CN106695578A - 一种3d曲面玻璃高效抛光盘及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3D曲面玻璃高效抛光盘及其制备方法。该抛光盘是由下述重量比的原料制备而成，其中：聚氨酯45%~55%，环氧树脂5%~15%，白刚玉微粉（W7）10%~15%，三氧化二铁5%~15%，氧化铈粉5%~15%，发泡剂0.5~2%。按上述重量比，经混料、浇注成型，制得硬度为邵氏30～70C的超精密抛光3D曲面玻璃的软质泡沫弹性抛光盘。本抛光盘在抛光的过程中，仅需要冷却水，而不需要使用抛光液，高效环保。采用本发明制备的3D曲面玻璃的弹性抛光盘抛光的曲面玻璃，具有高的表面平整度、光洁度和透光率，精度高，达到高档手机外壳及其他电子产品的应用标准。而且还具有抛光效率高、良品率高的优点。

Description

一种3D曲面玻璃高效抛光盘及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高效率抛光3D曲面玻璃的弹性抛光盘及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，将3D曲面玻璃应用于手机、平板电脑等信息及数码产品的外壳，越来越得到各信息及数码产品生产厂家的青睐。对3D曲面玻璃的抛光加工工具的需求也应运而生。

抛光加工工艺，是指靠微细磨粒的机械作用对被加工表面进行微量去除，得到高精度的加工表面。目前国内外3D曲面玻璃的抛光加工多采用毛毯或弹性抛光皮在抛光液的辅助下进行抛光的方法。该抛光方法中，由于抛光液中游离磨料研磨的加工效率较低且会产生较大的表面损伤层，磨削去除损伤层的过程中磨削率难以稳定控制，会影响研磨后3D曲面玻璃的面型精度，因此应用传统工艺进行3D曲面玻璃的批量生产时，存在难以保证高精度面型、加工效率低、控制难度很大，不易实现自动化等公认的缺点，此外抛光液中的大多数磨粒未能得到充分的应用，存在着极大的资源浪费和污染环境问题。

公开号为 CN205129604U的中国发明专利中公开了一种用于曲面玻璃抛光的抛光盘，该抛光盘是将柔性抛光皮附着于柔性海绵层和基板的表面上。其柔性抛光皮由聚氨酯和无纺布制成。该抛光盘可以应用于曲面玻璃的抛光，但其内部不含磨料和抛光剂，必须依靠抛光液的辅助下才能完成抛光，抛光效率低，而且不环保，造成大量的资源浪费和环境污染。而本发明所制备的3D曲面玻璃抛光盘，不需要抛光液，就可以一次完成3D曲面玻璃的表面抛光。

公开号为CN101343399的中国发明专利公开了一种混杂填料填充的聚氨酯改性环氧树脂灌封材料及制备方法，特别是采用玻璃纤维粉(MG)与SiO₂或AlN混杂填料和聚氨酯改性的TDE-85环氧树脂制备环氧树脂灌封材料及其方法。公开号为CN102504522A的中国发明专利公开了一种用于生产抛光轮的聚氨酯弹性体组合物，将数均分子量为400～5000，官能度为2或3的聚环氧丙烷醚多元醇、二元醇扩链剂、二元胺扩链剂，外加催化剂和匀泡剂，在100～110℃下混合均匀，并控制混合物中水分含量在0.08％～0.15％之间，得到聚合物组份；将液化MDI与增塑剂在常温下混合均匀，即得到异氰酸根质量含量为22％～25％预聚物。将聚合物组分和预聚物组份以及石英砂混合，硫化成型后即可得到硬度为邵氏80～98A 的微孔发泡的聚氨酯抛光轮磨料。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种3D曲面玻璃高效抛光盘及其制备方法。本发明提供超精密抛光3D曲面玻璃抛光盘，既具有优异的磨削性，又具有优异的弹性，不仅能够保证抛光的表面质量，而且能够提高抛光效率和良品率，加工表面粗糙度达到Ra0.02。

本发明的目的可通过下述技术措施来实现：

互穿聚合物网络（interpenetrating polymer network，IPN）技术是改善高分子材料综合性能的有效手段之一。IPN是两种或两种以上聚合物网络永久性地互相穿插、缠结而形成的聚合物合金。聚氨酯（PU）弹性体具有优异的耐磨性能、高强度、耐腐蚀、耐冲击等性能，因而在耐磨领域也有着广泛的应用，如大型输送带、电缆护套、煤炭和矿石筛分用的旋流器等；但其较差的耐热性和强度很大程度上限制了其应用领域。因此，在保持聚氨酯固有韧性和耐磨性的基础上，如何提高其强度和耐热性一直是聚氨酯改性研究的重点。另一方面，环氧树脂具有强度高、粘结性能好且热稳定性优异等特性。环氧树脂中的环氧基团还具有与聚氨酯分子链上相应活性基团进行化学反应能力，而使聚氨酯与环氧树脂形成的IPN间产生化学键连接，进而增强二者的相容性。

本发明的3D曲面玻璃高效抛光盘由下述重量比的原料制备而成，其中：聚氨酯45%~55%，环氧树脂5%~15%，白刚玉微粉（W7）10%~15%，三氧化二铁5%~15%，氧化铈粉5%~15%，发泡剂0.5~2%。

首先，聚氨酯与环氧树脂两种组分，形成互穿聚合物网络，作为本发明抛光盘的基体，既保持了聚氨酯优异的弹性和耐磨性，又引入了环氧树脂的高强度和对磨料优异的粘结性。以上性能赋予抛光盘既具有良好的弹性，以保证抛光表面的平整性和光洁度，又具有良好的强度和磨削锋利性，以保证抛光的锋利性和自锐性。

其次，本发明利用白刚玉为磨料，以三氧化二铁和氧化铈为抛光剂，引入了抛光盘。通过控制混料工艺，使三氧化二铁和氧化铈均匀包裹在白刚玉的表面，镶嵌在聚氨酯/环氧树脂聚合物互穿网络基体相之中，赋予抛光盘本身具有良好的磨削性和抛光性，而不需要再抛光过程中另加抛光液，高效环保。

此外，本发明还利用发泡剂和工艺的控制，使抛光盘具备均匀的微孔结构，赋予其良好的散热和排屑效果。

本发明中所述环氧树脂取自E-44、E-51或E-31中的任意一种或两种；所述发泡剂为聚醚多元醇L-31、L-61、L-81或聚酯多元醇R-18、R-68中的任意一种，或甲苯二异氰酸酯与水的组合物；所述抛光盘的规格设计为250mm×20mm×10mm；属于固结磨料的软质泡沫弹性抛光盘；硬度为邵氏30～70C。

本发明的制备方法步骤如下：

A、将固体粉末相的白刚玉、三氧化二铁、氧化铈通过研磨、过筛混合均匀，再将液相的环氧树脂、聚氨酯以及固化剂混合均匀，然后把以上液相混合物和固体粉末混合物混合，得到混合均匀、利于浇注成型的浇注料；

B、将所述浇注料注入模具，然后进行分阶段固化，其中：60℃固化4小时，80℃固化4小时，100℃固化4小时。

本发明的抛光盘在磨削过程中仅需要冷却水，不需要使用抛光液。

本发明的有益效果如下：

本发明采用环氧树脂改性聚氨酯为结合剂，优化配方和工艺，制备的3D曲面玻璃抛光盘为硬度为邵氏30～70C的软质泡沫弹性体抛光轮。该抛光轮具有均匀的微孔结构；白刚玉磨料周围包裹三氧化二铁和氧化铈粉末，磨料均匀分布，与树脂结合剂结合力强，使用过程中把持力强，不易脱落。在不需要抛光液的辅助下，就能够完成对3D曲面玻璃的表面抛光。不仅能够保证3D曲面玻璃的精确度，而且能够起到较高的抛光效果，加工表面粗糙度达到Ra0.02。同时，在白刚玉磨料磨损至失去磨削能力时，结合剂同步磨损，新的磨料及时出刃。

附图说明

图1是EP、PU预聚体和PU/EP固化体系不同固化时间的红外光谱图(a：纯EP ，b：纯PU预聚体，c：未固化，d：固化30min；e：完全固化)。

图2 是不同组成对IPN动态力学性能的影响。

图3 是聚氨酯/环氧树脂不同配比试样的热重曲线。

图4 是不同PU/EP比例对IPN胶粘剂拉伸强度和断裂伸长率的影响。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例作进一步描述：

实施例 1

A、按重量比取环氧树脂E-51：5%，环氧树脂E-31：5%，聚氨酯45%，白刚玉微粉（W7）14%，三氧化二铁15%，氧化铈14%，聚醚多元醇L-31：2%。

B、将白刚玉、三氧化二铁、氧化铈采用球磨机球磨1小时，过180目筛，备用；将环氧树脂、聚氨酯按配比高速机械搅拌2分钟，再将粉末混合料加入，搅拌5分钟。将浇注料注入涂有硅脂脱模剂的模具中，进行固化。固化工艺为60℃固化4小时，80℃固化4小时，100℃固化4小时。

实施例 2

按重量比取环氧树脂E-44：10%，聚氨酯55%，白刚玉微粉（W7）10%，三氧化二铁10%，氧化铈13%，聚酯多元醇R-18：2%。

制备过程同实施例1。

实施例 3

按重量比取环氧树脂E-51：10%，聚氨酯45%，白刚玉微粉（W7）14%，三氧化二铁15%，氧化铈14%，聚醚多元醇L-61：1%，聚酯多元醇R-68：1%。

制备过程同实施例1。

根据3D曲面玻璃的材质和硬度不同，调整配方，制备相应硬度的软质泡沫弹性抛光盘。将上述抛光盘抛光曲面玻璃，用Marsurf S2粗糙度测试仪检测玻璃表面质量。抛光盘完成一个抛光工序需要30～40秒，加工的3D曲面玻璃合格率在95%以上。经过本发明所制备的弹性抛光盘加工后，玻璃表面质量达到以下精度要求——R_a = 0.02 µm。

本发明的实验数据如下：

1.聚氨酯/环氧树脂互穿网络的形成机理研究

图1是 PU预聚体、EP以及PU/EP 混合物在不同固化时间的红外光谱图，通过比较曲线c、d和e，可以发现，固化反应开始后，位于2274cm^-1处的异氰酸酯基(-NCO)特征峰减弱至消失，这说明PU预聚体中的异氰酸酯基完全参与反应；曲线c和曲线d中位于3466cm^-1和3369cm-¹的特征峰是由羟基和氨基伸缩振动产生的两个特征峰，在曲线e中只剩下位于3367cm^-1处的一个峰，这是因为-OH和-NCO反应生成仲胺。曲线c中位于1037cm^-1的环氧树脂的仲羟基的特征峰，随反应进行而且其强度逐渐减弱，并且固化完全后移到1039cm^-1，表明在IPN形成过程中环氧树脂分子链上的仲羟基与聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基有接技反应发生，表明两组分网络间存在着一定程度的化学结合。位于916cm^-1处的环氧树脂中环氧基的对称伸缩振动峰，同样在固化后减弱至消失，说明在固化过程中，体系中的-NCO与部分的环氧基发生反应，环氧基开环，生成烷酮结构。由以上可以推断，PU和EP反应生产IPN的过程中，PU中的异氰酸酯基(-NCO)与环氧树脂中的仲羟基(-OH)、环氧基均发生了反应，所制备的IPN结构中，两个聚合物网络之间存在化学键接，这有助于提高所制备IPN的稳定性和相容性。

2.聚氨酯/环氧树脂IPN复合树脂胶黏剂的相容性分析

DMA是检测聚合物的玻璃化转变温度（Tg）的方法之一。为了研究聚氨酯/环氧树脂互穿网络聚合物的相容性，将样品完全固化后进行了动态力学机械性能检测，进而探讨二者的相容性。按不同的配比制备试样，测试结果见表1和图2。DMA图中的tanδ的峰值对应的温度即为聚合物的Tg。由表1可见，随着环氧树脂的加入可以显著改变聚合物体系的玻璃化转变温度，纯的聚氨酯的Tg为-52.3℃，当PU/EP为10比2时，IPN体系的Tg比纯的聚氨酯提高了42.7℃，并且随着环氧树脂比例的提高，互穿网络聚合物的玻璃化转变温度也相应得到提高。

表1 PU/EP互穿网络聚合物的玻璃化温度与组成之间的关系

图2是聚氨酯/环氧树脂不同配比对IPN动态力学性能的影响曲线。互穿网络聚合物体系的玻璃化温度通常情况下会向两个纯聚合物网络Tg之间内迁，两网络的相容性决定内迁的程度。从图中可以看出所有的PU/EP IPN样品都只有一个玻璃化转变峰，且该Tg都处在纯聚氨酯和纯环氧树脂玻璃化转变温度之间，这表明聚氨酯/环氧树脂IPN 中PU和EP两网络具有很好的相容性，互穿程度高。这种良好的相容性产生的原因是：在IPN中PU和EP两网络间除了存在相互穿透还存在着多种形式的化学键，环氧树脂中的仲羟基和聚氨酯中的-NCO生成接枝共聚物，环氧基与聚氨酯中的-NCO生成烷酮结构，使得两网络之间具有化学结合，并且聚氨酯/环氧树脂IPN高度的交联。另外可以发现聚氨酯/环氧树脂IPN体系的Tg随着环氧树脂的含量的提高均非常接近纯EP的Tg，即向Tg高的一侧移动，说明PU与EP之间相容性好且具有接近链段水平的相容性。这是由于聚氨酯/环氧树脂IPN体系中的两聚合物网络之间存在着大量的化学键，两网络间的相互缠结使得相分离得到动力学约束，分子间作用力大，有力地束缚了分子链的运动。

3.聚氨酯/环氧树脂互穿网络复合胶黏剂的耐热性分析

图3是不同配比的聚氨酯/环氧树脂IPN胶粘剂体系的热失重曲线图，从图中可以看出纯聚氨酯（曲线f）的耐热性能较差，而随着环氧树脂的加入比例的提高，具有PU/EP IPN结构的试样的热稳定性比纯PU都有不同程度的提高，主要表现在：聚合物初始分解温度的提高；热失重达到一定百分比时所对应的温度也有所提高。曲线c为聚氨酯/环氧树脂为10:6时制得的样品的耐热性最好，其初始分解温度在325℃，比纯PU提高了20℃。然而随着环氧树脂的继续加入其耐热性又有所下降。这表明聚氨酯/环氧树脂为10:6时两者相容性较好，协同效应明显。聚合物的耐热性的变化与本身结构有着密切关系，对于纯聚氨酯体系，其内部只存在着聚氨酯三维网状结构，但是随着环氧树脂的加入，聚氨酯体系中的-NCO与环氧树脂中的仲羟基发生接枝反应以及环氧基的开环反应，产生化学键结合，两种聚合物相互贯穿而形成互穿网络结构，那么当聚氨酯/环氧树脂为10:6时，环氧树脂可以均匀分散于聚氨酯网络之中，同时两相间的永久缠结达到了饱和状态，交联密度达到最大，因此要破坏这种互穿网络结构就需要比破坏纯聚氨酯的单相网络结构更大的能量，这在IPN胶粘剂材料的热稳定性上表现为曲线c即聚氨酯/环氧树脂为10:6时的初始分解温度和热失重达到一定百分比时对应的温度提高。当曲线b即聚氨酯/环氧树脂为10:8比曲线c的耐热性差，因为IPN体系两相间的交联密度在聚氨酯/环氧树脂为10:6时就已经达到了饱和状态，不可能形成更多的永久缠结，再增加环氧树脂的含量，相当于降低了永久缠结在整个互穿网络体系中的密度，同时，环氧树脂组分的含量较大时，聚氨酯与环氧树脂之间的相容性变差，体系容易产生相分离，因而表现出继续增加环氧树脂的含量，使得其耐热性能有所下降。

4. 聚氨酯/环氧树脂不同配比对IPN胶粘剂力学性能的影响

试验中为了考察环氧树脂的含量对聚氨酯/环氧树脂IPN胶粘剂力学性能的影响，通过改变两者的比例，使PU/EP之间的配比分别为10 : 2、10 : 4、10 : 6、10 : 8、10 : 10，然后制成试样，分别对其拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度以及硬度进行了测试实验。

图4为不同聚氨酯/环氧树脂的比例与IPN胶粘剂的拉伸强度和断裂伸长率的关系曲线。由图4可知，随着环氧树脂的加入量的不断增加，IPN体系的拉伸强度持续提高。这是由于环氧树脂的加入，使聚氨酯与其互相缠绕在一起，形成了互穿网络。聚氨酯/环氧树脂IPN体系随着环氧树脂加入量的增加，聚合物中的刚性链段相对增加，而柔性链段相对减少，则聚合物的刚性提高。由于体系中加入环氧树脂中的-OH和聚氨酯中的-NCO以及过量的TDI中的-NCO发生了交联反应，另外还有部分的环氧树脂发生了开环交联反应，进一步加强了网络的形成，因此本体系中当环氧树脂加入量越多时，拉伸强度越大。但是随着环氧树脂加入量的增加，体系中刚性链段增加，柔性链段减少，使得IPN体系的断裂伸长率一直呈下降趋势，这是由于IPN体系固化后，产生了微观相分离，当环氧树脂含量较少时，体系中环氧树脂以分散相分散在聚氨酯的连续相中，总体上表现出聚氨酯的性质，当环氧树脂的含量持续提高后，体系中聚氨酯连续相被破坏，逐渐有表现环氧树脂性能的趋势，使得断裂伸长率下降。

Claims (5)

1.一种3D曲面玻璃高效抛光盘，其特征在于：它是由下述重量比的原料制备而成，其中：聚氨酯45%~55%，环氧树脂5%~15%，白刚玉微粉10%~15%，三氧化二铁5%~15%，氧化铈粉5%~15%，发泡剂0.5~2%。

2.根据权利要求1所述的3D曲面玻璃高效抛光盘，其特征在于：所述环氧树脂取自E-44、E-51或E-31中的任意一种或两种。

3.根据权利要求1所述的3D曲面玻璃高效抛光盘，其特征在于：所述发泡剂为聚醚多元醇L-31、L-61、L-81或聚酯多元醇R-18、R-68中的任意一种，或甲苯二异氰酸酯与水的组合物。

4.根据权利要求1所述的3D曲面玻璃高效抛光盘，其特征在于：所述抛光盘的规格设计为250mm×20mm×10mm；属于固结磨料的软质泡沫弹性抛光盘；硬度为邵氏30～70C。

5.一种用于制备权利要求1所述3D曲面玻璃高效抛光盘的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

A、将固体粉末相的白刚玉、三氧化二铁、氧化铈通过研磨、过筛混合均匀，再将液相的环氧树脂、聚氨酯以及固化剂混合均匀，然后把以上液相混合物和固体粉末混合物混合，得到混合均匀、利于浇注成型的浇注料；

B、将所述浇注料注入模具，然后进行分阶段固化，其中：60℃固化4小时，80℃固化4小时，100℃固化4小时。