АБРАЗИВНО-ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО ШЛИФОВАЛЬНО-ПОЛИРОВАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
ABRASIVE-POROUS COMPOSITION FOR PRODUCTION OF POROUS GRINDING TOOL

Предлагаемое изобретение относится к полимерным композициям для изобретения пористого эластичного абразивного инструмента, предназначенного для поверхностной обработки изделий сложного профиля, в том числе и крупногабаритных.
Известна полимерная композиция на основе поливинилформаля для изготовления высокопористого абразивного инструмента, которая включает в себя (в мас. ч.):
поливиниловый спирт А
100
выравниватель А
10
формалин
18-20
поваренная соль
29-30
соляная кислота
10-14
абразивный наполнитель
120-220
краситель
0,12
(«Технологический процесс производства абразивных полировальных кругов» ТП 0. 1201.00001 Иршавского абразивного завода, ТУ 2-36-751-78).
Эта композиция имеет низкую прочность из-за плохой адгезии поливинилформалиновой связки к абразивным наполнителям и не является эластичной, что не пoзвoляет использовать ее для обработки сложных профилей крупногабаритных изделий.
Известна полимерная композиция на основе эпоксиновалачной связки для абразивного инструмента (патент США № 3510233, кл. 51-295, опубл. 1976 г.), в котором с целью обеспечения пористости и эластичности используют нетканые пористые волокнистые маты. Полученная композиция используется при следующем соотношении компонентов, мас. ч:
фенилформальдегидная смола
47-75
эпоксидная смола
53-25
катализатор
0,5
нетканые волокнистые маты
30-450
абразивный наполнитель
150-950
Недостатками данной полимерной композиции являются невысокая прочность (разрушающее напряжение при растяжении 17,2 фунта на 1 дюйм ширины, что при толщине 0,5 дюйма составляет 0,22 МПа), сложная технология изготовления инструментов на основе этой композиции (более 12 операций), неравномерная пористость и низкая рабочая скорость инструмента (не более 12 м/с).
8
Известна также (патент RU 2293747 с1, МПК С08J 5/14, C09G 1/16, опубл. 20.07.2007) абразивно-полимерная композиция для изготовления пористого полировального инструмента, содержащая (мас.%) от 64,0 до 72,0 карбида кремния или электрокорунда; от 16,0 до 18,0 мелкодисперсного мела; от 7,7 до 15,3 олигомерного карбоксилатного дивинильного или дивинилнитрильного каучука; от 1,8 до 3,8 эпоксидиановой смолы ЭД-20; от 0,2 до 0,4 оксида цинка; от 0,1 до 0,2 тиурама Д; от 0,1 до 0,2 азоизобутиронитрила и от 0,1 до 0,2 блоксополимера полиорганосилоксана и полиоксиалкилена.
Недостатками абразивных инструментов на основе этой композиции являются сравнительно невысокие их прочностные характеристики (σp от 2,5 до 3,6 MПa), а также отсутствие в настоящее время в стране промышленного производства олигомерных карбоксилантных каучуков.
Известно, что высокими деформационно-прочностными характеристиками и износостойкостью характеризуются композиционные материалы на основе полиуретановых каучуков.
6
Прототипом предлагаемого изобретения является абразивно-полиуретановая композиция для пористого полировально-шлифовального инструмента (патент RU 2069143, MПK D24L, 3/26; С08D 75/04, опубл. 20.11.1996), содержащая (мас.%) от 70 до 85 абразивное наполнителя, от 14,6 до 29,8 полиуретанового связующего, от 0,1 до 0,2 кристаллогидрата неорганической соли и от 0,1 до 0,2 поверхностно-активного вещества. При этом полиуретановое связующее содержит в своем составе гидроксилсодержащий полиэфир, двух- и трехатомный спирт и полиизоцианат при следующем соотношении компонентов, моль:
гидроксилсодержащий полиэфир
1,0
двухатомный спирт
0,5-0,9
тpexaтoмный спирт
0,1-0,5
полиизоцианат
1,65-3,45
Недостатком состава, выбранного в качестве прототипа, является то, что изготовленный из этой композиции абразивный инструмент характеризуется недостаточно высокими прочностными характеристиками, не позволяющими увеличить рабочую скорость вращения инструмента свыше 48-55 м/с и тем самым повысить производительность труда при его использовании на операциях шлифования и полирования.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в разработке абразивно-полимерной композиции, лишенной недостатка, присущего композициям, соответствующим прототипу, а именно разработке рецептуры полиуретановой абразивной композиции, характеризующейся улучшенными прочностными свойствами при сохранении, по крайней мере, на том же уровне их деформационных свойств.
Пocтaвлeннaя задача достигается путем использования новых компонентов связующих, а именно различных по своей природе и химическому строению соединений, обеспечивающих при их совместном введении в состав связующих синтез полиуретанов с оптимальным сочетанием в их структype фрагментов , получаемых при взаимодействии изоцианатных и аминных групп, и фрагментов , получаемых при взаимодействии изоцианатных и гидроксильных групп.
4
2
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предложена абразивно-полимерная композиция для изготовления пористого шлифовально-полировального инструмета, coдepжaщaя абразивный наполнитель (карбид кремния или электрокорунд и мелкодисперный мел), пoлиypeтaнoвoe связующее на основе гидроксилсодержащего олигомерного полиоксипропиленового полиэфира (с содержанием гидроксильных групп от 2,8 до 3,4 мас.%), диэтиленгликоля, пентаэритрита и 3,3-дихлор-4,4-диаминодифенилметана (так называемый диамет «х») и толуилендиизоцианата (Т-65), а также кристаллогидрат сульфата кальция (CaSO·2HO) и блоксонолимер полиорганосилоксана и полиоксиалкилена (КЭП-2), компоненты которой находятся в следующем соотношении, мас.%:
карбид кремния или электрокорунд
55,6-67,8
мелкодисперсный мел
13,8-16,9
гидроксилсодержащий олигомерный
полиоксипрониленовый полиэфир
10,2-20,4
диэтиленгликоль
0,15-0,30
пентаэритрит
0,23-0,45
3.3-дихлор-4,4-диаминодифенилметан
1,05-2,10
(диамет «х»)
толуилендиизоцианат (Т-65)
3,37-6,75
кристаллогидрат сульфата кальция
0,10-0,20
блоксополимера полиорганосилоксана и
полиоксиалкилена (КЭП-2)
0,20-0,40
2
В качестве абразивного наполнителя используются карбид кремния или электрокорунд с величиной зерна от 20 до 200 мкм, а также мелкодисперсный мел с удельной поверхностью от 1,5 до 2,0 м/г. Количество и вид абразивного наполнителя выбираются в зависимости о назначения инструмента. Могут быть использованы, например, черный и зеленый карбид кремния, нормальный и белый электрокорунд, а также их смеси с мелкодисперсным мелом.
Граничные пределы содержания компонентов определяются экспериментально и обусловлены необходимость создания абразивного инструмента, удовлетворяющего предъявляемым требованиям по комплексу прочностных и эластических cвoйcтв, а также требованиям технологического процесса его приготовления. При содержании связующего менее 20 мас.% в состaвax на основе карбида кремния и менее 15% в составах на основе электрокорунда значительно возрастает вязкость массы, что препятствует использованию для изготовления абразивного инструмента технологии свободного литья. При большем чем 30 мас.% содержании связующего в составах на основе карбида кремния и более чем 25 мас.% в состaвax на основе электрокорунда получается инструмент с низким коэффициентом шлифования, что обуславливает увеличение его расхода при эксплуатации.
Ограничения но содержанию в полиэфире гидроксильных групп в пределах от 2,8 до 3,4 мас.% обусловлено тем, что при содержании гидроксильных групп менее 2,8% (что соответствует величине молекулярной массы полиэфира, равной 1200 у.е.) возрастает вязкость абразивных композиций, что приводит к ухудшению условий проведения технологического процесса с использованием технологии свободного литья. При использовании полиэфира, содержащего более 3,4 мас.% гидроксильных групп (что соответствует величине молекулярной массы полиэфира, равной 1000 у.е.), абразивный инструмент характеризуется недостаточно высокими прочностными свойствами.
Соотношение между гидроксилсодержащим полиэфиром, двухатомным (диэтиленгликоль) и четырехатомным (пентаэритрит) спиртами, диаметом «х» и толуилендиизоцианатом определяется экспериментально при оптимальном соотношении вязкости и живучести неотвержденных композиций, температуры и времени отверждения, а также прочности и эластичности абразивного инструмента.
4
2
Количество газообразователя (CaSO·2НO) и поверхностно-активного вещества (КЭП-2) определяется экспериментально в зависимости от необходимого содержания пор в абразивном инструменте.
Абразивно-полимерную композицию готовят по так называемому «двухстадийному» методу. Первая стадия состоит в получении на основе гидроксилсодержащего полиэфира и толуилендиизоцианата форполимера с концевыми изоцианатными группами. Вторая стадия представляет собой процесс смешения синтезированного на первой стадии форполимера с остальными компонентами связующего и наполнителями с последующим отверждением полученной массы при ее нагревании.
Пример.
Для приготовления 1 кг абразивно-полиуретановой композиции (соответствующей рецептуре состaвa К-80 см. таблицу) берем компоненты в следующих количествах:
карбид кремния марки 54 C-F100
638 г
(с величиной зерна 120 мкм)
мелкодисперсный мел марки МТД-2
159 г
(с величиной уд. поверхности 1,5 г/м<sup>2</sup>)
гидроксилсодержащий олигомерный
олиоксипропиленовый эфир с
содержанием ОН-группы, равным 3,09%
(что cooтветствует MM ≈ 1100 у.е.)
136 г
толуилендиизоцианат Т-65
45 г
диэтиленгликоль
2,0 г
пентаэритрит
3,0 г
диамет «х»
14,0 г
CaSO<sub>4</sub>·2Н<sub>2</sub>O
1,0 г
КЭП-2
2,0 г
4
2
На первой стадии процесса в смеситель СПУ-2 с объемом 2,0 л, снабженный планетарной мешалкой, рубашкой для обогрева или охлаждения и приспособлениями для вакуумирования, помещают 136 г полиэфира, который при температуре 80-85°С, остаточном давлении в пределах от 5 до 10 мм рт.ст. и постоянном перемешивании высушивается от остаточной влаги в тeчeние 1 часа, а затем охлаждается до температуры 18-20°С. Затем в смеситель добавляется 45 г толуилендиизоцианата. Полученная таким образом двухкомпонентная смесь перемешивается в течение 40-45 минут при остаточном давлении 5-10 мм pт.cт. и температуре, не превышающей 25-30°С. К полученному таким образом форполимеру сначала добавляют овальные жидкие компоненты композиции: 2 г диэтиленгликоля и 2 г КЭП-2. Смесь перемешивается в течение 15-20 минут, а затем в смеситель добавляют в несколько приемов твердые компоненты композиции: 638 г карбида кремния, 159 г мела, 3 г пентаэритрита, 14 г диамета «х» и 1 г CaSO·2НO.
Время смешения всех компонентов - 1 час, температура смешения - не выше 20-25°С, ocтаточное давление - 5-10 мм рт.ст.
Полученная в результате смешения всех компонентов вязкотекучая гетерогенная масса переносится (выливается) в металлическую форму, на внутреннюю поверхность которой предварительно нанесено антиадгезионное покрытие. Степень заполнения формы, в зависимости oт требуемой пористости отвержденного изделия, составляет от 0,5 до 0,6 объема. Затем форма герметично закрывается и помещается в термостат, где в процессе ее нагревания при взаимодействии форполимера со спиртами и диаметом «х» происходит процесс образования полиуретана, а при дегидратации кристаллогидрата сульфата - выделение свободной воды, вступающей во взаимодействие с изоцианатными группами форполимера с образованием углекислого газа, обуславливающего образование необходимой пористости изделия. Температура нагревания - 105±5°С, время нагревания - от 12 до 18 часов. Конкретные рецептуры составов по предлагаемому изобретению, а также некоторые свойства и эксплуатационные показатели изготовленных из этих составов абразивных кругов приведены в таблице. Здесь же для сравнения приведены рецептуры и свойства аналогичных изделий, соответствующих составу-прототипу.
Как видно из данных, приведенных в таблице, предлагаемые составы отличаются от составов-прототипов лучшими прочностными и деформационными характеристиками, что позволяет без ухудшения качества обработки поверхности металла увеличить рабочую скорость вращения абразивных кругов, например, на операциях шлифования изделий из латуни с 48-55 м/с до 57-62 м/с.