锦纶基非织造抛光磨具材料的制备与性能研究

王军杰 李大伟 张晓峰 邓炳耀

1. 江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214000；2. 江南大学非织造技术中心，江苏 无锡 214000；3. 无锡旺绿鸿纺织品有限公司，江苏 无锡 214000

工业产品如钢板、大理石等的表面质量对其使用性能、可靠性及使用寿命等有很大的影响，因此这些产品的表面通常需进行抛光加工，以大幅提升其表面质量，稳定其精度[1]。抛光加工的方法有很多种，如机械抛光法、化学抛光法、电解抛光法、超声波抛光法及复合抛光法等[2]。且随着当今材料加工精度要求的提高、技术的发展及环境保护意识的加强，抛光加工的方法及所用的材料都有了很大的改变，其中抛光材料正逐渐朝着安全无污染的方向发展。非织造抛光磨具材料作为一种柔性材料，具有加工工艺简单、抛光时粉尘少、污染小、材料来源广泛等特点[3-4]，且其在抛光过程中可以容纳磨屑并散发热量，这为确保产品表面质量和加工精度提供了一定的保障，加之其独特的三维网状结构和厚度方便了抛光液的储存，减少了抛光液的添加次数[5-6]。

本文将采用高均匀度和高平整度的锦纶短纤气流成网非织造布作为非织造抛光磨具材料的基材，探究磨粒直径大小对锦纶基非织造抛光磨具材料硬度、铝板去除率和磨具材料使用寿命等的影响。

1 锦纶基非织造抛光磨具材料的制备

1.1 材料的准备

本文使用无锡旺绿鸿纺织品有限公司生产的锦纶短纤气流成网非织造布作为锦纶基非织造抛光磨具材料的基材。基材的制备工艺流程为锦纶短纤开包→粗开松→精开松→气流成网→对位针刺→喷胶定型→烘干→锦纶短纤气流成网非织造布[7]。

黏合剂：改性酚醛树脂(山东圣泉新材料股份有限公司)。

磨粒：棕刚玉(河南瑞之光磨料有限公司)。

颜料：黑色、蓝色、红色(江苏仁欣化工股份有限公司)。

1.2 锦纶基非织造抛光磨具材料的制备

按照表1配制完磨料后，通过机械搅拌的方式使磨粒分散均匀；再采用喷洒的方式将磨料施加到基材中(基材尺寸为40.0 cm×40.0 cm，3块)，固化后得到3种锦纶基非织造抛光磨具材料(下文简称“锦纶磨具材料”)。其中，喷枪压力为0.20 MPa，烘箱温度为150 ℃，烘燥时间为20 min，m磨粒∶m黏合剂∶m水=2∶1∶1。

表1 3种锦纶磨具材料用磨料复配表

2 性能测试

2.1 主要测试仪器

Su1510扫描电子显微镜(美国TA仪器公司)、YG028织物强力机(南通宏大实验仪器有限公司)、摩擦测试仪(山东德瑞克有限公司)、PT-1198GTD-C小型拉伸压力试验机(东莞市宝大仪器有限公司)、HD026N+电子织物强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)。

2.2 基材性能测试

基材的性能影响着锦纶磨具材料的抛光性能及寿命。锦纶磨具材料在承受加工中的机械力及高温时，要求既不能产生伸缩，也不能发生断裂，这便要求基材具有一定的抗拉强度和抗破裂强度[8]。目前，抛光磨具材料基材所用的纤维中，锦纶短纤是综合性能最好的原料之一，其强度高且耐磨性好[9]。本文为了表征基材的力学性能，在锦纶基气流成网非织造布试样的中间位置分别剪取了条状试样(5.0 cm×20.0 cm，纵横向各5块)和圆形试样(直径为10.0 cm，5块)，并分别在YG028织物强力机和 HD026N+电子织物强力仪上测试基材的纵横向断裂强力和顶破强力。

2.3 锦纶磨具材料性能测试

非织造抛光磨具材料作为一种柔性材料，其独特的三维网状结构和硬度对抛光性能(如材料去除率、加工工件表面粗糙度等)有很大的影响[10]。

本文将利用Su1510扫描电子显微镜观测锦纶磨具材料表面及截面的三维网状结构。

硬度有多种表征方式，对非织造抛光磨具材料来说，压缩性能在一定程度上可以反映其硬度[11]。将制得的锦纶磨具材料裁成直径为3.8 cm的圆盘，在PT-1198GTD-C小型拉伸压力试验机上采用定速度的方法测试压缩性能，速度设定为60 mm/min。

采用干磨的方式对铝板进行抛光测试，将锦纶磨具材料裁成直径为9.8 cm的圆盘，测量铝板的消耗量和锦纶磨具材料的损耗量。设置摩擦测试仪上锦纶磨具材料的转速为500 r/min，压力为30 N(即0.04 MPa)，抛光工件铝板位置固定，铝板的厚度为0.4 cm、质量为78.80 g。每次抛光20 min，共抛光 5次。利用Su1510扫描电子显微镜观察抛光前后锦纶磨具材料中单根纤维的状态。利用铝板抛光前后的质量差即铝板消耗量计算铝板去除率ΔL(μm/min)[12]：

(1)

式中:Δm——铝板消耗量，g；

h0——铝板抛光前的厚度，mm；

M0——铝板抛光前的质量，g；

t——抛光时间，min。

3 结果与讨论

3.1 基材力学性能测试结果

图1为基材力学性能测试结果。由拉伸试验结果计算可得，基材纵横向断裂强力比为1.1∶1.0，差异较小，基材均匀度好，这有利于均匀承载磨料，保证加工质量。此外，顶破强力较高，这样抛光时锦纶磨具材料抵抗各方向力的能力较大，抛光效率高。

图1 基材力学性能测试结果

3.2 锦纶磨具材料性能测试结果

3.2.1 表面及截面形态

从图2可以看出，锦纶磨具材料表面孔隙较大，可以容纳抛光过程中工件的碎屑和自身脱落的磨料，避免了掉落的杂物对加工工件表面造成二次划伤；且这些孔隙有利于储存抛光液，以及散发抛光时的热量，防止加工工件表面因温度过高而产生发黑的现象。

图2 3种锦纶磨具材料的表面形态和截面形态

3.2.2 压缩性能

图3反映了锦纶磨具材料在相同压缩条件下的应力-应变曲线。当应变低于50%时，压缩的主要是基材网状结构中纤维与纤维之间的空隙，此时压缩性能受基材影响较大[13]，所以3种锦纶磨具材料的曲线形状基本一致；当应变大于50%时，锦纶磨具材料中的纤维已相互接触，由于不同锦纶磨具材料的表面形貌和磨粒直径不同，压缩性能开始出现不同，曲线逐渐分离。压缩功在数值上等于压缩过程中应力-应变曲线所对应的积分面积。压缩功越大，表明试样受力越不易变形，抗压性能越优异，这同时也反映了试样的硬度越大。从图3可以看出，3种锦纶磨具材料的硬度依次为样品1#>样品2#>样品3#，可见使用同种基材在加工参数相同的条件下，磨粒直径越大，制得的锦纶磨具材料的硬度越高。

图3 3种锦纶磨具材料试样在相同压缩 条件下的应力-应变曲线

3.2.3 抛光测试

表2为干磨抛光试验前后锦纶磨具材料和铝板的基本物理数据。由于磨粒直径不同，制得的锦纶磨具材料质量也不同，但其密度差异较小，所以参与抛光的单根纤维质量差异小，单根纤维上参与抛光的磨粒质量基本一致。

表2 3种锦纶磨具材料试样的抛光试验数据

根据表2再结合式(1)可计算出3种锦纶磨具材料试样的铝板去除率分别为5.02、1.37和 0.41 μm/min。

图4和图5分别反映了抛光测试中铝板消耗量和锦纶磨具材料损耗量的状况。从图4和图5可以看到，在相同的抛光条件下，铝板消耗量随着抛光次数的增加而逐渐降低，锦纶磨具材料损耗量随着抛光次数的增加逐渐上升。这是由于抛光前期，锦纶磨具材料表面磨粒数量多(图6)，即抛光时有效磨粒数量多，故对铝板的消耗量较高。且磨粒直径越大，磨粒露出的部分越多，参与抛光的有效磨粒面积越大，故样品1#的铝板消耗量大于其他两块样品。但经过一段时间的抛光后，锦纶磨具材料表面参与磨削的锋利的磨粒逐渐被磨钝，加之磨粒发生了脱落现象，锦纶磨具材料与铝板之间的摩擦力逐渐增大[14]，此外黏合剂在抛光过程中也会发生一定的脆性断裂[15]，锦纶磨具材料损耗量增加，使用寿命受影响。其中样品1#由于硬度大、磨粒露出部分较多，在相同抛光条件下，其对铝板产生的耕犁力和切削去除力较其他两种样品大得多，加之单个磨粒阻力较大，容易脱落，故样品1#的损耗量高。

图4 抛光测试中铝板消耗量

图5 抛光测试中锦纶磨具材料损耗量

图6和图7对比了抛光测试前后，锦纶磨具材料中单根纤维的表面形貌。从图6可以看出，样品3#由于磨粒直径小，其有效磨粒抛光面积低，黏合剂参与抛光的概率较其他两种样品大，故样品3#的损耗量较样品2#的高。从图7可以看到，3块锦纶磨具材料经过一段时间的使用后，纤维表面的磨料均发生了磨损，其中样品1#纤维磨损程度最为严重，样品3#次之，样品2#纤维磨损程度较其他两种样品的轻。

图6 抛光测试前3种锦纶磨具材料中单根纤维的SEM照片

图7 抛光测试后3种锦纶磨具材料中单根纤维的SEM照片

综合铝板消耗量、锦纶磨具材料损耗量和抛光后单根纤维状态可知，磨粒直径为(24.0±1.5)μm(即600目)的样品2#，其铝板去除率适中，为1.37 μm/min，该锦纶磨具材料使用寿命长。

4 结论

采用锦纶短纤气流成网非织造布作为锦纶磨具材料的基材，探究了磨粒直径大小对锦纶磨具材料硬度、铝板去除率和锦纶磨具材料使用寿命的影响，得出：

(1)磨粒直径影响锦纶磨具材料的硬度，在其他工艺参数相同的条件下，磨粒直径越大，锦纶磨具材料硬度越高。

(2)相同的抛光条件下，磨粒直径为(24.0±1.5)μm(即600目)时，铝板去除率适中，为1.37 μm/min，且该锦纶磨具材料使用寿命长。