CN106737256A - 一种采用湿混法的纳米金刚石磨具丸片制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种树脂磨具的制备方法，具体涉及一种采用湿混法的纳米金刚石磨具丸片制备方法，属于精密研磨抛光领域。以纳米金刚石粉为磨料，以树脂作结合剂，以可挥发液体作为分散介质，经压制成型及固化处理使其成为具有一定形状的研磨及抛光丸片。具体实施方法是先制备纳米金刚石分散液；再将填料和湿润剂混合，湿润后的填料和树脂结合剂混合在可挥发性液体中，得到树脂混合液；然后将纳米金刚石分散液缓慢加入到树脂混合液中，得到混合浆料；最后混合浆料干燥，粉化，过筛，压制，高温烧结，得到研磨丸片。优点：由于在液体中进行混合，磨具中各组分分散均匀，适合于微细磨具丸片的制作，可以提高对光学元件加工的表面质量。

Description

一种采用湿混法的纳米金刚石磨具丸片制备方法

技术领域

本发明涉及一种树脂磨具制备方法，具体涉及一种采用湿混法的纳米金刚石磨具丸片制备方法，属于精密研磨抛光领域。

背景技术

随着科技的发展，蓝宝石玻璃等清脆材料应用越来越广泛。其中蓝宝石玻璃有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀，它耐高温，导热好，硬度高，透红外，化学稳定性好，主要在医疗器械、手机面板、高档手表、LED行业等应用。这些应用领域都是中高端产品，材料成本较高，因此要严格把控蓝宝石玻璃制作的每一个流程。在这些流程中最重要的一个环节是抛光研磨过程。由于精密加工质量要求很高，加工对象表面粗糙度达到纳米级别，无烧伤，无振纹，无划痕，无微裂纹。而常用的磨料颗粒尺寸均较大，已不能满足高级光学玻璃、晶体、蓝宝石和金相表面的超高精度的表面加工。

纳米金刚石兼具有金刚石和纳米颗粒的双重特等优点，而且颗粒尺寸比最好的磨料要小一个量级。利用高纯纳米金刚石的超硬特性、粒子微细及粗糙的表面极易除去材料表面的起伏，可将材料表面粗糙度减小到纳米级。因此，纳米金刚石被视为超精抛光的新一代理想磨料。纳米金刚石主要应用在：1、超级抗磨润滑油脂；2、多元复合电镀化学镀；3、芯片、铁氧磁头、高级光学镜头、宝石首饰、精密零部件抛光；4、特种涂料(高级汽车表面漆)；5、军用汽车、坦克、导弹、飞机、船舰等的隐形材料；6、功能陶瓷；7、人造牙齿骨骼、生物芯片；8、橡胶、塑料、玻璃、织物的增强；9、静压法制造金刚石、化学气相沉积金刚石膜的晶种。伴随着这些应用领域的拓展，纳米金刚石在磨具中的应用也应发生质的飞跃，但是传统磨具制作方法为粉料混合，已不适用制作纳米金刚石磨具，如何减少纳米磨粒磨具内部缺陷、保证磨具组织的均匀性是一个迫在眉睫要解决的问题，因为内部组织的均匀性直接影响磨削性能。纳米金刚石碳表面极易受化学改性的影响，能和任何极性介质兼容，这种特点使得纳米金刚石颗粒有可能在载体中均匀分布。

查阅大多数专利可得，普通磨具制备方法采用混料方法有一定的局限性，磨具各组分未能充分混合均匀。例如专利号201310535641.2公开了一种超硬CBN磨具的生产工艺，此专利采用混料机混料，这种方法已经很优越，但由于机器停机过程中离心力发生变化，也会导致混料的不均匀以及纳米金刚石团聚现象。纳米金刚石团聚问题在在超精细研磨中是一个致命的问题，直接影响精度。查阅专利号201510655728.2公开了一种抛光液中纳米金刚石团聚体形貌修整方法：取纳米金刚石抛光液、金刚石微粉和陶瓷球混合，加入研磨缓冲剂，球磨，但这种方法是后期处理的方法，过程复杂且效率不高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，将纳米金刚石磨粒做成了固着磨具，提高了研磨抛光效率；填料和湿润剂结合，湿润剂有一定的粘结性，且不挥发，用它湿润填料不会和结合剂脱离，保证了成型料的质量；在可挥发液体中混合各组分，可以将各组分混合均匀，不会产生纳米金刚石团聚。这种方法可在磨具制造过程中从根源解决磨具内部组织混料不均匀，以及纳米金刚石团聚问题。

本发明首先提供了一种采用湿混法的纳米金刚石磨具丸片制备方法。先制备纳米金刚石分散液；再将填料和湿润剂混合，湿润后的填料和树脂结合剂混合在可挥发性液体中，得到树脂混合液；然后将纳米金刚石分散液缓慢加入到树脂混合液中，得到混合浆料；最后混合浆料经过干燥，粉化，过筛，压制，高温烧结，得到纳米金刚石磨具丸片。

所述的采用湿混法的纳米金刚石磨具丸片制备方法，具体制备方法如下：

步骤1，先将纳米金刚石加入到可挥发性液体中，添加表面活性剂、偶联剂，分散均匀，制备纳米金刚石分散液，其中纳米金刚石30～150份，可挥发性液体30～200份，表面活性剂和偶联剂添加量均为纳米金刚石重量的0.1～1.5％，表面活性剂和偶联剂的作用使改变纳米金刚石表面状态，提高纳米金刚石的分散性；

步骤2，再将填料和湿润剂混合，湿润后的填料和树脂结合剂机械搅拌混合在可挥发性液体中，得到树脂混合液，其中树脂结合剂25～40份，可挥发性液体30～100份；

步骤3，将纳米金刚石分散液缓慢加入到树脂混合液中，机械搅拌混合均匀得到混合浆料；

步骤4，将步骤3得到的混合浆料，加热蒸发，干燥，粉化，过筛，得到混合物料；

步骤5，将步骤4得到的混合物料压制成型，高温烧结，冷却后得到纳米金刚石研磨丸片。

所述的树脂结合剂采用丙烯酸树脂，聚氨酯树脂，环氧树脂，有机硅树脂，酚醛树脂，环氧树脂，新酚树脂，聚氨酯树脂，聚酰亚胺树脂，以及胶木粉中的任意一种。

所述的可挥发性液体包括甲醇，乙醇，酒精，异丙醇，水，丙酮，丁酮以及上述任意多种的混合液。

所述的磨料采用纳米金刚石，可以是多晶纳米金刚石也可以是单晶纳米金刚石，平均粒径范围为1～1000纳米。

所述的填料，包括铜粉，铜包石墨，滑石粉，冰晶石，氧化铈，铝氧粉，碳酸钙，氧化钙，氧化镁，二硫化钼，其中铜粉5～45份，铜包石墨3～5份，铝氧粉5～10份，碳酸钙3～6份，氧化钙1～2份，氧化镁1～2份，滑石粉3～5份，冰晶石粉1～5份，二硫化钼5～8份，氧化铈3～5份。

所述的碳酸钙以及铝氧粉能起一定程度的补强作用，并能提高结合剂的耐热性和耐磨性；二硫化钼起到了抛光作用；冰晶石粉起到了润滑作用；氧化钙和氧化镁则促进了酚醛树脂的硬化作用；铜包石墨提高磨具的润滑性能和自锐性；铜粉提高磨具的散热性能；氧化铈可以对工件表面活化，提高抛光性能。

所述的湿润剂可以是蒸馏水，环氧树脂液，酚醛树脂液，偶联剂，以及含有3％的硼砂水或者聚乙烯水溶液中的一种或者多种，湿润剂的加入量为填料的重量的1.5～4％，润湿剂主要作用使降低填料的表面张力，提高填料再液体中的相容性。

所述制备方法在于，步骤1所述的表面活性剂可以是阴离子型表面活性剂，非离子型表面活性剂中的一种或者多种，阴离子型表面活性剂包括了脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐类表面活性剂，非离子型表面活性剂包括了聚氧乙烯型、多元醇型、烷基醇酰胺型表面活性剂；偶联剂可以是γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或者多种。

所述制备方法在于，步骤1所述的分散方法可以是超声分散、机械搅拌分散、机械研磨分散、高速剪切分散方法中的一种或者多种。

所述制备方法在于，步骤3所述的加热蒸发温度为30～70℃，干燥可以在室内干燥也可以在除湿器皿中干燥，粉化通过打碎机将干燥后的粉料进行打碎粉化，过筛的筛网目数大于等于10000目。

所述制备方法在于，步骤4所述的压制成型，高温烧结可以是同步也可以是分开，即可以是冷压成型，也可以是热压成型；冷压成型即先将混合粉料压制成胚体，成型压力为20～50Mpa，保持压力的时间为15～20s，再将胚体放置到烧结炉中进行烧结，烧结按一定升温曲线从60℃加热到150～170℃，保温为3～4小时，最后随室温冷却；热压成型即压制过程中，可对丸片模具进行加热，成型压力为20～50Mpa，加热按一定升温曲线从60℃加热到150～170℃，保温为2～3小时。

所述制备方法在于，步骤4所述的压制成型，丸片形状可以是梯形、四方形、新月形、螺旋形，圆形，多边形，星形，圆环形。

根据上述方法得到的纳米金刚石磨具丸片，成型密度大,紧密、质地坚硬，丸片内部纳米金刚石组织不会发生团聚现象，且磨具内部组织稳定，耐用。抛光出来的蓝宝石玻璃，表明光滑没有划痕。

本发明的优点：

1)采用可挥发性液体混合各固体粉末组分，相比干粉混合可以使各组分混合地更加均匀，由于溶剂有较好的挥发性和溶解性，可以快速干燥，提高了磨具制作效率。

2)采用纳米金刚石磨料，纳米金刚石硬度高、耐磨性好，粒度小，是精密研磨抛光硬质合金、陶瓷、宝石、光学玻璃等高硬度材料的有效磨料，对工件进行加工，可以起到以磨代抛的作用，加工效率高，工件表面质量好。

3)加入湿润剂后，使填料表面粘上一层结合剂，保证填料分布均匀。

4)得到的磨具，内部组织均匀且稳定，研磨抛光出来的蓝宝石玻璃表面质量高。

附图说明

图1是纳米金刚石研磨丸片表面TEM图；

图2是nanopoli-100平面抛光机示意图；

图3是表面干涉形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1

纳米金刚石磨具丸片制作步骤如下：

步骤1，先将平均粒径为10nm的纳米金刚石粉加入到可挥发性液体乙醇中，添加表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂，聚乙二醇非离子表面活性剂)、偶联剂KH-570(γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)，分散均匀，分散采用先机械搅拌10分钟，搅拌速度为200-400转/分，再超声分散15分钟，得到纳米金刚石分散液,纳米金刚石分散液配比如表1所示；

表1纳米金刚石分散液配比

成分	重量(g)
		纳米金刚石	50
乙醇	80
		十二烷基苯磺酸钠	0.2
聚乙二醇	0.8
		偶联剂KH-570	0.5

步骤2，再将填料和湿润剂聚乙烯水溶液混合，湿润后的填料和树脂结合剂机械搅拌混合在可挥发性液体乙醇中，得到树脂混合液，树脂混合液配比如表2所示；

表2树脂混合液配比

步骤3，将纳米金刚石分散液缓慢加入到树脂混合液中，边加边搅拌，机械搅拌30分钟，搅拌速度为300转/分，混合均匀得到混合浆料，混合浆料混合浆料配比如表3所示；

表3混合浆料配比

成分	重量(g)
		纳米金刚石分散液	130
树脂混合液	129

步骤4，将步骤3得到的混合浆料，40℃条件下缓慢加热蒸发，失重大于38％后放在室温条件下干燥，失重大于45％后，将混合粉料放进打碎机打算粉化，过筛筛网目数为10000目，得到混合物料；

步骤5，将步骤4得到的混合物料放置到圆形丸片模具中，压制成胚体，成型压力为30Mpa，保持压力的时间为15s，再将胚体放置到烧结炉中进行烧结，烧结按一定升温曲线从60℃加热到160℃，保温为3小时，最后随室温冷却，得到纳米金刚石研磨丸片，透射电镜下，表面形貌图如图1所示。

实施例2

操作与实施例1基本相同，不同之处在于，可挥发性液体使用70％的酒精，由于酒精中含有水，步骤4中的干燥方法可以放在除湿器皿中干燥，提高磨具丸片生产效率。

实施例3

操作与实施例1基本相同，不同之处在于，表1中的乙醇为160g，表2中的乙醇为90g，即溶剂使用量加倍，由于溶剂介质太多，纳米金刚石分散液和树脂混合液混合后得到的混合浆料浓度较稀，蒸发干燥过程中，磨粒和填料容易沉底，造成混合物料各组分的均匀性下降。

实施例4

操作与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤5采用热压成型，即将步骤4得到的混合物料放置到圆形丸片模具中，压制过程中，可对丸片模具进行加热，成型压力为20Mpa，加热按一定升温曲线从60℃加热到160℃，保温为2小时，最后随模具自然冷却，得到纳米金刚石研磨丸片，热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行，磨具丸片成型强度比冷压成型高。

实施例5

该实施例中，纳米金刚石磨具丸片制作步骤如下：

步骤1，先将平均粒径为100nm的纳米金刚石粉加入到可挥发性液体乙醇中，添加表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠阴离子表面活性剂，聚乙二醇非离子表面活性剂)、偶联剂KH-570(γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)，分散均匀，分散采用先机械搅拌10分钟，再超声分散15分钟，得到纳米金刚石分散液,纳米金刚石分散液配比如表4所示；

表4纳米金刚石分散液配比

成分	重量(g)
		纳米金刚石	70
80wt％异丙醇水溶液	80
		十二烷基苯磺酸钠	0.3
聚乙二醇	0.6
		偶联剂KH-570	0.4

步骤2，再将填料和湿润剂3％的硼砂水混合，湿润后的填料和树脂结合剂机械搅拌混合在可挥发性液体乙醇中，得到树脂混合液，树脂混合液配比如表5所示；

表5树脂混合液配比

成分	重量(g)
		酚醛树脂	25
80wt％异丙醇水溶液	40
		铜粉	30
铜包石墨粉	4
		滑石粉	4
冰晶石粉	2
		氧化铈	5
二硫化钼	5
		氧化钙	1
氧化镁	1
		碳酸钙	3
铝氧粉	5
		3％的硼砂水	1.5

步骤3，将纳米金刚石分散液缓慢加入到树脂混合液中，机械搅拌混合均匀得到混合浆料，混合浆料混合浆料配比如表6所示；

表6混合浆料配比

成分	重量(g)
		纳米金刚石分散液	150
树脂混合液	125

步骤4，将步骤3得到的混合浆料，45℃条件下缓慢加热蒸发，失重大于36％后放在干燥器皿下干燥，失重大于40％后，将混合粉料放进打碎机打算粉化，过筛筛网目数为10000目，得到混合物料；

步骤5，将步骤4得到的混合物料放置到六边形丸片模具中，压制成胚体，成型压力为30Mpa，保持压力的时间为15s，再将胚体放置到烧结炉中进行烧结，烧结按一定升温曲线从60℃加热到160℃，保温为3小时，最后随室温冷却，得到纳米金刚石研磨丸片。

实施例6

将实施例1得到的纳米金刚石研磨丸片贴在nanopoli-100平面抛光机上，如图2所示，对蓝宝石进行抛光，转速为60rpm，载荷为20KPa，加工2小时后，表面粗糙度Ra从42nm下降到12.95nm，白光关涉表面形貌图如图3所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种采用湿混法的纳米金刚石磨具丸片制备方法，其特征在于步骤如下：先制备纳米金刚石分散液；再将填料和湿润剂混合，湿润后的填料和树脂结合剂混合在可挥发性液体中，得到树脂混合液；然后将纳米金刚石分散液缓慢加入到树脂混合液中，得到混合浆料；最后混合浆料经过干燥，粉化，过筛，压制，高温烧结，得到纳米金刚石磨具丸片。

2.一种采用湿混法的纳米金刚石磨具丸片制备方法，其特征在于具体制备方法如下：

步骤1，先将纳米金刚石加入到可挥发性液体中，添加表面活性剂、偶联剂，分散均匀，制备纳米金刚石分散液，其中纳米金刚石30～150份，可挥发性液体30～200份，表面活性剂和偶联剂添加量均为纳米金刚石重量的0.1～1.5％；

步骤2，再将填料和湿润剂混合，湿润后的填料和树脂结合剂机械搅拌混合在可挥发性液体中，得到树脂混合液，其中树脂结合剂25～40份，可挥发性液体30～100份；

步骤3，将纳米金刚石分散液缓慢加入到树脂混合液中，机械搅拌混合均匀得到混合浆料；

步骤4，将步骤3得到的混合浆料，加热蒸发，干燥，粉化，过筛，得到混合物料；

步骤5，将步骤4得到的混合物料压制成型，高温烧结，冷却后得到纳米金刚石研磨丸片。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述的树脂结合剂采用丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、酚醛树脂、环氧树脂、新酚树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、以及胶木粉中的任意一种；所述的可挥发性液体为甲醇、乙醇、异丙醇、水、丙酮、丁酮中的一种或多种。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述的磨料采用多晶纳米金刚石或单晶纳米金刚石，平均粒径范围为1～1000纳米。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述的填料包括铜粉、铜包石墨、滑石粉、冰晶石、氧化铈、铝氧粉、碳酸钙、氧化钙、氧化镁和二硫化钼，以重量份计其中铜粉5～45份，铜包石墨3～5份，铝氧粉5～10份，碳酸钙3～6份，氧化钙1～2份，氧化镁1～2份，滑石粉3～5份，冰晶石粉1～5份，二硫化钼5～8份，氧化铈3～5份；所述的湿润剂是蒸馏水、环氧树脂液、酚醛树脂液、以及含有3％的硼砂水或者聚乙烯水溶液中的一种或者多种，湿润剂的加入量为填料的重量的1.5～4％。。

6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，步骤1所述的表面活性剂是阴离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或者多种，阴离子型表面活性剂包括脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐类表面活性剂，非离子型表面活性剂包括聚氧乙烯型、多元醇型、烷基醇酰胺型表面活性剂；偶联剂是γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或者多种。

7.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于在于，步骤1所述的分散方法是超声分散、机械搅拌分散、机械研磨分散、高速剪切分散方法中的一种或者多种。

8.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于在于，步骤3所述的加热蒸发温度为30～70℃，干燥为在室内干燥或在除湿器皿中干燥，粉化通过打碎机将干燥后的粉料进行打碎粉化，过筛的筛网目数大于等于10000目。

9.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于在于，步骤4所述的压制成型，高温烧结可以是同步也可以是分开，即可以是冷压成型，也可以是热压成型；冷压成型即先将混合粉料压制成胚体，成型压力为20～50Mpa，保持压力的时间为15～20s，再将胚体放置到烧结炉中进行烧结，烧结按一定升温曲线从60℃加热到150～170℃，保温为3～4小时，最后随室温冷却；热压成型即压制过程中，对丸片模具进行加热，成型压力为20～50Mpa，加热按一定升温曲线从60℃加热到150～170℃，保温为2～3小时。

10.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于在于，步骤4所述的压制成型，丸片形状是梯形、四方形、新月形、螺旋形，圆形，多边形，星形，圆环形中的任意一种。