树脂粘合磨具的制备方法.pdf

一种制备有机粘合研磨制品的方法，它包括研磨颗粒组分与酚基树脂组分混合。对混合组分进行模塑，然后在含湿气氛中进行热固化，其中所述气氛与模塑组件接触，由此形成有机粘合研磨颗粒。研磨颗粒任选先与有机硅化合物混合，形成经有机硅处理的研磨颗粒，然后与酚基树脂组分混合。在一个实例中，酚基树脂在蒸汽存在下热固化。用本发明方法制备的研磨制品在湿研磨条件下的性能通常能得到提高。在一个实例中，用本发明方法制备的研磨制品的氨含量少于约50ppm。在另一个实例中，用本发明方法制备的研磨轮的强度保持率大于约57％。

1.  一种制备有机粘合研磨制品的方法，它包含如下步骤：
a)混合研磨颗粒组分与酚基树脂组分；
b)对混合组分进行模塑；
c)使酚基树脂组分在包含湿度的气氛中进行热固化，其中所述气氛与模塑组件接触，由此形成有机粘合研磨制品。

2.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述研磨颗粒组分是氧化铝颗粒。

3.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述酚基树脂组分包括液态形式的酚基树脂。

4.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述酚基树脂组分包括甲阶酚醛树脂。

5.  权利要求4所述的方法，其特征在于所述甲阶酚醛树脂溶解于水中。

6.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述酚基树脂组分包括线型清漆酚醛树脂。

7.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括混合研磨颗粒组分、酚基树脂组分和有机硅组分。

8.  权利要求7所述的方法，其特征在于所述研磨颗粒组分与所述有机硅组分混合形成经有机硅处理的研磨颗粒，然后再与所述酚基树脂组分混合。

9.  权利要求8所述的方法，其特征在于所述经有机硅处理的研磨颗粒先与液态酚基树脂组分混合，然后与粉状酚基树脂混合。

10.  权利要求7所述的方法，其特征在于所述有机硅组分与所述酚基树脂组分混合，然后与所述研磨颗粒混合。

11.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述热固化在至少约150℃的最终固化温度下进行。

12.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述气氛还包括空气。

13.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述气氛还包括氨气。

14.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述热固化在蒸汽存在下进行。

15.  权利要求14所述的方法，其特征在于所述热固化在直接蒸汽存在下进行。

16.  权利要求15所述的方法，其特征在于所述热固化在室中进行，蒸汽在该室中循环。

17.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述气氛至少存在5小时。

18.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述气氛在酚基树脂组分热固化之前与混合组分接触。

19.  权利要求1所述的方法，其特征在于所述热固化在压力保持在超过大气压的室中进行。

20.  一种通过包含下述步骤的方法制备的研磨制品：
a)混合研磨颗粒组分与酚基树脂组分；
b)对混合组分进行模塑，形成坯体；
c)使酚基树脂组分在包含湿度的气氛中进行热固化，其中所述气氛与坯体接触，由此形成有机粘合研磨制品。

21.  权利要求20所述的研磨制品，其特征在于所述方法包括混合研磨颗粒组分、酚基树脂组分和有机硅组分。

22.  权利要求21所述的研磨制品，其特征在于有机硅组分与研磨颗粒组分混合形成经有机硅处理的研磨颗粒，然后再与酚基树脂组分混合。

23.  一种通过包含下述步骤的方法制备的研磨制品：
a)混合研磨颗粒组分与酚基树脂组分；
b)对混合组分进行模塑，形成坯体；
c)使酚基树脂组分在包含湿度的气氛中进行热固化，其中所述气氛与坯体接触，由此形成有机粘合研磨制品，所述研磨制品的氨含量约低于50ppm。

24.  权利要求23所述的研磨制品，它还包括研磨颗粒组分和有机硅组分混合的步骤。

25.  权利要求24所述的研磨制品，其特征在于研磨颗粒组分与有机硅组分混合，然后再与酚基树脂组分混合。

26.  权利要求23所述的研磨制品，它还包含用克氏氮气分析法测定轮子中氨含量的步骤。

27.  一种通过包含下述步骤的方法制备的研磨轮：
a)混合研磨颗粒组分与酚基树脂组分；
b)对混合组分进行模塑，形成坯体；
c)使酚基树脂组分在包含湿度的气氛中进行热固化，其中所述气氛与坯体接触，由此形成有机粘合研磨制品，用这种方法轮子的强度保持率约大于57％。

28.  权利要求27所述的研磨制品，其特征在于所述方法包括混合研磨颗粒组分、酚基树脂组分和有机硅组分。

29.  权利要求28所述的研磨制品，其特征在于所述有机硅组分与研磨颗粒组分混合形成经有机硅处理的研磨颗粒，然后再与酚基树脂组分混合。

树脂粘合磨具的制备方法
粘合研磨制品一般具有三维结构特征，其中研磨颗粒固定在基体或粘结剂中。在某些情况下，粘结剂是有机粘结剂，有时也称聚合物或树脂粘结剂。但是，有机粘合工具在湿研磨条件下往往性能不佳。对于某些由固定在酚醛树脂粘结剂中的氧化铝基颗粒形成的磨具，其湿研磨强度的保持率特别差。例如，人们都知道，包含称作“38A”颗粒的酚醛树脂粘合研磨颗粒的磨轮在湿研磨中磨损非常快，据信这是由于这类研磨颗粒的表面富含Na₂O，因而对水高度敏感。在水基研磨流体存在下，未磨掉的研磨颗粒会过早地从粘结剂上脱落。
为设法改善采用酚醛树脂粘结剂的磨具的湿研磨性能，用硅烷处理研磨颗粒，从而使颗粒具有疏水性。但据Kunz等在美国专利5042991中报道，这种技术实施制造上有困难，而且磨具储存数月后，得到改进的颗粒性能会下降。
美国专利3323885介绍了另一种方法，它通过阻止有用颗粒过早从粘结剂上脱落来提高磨轮寿命；在初始固化阶段，向整个轮坯提供湿气，即至少20％的相对湿度在约100℃下保持至少5分钟。作为提供这种相对湿度的方法，固化前可将轮坯包在不透湿膜中。虽然所得磨轮寿命得到提高，但包封和找开每个磨轮的步骤增加了粘合磨具的生产成本。而且，所用膜会妨碍不良的反应产物如氨的排出，它会留在最终制品体内。如果不包封，则将坯体加热到100℃以上时，水气就会被赶走并蒸发掉。
因此，需要有机粘合研磨制品和制备这些制品的方法，所述方法能减少或尽量避免上述问题。
本发明总体上涉及有机粘合研磨制品，如磨轮、轮片和其他制品，还涉及它们的制备方法。
在一种实施方式中，本发明涉及制备有机粘合研磨制品的方法，它包括研磨颗粒组分与酚基树脂组分的混合，然后对混合组分进行模塑。酚基树脂组分在包含湿度的气氛中进行热固化，由此形成有机粘合研磨制品。含湿气氛与模塑组件接触。
本发明还涉及用如下方法制备的研磨制品：混合研磨颗粒组分与酚基树脂组分，然后对混合组分进行模塑。酚基树脂组分在包含湿度的气氛中进行热固化，其中含湿气氛与模塑组件接触。
在一个实例中，含湿气氛通过向用来进行热固化的室中通入蒸汽获得。在一个优选实施方式中，研磨颗粒首先与有机硅组分混合，形成经过有机硅处理的研磨颗粒，接着使酚基树脂组分和经过有机硅处理的研磨颗粒混合。
在另一个实施方式中，本发明涉及用本发明方法制备的磨轮，其强度保持率高于57％。在另一个实施方式中，本发明涉及用本发明方法制备的研磨制品，磨轮中存在的氨量低于约50ppm。
本发明具有许多优点。例如，本发明在制备磨轮时不需要包封和打开步骤。更重要的是，制备期间残留在轮体中的氨和其他不良反应产物的量下降。通过本发明获得的磨具一般具有良好的湿强度保持率，即在湿研磨条件下，在其使用期限内，研磨颗粒能保留在有机粘结剂上。本发明在提供软级磨轮的湿强度保持率方面特别有利。这里定义的“软级磨轮”指按照Norton公司级别标准，具有比Q级软的级别的磨轮。利用本发明方法制备的磨具还有良好的干强度保持率，且研磨性能损失低。
通过下面对本发明优选实施方式更具体的描述，可更清楚地看到本发明的前述及其他目的、特征和优点。下面是对优选实施方式的描述。
本发明涉及有机粘合研磨制品的制备方法。
本发明方法包括使研磨颗粒组分与酚基树脂组分混合。混合后的组分可进行模塑，例如形成坯体，其形状适合于形成研磨制品。酚基树脂组分在包含湿度的气氛中进行热固化，含湿气氛与模塑组件接触。
在一种实施方式中，本发明方法所采用的研磨颗粒组分包括氧化铝基研磨颗粒。这里所用术语“氧化铝”和“Al₂O₃”可以互换。许多氧化铝基研磨颗粒可从市场上购买，特殊颗粒可以定制。可用于本发明的合适氧化铝基研磨颗粒的具体例子包括Saint Gobain陶瓷与塑料公司生产的名为“38A颗粒”的白刚铝石颗粒，或者Treibacher Schleifmittel，AG生产的名为“86A颗粒”的粉红刚铝石。其他研磨颗粒也可以采用，如加晶种或无晶种烧结溶胶氧化铝，经过或未经过如稀土氧化物、MgO等的化学改性；氧化铝-氧化锆；硼-氧化铝；碳化硅；金刚石；立方氮化硼；氧氮化铝；不同研磨颗粒的组合。
研磨颗粒的尺寸一般以粒度号表示，表示粒度号与以微米或英寸为单位的对应平均粒度之间关系的图在本领域是众所周知的，它们与美国标准筛(USS)筛目相关。粒度号的选择取决于研磨应用或要使用磨具的工艺。本发明可采用的合适的粒度号约在16(相当于平均粒度约为1660μm)-320(相当于平均粒度约为32μm)之间。
在制备研磨制品之前，宜用有机硅涂敷Al₂O₃颗粒。合适的有机硅组分包括含有机官能的硅烷，如通常用作偶联剂的有机官能硅烷。特别优选氨基硅烷，例如γ-氨基丙基三乙氧基硅烷。可以采用的有机硅化合物的其他例子包括(但不限于)乙烯基三乙氧基硅烷、γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、二氨基丙基乙氧基硅烷。
酚基树脂组分至少包含一种酚醛树脂。酚醛树脂一般通过苯酚与醛，特别是甲醛、低聚甲醛或糠醛聚合得到。除了苯酚之外，也可以用甲酚、二甲苯酚和取代苯酚。甲阶酚醛树脂一般通过水性甲醛与苯酚在碱性催化剂存在下的一步反应获得。线型酚醛清漆树脂，也称两阶段酚醛树脂，一般通常在酸性条件下和在交联剂如六亚甲基四胺(这里也称“hexa”)存在下制备。
甲阶酚醛树脂和线型酚醛清漆树脂都可以采用，而且可以采用一种以上地酚基树脂。在一种实施方式中，酚基树脂组分包含至少一种甲阶酚醛树脂和至少一种线型清漆型酚醛树脂。宜至少有一种酚基树脂呈液体形式。合适的酚醛树脂混合物见述于Gardziella等的美国专利4918116等，其全部内容在此引为参考。
在一个优选实施方式中，研磨颗粒组分先与有机硅组分混合。用有机硅化合物处理研磨颗粒的方法在本领域是人们已知的。例如，研磨颗粒可用包含合适的有机硅化合物的溶液润湿、喷涂，或者分散在这种溶液中，以涂敷颗粒。经涂敷颗粒在使用前一般要经过干燥。
然后可使经有机硅处理的研磨颗粒与酚基树脂组分混合。在一个实例中，经有机硅处理的研磨颗粒先与一种或多种液体酚基树脂混合，然后与一种或多种粉状酚基树脂混合。在另一个实例中，液体和粉状酚基树脂可同时加入经有机硅处理的研磨颗粒中。
用合适的方法使经有机硅处理的研磨颗粒与酚基树脂组分混合起来，如用合适的混合器混合。合适的混合器实例是Eirich混合器(例如RV02型)、Littleford或碗型混合器。
在另一个实施方式中，有机硅组分先与酚基树脂组分混合，然后与研磨颗粒组分混合。例如，有机硅组分可与一种或多种液态酚基树脂混合。在另一个实施方式中，所有组分一步混合。这些组分的混合方法在本领域是已知的。
还可以加入其他成分，例如填充剂、固化剂和其他常用来制备有机粘合研磨制品的化合物。填充剂的形式可以是微细粉末，如粒状、球状、纤维状或其他形状。合适的填充剂的例子包括砂、碳化硅、空心氧化铝、矾土、铬铁矿、菱镁矿、白云石、空心富铝红柱石、硼化物、热解法二氧化硅、二氧化钛、碳产物(例如碳黑、焦碳或石墨)、木粉、粘土、滑石、六角氮化硼、二硫化钼、长石、霞石、黑花岗石和各种形式玻璃，如玻璃纤维和空心玻璃球。一般，以组合物的总重计，填充剂的量约为0.1-30重量份。
固化清漆酚醛树脂所采用的交联剂包括六亚甲基四胺和本领域已知的其他固化剂。也可以采用这些物质的前体，如氢氧化铵。合适的固化剂的用量，如每100重量份总清漆酚醛树脂总重约为5-20重量份。
可以加入的其他材料包括加工助剂，如：抗静电剂；金属氧化物，如石灰、氧化锌、氧化镁；润滑剂，如硬脂酸和单硬脂酸甘油酯和它们的混合物。每种材料的合适用量也可由本领域的技术人员确定。
在一种实施方式中，将混合组分放入合适的模子中压制，可以形成坯体。这里所用术语“坯”指坯体在接下来的加工步骤中能保持形状不变，但一般没有足够的强度永久保持其形状；坯体中的树脂粘结剂处于未固化或未聚合状态。混合组分可模塑成所需制品的形状。例如，可将混合组分模塑成轮形、盘形、轮片、石头形和磨石形。在优选实施方式中，混合组分可模塑、压制成适合于磨轮的形状。成型柱塞可用来盖住混合物，这是本领域已知的。
为制备本发明研磨制品，可在含湿气氛中热固化坯体中的酚基树脂组分，即使之聚合。坯体在加热过程中会发生各种物理和化学变化，例如热固性酚基树脂发生交联，从而形成研磨制品。
坯体一般是以分段方式受控加热到最终固化温度的。整个过程一般称“固化”或“烘烤”周期。对大的坯体一般缓慢加热，以利于热传递过程的发生，从而使产品均匀固化。“保温”阶段可在指定温度下进行，以便在温度达到酚基树脂发生聚合的温度之前，轮子各部分温度可在升温阶段达到平衡。“保温”阶段指模塑组件，例如坯体在指定温度下保持一段时间。对坯体也可缓慢加热，例如从室温加热到保温温度，以使磨轮固化时产生的副产物中的挥发性物质缓慢(受控)释放。
例如，坯体可预热到初始温度，例如100℃左右，然后在此温度下保温一段时间，例如约0.5小时至数小时。接着在一段时间如数小时之内将坯体加热到最终固化温度。这里所用术语“最终固化温度”指模塑制品在此温度下保温，以进行酚基树脂组分的聚合反应，例如交联反应，由此制成研磨制品。这里所用“交联”指在加热条件下，并且通常在交联剂如六亚甲基四胺存在下发生的各种化学反应，从而使酚基树脂组分发生硬化。一般，模塑制品在固化周期中的最终固化温度下保温一段时间，例如10-36小时，或者直到模塑制品中心部分也达到交联温度并发生硬化。
所用最终固化温度取决于树脂组成。酚基树脂的聚合反应一般发生约在110-225℃的温度范围内。甲阶段酚醛树脂一般约在140-225℃发生聚合，而线型清漆酚醛树脂一般约在110-195℃发生聚合。最终固化温度还取决于其他因素，如制品的尺寸和/或形状，固化持续的时间，实际采用的催化剂体系，轮子级别，树脂分子重量和化学性质，固化气氛等。对于这里介绍的几个合适的酚基组分，最终固化温度至少约150℃。
酚基树脂组分的热固化，即聚合反应在含湿气氛中进行，即相对湿度(R.H.)超过指定温度下的标准R.H.的气氛。这里所用相对湿度“R.H.％”指给定温度下空气、氮气等气体中的水蒸汽实际浓度与相同温度下相同气体中饱和水蒸汽的浓度之比。含湿气氛与坯体接触，即坯体表面没有包裹在屏蔽材料如不透水膜中，而是暴露在含湿或含水蒸汽的气氛中。除了水蒸汽之外，含湿气氛还可包含空气或其他合适的气体，例如氮气。含湿气氛还可包含水滴、氨气、二氧化碳气体和其他组分。
热固化宜在最终固化温度能获得的最大相对湿度(R.H.％)下进行。在实践中，给定温度下获得的实际R.H.％往往稍小于理论R.H.％。例如，在150℃，大气压下的最大理论R.H.％为21.30％，而合适的湿度炉中输出R.H.％约为18-20％，因此相对于最大理论R.H.％相差约5-15％。热固化宜在最终固化温度能获得的最大相对湿度(R.H.％)下进行。在空气中，一般宜为最大理论R.H.％的至少85-90％。
热固化也能在含湿度低于指定温度下能获得的最大R.H.％的气氛中进行。例如，研究发现，在热固化温度下，空气中相对湿度比能获得的最大R.H.％低40-50％能提高本发明方法制备的磨具在湿条件下的操作性能。
含湿气氛可存在于酚基树脂组分聚合的整个阶段，由此形成研磨制品。含湿气氛存在的时间也可以短一些。例如，如果酚基树脂组分聚合并形成研磨制品的固化周期为23-36小时，则含湿气氛可存在约5-16小时。含湿气氛存在的时间可少至在最高固化温度下固化树脂组分所用时间的35％。
含湿气氛也能在热固化坯体之前就存在，例如在预热期间和/或在从初始固化温度加热到酚基树脂组分发生热固化温度期间。含湿气氛宜存在于整个固化周期中，即从室温到最终固化温度，以及在整个最终固化温度期间。此外，含湿气氛还宜存在于研磨制品冷却期间，例如在炉温降低到约100℃的过程中。固化周期的不同阶段可以采用不同水平的R.H.％。
酚基树脂组分在含湿气氛中的热固化可在密封室中进行，在固化前将已知量的水加入室中。已知量的水还可包含溶解气体，例如氨、二氧化碳和/或溶解金属盐，例如金属卤化物、碳酸盐、乙酸盐、金属氢氧化物、金属配合物和其他化合物。它也可包含水性甲阶酚醛树脂、丙烯酸类和其他物质。
在密封室中产生含湿气氛的其他技术包括例如使用在高温下能释放水气的吸附剂，例如水合沸石、吸水分子筛材料、水合二氧化硅、水合氧化铝和其他吸附剂。金属盐和含结合水的金属配合物也可封入密封室中，在热固化期间产生含湿气氛。
酚基树脂组分在含湿气氛中的热固化也可通过将蒸汽引入自备室中来进行。例如，固化炉或高压釜可装有导管，以注入直接蒸汽。这里所用“直接蒸汽”指来自固化室外面的蒸汽源，例如蒸汽发生器的蒸汽。在一个实例中，固化室密封后，在不高的内压下操作，例如从一个大气压到约小于2磅/平方英寸(psig)。固化室也可配有蒸汽循环装置，以促使整个固化室湿度均匀。蒸汽的合适设备包括泵、风扇、冷凝器、折流板/管道和本领域已知其他设备。
例如，固化室可置于电炉中，使固化有可能在高湿环境中进行，而不会影响电炉性能，还能防止电路受损。例如，固化室可配有多孔板，以均匀分布蒸汽。固化室排气管线上可以配有可调节挡板，以控制空气在固化室中的回旋。固化室还可配置空气进口、热电偶、湿度传感器和可控蒸汽进气阀。蒸汽室要足够大，以固化整个有机轮，例如直径达860mm的轮。
在一种实施方式中，可单独采用直接蒸汽，或组合其他本领域已知技术来加热坯体至最终固化温度或低于最终固化温度的温度。在轮子周围的空气温度达到至少80℃之后，才可以向坯体引入直接蒸汽，从而最大程度减少蒸汽在开始升温阶段在室壁上的冷凝。蒸汽离开排气管线时的温度约110℃，要离加外部热量，将固化环境的温度提高到最终的保温温度。
酚基树脂组分在含湿气氛中的热固化也可在控湿炉中进行。控湿炉的合适例子见述于M.Grande的“处理加热”，pp22-24(2000年4月)。雾气和蒸汽注入法都可以采用，优选蒸汽注入控湿炉。合适的商业控湿炉可购于Despatch工业公司，Minneapolis，MN。商业控湿炉一般配有操作炉温下能获得的最大R.H.％分布。
由于坯体与气氛接触或者说暴露在气氛中，即其表面没有包封在不透水膜中，固化气氛中的水能在坯体内外流动，加热和保温期间所发生反应的产物能够排出；与用包封法制备的制品中的量相比，残留在成品中的反应产物如氨气的量减少了。测定研磨制品中氨含量的一种方法是EPA方法351.3所描述的是克氏定氮法(Total Kjeldahl Nitrogen)(TKN)。
在一种实施方式中，用本发明方法制备的研磨制品，例如磨轮的强度保持率超过57％。在另一个实施方式中，本发明方法制备的制品中氨含量低于50ppm。
在一个优选实施方式中，可用本发明方法制备具有开孔结构的磨轮。一般地，这种轮子的开孔率宜约为20-40vol.％，任选约为2-60vol％。
虽然不想局限于对本发明化学机理的任何特定解释，我们认为水分子破坏了某些有机硅化合物官能团对颗粒表面的连接，而一部分有机硅化合物键合在研磨颗粒表面上。例如，对于含氨基的硅烷，水的存在使硅烷氨基端部自由。在固化期间，氨基(-NH₂)与酚基树脂中的羟基(-OH)反应，使研磨颗粒与有机粘结剂之间形成强界面。
此外，在固化期间加水也可能会影响甲阶酚醛树脂交联的平衡反应。认为，水的存在会在一定程度上抑制交联反应，从而形成额外的自由烷基羟基(例如-CH₂OH)，它能与氨基硅烷，如氨基丙基硅烷反应。对于线型清漆酚醛树脂，认为水能催化六亚甲基四胺水解。这是六亚甲基四胺与线型清漆酚醛树脂发生交联反应必需的过程，结果使交联密度增加。认为，交联密度增加后，线型清漆酚醛树脂就不那么容易受到水的侵蚀。
此外，认为用本发明方法制备的轮子中氨含量大为降低，而这又增加了轮子的寿命，并延长了冷却溶液使用期限。氨是线型清漆酚醛树脂固化反应的副产物，在树脂固化过程中产生。氨的存在不利于湿研磨，因为它提高了冷却溶液的pH，从而加速了树脂/研磨剂界面的水解，促使磨轮破坏，结果降低了轮子的寿命。固化磨轮的传统方法是在封闭环境，例如将轮子包在膜中进行的，这使氨在轮子固化时残留其中。而在本发明介绍的方法中，固化在开放环境中进行，即坯体暴露在固化气氛中，因此在轮子硬化过程中，氨气能够通过从轮子中蒸发出来。
通过以下实施例对本发明作进一步描述，但这些实施例不对本发明构成限制。
实施例1
用从Saint-Gobain陶瓷与塑料公司(Worcester，MA)购买的“38A”研磨颗粒制备11个对照样品。该研磨颗粒是白色易碎刚铝石，已知用于湿研磨时强度保持率很差。氨基丙基三乙氧基硅烷购自Witco公司(Greenwich CT)，液态酚醛树脂(LPR)购自Oxychem-Durez(Buffalo，NY)，两种干酚醛树脂粘结剂A和B购自Oxychem-Durez(Buffalo，NY)，，它们含9％六亚甲基四胺。两种树脂均用TDA(20cm³/lb)湿润干树脂，以控制粉尘。粘结剂A和B均具有中等流动性和中等分子量。
分别使用粘结剂A和B的样品#1A和#1B具有以下组成和性质：
含粘结剂A的样品#1A