砂轮用聚酰亚胺胶粘剂的研究现状

白俊敬

(郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州 450002)

砂轮用聚酰亚胺胶粘剂的研究现状

白俊敬

(郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州 450002)

聚酰亚胺树脂是一种耐高温、高强度的工程塑料，它可用于制造金刚石砂轮，使砂轮的耐热性得到改善。本文从耐高温性、可加工性、高粘结性、耐磨性等方面概述了聚酰亚胺作为金刚石砂轮结合剂的优越性，实践证明，聚酰亚胺胶粘剂具有优异的耐热和高温粘接性能，用其制造的金刚石砂轮耐磨性优于酚醛砂轮。

聚酰亚胺;胶粘剂;耐高温;可加工性;高粘结性;耐磨性

Abstract:Polyimide resin is a high strength and heat resistant engineering plastic，which is applied in diamond wheel manufacturing and has improved heat resistance of the wheel.Superiority as the bond resin of grinding wheel are presented based on the high heat resistance，processability，high coherence and wearability.The experiment also indicates that the polyimide adhesives exhibite good thermal stabilities and excellent adhesive properties at elevated temperature，and grinding experiment shows that the wear resistance，grinding efficiency and workpiece surface quality of polyimide resinoid bond diamond wheel are superior to those of phenolic resinoid diamond wheels.

Key words:polyimide resin;adhesive;high heat resistance;processability;high coherence;wear resistance

1 前言

聚酰亚胺树脂是一类性能优良的耐高温、高强度的工程塑料，不仅耐热性能好，而且挥发物少，化学稳定性也好，广泛地应用于航天工业、电子工业、电气材料工业和汽车工业等领域。上世纪70年代，在德国汉诺威国际机床工具展览会上，美国首次展出了用聚酰亚胺胶粘剂制造的金刚石砂轮，随后聚酰亚胺作为胶粘剂在砂轮制造业中的使用在世界扩展开来。采用这种胶粘剂制造的砂轮热稳定好，如欧洲kinel系列砂轮专用胶粘剂制造的砂轮，可以在250℃温度下长期使用。同时由于用这种胶粘剂制造的砂轮可以在较高的磨削速度和较大的进刀量条件下工作，可以大大节约加工工时费用。此外，这类砂轮的耐用度也比用酚醛树脂作为胶粘剂制造的砂轮高出许多。我国用聚酰亚胺作为胶粘剂制造砂轮，始于上世纪70年代末期，经过多年的发展，国内聚酰亚胺粘合剂金刚石砂轮的产量已达相当规模，在一些厂家聚酰亚胺胶粘剂已基本取代了酚醛树脂粘合剂。

2 目前砂轮用结合剂的现状

砂轮是碳化硅、氧化铝、金刚砂、氮化硼等细小颗粒借助胶粘剂结合之后成型，再经烧制而成。这种新型胶粘剂制备的砂轮不仅耐热、耐压性能好，而且粘接强度特别高。目前国内金刚石砂轮所用结合剂主要是酚醛树脂及改性的酚醛树脂。实践证明，酚醛树脂在使用过程中存在以下不足:①耐热温度不高，有部分金刚石未充分发挥作用而早脱落，使其利用率降低，表现为砂轮不耐磨;②固化时必须加入固化剂乌洛托品，如果工艺条件控制不当，固化过程中产生的气体使砂轮组织出现气孔，有时致使砂轮报废;③不论在砂轮的制造还是使用过程中，经常散发出难闻的气体;④当进刀量大时，砂轮经常出现龟裂。针对这些问题，武汉工业大学研制成功金刚石砂轮用超细增韧聚酰亚胺树脂粉(简称DIAPI)，使用效果普遍反映较好，而且价格比939P树脂粉便宜[1]。

3 聚酰亚胺树脂的特性

3.1 耐高温性

由于砂轮在工作时产生大量的热，因此作为砂轮用结合剂聚酰亚胺必须具备耐高温性能。早期开发的一般为缩合型聚酰亚胺胶粘剂，由于聚酰胺酸在固化反应过程中会有水分子生成，易带来缺陷，不适于大面积粘接[2]。后来人们开发了热塑性聚酰亚胺胶粘剂，可以加热熔融对材料进行粘接，但其玻璃化转变温度Tg较低，一般不超过250℃，因此高温粘接性能不够理想[3－4]。而加成型聚酰亚胺胶粘剂，不但高温粘接性能更优异，还具有良好的加工性能。这类胶粘剂通常以具有反应性封端基团的酰亚胺预聚体的形式使用，预聚体在一定温度下熔融流动，经进一步升温封端基反应交联得到体型结构的聚酰亚胺，因而耐热性能优异;并且无小分子放出，满足砂轮用结合剂的需要。典型的为双马来酰亚胺型的聚酰亚胺。目前，商业化的双马来酰亚胺树脂品种相对比较单一，主要有4，4′－二氨基二苯甲烷型双马来酰亚胺、1，3－二氨基苯型双马来酰亚胺树脂等[5]。

3.2 可加工性

近年来，在磨料磨具生产中，树脂结合剂磨具的比例正在逐年增加，为了易于加工，降低砂轮加工的成本，聚酰亚胺必须具有良好的溶解性能，可以在N－甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)和二甲基甲酰胺(DMF)等极性溶剂中完全溶解，因此，可以在聚酰亚胺结构上悬挂侧链或者引入醚键等柔性基团，对于规整的化合物，通过共聚破坏其对称性和规整度来增加其可溶性。例如引入芳氮杂环和制备含氟的聚酰亚胺，其中有印杰等[6－7]将含氟基团()和长链亚甲基、醚键引入聚酰亚胺结构中;另外，还可以通过化学亚胺化的手段来提高其可溶性。美国和日本合成了一些热塑性聚酰亚胺，改善了聚酰亚胺的加工性，在聚酰亚胺骨架结构中引入全间位的醚键结构，可以大大改善聚酰亚胺的加工性能。Yanmaguchi等和Kumar等利用全间位1，3－双(4－氨基苯氧基)苯(BAPB)单体，与其它各种二配单体合成了多种易加工的醚型聚酰亚胺，并研究了化学结构与玻璃化转变温度间的关系，认为全间位单体结构可使聚酰亚胺在保持良好的力学、热学性能的同时，大大改善加工性能[8]。杜宏伟等[9]选用带有醚键的二酐 3，3′，4，4′－ 三苯二醚四酸二酐(HQDPA)和带有侧基的二胺3，3′－甲基4，4′－二氨基二苯甲烷(DMMDA)，通过低温溶液缩聚—化学亚胺化法合成了一种国内鲜见报道的有机可溶性聚酰亚胺。该聚合物能很好地溶解在强极性溶剂NMP、DMF和THF中，而不溶于一般的弱极性或非极性溶剂中，比如乙醇、甲苯、己烷和石油醚等，但能迅速地溶解在氯仿中。同时，与其它类型的聚合物相比，聚酰亚胺的玻璃化转变温度很高。

3.3 高粘结性

作为树脂结合剂，首先应具有粘结性能好、粘结强度高的特点。一般热固性聚酰亚胺的粘接性能是由固化过程中树脂的熔体流动性、树脂的固化反应程度以及固化交联反应引起的固化收缩程度这几方面综合决定的。彭进等[10]通过试验对国产三种聚酰亚胺树脂粉的熔点、固化时间、流动性、抗击性能、硬度等理化性能分析比较，并对其在立方氮化硼(CBN)砂轮上的应用进行磨削对比试验，发现含大量小分子的树脂其流动性好，但同时也降低了树脂的力学性能，而且热压时容易导致溢流，不利于加工成型。而凝胶时间表明，树脂磨具硬化所需的时间短，故在树脂磨具的热压过程中，放气的时间应控制好，以免其硬化太快而使挥发物不能及时逸出而导致产生发泡等缺陷。对于预聚体分子量较大者，其交联密度小，因此其树脂的韧性好，比较适合制造精磨与抛光砂轮;交联度过大易造成脆性，因此对于结构相同的聚酰亚胺树脂，应根据性能不同选择合适的合成工艺。

3.4 耐磨性

树脂砂轮的耐磨性与树脂的耐温高低有直接关系。由于砂轮在磨削过程中放出大量的热导致树脂分解或软化，粘结力下降，磨料大量脱落，使得在实际磨削应用中，昂贵的超硬材料没有完全磨削充分发挥其效用，严重影响了磨具的磨削效率和磨削比，同时也造成了很大的浪费。因此，目前国内广泛选用了耐热性更好的聚酰亚胺树脂代替传统的酚醛树脂用于砂轮等超硬树脂磨具[11－13]。而金刚石砂轮磨削性能的好坏与砂轮的显微结构有关，程蓓等[1]用扫描电镜观察了砂轮的断裂面和磨削面的微观状态，发现酚醛树脂金刚石砂轮在磨削过程中，金刚石颗粒周围的树脂被烧蚀，形成了明显的空洞，金刚石颗粒随时都可能脱落，而磨削前的断裂面显示:金刚石颗粒均匀的分布在酚醛砂轮中，砂轮组织致密，无气孔存在。相比酚醛树脂，聚酰亚胺金刚石砂轮的磨削面和金刚石砂轮周围的树脂颗粒被烧蚀和炭化的情况明显小于酚醛树脂砂轮，主要是由于聚酰亚胺的耐热性优于酚醛树脂的结果，因此其耐磨性能优于酚醛树脂砂轮。

4 砂轮用聚酰亚胺结合剂的展望

虽然我国聚酰亚胺树脂结合剂开发和应用已有二十余年历史，但在砂轮结合剂方面应用范围较窄、规格品种也较少，结合剂配方单一。因此，要满足砂轮应用需求，要在提高玻璃化温度、可加工性方面加大研发力度，主要途径是通过结构的设计和改性来改善聚酰亚胺结合剂的耐高温和可加工性能。另外，可以利用聚酰亚胺的特性，在尽量降低成本的基础上制造出寿命长、性能好的树脂砂轮结合剂，从而满足应用的需要。

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Research Present Status of the Po1yimide Resinoid Adhesives Used in Diamond Grinding Whee1

BAI Jun－jing
(School of Material and Chemical Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China)

TQ437.9

A

1003－3467(2010)05－0021－03

2009－11－30

郑州轻工业学院博士基金资助项目(000392)

白俊敬(1980－)，女，在读研究生，研究方向为新型有机材料的合成，电话:13939042517。