CN104385154A - 一种磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法 - Google Patents

一种磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，通过以硅酸盐溶液作为溶胶-凝胶制备的起始点，在正硅酸乙酯水解之后与亚硫酸的碱金属盐或铝酸盐形成新的硅酸盐溶液；当硅酸盐溶液与丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺混合后，在引发剂的作用下丙烯酰胺在发生自由基聚合反应的同时与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺交联形成三维立体网络结构，减少了团聚的产生，固化所获得的结合剂与磨料混合后，在硅烷偶联剂和其他助剂的辅助下，能够使磨具制造的固化温度大大降低，同时增加了磨具制造过程中有机物和无机物的粘接强度，不但达到了节能减排和保护环境的目的，而且有助于提高陶瓷磨料的使用寿命。

Description

一种磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法
技术领域
本发明属于磨料用陶瓷结合剂技术领域，涉及一种磨料用低温陶瓷结合剂的制备方法。
背景技术
磨料是一种具有高硬度和一定机械强度的颗粒材料，用于制造磨具，再用于切削、研磨和抛光。磨料分天然和人造两大类。天然磨料是自然矿物开采经过加工而制成的磨料。目前，天然矿石的磨料趋于淘汰之势，很少用于制作磨具。人造磨料是用工业方法炼制或合成的磨料，主要有刚玉、碳化硅、人造金刚石和立方氮化硼等。
自人们发明的第一种人造磨料开始到现在至少已发明发展了近百种之多，应用范围愈来愈广泛，其性能愈来愈优越于天然磨料，随着人造磨料不断的发展和进步，磨削加工也得到了迅速的发展和提高，由于磨具的不断发展和性能的不断提高，磨削加工的水平也得到了不断发展和提高。今天的磨削加工已走上专用、精密、强力、高效以及节能、环保、可持续发展的道路，磨料磨具要适应这种发展要求，就必须具有与之相适应的新材料、新工艺、新理论等与之配套，相辅相成、互相依赖、互相促进、共同提高。
1981年美国3M公司工业磨料部推出了一种牌号为“Cubitron”的陶瓷刚玉磨料。其韧性是普通刚玉的2倍以上，磨削性能优于大多数普通磨料，并且它不是像其它刚玉磨料是在电弧炉中熔炼而成，而是在一定温度下烧结而成。八十年代中期，诺顿公司开发出了一种SG(商标名)磨料，它也是一种陶瓷刚玉磨科，性能与Cubitron磨料相似，其实，这两种磨料都是采用一种俗称为溶胶-凝胶(Sol-gel，简称SG)法的工艺制造的。SG磨料也因此得名，其工艺过程是：配制Al3O2·H2O的水溶胶体，经凝胶化后，干燥固化，再破碎成颗粒，最后烧结成磨料。由于在溶胶-凝胶化过程中常使用引晶剂(或称晶种)，SG工艺也常称作“引晶凝胶工艺”(Seeded gel)。
1994年德国Junker公司Erwin Junker先生开发并取得专利的是一种先进的高速磨削技术，快速点磨削(Quick-point Grinding)的理论由此出现，这使人们在对SG磨料颗粒性能认识的基础之上，提出通过把多层小磨料颗粒粘在一起形成堆积磨料(这些磨粒主要是氧化铝(锆刚玉或碳化硅)，堆积磨料在磨具磨削的过程当中颗粒就一点一点磨损，上面的磨料脱落了，新的磨粒又出现了，形成了多层磨料磨削，大大提高了磨具使用寿命，又使工件表面光洁度一致。
现在磨具行业广泛使用的结合剂主要是有机结合剂，有酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯等，有机树脂使用方便，粘接强度高，但耐热性能不好，磨削时环境污染大，随着人们环保意识的增强，有机树脂的弊端越来越引起人们的关注。
陶瓷结合剂磨具具有绿色环保，粘接强度较高，耐热性能好，切削锋利，磨削效率高，磨削过程中不易发热和堵塞，热膨胀系数小，易控制加工精度，且容易修整等特点。陶瓷结合剂磨具一般用于粗磨、半精磨、精磨及某些产品的抛光和接触面积较大的成型磨削等。陶瓷结合剂磨具主要是砂轮，但陕西德赛新材料科技有限公司以用于制作砂带，近期将投放市场。陶瓷结合剂磨具已经广泛应用于机械制造行业，许多重要的机器零件都要进行磨削加工。如喷汽发动机叶片，水压汽轮机叶片，船用螺旋浆，核电设备，轴承部件，大型管道去焊缝等。在这些零件的加工中陶瓷结合剂磨具都发挥了重要的作用。
陶瓷结合剂磨具产量比较大，从过去到现在，陶瓷磨具一直在磨具总的构成中一直占重要地位，尽管随着结合剂材料种类的不断发展和磨具种类的不断扩大，陶瓷磨具产量在磨具总产量中呈下降趋势，但仍占有一定比例。因此，有必要对陶瓷结合剂磨具进行进一步的研究，比如降低成型温度以节约能源，改善磨具的结构与性能以满足日益发展的机械加工的要求。通过陕西德赛对陶瓷结合剂砂带性能的检测证明，陶瓷结合剂磨具很有可能卷土重来，重新占据市场主要地位。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种低温固化陶瓷结合剂的制备方法，通过以硅酸盐溶液作为溶胶-凝胶制备的起始物，添加亚硫酸的碱金属盐和铝酸盐，丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺及一定量的引发剂，然后加入PEG4000和硅烷偶联剂，保温搅拌得到低温固化的陶瓷结合剂，该结合剂能够和陶瓷磨料低温固化，从而达到节能环保的目的。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将有机酸溶于体积浓度为15～28％的氨水中，氨水的量以能溶解有机酸为准，然后按照正硅酸乙酯∶有机酸＝1∶1.5～2的摩尔比加入正硅酸乙酯，搅拌使正硅酸乙酯溶解，然后再加入亚硫酸的碱金属盐，亚硫酸的碱金属盐与正硅酸乙酯的摩尔比为2～2.5∶1，加热至50～70℃并搅拌使其完全溶解，得到硅酸盐溶液；
2)在硅酸盐溶液中，加入丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺，然后加入PEG4000，充分混合，并在70-85℃保温搅拌3-5h，得到低温陶瓷结合剂，其中，丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1∶1～1.2，丙烯酰胺与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的体积之和为硅酸盐溶液体积的5-10％，PEG4000的体积为硅酸盐溶液体积的1-5％。
所述的亚硫酸的碱金属盐为亚硫酸钠、亚硫酸钙或亚硫酸钾中的一种。
所述的有机酸为酒石酸、柠檬酸、乳酸、苹果酸或乙二酸中一种。
所述的低温陶瓷结合剂在使用时，将所述低温陶瓷结合剂与磨料在70～90℃加热固化5～24h，然后在100～150℃下加热固化8～24h，再在150-300℃下加热固化5～12h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，通过以硅酸盐溶液作为溶胶-凝胶制备的起始点，在正硅酸乙酯水解之后与亚硫酸的碱金属盐和铝酸盐形成硅酸盐溶液，然后再加入缓凝剂酒石酸，有助于溶胶的形成；当硅酸盐溶液与丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺混合后，在引发剂作用下丙烯酰胺自由基发生聚合的同时与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺交链联形成三维立体网络结构，减少团聚的产生，烧结所获得的结合剂的颗粒细小，能够达到亚微米级。
本发明提供的磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，所制备的低温陶瓷结合剂与磨料充分浸润之后，可以少量的溶解到陶瓷液相中，还能够与磨料内原有物质形成低溶物或中间体，有助于烧结温度的降低；另外一方面能够与SiO2形成均匀一致的玻璃体，阳离子被牢固的结合在分子网络中，有助于磨料架状结构的形成。
本发明提供的磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，在陶瓷磨料的烧结过程中，将结合剂与磨料混合后，在助剂的辅助下，能够使磨料的烧结温度大大降低，从而可以实现在300℃下进行固化，达到了节能减排的目的，而且有助于提减少高陶瓷磨料的使用寿命。
本发明提供的磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，其所制备的低温陶瓷结合剂所固化的产品，其强度不会降低，仍然能够保持较好的强度。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将酒石酸溶于体积浓度为15％的氨水中，氨水的量以能溶解酒石酸为准，然后按照正硅酸乙酯∶酒石酸＝1∶2的摩尔比加入正硅酸乙酯，搅拌使正硅酸乙酯溶解，然后再加入亚硫酸钠，亚硫酸钠与正硅酸乙酯的摩尔比为2∶1，加热至50℃并搅拌使其完全溶解，得到硅酸盐溶液；
2)在硅酸盐溶液中，加入丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺，然后加入PEG4000，充分混合，并在83℃保温搅拌5h，得到低温陶瓷结合剂，其中，丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1∶1.05，丙烯酰胺与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的体积之和为硅酸盐溶液体积的10％，PEG4000的体积为硅酸盐溶液体积的1％。
实施例二
1)将柠檬酸溶于体积浓度为28％的氨水中，氨水的量以能溶解柠檬酸为准，然后按照正硅酸乙酯∶柠檬酸＝1∶1.8的摩尔比加入正硅酸乙酯，搅拌使正硅酸乙酯溶解，然后再加入亚硫酸钙，亚硫酸钙与正硅酸乙酯的摩尔比为2.1∶1，加热至55℃并搅拌使其完全溶解，得到硅酸盐溶液；
2)在硅酸盐溶液中，加入丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺，然后加入PEG4000，充分混合，并在85℃保温搅拌4.5h，得到低温陶瓷结合剂，其中，丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1∶1.1，丙烯酰胺与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的体积之和为硅酸盐溶液体积的8％，PEG4000的体积为硅酸盐溶液体积的2％。
实施例三
1)将乳酸溶于体积浓度为20％的氨水中，氨水的量以能溶解乳酸为准，然后按照正硅酸乙酯∶乳酸＝1∶1.7的摩尔比加入正硅酸乙酯，搅拌使正硅酸乙酯溶解，然后再加入亚硫酸钾，亚硫酸钾与正硅酸乙酯的摩尔比为2.5∶1，加热至60℃并搅拌使其完全溶解，得到硅酸盐溶液；
2)在硅酸盐溶液中，加入丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺，然后加入PEG4000，充分混合，并在80℃保温搅拌4h，得到低温陶瓷结合剂，其中，丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1∶1.15，丙烯酰胺与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的体积之和为硅酸盐溶液体积的7％，PEG4000的体积为硅酸盐溶液体积的3％。
实施例四
1)将苹果酸溶于体积浓度为25％的氨水中，氨水的量以能溶解苹果酸为准，然后按照正硅酸乙酯∶苹果酸＝1∶1.6的摩尔比加入正硅酸乙酯，搅拌使正硅酸乙酯溶解，然后再加入亚硫酸钙，亚硫酸钙与正硅酸乙酯的摩尔比为2.3∶1，加热至65℃并搅拌使其完全溶解，得到硅酸盐溶液；
2)在硅酸盐溶液中，加入丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺，然后加入PEG4000，充分混合，并在75℃保温搅拌3.5h，得到低温陶瓷结合剂，其中，丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1∶1.2，丙烯酰胺与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的体积之和为硅酸盐溶液体积的6％，PEG4000的体积为硅酸盐溶液体积的4％。
实施例五
1)将乙二酸溶于体积浓度为26％的氨水中，氨水的量以能溶解乙二酸为准，然后按照正硅酸乙酯∶乙二酸＝1∶1.5的摩尔比加入正硅酸乙酯，搅拌使正硅酸乙酯溶解，然后再加入亚硫酸钠，亚硫酸钠与正硅酸乙酯的摩尔比为2.4∶1，加热至70℃并搅拌使其完全溶解，得到硅酸盐溶液；
2)在硅酸盐溶液中，加入丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺，然后加入PEG4000，充分混合，并在70℃保温搅拌3h，得到低温陶瓷结合剂，其中，丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1∶1，丙烯酰胺与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的体积之和为硅酸盐溶液体积的5％，PEG4000的体积为硅酸盐溶液体积的5％。
所述的低温陶瓷结合剂在使用时，将所述低温陶瓷结合剂与磨料在70～90℃加热固化5～24h，然后在100～150℃下加热固化8～24h，再在150-300℃下加热固化5～12h。

Claims (4)

1.一种磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将有机酸溶于体积浓度为15～28％的氨水中，氨水的量以能溶解有机酸为准，然后按照正硅酸乙酯∶有机酸＝1∶1.5～2的摩尔比加入正硅酸乙酯，搅拌使正硅酸乙酯溶解，然后再加入亚硫酸的碱金属盐，亚硫酸的碱金属盐与正硅酸乙酯的摩尔比为2～2.5∶1，加热至50～70℃并搅拌使其完全溶解，得到硅酸盐溶液；
2)在硅酸盐溶液中，加入丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺，然后加入PEG4000，充分混合，并在70-85℃保温搅拌3-5h，得到低温陶瓷结合剂，其中，丙烯酰胺和N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1∶1～1.2，丙烯酰胺与N、N’-亚甲基双丙烯酰胺的体积之和为硅酸盐溶液体积的5-10％，PEG4000的体积为硅酸盐溶液体积的1-5％。
2.如权利要求1所述的磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述的亚硫酸的碱金属盐为亚硫酸钠、亚硫酸钙或亚硫酸钾中的一种。
3.如权利要求1所述的磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述的有机酸为酒石酸、柠檬酸、乳酸、苹果酸或乙二酸中一种。
4.如权利要求1所述的磨具用低温陶瓷结合剂的制备方法，其特征在于，所述的低温陶瓷结合剂在使用时，将所述低温陶瓷结合剂与磨料在70～90℃加热固化5～24h，然后在100～150℃下加热固化8～24h，再在150-300℃下加热固化5～12h。
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