磨具用樹脂結合劑的研究現狀與展望

任玉剛１，鄧乾發１，２，葉程１，吳柯１，林明星１，袁巨龍１

（１．特種裝備製造與先進加工技術教育部／浙江省重點實驗室，浙江工業大學，

杭州３１００１４；２．湖南大學機械與運載工程學院，長沙４１００８２）

摘要：綜述了近年來有關磨具用樹脂結合劑在國內外的研究現狀及分類。著重介紹了磨具用酚醛樹脂結合劑的改性研究，簡要介紹了水溶性樹脂及在聚乙烯醇磨具和半固著磨具上的應用，最後對磨具用樹脂結合劑的發展進行了展望。

關鍵詞：磨削；酚醛樹脂；磨具；結合劑

０　引　言

磨削技術（包括研磨和拋光）是先進位造加工中實現精密與超精密加工最有效、最實用的加工方式。而磨具則是精加工中磨削、研磨和拋光的重要工具，由於超精密研磨或拋光加工的去除單位已在納米級甚至亞納米級，在加工過程中局部往往有高溫高壓和化學反應現象發生，因此與工件直接接觸的磨具對加工質量和加工效率有重要的影響。

磨具一般由磨粒、氣孔和結合劑三者組合形成。結合劑是製作磨具不可缺少的原料，其作用是將磨粒固結起來，使之成為具有一定形狀和一定強度的磨具。通常將磨具用結合劑分成三大類：樹脂結合劑、陶瓷結合劑和金屬結合劑。在超硬材料磨具中樹脂結合劑的用量為60％～70％（質量分數），立方氮化硼（CBN）磨具用結合劑中，樹脂結合劑的用量佔到了40％左右。另一方面，樹脂磨具（樹脂結合劑磨具的簡稱）也是工業生產中重要的磨削工具之一，特別是在精密加工（研磨、拋光）領域具有優越的加工特性，是磨削加工中不可替代的工具。這主要是因為樹脂與磨粒的結合強度高，磨削效率高；而且樹脂磨具自銳性好，加工表面質量好，收縮率小，能加工出各種複雜形狀和特殊尺寸的零件；另外，其原料來源廣泛，成本低，有利於專業化生產。在此，作者主要綜述了國內外磨具用樹脂結合劑的研究現狀，並對其今後的發展進行了展望。

１　磨具用樹脂結合劑的分類

1.1酚醛樹脂

酚醛樹脂主要包括普通酚醛樹脂、改性酚醛樹脂（如硼酚醛樹脂、新酚樹脂）以及加入一定量其它樹脂的酚醛樹脂，如酚醛－環氧樹脂等。酚醛樹脂主要分為熱塑性和熱固性酚醛樹脂兩種，目前行業內普遍採用熱塑性酚醛樹脂作為磨具的結合劑，其密度為1.18～1.32g/cm3，具有彈性好、強度高、耐衝擊、生產周期短、在磨削過程中自銳性好、磨削效率高和加工表面粗糙度低等優點。以酚醛樹脂為基體製備的複合材料同樣具有優良的耐燒蝕性能和力學性能，因此很適宜製成既耐高溫又具備優良加工性能的磨具。但是酚醛樹脂本身的脆性較大，在高速磨削下暴露出粘結強度不夠高、耐熱性較低、磨具損耗大的問題，耐熱性和耐鹼性也較差，用其製備的金剛石砂輪磨耗快，而且在製備金剛石磨具的過程中需要經過研磨樹脂、裝模、加溫加壓成型以及脫模等程序，在實際應用中具有一定的局限性，因此尋找新的、使用更為方便的酚醛樹脂結合劑成為目前研究的熱點。

1.2聚醯亞胺樹脂

聚酞亞胺樹脂具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗衝擊強度大、耐磨性好等特點，是熱塑性樹脂中強度較高的一種，得到了廣泛關注和應用，被美國化學文摘（CA）作為６種聚合物之一單獨列為研究專題，可見其重要地位。與酚醛樹脂相比，它具有更高的高溫強度和更優良的耐腐蝕、耐磨損性，但是其價格比較昂貴。

聚醯亞胺樹脂通常分為兩類：一類是熱塑性聚醯亞胺樹脂，一般作為絕緣和隔熱材料使用。另一類是熱固性聚醯亞胺樹脂，如PMR聚醯亞胺、乙炔封端聚酞亞胺及雙馬來酞亞胺（BMI）。20世紀70年代法國Phone-poulene公司曾提出用kinel1000、kinel1050聚酞亞胺樹脂製作金剛石砂輪，但目前國外很少使用，這是由於PMR聚酞亞胺和乙炔封端聚酞亞胺均必須經過脫水亞胺化才能製備熱固性樹脂。固化過程中的脫水反應對磨具熱壓工藝是不利的，易引起磨具鼓泡和開裂；而且其固化溫度較高，也不利於熱壓成型。此外，聚酞亞胺的價格較昂貴，製造磨具的性價比低，從而限制了其應用範圍。為了改善熱固性聚酞亞胺的工藝性能和降低成本，人們進行了一系列研究。彭進等對三種超硬樹脂磨具用的國產聚醯亞胺樹脂進行了詳細研究，通過紅外光譜和熱差分析比較得出了這三種聚醯胺樹脂的力學性能、硬度和耐熱性等，總結了三種聚醯胺樹脂的應用範圍（切削、粗磨、精磨）；臧建英等用環氧樹脂和聚醯胺樹脂固化體系製備出了一種適於異形金剛石磨具使用的樹脂結合劑。由於近年來聚醯亞胺樹脂性能不斷提高，目前國內正逐用耐熱性更好的聚醯亞胺樹脂代替傳統酚醛樹脂用於製備超硬樹脂磨具。

1.3環氧樹脂

我國通用的環氧樹脂是E-型環氧樹脂，即由環氧氯丙烷和雙醛A在鹼性催化劑下聚合成雙醛A型環氧樹脂，其分為縮水甘油基型環氧樹脂、環氧化烯烴和新型環氧樹脂三類。環氧樹脂結合劑具有強的粘結力、小的收縮率、優良的化學穩定性等優點，但是也存在耐熱性差，在磨削熱作用下易發生碳化使磨粒過早脫落，加大磨具磨損量的問題。在相同條件下，環氧樹脂磨具的磨損量比酚醛樹脂磨具的高3～5倍，加之價格較貴，因此環氧樹脂磨具常用於衍磨輪、細粒度拋光輪、高速磨片等特殊磨具的製造。另外，將環氧樹脂與酚醛樹脂混合製備酚醛－環氧改性樹脂，可顯著提高磨具質量。尹育航等發明了一種環氧樹脂結合複合磨料的磨具，其中環氧樹脂所佔的質量分數達15％～78％，具有製造成本低、耐磨性能好、強度高和壽命長的優點。Sturiale等通過在環氧樹脂中增加可溶性酚醛樹脂，提高了環氧樹脂的結合強度，並且發現酚醛樹脂質量分數在10％～20％時的結合效果最好。

２　酚醛樹脂的改性

由於酚醛樹脂在樹脂結合劑中約佔80％（質量分數），而酚醛樹脂自身又有一定的局限性，因此關於酚醛樹脂的改性研究是國內外學者研究的熱點。歐洲、美國研製了改性後具有高性能的氰基酚醛樹脂、腰果殼油改性酚醛樹脂和有機硅改性酚醛樹脂；日本用耐高溫的醯亞胺及其化合物合成了耐熱性和抗衝擊性都比較好的酚醛樹脂；國內河南工業大學和西北工業大學對改性酚醛樹脂也做了相應的研究；國內對酚醛樹脂的改性研究主要有納米粉體改性、硼改性、鉬改性、有機硅改性、雙馬來醯亞胺改性、聚碸改性、橡膠改性、天然植物油（焦油和桐油）改性等。國內外對酚醛樹脂開展了大量改進性的研究工作，其中以提高其耐熱性和韌性為主要研究方向。

2.1納米粉體改性

孫保帥等通過原位聚合和共混兩種方法將納米SiO2粒子分散到酚醛樹脂液中，用不同的方法對樹脂進行改性，發現改性後樹脂的熱分解溫度明顯提高，從而提高了磨具的耐熱性以及磨削性能。Jiang等對用不同納米有機物改性酚醛樹脂製備的納米複合材料進行了研究，發現其耐熱性能均比純酚醛樹脂的高。

彭進等用凝膠法製備了納米SiO2改性的酚醛樹脂，研究表明用其做結合劑製備磨具的熱穩定性、拉伸強度和衝擊強度比普通酚醛樹脂製備的磨具都有所提高，同時發現改性酚醛樹脂的熱穩定性、拉伸強度和衝擊強度隨著納米SiO2含量的不同而有所變化。

魏化震等用碳納米管改性酚醛樹脂時發現，當碳納米管的質量分數為0.5％時，改性酚醛樹脂的彎曲強度達到最大值，但對彎曲彈性模量的提高不利；當碳納米管的質量分數為1.5％時，改性酚醛樹脂的壓縮強度、層間剪切強度和衝擊強度均達到最大值；Meng-Kao等也對此作了詳細研究，對碳／碳納米管改性酚醛樹脂材料的拉伸斷口進行了分析。李妹明等通過添加質量分數為1％～5％的碳納米管來改性酚醛樹脂，經冷壓加熱成型製備出了一種新型的樹脂磨具，這種磨具的使用壽命提高了16％，耐磨性提高了10％～20％，磨具的強度、抗衝擊強度和抗撓性均有明顯提高。

2.2環氧樹脂改性

將環氧樹脂作為固化劑對酚醛樹脂進行改性後，酚醛樹脂分子結構中不含有羥甲基，但酚醛樹脂羥基可以和環氧樹脂的環氧基起醚化反應。蔣德堂等用環氧樹脂和聚乙烯醇改性酚醛樹脂，製得了磨具用結合劑。在酚醛樹脂中摻入環氧樹脂能形成交聯的體型結構聚合物，提高了樹脂的結合力。這是由於這個體型結構聚合物既保持了環氧樹脂良好的粘結性，又提高了酚醛樹脂的耐高溫強度。但是，由於酚醛樹脂和環氧樹脂本身的耐熱性有限，因此改性後其耐熱性提高不大。

2.3硼改性

硼改性是目前最成功的酚醛樹脂改性方法之一。在酚醛樹脂結構中引入硼，可以使樹脂具有更好的耐高溫性能。這是因為硼原子取代了酚羥基中的氫形成B-O鍵，由於B-O鍵的鍵能高於C-C鍵的，同時B-O鍵的引入形成了三相交聯網狀結構，因此其耐熱性和耐燒蝕性大大高於一般酚醛樹脂的。邱軍等發現改性酚醛樹脂的衝擊強度隨著硼含量的增加而提高，但當硼的質量分數達到9.0％時，其衝擊強度有所下降，這主要是由於B-O鍵的增多大幅度增加了樹脂中高分子鏈之間的交聯度，從而導致衝擊強度下降。硼改性酚醛樹脂的耐熱性能優於普通酚醛樹脂的，但是其強度較低，而且工藝性差，成本高，國內實現規模化生產的廠家很少。

2.4雙馬來醯亞胺改性

雙馬來酞亞胺是以馬來酞亞胺為活性端基的雙官能團化合物，是一種綜合性能優異的熱固性樹脂，具有很高的力學性能以及優異的電絕緣性能，其耐熱性和耐濕熱性也很突出，既有類似於聚酞亞胺的耐高溫性，又有類似於環氧樹脂的成型工藝性。肖娜等採用N-（4-羥基苯基）馬來醯亞胺對酚醛樹脂進行改性後，其耐熱性明顯提高。當馬來醯亞胺的質量分數為2％時，改性酚醛樹脂的耐熱性最好，熱分解溫度提高了104.6℃，熱失重溫度提高了37.8℃，衝擊強度達到最大值，提高了130％。這是由於馬來醯亞胺含有較活潑的雙鍵，能夠進行自聚和共聚，所生成的共聚物具有良好的力學性能、電性能和耐熱性能。

2.5新酚樹脂改性

新酚樹脂是以苯酚和對苯二甲醇為單體，在催化劑作用下，經熔融縮聚而成的一種線性聚合物。這種聚合物在添加固化劑烏洛脫品並加熱的情況下，可以生成不溶於水的網狀或體型熱固性樹脂。它的耐熱性比酚醛樹脂的高，可在170～250℃下工作。這是因為其分子結構中加入了苯環，分子量較酚醛樹脂的高，結構更加緊密。與聚酞亞胺相比，由於其分子結構中不含酞胺雙鍵，分子交聯度低，因此加工性能較好。單獨用新酚樹脂做結合劑製造磨具時，加工過程中容易造成產品起泡，且價格也較貴，因此在國內磨具業中的應用較少。一般按照新酚樹脂與酚醛樹脂以（0.25～2）∶1的質量配比製造高速重負荷砂輪和金剛石磨具。

2.6合成工藝改性

最近Singh等探究了用懸浮聚合法合成納米級微球狀酚醛樹脂。具體是將酚醛樹脂與甲醛混合作為基本催化劑，用三乙基胺、乙烯醇和烏洛托品分別作為引發劑、穩定劑和交聯劑，利用懸浮聚合反應得到微球狀酚醛樹脂。他們發現苯酚和甲醛的物質的量比、催化劑用量、交聯劑濃度和反應溫度對酚醛樹脂的彎曲彈性模量有重要影響，用此種工藝製成的酚醛樹脂的力學性能和熱穩定性也發生了較大變化，為酚醛樹脂的改性研究提供了一種新途徑。

３　磨具用水溶性樹脂

水溶性樹脂是指經過特殊處理後，改善了樹脂材料的表面張力，具有優良的穩定性、廣泛的相溶性，對被貼物在初粘力、剝離力、保持力上均具有顯著優勢的新型改進樹脂。水溶性酚醛和脲醛樹脂是最早被引入磨具製造中的，如531、5011脲醛樹脂膠，FR-8102、FL-8110等水溶性酚醛樹脂。但是目前水溶性樹脂很少應用於磨具（尤其是塗附磨具），僅有貴州化工研究院在20世紀80年代中晚期曾開發過SF-7001、7602、SF-05等系列水溶性樹脂。

近幾年有日本學者利用聚乙烯醇與甲醛在鹽酸作觸媒的條件下進行醛化反應將磨粒粘結成一體，製成了具有海綿狀結構的彈性耐水聚乙烯醇（PVA）磨具。這種PVA磨具有很好的彈性及吸水性，而且磨具強度高、發熱少、散熱快、能避免研磨產生的高溫，不易燒傷工件；其耐磨性和鋒利度好，具有磨削刃前角變動的能力，自銳性優異，磨削阻力均勻，磨削過程中不需要修整磨具，特別適宜於不鏽鋼、有色金屬和硬質合金等熱敏材料的精磨、超精磨和鏡面磨削。

袁巨龍等利用水溶性樹脂材料（SSB）作結合劑，成功研製了一種能進行超精密研磨、拋光的半固著磨具，使加工材料表面精度達到了納米級。半固著磨具是一種新型磨具，其突出特點是表層磨粒在壓力的作用下具有位置遷移和使外來硬質大顆粒下陷的能力，即磨具表層相鄰的磨粒排列的相對位置具有自適應的調整功能，可實現對大顆粒的「陷阱效應」，解決了遊離磨粒的等高性切削、均勻分布和局部作用力不均等難題。因此在半固著磨具製造中核心的問題在於結合劑的選擇。

SSB結合劑的黏度適中，粘著力大，可提高磨具的強度；其穩定性好，具有一定的彈性，能減少加工表面損傷；具有水溶性，使磨具易成形；乾燥後固結能提高磨具的穩定性和一致性。

因此用這種SSB結合劑製備的半固著磨具磨削力學性能高、穩定性好，能有效防止或降低大顆粒磨粒對工件加工表面造成的損傷，加工零件時能通過磨具本身特徵得到高的表面質量和加工效率。

４　結束語

樹脂結合劑磨具中酚醛樹脂的用量約佔80％之多，但酚醛樹脂有其自身的局限性，因此國內外學者對酚醛樹脂進行了大量的改性研究。雖然對酚醛樹脂的改性是比較成功的，但制出的磨具性能卻有些不足，比如硼改性酚醛樹脂的耐熱性優於原酚醛樹脂的，但是用硼改性酚醛樹脂製備出的磨具強度卻不及酚醛樹脂的，而且工藝差、成本高，國內實現規模生產的廠家很少。聚醯胺－酚醛樹脂、酚醛－環氧樹脂等制出的磨具普遍造價昂貴，綜合性能不及原酚醛樹脂磨具，因此在改性酚醛樹脂的應用上有待於進一步的研究。

水溶性樹脂以初粘性、耐磨性和保持性等諸多優點正逐步應用於精密磨具的製造中，尤為典型的是日本研製的彈性耐水PVA磨具和國內研製的半固著磨具，這兩種磨具在精密拋光和研磨方面都有良好的加工性能，可以預見其應用和研究前景十分廣闊。

一種具有更高高溫強度、耐腐蝕和耐磨損的有機聚合物聚醯亞胺樹脂正逐步取代酚醛樹脂，之前由於聚醯亞胺樹脂造價昂貴限制了其應用，但隨著聚醯亞胺樹脂性能的不斷提高以及合成工藝技術的改進，其性價比越來越明顯，目前國內已有不少金剛石磨具廠家採用聚醯亞胺樹脂磨具。

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