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新型无机高分子结合剂

陕西德谦科技有限公司  黄 曦

　　一、无机高分子结合剂特性

伴随着经济的发展，对于环境的污染日益加剧，过量碳排放带来的气候变化给人类的生存环境敲响了警钟，如何使世界经济进入科学、安全、低碳、可持续发展的轨道，成为人们高度关注的话题，也是从事材料科学研究的专业人员的新课题。以丰富而廉价的无机矿物质为原材料，制备无毒、耐高温、耐老化、高强度且多功能化的新型无机材料越来越多地取代有机材料，是当今材料学研究的重要方向之一。

无机聚合物，又称为无机高分子，属于无机化学和高分子化学之间古老而新兴的交叉学科。传统无机化学中许多内容属于无机聚合物，如：金刚石、石墨、二氧化硅、玻璃、陶瓷、氧化硼等。第一届国际无机聚合物会议（1961）将之定义为：凡在主链上不含碳原子的多聚化合物，称谓无机聚合物。此定义相当于将离子晶体和固态金属也包括进去了。

因此，无机高分子一般定义为：主链由非碳原子共价键结合而成的巨大分子。无机聚合物是由非碳原子(N、P、O、S等杂原子)组成的大分子物质, 原子间主要以共价健相结合, 形成与有机聚合物中的碳链相类似的杂原子主链。与有机聚合物相比, 无机聚合物具有许多独特的性能, 问世以来，一直受到人们的关注。无机高分子材料的性能与陶瓷相近或更高，这是当前材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点领域，是纳米科学技术的重要组成部分。

无机高分子聚合材料简介

无机高分子聚合材料是在类聚合铝硅酸盐的基础上发展起来，是通过对新型无机高分子聚合物合成、规律及性能的研究，采用纳米笼技术设计，利用无机高化学活性组分的化合物作为前驱体在碱（酸）催化剂的存在下，在液体化学中溶解络合、分散迁移、自组装配位缩合，在能量动态反应机理控制过程中分离和表征了大量的中间态产物，从而获得具有良好的力学性能和物理形态上呈三维空间网络结构的化学稳定性。其组成可以是由Si、Al、O、P、N或NH2-、CH3-、C-C6H6-、CH2=CH-元素或基团等链节通过共价键或离子键构成的。

无机高分子聚合材料系列的理化性能

凝结时间            20℃   5～60min

固结时间的收缩      <0.05％

粘结强度Mpa         4.74～16.02MPa

冻融循环            180次循环后，质量损失<0.1％   强度损失<5％

干湿循环            质量损失     <0.1％

固结后在水中的沥析  K₂O<0.015％

吸水率              <3％

渗透率              10 ^-10 m/S

硫酸浸蚀            溶液浓度10％  每天质量损失<0.1％

收缩                硫酸盐溶液    28d<0.02％

线膨胀率            <10^-6/K

比热                0.7～1.0 kJ/kg

热稳定性            1000℃以下 质量损失  <5％

二、无机高分子结合剂在磨具中的应用

    无机高分子结合剂的特征是“杂化粘合”，它是首次把“杂化”概念植入磨具生产行业的新型无机高分子结合剂，彻底改变了磨具生产中高耗能、重污染的落后生产工艺和材料结构，大大提高了磨具产品质量和使用水平；同时，也为磨具新产品的拓展提供了广阔的空间。

无机高分子结合剂虽然具有玻璃态、陶瓷基和有机结合剂的某些特征，仍有所不同。在制备粘合磨料制品方面，它们比常规的玻璃态、陶瓷基结合剂具有很明显的优点：

首先具有重要意义的是它们可在远低于玻璃态、陶瓷基结合剂的较低的温度下形成（这一点与有机结合剂相同），而且具有均匀的组成。形成对照的是，玻璃态、陶瓷基结合剂必须在其熔化温度下形成，并保持于该温度以便其流动，从而覆盖磨粒形成粘合体。但是，无机高分子结合剂的结构在相当程度上，具有玻璃态、陶瓷基的粘合高强度和硬度，甚至更高。它们与常规有机结合剂也有不同，有机聚合物可以是热固性树脂，例如，苯酚/甲醛、尿素/甲醛或环氧树脂；也可以是辐射固化的树脂，例如丙烯酸化的聚氨酯、丙烯酸化的环氧树脂、丙烯酸化的聚酯或这些化合物的几种，它们在没有或有催化剂活化、增强转换的情况下，在可见光、紫外线或电子束辐射时，可形成高度交联的刚性聚合物。常规有机结合剂的模量小而脆性较大，而无机高分子结合剂从磨料生产中较低成型温度的角度考虑，用无机高分子结合剂代替常规的玻璃态、陶瓷基结合剂，由于处理温度较低，故而就能够采用许多先进技术，例如可将不能用于玻璃态、陶瓷基粘合制品中的活性填料加入到这种结合剂中。无机高分子结合剂体系可通过加入使用的活性填料来改性，一般如黄铁矿、氧化铝、硫磺或有机研磨助剂，只要它们在成型的温度下稳定，也可以是无机填料，例如矿物颜料或玻璃、陶瓷微珠，其主要目的是有助于在最终的粘合磨料制品中形成所要求的孔隙或结构，填料以5-10％为佳。

    其次，与有机结合剂的制品相比，无机高分子结合剂的磨具制品具有工作热稳定性和使用温度高的优点。无机高分子结合剂的磨具制品其热处理的温度较低，在此温度下，一般的热塑性有机树脂不会改性或降解，故使得能通过加入某些有机聚合物而使玻璃态、陶瓷基粘合相关的某种脆性变得适中；又由于无机高分子结合剂与玻璃态、陶瓷基结合剂不同，它可在不使热塑性聚合物降解的温度下交链，因此，用无机高分子结合剂就可加入合适的增强或改性的热塑性聚合物，包括聚烯烃、聚丁二烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和聚酯等有机物，这种能够加入结合剂中的增强和改性的热塑性聚合物的量最大是无机高分子结合剂总量的20％，从而，可根据要制成制品用途的需要，量身“定制”结合剂的物理性质，因此，无机高分子结合剂在磨料磨具中的应用真是“杂化”的。

    用无机高分子结合剂在较低温度下生产磨具，这个应用不但开拓了玻璃态、陶瓷基粘合磨料制品和树脂基粘合磨料制品的应用范围，同时也改善了粘合磨料制品的性能，能够通过改变结合剂的配方、温度曲线的控制和生产工艺的调节，从而得到高性能、低损耗、高质量的磨具产品。

    总之，玻璃态、陶瓷基粘合材料，正如其名字的含义所指的那样，它需要熔化并流动才能覆盖磨粒，形成连接邻近磨粒的粘合体，在冷却固化后将这些结构结合起来，因此，玻璃态、陶瓷基粘合材料是在高温下形成，而且形成的时间较长。有机粘合材料在低得多的温度下成型。而无机高分子结合剂使用“杂化”，是具有两者的共同优点且能够在较低温度下成型并交链变硬的聚合物材料，其产品性能具有两者的共同优点，制品很刚硬，在精密研磨中尤为有效，它为开发新的磨具产品提供了必要的条件。

无机高分子结合剂应用在磨具行业具有以下突出特点：

    1、高质高能：无机合成，化学性质稳定，使用寿命长，粘结性强、强度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、热膨胀系数小；该材料不仅具有无机材料的特性，也具有一定有机材料的特性，打破了传统的陶瓷磨具和树脂磨具的界限。

    2、节能环保：无机高分子结合剂在磨具的生产和使用过程中，无有毒有害气体产生。该结合剂的固化温度仅需120-180℃﹙根据生产磨具的种类不同而确定），固化时间为18-24小时，极大的节约了能源，显著的提高了生产效率。

    3、无机高分子结合剂固化后，形成以硅氧四面体和铝氧四面体--以共价键和离子键相连的立体网络结构，其断裂能高达1500J/m²，能够满足磨具高速旋转时强大离心力作用下不产生破裂的强度要求；该结合剂既可生产超软磨具、普通磨具，又可生产超硬、超高速磨具。

    经实际测试，用该结合剂生产的普通磨具回转速度已超过130ｍ/ｓ以上；生产的超软磨具也能经受高速回转；因其固化温度低，以“杂化”概念改变生产工艺，可生产250ｍ/ｓ以上的高速磨具。

    4、独特功能：无机高分子结合剂可生产精磨磨具  由于该材料的结构中含有铝氧四面体，在磨削过程中，这部分铝氧四面体具有润滑作用，使工件表面的光洁度极佳。

    5、使用无机高分子结合剂生产磨具，与传统的生产工艺、设备基本相同，无需大的技改投资。

三、无机高分子结合剂在磨具应用中的三项基本效应

    无机高分子结合剂在磨具的应用中存在“形态效应”、“活性效应”和“微集料效应”三项基本效应。

    所谓形态效应，泛指各种应用于磨具生产中的磨料颗粒，由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。

    所谓活性效应，是指无机高分子结合剂和磨粒掺合料之间的活性成分所产生的化学效应。

    所谓微集料效应，是指无机高分子结合剂均匀分布于磨料的基相中，就像微细集料一样，改善掺和后混合料的结构和性能。

实际上，上述三种基本效应是无机高分子结合剂掺合在磨料中的作用形式，不仅磨料如此，其它矿物掺合料也是如此，差别仅仅是作用程度的不同。

活性效应是掺合磨料在磨具中作用的一个重要组成部分。无机高分子结合剂之所在磨具中可以得到应用，就是因为它具有一定的反应能力，形成类似于陶瓷的产物，这些反应产物使磨具材料的结构得到改善。勿容置疑，活性效应是无机高分子结合剂掺合料对磨具材料性能贡献的一个重要方面。活性效应是微集料效应发挥的基本保证。

无机高分子结合剂与磨料的微集料效应来自于三个方面：一是这些磨料颗粒本身具有较高的强度；二是这些磨料颗粒与水化产物之间具有较好的粘结性能；三是这些磨料颗粒在无机高分子结合剂中分散状态良好，借助于合理的搅拌、加热、拌合磨料均匀性的改善，有助于磨料中孔隙的填充与“细化”。其中磨料颗粒与无机高分子结合剂之间具有较好的粘结性能是其它两者的基础。只有当磨料微集料颗粒与无机高分子结合剂组织结构均匀并紧密结合时它较高的自身强度才能发挥作用，使孔隙化的效果得以体现。只有在这一前提下，它优越的性能才能得到利用和发挥。磨料颗粒的界面反应是提高其界面性能的一个重要途径。

因此，无机高分子结合剂活性效应的发挥是微集料效应发挥的前提和保证。活性效应是形态效应作用效果的延续。

磨料的形态效应仅仅决定了无机高分子结合剂材料没有拌合的初始结构，随着磨料和无机高分子结合剂掺合料在搅拌和加热的合理工艺下各种反应的进行，可以使掺合后材料的结构得到进一步的改善，而这些反应的程度和速度则取决于它的活性效应。从对其的影响上看，活性效应是形态效应的延续和发展，它使掺合料的性能得到进一步的改善。

由此可见，如何在生产工艺的控制过程中充分挖掘磨料和无机高分子结合剂掺合料的活性潜力，对产品性能有着特别重要的意义。同时，也应该看到，磨料和无机高分子结合剂掺合料在磨具生产中的作用是由三个效应组成的，为此，只有在合理的工艺下才能在挖掘它的活性效应潜力的同时，也兼顾了其它效应。

四、无机高分子结合剂在砂轮生产中的工艺要点

    1、按配方称取磨料、无机高分子结合剂、填料﹙硅灰石粉﹚、助剂﹙蜂蜜或红糖﹚；其中助剂可以不加，加助剂时只需加到无机高分子结合剂中搅匀。

    2、把磨料和填料在混料锅内搅拌均匀后加入无机高分子结合剂和助剂的混合料，搅拌均匀后加热风搅拌。

    3、热风温度控制在70℃左右，风量大小、距离远近根据工业化生产量的大小及搅拌速度现场调整，搅拌速度的快慢根据结合剂的用量多少生产现场调整，以不产生颗粒为佳；通热风搅拌至结团、拉丝后3—5分钟后停止热风，继续搅拌至磨粒分散。

该结合剂终温为110—130℃时，成品砂轮硬而韧性好，替代传统树脂砂轮；终温为120—150℃时，成品砂轮硬，性能在陶瓷砂轮和树脂砂轮之间；终温为150—180℃，成品砂轮硬而脆，替代陶瓷砂轮。

    4、替代树脂磨具的加热参考曲线：在50℃保温2小时后，1小时升温到70℃，保温5小时后2小时升温至90℃，保温3小时后3小时升温至130℃，保温3小时后自然降温。

    5、替代陶瓷磨具的加热参考曲线：在50℃保温2小时后，1小时升温到70℃，保温5小时后2小时升温至90℃，保温3小时后3小时升温至120℃，保温3小时后，3小时升温至150-180℃，保温3小时后自然降温。