CN102887699A - 一种水基无机粘合剂及其磨具的制备方法 - Google Patents

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焦明立
杨凯
高斌
张一风
王志新
张旺玺
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Abstract

本发明公开了一种水基无机粘合剂的制备方法，它的步骤如下：（1）向水中或PEG的水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，得到溶胶，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~5，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种；（2）将溶胶在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂。本发明工艺简单，能耗低，污染小，生产效率高。

Description

一种水基无机粘合剂及其磨具的制备方法
技术领域
本发明属于无机材料的制备及应用领域，具体是通过合成一种硅/铝基水性无机粘合剂，并用其制备磨具的方法。
背景技术
随着机械制造业的发展，对加工表面质量的要求也越来越高，这出促使磨削工序的增加，进而提升了固结磨具的用量。磨具用结合剂通常包括金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂三种。其中金属结合剂对磨粒把持好、强度高、韧性较好，但存在自锐性差、气孔率低、修复困难；树脂结合剂自锐性较好，能起抛光作用，但耐热性差，特别由于磨削过程中产生的大量热使使用性能下降；无机陶瓷结合剂性能介于金属结合剂和树脂结合剂之间，得到了大量的应用。
其中普通磨料固结磨具结合剂主要以陶瓷结合剂为主，其烧结温度高达1300℃，烧成时间在50小时以上，制备工艺成熟，但存在着高能耗、重污染的特点。这种传统工艺与我们的低碳经济的发展模式相违背。在磨具制造行业急需低能耗、无污染的新型无机粘合剂改善生产环境。在这种形势下，不同单位进行了多角度的改进，如李志宏等发表了陶瓷磨具快速烧成工艺的试验探索（金刚石与磨料磨具工程，1996，5(96)：19-22），侯永改等研究了添加剂对低温陶瓷结合剂性能影响（陶瓷研究，2009，17(3)：1-4）等。由高温结合剂的改进逐步转移到低温结合剂的研究上来。
如今粘合剂的研究方向不仅要能解决传统工艺中高能耗、重污染的问题，而且能够提高生产效率。但近年来无机结合剂特别是低温粘合剂还未能大范围的应用，这主要是无机结合剂前期制备复杂、效率低下、原料的制作能耗较高等因素制约。
发明内容
本发明要解决的技术问题是粘合剂工艺中高能耗、重污染，提供一种水基无机粘合剂及其磨具的制备方法。
本发明的技术方案是：一种水基无机粘合剂的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG的水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，得到溶胶，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~5，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种；
（2）将溶胶在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂。
所述的水基无机粘合剂的制备方法，其特征在于：所述PEG分子量为200-6000，重量含量为1-15%。
水基无机粘合剂磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG的水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，得到溶胶，所述含有Si元素的物质与含有Al元素的物质的摩尔比为1:2~5，含有Si元素的物质和含有Al元素的物质与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种；
（2）将溶胶在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂；
（3）在室温~100℃的温度下使无机粘合剂中的水挥发、陈化，时间为1~150小时，得到除水粘合剂，将除水粘合剂与磨料、助剂混合均匀，然后成型，得到模块，所述磨料为刚玉或棕刚玉、所述助剂为酚醛树脂，粘合剂、磨料、助剂的质量比为1:10~200:1；
（4）将成型的模块在200-1200℃的条件下烧结0.2-4小时，升温速率为1-20℃/min，得到水基无机粘合剂磨具。
所述粘合剂、磨料、助剂的质量比优选为1:20~140:1。
按照最终形成的粘合剂Si和Al元素的配比，依次向定量水中或PEG水溶液中加入含有两种元素的原料，并在加入过程中强力搅拌，最终得到一种胶体。然后水浴加热反应后得到透明均一溶液。得到的溶液与磨料混合均匀，然后使水低温挥发陈化，并压制成型。成型的模块在高温下烧结一定时间后获得无机粘合磨具。
1）最终形成的无机粘合剂中Al和Si的配比在5:1到2:1之间；
2）向水中或PEG水溶液中加入的物质是硝酸铝（Al(NO3)3·9H2O）、异丙醇铝（Al(OC3H7)3）、正硅酸乙酯（Si(OC2H5)4）、氯化铝（AlCl3·6H2O）中的两种或两种以上；
3）反应在50-100℃水浴中进行，最佳温度为70-90℃，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂；
4）放置陈化后的无机粘合剂与磨料、助剂共混后，成型、加热获得磨具。
本发明的有益效果是：本发明工艺简单，能耗低，污染小，生产效率高。
具体实施方式
实施例1
按照烧结后Al和Si的配比换算成原料的配比（硝酸铝：异丙醇铝：正硅酸乙酯=3:9:4），将称量好的硝酸铝缓缓加入到含6%PEG-4000的水溶液中溶解，再加入异丙醇铝搅拌，最后将正硅酸乙酯加入。室温下搅拌24h，然后在90℃加热、搅拌、回流5h。在30℃烘箱中进一步浓缩，经适当室温陈化后所得粘合剂与酚醛树脂、磨料混合均匀，压力成型。然后以10℃/min的速率升至1000℃高温烧结，得无机粘合剂制备的磨具。
实施例2
称量30.0 g硝酸铝加入去离子水中，溶解后得到100 ml的溶液。向40 ml去离子水中加入10.00ml正硅酸乙酯强力搅拌，得到正硅酸乙酯(TEOS)的预水解溶液。按照Al：Si=3:1的比例混合搅拌1h，然后放在50℃-70℃水浴中经2 h获得溶液。在30℃烘箱中进一步浓缩，所得粘合剂与刚玉混合均匀，经适当温度陈化、压力成型。然后以15℃/min的速率升至300℃固化，即得无机粘合剂制备的刚玉磨具。
实施例3
一种水基无机粘合剂及其磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，得到溶胶，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝；
（2）将溶胶在50℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂；
（3）在室温~100℃的温度下使无机粘合剂中的水挥发、陈化，时间为1小时，得到除水粘合剂，将除水粘合剂与磨料、助剂混合均匀，然后成型，得到模块，所述磨料为刚玉、所述助剂为酚醛树脂，粘合剂、磨料、助剂的质量比为1: 10:1；
（4）将成型的模块在200℃的条件下烧结0.2小时，升温速率为1℃/min，得到水基无机粘合剂磨具。
实施例4
一种水基无机粘合剂及其磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向PEG的水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，PEG分子量为200-6000，重量含量为1%，得到溶胶，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:5，含有的Si元素与水的摩尔比为1:90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为异丙醇铝；
（2）将溶胶在100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂；
（3）在50℃的温度下使无机粘合剂中的水挥发、陈化，时间为1~150小时，得到除水粘合剂，将除水粘合剂与磨料、助剂混合均匀，然后成型，得到模块，所述磨料为棕刚玉、所述助剂为酚醛树脂，粘合剂、磨料、助剂的质量比为1:200:1；
（4）将成型的模块在1200℃的条件下烧结4小时，升温速率为20℃/min，得到水基无机粘合剂磨具。
实施例5
一种水基无机粘合剂及其磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向水中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，得到溶胶，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:4，含有的Si元素与水的摩尔比为1:50，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为氯化铝；
（2）将溶胶在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂；
（3）在室温~100℃的温度下使无机粘合剂中的水挥发、陈化，时间为1~150小时，得到除水粘合剂，将除水粘合剂与磨料、助剂混合均匀，然后成型，得到模块，所述磨料为刚玉或棕刚玉、所述助剂为酚醛树脂，粘合剂、磨料、助剂的质量比为1: 140:1；
（4）将成型的模块在200-1200℃的条件下烧结0.2-4小时，升温速率为1-20℃/min，得到水基无机粘合剂磨具。
实施例6
一种水基无机粘合剂及其磨具的制备方法，它的步骤如下：
（1）向PEG的水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，PEG分子量为200-6000，重量含量为1-15%，得到溶胶，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~5，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种；
（2）将溶胶在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂；
（3）在室温~100℃的温度下使无机粘合剂中的水挥发、陈化，时间为1~150小时，得到除水粘合剂，将除水粘合剂与磨料、助剂混合均匀，然后成型，得到模块，所述磨料为刚玉或棕刚玉、所述助剂为酚醛树脂，粘合剂、磨料、助剂的质量比为1: 20~140:1；
（4）将成型的模块在200-1200℃的条件下烧结0.2-4小时，升温速率为1-20℃/min，得到水基无机粘合剂磨具。

Claims (4)

1. 一种水基无机粘合剂的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG的水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，得到溶胶，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~5，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种；
（2）将溶胶在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂。
2. 根据权利要求1所述的水基无机粘合剂的制备方法，其特征在于：所述PEG分子量为200-6000，重量含量为1-15%。
3. 如权利要求1或2所述的水基无机粘合剂磨具的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：
（1）向水中或PEG的水溶液中加入含有Si元素的物质和含有Al元素的物质，得到溶胶，所述含有的Si元素与含有的Al元素的摩尔比为1:2~5，含有的Si元素与水的摩尔比为1:30~90，所述含有Si元素的物质为正硅酸乙酯，所述含有Al元素的物质为硝酸铝、异丙醇铝、氯化铝中的至少一种；
（2）将溶胶在50~100℃的水浴中进行反应，并进行搅拌、回流制得无机粘合剂；
（3）在室温~100℃的温度下使无机粘合剂中的水挥发、陈化，时间为1~150小时，得到除水粘合剂，将除水粘合剂与磨料、助剂混合均匀，然后成型，得到模块，所述磨料为刚玉或棕刚玉、所述助剂为酚醛树脂，粘合剂、磨料、助剂的质量比为1: 10~200:1；
（4）将成型的模块在200-1200℃的条件下烧结0.2-4小时，升温速率为1-20℃/min，得到水基无机粘合剂磨具。
4. 根据权利要求3所述的水基无机粘合剂磨具的制备方法，其特征在于：所述粘合剂、磨料、助剂的质量比为1: 20~140:1。
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