一、前言
　　聚氨酯樹脂砂輪作為彈性拋光磨具已越來越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域工件的精磨拋光，但由于普通聚氨酯樹脂砂輪在磨削過程中，與高速旋轉(zhuǎn)的工件表面高壓接觸產(chǎn)生高溫時(shí)明顯變軟，導(dǎo)致磨料過早脫落，結(jié)合劑粘附于工件表面，產(chǎn)生污點(diǎn)，影響了被加工工件表面的光澤。本文從聚氨酯結(jié)合劑的結(jié)構(gòu)及生成原理入手，列舉近三十個(gè)配方范例，具體詳細(xì)地介紹了無以上缺點(diǎn)的聚氨酯結(jié)合劑及砂輪的制造方法。依照此辦法制成的磨具柔軟有彈性抗破裂，在使用過程中與工件表面相吻合，不產(chǎn)生振動(dòng)痕跡，另外，還具有抗阻塞性能，在高的操作速度和高壓下磨削工件不產(chǎn)生涂污工件和磨具變鈍現(xiàn)象。加工出令人滿意的精密工件。
　　二、聚氨酯結(jié)合劑砂輪的原料及制造工藝
　　本文認(rèn)為這種高速高壓下操作不產(chǎn)生阻塞、不涂污工件的磨具特性與結(jié)合劑材料的玻璃化溫度及玻璃化轉(zhuǎn)變完全發(fā)生的溫度范圍(這里被稱為玻璃化轉(zhuǎn)變范圍)有關(guān)。已經(jīng)證明這種聚氨酯結(jié)合劑材料必須具有大于約10℃的玻璃化溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變范圍大于約70℃。它是由以下幾種化合物聚合而成：a)含活性氫官能團(tuán)的短鏈單體；b)含活性氫官能團(tuán)的長鏈二烯預(yù)聚體；c)聚異氰酸酯；d)交聯(lián)引發(fā)劑。
　　1. 原料
　　a. 含活性氫官能團(tuán)的短鏈單體
　　短鏈單體的活性氫官能度為2-3，平均分子量小于200。活性氫官能度涉及到分子中的羥基數(shù)、胺基數(shù)、羧基數(shù)及硫醇數(shù)，它可以是脂肪族的或芳香族的。比較合適的有二乙醇胺，二乙基甲苯二胺，乙烯乙二醇，戊二醇，辛二醇，和由此形成的混合物。
　　短鏈單體最好含活性氫官能度為2，由于它在聚氨酯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中不提供另外的交聯(lián)，因此，不會(huì)降低結(jié)合劑的彈性。
　　做高交聯(lián)低彈性的砂輪時(shí)，短鏈單體的平均活性氫官能度大于2，比如三醇或更高官能的多元醇。然而，當(dāng)這些三醇或更高官能的多元醇在能聚合的混合物中提供的活性氫官能點(diǎn)大于約5%時(shí)，制成砂輪的研磨效率(工件切除量與砂輪消耗量之比)降低。因此，通常情況下，短鏈單體的官能度大于2小于5最好。
　　此外，在聚氨酯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中引入尿結(jié)構(gòu)比較理想，可以在短鏈單體成分中加入短鏈二胺。雖然，在這種情況下，最終反應(yīng)產(chǎn)物是聚脲亞胺酯，但是為簡(jiǎn)便起見，在這里聚氨酯包括聚氨基甲酸酯和聚脲亞胺酯。
　　b. 含活性氫官能團(tuán)的長鏈二烯預(yù)聚體
　　此二烯預(yù)聚體應(yīng)該具有平均活性氫官能度為2-3，平均分子量為1000-5000，較合適的由羥基、羧基、硫醇和二胺的二烯預(yù)聚體，如聚丁二烯。所有這些二烯預(yù)聚體中，平均分子量大約2800，平均活性氫官能度大約在2.4-2.6之間的長鏈二烯預(yù)聚體效果最好。
　　c. 聚異氰酸酯
　　所使用的聚異氰酸酯平均異氰酸酯官能度大約為2-2.3，可以是脂肪族的，環(huán)脂族的，芳基脂肪族的，芳香族的，雜環(huán)的或它們的混合物，比較合適的材料有：1，6-六亞甲基二異氰酸酯，1，4-環(huán)己烷二異氰酸酯，亞芐基二異氰酸酯，二苯甲烷二異氰酸酯，亞萘基-1，5-二異氰酸酯等等，和它們的混合物。
　　d. 交聯(lián)引發(fā)劑：
　　所使用的交聯(lián)引發(fā)劑是一些自由基引發(fā)劑，最好是有機(jī)過氧化物。合適的有機(jī)過氧化物包括：叔丁基過氧化異丁酯，過氧化苯甲酰，過氧化環(huán)己酮，過氧化二異丙苯，叔丁基過氧化氫，對(duì)-蒎烷過氧化氫等。
　　e. 改性組份：
　　除了以上所規(guī)定的成分以外，該反應(yīng)混合物也可以加入含活性氫官能團(tuán)的長鏈飽和預(yù)聚體，該預(yù)聚體的平均活性氫官能度為2-4，平均分子量為500-4000，比較合適的活性氫官能團(tuán)長鏈飽和預(yù)聚體是端胺或端羥基的聚四亞甲基醚，它的活性氫官能度為2，平均分子量大約為1250-2000。
　　f. 助劑：
　　在聚氨酯砂輪的制造過程中，可以隨意地加入發(fā)泡劑、潤滑劑、增塑劑、稀釋劑、填充劑加強(qiáng)纖維、染色劑和操作助劑。所使用的發(fā)泡劑包括水和易揮發(fā)的碳?xì)潲u化物液體，它的商業(yè)名字叫“氟利昂”。所使用的操作助劑包括鈦酸酯偶聯(lián)劑或分散劑，幫助磨料在結(jié)合 劑中的分散，硅表面活性劑改善組織結(jié)構(gòu)和發(fā)泡制品的均勻性。
　　g. 磨料：
　　生產(chǎn)磨具所用的磨料包括碳化硅、氧化鋁、石榴石、金剛砂、云母、剛玉、石英、金剛石、碳化硼、燒結(jié)氧化鋁、熔融氧化鋁及其混合物。用于木材加工的較理想的磨料是金剛砂和氧化鋁，粒度從24號(hào)-400號(hào)(平均磨粒尺寸從0.710mm-0.038mm)；應(yīng)用于金屬加工較理想的磨料是碳化硅和氧化鋁，粒度也是從24號(hào)-400號(hào)。磨料與結(jié)合劑的比例為2：1到4：1。
　　2. 制造工藝
　　短鏈單體、長鏈二烯預(yù)聚體和長鏈飽和預(yù)聚體以相關(guān)的量混合生成玻璃化溫度大于10℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍大于70℃的可聚合的混合物。短鏈單體的加入量應(yīng)能提供50%-85%的無發(fā)泡劑活性氫官能點(diǎn)，其他兩個(gè)長鏈預(yù)聚體提供剩余的15%-50%的無發(fā)泡劑活性氫官能點(diǎn)，其中長鏈二烯預(yù)聚體的含量較大，占兩個(gè)預(yù)聚體提供的無發(fā)泡劑活性氫官能點(diǎn)的50%-80%。
　　形成交聯(lián)聚氨酯結(jié)合劑的聚合反應(yīng)可以分兩步進(jìn)行。
　　第一步：聚氨酯軟鏈段的生成，在大約20℃-125℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)然，溫度的選擇取決于反應(yīng)產(chǎn)物的生成速度和它的物理性能。聚氨酯的生成反應(yīng)在大約50℃-100℃下進(jìn)行最好。
　　在這個(gè)溫度聚氨酯催化劑的使用也很理想。這種催化劑通常用來催化異氰酸酯與活性氫化合物之間的反應(yīng)。
　　第二步：聚氨酯軟鏈段的交聯(lián)，同樣在較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。溫度的選擇取決于交聯(lián)鏈的量、交聯(lián)引發(fā)劑的分解速度和聚氨酯的熱降解性。當(dāng)使用過氧化物交聯(lián)引發(fā)劑時(shí)，交聯(lián)反應(yīng)最好在100℃-120℃范圍內(nèi)進(jìn)行。
　　三、舉例說明
　　下面舉例說明聚氨酯砂輪的具體制作過程。
　　1. 磨木材用聚氨酯砂輪
　　(1) 配方
　　例1-例8和對(duì)比樣A-對(duì)比樣D的配方如下表1：
　　表1
　　例子成分活性氫%
　　重量%
　　例1長鏈飽和預(yù)聚體6.42.89
　　長鏈二烯預(yù)聚體17.69.32
　　2官能度短鏈單體72.01.46
　　二乙基甲苯二胺4.00.16
　　發(fā)泡劑0.06
　　異氰酸酯8.31
　　叔丁基過氧化-2-乙基己酸酯0.78
　　鈦酸酯偶聯(lián)劑(1)0.17
　　硅氧烷表面活性劑(1)0.44
　　有機(jī)叔胺鹽和有機(jī)金屬化合物(3：1比例)0.02
　　C7，C9，C11的二烴基鄰苯二甲酸酯1.39
　　磨料(60號(hào)/0.25mm)75.00
　　密度(g/cm3)1.28
　　砂輪厚度(mm)50
　　模壓時(shí)間和溫度(min/℃)20/65
　　烘箱固化時(shí)間和溫度(min/℃)60/110
　　
　　例2長鏈飽和預(yù)聚體10.54.7
　　長鏈二烯預(yù)聚體10.55.73
　　2官能度短鏈單體73.01.47
　　3官能度短鏈單體6.00.12
　　發(fā)泡劑0.11
　　異氰酸酯8.5
　　2.5-二甲基-2.5-叔丁基過氧化己烷0.12
　　C7，C9，C11的二烴基鄰苯二甲酸酯1.65
　　催化劑0.01
　　金剛砂77.59
　　密度(g/cm3)1.39
　　砂輪厚度(mm)25
　　模壓時(shí)間和溫度(min/℃)30/100
　　烘箱固化時(shí)間和溫度(min/℃)60/150
　　
　　例3長鏈二烯預(yù)聚體30.014.05
　　2官能度短鏈單體64.01.13
　　3官能度短鏈單體6.00.11
　　發(fā)泡劑0.11
　　異氰酸酯7.78
　　叔丁基過氧化-2-乙基己酸酯0.82
　　鈦酸酯偶聯(lián)劑(1)0.15
　　催化劑0.01
　　C7，C9，C11的二烴基鄰苯二甲酸酯1.44
　　金剛砂74.4
　　密度(g/cm3)1.28
　　砂輪厚度(mm)25
　　模壓時(shí)間和溫度(min/℃)20/100
　　烘箱固化時(shí)間和溫度(min/℃)60/110
　　
　　例4長鏈二烯預(yù)聚體30.014.05
　　2官能度短鏈單體70.01.24
　　發(fā)泡劑0.11
　　異氰酸酯7.78
　　叔丁基過氧化-2-乙基己酸酯0.82
　　鈦酸酯偶聯(lián)劑(1)0.15
　　C7，C9，C11的二烴基鄰苯二甲酸酯1.44
　　催化劑0.01
　　金剛砂(60號(hào))74.40
　　密度(g/cm3)1.24
　　砂輪厚度(mm)25
　　模壓時(shí)間和溫度(min/℃)20/100
　　烘箱固化時(shí)間和溫度(min/℃)60/110
　　
　　例5長鏈飽和預(yù)聚體5.62.70
　　長鏈二烯預(yù)聚體15.48.73
　　2官能度短鏈單體75.01.63
　　二乙基甲苯二胺4.00.17
　　發(fā)泡劑0.07
　　異氰酸酯8.90
　　叔丁基過氧化-2-乙基己酸酯0.78
　　鈦酸酯偶聯(lián)劑(1)0.17
　　硅烷表面活性劑(1)0.44
　　有機(jī)叔胺鹽和有機(jī)金屬化合物(3：1)0.02
　　C7，C9，C11混合的二烴基鄰苯二甲酸酯1.39
　　金剛砂(60號(hào))75.00
　　密度(g/cm3)1.26
　　砂輪厚度(mm)50
　　模壓時(shí)間和溫度(min/℃)20/65
　　烘箱固化時(shí)間和溫度(min/℃)60/110