CN107502199A - 一种表面单层磨粒凝胶球的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面单层磨粒凝胶球的制备方法，包括以下步骤：制备高分子基体溶胶，制备含磨料的成型液，通过多孔出料嘴将溶胶滴入成型液中以得到表面单层磨粒凝胶球。本发明使得磨粒只存在于凝胶球表面，可降低磨料的浪费，以及增强凝胶球的强度，极大改善了其在加工过程中的实用效果。

Description

一种表面单层磨粒凝胶球的制备方法
技术领域
本发明涉及精密磨抛工具的制备方法，尤其是一种表面单层磨粒的生物高分子凝胶球的制备方法。
背景技术
目前，随着科技高速发展以及各种新型材料的应用，如半导体、陶瓷材料以及石材，对加工的要求也变得越来越高。为了能在上述领域得到成功应用，这些材料一般都要经过非常精细的加工以获得足够高的精度和表面层质量。正常加工过程中最终决定表面层质量的加工工序就是磨抛过程。由于这类材料具有硬度高和脆性大的特点，磨粒加工特别是采用细粒度的磨粒加工依然是实现其精密加工的主要手段。对于信息与精密工程领域所使用的硬脆性材料，游离磨粒加工一般很难同时获得高的加工效率和高的加工质量；通常采用金属或者树脂的固结磨粒加工又存在着细小磨粒团聚、分散不均匀的问题，并且加工时容易造成工件的表面损伤。针对游离磨料抛光和固结磨料抛光所出现的问题，本课题组“一种金刚石磨抛片的制备方法”(专利号CN1597259)提出了将磨料与溶胶混合再固化干燥成凝胶球，然后用树脂将凝胶球粘结成盘片对工件进行抛光。由于磨料球有一定的柔性，固结在硬质树脂中，能在保证加工效率的同时，避免对工件材料产生加工损伤。
然而此方法制作的凝胶球，磨粒是均匀分布于整个球体。凝胶球在使用过程中，接触工件的磨粒会逐渐磨损甚至脱落，而柔性凝胶磨损去除的量非常少，最终会导致表层磨粒脱落，但内部磨料无法使用，造成了磨料的浪费。凝胶球固结在树脂中只能用于平面抛光，而且混入磨料的凝胶强度远低于不含磨料的凝胶体，故提出一种可直接用于加工异形工件的表面单层磨粒凝胶球的制造方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有工艺制作含磨粒凝胶球存在的问题，提出一种制造表面单层磨粒凝胶球的方法。其制备方法比较简单，能增大球体的强度和弹性以及将磨粒控制在凝胶球表面。
本发明的技术方案是：
一种表面单层磨粒的凝胶球的制备方法，包括如下步骤：
(1)溶胶基体的制备
取得一定量的生物高分子基体，与去离子水混合后使用搅拌器搅拌均匀，得到溶胶。
(2)反应液的制备
先制备能使基体溶胶成型的溶液中，然后在溶液中混入磨料，并使磨料均匀分散于液体中，成为含磨粒成型液；
(3)凝胶球的制备
将步骤(2)得到的含磨粒成型液处于搅拌状态，并将步骤(1)得到的溶胶通过出料嘴滴入含磨粒溶液，溶胶在成型液中成型为凝胶球。
(4)干燥及回收
待凝胶球成型后，回收，对小球进行适量干燥，得到表面单层磨粒凝胶球。
在较佳的实施例中，步骤(4)之后还包括步骤(5)，凝胶球回收之后，过滤出成型液中多余的磨料，洗涤烘干以再次使用。
在本发明中，步骤(1)所述生物高分子材料可为纤维素、壳聚糖、琼脂糖、葡甘聚糖，海藻酸钠、明胶、卡拉胶、黄原胶、果胶、豆胶中的一种或者多种组合，质量分数可为1-15wt％。
步骤(2)所述的磨粒可为金刚石、碳化物、硼化物、氧化物的一种或者几种组合，质量分数可为10-90％wt，粒度可为5nm-40μm。
步骤(2)所述能使溶胶成型的溶液，包括能使基体发生行物理变化或能与基体产生化学反应的溶液。
步骤(2)所述的分散方式可用超声分散，剪切分散等方法，分散时间为3-30min。
步骤(3)中的出料嘴优选采用多孔出料嘴以提高制备效率。
步骤(4)所述的干燥可以采用自然风干、鼓风干燥或者红外干燥，干燥时间为1-8h。
本发明的优点：
利用此方法制备的表面单层磨粒凝胶球，可以广泛用于异形件的抛光。本发明将凝胶成型过程，与凝胶和磨粒结合过程同步进行。在加快了制造效率的同时能够将磨粒控制在凝胶球的表面；凝胶球内部无磨粒，能减少磨料的浪费；同时不存在磨粒与基体材料的混合从而破坏高分子原有稳定结构状态的问题，增强了球体的机械强度，不容易变形，有利于提高加工效率；采用多孔出料嘴制备凝胶球可以极大加快制备效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为表面单层磨粒凝胶球制备过程示意图；
图2为表面单层磨粒凝胶球示意图；
图3为实施例1制备的表面单层磨粒凝胶球显微放大图。
具体实施方式
实施例1
(1)溶胶基体的制备
基体材料选择2.5wt％的海藻酸钠。称取10g海藻酸钠固体，以及量取390ml去离子水，混合一起后，搅拌器搅拌4h。
(2)反应液的制备
磨粒选择粒度为20μm的氧化铝磨料，质量分数为50wt％。反应液选择质量分数为1.5％的氯化钙溶液。称取500g粒度为20μm的氧化铝磨料，15g氯化钙固体，量取495ml去离子水。先将氯化钙放入水中机械搅拌3min待完全溶解后，再加入称取的500g氧化铝磨料，机械搅拌3min。最后使用超声分散仪分散10min。
(3)凝胶球制备
将步骤(2)所得成型液置于磁力搅拌器上搅拌，同时使用多孔出料嘴将步骤(1)所得溶胶滴入混合液中，成型凝胶球。成型后，将小球继续留置于成型液中继续反应1h。
(4)干燥及回收
取出小球滤干水后，将其置于通风处自然风干2h，得到单层氧化铝磨料凝胶球。同时过滤出成型液中多余的氧化铝磨料，洗涤烘干以再次使用。
实施例2：
(1)溶胶基体的制备
基体材料选择3wt％的明胶。称取12g明胶微粒，以及量取388ml去离子水。先将明胶放入去离子水中浸泡4h，使其吸水膨胀，然后将混合液置于恒温磁力搅拌器上以60℃的温度搅拌1h。
(2)反应液的制备
磨粒选择粒度为10μm的金刚石磨料，质量分数为40wt％。由于明胶在低温下会发生物理变化，故成型液选择冰水。称取200g粒度10μm的金刚石磨料，量取300ml去离子水。将金刚石磨料混入去离子水中，混合均匀后使用搅拌机机械搅拌3min，然后使用超声分散仪分散10min。
(3)凝胶球制备
将步骤(2)反应液置于恒温磁力搅拌器内搅拌，同时将搅拌器内的水换成冰水浴。使用多孔出料嘴将步骤(1)所得溶胶滴入混合液中，成型凝胶球。
(4)干燥及回收
取出小球滤干水后，将其置于通风处自然风干2h，得到单层金刚石磨料凝胶球。同时过滤出成型液中多余的金刚石磨料，洗涤烘干以再次使用。
实施例3：
(1)溶胶基体的制备
基体材料选用2.5wt％海藻酸钠与1wt％的明胶。称取5g海藻酸钠粉末与4g明胶粉末，量取391ml去离子水，混合后使用搅拌器搅拌4h。
(2)反应液的制备
磨粒选择粒度为20μm的碳化硅磨料，质量分数为50wt％。反应液选择质量分数为1.5％的氯化钙溶液。称取500g粒度为20μm的碳化硅磨料，15g氯化钙固体，量取495ml去离子水。先将氯化钙放入水中机械搅拌3min待完全溶解后，再加入称取的500g氧化铝磨料，机械搅拌3min。最后使用超声分散仪分散10min。得到磨粒成功分散的成型液。
(3)凝胶球制备
将步骤(2)所得成型液置于磁力搅拌器上搅拌，同时使用多孔出料嘴将步骤(1)所得溶胶滴入混合液中，成型凝胶球。成型后，将小球继续留置于成型液中继续反应1小时。
(4)干燥及回收
取出小球滤干水后，将其置于通风处自然风干2h，得到单层碳化硅磨料凝胶球。同时过滤出成型液中多余的碳化硅磨料，洗涤烘干以再次使用。
图3为实施例1的结果图。

Claims (9)

1.一种表面单层磨粒凝胶球的制备方法，包括如下步骤：
(1)溶胶基体的制备
取得一定量的生物高分子基体，与去离子水混合后搅拌均匀，得到溶胶；
(2)反应液的制备
先制备能使基体成型的溶液，然后在溶液中混入磨料，并使磨料均匀分散于液体中，成为含磨粒成型液；
(3)凝胶球的制备
将步骤(2)得到的含磨粒成型液处于搅拌状态，并将步骤(1)得到的溶胶滴入含磨粒成型液，溶胶在成型液中成型为凝胶球；
(4)干燥及回收
待凝胶球成型后，回收，对凝胶球进行适量干燥，得到所述的表面单层磨粒凝胶球。
2.根据权利要求1所述的表面单层磨粒凝胶球的制备方法，其特征在于：还包括步骤(5)，过滤出含磨粒成型液中多余的磨料，洗涤烘干后再次使用。
3.根据权利要求1所述的表面单层磨粒凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤(1)中生物高分子基体包括纤维素、壳聚糖、琼脂糖、葡甘聚糖，海藻酸钠、明胶、卡拉胶、黄原胶、果胶、豆胶中的一种或其组合。
4.根据权利要求1或3所述的表面单层磨粒凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤(1)中生物高分子基体在溶液中的质量分数为1-15wt％。
5.根据权利要求1所述的表面单层磨粒凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述磨粒包括金刚石、碳化物、硼化物、氧化物的一种或者几种组合，其粒度为5nm～40μm，其质量分数为10～90wt％。
6.根据权利要求1所述的表面单层磨粒凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤(2)中成型液包括能使基体发生物理变化或能与基体产生化学反应的溶液。
7.根据权利要求1所述的表面单层磨粒凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤(2)中分散方式包括超声分散或者剪切分散，分散时间为3～30min。
8.根据权利要求1所述的表面单层磨粒凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤(3)的出料方式为通过多孔出料嘴滴落出料以增加出料效率。
9.根据权利要求1所述的表面单层磨粒凝胶球的制备方法，其特征在于：步骤(4)的干燥方式采用自然干燥、鼓风干燥或者红外干燥，干燥时间为1～8h。
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