光敏树脂结合剂砂轮结合强度的研究

文章编号:1006-852X(2003)03-0029-03

金刚石与磨料磨具工程

Diamond&AbrasivesEngineeringJune2003Serial.135　No.3

光敏树脂结合剂砂轮结合强度的研究

USINGPHOTOSENSITIVERESIN

高　涛　王永庆　姚春燕　彭　伟(1.浙江工业大学机电工程学院,杭州310014)GaoTao　WangYongqing　YaoChungyan　PengWei

Ξ

STUDYONTHEBONDINGSTRENGTHOFTHEGRINDINGWHEELS

(1.DepartmentofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014China)

摘要:对以光敏树脂代替热固化树脂作为结合剂的砂轮而言,砂轮中的金刚石磨粒与树脂基体结合的紧密程度是影响砂轮综合性能的重要因素。本文研究了光敏树脂结合剂与金刚石磨粒以及添加物的结合机理,提出了改善树脂结合剂与金刚石磨粒以及添加物结合强度的措施:为增强光敏树脂基体的韧性,减小其与金刚石磨粒的热膨胀系数的差别,添加一定量粒径为100nm的SiO2微粉,对试件进行泛紫外光照射(2h)并加热恒温保存(2h),试验结果表明:试件的拉伸强度和弹性模量分别提高了90.5%和69.5%。

关键词:光敏树脂;结合机理;内应力;固化工艺中图分类号:TG74　　文献标识码:AAbstract:Whenmakingdiamondgrindingwheelsusingphotosensitiveresinasbondinsteadofthermalcuringresin,thebondingstrengthbetweendiamondlayerandresincoreisadominatingfactorforthecomprehensiveperformancesofthewheel.Inthispaper,bondingmechanismofthephotosensitiveresintodiamondgritsandadditivesisstudied,SiO2microgrits(100nm)areaddedtoreducethethermalexpansiondifferenceoftheresincorecontrastedtothediamondlayer.Measuressuchasthermalpreservation(2h)aftersolidificationandfloodultra2violetexposure(2h)areusedtoimprovethebondingperformancesofthephotosensitiveresin.Experimentresultsshowedthat,thetensilestrengthandtheelasticmodulusofsamplepiecesmadewiththeabovetreatedresinareimprovedby90.5%and69.5%respectively.

Keywords:photosensitiveresin;bondingmechanism;internalstress;bondingtechnics

0　前言

光敏技术由于具有固化迅速、低耗能、无污染等优点,在涂敷材料、印刷材料、粘合材料等多个领域得到了广泛应用。在上世纪90年代中期,日本首先把该项技术应用于砂轮的制造中。日本立命馆大学的田中武司等人在这一领域开展了研究。研究结果表明,将光敏树脂作为结合剂,其砂轮的制造过程完全可以通过类似快速造型的工艺来完成,磨削实验也证明了光敏

[1][2]

树脂砂轮的可行性。国内开始研究光敏树脂应用

现了圆盘状平面磨削砂轮和超薄型切割砂轮的制造。但是由于缺乏对树脂与磨粒结合性能的研究,砂轮的工作强度与使用寿命等问题还没有得到很好的解决。本论文研究的目的是探讨树脂基体与磨粒及其它添加物的结合机理,通过对固化工艺的改进和完善,得到了积极的结果。在对制得的试件做拉伸试验表明,试件的拉伸强度和弹性模量分别提高了90.5%和69.5%。

1　原理部分

1.1　结合机理

于砂轮结合剂的主要是浙江工业大学的彭伟等人,通过添加微粉的方法对光敏树脂进行改性,已经初步实Ξ国家自然科学基金资助项目(项目编号:50075084)

高分子有机材料的树脂基体与无机材料的金刚石磨粒的结合机理十分复杂。现在比较成熟的结合理论

　30金刚石与磨料磨具工程总第135期

是吸附理论。该理论认为,粘合作用是粘合剂与被粘

[3]物分子在界面层上相互吸附产生的。这种吸附不仅

最佳的粘合效果,都必须进行表面处理。1.2　粘合强度

有分子间的相互作用力———次价力(物理力,也称范德华力),而且还有原子间的相互作用力———主价力(化学力,化学键作用产生的力),也即物理作用与化学作用的共同结果。在粘合过程中,粘合剂的基本条件是它对被粘物的充分浸润。液体对固体表面的浸润情况可以用接触角来判别。液体与固体表面接触角的关系见图1。

在实际粘合过程中粘合强度是一个很重要的因素。所谓粘合强度即测定到的单位面积上呈现的粘合力。影响粘合强度的因素有很多,大致可由图2看出:

图2L、S、E、F都是影响粘合强度下降的因素。L是没

图1由热力学分析得知,液体在固体表面的接触角越小,对固体表面越容易浸润。也即与所接触的固体相比较,液体的表面张力小则容易在固体表面铺开,易于浸润固体表面。

如果用WA表示接触面积为1平方厘米时使固体与液体拉开所需要的功,则粘附功WA可由下式表示,式中R为粘合面积与理论面积之比,rLV为液体-大气θ为固体和液体界面的接触角。的界面张力。

θ)WA=rLV(1+RCos

(1)

由上式可以得知,液体表面张力rLV大小一定时,接触角越小,则粘附功WA越大,也就是粘合剂液体对被粘物固体表面的浸润情况好,粘合情况也就越好。因此为了得到最佳的粘合条件,必须满足下列条件:

(1)液体粘合剂与被粘物表面的接触角要尽可能

有充分浸润的影响;S是粘合处内应力造成的影响;E

是测定方法的缺陷和没有测到的内应力的影响;F也是测定方法的缺陷,但有一部分已通过内应力影响部分表示出来。由这些分析我们可以看出内应力在影响粘合强度的因素中占主要部分,因此为了达到最大的粘合强度,有必要对内应力进行深入分析,并应尽可能采取措施予以改进。

内应力产生的原因有很多:粘合剂在由液态变为固态的相变过程中往往会产生体积收缩,在粘合层内会产生内应力;粘合剂粘合无机材料时由于两者热膨胀系数不同,如果温差较大,也会引起材料的体积收缩造成内应力。另外,粘合剂组成成分的变化也会引起尺寸的变化而产生内应力。另外固化温度、固化时间等的变化引起粘合剂层和被粘物尺寸的变化也会产生内应力。内应力的大小又与下列因素有关:粘合剂与被粘物的延伸率、塑性流动、热膨胀系数及粘结剂层的

[4]～[8]

表面状态等。

2　实验部分

2.1　材料选择

小,只有这样才能得到最充分的浸润。而要减小接触角就要从液体对被粘物固体表面的浸润入手,尽量选择表面光滑材料,或对被粘物表面进行修整,使其与液体粘合剂更容易浸润。

(2)对被粘物表面,应尽可能除去附着在上面的低

能物质及灰尘等。从表面张力的角度看,被粘物表面的清洁,就是保证它有相当高的表面能,粘合剂对被粘物表面有良好的亲和力,即粘合剂的表面能小,表面张力小。任何物质的表面都具有吸附性,因此为了得到

由上述理论分析可以得知,在光敏树脂结合剂砂轮的制作过程中,提高砂轮结合强度的一个很重要的措施就是如何减小内应力。实验用光敏树脂原料为外购,金刚石磨粒粒度为6～10#,为减少内应力对砂轮结合强度的影响首先采取以下措施:

(1)光敏树脂主要由基础聚合物、活性稀释剂、光引发剂以及添加剂组成,在保证光敏树脂基本固化强度的前提下通过调整各成分以降低由于相变而产生的

　第3期高　涛等:光敏树脂结合剂砂轮结合强度的研究31　

内应力。

(2)为增强光敏树脂基体的韧性,减小其与金刚石磨粒的热膨胀系数的差别,添加一定量粒径为100nm的SiO2微粉。2.2　实验工艺

试件的各组成分质量百分比为:树脂82.85%,金刚石磨粒7.15%,SiO2微粉10%。各组分按照所选比例由SL122型电子天平量取,经过电动搅拌器搅拌,并在恒温下进行抽真空处理。处理完成后将原料注入自制成型用模具中经紫外光照射后固化成型。试件完成后分别对其做以下后处理:

(1)无后处理,编号为No.1。(2)加热保温2h(80℃),编号为No.2。(3)泛紫外光光照2h,编号为No.3。(4)泛紫外光光照2h,加热保温2h(80℃),编号为No.4。2.3　结果与讨论

在试件完成后处理以后分别进行拉伸实验。表1为实验结果。

表1　拉伸试件的实验数据No1No248.501431178.571

No325.3141015.82

No452.41295

图4

粘合剂与被粘物的延伸率、塑性流动、热膨胀系数不同造成收缩等原因产生的内应力,从而提高了试件的强度。

3　结论

(1)根据结合理论,制作过程中的内应力是影响光敏树脂结合剂砂轮的结合强度的一个重要因素。

(2)选择适当的制作工艺和后处理方法,可以很大

程度地减小光敏树脂砂轮的内应力,改善光敏树脂结合剂砂轮的结合强度。

参考文献

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withelectrolyticin2processdressing[C].AnnalsofCIRP.1990,39.[2]　J.Ikeno,Y.Tani,A,Fukutani.Developmentofchipping2freedicing

technologyapplyingelectrophoreticdepositionofultrafineabrasives[C].

拉伸强度[MPa]弹性模量[MPa]

19.3427.72

图3、图4为各后处理步骤的弹性模量和拉伸强度的纵向对比:

AnnalsofCIRP.1991,40.

[3]　汪锡安等.粘合剂及其应用[M].上海:上海科技文献出版社1981

年.

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化学与粘合.1998,(4):234-240.

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图3

京化工大学学报(自然科学版),1995,(4):22-26.

由以上实验可以看出,在对试件进行泛紫外光照射2h并加热恒温保存2h以后,试件的拉伸强度和弹性模量都达到52.4MPa和1295MPa,比无后处理工艺分别提高了90.5%和69.5%。这是因为在对试件做了以上后处理后,大大减少了试件在固化过程中由于

作者简介:高涛(1979～),硕士研究生,研究方向为精密加工和特种磨具制造。E2mail:greatall-hz@21cn.com

(收稿日期:2003203220)

(编辑:张　慧)