪2個(gè)月后磨削性能(磨削比) %

表5 不同配方、不同固化條件砂輪的性能衰減狀況 %

表6 各固化條件砂輪磨削性能衰減狀況 %

從個(gè)體上來看，不同配方的砂輪在不同的固化條件下的抗衰老性能與總體上相比有很大的不同：對于配方1來說，固化條件3的性能衰減最少；對于配方2來說，固化條件2的性能衰減最少；對于配方3來說，固化條件4的性能衰減最少；對于配方4來說，固化條件3的性能衰減最少；對于配方5來說，固化條件4的性能衰減最少。因此砂輪的抗老化性能與砂輪的配方有很大關(guān)系。

但是從總體上看，對于剛玉磨粒來說，固化條件1的性能衰減最嚴(yán)重，固化條件3的性能衰減最少；通過統(tǒng)計(jì)衰減性能前2名的固化條件號，可以得出固化條件2和固化條件3都比較適合。

固化條件5雖然和固化條件1的最高固化溫度都為170 ℃，但是固化條件5在150 ℃以上的溫度保溫的時(shí)間更長，而其余的固化條件最高固化溫度為190 ℃或196 ℃，結(jié)合其性能的衰減比，可以得出最高固化溫度越高，高溫下保溫時(shí)間越長，越有利于抗老化性能的提高。

3 結(jié)論

當(dāng)不使用助色劑時(shí)，酚醛樹脂彩色砂輪的基色為不同配比的磨粒的顏色和樹脂顏色的復(fù)合色，當(dāng)使用助色劑時(shí)，酚醛樹脂彩色砂輪的基色為助色劑的顏色，改變固化條件，提高最高固化溫度，能夠使砂輪的顏色變深。砂輪固化時(shí)，適宜從90 ℃緩慢升溫，以脫除小的相對分子質(zhì)量的物質(zhì)，當(dāng)固化溫度達(dá)到150～160 ℃時(shí)，適宜在此溫度下較長時(shí)間保溫，隨著酚醛樹脂交聯(lián)度增加達(dá)到極限，應(yīng)當(dāng)以較快的升溫速率升溫到190 ℃以使酚醛樹脂繼續(xù)交聯(lián)，降溫方式對砂輪磨削比影響不明顯，為了提高生產(chǎn)效率，建議強(qiáng)制性速冷出爐。砂輪的抗老化性能與配方有很大的關(guān)系，從整體上看，固化溫度高，高溫下(150 ℃以上)保溫時(shí)間長均有利于提高砂輪的抗老化性能。

[1] 鄒文俊.有機(jī)模具制造[M].第1版.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001,9:1.

[2] 黃發(fā)榮,萬里強(qiáng).酚醛樹脂及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011,6:5,7,148.

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金屬所制備出超雙親聚氨酯海綿

超雙親材料表面同時(shí)具有超親水和超親油的性能，是一種特殊的材料表面性質(zhì)。近期，中國科學(xué)院金屬研究所研究人員利用納米纖維素和石墨烯的協(xié)同作用，通過浸涂法獲得超雙親聚氨酯海綿。該超雙親海綿對水和油類的接觸角為零度，能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速吸附水和油。該項(xiàng)成果為制備具有特殊浸潤性能的多孔彈性材料及其復(fù)合材料提供了新思路，在催化劑載體和智能高分子復(fù)合材料領(lǐng)域有望獲得應(yīng)用。

近幾年來，金屬所鈦合金研究部聚合物復(fù)合材料研究組致力于納米纖維素與石墨烯相互作用的研究工作。研究人員通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米纖維素與二維石墨烯片層有較強(qiáng)的吸附作用，該吸附作用與纖維素分子結(jié)構(gòu)、納米纖維素晶須尺寸及其表面性質(zhì)密切相關(guān)。納米纖維素與二維石墨烯片層間的較強(qiáng)吸附作用改善了石墨烯的親水性，可有效地促進(jìn)石墨烯在水中的均勻分散。

石墨烯基多孔材料一般可以通過化學(xué)氣相沉積、電化學(xué)沉積以及冷凍干燥等方法獲得。研究人員以聚氨酯海綿為模板，將其分別浸入含微量納米纖維素的石墨烯以及純石墨烯水性分散液，制備出超疏水聚氨酯海綿。該海綿對各類油品具有良好的吸附能力，在油水分離領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

在上述工作基礎(chǔ)上，通過改變工藝，將聚氨酯海綿依次涂覆納米纖維素和石墨烯，通過調(diào)整納米纖維素的量，可以獲得不同表面浸潤特性(疏水—超雙親—疏水)的聚氨酯海綿。研究表明，納米纖維素晶須與石墨烯的協(xié)同作用構(gòu)建了聚氨酯海綿特殊的超雙親表面性質(zhì)。