酚醛樹脂在重負荷砂輪中的應用研究

邢介名，鄒文俊，彭 進，李枝芳

(1.河南工業大學材料材料科學與工程學院,河南 鄭州 450001;2.山東圣泉新材料股份有限公司,山東 濟南 250200)

重負荷砂輪主要用于鋼鐵工業中對鋼錠、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，它的發展依賴于鋼鐵工業的發展，以及相應的高效磨床的發展。隨著高鐵工業的發展，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，砂輪使用速度要達到80m/s以上，硬度要達到超硬級，才能滿足重負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90m/s的樹脂高速重負荷砂輪。目前國外對砂輪的研究方向是：砂輪使用速度100m/s以上，負荷壓力為1000～1500kg，磨削效率即金屬磨除量每小時達到800～1000kg，磨削比達到200～250，這樣磨削鋼坯成本會大大降低，為原來的五分之一。

重負荷砂輪的技術特點：(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度;(2)使用高強度、高硬度和粗粒度的重負荷荒磨砂輪。一般均采用樹脂結合劑和棕剛玉、微晶剛玉、燒結剛玉和鋯剛玉等高韌性磨料，超硬級硬度，且砂輪不需要修整;(3)采用干式磨削方式。

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

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、增韌改性的主要手段，高分子通過與酚醛互穿網絡、接枝共聚、形成海-島結構等手段，達到增韌增強的目的，常用的高分子聚合物有橡膠、環氧樹脂、有機硅樹脂、PVB、聚酰胺、新酚樹脂等，不同的高分子聚合物改性材料產生不同的功能，結合重負荷砂輪用樹脂的特點要求，圣泉集團改性樹脂PF2898A在有效提高樹脂韌性、強度的前提下，耐熱性得到了較好的保持。

樹脂功能化增強是樹脂合成通過改變酚醛樹脂的結構，改善酚醛樹脂的固化方式，從而減少酚醛固化過程中產生的缺陷，提高固化后酚醛樹脂的耐熱性及粘接強度，從而適應耐熱高強的應用環境。圣泉集團功能化增強樹脂PF2700A樹脂，通過改變樹脂聚合過程中的分子量分布方式，引入自反應聚合基團，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度。

專用潤濕劑PF2400的使用是根據重負荷砂輪傳統工藝的改進升級，重負荷砂輪的傳統工藝是以糠醇(糠醛)作為潤濕劑，高沸點醇類作為調節劑，熱壓成型，該工藝的成型料與磨料易分離，導致熱壓過程中磨料樹脂不能充分均勻分散，導致砂輪出現質量缺陷。專用潤濕劑為可固化酚醛樹脂組分，固化時間廠，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，對樹脂與磨料之間粘接強度的提升有較大幫助。

2 實驗部分

2.1 樹脂檢測樣品的制備

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 性能實驗樣品的制備

重負荷樹脂有其專有的工藝技術，本文借鑒普通樹脂砂輪制造過程中的配方和工藝技術進行樹脂的力學性能驗證，配料方式見表1。

砂輪壓制：

拉伸強度采用“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。熱壓時間30min。

彎曲強度和沖擊強度采用矩形樣條：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 分析與測試

熱性能用美國TA公司TA-Q50同步熱分析儀進行表征，空氣氣氛，升溫速度10℃/min；流動性用旋轉流變儀檢測樹脂升溫過程的流動固化； 拉伸及彎曲強度使用時代試金萬用力學實驗機；沖擊強度使用深圳萬測實驗設備廠沖擊強度測定儀檢測，非缺口式樣。

3 結果與討論

3.1 改性酚醛樹脂的耐熱性分析

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

圖1 酚醛樹脂TGA對比圖

通過圖1可以看出，增韌改性樹脂達到了常規耐熱型酚醛樹脂的耐熱性，功能增強型酚醛樹脂其耐熱性優于常規耐熱型酚醛樹脂。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上，改善樹脂的力學性能，這為為綜合比較三個樹脂綜合性能提供了熱性能依據。

3.2 改性酚醛樹脂的流動性分析

重負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性的重要因素。

了解樹脂高溫壓制過程的變化趨勢，對改善壓制工藝，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樹脂粘度先降低流動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，其流動性越好，越容易造成流膠，導致砂輪配方中的膠含量波動，同時流膠也易導致砂輪中樹脂分布不均勻，不利于產品的穩定生產。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扭矩相對較高；其生產過程中不易出現流膠現象。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單元聚合物，提高了樹脂熔融粘度，對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(常規耐熱型酚醛樹脂)；B-PF2898A(增韌增強型酚醛樹脂)；C-PF2700A(功能增強型酚醛樹脂)

圖2 旋轉流變儀對比圖

3.3 酚醛樹脂的力學強度研究

對實驗中制成的樣塊進行了力學檢測，用于評價所研究樹脂在應用配方中的力學表現。

表2 改性樹脂的力學性能

通過表2可以看出，增韌改性樹脂(編號2)PF2898A在拉伸強度，沖擊強度(沖擊韌性)表現出了更好的力學性能，功能化樹脂(編號3)PF2700A在拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度均高于常規樹脂(編號1)，增韌樹脂復合專用潤濕劑(編號4)拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度均高于常規樹脂(編號1)，但沖擊強度低于單純使用PF2898A樹脂。該系列改性及功能化改進樹脂，綜合力學性能均優于常規樹脂，在重負荷砂輪應用中，有更大的優勢。

4 結論

從上述綜合性能數據分析，增韌增強改性的PF2898A在沖擊強度表現較為突出，經與PF2400專用潤濕劑配合使用，其力學性能進一步得到提升，功能化改進PF2700A樹脂耐熱性較好，力學性能較常規樹脂PF2802C也有較大的提升。功能能化改進PF2700樹脂，增韌改性PF2898A樹脂更復合重負荷砂輪應用的需求，配合專用潤濕劑PF2400A樹脂，其綜合性能有進一步提升的空間，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重負荷砂輪制品的應用環境及要求選擇。