一种高强度高效切割树脂砂轮及其制备方法与流程

1.本发明涉及磨具加工技术领域，具体涉及一种高强度高效切割树脂砂轮。


背景技术：

2.砂轮切割片广泛应用于建筑施工、室内装饰、机械制造等领域。是最常见的机械加工用材料之一。近20年，来自石油化工的酚醛树脂(pf)是用于制备树脂基砂轮片和热固性复合材料的主要物质，但酚醛树脂基砂轮片的稳定性差、且含有毒物质甲醛，以上缺点将制约其未来的发展。来自农林作物的生物质材料，如单宁和木质纤维素因其低毒性和可再生性而被广泛用于替代pf树脂制备热固性材料。由树皮和葡萄籽中提取的单宁是继木质素后最丰富的天然芳香环生物质材料，其芳环结构与苯酚类似，且活性高于苯酚，因此单宁被用于部分或全部替代苯酚制备热固性树脂基材料。
3.但是单宁-糠醇树脂制备的砂轮的耐热性以及耐水性较差，并且糠醇与单宁交联的过程中或发生自缩聚现象。因此可以将单宁酸进行改性处理，提高单宁-糠醇树脂的耐热性以及耐水性。选取合适的交联剂来阻止糠醇的自缩聚，并且增大树脂网络结构，使树脂的力学性能以及耐热性有较大的提升。此外，在磨料中掺杂一些颗粒，促进树脂结合剂与磨料的结合，使砂轮的结构更加致密，力学性能以及耐热性得到较大的提升。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强度高效切割树脂砂轮及其制备方法。
5.本发明的第一方面提供了一种高强度高效切割树脂砂轮，所述的切割树脂砂轮由以下原料组成：磨料、树脂结合剂、填料、增强纤维以及造孔剂。
6.所述的切割树脂砂轮由以下重量份数原料组成：磨料40~60份，树脂结合剂35~52份，填料10~27份、增强纤维2~5份以及造孔剂5~12份。
7.进一步地，所述的磨料为二氧化硅颗粒中掺有碳化硼颗粒。
8.进一步地，所述的树脂结合剂为改性单宁和糠醇交联的单宁树脂。
9.更进一步地，所述的填料为半水石膏粉、冰晶石粉、黄铁矿粉、石英粉、刚玉粉、氧化铁粉、四氟化锆粉中的一种或几种的组合物。
10.更进一步地，所述的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维中的一种或几种的组合物。其中优选的所述的增强纤维为玻璃纤维。
11.更进一步地，所述的水溶性造孔剂为nacl、nh4cl、nh4hco3中的一种或几种。其中优选的所述的水溶性造孔剂为nacl。
12.第二方面，本发明提供了一种高强度高效的切割树脂砂轮的制备方法，包含以下步骤：（1）将单宁树脂与磨料按照一定的比例进行混合，将两者进行充分搅拌，再其混合均匀后与水溶性造孔剂、增强纤维、填料混合放入磨具；（2）将磨具放入hr03型热压机在150~230℃压制1~3h，热压机压力为20~35mpa，将成型后的砂轮进行热脱模，并在80~185℃的条
件下进行10~22h固化，最终得到具有高强度高效树脂砂轮。
13.第三方面，本发明提供了一种单宁树脂结合剂的制备方法，其步骤如下：s1.改性单宁酸的制备：将单宁酸溶解在吡啶中，在装有磁力搅拌器以及氮气保护装置的容器中进行反应，加入甲基六氢苯酐，反应在70~85℃下进行，反应20~36h，反应结束后，将反应液用无水乙醚沉淀，将沉淀物用四氢呋喃溶解后继续用无水乙醚沉淀，重复3~5次，将产物置于真空干燥箱干燥，即得改性单宁酸；s2.单宁树脂得制备：将改性单宁酸与糠醇按照一定得质量比混合，加入对甲苯磺酸调节ph，随后加入三乙氧基硅烷和丙烯酸正丁酯，常温下搅拌3~7min，随后加入桐油和聚乙二醇，搅拌，得到单宁树脂。
14.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1.由于单宁酸化学结构中大量π结构以及酚羟基的存在，单宁酸的分子间作用力非常强，因此单宁酸容易发生自聚集，最终形成宏观沉降，导致树脂难以形成。因此，本发明将单宁酸引入羧基进行改性，得到羧基的改性单宁酸引入树脂中可以提升树脂的力学性能以及热学性能。
15.2.丙烯酸正丁酯是一种应用较广的有机合成中间体，本发明采用丙烯酸正丁酯作为交联剂，一方面与改性单宁芳香环上的羟基反应，降低游离羟基含量，提高树脂的耐水性能;另一方面与改性单宁芳香环上的基团发生取代反应，增加树脂分子量。
16.3.引入三乙氧基硅烷作为偶联剂，一方面与糠醇反应来降低糠醇在酸性条件下的自缩聚;另一方面与改性单宁反应增大树脂的网状结构，提高砂轮结合剂的力学强度和耐热性能。
17.4.在二氧化硅颗粒中引入碳化硼颗粒，可以使树脂结合剂与磨料结合的更加的紧密，制备得到的树脂的气孔率大大降低。同时碳化硼还可以作为吸气剂，生成三氧化二硼，增加砂轮的抗折强度
附图说明
18.图1为本发明制备的羧基改性单宁的单体的结构式。
19.图2为本发明制备的羧基改性单宁的抗弯曲测试结果与抗冲击性能。
20.图3为本发明实施例2中配方1-6制备的树脂砂轮片的布氏硬度以及压缩强度柱状图。
21.图4为本发明实施例2中不同树脂砂轮表面的接触角柱状图。
具体实施方式实施例1 改性单宁及树脂结合剂的制备
22.改性单宁的制备将2mm单宁酸溶解在30ml吡啶中，将溶液移入装有装备有磁力搅拌以及氮气保护的装置中，加入16.8g甲基六氢苯酐，反应在80℃油浴中进行，搅拌并在氮气保护下反应36h，反应结束后，将反应液用无水乙醚沉淀，将沉淀物用四氢呋喃溶解后继续用无水乙醚沉淀，重复3次，将产物置于30℃真空干燥箱干燥。
23.单宁树脂的制备
将羧基改性单宁酸与糠醇按照质量比2∶1混合，加入ph调节剂（对甲苯磺酸）使混合液的ph为4，将混合液在常温下搅拌30min，得到混合液随后加入三乙氧基硅烷和丙烯酸正丁酯(三乙氧基硅烷与混合液的质量比1∶10;丙烯酸正丁酯与混合液的质量比为1∶15)，常温下搅拌5min，随后加入桐油和聚乙二醇(桐油与混合液的质量比为1∶8;聚乙二醇与混合液的质量比为1∶6)，搅拌10 min后，得到改性单宁-糠醇树脂。
24.改性单宁-糠醇树脂性能测试一、树脂耐热性能检测（1）测试样品：实施例1制备的改性单宁-糠醇树脂（简称改性单宁树脂）、未改性单宁与糠醇制备的单宁-糠醇树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚苯乙烯树酯。其中酚醛树脂购于济南圣泉集团股份有限公司，聚氨酯购于嘉华聚氨酯制品有限公司，聚苯乙烯树脂购于中国石油化工股份有限公司。未改性单宁与糠醇制备的单宁-糠醇树脂与改性单宁-糠醇树脂制备方法一致，所不同的是加入的单宁酸为未改性的单宁酸。
25.（2）测试仪器：热重分析仪（3）测试方法：将5mg固化后的材料放入仪器中，温度从30℃升温到900℃，升温速率为5℃/min，采用的保护气体为氮气。将得到的树脂的玻璃转化温度汇总，每个实验重复3次，结果如表1所示。
26.表1 玻璃转化温度
27.聚合物的玻璃转化特性是独一无二的，这种特殊的存在对应着一个温度，即：玻璃转化温度（tg），每一种聚合物所对应的玻璃转化温度是不一样的，玻璃转化温度是物体从玻璃态向高弹态相互转化的温度，通过玻璃转化温度的大小可以衡量聚合物的耐热程度，同时也是衡量聚合物硬度的一个标准。从表1得出的数据，可以看出。改性单宁-糠醇树脂的玻璃转化温度要高于其它树脂的玻璃转化温度，说明本发明制备的改性单宁-糠醇树脂的耐热性能要优于其他树脂，同时使用改性单宁-糠醇树脂制备的砂轮片的硬度也有较大提升。改性单宁-糠醇树脂的玻璃转化温度为203℃，而单宁-糠醇树脂的玻璃转化温度为186℃，温度上的差异说明，单宁经过羧基改性后，端基的修饰，使得改性单宁-糠醇树脂的耐热性能提升。
28.二、机械性能测试树脂模塑式样的制备将制备的树脂粉与木屑填充料以5∶3的比例均匀混合后，投入模塑模具。制作树脂模塑试样的模具尺寸为8mm
×
8mm
×
100mm。将模具放入hr03型热压机在180℃压制40min，热压机压力为20mpa，将成型后的砂轮进行热脱模，并在150℃的条件下进行10h固化，最终得到改性单宁树脂模塑。
29.抗弯曲性能测试（1）测试样品：实施例1制备的改性单宁-糠醇树脂、未改性单宁与糠醇制备的单
宁-糠醇树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚苯乙烯酸酯。
30.（2）测试仪器：wdw-50电子万能力学性能试验机（3）测试方法：以三点弯曲测试的方法对制备的树脂模塑样条进行弯曲性能测试。在测试过程中，跨距长度为树脂样条长度的50%，万能试验机压头的下压速度为1mm/min。测试结果经计算后，得到的试样弯曲强度的单位为mpa。
31.抗冲击性能测试（1）测试样品：实施例1制备的改性单宁-糠醇树脂、未改性单宁与糠醇制备的单宁-糠醇树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚苯乙烯酸酯。
32.（2）测试仪器：ty-4021a 型悬臂梁冲击试验机。
33.（3）测试方法：以悬臂梁无缺口冲击试验的测试方法对制备的树脂模塑试样进行冲击强度测试。在测试过程中，试样垂直于试验机夹具底部平台，悬臂梁冲击摆锤的冲击势能为5.5j，冲击速率为3.5m/s。测试结果经计算后，得到的试样冲击强度的单位为kj/m2。
34.每个实验重复3次，将抗弯曲测试结果与抗冲击性能测试汇总，得到图2所示的柱状图。从柱状图中可以看出，改性单宁-糠醇树脂以及单宁-糠醇树脂的抗弯曲效果、抗冲击效果都要好于其它树脂。其中改性单宁-糠醇树脂的机械性能要好于单宁糠醇树脂。造成这样的原因是由于羧基的引入，影响了树脂的机械性能以及耐热性能。
实施例2 树脂砂轮的制备
35.（1）将单宁树脂与磨料按照一定的比例进行混合，将两者进行充分搅拌，再其混合均匀后与水溶性造孔剂、增强纤维、填料混合放入磨具；（2）将磨具放入hr03型热压机在180℃压制1h，热压机压力为20mpa，将成型后的砂轮进行热脱模，并在115℃的条件下进行10h固化，最终得到具有高强度高效树脂砂轮。
36.配方1：包括以下重量分数的原料：磨料40份、树脂结合剂35份、填料13份、增强纤维3份、造孔剂7份，其中填料为半水石膏粉、刚玉粉，质量比为1∶1，所选用的增强纤维为玻璃纤维，水溶性造孔剂为nacl，磨料为二氧化硅颗粒与碳化硼，质量比为10∶1，树脂结合剂为实施例1中制备的改性单宁-糠醇树脂。
37.配方2：包括以下重量分数的原料：磨料48份、树脂结合剂35份、填料13份、增强纤维3份、造孔剂9份，其中填料为半水石膏粉、刚玉粉，质量比为1∶1，所选用的增强纤维为玻璃纤维，水溶性造孔剂为nacl，磨料为二氧化硅颗粒与碳化硼，质量比为10∶1，树脂结合剂为实施例1中制备的改性单宁-糠醇树脂。
38.配方3：包括以下重量分数的原料：磨料60份、树脂结合剂43份、填料15份、增强纤维3份、造孔剂7份，其中填料为半水石膏粉、刚玉粉，质量比为1∶1，所选用的增强纤维为玻璃纤维，水溶性造孔剂为nacl，磨料为二氧化硅颗粒与碳化硼，质量比为10∶1，树脂结合剂为实施例1中制备的改性单宁-糠醇树脂。
39.配方4：包括以下重量分数的原料：磨料40份、树脂结合剂35份、填料13份、增强纤维3份、造孔剂7份，其中填料为半水石膏粉、刚玉粉，质量比为1∶1，所选用的增强纤维为玻璃纤维，水溶性造孔剂为nacl，磨料为二氧化硅颗粒与碳化硼，质量比为10∶1，树脂结合剂为酚醛树脂。
40.配方5：包括以下重量分数的原料：磨料40份、树脂结合剂35份、填料13份、增强纤
维3份、造孔剂7份，其中填料为半水石膏粉、刚玉粉，质量比为1∶1，所选用的增强纤维为玻璃纤维，水溶性造孔剂为nacl，磨料为二氧化硅颗粒与碳化硼，质量比为10∶1，树脂结合剂为未改性的单宁与糠醇制备的单宁-糠醇树脂。
41.配方6：包括以下重量分数的原料：磨料40份、树脂结合剂35份、填料13份、增强纤维3份、造孔剂7份，其中填料为半水石膏粉、刚玉粉，质量比为1∶1，所选用的增强纤维为玻璃纤维，水溶性造孔剂为nacl，磨料为二氧化硅颗粒，树脂结合剂为实施例1中制备的改性单宁-糠醇树脂。
42.砂轮性能测试一、布氏强度测定（1）测试样品：实施例2中按照配方1-6制备得到的树脂砂轮。
43.（2）测试仪器：万能力学试验机(instron-4467)（3）测试方法：砂轮切割片的布氏硬度测试按照国标gb/t231.12009在万能力学试验机(instron-4467)上执行。测试过程中最大载荷设定为2452 n，所用钢球的直径为10mm。布氏硬度值(hb，dan/mm2)的计算公式如下:hb=3.18/1000
×
f/p式中，f为最大载荷=2452 n;p为钢球进入材料的深度(mm)。
44.二、压缩强度测定（1）测试样品：实施例2中按照配方1-6制备得到的树脂砂轮。
45.（2）测试仪器：万能力学试验机(instron-4467)（3）测试方法：砂轮切割片压缩性能测试按照国标gb/t1041-2008在万能力学试验机(instron-4467)上执行，测试前先将砂轮切割片切割成尺寸为30mm
×
30mm
×
15mm的样品，力学实验机的载荷速率设为1mm/min。
46.三、切割性能测试（1）测试样品：实施例2中按照配方1-6制备得到的树脂砂轮。
47.（2）测试仪器：万能力学试验机(instron-4467)（3）测试方法：将砂轮切割片固定在转速为11000r
·
min-1
的电动角磨机(bosch-gws660)上，在长1m的钢管上进行横向切割，钢管被切截面面积保持一致。通过测定切割时间及测试前后砂轮切割片的质量损失来衡量砂轮切割片的切割性能。砂轮切割片的质量损失率(m，%)计算公式如下:m=（m
1-m2）/m1式中，m1是测试前砂轮切割片的质量(g);m2是测试后砂轮切割片的质量(g)。
48.每个实验重复3次，将布氏硬度、压缩强度、切割性能数据汇总，如表2所示。
49.表2 砂轮力学性能测试
50.表2为砂轮切割片的布氏硬度、抗压强度和切割性能测试结果。由表2可知，改性单宁-糠醇树脂砂轮片与酚醛树脂砂轮片、单宁-糠醇树脂砂轮片相比，配方1制备的砂轮片具有较高的硬度（23.56
±
0.45）dan/mm2和抗压强度（157
±
9.8）mpa。此外，酚醛树脂砂轮片以及单宁-糠醇树脂砂轮片切割树脂的时间短于改性单宁-糠醇树脂砂轮片，但是两者的质量损失要高于改性单宁-糠醇树脂砂轮片。造成这些的原因主要有以下几点：（1）改性单宁树脂的玻璃转化温度要高于其它树脂，因此制备得到的砂轮片的硬度要好于其它树脂制备的砂轮片；（2）丙烯酸正丁酯作为交联剂，一方面与改性单宁芳香环上的羟基反应，降低游离羟基含量，提高树脂的耐水性能；另一方面与改性单宁芳香环上的基团发生取代反应，增加树脂分子量；（3）三乙氧基硅烷作为偶联剂，一方面与糠醇反应来降低糠醇在酸性条件下的自缩聚;另一方面与改性单宁反应增大树脂的网状结构，提高砂轮结合剂的力学强度和耐热性能。（4）磨料中的碳化硼与改性单宁-糠醇树脂结合剂发生协同作用，使得树脂砂轮的机械性能要好于未加碳化硼以及采用单宁-糠醇树脂结合剂制备的砂轮。
51.四、耐水性能检测（1）测试样品：实施例2中按照配方1、配方4-6制备得到的树脂砂轮。
52.（2）测试仪器：oca20型光学接触角测量仪。
53.（3）测试方法：采用座滴法测量水在砂轮片表面的接触角时，每次测量的液滴大小为２μl，每一样品进行3次重复实验。
54.图4为将水滴加在不同树脂砂轮表面45秒时的接触角柱状图。配方1的接触角为89.7
°
，而配方4、配方5以及配方6的接触角为75.3
°
、67.4
°
、71.2
°
。从图中可以看出配方1制备的树脂砂轮的接触角大于其它配方制备的树脂砂轮。造成这样的原因是由于改性单宁-糠醇树脂与碳化硼发生协同作用造成的，碳化硼可以促进改性单宁-糠醇树脂与磨料的结合，使砂轮结构变得更加致密。

技术特征：
1.一种高强度高效切割树脂砂轮，其特征在于，由以下原料组成：磨料、树脂结合剂、填料、增强纤维以及造孔剂。2.根据权利要求1所述的一种高强度高效切割树脂砂轮，其特征在于，包括以下重量份数的原料：磨料40~60份，树脂结合剂35~52份，填料10~27份、增强纤维2~5份以及造孔剂5~12份。3.根据权利要求1所述的一种高强度高效切割树脂砂轮，其特征在于，所述的磨料为二氧化硅颗粒中掺有碳化硼颗粒。4.根据权利要求1所述的一种高强度高效切割树脂砂轮，其特征在于，所述的树脂结合剂为改性单宁与糠醇交联的单宁树脂。5.一种高强度高效切割树脂砂轮制备方法，其特征在于，包含以下步骤：（1）将单宁树脂与磨料按照一定的比例进行混合，将两者进行充分搅拌，再其混合均匀后与水溶性造孔剂、增强纤维、填料混合放入磨具；（2）将磨具放入hr03型热压机在150~230℃压制1~3h，热压机压力为20~35mpa，将成型后的砂轮进行热脱模，并在80~185℃的条件下进行10~22h固化，最终得到具有高强度高效树脂砂轮。6.根据权利要求5所述一种高强度高效切割树脂砂轮制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的单宁树脂的制备方法包含以下步骤：s1.改性单宁酸的制备：将单宁酸溶解在吡啶中，在装有磁力搅拌器以及氮气保护装置的容器中进行反应，加入甲基六氢苯酐，反应在70~85℃下进行，反应20~36h，反应结束后，将反应液用无水乙醚沉淀，将沉淀物用四氢呋喃溶解后继续用无水乙醚沉淀，重复3~5次，将产物置于真空干燥箱干燥，即得改性单宁酸；s2.单宁树脂的制备：将s1所得改性单宁酸与糠醇按照一定得质量比混合，加入对甲苯磺酸调节ph，随后加入三乙氧基硅烷和丙烯酸正丁酯，常温下搅拌3~7min，随后加入桐油和聚乙二醇，搅拌，得到单宁树脂。7.根据权利要求5所述一种高强度高效切割树脂砂轮制备方法，其特征在于，所述水溶性造孔剂为nacl、nh4cl、nh4hco3中的一种或几种。8.根据权利要求5所述一种高强度高效切割树脂砂轮制备方法，其特征在于，所述填料为半水石膏粉、冰晶石粉、黄铁矿粉、石英粉、刚玉粉、氧化铁粉、四氟化锆粉中的一种或几种的组合物。9.根据权利要求5所述一种高强度高效切割树脂砂轮制备方法，其特征在于，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维中的一种或几种的组合物。10.根据权利要求1-4任一项所述的一种高强度高效切割树脂砂轮或权利要求5-9任一项所述的一种高强度高效切割树脂砂轮制备方法制备得到具有高强度高效的树脂切割砂轮。

技术总结
本发明公开了一种高强度高效切割树脂砂轮及其制备方法，由以下重量份数的原料组成：磨料40~60份，树脂结合剂35~52份，填料10~27份、增强纤维2~5份以及造孔剂5~12份。该种高强度树脂砂轮采用改性单宁和糠醇交联形成单宁树脂，该方法制备的树脂砂轮避免了酚醛树脂基砂轮片的稳定性差以及含有甲醛等有害物质的缺点，并且具有较好的耐热性、耐水性以及优异的力学性能。的力学性能。的力学性能。


技术研发人员：张建河 张洪振 董双致
受保护的技术使用者：唐山市名鲨五金磨具有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/6