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酚醛树脂的固化依赖于加热反应进而完成硬化(固化)。期间,硬化的升温速率是十分关键的。
1、酚醛树脂的硬化机理
准确定义:苯酚和甲醛在合成反应设备中,通过加成和适当缩聚反应所得到的树脂,通常都是分子量不高的低聚物和各种羟甲基酚的混合体系,虽然Novolaks及Resoles以如上节所述,结构上是有差异的。
酚醛树脂只有在形成交联网状(或称体型)结构之后才具有优良的使用性能,包括力学性能、电绝缘性能、化学稳定性、热稳定性等。
酚醛树脂的硬化就是使其转变为网状结构的过程,表现出凝胶化和完全固化的两个阶段,这一转变不仅是物理过程,也是一个化学过程。所以酚醛树脂的硬化绝不是熔体冷却到熔点以下的一般意义上的固化,而是高分子化学概念上的由线(支)型分子交联(cure)成网状分子导致失去可溶、可熔性的固化。
酚醛树脂硬化后,在获得优良物理性质的同时,又失去了可溶、可熔性,不再有可加工性。因而其固化过程必然应在以酚醛树脂(Novolaks或Resoles)为粘结剂组成的塑料、油漆涂料及各种各样工程材料的使用或成型过程中完成。
硬化过程表现出如下特点:
(1) 树脂在硬化前的结构因素(组成、分子量大小、反应官能度等)影响显着;(2) 硬化反应受催化剂、固化剂、树脂PH值等的影响显着;
(3) 硬化过程有热效应;
(4) 硬化速率受温度、压力的影响显着;
(5) 硬化过程有副产物(如水、甲醛等)产生;
(6) 硬化反应是不可逆过程。
2、酚醛树脂的硬化条件
酚醛树脂粉要加热到流动状态,才能形成结合剂桥。然而,如果升温速度过快,砂轮就会变形。所以必须调整出合适的硬化曲线,以保证结合剂固化,砂轮不变形。
如1所述,硬化过程中会有一定量的挥发物产生放出,其产生的压力在条件成熟时会使砂轮变形。
这种压力必须被外部压力或结合剂桥本身的强度抵消,也可以在不影响砂轮性能的情况下,使挥发物留在砂轮内而不破坏砂轮形状。能够使酚醛树脂结合剂桥树脂制造的砂轮硬化时可以快速升温,如邦瑞的超薄片专业粉BR-22200就是一类。
同时,结合剂桥的形成快慢主要取决于酚醛树脂的硬化速率,同时与湿润剂(含树脂液)的类型及树脂粉的配合及反应有密切关系。因此,设计硬化曲线时必须考虑酚醛树脂的品种和硬化速率。
3、硬化曲线的设定
在树脂砂轮制造技术中,有两种最基本的硬化曲线,所有其他的硬化曲线都是这两种曲线的转化。
1)短曲线(快速升温曲线)
升温速度较快,每小时大于10℃。曲线总时间为20至24小时。
该曲线常用来硬化酚醛树脂液做湿润剂,且砂轮配方中添加一定量的石膏填料的配方树脂砂轮。
该曲线特点是:快速硬化,采用的酚醛树脂粉的流长较短。
2)长曲线(慢速升温曲线)
适用于结合剂流动性较好(中等密度,用低粘度树脂液做湿润剂等)的树脂砂轮,硬化时升温速率较慢,每小时升温3~5℃,在120℃保温4小时左右,最高硬化温度在160~190℃之间,曲线总长为40~60小时。
我们在设计硬化曲线时,必须认真考虑曲线的升温速度、长度、最高温度及其它细节问题,并且必须经过多次试验验证。
硬化曲线设计必须遵循的原则:
大直径砂轮、高厚度砂轮,硬化时曲线在最高温度保温时间要长,以保证硬化完全;
要求砂轮不完全硬化时,曲线最高温度需调整较低些;
高硬度冷压砂轮硬化时,在105~120℃段的保温时间必须延长,以便挥发物彻底释放出;
流长极短树脂粉制作的砂轮,硬化时升温速度要快,以保证结合剂有充分的流动性,从而获得最佳的产品性能。
短曲线,低温硬化,可以生产出“软”砂轮;
相反,生产“硬”砂轮时,最高温度低于160℃,砂轮强度低,磨削作用弱,砂轮偏软;最高温度高于210℃时,硬化过度,生产的砂轮较脆,容易破损。
要精确地检测树脂砂轮的硬化程度是十分困难的,并且用处不大。
个别厂家采用的丙酮萃取法检测硬化程度,但后来发现其结果与砂轮磨削效果大相径庭。很明显,在树脂还没有硬化到足以制作可使用的砂轮时,树脂在丙酮中已经完全不溶了。
比较科学的方法是,检测树脂砂轮样块(“8”字块)的抗拉强度和抗弯强度,但与砂轮实际使用性能根本不吻合,所以意义也就不大。
更准确的事实是:许多砂轮生产厂家经过长期的生产实践和摸索,都已经制定出了一套合理的硬化曲线,还是应该坚持。
表2为树脂砂轮硬化曲线常见的设计过程。
树脂砂轮混料、硬化工艺设计 与酚醛树脂选用探讨一文已刊载完毕。
五树脂砂轮的酚醛树脂硬化机理与硬化曲线设定
酚醛树脂的固化依赖于加热反应进而完成硬化(固化)。期间,硬化的升温速率是十分关键的。
1、酚醛树脂的硬化机理
准确定义:苯酚和甲醛在合成反应设备中,通过加成和适当缩聚反应所得到的树脂,通常都是分子量不高的低聚物和各种羟甲基酚的混合体系,虽然Novolaks及Resoles以如上节所述,结构上是有差异的。
酚醛树脂只有在形成交联网状(或称体型)结构之后才具有优良的使用性能,包括力学性能、电绝缘性能、化学稳定性、热稳定性等。
酚醛树脂的硬化就是使其转变为网状结构的过程,表现出凝胶化和完全固化的两个阶段,这一转变不仅是物理过程,也是一个化学过程。所以酚醛树脂的硬化绝不是熔体冷却到熔点以下的一般意义上的固化,而是高分子化学概念上的由线(支)型分子交联(cure)成网状分子导致失去可溶、可熔性的固化。
酚醛树脂硬化后,在获得优良物理性质的同时,又失去了可溶、可熔性,不再有可加工性。因而其固化过程必然应在以酚醛树脂(Novolaks或Resoles)为粘结剂组成的塑料、油漆涂料及各种各样工程材料的使用或成型过程中完成。
硬化过程表现出如下特点:
(1) 树脂在硬化前的结构因素(组成、分子量大小、反应官能度等)影响显着;(2) 硬化反应受催化剂、固化剂、树脂PH值等的影响显着;
(3) 硬化过程有热效应;
(4) 硬化速率受温度、压力的影响显着;
(5) 硬化过程有副产物(如水、甲醛等)产生;
(6) 硬化反应是不可逆过程。
2、酚醛树脂的硬化条件
酚醛树脂粉要加热到流动状态,才能形成结合剂桥。然而,如果升温速度过快,砂轮就会变形。所以必须调整出合适的硬化曲线,以保证结合剂固化,砂轮不变形。
如1所述,硬化过程中会有一定量的挥发物产生放出,其产生的压力在条件成熟时会使砂轮变形。
这种压力必须被外部压力或结合剂桥本身的强度抵消,也可以在不影响砂轮性能的情况下,使挥发物留在砂轮内而不破坏砂轮形状。能够使酚醛树脂结合剂桥树脂制造的砂轮硬化时可以快速升温,如邦瑞的超薄片专业粉BR-22200就是一类。
同时,结合剂桥的形成快慢主要取决于酚醛树脂的硬化速率,同时与湿润剂(含树脂液)的类型及树脂粉的配合及反应有密切关系。因此,设计硬化曲线时必须考虑酚醛树脂的品种和硬化速率。
3、硬化曲线的设定
在树脂砂轮制造技术中,有两种最基本的硬化曲线,所有其他的硬化曲线都是这两种曲线的转化。
1)短曲线(快速升温曲线)
升温速度较快,每小时大于10℃。曲线总时间为20至24小时。
该曲线常用来硬化酚醛树脂液做湿润剂,且砂轮配方中添加一定量的石膏填料的配方树脂砂轮。
该曲线特点是:快速硬化,采用的酚醛树脂粉的流长较短。
2)长曲线(慢速升温曲线)
适用于结合剂流动性较好(中等密度,用低粘度树脂液做湿润剂等)的树脂砂轮,硬化时升温速率较慢,每小时升温3~5℃,在120℃保温4小时左右,最高硬化温度在160~190℃之间,曲线总长为40~60小时。
我们在设计硬化曲线时,必须认真考虑曲线的升温速度、长度、最高温度及其它细节问题,并且必须经过多次试验验证。
硬化曲线设计必须遵循的原则:
大直径砂轮、高厚度砂轮,硬化时曲线在最高温度保温时间要长,以保证硬化完全;
要求砂轮不完全硬化时,曲线最高温度需调整较低些;
高硬度冷压砂轮硬化时,在105~120℃段的保温时间必须延长,以便挥发物彻底释放出;
流长极短树脂粉制作的砂轮,硬化时升温速度要快,以保证结合剂有充分的流动性,从而获得最佳的产品性能。
短曲线,低温硬化,可以生产出“软”砂轮;
相反,生产“硬”砂轮时,最高温度低于160℃,砂轮强度低,磨削作用弱,砂轮偏软;最高温度高于210℃时,硬化过度,生产的砂轮较脆,容易破损。
要精确地检测树脂砂轮的硬化程度是十分困难的,并且用处不大。
个别厂家采用的丙酮萃取法检测硬化程度,但后来发现其结果与砂轮磨削效果大相径庭。很明显,在树脂还没有硬化到足以制作可使用的砂轮时,树脂在丙酮中已经完全不溶了。
比较科学的方法是,检测树脂砂轮样块(“8”字块)的抗拉强度和抗弯强度,但与砂轮实际使用性能根本不吻合,所以意义也就不大。
更准确的事实是:许多砂轮生产厂家经过长期的生产实践和摸索,都已经制定出了一套合理的硬化曲线,还是应该坚持。