树脂砂轮混料及硬化工艺设计与酚醛树脂选择探讨.docx
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树脂砂轮混料及硬化工艺设计与酚醛树脂选择探讨
树脂砂轮混料、硬化工艺设计与酚醛树脂选用探讨
王扎根珠海邦瑞合成材料有限公司
陈新强东莞市金利威磨料磨具有限公司
一、前言
树脂砂轮的应用已经渗透到所有工业领域，而且在我们民用、家装等方面用量惊人，伴随着国内树脂砂轮DIY市场的用量激增，树脂砂轮的性能指标已经有了大幅提高，同时与树脂砂轮制造有关的技术进步尤其是生产设备的自动化、智能化，发展速度惊人。
未来，谁能抢先拥有先进的技术，谁将获得快速发展的先机。
树脂砂轮的技术进步，今后将更多地依赖于对树脂砂轮制造技术更精确、更科学的认识。
可以预言：
树脂砂轮，尤其是切片/磨片，在3至5年内仍处于快速发展期。
全球树脂砂轮的80%以上产能集中在国内。
未来3至5年，只有少数高端产品在欧美国家生产，更多的国外知名磨企将通过合资、兼并、收购等渠道，争夺树脂砂轮市场份额。
树脂砂轮制造业竞争将更为惨烈，洗牌在所难免。
酚醛树脂是一种重要且最普遍，应用范围最广、使用量最大，有多种性能的结合剂，选择合适的酚醛树脂同我们所要求的树脂砂轮的性能有直接关系，并且性能的表现程度，与树脂砂轮制造过程的工艺（条件）有关。
本人将结合自己近三十年的树脂砂轮制造技术经验，对有关树脂砂轮性能及制造工艺等有关问题进行讨论。
二、树脂砂轮种类与酚醛树脂特性选择
邦瑞公司生产酚醛树脂分为两大类：
a）热塑性酚醛树脂（novolakresin）b）热固性酚醛树脂（thermosettingphenolicresin）
树脂砂轮类型与所用酚醛树脂特性，见表1。
表1树脂砂轮与酚醛树脂特性
序
号
树脂砂轮种类
特点
使用酚醛树脂特性
邦瑞酚醛树脂
适宜品种
1
荒磨
砂轮
热压成型
砂轮
有石膏填料，用于磨钢板或混凝土。
属于高密度砂轮
短流长短胶化时间
高乌洛托品含量
BR-26100
BR-2123A
BR-27100
树脂液：
BR-19100
BR-19200
冷压成型砂轮
（1）
有石膏填料，用于磨钢板或混凝土。
短流长短胶化时间
适中乌洛托品含量
BR-22200
BR-23100
树脂液：
BR-19100
BR-19200
冷压成型砂轮
（2）
不添加石膏填料，用于铸件的加工
砂轮密度稍低
中等流长中等胶化时间
适中乌洛托品含量
BR-25100
BR-27100
BR-2123A
树脂液：
BR-19100
BR-19200
2
无心磨砂轮
高厚度砂轮
耐弱碱冷却液
中等密度
中等磨削作用
流长、胶化时间、乌洛托品含量皆为中等
BR-25100
BR-22100
BR-2123A
树脂液：
BR-19100
BR-19200
3
切割
砂轮
（无网）
薄、
韧性大
高密度砂轮
磨削作用偏硬
中短流长中长胶化时间
中等乌洛托品含量
（适宜热压）
BR-25100
BR-22200
BR-27100
树脂液：
BR-1920A
BR-19300
BR-1930A
BR-19500
BR-1950A
普通砂轮
中等密度
中等磨削
中短流长中长胶化时间
中等乌洛托品含量
（适宜冷压）
BR-25100
BR-2123A
树脂液：
BR-1920A
BR-19300
BR-1930A
工具专用或切割特种金属
低密度
自由磨削
短流长长胶化时间
低乌洛托品含量
BR-2E100
BR-27100
树脂液：
BR-1920A
BR-19300
BR-1930A
4
玻纤增强切割砂轮
具有最大的弹性
高侧向抗冲击能力
使用改性树脂或混合树脂
BR-25100
BR-22200
BR-27100
树脂液：
BR-1920A
BR-19300
BR-1930A
BR-19500
BR-1950A
5
钹型砂轮
玻纤增强
高韧性
高侧向抗冲击力
适宜于各种粗磨、精磨
中等流长中等胶化时间
中等乌洛托品含量
使用改性树脂较多
BR-26100
BR-23100
BR-21100
BR-2123A
树脂液：
BR-1920A
BR-19300
BR-1930A
BR-19500
BR-1950A
6
外圆磨砂轮
直径大、耐冷却液、自由磨削
适宜于粗磨或不烧伤工件的精磨
中至长流长中至低乌洛托品含量
中至长胶化时间
软磨削
BR-25100
BR-211000
BR-22200
BR-22100
BR-27100
树脂液：
BR-1920A
BR-19300
BR-1930A
7
精密磨削
细粒度、冷切割和自由磨削
大部分耐冷却液
长流长、长胶化时间、低乌洛托品含量
快速切割
软磨削
BR-21100
BR-221000
BR-23100
树脂液：
BR-1920A
BR-19300
BR-1930A
8
高速荒磨砂轮
短流长短胶化时间
高乌洛托品含量
BR-26100
BR-23100
树脂液：
BR-1930A
BR-19500
BR-1950A
邦瑞公司，作为国内首家引进台湾技术的专业化酚醛树脂制造商，经历了20多年的发展，为中国树脂砂轮行业做出了瞩目的贡献；经过长期消化吸收，千百次的改进，已经形成了适应树脂砂轮生产的系列化酚醛树脂产品。
经过长期与郑州大学、台湾研究机构、中科院等科研机构的合作，已经成为国内富有影响力的酚醛树脂产学研基地。
作为国内唯一一家专业生产树脂砂轮用酚醛树脂及相关材料的制造厂家，邦瑞始终坚持走中高端路线，产品具有高纯度，稳定性好的优势。
邦瑞公司酚醛树脂合成独特地采用导热油加热合成系统，生产的酚醛树脂游离酚含量不大于1.0%，确保了酚醛树脂性能稳定和优秀耐老化性。
20多年的发展，邦瑞公司在酚醛树脂领域，已经做到专业化、精心化，全心全意为客户提供专业化的酚醛树脂及玻纤网片等材料使用方案，提升客户的砂轮品质，是我们的责任。
千锤百炼，邦瑞公司已经形成了独特的技术优势、人才优势、管理优势和产品优势。
三、树脂砂轮产生质量不稳定的原因分析
树脂砂轮生产过程中会产生许多质量问题，由于树脂砂轮制造属于复合材料多学科综合，所以产生原因复杂繁多。
下面就主要原因进行分析：
第一、原材料问题
树脂砂轮是由多种主、辅原材料构成的复杂物系，主要材料是磨料和结合剂，辅助材料则包括填料、增强材料、着色剂等。
1、磨料方面应该关注的问题
目前市场上磨料质量参差不齐，主要表现为：
1）磨料的化学成份往往是合格的，但物理性能差；主要表现在磨料的堆积密度与国外还有差距。
2）磨料的粒度组成较乱，与标准的规定相差较大；主要表现在同一粒度磨料的基本粒含量与国外有差距。
2、结合剂方面，主要是酚醛树脂：
1）树脂质量稳定性问题，尤其是树脂中游离酚含量的高低。
过高的游离酚含量，会加速树脂砂轮加热硬化后的树脂裂解，影响砂轮的强度；
2）树脂粉与乌洛托品混合均匀性，乌洛托品作为树脂的硬化剂，乌洛托品加入量不足，树脂硬化不完全，影响砂轮的强度和硬度；含量过高，则过量的乌洛托品不与树脂结合，在硬化过程中分解挥发，使砂轮的气孔增多，降低其强度和硬度。
3）结合剂粒度（细度）过粗或过细
一般认为，结合剂的粒度以细为宜，这有利于使结合剂分布均匀。
粒度过粗，则成型料不易混合均匀，影响砂轮的硬度和强度。
即使是对于粒度较粗的树脂薄片切割砂轮和钹形砂轮来讲，其选用的结合剂（树脂粉）粒度也应细于320#。
但是如果酚醛树脂粉的粒度过细，给混料带来了困难，很难做到混合料的均匀性，进而影响了树脂砂轮的切磨削性能。
第二、树脂砂轮制造工艺问题：
树脂砂轮制造是工艺性很强的工业产品，在配混料、成型、硬化、加工等工序存在问题较多。
1、混料工序：
混料的关键是均匀性，成型料应达到：
各成份分布均匀，保持松散性，但不宜出现明显漏粉，必须保证摊料均匀，具有良好的成型性能。
2、成型工序：
目前国内大多数是旋转摊料机构，但由于旋转摊料机构的局限性，造成很大制造企业有的企业员工操作不得要领，混合料分布不均，形位公差及静平衡超差。
3、硬化工序：
这是最关键的生产工序，容易造成质量问题的因素有两个，一是固化烘箱或烧成窑的温差太大；二是装炉的方式方法不当。
硬化炉窑温差过大，致使树脂砂轮硬化偏离了设定的硬化规范（硬化曲线），使砂轮的固化（硬化）质量得不到充分的保证。
4、加工工序（主要是大直径高厚度树脂砂轮）：
树脂砂轮尤其是大直径和高厚度，或者要求尺寸公差严格的砂轮在硬化后要进行加工，以保证砂轮的几何尺寸、形位公差。
5、生产配方、工艺参数生搬硬套。
第三、设备工装问题
1、设备问题：
生产设备是砂轮生产的重要物质条件，有的企业一是设备不足，如没有缺少好的混料机，油压机吨位规格偏小等；同时设备维护保养差，产品质量不易保证。
2、工装问题：
规模较小的树脂砂轮企业部分企业工装管理薄弱，没有良好的存放场所，在生产现场乱堆乱放。
第四、检验设备问题：
1、原材料检验、过程检验、出厂检验，是树脂砂轮生产企业实施有效检验控制的重要内容，但真正做到规范管理、标准化管理的生产企业较少。
主要问题有制度不全，职能不落实，管理不严，检验设备短缺失控，检验人员业务素质较差等。
2、检验设备配置不全
检验设备不齐全，树脂砂轮的检验设备有3大件：
即回转强度试验机；喷砂硬度机（或洛氏硬度机）---树脂切片、磨片除外；静平衡器（对金刚石砂轮还需要动平衡器），其它还应有薄片砂轮端面、径向跳动测定仪、内径量规、游标卡尺、砂轮切割性能试验机等。
检验设备缺乏应有的维护和保养。
四、树脂砂轮混料酚醛树脂液的选择及应用
树脂砂轮制造中最常用的湿润剂是酚醛树脂液，在采用正常树脂液比例混料时，如果料干湿难以控制时，才采用糠醛、二丁酯等湿润剂。
由于糠醛与液体酚醛树脂有很好的相容性，所以目前在大多数厂家仍然在使用。
但同时糠醛的高腐蚀性、刺激气味，及对操作员工身体健康的伤害等缺点十分明显。
因此，众多厂家都在寻求更合适的替代产品。
为了满足客户需要，邦瑞公司经过近一年的开发，成功开发出来了新型酚醛树脂液BR-19500，BR-1950A，这种树脂液能够解决混合料的松散性，在混合料适度偏湿的情况下松散效果很好；同时，混料料停放时间很短，在1.小时后混合料的堆积密度趋于稳定；更为重要的时混料料颗粒形状均匀、树脂及辅助材料包覆磨料颗粒效果好。
下图为显微镜照片（图片1、图片2）
图1邦瑞酚醛树脂液BR-1920A混合料显微图片
图2邦瑞酚醛树脂液BR-1950A混合料显微图片
从图片2可以看出，混合料颗粒剂包覆效果很好。
由于新型树脂液的优势，更适用于树脂切片/磨片自动化成型机混合料送料、投料。
五、树脂砂轮的酚醛树脂硬化机理与硬化曲线设定
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）影响显著；
（2）硬化反应受催化剂、固化剂、树脂pH值等的影响显著；
（3）硬化过程有热效应；
（4）硬化速率受温度、压力的影响显著；
（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。
如1所述，硬化过程中会有一定量的挥发物产生放出，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。
3、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：
a、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；
b、要求砂轮不完全硬化时，曲线最高温度需调整较低些；
c、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；
d、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，还是应该坚持。
表2为树脂砂轮硬化曲线常见的设计过程。
表2常见硬化曲线温度段设计
温度段
温度
描述
1
室温～60-70℃
开始升温，低温干燥
2
60-70～100℃
出去水分，树脂部分流动
3
85～120℃
树脂流动
4
105～130℃
硬化反应产生挥发物
保温时间应确保
5
130～160℃
快速升温段
酚醛树脂粉硬化反应
6
160～200℃
硬化最高温度保温段
7
160～200℃降温至可以卸炉
降温段
备注：
本人在上期技术专栏发表了《树脂砂轮制造用高性能酚醛树脂的选择和应》，由于时间仓促和疏忽，没有及时在文章后注明引用文献资料出处。
特此向在《中国耐材之窗网》发表文章的姜绍军先生，表示感谢和歉意。
为了提升磨料磨具同仁对酚醛树脂在树脂砂轮中的应用技巧，本人再次续写一篇技术文章，与大家分享。
关于树脂砂轮制造中酚醛树脂解决方案及应用技巧，顺延下期发表。
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