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水性微米级砂布砂纸超涂层浆料的研究

Aqueous micron emery cloth sandpaper super coating slurry

淄博四砂泰山砂布砂纸有限公司  朱玉涛  候  捷 

Zibo SISHA MT Coated Abrasives Co,.LTD  Yutao Zhu，Jie Hou

摘要  本文介绍了一种新的水性微米级涂附磨具超涂层浆料的制作技术，这种浆料比目前溶剂型浆料更环保、更高效，浆料质量稳定，保质期长，使用后砂布砂纸产品比传统溶剂型涂层产品更耐磨，更防堵。

　　Abstract  This paper introduced a new aqueous micron Coated Abrasives super coating slurry making technology, the size than the solvent slurry more environmentally friendly, more efficient, slurry stable quality, long shelf life, use emery cloth sandpaper products than traditional solvent type coating products more durable, more anti blocking.

关键词  水性  超涂层  微米级   防堵塞   磨削量  玻璃珠

Keyword  aqueous，super coating，micron grade，anti clogging，filler，grinding capacity，glass beads

超涂层干磨砂布砂纸具有使用时易脱屑、散热快，不易堵塞等优点，特别适用于软质材料的干磨和抛光。目前砂布砂纸生产厂家，多数仍采用溶剂型超涂层浆料辊涂工艺生产。存在生产成本高，工作环境毒性、危险性大等问题，市场上也有部分厂家研究和摸索水性超涂层浆料，但和溶剂型比较，涂层粘结牢度低，磨削量偏小，并很难模仿出已被深入使用者内心的溶剂型辊涂特殊花纹，从而制约着水性超涂层浆料的推广和大规模使用。本文借鉴国内外相关论文和技术成果，经过分析研究，通过大量实验，已经成功解决了水性超涂层浆料存在的以上不足问题，并在实验的基础上，逐渐投入到工业化生产中。水性微米级超涂层浆料为水性环保乳液，贮存稳定性好，可用水稀释后使用，涂后可自干，也可低温加热烘干，广泛的应用在超涂层砂布、砂纸、海绵磨块等的防堵涂层中，使用后易排屑，防堵塞，大大提高磨具的使用效率和寿命。
      水性微米级砂布砂纸超涂层浆料由五部分组成：纯净水、改性苯丙乳液（自制）、复合热吸收剂、功能填料和多种表面活性剂。其中改性苯丙乳液，配方设计时充分考虑了乳液玻璃化温度和成膜性；最后对功能填料的选择和影响进行了研究。在制作涂层浆料过程中，选择添加了多种表面活性剂，采用高速分散和利用玻璃微珠研磨工艺，产品粒径100%达到10微米以下，其中90%以上达到5微米以下，产品做到了涂附均匀，白度好、遮盖好、无泡、结合牢度高。不但可以添加各种水性色浆，制作各种颜色砂面的无花纹产品，还可以通过添加聚丙烯酸钠（自制）增粘后，高仿出溶剂型浆料的辊涂花纹。配方采用分段式制定，满足各粒度号使用要求。浆料在阴凉、通风条件下，能保持六个月以上的储存稳定性。

近年来与石油有关的有机化工原料价格不断上涨，同时国家大力倡导节能减排。本技术采用水作为溶剂，产品外观为白色水性分散乳液，无溶剂、无游离甲醛、无偶氮化合物、不含APEO、各项技术指标达到环保要求。研发过程中重点研究了复合热吸收剂的选择和配比，合理的熔点可在研磨过程中发生相转移吸收磨削中产生中的热能，并在磨削面形成液态薄膜润滑层，防止磨屑阻塞砂纸，改善磨削质量及磨削界面，是当前替代过去溶剂型及卤素吸热剂类超涂层浆料的新型环保产品。

1 实验目的

    研究一种新的水性砂布砂纸超涂层浆料的制作技术，产品要求环保、高效、质量稳定、生产简便、保质期长，使用后砂布砂纸产品比传统溶剂型涂层产品磨削效率高，寿命长。

2 实验原料及设备

改性苯丙乳液（固含量48%，自制），热吸收剂A，热吸收剂B，滑石粉，钛白粉色浆(自制)（固含量50%），表面活性剂WS-1，润湿剂，消泡剂，氨水（25%），防腐剂，聚丙烯酸钠增粘剂（自制），各种规格高强化玻璃微珠，丝网过滤布，电子天平，磨削实验机，烘箱，辊涂装置，高速研磨设备，粒度分析仪等。

3 实验方案及实验步骤

在带有夹层、搅拌的立式砂磨罐中，首先加入一定量纯净水，依次加入表面活性剂WS-1、润湿剂和消泡剂，在搅拌的情况下，加入滑石粉、热吸收剂A和热吸收剂B，搅拌30分钟，待充分分散均匀后，加入苯丙乳液，继续搅拌10分钟，最后加入玻璃微珠，开通夹层冷却水，提高搅拌器转速，研磨过程中物料温度控制在40℃以下，记时研磨2-2.5小时，过滤至另一砂磨罐，加增粘剂调整粘度，添加防腐剂和调整PH值，过滤出料，产品固含量40%，最后均匀辊涂于复胶后的砂布或砂纸表面，在50℃烘干15分钟或在60℃烘干10分钟，冷却后，即为水性微米级超涂层砂布或砂纸成品。

4 测试设备及标准

检测标准：JB/T  10155—1999  

JB/T  7498—2006

    检测设备：SS175Ⅱ–W 型砂布砂纸磨削实验机

    Winner 2000 激光粒度分析仪

5 实验结果及讨论

5.1涂层浆料的配比对磨削量的影响

水性微米级超涂层浆料采用纯净水、表面活性剂、滑石粉、热吸收剂、改性苯丙乳液、钛白粉色浆等组成。其中改性苯丙乳液起到涂层粘结牢固度的作用；滑石粉起到填充和润滑的作用，使砂纸与磨削工件之间的阻力减小，以提高其磨削量。钛白粉色浆有优良的遮盖能力，可提高磨具的外观白度。热吸收剂在受热时发生相转变，由固态转变为液态，吸收热量而使磨具具有更持久的磨削性。 
    本技术采用的改性苯丙乳液，具有优良的耐候性、耐老化性、抗氧化性，固化皮膜硬度适中，粘结强度高，耐水性好。实验表明其添加用量对磨具的性能有一定影响，如果添加量过小，就会导致涂层粘结强度低，涂层易破坏脱落；如果添加过多，会使涂层固化皮膜变厚，包裹起热吸收剂，阻碍热吸收剂吸收磨削中产生的热量，并且皮膜随温度升高变软，使工件在砂纸上产生打滑现象，影响磨削效率。 

表1：胶粘剂的不同配比对磨削量的影响

[注明]：P180，水性超涂层干磨砂纸，压力：30N，胶木棒（直径25mm），15min，相同条件测试。

由表1可以看出，当苯丙乳液在配方中占22%时，砂纸的磨削性能最佳。

5.2 钛白粉色浆作用 
    钛白粉色浆在设计中主要考虑提高水性超涂层的白度和遮盖力，改善砂纸产品外观。

5.3 滑石粉的用量与作用 

     滑石粉作为润滑剂和功能填料，它与热吸收剂有良好的相容性，一方面可降低生产成本，另一方面也可以改善苯丙乳液的固化收缩、蠕变性和粘结牢度。但随着滑石粉的加入量增大，会影响产品的外观白度。

表2：滑石粉在配方中不同比例对水性超涂层砂纸磨削量的影响

[注明]：P180，水性超涂层干磨砂纸，压力：30N，胶木棒（直径25mm），15min，相同条件测试。

由表2数据看出，当滑石粉用量为10%时，有利于保护超涂层，砂纸的磨削性能表现最好。

5.4表面活性剂WS-1和消泡剂、润湿剂的选择和用量。

    热吸收剂A、B和滑石粉都不溶水，这就需要寻找一种合适的表面活性剂来完成分散。经过多次反复实验，最终选择了低泡抗碱高效的表面活性WS-1，实验表明表面活性WS-1用量在6%最为合适，用量偏大，研磨时，气泡难于抑制，增加了消泡剂的用量，但用量偏小，会造成浆料稳定性差，放置一个月左右出现水析出现象。为了加快固体粉末在水中的快速分散，选择添加了润湿剂，实验表明润湿剂用量在2%最为合适，用量偏大，高速分散时，投加固体粉末易沉降，搅拌过程中，更易生成气泡，增加消泡剂的用量；如果用量偏小，会造成固体粉末长时间漂浮在水液面，分散时间延长。此外为了抑制搅拌和研磨过程中气泡产生，添加了高效有机硅消泡剂。

5.5吸热剂的选择和配比

本超涂层浆料中，选择了二种热吸收剂A和B，均为白色粉末，都不溶水，其中热吸收剂A，做成水性浆时白度好，热吸收剂B做成水性浆时粘度大。热吸收剂A比热吸收剂B熔点低。两者受热时，从固态转变成液态，均能吸收大量的热。在超涂层砂布、砂纸生产时，根据产品粒度的不同分布，水性超涂层浆料分为三个配方，磨料P220及其以粗砂布砂纸产品选择配方一；P240~P500砂布砂纸产品选择配方二；P600以细砂布砂纸产品选择配方三。各配方中热吸收剂的配比不同，浆料的固含量和粘度也不同。配方一，针对砂布砂纸产品主要考虑用于粗磨削，热量产生多，涂层厚度大，热吸收剂用量大，复合热吸收剂中高熔点的成分多。配方二，针对砂布砂纸产品主要考虑用于细磨削，热量产生相对要小，涂层厚度适中，复合热吸收剂中各组分相当。配方三，针对砂布砂纸产品主要考虑用于精磨和抛光，热量产生少，涂层厚度薄，热吸收剂用量所占比重少，复合热吸收剂中低熔点的成分多。

5.6高速研磨过程中，搅拌器形状、转速、高强化玻璃微珠粒径大小、加入量、物料温度都对最终产品有影响。

试验过程采用锚式搅拌器，转速200转/分，玻璃微珠粒径2-3毫米和4-5毫米，微珠添加高度占物料液面的60-70%，研磨过程中，温度小于40℃。

锚式搅拌器能快速带动玻璃微珠的转动，转速小，研磨时间长；转速快，研磨过程中产热，物料温度高于40℃，产品白度降低，影响最终产品外观；微珠添加量少，增加研磨时间，添加量大，搅拌电机负荷大，并增加产品过滤时间；微珠粒径小，研磨效果好，但过滤时间长。

5.7产品的后整理和使用方法

    本配方为水性分散液，可用水稀释使用，配方中添加了助成膜物质，对PH值也有精确的调节，有利于改性苯丙乳液的干燥固化，经辊涂后可自干，室温（25℃，4小时），但为了满足工业化生产需要，经实验得出，只需加热到60℃，干燥烘干10分钟即可，温度越高，烘干时间越短，但实验表明温度不宜超过85℃。

溶剂型涂层浆在实际使用时，会出现十分明显的特殊辊涂花纹，已经被市场熟悉和认可。形成稳定的产品外观，深刻影响着消费者的选择。市场上目前已经有较多水性超涂层砂纸上市，并且有不断增加的趋势，但从外观上能轻易被消费者识别，再就是磨削性能上达不到溶剂型超涂层产品的效果，尽管水性超涂层砂纸有诸多优点，但以上问题一直制约着全面推广。本配方中，重点采用了研磨工艺，浆料内固体成分物质，经过测试，90%以上达到5微米以下，低粒径增大了比表面剂，提高了活性，增强了覆盖力和白度。此外通过添加增粘剂，用量（0.5～1%），能调节和稳定浆料的粘度，配合辊子的选择，及辊子压力、硬度和转速，能很容易的高仿出溶剂型涂层浆所形成的特殊辊涂花纹。结合磨具产品后表现出来的优良磨削性能，相信在市场上能有最完美的表现。

6 磨削对比

               表3：溶剂型和水性微米级超涂层砂纸同条件下磨削对比

[注明]：P180，砂纸同条件下生产，压力：30N，胶木棒（直径25mm），5分钟/次，相同条件测试。

7 结论

本文研究的水性微米级砂布砂纸超涂层浆料采用改性苯丙乳液作为成膜树脂，采用复合热吸收剂，添加了滑石粉和钛白粉色浆，借助多种表面活性剂，通过研磨工艺，制作成稳定的水性分散液，用其生产的超涂层干磨砂纸产品磨削量比同条件下溶剂型涂层砂纸提高了7%以上，并且能高仿出溶剂型涂层特有的辊涂花纹。经实验证实本技术取得了优良的效果，完全可以满足木材、油漆、塑料、软金属等软质材料的干磨和抛光。

参考文献

[1] 邹文俊．涂附磨具制造[M]．北京：中国标准出版社，2000

[2] 张琳琪等．干磨砂纸超涂层的研究．金刚石与磨料磨具工程期刊，2004

[3] 彭进等．超涂层干磨砂纸的磨削性能研究．2008

                                           （收稿日期：2011年06月13日）

作者简介：

朱玉涛，男，1978年12月生，毕业于河南工业大学，现工作于淄博四砂泰山砂布砂纸有限公司技术部，主要从事砂布砂纸新产品开发工作。

候  捷，男，1980年6月生，毕业于德州学院，现工作于淄博四砂泰山砂布砂纸有限公司技术部，主要从事原材料检验工作。