樹(shù)脂砂輪混料及硬化工藝設(shè)計(jì)與酚醛樹(shù)脂選擇探討

1、樹(shù)脂砂輪混料、硬化工藝設(shè)計(jì)與酚醛樹(shù)脂選用探討 王扎根 珠海邦瑞合成材料有限公司 陳新強(qiáng) 東莞市金利威磨料磨具有限公司一、前言樹(shù)脂砂輪的應(yīng)用已經(jīng)滲透到所有工業(yè)領(lǐng)域，而且在我們民用、家裝等方面用量驚人，伴隨著國(guó)內(nèi)樹(shù)脂砂輪DIY市場(chǎng)的用量激增，樹(shù)脂砂輪的性能指標(biāo)已經(jīng)有了大幅提高，同時(shí)與樹(shù)脂砂輪制造有關(guān)的技術(shù)進(jìn)步尤其是生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化，發(fā)展速度驚人。未來(lái)，誰(shuí)能搶先擁有先進(jìn)的技術(shù)，誰(shuí)將獲得快速發(fā)展的先機(jī)。樹(shù)脂砂輪的技術(shù)進(jìn)步，今后將更多地依賴(lài)于對(duì)樹(shù)脂砂輪制造技術(shù)更精確、更科學(xué)的認(rèn)識(shí)?？梢灶A(yù)言：樹(shù)脂砂輪，尤其是切片/磨片，在3至5年內(nèi)仍處于快速發(fā)展期。全球樹(shù)脂砂輪的80%以上產(chǎn)能集中在國(guó)內(nèi)。未來(lái)3至

2、5年，只有少數(shù)高端產(chǎn)品在歐美國(guó)家生產(chǎn)，更多的國(guó)外知名磨企將通過(guò)合資、兼并、收購(gòu)等渠道，爭(zhēng)奪樹(shù)脂砂輪市場(chǎng)份額。樹(shù)脂砂輪制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)將更為慘烈，洗牌在所難免。酚醛樹(shù)脂是一種重要且最普遍，應(yīng)用范圍最廣、使用量最大，有多種性能的結(jié)合劑，選擇合適的酚醛樹(shù)脂同我們所要求的樹(shù)脂砂輪的性能有直接關(guān)系，并且性能的表現(xiàn)程度，與樹(shù)脂砂輪制造過(guò)程的工藝(條件)有關(guān)。本人將結(jié)合自己近三十年的樹(shù)脂砂輪制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)有關(guān)樹(shù)脂砂輪性能及制造工藝等有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行討論。二、樹(shù)脂砂輪種類(lèi)與酚醛樹(shù)脂特性選擇邦瑞公司生產(chǎn)酚醛樹(shù)脂分為兩大類(lèi)：a) 熱塑性酚醛樹(shù)脂（novolak resin) b）熱固性酚醛樹(shù)脂（thermosetting

3、 phenolic resin）樹(shù)脂砂輪類(lèi)型與所用酚醛樹(shù)脂特性，見(jiàn)表1。表1 樹(shù)脂砂輪與酚醛樹(shù)脂特性序號(hào)樹(shù)脂砂輪種類(lèi)特點(diǎn)使用酚醛樹(shù)脂特性邦瑞酚醛樹(shù)脂適宜品種1荒磨砂輪熱壓成型砂輪有石膏填料，用于磨鋼板或混凝土。屬于高密度砂輪短流長(zhǎng) 短膠化時(shí)間高烏洛托品含量BR-26100 BR-2123ABR-27100樹(shù)脂液：BR-19100 BR-19200冷壓成型砂輪（1）有石膏填料，用于磨鋼板或混凝土。短流長(zhǎng) 短膠化時(shí)間適中烏洛托品含量BR-22200BR-23100樹(shù)脂液：BR-19100 BR-19200冷壓成型砂輪（2）不添加石膏填料，用于鑄件的加工砂輪密度稍低中等流長(zhǎng) 中等膠化時(shí)間適中烏洛托品

4、含量BR-25100BR-27100 BR-2123A樹(shù)脂液：BR-19100 BR-192002無(wú)心磨砂輪高厚度砂輪耐弱堿冷卻液中等密度中等磨削作用流長(zhǎng)、膠化時(shí)間、烏洛托品含量皆為中等BR-25100BR-22100 BR-2123A樹(shù)脂液：BR-19100 BR-192003切割砂輪（無(wú)網(wǎng)）薄、韌性大高密度砂輪磨削作用偏硬中短流長(zhǎng) 中長(zhǎng)膠化時(shí)間中等烏洛托品含量（適宜熱壓）BR-25100BR-22200 BR-27100樹(shù)脂液：BR-1920ABR-19300BR-1930ABR-19500BR-1950A普通砂輪中等密度中等磨削中短流長(zhǎng) 中長(zhǎng)膠化時(shí)間中等烏洛托品含量（適宜冷壓）BR-25

5、100BR-2123A樹(shù)脂液：BR-1920ABR-19300BR-1930A工具專(zhuān)用或切割特種金屬低密度自由磨削短流長(zhǎng) 長(zhǎng)膠化時(shí)間低烏洛托品含量BR-2E100BR-27100樹(shù)脂液：BR-1920ABR-19300BR-1930A4玻纖增強(qiáng)切割砂輪具有最大的彈性高側(cè)向抗沖擊能力使用改性樹(shù)脂或混合樹(shù)脂BR-25100BR-22200 BR-27100樹(shù)脂液：BR-1920ABR-19300BR-1930ABR-19500BR-1950A5鈸型砂輪玻纖增強(qiáng)高韌性高側(cè)向抗沖擊力適宜于各種粗磨、精磨中等流長(zhǎng) 中等膠化時(shí)間中等烏洛托品含量使用改性樹(shù)脂較多BR-26100BR-23100BR-2110

6、0BR-2123A樹(shù)脂液：BR-1920ABR-19300BR-1930ABR-19500BR-1950A6外圓磨砂輪直徑大、耐冷卻液、自由磨削適宜于粗磨或不燒傷工件的精磨中至長(zhǎng)流長(zhǎng) 中至低烏洛托品含量中至長(zhǎng)膠化時(shí)間軟磨削BR-25100BR-211000BR-22200BR-22100 BR-27100樹(shù)脂液：BR-1920ABR-19300BR-1930A7精密磨削細(xì)粒度、冷切割和自由磨削大部分耐冷卻液長(zhǎng)流長(zhǎng)、長(zhǎng)膠化時(shí)間、低烏洛托品含量快速切割軟磨削BR-21100BR-221000BR-23100樹(shù)脂液：BR-1920ABR-19300BR-1930A8高速荒磨砂輪短流長(zhǎng) 短膠化時(shí)間高烏

7、洛托品含量BR-26100BR-23100樹(shù)脂液：BR-1930ABR-19500BR-1950A邦瑞公司，作為國(guó)內(nèi)首家引進(jìn)臺(tái)灣技術(shù)的專(zhuān)業(yè)化酚醛樹(shù)脂制造商，經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，為中國(guó)樹(shù)脂砂輪行業(yè)做出了矚目的貢獻(xiàn)；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期消化吸收，千百次的改進(jìn)，已經(jīng)形成了適應(yīng)樹(shù)脂砂輪生產(chǎn)的系列化酚醛樹(shù)脂產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期與鄭州大學(xué)、臺(tái)灣研究機(jī)構(gòu)、中科院等科研機(jī)構(gòu)的合作，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)富有影響力的酚醛樹(shù)脂產(chǎn)學(xué)研基地。作為國(guó)內(nèi)唯一一家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)樹(shù)脂砂輪用酚醛樹(shù)脂及相關(guān)材料的制造廠家，邦瑞始終堅(jiān)持走中高端路線(xiàn)，產(chǎn)品具有高純度，穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。邦瑞公司酚醛樹(shù)脂合成獨(dú)特地采用導(dǎo)熱油加熱合成系統(tǒng)，生產(chǎn)的酚醛樹(shù)脂游離酚含量不大于1

8、.0%，確保了酚醛樹(shù)脂性能穩(wěn)定和優(yōu)秀耐老化性。20多年的發(fā)展，邦瑞公司在酚醛樹(shù)脂領(lǐng)域，已經(jīng)做到專(zhuān)業(yè)化、精心化，全心全意為客戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)化的酚醛樹(shù)脂及玻纖網(wǎng)片等材料使用方案，提升客戶(hù)的砂輪品質(zhì)，是我們的責(zé)任。千錘百煉，邦瑞公司已經(jīng)形成了獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、人才優(yōu)勢(shì)、管理優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。三、樹(shù)脂砂輪產(chǎn)生質(zhì)量不穩(wěn)定的原因分析樹(shù)脂砂輪生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多質(zhì)量問(wèn)題，由于樹(shù)脂砂輪制造屬于復(fù)合材料多學(xué)科綜合，所以產(chǎn)生原因復(fù)雜繁多。下面就主要原因進(jìn)行分析：第一、原材料問(wèn)題 樹(shù)脂砂輪是由多種主、輔原材料構(gòu)成的復(fù)雜物系，主要材料是磨料和結(jié)合劑，輔助材料則包括填料、增強(qiáng)材料、著色劑等。 1、磨料方面應(yīng)該關(guān)注的問(wèn)題目前市場(chǎng)

9、上磨料質(zhì)量參差不齊，主要表現(xiàn)為：1 ） 磨料的化學(xué)成份往往是合格的，但物理性能差；主要表現(xiàn)在磨料的堆積密度與國(guó)外還有差距。2 ） 磨料的粒度組成較亂，與標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定相差較大；主要表現(xiàn)在同一粒度磨料的基本粒含量與國(guó)外有差距。 2、結(jié)合劑方面，主要是酚醛樹(shù)脂： 1 ） 樹(shù)脂質(zhì)量穩(wěn)定性問(wèn)題，尤其是樹(shù)脂中游離酚含量的高低。過(guò)高的游離酚含量，會(huì)加速樹(shù)脂砂輪加熱硬化后的樹(shù)脂裂解，影響砂輪的強(qiáng)度；2 ） 樹(shù)脂粉與烏洛托品混合均勻性，烏洛托品作為樹(shù)脂的硬化劑，烏洛托品加入量不足，樹(shù)脂硬化不完全，影響砂輪的強(qiáng)度和硬度；含量過(guò)高，則過(guò)量的烏洛托品不與樹(shù)脂結(jié)合，在硬化過(guò)程中分解揮發(fā)，使砂輪的氣孔增多，降低其強(qiáng)度和硬度

10、。3 ） 結(jié)合劑粒度（細(xì)度）過(guò)粗或過(guò)細(xì)一般認(rèn)為，結(jié)合劑的粒度以細(xì)為宜，這有利于使結(jié)合劑分布均勻。粒度過(guò)粗，則成型料不易混合均勻，影響砂輪的硬度和強(qiáng)度。即使是對(duì)于粒度較粗的樹(shù)脂薄片切割砂輪和鈸形砂輪來(lái)講，其選用的結(jié)合劑（ 樹(shù)脂粉） 粒度也應(yīng)細(xì)于320#。但是如果酚醛樹(shù)脂粉的粒度過(guò)細(xì)，給混料帶來(lái)了困難，很難做到混合料的均勻性，進(jìn)而影響了樹(shù)脂砂輪的切磨削性能。第二、樹(shù)脂砂輪制造工藝問(wèn)題：樹(shù)脂砂輪制造是工藝性很強(qiáng)的工業(yè)產(chǎn)品，在配混料、成型、硬化、加工等工序存在問(wèn)題較多。 1、混料工序：混料的關(guān)鍵是均勻性，成型料應(yīng)達(dá)到：各成份分布均勻，保持松散性，但不宜出現(xiàn)明顯漏粉，必須保證攤料均勻，具有良好的成型性能

11、。 2、成型工序：目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)是旋轉(zhuǎn)攤料機(jī)構(gòu)，但由于旋轉(zhuǎn)攤料機(jī)構(gòu)的局限性，造成很大制造企業(yè)有的企業(yè)員工操作不得要領(lǐng)，混合料分布不均，形位公差及靜平衡超差。3、硬化工序：這是最關(guān)鍵的生產(chǎn)工序，容易造成質(zhì)量問(wèn)題的因素有兩個(gè)，一是固化烘箱或燒成窯的溫差太大；二是裝爐的方式方法不當(dāng)。硬化爐窯溫差過(guò)大，致使樹(shù)脂砂輪硬化偏離了設(shè)定的硬化規(guī)范（硬化曲線(xiàn)），使砂輪的固化（ 硬化） 質(zhì)量得不到充分的保證。 4、加工工序（主要是大直徑高厚度樹(shù)脂砂輪）：樹(shù)脂砂輪尤其是大直徑和高厚度，或者要求尺寸公差嚴(yán)格的砂輪在硬化后要進(jìn)行加工，以保證砂輪的幾何尺寸、形位公差。5、生產(chǎn)配方、工藝參數(shù)生搬硬套。第三、設(shè)備工裝問(wèn)題 1

12、、設(shè)備問(wèn)題：生產(chǎn)設(shè)備是砂輪生產(chǎn)的重要物質(zhì)條件，有的企業(yè)一是設(shè)備不足，如沒(méi)有缺少好的混料機(jī)，油壓機(jī)噸位規(guī)格偏小等；同時(shí)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)差，產(chǎn)品質(zhì)量不易保證。2、工裝問(wèn)題：規(guī)模較小的樹(shù)脂砂輪企業(yè)部分企業(yè)工裝管理薄弱，沒(méi)有良好的存放場(chǎng)所，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)亂堆亂放。第四、檢驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題：1、原材料檢驗(yàn)、過(guò)程檢驗(yàn)、出廠檢驗(yàn)，是樹(shù)脂砂輪生產(chǎn)企業(yè)實(shí)施有效檢驗(yàn)控制的重要內(nèi)容，但真正做到規(guī)范管理、標(biāo)準(zhǔn)化管理的生產(chǎn)企業(yè)較少。主要問(wèn)題有制度不全，職能不落實(shí)，管理不嚴(yán)，檢驗(yàn)設(shè)備短缺失控，檢驗(yàn)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)較差等。 2、檢驗(yàn)設(shè)備配置不全 檢驗(yàn)設(shè)備不齊全，樹(shù)脂砂輪的檢驗(yàn)設(shè)備有3大件：即回轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)；噴砂硬度機(jī)(或洛氏硬度機(jī))-樹(shù)脂切

13、片、磨片除外；靜平衡器(對(duì)金剛石砂輪還需要?jiǎng)悠胶馄?，其它還應(yīng)有薄片砂輪端面、徑向跳動(dòng)測(cè)定儀、內(nèi)徑量規(guī)、游標(biāo)卡尺、砂輪切割性能試驗(yàn)機(jī)等。 檢驗(yàn)設(shè)備缺乏應(yīng)有的維護(hù)和保養(yǎng)。四、樹(shù)脂砂輪混料酚醛樹(shù)脂液的選擇及應(yīng)用樹(shù)脂砂輪制造中最常用的濕潤(rùn)劑是酚醛樹(shù)脂液，在采用正常樹(shù)脂液比例混料時(shí)，如果料干濕難以控制時(shí)，才采用糠醛、二丁酯等濕潤(rùn)劑。由于糠醛與液體酚醛樹(shù)脂有很好的相容性，所以目前在大多數(shù)廠家仍然在使用。但同時(shí)糠醛的高腐蝕性、刺激氣味，及對(duì)操作員工身體健康的傷害等缺點(diǎn)十分明顯。因此，眾多廠家都在尋求更合適的替代產(chǎn)品。為了滿(mǎn)足客戶(hù)需要，邦瑞公司經(jīng)過(guò)近一年的開(kāi)發(fā)，成功開(kāi)發(fā)出來(lái)了新型酚醛樹(shù)脂液BR-19500，

14、BR-1950A，這種樹(shù)脂液能夠解決混合料的松散性，在混合料適度偏濕的情況下松散效果很好；同時(shí)，混料料停放時(shí)間很短，在1.小時(shí)后混合料的堆積密度趨于穩(wěn)定；更為重要的時(shí)混料料顆粒形狀均勻、樹(shù)脂及輔助材料包覆磨料顆粒效果好。下圖為顯微鏡照片（圖片1、圖片2）圖1 邦瑞酚醛樹(shù)脂液BR-1920A混合料顯微圖片圖2 邦瑞酚醛樹(shù)脂液BR-1950A混合料顯微圖片從圖片2可以看出，混合料顆粒劑包覆效果很好。由于新型樹(shù)脂液的優(yōu)勢(shì)，更適用于樹(shù)脂切片/磨片自動(dòng)化成型機(jī)混合料送料、投料。五、樹(shù)脂砂輪的酚醛樹(shù)脂硬化機(jī)理與硬化曲線(xiàn)設(shè)定酚醛樹(shù)脂的固化依賴(lài)于加熱反應(yīng)進(jìn)而完成硬化（固化）。期間，硬化的升溫速率是十分關(guān)鍵的。

15、1、 酚醛樹(shù)脂的硬化機(jī)理 準(zhǔn)確定義：苯酚和甲醛在合成反應(yīng)設(shè)備中，通過(guò)加成和適當(dāng)縮聚反應(yīng)所得到的樹(shù)脂，通常都是分子量不高的低聚物和各種羥甲基酚的混合體系，雖然Novolaks及Resoles以如上節(jié)所述，結(jié)構(gòu)上是有差異的。酚醛樹(shù)脂只有在形成交聯(lián)網(wǎng)狀(或稱(chēng)體型)結(jié)構(gòu)之后才具有優(yōu)良的使用性能，包括力學(xué)性能、電絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等。 酚醛樹(shù)脂的硬化就是使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程，表現(xiàn)出凝膠化和完全固化的兩個(gè)階段，這一轉(zhuǎn)變不僅是物理過(guò)程，也是一個(gè)化學(xué)過(guò)程。所以酚醛樹(shù)脂的硬化絕不是熔體冷卻到熔點(diǎn)以下的一般意義上的固化，而是高分子化學(xué)概念上的由線(xiàn)(支)型分子交聯(lián)(cure)成網(wǎng)狀分子導(dǎo)致失去可溶、

16、可熔性的固化。酚醛樹(shù)脂硬化后，在獲得優(yōu)良物理性質(zhì)的同時(shí)，又失去了可溶、可熔性，不再有可加工性。因而其固化過(guò)程必然應(yīng)在以酚醛樹(shù)脂(Novolaks或Resoles)為粘結(jié)結(jié)劑組成的塑料、油漆涂料及各種各樣工程材料的使用或成型過(guò)程中完成。硬化過(guò)程表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：(1) 樹(shù)脂在硬化前的結(jié)構(gòu)因素(組成、分子量大小、反應(yīng)官能度等)影響顯著； (2) 硬化反應(yīng)受催化劑、固化劑、樹(shù)脂pH值等的影響顯著；(3) 硬化過(guò)程有熱效應(yīng)；(4) 硬化速率受溫度、壓力的影響顯著；(5) 硬化過(guò)程有副產(chǎn)物(如 水、甲醛等)產(chǎn)生；(6) 硬化反應(yīng)是不可逆過(guò)程。2、 酚醛樹(shù)脂的硬化條件酚醛樹(shù)脂粉要加熱到流動(dòng)狀態(tài)，才能形成結(jié)合

17、劑橋。然而，如果升溫速度過(guò)快，砂輪就會(huì)變形。所以必須調(diào)整出合適的硬化曲線(xiàn)，以保證結(jié)合劑固化，砂輪不變形。如1所述，硬化過(guò)程中會(huì)有一定量的揮發(fā)物產(chǎn)生放出，其產(chǎn)生的壓力在條件成熟時(shí)會(huì)使砂輪變形。這種壓力必須被外部壓力或結(jié)合劑橋本身的強(qiáng)度抵消，也可以在不影響砂輪性能的情況下，使揮發(fā)物留在砂輪內(nèi)而不破壞砂輪形狀。能夠使酚醛樹(shù)脂結(jié)合劑橋樹(shù)脂制造的砂輪硬化時(shí)可以快速升溫，如邦瑞的超薄片專(zhuān)業(yè)粉BR-22200就是一類(lèi)。同時(shí)，結(jié)合劑橋的形成快慢主要取決于酚醛樹(shù)脂的硬化速率，同時(shí)與濕潤(rùn)劑（含樹(shù)脂液）的類(lèi)型及樹(shù)脂粉的配合及反應(yīng)有密切關(guān)系。因此，設(shè)計(jì)硬化曲線(xiàn)時(shí)必須考慮酚醛樹(shù)脂的品種和硬化速率。3、 硬化曲線(xiàn)的設(shè)定在

18、樹(shù)脂砂輪制造技術(shù)中，有兩種最基本的硬化曲線(xiàn)，所有其他的硬化曲線(xiàn)都是這兩種曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)化。1） 短曲線(xiàn)（快速升溫曲線(xiàn)）升溫速度較快，每小時(shí)大于10。曲線(xiàn)總時(shí)間為20至24小時(shí)。該曲線(xiàn)常用來(lái)硬化酚醛樹(shù)脂液做濕潤(rùn)劑，且砂輪配方中添加一定量的石膏填料的配方樹(shù)脂砂輪。該曲線(xiàn)特點(diǎn)是：快速硬化，采用的酚醛樹(shù)脂粉的流長(zhǎng)較短。2） 長(zhǎng)曲線(xiàn)（慢速升溫曲線(xiàn)）適用于結(jié)合劑流動(dòng)性較好（中等密度，用低粘度樹(shù)脂液做濕潤(rùn)劑等）的樹(shù)脂砂輪，硬化時(shí)升溫速率較慢，每小時(shí)升溫35，在120保溫4小時(shí)左右，最高硬化溫度在160190之間，曲線(xiàn)總長(zhǎng)為4060小時(shí)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)硬化曲線(xiàn)時(shí)，必須認(rèn)真考慮曲線(xiàn)的升溫速度、長(zhǎng)度、最高溫度及其它細(xì)節(jié)問(wèn)題，并且必須經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證。硬化曲線(xiàn)設(shè)計(jì)必須遵循的原則：a、 大直徑砂輪、高厚度砂輪，硬化時(shí)曲線(xiàn)在最高溫度保溫時(shí)間要長(zhǎng)，以保證硬化完全；b、 要求砂輪不完全硬化時(shí)，曲線(xiàn)最高溫度需調(diào)整較低些；c、 高硬度冷壓砂輪硬化時(shí)，在105120段的保溫時(shí)間必須延長(zhǎng)，以便揮發(fā)物徹底釋放出；d、 流長(zhǎng)極短樹(shù)脂粉制作的砂輪，硬化時(shí)升溫速度要快，以保證結(jié)合劑有充分的流動(dòng)性，從而獲得最佳的產(chǎn)品性能。短曲線(xiàn)，低溫硬化，可以生產(chǎn)出“軟”砂輪；相反，生產(chǎn)“硬”