新型无机高分子结合剂在磨具中的应用

1新型无机高分子结合剂在磨具中的应用一、无机高分子结合剂简介无机高分子结合剂是由陕西德谦科技有限公司研发、生产，并首次把“杂化”概念植入磨具生产行业的新型无机高分子结合剂，彻底改变了磨具生产中高耗能、重污染的落后生产工艺和材料结构，大大提高了磨料使用水平和产品质量；同时，也为磨具新产品的拓展提供了广阔的空间。无机高分子结合剂应用在磨具行业具有以下突出特点：1、高质高能：无机合成，化学性质稳定、使用寿命长，粘结性强、强度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、热膨胀系数小；该材料不仅具有无机材料的特性，也具有一定有机材料的特性，打破了传统的陶瓷磨具和树脂磨具的界限。2、节能环保：无机高分子结合剂在磨具的生产和使用过程中无有毒有害气体产生，该结合剂的固化稳定仅需120-180℃（根据生产磨具的种类不同而确定温度；固化时间为短），极大的节约了能源，显著的提高了生产效率。3、无机高分子结合剂固化后形成以Si、Al、O、P、N为主链、以共价键和离子键相连的立体网络结构，其断裂能高达1500J/㎡，能够满足磨具高速旋转时强大离心力作用下磨具不会产生破裂的强度要求；该结合剂即可生产超软磨具、普通磨具，又可生产超硬、超高速磨具。经实际测试，用该结合剂生产的普通磨具回转速度已超过130m/s以上；生产的超软磨具也能经受高速回转；因其固化温度低，以“杂化”概念改变生产工艺，可生产250m/s以上的高速磨具。4、独特功能：无机高分子结合剂可生产精磨磨具，由于该材料的结构中含有铝氧四面体，在磨削过程中，这部分铝氧四面体具有润滑作用，使工件表面的光洁度极佳。5、使用无机高分子结合剂生产磨具，与传统的生产工艺、设备基本相同，无需大的技改投资。二、无机高分子矿物聚合物结合剂在磨料中的应用高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的科学，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干原子按一定规律重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对制造大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学的最基本的研究内容。杂化一词源自生物学—不同物种杂交后产生物种优势，乃自然进化之根本。取不同材料之优势互补产生新材料，且材料性能差别越大，杂化优势越明显。从不同有机/无机树脂改性到有机/无机杂化材料，从分子结构到纳米结构乃至共混体和复合材料。无机高分子结合剂的化学组成份为类聚合铝硅酸盐，由Si、Al、O、P、N为主链，引入CH3-、C-C6H6-、NH2-、CH2=CH-元素或基团等链节通过共价键或离子键构成的，其聚合物缩聚成高分子，聚合度较高。无机高分子聚合材料是通过对新型无机高分子聚合物合成、规律及性能的研究，采用纳米笼技术设计，利用无机高化学活性组分的化合物作为前驱体在碱（酸）催化剂的存在下，在液体化学中溶解络合、分散迁移、自组装配位桥联，在能量动态反应机理控制过程中分离和表征出大量的中间态产物，从而获得具有良好的力学性能和物理形态上呈三维空间网络结构的化学稳定性。其特性具有有机高聚物的键接结构，故而无机高分子聚合结合剂有有机化合物和无机化合物的共同特点。其性能与陶瓷相近或更高。无机高分子结合剂的特征是“杂化粘合”，因为它们虽然具有玻璃态、陶瓷基和有机粘合剂的某些特征，但是仍有不同，在制备粘合磨料制品方面，它们比常规的玻璃态、陶瓷基粘合剂具有很明显的优点。首先具有重要意义的是它们可在远低于玻璃态、陶瓷基粘合剂的较低的温度下形成(这一点与有机粘合剂相同)，而且具有均匀的组成，形成对照的是，玻璃态、2陶瓷基粘合剂必须在其熔化温度下形成，并保持于该温度以便其流动，从而覆盖磨粒形成粘合体。但是，无机高分子结合剂的结构在相当程度上，具有玻璃态、陶瓷基的粘合高强度和硬度甚至更高。在这点上，它们与常规有机粘合剂又有不同，有机聚合物可以是热固性树脂，例如，苯酚/甲醛、尿素/甲醛或环氧树脂；也可以是辐射固化的树脂，例如丙烯酸化的聚氨酯、丙烯酸化的环氧树脂、丙烯酸化的聚酯或这些化合物的几种，它们在没有或有催化剂活化、增强转换的情况下，在可见光、紫外线或电子束辐射时，可形成高度交联的刚性聚合物。常规有机粘合剂的模量小而脆性较大，因此，从无机高分子结合剂在磨料生产中的较低形成温度的角度考虑，用无机高分子结合剂代替常规的玻璃态、陶瓷基粘合剂，由于处理温度较低，故而就能够采用许多先进技术，例如可将不能用于玻璃态、陶瓷基粘合制品中的活性填料加入到这种粘合剂中。无机高分子结合剂体系可通过加入使用的活性填料来改性，一般如黄铁矿、氧化铝、硫磺或有机研磨助剂，只要它们在形成的温度下稳定，也可以是无机填料，例如矿物颜料或玻璃、陶瓷微珠，其主要目的是有助于在最终的粘合磨料制品中形成所要求的孔隙或结构，填料以5-10%为佳。其次，除了这些优点外，与有机粘合剂的制品相比，无机高分子结合剂的磨料制品具有工作热稳定性和使用温度高的优点；另外，无机高分子矿物聚合物结合剂的磨料制品其热处理的温度较低，而在此温度下，一般的热塑性有机树脂不会改性或降解，故使得能通过加入某些有机聚合物而使玻璃态、陶瓷基粘合相关的某种脆性变得适中；又由于无机高分子矿物聚合物结合剂与玻璃态、陶瓷基粘合剂不同，它可在不使热塑性聚合物降解的温度下交链，因此，用无机高分子结合剂就可加入合适的增强或改性的热塑性聚合物，包括聚烯烃、聚丁二烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和聚酯等有机物，这种能够加入粘合剂中的增强和改性的热塑性聚合物的量最大是无机粘合剂总量的20%，从而，可根据要制成制品用途的需要，量身“定制”粘合剂的物理性质，因此，无机高分子矿物聚合物胶粘材料在磨料磨具中的使用真是“杂化”的。目前，很少发现用无机高分子聚合物在较低温度下生产的磨料磨具，这个应用不但开拓了玻璃态、陶瓷基粘合磨料制品和树脂基粘合磨料制品应用范围的可能性，同时也改善了粘合磨料制品的性能，能够通过改变粘合剂的配合、温度曲线的控制和生产工艺的调节，从而得到高性能、低损耗的磨具产品。总之，无机高分子结合剂使用“杂化”不能妥贴的归入玻璃态、陶瓷基或有机粘合剂类型，玻璃态、陶瓷基正如其名字的含义所指的那样，它需要熔化并流动才能覆盖磨粒，形成连接邻近磨粒的粘合体，在冷却固化后将这些结构结合起来，因此，玻璃态、陶瓷基粘合材料是在高温下形成，而且形成的时间较长。然而，这种制品很刚硬，在精密研磨中尤为有效，有机粘合的材料在低得多的温度下形成，而无机高分子矿物聚合物结合剂是具有两者的共同优点且能够在较低温度下形成并交链变硬的聚合物材料，其产品性能具有两者的共同优点，这样为以后开发新的磨料产品提供了必要的前提条件。三、无机高分子结合剂在砂轮应用中工艺的重要性无机高分子结合剂在砂轮的应用中存在“形态效应”、“活性效应”和“微集料效应”三项基本效应。所谓形态效应，泛指各种应用于砂轮生产中的磨料颗粒，由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。所谓活性效应，是指无机高分子结合剂和磨粒掺合料之间的活性成分所产生的化学效应。所谓微集料效应，是指无机高分子结合剂均匀分布于磨料的基相中，就象微细集料一样，改善掺和后混合料的结构和性能。实际上，上述三种基本效应是水性无机结合剂掺合在磨料中的作用形式，不仅磨料如此，3其它矿物掺合料也是如此，差别仅仅是作用程度的不同。活性效应是掺合磨料在砂轮中作用的一个重要组成部分。无机结合剂之所在砂轮中可以得到应用，就是因为它具有一定的反应能力，形成类似于陶瓷的产物，这些反应产物使砂轮材料的结构得到改善。勿容置疑，活性效应是无机结合剂掺合料对砂轮材料性能贡献的一个重要方面。活性效应是微集料效应发挥的基本保证。无机结合剂与磨料的微集料效应来自于三个方面:一是这些磨料颗粒本身具有较高的强度；二是这些磨料颗粒与水化产物之间具有较好的粘结性能；三是这些磨料颗粒在无机结合剂中分散状态良好，借助于合理的搅拌、加热、拌合磨料均匀性的改善，有助于磨料中孔隙的填充与“细化”。其中磨料颗粒与无机结合剂之间具有较好的粘结性能是其它两者的基础。只有当磨料微集料颗粒与无机结合剂组织结构均匀并紧密结合时它较高的自身强度才能发挥作用，使孔隙化的效果得以体现。只有在这一前提下，它优越的性能才能得到利用和发挥。磨料颗粒的界面反应是提高其界面性能的一个重要途径。因此，无机结合剂活性效应的发挥是微集料效应发挥的前提和保证。活性效应是形态效应作用效果的延续。磨料的形态效应仅仅决定了无机结合剂材料没有拌合的初始结构，随着磨料和无机结合剂掺合料在搅拌和加热的合理工艺下各种反应的进行，可以使掺合后材料的结构得到进一步的改善，而这些反应的程度和速度则取决于它的活性效应。从对其的影响上看，活性效应是形态效应的延续和发展，它使掺合料的性能得到进一步的改善。由此可见，如何在生产工艺的控制过程中充分挖掘磨料和无机结合剂掺合料的活性潜力，对产品性能有着特别重要的意义。同时，也应该看到，磨料和无机结合剂掺合料在砂轮生产中的作用是由三个效应组成的，为此，只有在合理的工艺下才能在挖掘它的活性效应潜力的同时，也同时也兼顾了其它效应。四、无机高分子结合剂在砂轮生产过程中的工艺要点1、按配方称取磨料、结合剂、填料（硅灰石粉）、助剂（蜂蜜或红糖）；其中助剂可以不加，加助剂时只需加到结合剂中搅匀。2、把磨料和填料在混料锅内搅拌均匀后加入结合剂和助剂的混合料，搅拌均匀后加热风搅拌。3、热风温度控制在70℃左右，风量大小根据工业化生产量的大小及搅拌速度现场调整，速度的大小根据树脂结合剂的用量多少生产现场调整；通热风搅拌至结团、拉丝后3—5分钟后停止热风，高速搅拌至形成松散料。4、磨具的加热参考曲线：70℃、90℃、95℃、100℃、120℃、150～180℃在每个温控点的控温时间以磨具内的自由状态水（或结合水）也大部分蒸发掉为基准。应注意不要使温度高于起蒸汽时的温度，以免最终烧结成的磨具起鼓。每一温控点干燥过程都除去无机高分子结合剂中90％以上的自由状态水（或反应的结合水），干燥后的磨具结构致密，强度很高。新型、高效、专用、重负荷强力和精密无机高分子磨具的制作高效磨削加工技术是先进的制造技术必要条件，彻底解决了传统磨削加工高精度、低效率的加工局限，在获得高效率，高精度的同时，又能对各种材料和形状进行高表面完整性加工并降低成本。在我国现有条件下，大力加强高效磨削加工技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。如今超硬材料的应用日益广泛，实施高速高效磨削是加工超硬材料和难切材料的优选加工工艺。由于超硬磨料磨具的应用，高速、大功率精密机床及数控技术发展、新型磨削液和砂轮修整等相关技术的发展、高速超高速磨削和高效率磨削技术应用、磨削自动化和智能化等技术的发展，使高效率磨粒加工在机械制造领域具有更加重要的地位，具有很好的发展前景。高效磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高效磨削时的切削力等。高效磨削砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。在合适的结合剂和先进的制造工艺条件下，生产的磨具使用速度可达125m/s。4现有的陶瓷结合剂砂轮耐水、耐油、耐酸、耐碱的腐蚀，能保持正确的几何形状。气孔率大，磨削率高，强度较大，韧性、弹性、抗振性差，不能承受侧向力，V轮＜35m/s的磨削，这种结合剂应用最广，能制成各种磨具，适用于成形磨削和磨螺纹、齿轮、曲轴等。现有的树脂结合剂强度大并富有弹性，不怕冲击，能在高速下工作。有摩擦抛光作用，但坚固性和耐热性比陶瓷结合剂差，不耐酸、碱，气孔率小，易堵塞；V轮＞50m/s的高速磨削，能制成薄片砂轮磨槽，刃磨刀具前刀面，高精度磨削。无机高分子结合剂磨具强度较高，因此有较高的使用速度，一般适用于高速切割、荒磨、重负荷磨削；另外无机高分子结合剂磨具有一定的弹性，且结合剂耐热性高，磨削自锐性好，这样与传统树脂结合剂相比，砂轮的尖角保持性好，形状保持性好，也适用于精磨，如螺纹磨、成型磨、