研磨丝的制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种超韧超强特种研磨丝的制备方法。背景技术 研磨丝一般应用于工件表面的抛光、 磨削、 清洁等。早在上世纪 60 年代就已出现 了用无机研磨颗粒填充到聚酰胺基料中制备研磨丝的技术， 这种研磨丝是丝中的无机研磨 颗粒起到打磨的作用， 研磨丝在磨耗时外露的无机研磨颗粒会较快的磨损， 但随着基料的 磨耗新的研磨颗粒就会外露， 形成新的磨削面， 磨削面不断再生能长时间的保持高的磨削 能力。
金刚石是自然界已知的最硬物质， 其高硬度的性能决定其在材料切割加工领域具 有广阔的发展前景。金刚石磨切产品主要有 ： 金刚石树脂砂轮 ； 金刚石切磨片 ； 金刚石磨 针； 金刚石磨石 ； 金刚石磨轮 ； 金刚石磨棒 ； 金刚石开孔钻等。
目前市场上的一般研磨丝的研磨颗粒主要为氧化铝或碳化硅等， 用人造金刚石做 为研磨颗粒的研磨丝还未见使用。高硬度工件表面抛光需要更高硬度的磨料抛光， 同时要 求有优良弯曲恢复能力 ； 在水和油的环境中使用性能基本保持不变， 并对大多数化学品有 一定的耐腐蚀能力。 选用人造金刚石做为研磨丝的研磨颗粒有着比其它研磨丝颗粒更优越 的磨削性能 ： 磨削强度高， 磨耗比高， 缩短工时， 提高设备的作业效率。 因而以金刚石做为研 磨丝的研磨颗粒制备得到的研磨丝可用于特殊行业的抛光作业， 提供超强的磨削性能， 可 用于硬质合金、 玻璃、 陶瓷等材料的精密加工。
人造金刚石在基料中添加量的控制、 人造金刚石与基料的键合与强度在此种研磨 丝的生产中很关键。 如何选择优良的基料以及如何改性提高基体性能对于提高研磨丝总体 性能有着非常重要的意义。 作为基料和人造金刚石架桥剂的合适的硅烷偶联剂的选择和偶 联处理方式， 为基料和人造金刚石研磨颗粒提供了键合力， 并为研磨丝产品的耐磨性能和 磨削力的保持起到主要作用。其它改性助剂的加入可以改善研磨丝产品某些方面的性能， 如： 热稳定， 耐酸碱， 耐紫外等。
人造金刚石研磨丝有着极强的磨削性能， 可以适用很硬材质的工件。人造金刚石 研磨丝在磨刷、 磨具行业磨削、 抛光、 精密加工等方面有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种超韧超强特种研磨丝的制备方法。
本发明的研磨丝的制备方法是选用特定的基料材料和人造金刚石研磨颗粒， 应用 一定的加工工艺制备得到人造金刚石研磨颗粒填充的研磨丝， 该方法包括以下步骤 ：
(1). 聚酰胺基料改性
将聚酰胺树脂切片干燥后与抗氧化剂、 增韧剂和 / 或增强剂混合均匀后得到聚酰 胺基体混合物， 其中 ： 聚酰胺基体混合物中含有质量浓度为 0.1 ～ 0.3％的抗氧化剂、 质量 浓度为 3 ～ 5％的增韧剂和质量浓度为 2 ～ 4％的增强剂 ；(2). 人造金刚石研磨颗粒表面的处理
对人造金刚石研磨颗粒进行偶联剂处理， 使人造金刚石研磨颗粒能与步骤 (1) 得 到的聚酰胺基体结合良好。选择适宜的偶联剂可以达到比较理想的偶联效果。所述的偶联 剂选自硅烷偶联剂、 锆 - 铝酸盐、 钛酸盐等中的一种 ；
所述的硅烷偶联剂优选是 γ- 氨丙基三乙氧基硅烷或 3- 缩水甘油醚氧基丙基三 甲氧基硅烷。
用 5 ～ 10 倍偶联剂体积的无水乙醇或者丙酮稀释偶联剂， 配制成偶联剂浸渍液 ； 然后将人造金刚石研磨颗粒与该浸渍液混合， 并充分搅拌混合均匀， 将润湿浸渍液的人造 金刚石研磨颗粒取出、 烘干 ； 烘干温度一般为 105 ～ 115℃， 烘干时间一般为 2 ～ 4 小时 ；
优选人造金刚石研磨颗粒在偶联处理中的浸渍液用量为人造金刚石研磨颗粒的 5wt％～ 20wt％。
(3). 分段加料， 熔融挤出纺丝
将步骤 (1) 得到的聚酰胺基体混合物从加热的积木式单螺杆挤出机加热料段前 段的主进料口投入到积木式单螺杆挤出机中 ； 在积木式单螺杆挤出机加热料段中段的进料 口加入步骤 (2) 得到的表面经偶联剂处理的人造金刚石研磨颗粒， 使步骤 (1) 得到的聚酰 胺基体混合物与步骤 (2) 得到的表面经偶联剂处理的人造金刚石研磨颗粒在积木式单螺 杆挤出机中的加热料段均匀共混， 经积木式单螺杆挤出机的喷丝板挤出， 挤出物经冷却及 加热牵伸， 得到研磨丝 ；
其中 ： 人造金刚石研磨颗粒在研磨丝中的质量百分比含量为 15 ～ 30％； 人造金刚 石研磨颗粒的粒度为 36 目～ 1200 目。
所述的将人造金刚石研磨颗粒与浸渍液混合， 充分搅拌混合均匀的搅拌时间优选 为 1 ～ 2 小时。
所述的超韧超强特种研磨丝的丝径为 0.3 ～ 2.5mm。
所述的聚酰胺树脂优选聚酰胺 612( 尼龙 612)。
所述的抗氧化剂是 ： 四 [ 甲基 -(3， 5- 二叔丁基 -4- 羟基苯基 ) 丙酸 ] 季戊四醇酯 ( 以下简写为 1010) 或 N， N′ - 六亚甲基双 (3， 5- 二叔丁基 -4- 羟基苯丙酰胺 )( 以下简写 为 1098)。
所述的增强剂是短纤维， 短纤维的长度为 2 ～ 5mm ； 短纤维是芳纶短纤维或者碳纤 维 ( 优选芳纶 1414)， 短纤维过长会导致投喂料困难， 过短增强效果不明显， 优选长度为 2 ～ 5mm 的混合短纤维。
所述的增韧剂是马来酸酐接枝的聚烯烃弹性体 (POE-g-MAH) 或热塑性弹性体 ； 所 述的热塑性弹性体是乙烯 - 辛烯 / 丁烯共聚物弹性体。 优选马来酸酐接枝的聚烯烃弹性体。
普通尼龙研磨丝刚度有限， 特别是磨削环境问题， 在温度接近 70℃的情况下， 当温 度升高时刚性下降 ； 而通过本发明得到的特种研磨丝在高速磨削时， 耐高温性能极好 ； 高 湿度的工作环境会使丝体刚度下降， 因而温度和湿度是必须考虑的两个基础条件。聚酰胺 612 具有很好的高湿稳定性。 弯曲摸量是研磨丝工作中的一个关键指标， 回弹抗疲劳性能决 定了其使用寿命的极限。当研磨丝磨削， 抛光工件表面时， 丝体不断曲折和回复， 耐弯曲性 能差的产品在使用过程中会快速弹性疲劳， 从而导致断丝， 而该类断丝多发于长丝和轮棍 结合附近。具有高的弯曲疲劳寿命是材料改性的一个关键方向。在聚酰胺中加入抗氧化剂以提高聚酰胺的抗老化性能， 有助于提高产品的高温寿 命， 减缓研磨丝尖端的焦化 ； 添加增强剂可提高产品的强度和耐高温性能 ； 加入增韧剂可 提高丝体的回弹性能， 提高抗疲劳性能， 减少研磨工作中断丝情况的发生。 加入一定比例的 短纤维 ( 如芳纶短纤维或者碳纤维 ) 可提高研磨丝的耐高温及抗弯曲疲劳等性能。
由于人造金刚石研磨处理相对特殊， 选用一种合适的偶联剂以提高人造金刚石研 磨颗粒与聚酰胺基体间的结合强度， 而不至于在人造金刚石研磨颗粒与聚酰胺基体的偶联 处发生断裂， 在研磨丝磨削过程中能较好的使人造金刚石研磨颗粒半露 ； 即人造金刚石研 磨颗粒有部分暴露于聚酰胺基体之外， 能与加工工件表面发生有效接触， 在外力作用下能 比较持久的保持这种外露情况而不至于脱落。 由于研磨丝极大部分的磨削和抛光能力是由 这些半露的人造金刚石研磨颗粒所提供， 能否持续的提供该种半露人造金刚石研磨颗粒就 决定了研磨丝磨削性能的好坏， 因此， 本发明选择了上述人造金刚石研磨颗粒表面的处理 方法。
本发明纺丝工艺流程分为两段进行， 挤出段工艺和拉丝段工艺。挤出段是为了聚 酰胺基体混合物的熔体和偶联剂处理后的人造金刚石磨料颗粒的均匀共混， 以及通过喷丝 板挤出一定丝径的单丝 ； 拉丝段为冷却、 牵伸、 热风定型和回收设备组成， 以达到预定物理 性能单丝。 纺丝线设备为 ： 冷却水槽、 牵伸机的第一牵伸滚组、 第一热风烘箱 ( 牵伸 )、 牵伸机 的第二牵伸滚组、 第二热风烘箱 ( 定型 )、 牵伸机的第三牵伸滚组、 第三热风烘箱 ( 定型 )。
熔融纺丝工艺在普通研磨丝的基础上进行必要的调整。 采用适当的牵伸工艺条件 和热风定型， 使改性产品更适合高温的工作环境要求。
所述的冷却及加热牵伸是将经积木式单螺杆挤出机喷丝板挤出的挤出物在冷水 槽中冷却， 然后进入热风箱中加热后进行第一次牵伸成型， 牵伸后进行热风定型 ； 定型后再 进入热风箱中加热后进行第二次牵伸， 牵伸后进行热风定型 ； 定型后再进入热风箱中加热 后进行第三次牵伸， 牵伸后进行热风定型得到超韧超强特种研磨丝。
所述的加热进行第一次牵伸成型时热风箱中的温度为 220 ～ 240℃， 牵伸机的牵 伸滚轴的转速为 17 ～ 19rpm/min ； 加热进行第二次牵伸时热风箱中的温度为 220 ～ 260℃， 牵伸机的牵伸滚轴的转速为 54 ～ 57rpm/min ； 加热进行第三次牵伸时热风箱中的温度为 265 ～ 290℃， 牵伸机的牵伸滚轴的转速为 58 ～ 62rpm/min。
挤出设备为积木式单螺杆挤出机， 积木式单螺杆挤出机的两进料口分别为计量螺 杆控制， 可精确控制两进料口的进料比例， 实现基料和人造金刚石研磨颗粒的配比计量调 节。可以克服普通单螺杆挤出机混料不均匀、 容易断丝， 机器磨损大等问题。
积木式单螺杆挤出机加热料段分为 5 个温度区段， 即加热料段前段、 加热料段 中段 (3 个区 ) 及加热料段后段 ； 其中 ： 主进料口所位于的加热料段前段的温度为 265 ～ 280℃ ； 加热料段中段分为 3 个温度区段， 3 个温度区段的温度从前至后依次分别为中段一 区、 中段二区及中段三区 ； 加热料段后段的温度为 290 ～ 300℃ ； 加热料段中段的进料口位 于 295 ～ 315℃温度区段。
5 个温度区段的温度范围具体如下表所示 ：
6101994167 A CN 101994171说前段 265-280明书中段二区 295-315 中段三区 290-310 后段 290-3004/6 页挤出机加热料段 挤出机温度℃
中段一区 295-310本发明通过调节抗氧化剂、 增韧剂和 / 或增强剂等辅助材料调整聚酰胺树脂切片 的性能， 添加偶联剂处理的人造金刚石研磨颗粒， 生产性能优越的研磨丝。 采用分段加料方 式使用偶联剂处理的人造金刚石研磨颗粒与聚酰胺树脂切片的接触相是固液共混， 减少人 造金刚石研磨颗粒对积木式单螺杆挤出机的磨损， 并且投料量分别可调， 可得各种磨料比 列含量的研磨丝， 使产品符合各种苛刻的使用环境要求。该工艺开发的产品有较好的磨削 性能， 能在高温、 酸碱环境下正常使用。 具体实施方式
实施例 1
(1). 将聚酰胺 612 树脂切片在真空干燥器中干燥 6 小时， 密闭防潮处理备用， 在 使用前， 将聚酰胺 612 树脂切片与 1098(N， N′ - 六亚甲基双 (3， 5- 二叔丁基 -4- 羟基苯丙 酰胺 ))、 POE-g-MAH 和芳纶 1414( 纤维的长度为 2 ～ 5mm) 混合均匀， 得到聚酰胺 612 基体 混合物， 其中 ： 聚酰胺 612 基体混合物中含有质量浓度为 0.1％的 1098、 质量浓度为 3％的 POE-g-MAH 和质量浓度为 2％的芳纶 1414 ； (2). 用 5 倍 γ- 氨丙基三乙氧基硅烷体积的无水乙醇或者丙酮稀释 γ- 氨丙基三 乙氧基硅烷， 配制成 γ- 氨丙基三乙氧基硅烷浸渍液 ； 将 36 目的人造金刚石研磨颗粒用去 离子水清洗干净， 在温度为 300℃下干燥 4 小时后与上述浸渍液混合并充分搅拌 1 ～ 2 小 时， 然后将润湿浸渍液的人造金刚石研磨颗粒在温度为 105 ～ 115℃下烘干 2 ～ 4 小时 ； 其 中： 浸渍液用量为人造金刚石研磨颗粒的 5wt％～ 8wt％ ；
(3). 将步骤 (1) 得到的聚酰胺 612 基体混合物从加热的积木式单螺杆挤出机加 热料段前段的主进料口投入到积木式单螺杆挤出机中 ； 在积木式单螺杆挤出机加热料段中 段的进料口加入步骤 (2) 得到的表面经 γ- 氨丙基三乙氧基硅烷处理的人造金刚石研磨颗 粒， 使步骤 (1) 得到的聚酰胺基体 612 混合物与步骤 (2) 得到的表面经 γ- 氨丙基三乙氧 基硅烷处理的人造金刚石研磨颗粒在积木式单螺杆挤出机中的加热料段均匀共混， 经积木 式单螺杆挤出机的喷丝板挤出， 挤出物经冷却及加热牵伸， 得到丝经为 2.5mm 的聚酰胺 612 研磨丝 ；
其中 ：
聚酰胺基体 612 混合物与表面经 γ- 氨丙基三乙氧基硅烷处理的人造金刚石研磨 颗粒的重量比为 8.5 ∶ 1.5 ； 人造金刚石研磨颗粒在制得的研磨丝中的质量百分比含量为 15％。
积木式单螺杆挤出机加热料段分为 5 个温度区段， 其中 ： 主进料口所位于的加热 料段前段的温度为 280℃ ； 加热料段中段分为 3 个温度区段， 3 个温度区段的温度从前至后 依次分别为中段一区 ： 280℃、 中段二区 ： 310℃及中段三区 ： 305℃ ； 加热料段后段的温度为 290℃ ； 加热料段中段的进料口位于 310℃温度区段。
所述的冷却及加热牵伸是将经积木式单螺杆挤出机喷丝板挤出的挤出物在冷水
槽中冷却， 然后进入温度为 240℃的热风箱中进行第一次牵伸成型， 牵伸机的牵伸滚轴的转 速为 17rpm/min， 牵伸后进行热风定型 ； 定型后再进入温度为 260℃的热风箱中进行第二次 牵伸， 牵伸机的牵伸滚轴的转速为 55rpm/min， 牵伸后进行热风定型 ； 定型后再进入温度为 280℃的热风箱中进行第三次牵伸， 牵伸机的牵伸滚轴的转速为 60rpm/min， 牵伸后进行热 风定型得到丝经为 2.5mm 的聚酰胺 612 研磨丝。
实施例 2
制备聚酰胺 612 研磨丝的方法及条件基本同实施例 1， 其中所不同的是 ：
聚 酰 胺 612 基 体 混 合 物 中 含 有 质 量 浓 度 为 0.2 ％ 的 1098、 质量浓度为 3％的 POE-g-MAH 和质量浓度为 3％的芳纶 1414。
是将 240 目的人造金刚石研磨颗粒浸渍与浸渍液混合搅拌均匀， 浸渍液的用量为 人造金刚石研磨颗粒的 8wt％～ 10wt％。
聚酰胺基体 612 混合物与表面经 γ- 氨丙基三乙氧基硅烷处理的人造金刚石研磨 颗粒的重量比为 7 ∶ 3， 人造金刚石研磨颗粒在制得的研磨丝中的质量百分比含量为 30％。
积木式单螺杆挤出机加热料段分为 5 个温度区段， 其中 ： 主进料口所位于的加热 料段前段的温度为 270℃ ； 加热料段中段分为 3 个温度区段， 3 个温度区段的温度从前至后 依次分别为中段一区 ： 295℃、 中段二区 ： 315℃及中段三区 ： 310℃ ； 加热料段后段的温度为 300℃ ； 加热料段中段的进料口位于 315℃温度区段。 进入温度为 240℃的热风箱中进行第一次牵伸成型， 牵伸机的牵伸滚轴的转速为 19rpm/min ； 定型后再进入温度为 255℃的热风箱中进行第二次牵伸， 牵伸机的牵伸滚轴的 转速为 57rpm/min ； 定型后再进入温度为 290℃的热风箱中进行第三次牵伸， 牵伸机的牵伸 滚轴的转速为 62rpm/min， 牵伸后进行热风定型得到丝经为 0.3mm 的聚酰胺 612 研磨丝。
实施例 3
制备聚酰胺 612 研磨丝的方法及条件基本同实施例 1， 其中所不同的是 ：
聚 酰 胺 612 基 体 混 合 物 中 含 有 质 量 浓 度 为 0.3 ％ 的 1010、 质量浓度为 3％的 POE-g-MAH 和质量浓度为 2％的碳纤维 ( 纤维的长度为 2 ～ 5mm)。
是将 240 目的人造金刚石研磨颗粒浸渍与浸渍液搅拌混合均匀， 浸渍液的用量为 人造金刚石研磨颗粒的 8wt％～ 10wt％。
聚酰胺基体 612 混合物与表面经 γ- 氨丙基三乙氧基硅烷处理的人造金刚石研磨 颗粒的重量比为 7 ∶ 3， 人造金刚石研磨颗粒在制得的研磨丝中的质量百分比含量为 30％。
积木式单螺杆挤出机加热料段分为 5 个温度区段， 其中 ： 主进料口所位于的加热 料段前段的温度为 265℃ ； 加热料段中段分为 3 个温度区段， 3 个温度区段的温度从前至后 依次分别为中段一区 ： 295℃、 中段二区 ： 305℃及中段三区 ： 310℃ ； 加热料段后段的温度为 300℃ ； 加热料段中段的进料口位于 305℃温度区段。
进入温度为 240℃的热风箱中进行第一次牵伸成型， 牵伸机的牵伸滚轴的转速为 19rpm/min ； 定型后再进入温度为 255℃的热风箱中进行第二次牵伸， 牵伸机的牵伸滚轴的 转速为 57rpm/min ； 定型后再进入温度为 290℃的热风箱中进行第三次牵伸， 牵伸机的牵伸 滚轴的转速为 62rpm/min， 牵伸后进行热风定型得到丝经为 1.5mm 的聚酰胺 612 研磨丝。
实施例 4
制备聚酰胺 612 研磨丝的方法及条件基本同实施例 1， 其中所不同的是 ：
聚 酰 胺 612 基 体 混 合 物 中 含 有 质 量 浓 度 为 0.3 ％ 的 1098、 质量浓度为 5％的 POE-g-MAH 和质量浓度为 5％的芳纶 1414。
用 10 倍 3- 缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷体积的无水乙醇或者丙酮稀释 3- 缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷， 配制成 3- 缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷浸渍 液； 将 1200 目的人造金刚石研磨颗粒用去离子水清洗干净， 在温度为 300 ℃下干燥 4 小 时后与上述浸渍液混合并充分搅拌 1 ～ 2 小时， 然后将润湿浸渍液的人造金刚石研磨颗 粒在温度为 105 ～ 115℃下烘干 2 ～ 4 小时 ； 其中 ： 浸渍液用量为人造金刚石研磨颗粒的 15wt％～ 20wt％ ；
聚酰胺基体 612 混合物与表面经 3- 缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷处理的人 造金刚石研磨颗粒的重量比为 8 ∶ 2， 人造金刚石研磨颗粒在制得的研磨丝中的质量百分 比含量为 20％。
积木式单螺杆挤出机加热料段分为 5 个温度区段， 其中 ： 主进料口所位于的加热 料段前段的温度为 265℃ ； 加热料段中段分为 3 个温度区段， 3 个温度区段的温度从前至后 依次分别为中段一区 ： 295℃、 中段二区 ： 305℃及中段三区 ： 310℃ ； 加热料段后段的温度为 300℃ ； 加热料段中段的进料口位于 305℃温度区段。
进入温度为 240℃的热风箱中进行第一次牵伸成型， 牵伸机的牵伸滚轴的转速为 19rpm/min ； 定型后再进入温度为 255℃的热风箱中进行第二次牵伸， 牵伸机的牵伸滚轴的 转速为 57rpm/min ； 定型后再进入温度为 290℃的热风箱中进行第三次牵伸， 牵伸机的牵伸 滚轴的转速为 62rpm/min， 牵伸后进行热风定型得到丝经为 1.0mm 的聚酰胺 612 研磨丝。
实施例 5
制备聚酰胺 612 研磨丝的方法及条件基本同实施例 1， 其中所不同的是 ：
聚酰胺 612 基体混合物中含有质量浓度为 0.1 ％的 1098、 质量浓度为 5 ％的乙 烯 - 辛烯 / 丁烯共聚物弹性体。
用 8 倍 3- 缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷体积的无水乙醇或者丙酮稀释 3- 缩 水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷， 配制成 3- 缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷浸渍液 ； 将 600 目的人造金刚石研磨颗粒用去离子水清洗干净， 在温度为 300℃下干燥 4 小时后与 上述浸渍液混合并充分搅拌 1 ～ 2 小时， 然后将润湿浸渍液的人造金刚石研磨颗粒在温度 为 105 ～ 115℃下烘干 2 ～ 4 小时 ； 其中 ： 浸渍液用量为人造金刚石研磨颗粒的 12wt％～ 15wt％ ；
聚酰胺基体 612 混合物与表面经 3- 缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷处理的人 造金刚石研磨颗粒的重量比为 7 ∶ 3， 制得研磨丝磨料含量为 30％。
积木式单螺杆挤出机加热料段分为 5 个温度区段， 其中 ： 主进料口所位于的加热 料段前段的温度为 265℃ ； 加热料段中段分为 3 个温度区段， 3 个温度区段的温度从前至后 依次分别为中段一区 ： 295℃、 中段二区 ： 315℃及中段三区 ： 315℃ ； 加热料段后段的温度为 305℃ ； 加热料段中段的进料口位于二区 315℃温度区段。
进入温度为 240℃的热风箱中进行第一次牵伸成型， 牵伸机的牵伸滚轴的转速为 21rpm/min ； 定型后再进入温度为 255℃的热风箱中进行第二次牵伸， 牵伸机的牵伸滚轴的 转速为 59rpm/min ； 定型后再进入温度为 295℃的热风箱中进行第三次牵伸， 牵伸机的牵伸 滚轴的转速为 63rpm/min， 牵伸后进行热风定型得到丝经为 2.0mm 的聚酰胺 612 研磨丝。9