酚醛樹脂在重負(fù)荷砂輪中的應(yīng)用研究

邢介名，鄒文俊，彭 進(jìn)，李枝芳

(1.河南工業(yè)大學(xué)材料材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450001;2.山東圣泉新材料股份有限公司,山東 濟(jì)南 250200)

重負(fù)荷砂輪主要用于鋼鐵工業(yè)中對(duì)鋼錠、鋼坯、鋼板的修磨以及各種鑄件的表面清理等。故又把這種砂輪稱之為荒磨砂輪或磨鋼坯砂輪，它的發(fā)展依賴于鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，以及相應(yīng)的高效磨床的發(fā)展。隨著高鐵工業(yè)的發(fā)展，磨鋼軌砂輪的需求量也在快速增長。砂輪用磨料要采用特殊磨料(粗粒度)，要能夠承受高的磨削壓力，砂輪使用速度要達(dá)到80m/s以上，硬度要達(dá)到超硬級(jí)，才能滿足重負(fù)荷磨削工藝的苛刻要求。目前國外已制造和使用了能承受磨削壓力1000kg，砂輪使用速度達(dá)90m/s的樹脂高速重負(fù)荷砂輪。目前國外對(duì)砂輪的研究方向是：砂輪使用速度100m/s以上，負(fù)荷壓力為1000～1500kg，磨削效率即金屬磨除量每小時(shí)達(dá)到800～1000kg，磨削比達(dá)到200～250，這樣磨削鋼坯成本會(huì)大大降低，為原來的五分之一。

重負(fù)荷砂輪的技術(shù)特點(diǎn)：(1)磨削壓力、砂輪速度和金屬磨除率高、磨削功率大，要求磨具有足夠的剛度和強(qiáng)度;(2)使用高強(qiáng)度、高硬度和粗粒度的重負(fù)荷荒磨砂輪。一般均采用樹脂結(jié)合劑和棕剛玉、微晶剛玉、燒結(jié)剛玉和鋯剛玉等高韌性磨料，超硬級(jí)硬度，且砂輪不需要修整;(3)采用干式磨削方式。

重負(fù)荷砂輪主要使用樹脂結(jié)合劑，重負(fù)荷砂輪的磨削效率居其它各種磨具之首。其技術(shù)特點(diǎn)要求樹脂結(jié)合劑滿足工藝性能的前提下要有高的沖擊強(qiáng)度、高的粘結(jié)強(qiáng)度、高的耐熱性。樹脂的應(yīng)用研究圍繞樹脂的工藝性能、抗沖擊性能、粘結(jié)強(qiáng)度、耐熱性能展開。酚醛樹脂的耐熱性是酚醛樹脂作為膠黏劑的主要優(yōu)勢(shì)性能之一，但樹脂的固化收縮性、固化時(shí)小分子釋放、固化后的脆性等缺點(diǎn)也影響了酚醛樹脂作為重負(fù)荷砂輪用膠黏劑的應(yīng)用性能，保持酚醛樹脂的耐熱性，減少酚醛樹脂固化后的缺點(diǎn)，是提升酚醛樹脂在重負(fù)荷砂輪領(lǐng)域應(yīng)用性能的主要手段。圣泉集團(tuán)通過高分子聚合物改性、樹脂功能化增強(qiáng)、專用潤濕劑的使用等手段，提升酚醛樹脂在重負(fù)荷砂輪中的應(yīng)用性能。

1 酚醛樹脂的改性研究

高分子聚合物改性是酚醛樹脂增強(qiáng)、增韌改性的主要手段，高分子通過與酚醛互穿網(wǎng)絡(luò)、接枝共聚、形成海-島結(jié)構(gòu)等手段，達(dá)到增韌增強(qiáng)的目的，常用的高分子聚合物有橡膠、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂、PVB、聚酰胺、新酚樹脂等，不同的高分子聚合物改性材料產(chǎn)生不同的功能，結(jié)合重負(fù)荷砂輪用樹脂的特點(diǎn)要求，圣泉集團(tuán)改性樹脂PF2898A在有效提高樹脂韌性、強(qiáng)度的前提下，耐熱性得到了較好的保持。

樹脂功能化增強(qiáng)是樹脂合成通過改變酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)，改善酚醛樹脂的固化方式，從而減少酚醛固化過程中產(chǎn)生的缺陷，提高固化后酚醛樹脂的耐熱性及粘接強(qiáng)度，從而適應(yīng)耐熱高強(qiáng)的應(yīng)用環(huán)境。圣泉集團(tuán)功能化增強(qiáng)樹脂PF2700A樹脂，通過改變樹脂聚合過程中的分子量分布方式，引入自反應(yīng)聚合基團(tuán)，改變固化劑的分布方式等手段，有效提高了該酚醛樹脂的耐熱性及粘接強(qiáng)度。

專用潤濕劑PF2400的使用是根據(jù)重負(fù)荷砂輪傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)升級(jí)，重負(fù)荷砂輪的傳統(tǒng)工藝是以糠醇(糠醛)作為潤濕劑，高沸點(diǎn)醇類作為調(diào)節(jié)劑，熱壓成型，該工藝的成型料與磨料易分離，導(dǎo)致熱壓過程中磨料樹脂不能充分均勻分散，導(dǎo)致砂輪出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。專用潤濕劑為可固化酚醛樹脂組分，固化時(shí)間廠，水分低，有一定粘度，混料后能將樹脂粉充分包裹與磨料表面，樹脂與磨料分散均勻，壓制過程中可參與固化且不易起泡，對(duì)樹脂與磨料之間粘接強(qiáng)度的提升有較大幫助。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樹脂檢測(cè)樣品的制備

改性酚醛樹脂PF2898A、PF2700A、PF2400均在山東圣泉新材料股份有限公司制備。

2.2 性能實(shí)驗(yàn)樣品的制備

重負(fù)荷樹脂有其專有的工藝技術(shù)，本文借鑒普通樹脂砂輪制造過程中的配方和工藝技術(shù)進(jìn)行樹脂的力學(xué)性能驗(yàn)證，配料方式見表1。

砂輪壓制：

拉伸強(qiáng)度采用“8”字塊樣條，8字塊尺寸，1.94cm×22.5cm2，稱重140g，密度3.2g/cm3，壓力12MPa，溫度170℃熱壓。熱壓時(shí)間30min。

彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度采用矩形樣條：尺寸1×1.5×10cm，稱重48g，密度3.2g/cm3，壓力12MPa，溫度180℃熱壓，熱壓時(shí)間20min。

砂輪固化：

固化曲線160℃/2hr+180℃/2hr，最高溫度185℃，保溫4h。

2.3 分析與測(cè)試

熱性能用美國TA公司TA-Q50同步熱分析儀進(jìn)行表征，空氣氣氛，升溫速度10℃/min；流動(dòng)性用旋轉(zhuǎn)流變儀檢測(cè)樹脂升溫過程的流動(dòng)固化； 拉伸及彎曲強(qiáng)度使用時(shí)代試金萬用力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)；沖擊強(qiáng)度使用深圳萬測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠沖擊強(qiáng)度測(cè)定儀檢測(cè)，非缺口式樣。

3 結(jié)果與討論

3.1 改性酚醛樹脂的耐熱性分析

A-PF2802C(常規(guī)耐熱型酚醛樹脂)；B-PF2898A(增韌增強(qiáng)型酚醛樹脂)；C-PF2700A(功能增強(qiáng)型酚醛樹脂)

圖1 酚醛樹脂TGA對(duì)比圖

通過圖1可以看出，增韌改性樹脂達(dá)到了常規(guī)耐熱型酚醛樹脂的耐熱性，功能增強(qiáng)型酚醛樹脂其耐熱性優(yōu)于常規(guī)耐熱型酚醛樹脂。TG分析表明通過選擇合適的增韌單體，可以在不降低樹脂耐熱性的基礎(chǔ)上，改善樹脂的力學(xué)性能，這為為綜合比較三個(gè)樹脂綜合性能提供了熱性能依據(jù)。

3.2 改性酚醛樹脂的流動(dòng)性分析

重負(fù)荷樹脂采用熱壓成型工藝，其樹脂固化過程的變化是影響樹脂流動(dòng)性的重要因素。

了解樹脂高溫壓制過程的變化趨勢(shì)，對(duì)改善壓制工藝，提高砂輪的綜合性能有很好的借鑒意義。樹脂熱壓過程是一個(gè)樹脂粘度先降低流動(dòng)后粘度升高固化的過程，在熱壓過程中，樹脂粘度降低幅度越大，其流動(dòng)性越好，越容易造成流膠，導(dǎo)致砂輪配方中的膠含量波動(dòng)，同時(shí)流膠也易導(dǎo)致砂輪中樹脂分布不均勻，不利于產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)。通過圖2可以看出，PF2802在熱壓升溫過程中，扭矩最低，粘度最小，而改性樹脂PF2898A及功能化樹脂PF2700A扭矩相對(duì)較高；其生產(chǎn)過程中不易出現(xiàn)流膠現(xiàn)象。這也說明增韌改性和功能化改性酚醛樹脂中加入了橡膠單元或增強(qiáng)單元聚合物，提高了樹脂熔融粘度，對(duì)其流變行為具有重要影響，也使得改性樹脂的熱壓工藝與普通樹脂的熱壓工藝有所不同。

A-PF2802C(常規(guī)耐熱型酚醛樹脂)；B-PF2898A(增韌增強(qiáng)型酚醛樹脂)；C-PF2700A(功能增強(qiáng)型酚醛樹脂)

圖2 旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)比圖

3.3 酚醛樹脂的力學(xué)強(qiáng)度研究

對(duì)實(shí)驗(yàn)中制成的樣塊進(jìn)行了力學(xué)檢測(cè)，用于評(píng)價(jià)所研究樹脂在應(yīng)用配方中的力學(xué)表現(xiàn)。

表2 改性樹脂的力學(xué)性能

通過表2可以看出，增韌改性樹脂(編號(hào)2)PF2898A在拉伸強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度(沖擊韌性)表現(xiàn)出了更好的力學(xué)性能，功能化樹脂(編號(hào)3)PF2700A在拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均高于常規(guī)樹脂(編號(hào)1)，增韌樹脂復(fù)合專用潤濕劑(編號(hào)4)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均高于常規(guī)樹脂(編號(hào)1)，但沖擊強(qiáng)度低于單純使用PF2898A樹脂。該系列改性及功能化改進(jìn)樹脂，綜合力學(xué)性能均優(yōu)于常規(guī)樹脂，在重負(fù)荷砂輪應(yīng)用中，有更大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

從上述綜合性能數(shù)據(jù)分析，增韌增強(qiáng)改性的PF2898A在沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)較為突出，經(jīng)與PF2400專用潤濕劑配合使用，其力學(xué)性能進(jìn)一步得到提升，功能化改進(jìn)PF2700A樹脂耐熱性較好，力學(xué)性能較常規(guī)樹脂PF2802C也有較大的提升。功能能化改進(jìn)PF2700樹脂，增韌改性PF2898A樹脂更復(fù)合重負(fù)荷砂輪應(yīng)用的需求，配合專用潤濕劑PF2400A樹脂，其綜合性能有進(jìn)一步提升的空間，改性樹脂及功能化樹脂在耐熱性、沖擊性上略有差別，具體選用還需要根據(jù)重負(fù)荷砂輪制品的應(yīng)用環(huán)境及要求選擇。