改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具及其制备方法

摘要

本发明涉及磨具技术领域，具体涉及一种改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具及其制备方法。所述磨具由磨料、辅助填料和改性结合剂组成；所述改性结合剂包括三聚氰胺甲醛树脂粉和改性纳米添加剂；各原料重量份数组成为：3～30份磨料，5～60份辅助填料，30～80份三聚氰胺甲醛树脂粉，0.01～10份改性纳米添加剂；所述改性纳米添加剂为纳米材料先经表面亲油性处理后，再经原位聚合得到聚合物包覆修饰的纳米材料。本发明产品具备良好的自润滑性，极大提高了磨具在磨削加工时耐磨寿命，同时不影响磨削效率，又可以替代磨料，优化了配方和工艺，彻底改善了行业内磨具耐磨时间和磨削效率不能兼顾的弊端，具有很大的市场前景。

权利要求

1.一种改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，其特征在于，由磨料、辅助填料和改性结合剂组成；

所述改性结合剂包括三聚氰胺甲醛树脂粉和改性纳米添加剂；

各原料重量份数组成为：3～30份磨料，5～60份辅助填料，30～80份三聚氰胺甲醛树脂粉，0.01～10份改性纳米添加剂；

所述改性纳米添加剂为纳米材料先经表面亲油性处理后，再经原位聚合得到聚合物包覆修饰的纳米材料；

所述纳米材料为：白石墨烯、氧化铈、二氧化硅、碳化硅、氧化石墨烯中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，其特征在于，所述三聚氰胺甲醛树脂粉为普通三聚氰胺甲醛树脂粉、聚乙二醇改性三聚氰胺甲醛树脂粉、有机硅改性三聚氰胺甲醛树脂粉、尿素改性三聚氰胺甲醛树脂粉、硫脲改性三聚氰胺甲醛树脂粉中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，其特征在于，所述磨料为金刚石、立方氮化硼或金刚石与立方氮化硼复合物；

所述辅助填料为金粉、铜粉、铁粉、铝粉、锡粉、镍粉、氧化铝、氧化镁、氧化铁、氧化锆中的至少一种。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，其特征在于，所述改性纳米材料的制备过程，包括以下步骤：S1、对纳米材料表面处理

将1～10份重量的纳米材料分散在100份重量的分散溶液中，分散后加入0.1～5份重量的稳定剂进行表面处理；

S2、单体在纳米材料表面聚合

将经S1表面处理后的纳米材料分散液升温至60℃～120℃，加入1～5份重量的引发剂，搅拌使溶液均匀，然后滴加0.1～10份重量的聚合物单体，0.5～3h滴完；滴加完毕后，继续保温30min～2h反应后，调节pH值至7～8，然后迅速冷却至20～30℃；

S3、后处理

将由S2获得的冷却产物，经洗涤、过滤、干燥及研磨得高聚物包覆的纳米材料。

5.根据权利要求4所述的改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，其特征在于，S1中所述分散溶液包括：水、乙醇、丙三醇或乙二醇中的一种或几种混合；所述稳定剂包括：聚乙烯吡咯烷酮、烷基硫酸钠、烷基苯磺酸钠、油胺或油酸中一种或多种。

6.根据权利要求4所述的改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，其特征在于，S2中所述聚合物单体在纳米材料表面聚合为：将10～20份重量的表面处理后的纳米材料分散液升温至80℃～90℃，加入3～5份重量的引发剂，搅拌10～30min使溶液均匀，逐滴滴加0.5～1份重量的聚合物单体，0.5～1h滴完；滴加完毕后，继续保温1～2h反应完后，调节pH值至

7～8，然后迅速冷却至20～25℃。

7.根据权利要求4所述的改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，其特征在于，S2中所述聚合物单体为：苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯单体中的一种或多种。

8.根据权利要求4所述的改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，其特征在于，S2中所述引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁腈。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具的制备方法，其特征在于，具体步骤为：按重量份数分别称取三聚氰胺甲醛树脂粉和改性纳米添加剂，经研磨分散后，得到经纳米材料改性的三聚氰胺甲醛树脂结合剂；

按比例称取磨料、辅助填料，然后与所述改性的三聚氰胺甲醛树脂结合剂充分混合后，经热压预固化成型后，再取出、干燥固化，得到改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂磨具。

说明书

改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及磨具技术领域，具体涉及一种改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具及其制备方法。

背景技术

[0002] 三聚氰胺甲醛树脂(MF)是三聚氰胺与甲醛反应所得到的聚合物，又称密胺树脂。加工成型时发生交联反应，制品为不熔的热固性树脂。密胺树脂作为制造金刚石弹性磨块的结合剂。三聚氰胺甲醛树脂具有较高的结合强度和耐水性，制成的金刚石弹性磨块产品的机械强度高，可在较高的速度下使用，具耐磨性好、抛光速度快、抛光效果均匀等优点，广泛用于瓷砖、大理石、陶瓷等行业的水磨工序。

[0003] 三聚氰胺树脂具有三维交联结构，其中三嗪环是一种类似芳环的杂环，具有较大的刚性，使得树脂固化后硬度大，不易弯曲，脆性高，几乎没有韧性，这些结构特征决定了三聚氰胺甲醛树脂硬而脆，在磨削过程中，会使部分磨料发生脱落、掉块，严重影响磨具的磨削效率和耐用性。

[0004] 国内外许多研究者对三聚氰胺甲醛树脂内部结构进行改性，或采用传统的无机纳米耐磨填料进行改性，以提高三聚氰胺甲醛树脂的耐热性和柔韧性。经改性的三聚氰胺甲醛树脂耐热性虽然增强，耐磨时间也得到提高，但磨块锋利度降低，使得磨块出现打滑现象，造成陶瓷砖出现刮花、光亮度太低等缺陷。难以满足超耐磨抛削加工需求。可见目前国内多数厂家在提高三聚氰胺甲醛树脂磨块的耐磨时间时，势必造成磨削效率的下降，耐磨时间和磨削效率之间的平衡难以突破。

发明内容

[0005] 有鉴于此，有必要针对现有导热填料的缺点，提供一种改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具及其制备方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

[0007] 本发明改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，由磨料、辅助填料和改性结合剂组成；

[0008] 所述改性结合剂包括三聚氰胺甲醛树脂粉和改性纳米添加剂；

[0009] 各原料重量份数组成为：3～30份磨料，5～60份辅助填料，30～80份三聚氰胺甲醛树脂粉，0.01～10份改性纳米添加剂；

[0010] 所述改性纳米添加剂为纳米材料先经表面亲油性处理后，再经原位聚合得到聚合物包覆修饰的纳米材料。经表面包覆修饰的纳米材料与结合剂间的亲和力增强，结合剂与磨粒间的界面性能提高。

[0011] 作为优选的，所述磨料为5～25份，辅助填料为10～40份，三聚氰胺甲醛树脂粉为30～60份，纳米添加剂为0.1～5份。

[0012] 进一步的，所述三聚氰胺甲醛树脂粉为普通三聚氰胺甲醛树脂粉、聚乙二醇改性三聚氰胺甲醛树脂粉、有机硅改性三聚氰胺甲醛树脂粉、尿素改性三聚氰胺甲醛树脂粉、硫脲改性三聚氰胺甲醛树脂粉中的至少一种。

[0013] 进一步的，所述磨料为金刚石、立方氮化硼或金刚石与立方氮化硼复合物；

[0014] 所述辅助填料为金粉、铜粉、铁粉、铝粉、锡粉、镍粉、氧化铝、氧化镁、氧化铁、氧化锆等中的至少一种。

[0015] 进一步的，所述纳米材料为：白石墨烯、氧化铈、二氧化硅、碳化硅、氧化石墨烯中的至少一种。

[0016] 由于白石墨烯、氧化铈、二氧化硅、碳化硅、氧化石墨烯等一维或二维纳米材料独特的结构及表面能，对于大多数油性单体如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等，聚合反应时难以在这些纳米材料表面顺利进行，因此，必须对其进行表面亲油化处理，可使单体在其表面发生原位聚合形成包覆层。

[0017] 具体地，所述改性纳米材料的制备过程，包括以下步骤：

[0018] S1、对纳米材料表面处理

[0019] 将1～10份重量的纳米材料分散在100份重量的分散溶液中，分散后加入0.1～5份重量的稳定剂进行表面处理；

[0020] S2、单体在纳米材料表面聚合

[0021] 将经S1表面处理后的纳米材料分散液升温至60℃～120℃，加入1～5份重量的引发剂，搅拌使溶液均匀，然后滴加0.1～10份重量的聚合物单体，0.5～3h滴完；滴加完毕后，继续保温30min～2h反应后，调节pH值至7～8，然后迅速冷却至20～30℃；

[0022] S3、后处理

[0023] 将由S2获得的冷却产物，经洗涤、过滤、干燥及研磨得高聚物包覆的纳米材料。

[0024] 本发明改性纳米材料制备方法简单，条件温和，选用适量的引发剂，制备的高聚物包覆的纳米材料包覆层厚度可控，缓慢滴加单体，使包覆过程有序进行，达到包覆层厚度均匀，优化反应完毕后的酸碱度及温度条件，有效终止反应，获得最佳包覆效果。本发明方法为对纳米材料表面进行简单的处理后，让单体在其表面聚合形成包覆层。高聚物的包覆层可避免白石墨烯之间直接接触，防止其团聚、可增强与三聚氰胺甲醛树脂形成良好的相容性、提高三聚氰胺甲醛树脂的耐热性，同时会与三聚氰胺甲醛树脂结合剂、金刚石、立方氮化硼磨料形成良好的界面结构，将磨具在磨削加工时产生局部的高温及时排走，提高了结合剂对磨料的把持能力，使得磨料脱落的同时结合剂也同时脱落。

[0025] 最优选的纳米材料为2-10层白石墨烯。2～10层白石墨烯，有着类似石墨的蜂窝状六边层状结构，具有非常高的机械强度和导热系数，同时耐高温、耐磨性也非常强，柔韧性非常优异。由于白石墨烯本身具有的高硬度、高耐磨性和良好的柔韧性，与三聚氰胺甲醛树脂结合时有效保证了磨具的锋利度，以此不影响磨具的磨削效率；又可以完全替代或部分替代金刚石、立方氮化硼等磨料，使得配方和工艺得以优化，可以节约成本。

[0026] 进一步的，S1中对纳米材料表面改性为：将10～15份重量的纳米材料分散在100份重量的分散溶液中，分散后加入0.1～0.4份重量的稳定剂进行改性处理。

[0027] 进一步的，S1所述表面处理方式为研磨或浸泡。

[0028] 进一步的，S1中所述分散溶液包括：水、乙醇、丙三醇或乙二醇等中的一种或几种混合；所述稳定剂包括：聚乙烯吡咯烷酮、烷基硫酸钠、烷基苯磺酸钠、油胺或油酸等中一种或多种。

[0029] 作为优选的，S1中所述分散溶液为乙醇；所述稳定剂为油胺或油酸。

[0030] 进一步的，S2中所述单体在纳米材料表面聚合为：将10～20份重量的表面处理后的纳米材料分散液升温至80℃～90℃，加入3～5份重量的引发剂，搅拌10～30min使溶液均匀，逐滴滴加0.5～1份重量的聚合物单体，0.5～1h滴完；滴加完毕后，继续保温1～2h反应完后，调节pH值至7～8，然后迅速冷却至20～25℃。

[0031] 进一步的，S2中所述聚合单体为：苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等单体中的一种或多种。所述聚合单体使用前都经减压蒸馏处理。

[0032] 进一步的，S2中所述引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁腈。

[0033] 进一步的，S3中所述洗涤、干燥过程，具体为采用酒精洗涤，在60～80℃下进行干燥。

[0034] 一种改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具的制备方法，具体步骤为：按重量份数分别称取三聚氰胺甲醛树脂粉和纳米添加剂，经研磨分散后，得到经纳米材料改性的三聚氰胺甲醛树脂结合剂；

[0035] 按比例称取磨料、辅助填料，然后与所述改性的三聚氰胺甲醛树脂结合剂充分混合后，经热压预固化成型后，再取出、干燥固化，得到纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂磨具。

[0036] 进一步的，所述的三聚氰胺甲醛树脂粉和纳米添加剂，经球磨机公转0-320r/min、自传0-640r/min、研磨分散30-90min后，得到纳米材料改性的三聚氰胺甲醛树脂结合剂。可以理解的是，球磨机公转、自传速度不同时为零。

[0037] 进一步的，所述改性的三聚氰胺甲醛树脂结合剂、磨料和辅助填料的混合是经高速混合机、真空捏合机、球磨机、开炼机或密炼机混合分散20-180min后，装入模具中经热压成型机于温度120-210℃、压力5-60MPa下压制10-90min进行预固化，再取出经干燥箱固化得到含纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具。干燥箱固化工艺天条件具体为先130-160℃固化10-90min，再140-180℃固化30-90min。

[0038] 所述含纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具，为弹性磨块、砂轮、软磨片中的任意一种加工成品。

[0039] 本发明的有益效果为：

[0040] 本发明选用的改性白石墨烯、氧化铈、二氧化硅、碳化硅及氧化石墨烯等纳米一维、二维材料与对三聚氰胺甲醛树脂进行组合，使产品具备良好的自润滑性，极大提高了磨具在磨削加工时耐磨寿命，同时不影响磨削效率，又可以替代磨料，优化了配方和工艺，彻底改善了行业内磨具耐磨时间和磨削效率不能兼顾的弊端，具有很大的市场前景。

具体实施方式

[0041] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0042] 实施例1

[0043] 改性白石墨烯的制备

[0044] 取10份2-10层的白石墨烯粉末加入至圆底烧瓶中，并向圆底烧瓶中加入100ml蒸馏水，然后超声分散，向圆底烧瓶中加入0.2份十二烷基硫酸钠，超声高速搅拌，得到亲油改性白石墨烯；

[0045] 将上述亲油改性的白石墨烯分散液加热至85℃后，加入1份过硫酸铵引发剂，搅拌10min后开始滴加1份苯乙烯，0.5h滴完。滴加完毕后，保温30min待反应完成。反应完毕后用氨水调节pH值为7，迅速冷却至常温，减压过滤，用蒸馏水洗涤滤饼3～4次后用酒精洗涤一次，并在60℃真空干燥，研磨即得到苯乙烯包覆修饰的白石墨烯。

[0046] 制备改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具

[0047] 称取40份三聚氰胺甲醛树脂粉和0.5份改性白石墨烯，经球磨机公转160r/min、自传180r/min、研磨分散60min后，得到改性三聚氰胺甲醛树脂；

[0048] 称取40.5份改性酚醛树脂结合剂，10份金刚石磨料和30份铜粉、15份氧化铝辅助填料经高速混合机混合分散60min后，装入模具中经热压成型机温度150℃、压力15MPa压制30min进行预固化后，再取出经干燥箱150℃固化60min，再160℃固化30min后，得到改性纳米复合三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块。

[0049] 实施例2

[0050] 改性白石墨烯的制备

[0051] 取10份2-10层的白石墨烯粉末加入至圆底烧瓶中，并向圆底烧瓶中加入100ml乙醇，然后超声分散，向圆底烧瓶中加入0.5份油酸，超声高速搅拌，得到亲油改性白石墨烯；

[0052] 将上述亲油改性的白石墨烯分散液加热至85℃后，加入1份过硫酸铵引发剂，搅拌10min后开始滴加1份丙烯酸甲酯，0.5h滴完。滴加完毕后，保温45min待反应完成。反应完毕后用氨水调节pH值为7，迅速冷却至常温，减压过滤，用蒸馏水洗涤滤饼3～4次后用酒精洗涤一次，并在70℃真空干燥研磨即得到丙烯酸甲酯包覆修饰的白石墨烯。

[0053] 制备改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具

[0054] 称取50份三聚氰胺甲醛树脂粉和2份改性白石墨烯，经球磨机公转300r/min、自传450r/min、研磨分散75min后，得到改性酚醛树脂结合剂；

[0055] 称取52份改性酚醛树脂结合剂，15份金刚石磨料和32份铜粉、20份氧化锆辅助填料经真空捏合机混合分散90min后，装入模具中经热压成型机温度160℃、压力20MPa压制60min进行预固化后，再取出经干燥箱160℃固化45min，再180℃固化30min后，得到改性纳米复合三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块。

[0056] 实施例3

[0057] 改性白石墨烯/二氧化硅的制备

[0058] 取6份2-20层的白石墨烯粉末、4份二氧化硅加入至圆底烧瓶中，并向圆底烧瓶中加入100ml丙三醇，然后超声分散，向圆底烧瓶中加入0.5份油胺，超声高速搅拌，得到亲油改性白石墨烯/二氧化硅；

[0059] 将上述亲油改性的白石墨烯/二氧化硅分散液加热至90℃后，加入1份偶氮二异丁腈引发剂，搅拌10min后开始滴加1份丙烯酸乙酯，1h滴完。滴加完毕后，保温30min待反应完成。反应完毕后用氨水调节pH值为7，迅速冷却至常温，减压过滤，用蒸馏水洗涤滤饼3～4次后用酒精洗涤一次，并在80℃真空干燥，研磨即得到丙烯酸乙酯包覆修饰的白石墨烯/二氧化硅。

[0060] 制备改性纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具

[0061] 称取60份尿素改性三聚氰胺甲醛树脂粉和5份所述改性白石墨烯/二氧化硅复合物，经球磨机公转150r/min、自传300r/min、研磨分散60min后，得到改性三聚氰胺甲醛树脂结合剂；

[0062] 称取45份改性三聚氰胺甲醛树脂粉，5份立方氮化硼磨料和25份镍粉、15份氧化镁辅助填料经密炼机混合分散60min后，装入模具中经热压成型机温度155℃、压力30MPa压制60min进行预固化后，再取出经干燥箱140℃固化60min，再170℃固化30min后，得到改性纳米复合三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块。

[0063] 对比例1

[0064] 三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块制备：称取50份耐热级三聚氰胺甲醛树脂粉，10份金刚石磨料和30份铜粉、15份氧化铝辅助填料经高速混合机混合分散60min后，装入模具中经热压成型机温度155℃、压力15MPa压制30min进行预固化后，再取出经干燥箱150℃固化60min，再160℃固化30min后固化，得到三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块。

[0065] 对比例2

[0066] 制备纳米材料复合三聚氰胺甲醛树脂的磨具

[0067] 称取40份三聚氰胺甲醛树脂粉和0.5份未改性白石墨烯，经球磨机公转160r/min、自传180r/min、研磨分散60min后，得到改性三聚氰胺甲醛树脂；

[0068] 称取40.5份改性酚醛树脂结合剂，10份金刚石磨料和30份铜粉、15份氧化铝辅助填料经高速混合机混合分散60min后，装入模具中经热压成型机温度150℃、压力15MPa压制30min进行预固化后，再取出经干燥箱150℃固化60min，再160℃固化30min后，得到改性纳米复合三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块。

[0069] 与未添加改性纳米添加剂的普通三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块相比，本发明制备的改性纳米复合三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块的冲击强度提高了95％，磨削效率提高了64％，同时耐用度提高了1.5倍；与添加未改性纳米添加剂的复合三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块相比，本发明制备的改性纳米复合三聚氰胺甲醛树脂弹性磨块的冲击强度提高了43％，磨削效率提高了31％，同时耐用度提高了1.1倍，具有很大的市场前景。

[0070] 对比例3

[0071] 本对比例与实施例1的区别仅在于反应完成后PH值为5，自然冷却至常温。

[0072] 对比例4

[0073] 本对比例与实施例1的区别仅在于过硫酸铵引发剂的加入量为6份。实施例1-3所得的高聚物包覆二维纳米片材料分散在酒精中，10天不发生团聚；相同条件下对比例3-4在1天左右发生团聚；而无法在产品中应用。

[0074] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。