錦綸基非織造拋光磨具材料的制備與性能研究

王軍杰 李大偉 張曉峰 鄧炳耀

1. 江南大學生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214000；2. 江南大學非織造技術中心，江蘇 無錫 214000；3. 無錫旺綠鴻紡織品有限公司，江蘇 無錫 214000

工業產品如鋼板、大理石等的表面質量對其使用性能、可靠性及使用壽命等有很大的影響，因此這些產品的表面通常需進行拋光加工，以大幅提升其表面質量，穩定其精度[1]。拋光加工的方法有很多種，如機械拋光法、化學拋光法、電解拋光法、超聲波拋光法及復合拋光法等[2]。且隨著當今材料加工精度要求的提高、技術的發展及環境保護意識的加強，拋光加工的方法及所用的材料都有了很大的改變，其中拋光材料正逐漸朝著安全無污染的方向發展。非織造拋光磨具材料作為一種柔性材料，具有加工工藝簡單、拋光時粉塵少、污染小、材料來源廣泛等特點[3-4]，且其在拋光過程中可以容納磨屑并散發熱量，這為確保產品表面質量和加工精度提供了一定的保障，加之其獨特的三維網狀結構和厚度方便了拋光液的儲存，減少了拋光液的添加次數[5-6]。

本文將采用高均勻度和高平整度的錦綸短纖氣流成網非織造布作為非織造拋光磨具材料的基材，探究磨粒直徑大小對錦綸基非織造拋光磨具材料硬度、鋁板去除率和磨具材料使用壽命等的影響。

1 錦綸基非織造拋光磨具材料的制備

1.1 材料的準備

本文使用無錫旺綠鴻紡織品有限公司生產的錦綸短纖氣流成網非織造布作為錦綸基非織造拋光磨具材料的基材?；牡闹苽涔に嚵鞒虨殄\綸短纖開包→粗開松→精開松→氣流成網→對位針刺→噴膠定型→烘干→錦綸短纖氣流成網非織造布[7]。

黏合劑：改性酚醛樹脂(山東圣泉新材料股份有限公司)。

磨粒：棕剛玉(河南瑞之光磨料有限公司)。

顏料：黑色、藍色、紅色(江蘇仁欣化工股份有限公司)。

1.2 錦綸基非織造拋光磨具材料的制備

按照表1配制完磨料后，通過機械攪拌的方式使磨粒分散均勻；再采用噴灑的方式將磨料施加到基材中(基材尺寸為40.0 cm×40.0 cm，3塊)，固化后得到3種錦綸基非織造拋光磨具材料(下文簡稱“錦綸磨具材料”)。其中，噴槍壓力為0.20 MPa，烘箱溫度為150 ℃，烘燥時間為20 min，m磨?！胢黏合劑∶m水=2∶1∶1。

表1 3種錦綸磨具材料用磨料復配表

2 性能測試

2.1 主要測試儀器

Su1510掃描電子顯微鏡(美國TA儀器公司)、YG028織物強力機(南通宏大實驗儀器有限公司)、摩擦測試儀(山東德瑞克有限公司)、PT-1198GTD-C小型拉伸壓力試驗機(東莞市寶大儀器有限公司)、HD026N+電子織物強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)。

2.2 基材性能測試

基材的性能影響著錦綸磨具材料的拋光性能及壽命。錦綸磨具材料在承受加工中的機械力及高溫時，要求既不能產生伸縮，也不能發生斷裂，這便要求基材具有一定的抗拉強度和抗破裂強度[8]。目前，拋光磨具材料基材所用的纖維中，錦綸短纖是綜合性能最好的原料之一，其強度高且耐磨性好[9]。本文為了表征基材的力學性能，在錦綸基氣流成網非織造布試樣的中間位置分別剪取了條狀試樣(5.0 cm×20.0 cm，縱橫向各5塊)和圓形試樣(直徑為10.0 cm，5塊)，并分別在YG028織物強力機和 HD026N+電子織物強力儀上測試基材的縱橫向斷裂強力和頂破強力。

2.3 錦綸磨具材料性能測試

非織造拋光磨具材料作為一種柔性材料，其獨特的三維網狀結構和硬度對拋光性能(如材料去除率、加工工件表面粗糙度等)有很大的影響[10]。

本文將利用Su1510掃描電子顯微鏡觀測錦綸磨具材料表面及截面的三維網狀結構。

硬度有多種表征方式，對非織造拋光磨具材料來說，壓縮性能在一定程度上可以反映其硬度[11]。將制得的錦綸磨具材料裁成直徑為3.8 cm的圓盤，在PT-1198GTD-C小型拉伸壓力試驗機上采用定速度的方法測試壓縮性能，速度設定為60 mm/min。

采用干磨的方式對鋁板進行拋光測試，將錦綸磨具材料裁成直徑為9.8 cm的圓盤，測量鋁板的消耗量和錦綸磨具材料的損耗量。設置摩擦測試儀上錦綸磨具材料的轉速為500 r/min，壓力為30 N(即0.04 MPa)，拋光工件鋁板位置固定，鋁板的厚度為0.4 cm、質量為78.80 g。每次拋光20 min，共拋光 5次。利用Su1510掃描電子顯微鏡觀察拋光前后錦綸磨具材料中單根纖維的狀態。利用鋁板拋光前后的質量差即鋁板消耗量計算鋁板去除率ΔL(μm/min)[12]：

(1)

式中:Δm——鋁板消耗量，g；

h0——鋁板拋光前的厚度，mm；

M0——鋁板拋光前的質量，g；

t——拋光時間，min。

3 結果與討論

3.1 基材力學性能測試結果

圖1為基材力學性能測試結果。由拉伸試驗結果計算可得，基材縱橫向斷裂強力比為1.1∶1.0，差異較小，基材均勻度好，這有利于均勻承載磨料，保證加工質量。此外，頂破強力較高，這樣拋光時錦綸磨具材料抵抗各方向力的能力較大，拋光效率高。

圖1 基材力學性能測試結果

3.2 錦綸磨具材料性能測試結果

3.2.1 表面及截面形態

從圖2可以看出，錦綸磨具材料表面孔隙較大，可以容納拋光過程中工件的碎屑和自身脫落的磨料，避免了掉落的雜物對加工工件表面造成二次劃傷；且這些孔隙有利于儲存拋光液，以及散發拋光時的熱量，防止加工工件表面因溫度過高而產生發黑的現象。

圖2 3種錦綸磨具材料的表面形態和截面形態

3.2.2 壓縮性能

圖3反映了錦綸磨具材料在相同壓縮條件下的應力-應變曲線。當應變低于50%時，壓縮的主要是基材網狀結構中纖維與纖維之間的空隙，此時壓縮性能受基材影響較大[13]，所以3種錦綸磨具材料的曲線形狀基本一致；當應變大于50%時，錦綸磨具材料中的纖維已相互接觸，由于不同錦綸磨具材料的表面形貌和磨粒直徑不同，壓縮性能開始出現不同，曲線逐漸分離。壓縮功在數值上等于壓縮過程中應力-應變曲線所對應的積分面積。壓縮功越大，表明試樣受力越不易變形，抗壓性能越優異，這同時也反映了試樣的硬度越大。從圖3可以看出，3種錦綸磨具材料的硬度依次為樣品1#>樣品2#>樣品3#，可見使用同種基材在加工參數相同的條件下，磨粒直徑越大，制得的錦綸磨具材料的硬度越高。

圖3 3種錦綸磨具材料試樣在相同壓縮 條件下的應力-應變曲線

3.2.3 拋光測試

表2為干磨拋光試驗前后錦綸磨具材料和鋁板的基本物理數據。由于磨粒直徑不同，制得的錦綸磨具材料質量也不同，但其密度差異較小，所以參與拋光的單根纖維質量差異小，單根纖維上參與拋光的磨粒質量基本一致。

表2 3種錦綸磨具材料試樣的拋光試驗數據

根據表2再結合式(1)可計算出3種錦綸磨具材料試樣的鋁板去除率分別為5.02、1.37和 0.41 μm/min。

圖4和圖5分別反映了拋光測試中鋁板消耗量和錦綸磨具材料損耗量的狀況。從圖4和圖5可以看到，在相同的拋光條件下，鋁板消耗量隨著拋光次數的增加而逐漸降低，錦綸磨具材料損耗量隨著拋光次數的增加逐漸上升。這是由于拋光前期，錦綸磨具材料表面磨粒數量多(圖6)，即拋光時有效磨粒數量多，故對鋁板的消耗量較高。且磨粒直徑越大，磨粒露出的部分越多，參與拋光的有效磨粒面積越大，故樣品1#的鋁板消耗量大于其他兩塊樣品。但經過一段時間的拋光后，錦綸磨具材料表面參與磨削的鋒利的磨粒逐漸被磨鈍，加之磨粒發生了脫落現象，錦綸磨具材料與鋁板之間的摩擦力逐漸增大[14]，此外黏合劑在拋光過程中也會發生一定的脆性斷裂[15]，錦綸磨具材料損耗量增加，使用壽命受影響。其中樣品1#由于硬度大、磨粒露出部分較多，在相同拋光條件下，其對鋁板產生的耕犁力和切削去除力較其他兩種樣品大得多，加之單個磨粒阻力較大，容易脫落，故樣品1#的損耗量高。

圖4 拋光測試中鋁板消耗量

圖5 拋光測試中錦綸磨具材料損耗量

圖6和圖7對比了拋光測試前后，錦綸磨具材料中單根纖維的表面形貌。從圖6可以看出，樣品3#由于磨粒直徑小，其有效磨粒拋光面積低，黏合劑參與拋光的概率較其他兩種樣品大，故樣品3#的損耗量較樣品2#的高。從圖7可以看到，3塊錦綸磨具材料經過一段時間的使用后，纖維表面的磨料均發生了磨損，其中樣品1#纖維磨損程度最為嚴重，樣品3#次之，樣品2#纖維磨損程度較其他兩種樣品的輕。

圖6 拋光測試前3種錦綸磨具材料中單根纖維的SEM照片

圖7 拋光測試后3種錦綸磨具材料中單根纖維的SEM照片

綜合鋁板消耗量、錦綸磨具材料損耗量和拋光后單根纖維狀態可知，磨粒直徑為(24.0±1.5)μm(即600目)的樣品2#，其鋁板去除率適中，為1.37 μm/min，該錦綸磨具材料使用壽命長。

4 結論

采用錦綸短纖氣流成網非織造布作為錦綸磨具材料的基材，探究了磨粒直徑大小對錦綸磨具材料硬度、鋁板去除率和錦綸磨具材料使用壽命的影響，得出：

(1)磨粒直徑影響錦綸磨具材料的硬度，在其他工藝參數相同的條件下，磨粒直徑越大，錦綸磨具材料硬度越高。

(2)相同的拋光條件下，磨粒直徑為(24.0±1.5)μm(即600目)時，鋁板去除率適中，為1.37 μm/min，且該錦綸磨具材料使用壽命長。