Композиция для изготовления эластичного абразивного инструмента, полиуретановое связующее для этой композиции и способ изготовления композиции

Композиция для изготовления эластичного абразивного инструмента, полиуретановое связующее для этой композиции и способ изготовления композиции

Реферат

Изобретение относится к полимерным композициям для изготовления пористого эластичного абразивного инструмента, предназначенного для обработки изделий сложного профиля. Данные изделия имеют общие названия - «абразивы в связке» и наиболее распространенное в России - «шлифовальные круги», подразумевающее в своем названии не только круглые изделия, но и сегменты, бруски и многие другие геометрические формы.

Связка - собственно связующее вещество и наполнители вместе со шлифовальным зерном формирует абразивный инструмент и служит для удержания зерен внутри инструмента. Вид связки имеет определяющее значение для прочности и режимов работы абразивного инструмента.

По типу связки различают шлифовальные круги на керамической (стекловидной), вулканитовой, бакелитовой и других связках.

Керамическая и стекловидная связка образуются в результате спекания и плавления огнеупорных глин. Такие связки обладают высокой твердостью, но в то же время являются хрупкими, поэтому данные шлифовальные круги используются только на стационарном оборудовании и при обработке деталей не допускают воздействия боковых и ударных динамических нагрузок.

К пластичным видам связок относятся вулканитовая и бакелитовая связки. Вулканитовую связку получают из вулканизированной резины. Бакелитовая связка образуется в результате полимеризации фенолформальдегидной смолы. Шлифовальные круги на бакелитовой и вулканитовой связках отличаются от керамических кругов гибкостью и упругостью, способностью выдерживать большие динамические силы. Поэтому сферой применения бакелитовых кругов являются грубые шлифовальные операции с большим объемом снимаемого материала, с боковыми и ударными нагрузками.

Одной из характеристик абразивного круга является пористость. Пористость - свободное пространство между абразивным зерном и другими компонентами инструмента. Круги считаются высокопористыми, когда объем пор превышает 5% от объема круга, и низкопористыми, когда их объем менее 5%. Для многих операций требуется высокопористый инструмент, например для обработки мягких, волокнистых материалов, таких как дерево, мягкий пластик, алюминий, нержавеющая сталь и др. Для повышения пористости в связку вводят различные порообразователи или пористые наполнители.

При получении пористых полимерных материалов широко применяется метод вспенивания. В качестве вспенивающих агентов часто используют, например, фторхлоруглеводороды.

Например, известен состав массы для получения пористого абразивного инструмента, включающий абразив, органическое связующее - олигоизоцианурат и порообразователь - нитрат целлюлозы (патент РФ №2064856). Обеспечение пористости происходит при выгорании нитрата целлюлозы. Способ производства абразивного инструмента с использованием данного состава является достаточно опасным.

Наиболее близким к заявляемому составу и выбранному в качестве прототипа является композиция для изготовления эластичного абразивного инструмента, содержащая абразив и полиуретановое связующее, включающее полиол и полиизоцианат (патент РФ №2069143). Состав композиции, мас.

Абразивный наполнитель	70-85
Полиуретановое связующее	14,6-29,8
Газообразователь кристаллогидрат
неорганической соли	0,1-0,2
ПАВ	0,1-0,2

Данное решение предусматривает достаточно высокую концентрацию абразивного наполнителя. На практике подобная концентрация приближается к предельной и редко используется, так как инструмент с таким содержанием абразивного наполнителя трудно профилируется. Кроме того, может произойти выкрашивание зерна из эластичной связки.

Полиуретановое связующее для эластичного абразивного инструмента, выбранное заявителем в качестве прототипа, содержащее полиол и полиизоцианат (патент РФ №2069143). В качестве компонентов полиола используют гидроксилсодержащий полиэфир, а также применяют двух- и трехатомный спирты при следующем соотношении компонентов, моль:

Гидроксилсодержащий полиэфир	1,0
Двухатомный спирт	0,5-0,9
Трехатомный спирт	0,1-0,5
Полиизоцианат	1,65-3,45

В качестве полиизоцианата используют диизоцианаты: толуилендеизицианат (ТДИ) и дифенилментадиизоцианат (МДИ).

Данная композиция содержит низкомолекулярные продукты (двух- и трехатомные спирты), что приводит к пониженньм прочностным показателям конечного продукта (прочность на растяжение, изгиб и др.); уменьшает эластичность полиуретанового связующего. Из используемых вышеперечисленных диизоцианатов толуилендеизицианат (ТДИ) имеет следующий недостаток - это токсичный и высоколетучий продукт. Дифенилметадиизоцианат (МДИ) - твердый при нормальной температуре, поэтому при применении требует расплава при температуре 60-80°С, что усложняет технологию производства инструмента.

Способ изготовления эластичного абразивного инструмента, выбранный заявителем в качестве прототипа, включающий соединение абразива с полиуретановьм связующим, перемешивание смеси, заливку в форму и отверждение (патент РФ №2069143). Абразив в виде зерна карбида кремния и полиуретановое связующее (полифурит, диэтиленгликоль, толуилендеизоцианат, глицерин, кристаллогидрат неорганических солей и ПАВ) загружают в смеситель, перемешивают в течение 40 мин. Приготовленную массу заливают в формы и помещают для отверждения в термостат. Время отверждения 12 часов при температуре 120°С.

Полиуретановые композиции отличаются высокой скоростью полимеризации. Компоненты вступают в реакцию, в результате которой полимеризация начинается через 15-25 сек, вызывая стремительное увеличение вязкости состава, что делает затруднительным и далее невозможным перемешивание с абразивным зерном. Пенообразование и полимерообразующая реакция возникают из-за взаимодействия толуилендиизоцианата с водой. В вышеназванном техническом решении вода находится в связанном виде в составе кристаллогидрата и выделяется под действием температуры, что позволяет управлять реакцией, при этом размер времени на перемешивание становится не критичным. Однако вышеописанное решение не учитывает возможного действия влаги, находящейся в атмосферном воздухе. Во влажном воздухе реакция пенообразования и полимеризации значительно ускоряются. Сокращать по времени процесс перемешивания невозможно, так как необходимо тщательное перемешивание. Таким образом, такой способ из-за быстрого процесса полимеризации не дает возможности получения инструмента необходимого качества.

Задачей предлагаемого изобретения является создание качественного пористого абразивного инструмента на эластичной связке простого по составу и изготовлению.

Композиция для эластичного абразивного инструмента, содержащая абразив и полиуретановое связующее, включающее полиол и полиизоцианат, согласно изобретению соотношение полиола и полиизоцианата составляет от 1:1 до 1:1,5.

Предельное соотношение абразива и полиуретанового связующего составляет от 80:20 до 10:90.

Оптимальное соотношение абразивного наполнителя к полиуретановому связующему составляет 50:50.

Полиуретановое связующее для эластичного абразивного инструмента, содержащее полиол и полиизоцианат, согласно изобретению полиол включает в себя простой полиэфиртриол с молекулярной массой 5000, полиэфирдиол с молекулярной массой 400-700, активатор, кристаллогидрат и ПАВ в соотношении, мас. долей

Полиэфиртриол	50-80
Полиэфирдиол	50-20
Активатор	0,1-1,0
Кристаллогидрат	0,1-0,3
ПАВ	0,5-1,0
Полиизоцианат	50-100

Полиэфиртриол представляет собой смесь глицерина и окиси пропилена.

Полиэфирдиол представляет собой смесь диэтиленгликоля и окиси пропилена или этилена.

Активатор представляет собой диметилэтаноламин, а ПАВ - кремнийорганическую эмульсию.

Полиизоцианат представляет собой дифенилметандиизоцианат с жидко-вязкой структурой со средней функциональностью 2,3-2,6.

Способ изготовления эластичного абразивного инструмента, включающий соединение абразива с полиуретановым связующим, перемешивание смеси, заливку в форму и отверждение, согласно изобретению в качестве компонентов связующего используют полиол и полиизоцинат, абразив делят на две части пропорционально соотношению полиола и полиизоцианата, соединяют с каждой частью и перемешивают в каждой части, затем данные две части соединяют вместе, перемешивают в течение 0,5-2 мин и подают в формы для отверждения.

Применение полиуретанового связующего включает коммерчески доступные полиол и полиизоцианат. Полиизоцианат - технический дифенилметандиизоцианат со средней функциональностью 2,3-2,6 - жидко-вязкий, нелетучий и низкотоксичный продукт. Основой полиуретановой композиции является полиол, содержащий вспениватель - газонаполненный материал (активатор, ПАВ и кристаллогидрат неорганических солей). Полиол состоит из смеси простых полиэфиров: простой полиэфиртриол с молекулярной массой 5000, полиэфирдиол с молекулярной массой 400-700, активатор, кристаллогидрат и ПАВ. Пенообразование, построение пористой структуры связки происходит в результате реакции соединенных продуктов, а именно связной воды кристаллогидрата и полиизоцианата. Выделение связной воды из кристаллогидрата происходит под действием тепла в результате реакции соединенных продуктов. Введение в состав активатора способствует сокращению времени выделения связной воды и избавляет от необходимости дополнительного нагрева. Реакция происходит при обычной температуре (+20-28°С).

Большое значение для работоспособности шлифовального круга имеет соотношение компонентов. Соотношение полиола и полиизоцианата выбирается в пределах от 1:1 до 1:1,5. Эти пределы позволяют регулировать качественные показатели инструмента в широких пределах, добиваясь необходимой эластичности и пористости. Содержание абразивного зерна к связке 50:50 является оптимальным. Предельное содержание абразивного зерна может быть достаточно широким. Но необходимо учитывать, что увеличение концентрации абразивных зерен приводит к уменьшению усилия их удержания, что в свою очередь приводит к большой сыпучести шлифовальных кругов. Аналогично влияет увеличение их пористости. С другой стороны, снижение пористости за счет увеличения процентного содержания связки приводит к увеличению вероятности засаливания шлифовальных кругов. Стойкость шлифовальных кругов повышается с уменьшением их сыпучести, а режущая способность с увеличением концентрации абразивных зерен.

Полиуретановое связующее содержит полиол, включающий полиэфиртриол, полиэфирдиол, активатор, кристаллогидрат и ПАВ. Представленное соотношение данных компонентов подобрано экспериментально. Такое связующее содержит экологически безопасные составные элементы и обеспечивает высокие физико-механические показатели абразивного инструмента. Компоненты полиэфиртриола, полиэфирдиола, активатора позволяют выделить воду из кристаллогидрата, необходимую для реакции полимеризации.

Так как полиуретановые композиции обладают высокой скоростью полимеризации, которая начинается через 15-20 секунд, то в предлагаемом изобретении равномерное перемешивание абразивного зерна с компонентами связки обеспечивается за счет раздельного перемешивания одной части зерна с полиолом, а другой части - с полиизоцианатом. Раздельное перемешивание компонентов не критично во времени. Далее эти две части соединяются вместе, перемешиваются в реакторе, защищенном от доступа воздуха в течение определенно малого времени, не более критического. Процесс вспенивания и отверждения технологически прост и позволяет регулировать плотность получаемого газонаполненного материала в широком диапазоне.

Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию "новизна".

Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и таким образом соответствует критерию "изобретательский уровень".

Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию "промышленная применимость".

Для получения эластичного абразивного инструмента на основе предлагаемой композиции компоненты в количественном соотношении определяются экспериментально в зависимости от требуемых в соответствии с назначением инструмента и условиями его работы, физико-механических характеристик.

Главной отличительной особенностью эластичной связки является ее способность легко обрабатываться с помощью обточки до придания нужной формы или профиля, что позволяет использовать эластичные круги в шлифовании погонных профильных деталей из дерева. При постепенном истирании в процессе обработки деревянных деталей круг на эластичной пенополиуретановой связке профилируется по профилю детали, при этом с постепенным истиранием связки удаляется и отработанное шлифовальное зерно, обнажая новую режущую поверхность. Это позволяет кругу поддерживать неизменную шлифовальную способность в течение всего срока службы, тем самым обеспечивая постоянное качество обработки. Предельное соотношение полиола и изоцианата от 1:1 до 1:1,5. К одной части полиола может быть добавлено от 1 до 1,5 частей полиизоцианата. В зависимости от соотношения частей получают инструмент той или иной плотности. Плотность вспененного полиуретана варьируется от 0,25 г/см³ до 0,45 г/см³, плотность круга при соотношении шлифовальное зерно/связка 50:50 - от 1,7 до 1,9 г/см³. Высокая пористость препятствует перегреву круга и обрабатываемой детали во время шлифования.

Абразив вводится в связку в соотношении шлифовальное зерно/связка - 50:50. Это соотношение обеспечивает получение кругов достаточного качества: возможно формование кругов различных геометрических форм, что значительно расширяет сферу применения инструмента в шлифовании. Возможно меньшее или большее соотношение, но эффективность таких кругов будет более низкая.

Способ производства шлифовальных кругов на эластичной пенополиуретановой связке состоит из следующих стадий.

Полиол и изоцианат берутся в весовом соотношении от 1:1 до 1:1,5. Соотношение выбирается из требований, которые необходимо получить в готовом инструменте. Абразивное зерно берется в весовом соотношении к связке 50:50. Допустимы соотношения от 10:90 до 80:20 в зависимости от требуемой концентрации зерна. Выбор абразивного зерна имеет большое значение. Так как связка является эластичной, мягкой, зерно под действием сил, действующих на круг в процессе шлифования, будет скорее вырвано из связки, чем сколото или затуплено, поэтому предпочтительнее использовать зерно, имеющее большее число более острых граней и более хрупкое. Более острое и хрупкое зерно скалывается под действием сил и обнажает новые режущие грани, в то время как менее острое и более округлое зерно под действием тех же сил будет скорее вырвано из связки. В качестве абразива применяются природные материалы, такие как корунд, наждак, гранат, кремень и искусственные синтезированные материалы, такие как электрокорунд, карбид кремния, а также прочие сыпучие твердые вещества, обладающие абразивными свойствами. Предпочтительно использовать электрокорунд белый марки 25А и карбид кремния черный марки 64С. Возможно применение хрупких материалов с высокой абразивностью, таких как алюмосиликатные микросферы. Зернистость абразивов в зависимости от вида шлифования и обрабатываемого материала выбирается в диапазоне от №10 до №80 (ГОСТ 3647-71). Абразивное зерно зернистостью менее №10 (шлифовальное зерно и микропорошки) в эластичной пористой связке использовать нецелесообразно: микропорошок значительно снижает текучесть состава, что вызывает трудности при изготовлении инструмента; микропорошок не применяется на волокнистых материалах, таких как дерево; для полирования стальных изделий требует инструмент закрытой структуры, т.е. с большей концентрацией шлифовального зерна на площади контакта, что данным техническим решением не предусмотрено - эластичные круги представляют собой инструмент открытой структуры.

Шлифовальное зерно делится на две части, массовое соотношение частей пропорционально соотношению полиола и полиизоцианата. Каждая из частей смешивается с полиолом и полиизоцианатом раздельно, в отдельных смесителях. Раздельное смешение абразива с компонентами пенополиуретана определенное время необходимо для лучшей связи зерна со связкой.

Компоненты полиола и полиизицианата после тщательного перемешивания с абразивньм зерном поступают в реактор и смешиваются. Полиол выступает основой полиуретана, полиизоцианат является сшивающим агентом в строительстве полимерных связей. После соединения перемешивание должно занимать не более 0,5-2 мин, т.к. полимеризация происходит очень быстро. При использовании реактора, защищенного от проникновения воздуха, время на перемешивание может быть значительно увеличено.

Далее в течение 10 с смесь подается из реактора и наполняет цилиндрическую форму. В форме продолжается процесс полимеризации. Рост полимерной структуры происходит довольно стремительно, из-за чего происходит вспенивание полиуретана и увеличение в объеме в 3-5 раз. Пенополиуретан отверждается в течение 12-20 мин.

По окончании полимеризации формованная заготовка вынимается из формы и помещается на хранение для «выветривания» - удаления летучих форм компонентов на срок до 7 суток.

После хранения заготовки подвергаются механической обработке - нарезаются круги, обтачиваются для придания строгой геометрии и уточнения размеров.

Эластичный абразивный инструмент демонстрирует эффект так называемой «самодоводки» и «самозаточки» при обработке мягких и волокнистых деревянных поверхностей, что не обеспечивается инструментом на других связках и шлифовальной шкуркой, склонных к «засаливанию», т.е. засорению пор между шлифовальными зернами волокнами обрабатываемого материала, что приводит к перегреву инструмента и обрабатываемой детали в месте контакта, существенно снижает режущую способность и качество обработки.

Эластичные круги на полиуретановой основе показывают высокую эксплуатационную стойкость: полное изнашивание экспериментального круга диаметром 250 мм, толщиной 40 мм происходит после обработки 10000 погонных м деревянных деталей при скорости шпинделя шлифовального станка - 1100 об/мин.

Работоспособность пористого инструмента достаточно высокая. Это объясняется отсутствием засаливания рабочей поверхности круга и прижогов в зоне шлифования.

Данный инструмент обладает высокой прочностью, что позволяет его применять на больших скоростях. Шлифовальные круги на эластичной связке обеспечивают высокое качество обработки при полировании поверхностей из нержавеющей стали. Благодаря способности повторять форму обрабатываемой поверхности, только эластичные круги способны выполнить качественное полирование сварных швов в изделиях для пищевой и медицинской промышленности. Шлифовальными эластичными головками производится обработка труднодоступных поверхностей как деревянных, так и из других материалов, в т.ч. сталей, металлов и сплавов. При обработке алюминиевых сплавов эластичные круги демонстрируют лучшую шлифовальную способность, чем лепестковые круги в аналогичных операциях.

Настоящее изобретение позволяет получить качественные пористые шлифовальные круги на эластичной связке, что открывает дополнительные возможности в шлифовании и позволяет освоить новые шлифовальные операции, не поддающиеся имеющемуся инструменту.

1. Композиция для эластичного абразивного инструмента, содержащая абразив и полиуретановое связующее, включающее полиол и полиизоцианат, отличающаяся тем, что соотношение полиола и полиизоцианата составляет от 1:1 до 1:1,5.

2. Композиция для эластичного абразивного инструмента по п.1, отличающаяся тем, что предельное соотношение абразива и полиуретанового связующего составляет от 80:20 до 10:90.

3. Композиция для эластичного абразивного инструмента по п.1, отличающаяся тем, что оптимальное соотношение абразива и связующего составляет 50:50.

4. Полиуретановое связующее для эластичного абразивного инструмента, содержащее полиол и полиизоцианат, отличающееся тем, что полиол включает в себя простой полиэфиртриол с молекулярной массой 5000, полиэфирдиол с молекулярной массой 400-700, активатор, кристаллогидрат и ПАВ в соотношении, мас.ч.:

Полиэфиртриол	50-80
Полиэфирдиол	50-20
Активатор	0,1-1,0
Кристаллогидрат	0,1-0,3
ПАВ	0,5-1,0
Полиизоцианат	50-100

5. Полиуретановое связующее по п.4, отличающееся тем, что полиэфиртриол представляет собой смесь глицерина и окиси пропилена.

6. Полиуретановое связующее по п.4, отличающееся тем, что полиэфирдиол представляет собой смесь диэтиленгликоля и окиси пропилена или этилена.

7. Полиуретановое связующее по. п.4, отличающееся тем, что активатор представляет собой диметилэтаноламин, а ПАВ - кремнийорганическую эмульсию.

8. Полиуретановое связующее по п.4, отличающееся тем, что полиизоцианат представляет собой дифенилметандиизоцианат с жидковязкой структурой со средней функциональностью 2,3-2,6.

9. Способ изготовления эластичного абразивного инструмента, включающий соединение абразива с полиуретановым связующим, перемешивание смеси, заливку в форму и отверждение, отличающийся тем, что в качестве компонентов связующего используют полиол и полиизоцинат, абразив делят на две части пропорционально соотношению полиола и полиизоцианата, соединяют с каждой частью и перемешивают в каждой части, затем данные компоненты соединяют вместе, перемешивают в течение 0,5-2 мин и подают в формы для отверждения.