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高性能酚醛树脂与树脂切片/磨片硬化工艺优化及常见问题解决方案

http://www.momo35.com   来源:磨商网  日期:2016/11/29

树脂砂轮中,切片/磨片是产量最大的品种之一。要保持树脂切片/磨片的砂轮质量,硬化工序显得十分重要。本文就笔者从事磨料磨具多年的技术经验,进行详细的技术分析,并提出了科学合理的解决方案。


  本文分8部分来介绍:


  1 酚醛树脂硬化与树脂砂轮性能稳定性


  2 树脂砂轮硬化设备对比分析


  3 硬化方法的设定对树脂砂轮质量的重要性


  4 砂轮配方设计与硬化工艺设计合理性探讨(装炉工艺)


  5 树脂砂轮硬化曲线工艺设计的重要性


  6 树脂砂轮硬化质量好坏的判定方法


  7 树脂砂轮硬化工序常见问题解决方案(减少废品的方法)


  8 适用于树脂切片/磨片邦瑞公司新产品推介


  一、酚醛树脂硬化与树脂切片/磨片的性能稳定性介绍


  树脂磨具尤其是树脂切片/磨片的硬化工序,其实是以酚醛树脂作为结合剂的固结磨具固化过程。这个过程,参与固化反应的主要是酚醛树脂的固化反应即酚醛树脂的硬化。


  树脂切片/磨片要保持其回转强度和切磨削性能,起决定作用的是酚醛树脂的硬化。因此,必须搞清楚用于制造树脂磨具(树脂切片/磨片)的液体酚醛树脂(热固性)和粉体酚醛树脂(树脂粉-热塑性)的硬化机理和影响因素,并加以严格控制。


  酚醛树脂的固化依赖于加热反应进而完成硬化(固化)。期间,硬化的升温速率是十分关键的。


  1、酚醛树脂的硬化机理


  准确定义:苯酚和甲醛在合成反应设备中,通过加成和适当缩聚反应所得到的树脂,通常都是分子量不高的低聚物和各种羟甲基酚的混合体系,虽然Novolaks及Resoles以如上节所述,结构上是有差异的。


  酚醛树脂只有在形成交联网状(或称体型)结构之后才具有优良的使用性能,包括力学性能、电绝缘性能、化学稳定性、热稳定性等。


  酚醛树脂的硬化就是使其转变为网状结构的过程,表现出凝胶化和完全固化的两个阶段,这一转变不仅是物理过程,也是一个化学过程。所以酚醛树脂的硬化绝不是熔体冷却到熔点以下的一般意义上的固化,而是高分子化学概念上的由线(支)型分子交联(cure)成网状分子导致失去可溶、可熔性的固化。


  酚醛树脂硬化后,在获得优良物理性质的同时,又失去了可溶、可熔性,不再有可加工性。因而其固化过程必然应在以酚醛树脂(Novolaks或Resoles)为粘结剂组成的塑料、油漆涂料及各种各样工程材料的使用或成型过程中完成。


  硬化过程表现出如下特点:


  (1)树脂在硬化前的结构因素(组成、分子量大小、反应官能度等)影响显着;(2)硬化反应受催化剂、固化剂、树脂PH值等的影响显着;(3)硬化过程有热效应;(4)硬化速率受温度、压力的影响显着;(5)硬化过程有副产物(如水、甲醛等)产生;(6)硬化反应是不可逆过程。


  2、酚醛树脂的硬化条件


  酚醛树脂粉要加热到流动状态,才能形成结合剂桥。然而,如果升温速度过快,砂轮就会变形。所以必须调整出合适的硬化曲线,以保证结合剂固化,砂轮不变形。


  酚醛树脂硬化过程中会有一定量的挥发物产生并放出,其产生的压力在条件成熟时会使砂轮变形。


  这种压力必须被外部压力或结合剂桥本身的强度抵消,也可以在不影响砂轮性能的情况下,使挥发物留在砂轮内而不破坏砂轮形状,能够使酚醛树脂结合剂桥树脂制造的砂轮硬化时可以快速升温,如邦瑞的超薄片专业粉BR-22200、BR-2218D就是一类。


  同时,结合剂桥的形成快慢主要取决于酚醛树脂的硬化速率,同时与湿润剂(含树脂液)的类型及树脂粉的配合及反应有密切关系。因此,设计硬化曲线时必须考虑酚醛树脂的品种和硬化速率。


  二、树脂切片/磨片的硬化方式(硬化规范)的影响因素


  合理的硬化规范,是保证得到优质制件的重要环节之一。一个合理硬化规范包括如下四方面内容:


  (1)最高硬化温度;(2)最高保温温度;(3)最高保温时间;(4)最高升温速度等条件。目前还不能用公式来计算,只能用试验的方法来确定。


  硬化规范受到很多因素的影响,根据多年总结,主要集中在三方面:


  (1)原材料方面:磨料的材质、粒度等。结合剂的用量、挥发物、缩聚速度、流动性等。辅助材料的种类、用量、挥发物、性质等。


  (2)磨具方面:磨具的形状、规格(组织、硬度)、密度(气孔率)。


  (3)热处理方面:硬化炉的种类及特点、装炉方法、硬化方法、加热方法等。


  制定一个合理的硬化规范,不但能使制件符合其特性要求,而且也能使制件得到较高的机械强度和最佳的磨削效果。


  三、树脂切片/磨片的硬化曲线的设定


  在树脂砂轮制造技术中,有两种最基本的硬化曲线,所有其他的硬化曲线都是这两种曲线的转化。


  (1)短曲线(快速升温曲线)


  升温速度较快,每小时大于10℃。曲线总时间为20至24小时。


  该曲线常用来硬化酚醛树脂液做湿润剂,且砂轮配方中添加一定量的石膏填料的配方树脂砂轮。


  该曲线特点是:快速硬化,采用的酚醛树脂粉的流长较短。


  (2)长曲线(慢速升温曲线)


  适用于结合剂流动性较好(中等密度,用低粘度树脂液做湿润剂等)的树脂砂轮,硬化时升温速率较慢,每小时升温3~5℃,在120℃保温4小时左右,最高硬化温度在160~190℃之间,曲线总长为40~60小时。


  我们在设计硬化曲线时,必须认真考虑曲线的升温速度、长度、最高温度及其它细节问题,并且必须经过多次试验验证。


  硬化曲线设计必须遵循的原则:


  (1)大直径砂轮、高厚度砂轮,硬化时曲线在最高温度保温时间要长,以保证硬化完全;


  (2)要求砂轮不完全硬化时,曲线最高温度需调整较低些;


  (3)高硬度冷压砂轮硬化时,在105~120℃段的保温时间必须延长,以便挥发物彻底释放出;


  (4)流长极短树脂粉制作的砂轮,硬化时升温速度要快,以保证结合剂有充分的流动性,从而获得最佳的产品性能。


  短曲线,低温硬化,可以生产出“软”砂轮;


  相反,生产“硬”砂轮时,最高温度低于160℃,砂轮强度低,磨削作用弱,砂轮偏软;最高温度高于210℃时,硬化过度,生产的砂轮较脆,容易破损。


  要精确地检测树脂砂轮的硬化程度是十分困难的,并且用处不大。


  个别厂家采用的丙酮萃取法检测硬化程度,但后来发现其结果与砂轮磨削效果大相径庭。很明显,在树脂还没有硬化到足以制作可使用的砂轮时,树脂在丙酮中已经完全不溶了。


  比较科学的方法是,检测树脂砂轮样块(“8”字块)的抗拉强度和抗弯强度,但与砂轮实际使用性能根本不吻合,所以意义也就不大。


  更准确的事实是:许多砂轮生产厂家经过长期的生产实践和摸索,都已经制定出了一套合理的硬化曲线。


  表A为树脂砂轮硬化曲线常见的设计过程。


  四、结合树脂磨具的硬化方法探讨一下切片/磨片的硬化方法


  在普通压力下进行硬化和在增高压力下进行硬化。最广泛采用的是在普通压力下硬化,增高压力下硬化的方法一般用于细粒度和高硬度磨具的硬化。


  1、在普通压力下的硬化方法


  在普通压力下硬化树脂磨具的方法通常又分为两种:即一次硬化法和二次硬化法。


  (1)一次硬化法


  此种方法是把成型后的制件直接装入硬化炉中,一次完成硬化过程,省去了单独进行干燥的工序。为了防止产生起泡、变形等,往往硬化时间较二次硬化的时间长粉状树脂结合剂磨具挥发物较少,多半采用一次硬化法的升温速度,使结合剂较充分的熔融湿润磨粒,增加磨具的结合强度,大部分制品硬化时间为10~15h。


  (2)二次硬化法


  此种硬化法大都应用于液体树脂磨具,它把整个过程分成两步进行:首先把成型坯体送入干燥室,在60℃下进行干燥,时间约须1~2天,然后再装架进入硬化炉中完成硬化过程。


  二次硬化法的优点是:能缩短坯体的硬化时间和提高炉的产量。细粒度高硬度的粉状树脂磨具,因结合剂量多、组织紧密、挥发物不易排除,也常采取二次硬化法。成型坯体在室温下放置一段时间,也能排除部分水分,使坯体强度增大,这一过程称为自然干燥,它有利于装炉操作。凡是大规格、高厚度以及异形砂轮都应进行自然干燥,防止制件变形。


  2、在增高压力下的硬化方法


  对于高硬度、高密度以及结构特殊的磨具,由于结合剂量多、成型密度大等原因,硬化过程中如果挥发物逸出的速度太快、可能引起制件的起泡和变形。在普通压力下采用一次硬化法,加热必须非常缓慢,采用二次硬化,其干燥时间必须延长,这样一方面经济上很不合算,另一方生产周期很长。若在外部施加压力于制件上,既可阻止制件变形,又可加快硬化速度。


  增高压力进行硬化的方法一般有四种:


  (1)热压成型硬化。本质上就是热压成型法;


  (2)带模硬化法。将模压法成型的制件随同模具放在硬化炉中进行硬化,硬化前,模具要涂擦脱模剂,以利卸模;


  (3)弹簧拧紧法。将成型后的砂轮用轴穿起来,砂轮之间用金属板隔开,最上层用弹簧和螺帽拧紧,由于弹簧的作用,硬化过程中对砂轮始终施加一定的压力,使砂轮不易起层,此法对于用玻璃纤维增强的砂轮有较好的效果;


  (4)空气增压法。将制件从模中取出(或带上模盖和底板)放在带压力的硬化炉(压力罐)中进。


  树脂切片/磨片硬化加压方式,多采重力加压和弹簧加压两种方式。


  五、树脂切片/磨片硬化工序常见问题解决方案技术分析


  在装炉、硬化、冷却、出炉过程中,如操作不妥、温度控制不当,容易造成磨具废品。混料、成型工序的差错,不合要求的制件未返制或未检验出来,也会在硬化后出现废品,硬化过程中常见的废品主要类型如下:


  1、砂轮硬化后出现翘棱(变形)


  2、起泡与膨胀-流树脂或出现树脂亮光泽(文/王扎根   珠海邦瑞合成材料有限公司)



 

  (本文转载自《磨料磨具》第48期杂志,更多精彩尽在《磨料磨具》杂志。)


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