无纺布涂附磨具的制备及发展

郭星宇，张琳琪，彭 进，马红磊，尹可宁

(河南工业大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

1 无纺布磨具的简介

无纺布涂附磨具又称为非织造涂附磨具。20世纪70年代，3M公司的研发人员非常有创意地在无纺布表面植砂，创造性地将纸基、布基的涂附产品从软性研磨扩展到弹性研磨，解决了工件表面由于砂轮、砂带在加工过程中所产生的毛刺，增加了金属表面的光洁度和装饰线纹，使得产品更具使用寿命及观赏性。非织造涂附磨具主要有四个特点：①无纺布基材的三维网状结构使得其在抛磨工件时散热效果好，不易造成堵塞[1]；②柔韧性好，可用于不规则曲面的加工，不易变形，产品抛光效率高，使用寿命长；③使用时无噪音[2]；④加工时不烧伤工件表面，抛光效果好。目前生产无纺布涂附磨具的公司很多，国外的主要有3M公司、诺顿、日本住友株式会社，国内包括台湾的台纶、阳江伟艺、广东红日星、佳研磨具等企业。

1.1 无纺布磨具的种类

无纺布涂附磨具的种类主要有页状、轮状和辊状。页状无纺布产品有单纯的无纺研磨布，也有纱布叶片和无纺研磨布叶片混装的。轮状的种类有层压式和卷紧式两种。卷紧轮的形成是通过将未固化的纤维网在张力作用下缠绕至芯件周围，在固化后将研磨轮切割成所需的厚度来得到，其特点是耐用性好，抛光产品的线纹细、光泽度高，主要用于去毛刺及精细表面处理。层压轮是将未固化的浸渍过的无纺布纤维网作为片材或圆盘状来堆叠、压缩，然后固化黏合剂，最后冲切磨具以成型有轴向通孔的整体式磨轮。以这种方式形成的整体式砂轮不需要单独的芯构件，其切削力更强且经济，安装方便，主要用于对表面要求不是非常高的打磨抛光。辊状的无纺布磨具有放射状和卷紧状等。

1.2 无纺布磨具组成

无纺布磨具主要由无纺布基体、黏合剂、磨料组成。无纺布是制作磨具的基体，它支撑磨料并为磨具提供弹性和柔韧性，故需要具有一定的机械强度、耐高温、耐磨、耐水和耐酸碱性来保证无纺布磨具的使用性能及耐用性。目前无纺布磨具的纤维原料主要是尼龙纤维和聚酯纤维。

无纺布是磨料的承载体，为了保证非织造基材有一定的拉伸断裂强度、撕裂强力和压缩弹性，所以黏合剂要求有较高的黏合强度和抗张强度。同时，为了使磨料能均匀、牢固地附着在非织造布上，避免在抛光过程中掉落，通常要求黏合剂与基材和磨粒有较好的黏结作用，且固化后有韧性耐磨的特点，此外要求其使用简便、流动性好、污染小等。黏合剂的种类和含量对抛光质量有着至关重要的影响[3]。在生产过程中主要应用酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯或这些树脂的改性树脂等。

无纺布磨具的研磨能力主要来自于磨料。磨料的性能要具有以下特点：①较高的硬度。磨粒硬度会影响抛光工件的表面质量和抛光效率，通常磨粒的硬度要高于加工工件的硬度；②一定的自锐性。在抛光工件时，由于磨粒磨钝，其抛光性能减弱，磨粒具有一定的自锐性可以保持其抛光能力；③磨粒具有一定的化学稳定性和耐热性。在抛光磨削过程中会产生大量的热，磨粒需要在高温下保持固有的硬度和强度，而且不与工件、黏合剂等发生化学反应；④可加工性。磨粒需要加工成合适的粒度与形状来保证磨具的加工性[4]。一般磨削金属常选用刚玉系磨料或立方氮化硼磨料。磨削硬脆材料则选用碳化物系磨料、金刚石磨料。通常同种磨料的粒度越粗，其磨削效率及工件表面粗糙度越高，工件表面的线纹粗、易中断[5]。

2 无纺布涂附磨具原材料的发展

2.1 无纺布基体与处理

无纺布涂附磨具最常用的纤维原料是聚酰胺和聚酯纤维，一般纤维的长度在2～11 cm之间，线密度在17～5600 tex之间。也可用不同种类、长度和线密度纤维的混合物来作为制备无纺布纤维网的材料[6]。聚酰胺纤维是无纺布磨具应用最多的纤维，主要品种为“尼龙6”和“尼龙66”，聚酰胺纤维的强度高，回弹性好，耐磨性在纺织纤维中最高，耐多次变形性和耐疲劳性接近于涤纶，有良好的吸湿性，可以用酸性染料和其他染料直接染色。但耐光和耐热性能较差，初始模量较低。聚酯纤维的强度高，耐磨性和弹性好，抗酸碱腐蚀性能较好等，但其吸湿性差，聚酯纤维在进行化学加固时通常黏合剂的分布不均[7]。

李亚萍等[8]对包括聚酰胺及聚酯纤维在内的五种不同的合成纤维进行耐磨和拉伸等测试，发现聚酰胺纤维和聚酯纤维综合性能最好，干态断裂强度在4.2 MPa～7.3 MPa之间，强度高，耐磨性好，不易软化且耐酸碱腐蚀，适合作高性能的抛光磨具的纤维原料。王孝琪[9]通过热分析证明了“尼龙66”的耐热性更好，这是由于“尼龙66”的分子间氢键比“尼龙6”多，且发现在磨削过程中“尼龙66”基体不易发生黏附现象。

制作磨具所需纤维的线密度与磨料粒径以及黏合剂的含量有关。一般纤维线密度越大，可承载的磨料颗粒也较大。LUKIS等[10]发现：当无纺布磨具的黏合剂质量增加时，其单位面积的磨料粒子数目也相应增加，且细纤维制成的无纺布磨具增加更明显。故在实际应用中要综合考虑不同因素的影响来制备合适的产品。

无纺布制造工艺有纺粘法、针刺法、水刺法、气流成网法等，国内最开始生产百洁布时采用的是针刺法织网，由于此法生产的百洁布织网是分层堆叠，然后针刺成型，因此其直向抗拉伸和抗磨损性能较低。目前国内外已经全面使用气流成网工艺，就是利用气流使经过梳理的纤维脱离梳理部件而形成纤网的工艺。通过气流成网成型机形成的基布，其基重通常在50～600 g/m2的范围，若厚度和密度过大则会导致磨料在纤维基体上分布不均匀，其常见的厚度为1.27 cm或0.635 cm[11]。但这样形成的无纺布纤维网一般强度偏低，还需要进行加固程序，如针刺或者通过黏合剂涂布来提高纤维网的强度。目前3M公司的产品主要使用的黏合剂浆料成分主要为聚氨酯、丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)和环氧树脂。

2.2 胶黏剂

无纺布涂附磨具中最常用的胶黏剂有环氧树脂、酚醛树脂和聚氨酯。液体环氧树脂的黏度较低，使得磨粒的分散性较好，且硬度较高，附着力、稳定性、耐腐蚀性、耐热性好，也可通过改性来提高制品的成型性能。酚醛树脂的耐热性好，机械强度高和尺寸稳定性好，但脆性大，需要对其进行增韧改性。聚氨酯的黏接性强，耐冲击性能好，容易浸润，工艺性好，不易使黏结层产生缺陷。此外还可选择抗张强度和黏结强度较高的黏合剂，如丁苯改性橡胶乳液、丙烯酸酯乳液等。

范福庭等[12]通过控制体系中的—NCO基团和—OH基的摩尔比为3.7，二羟甲基丙酸与聚氧化丙烯二醇的摩尔比为0.7，用新戊二醇和间苯二胺来进行扩链，制备出了稳定性和耐水性好的聚醚型水性聚氨酯，制成的抛光轮可用于对玻璃、瓷砖的抛光。

Martinez等[13]发明了含阴离子水溶性材料二羟甲基丙酸的聚氨酯黏合剂树脂，该树脂黏合剂可以使膨松的非织造纤维网在被压缩后更充分地回弹。将市售的不同聚氨酯预聚物和二羟甲基丙酸处理基材，然后将含有氧化铝磨料的酚醛树脂黏合剂喷涂于无纺布上，通过热固化制备出了多种具有优异回弹性能的无纺布研磨垫。

董新[14]通过研究发现：当芳香胺A的含量为14%时，含环氧树脂E-51和聚酰胺651体系的黏合剂剪切强度提高了81%，拉伸强度提高了52%，弯曲强度提高了15%，并在此基础上与TDI聚醚型聚氨酯预聚体复配制得的无纺布磨具性能接近国际先进水平。

王鹏等[15]制备了一种酚醛树脂黏合剂，组分包括酚醛树脂、活性高强酚醛树脂、无机活性添加剂、无机填料、水溶性热塑性树脂和混合溶剂。在底胶应用中，其发明的酚醛树脂比传统工艺制备的酚醛树脂单独使用的剥离强度提高了2%～18%。由于添加了无机填料，制造成本降低了5%～15%，并且制品的耐热、耐磨、耐冲击性能都得到了提高。

Mariusz Sandomierski等[16]将羟甲基引入炭黑，并将其作为活性填料加入酚醛树脂研磨工具中，其抗弯强度增强了11倍，可有望减少交联剂的用量。

Gorodisher等[17]发明了一种与酚醛树脂一起使用的催化剂，可以在较低的温度下加速体系固化。该催化剂包括季铵多卤化物，如四甲基三氯化铵、四甲基氯二溴化铵、四甲基碘溴化铵、四乙基三溴化铵和四乙基氯二溴化铵等。

GAETA等[18]制备了含多硫醇改性剂的树脂，该产品应用于涂附磨具可以更好地保留磨粒，减少随机划痕的形成，不仅显著提高了涂附磨具的柔韧性，也提高了底胶层和背衬层之间的界面黏附力，在相同的使用寿命内可以维持更大的切削力。当多硫醇与树脂反应时，它可以减慢树脂的高聚合速率。实验发现，已固化的含季戊四醇四- (3-巯基丙酸酯)的酚醛树脂比未加含多硫醇基团聚合物的酚醛树脂透明度高。且季戊四醇四- (3-巯基丙酸酯)交联的(TMPTA/ICTA树脂)的涂附磨具与具有相同树脂的磨具相比，加工工件的表面粗糙度值更小。与含多硫醇聚合物的涂附磨具相比，不含多硫醇聚合物的树脂磨具相对粗糙且磨粒有松动和缺失的现象。

黏合剂中可以添加各种添加剂，如常规的填料(碳酸钙或细纤维)、润滑剂(硬脂酸的碱金属盐和轻质石油)、助磨剂(氟硼酸钾)、润湿剂或表面活性剂(十二烷基硫酸钠)、消泡剂、颜料、染料、杀生物剂、偶联剂(有机硅烷)、增塑剂(聚亚烷基多元醇或邻苯二甲酸酯)、增稠剂等。胶黏剂中常添加的抗负荷材料主要是金属硬脂酸盐，但它们在使用过程中往往会脱落，并且磨具的制造成本会更高。Chen等[19]发现蜡质添加剂，如石蜡、聚乙烯蜡、巴西棕榈蜡、聚丙烯蜡、乙烯双硬脂酰胺(EBS)蜡或其组合为抗负载材料可以减少对超级胶料涂层的需要，同时提供了较好的抛光性和耐久性。通常黏合剂应至少包括一种溶剂(如异丙醇、甲基乙基酮、水)来保证施胶工艺的正常进行。

2.3 磨粒

常用的磨粒种类有刚玉系、碳化物系、金刚石和立方氮化硼等[20]。刚玉系磨料硬度高，韧性好，应用于铸铁和不锈钢等的抛光；碳化物系的自锐性和导热性好，可用于硬质合金和半导体等材料的抛光；金刚石是硬度最高的材料之一，可用于抛磨难加工的硬脆材料和高硬度玻璃等；立方氮化硼的热稳定性高，用于耐热钢和合金钢等的抛光。

随机粒度和形状的磨粒可通过压碎、研磨或粉碎工艺获得，然后筛选颗粒以得到具有特定粒度范围的颗粒。制造成形磨粒的方法有很多，如在具有预定形状的模具中使前体陶瓷磨粒成形，或将磨粒前体通过具有预定形状的孔口挤出，也可将成形磨粒前体压印成预定的形状或图案。制备方法有美国专利No. 5455456中公开的三角形板、No. 5000005所述的溶胶—凝胶成型磨粒等[21]。

Erickson等[22]制备了α氧化铝的成型磨粒。沿成形磨粒纵轴的横截面形状呈非圆形，并且成形磨粒的平均圆度因子为0～15%。实验发现成形磨粒的研磨性能与平均圆度因子相关，具有较低平均圆度因子的成形磨粒具有优良的研磨性能。

磨粒可以用偶联剂(有机硅烷偶联剂)或其他物理处理以增强粉碎的磨粒对黏合剂的黏附性或分散性。施加于磨粒上的表面涂层可用于改善磨粒与磨料制品中的黏合剂之间的黏附性，也可以防止研磨工件的金属颗粒与磨粒的黏附。

3 无纺布涂附磨具制造技术发展

无纺布磨具制造过程中关键的是磨料的固着。一般有两种方法，一种是先施胶再上砂。这种方法的磨粒与黏合剂的接触面积小，结合强度差，易在使用过程中脱落，可以在此基础上再施加第二组分的胶黏剂来改善；另一种方法是将磨料与胶黏剂混合均匀后用浸渍或喷涂的方式施加于无纺布基体上。浸渍法加工的产品由于磨料与黏合剂相互包含、均匀分布于纤维表面，因而磨料被黏附的牢度较好，耐用性好。喷涂法由于黏合剂与磨料的混合浆料黏度较大，磨料是以微粒状态被喷涂于纤维表面，所以磨料在纤维上的分布不均匀。

涂附磨具的植砂方式有重力植砂和静电植砂两种。静电植砂利用高压静电场，依靠磨料的电学性能或在其上覆盖一层带电涂层，使磨料成为带电体而被吸附在涂覆有黏合剂的基材上，形成具有优良磨削性能的磨具。一般认为电场力作用于砂粒重心，因此该植砂方式的尖锐方向朝外，使磨具的锋利程度增加。而重力植砂的砂粒是倒上去的，砂粒方向各异，砂粒粘结的牢固度和磨削锋利度不如静电植砂。

梁慧芳[23]通过纤维喂入、开松、梳理、铺网、预针刺和针刺步骤，制备了厚度6.39 mm、单位面积质量814.7 g/m2、硬度值30.25 HA的无纺布基布。之后采用了浸渍固化工艺，以环氧树脂与25%聚醚胺1∶2的比例制备了硬度值46.7 HA、单位面积质量971.22 g/m2、具有较好耐磨性能且散屑能力强的尼龙抛光材料。

王军杰[7]通过气流成网制备了无纺布基材，无纺布基体由不同长度和细度的“尼龙6”纤维进行混纺制备，通过实验发现单位面积质量900 g/m2左右的无纺布基体制得的磨具初始模量小，柔韧性好。当酚醛树脂与水的质量比为65∶36、甲醇1.5 g、棕刚玉磨料117 g时，制备出的抛光磨具性能最优。

WOO等[24]将线密度135 tex、长度3.81 cm的高韧性“尼龙66”短纤维通过机器气流成网制备了单位面积质量155 g/m2、厚度9 mm的无纺布。之后将含有丙二醇单甲醚乙酸酯和聚氨酯的黏合剂以29 g/m2的湿重涂布，再将含有酚醛树脂的胶黏剂与氧化铝磨料混合形成浆料，再以280 g/m2的湿重喷涂，热固化后再将硬脂酸盐溶液均匀涂刷非织造磨料垫，最后加热去除溶剂。通过对比有无硬脂酸盐涂层，发现含金属硬脂酸盐的覆盖层组合物应用在未深度浸没在黏合剂中的磨粒的非织造磨料制品时，研磨性能提高；当磨粒被深度浸没时，添加相同的覆盖层成分会导致研磨性能下降。

O’Gary等[25]发明了一种具有纹理化表面的非织造材料。该方法将聚氨酯黏合剂浸渍纤维网后，再通过具有特殊形状的已预热的图案辊加工来形成由“峰”或“谷”组成的波纹图案，之后用酚醛树脂组成的黏合剂上胶，最后二次上胶后热固化。经此工艺成型的无纺布研磨产品比具有一般平面研磨表面的无纺布磨具具有更好的切割性能，并且还保留了无纺布制品的适形性。

Moren等[26]制备了高线密度的尼龙无纺布磨具。无纺布由40%的58500 tex的“尼龙6”和60%的9000 tex的“尼龙66”组成。气铺成网针刺后用含有苯氧基树脂的聚氨酯胶黏剂加固无纺布，然后再分别施加含有纯碳化硅磨料和碳化硅、氧化铝和三角形氧化铝混合磨料的胶黏剂。与市售的无纺布磨具相比，该产品表现出更高的挠度、低的磨损百分比、较好的边缘切割率和高的面切割率，还具有高度的适形性和开放的多孔表面。测试表明：7.62 cm长度的纤维制备的无纺布磨具比5.08 cm纤维制备的磨具有更高的断裂强度，并且卷曲指数需要在20%～40%之间以保证机器不停机。

Amid等[27]制备了低脱落的无纺布磨具制品。无纺布基布由1.27～3.81 cm长，900 tex的“尼龙66”短纤维经气流成网后用丙烯酸黏合剂黏合，固化后涂布聚氨酯组合物，重力植砂磨料后再先后喷涂酚醛组合物和聚氨酯组合物，再固化后用环氧树脂组合物涂覆非织造磨料片的两侧，最后固化切片制备了卷紧轮。该专利磨料由初级磨粒和增强磨粒组成，这两种磨粒组成相同，但初级磨粒平均粒径大于纤维直径，增强磨粒的平均粒径小于纤维粒径。实验测试发现：增强磨粒会减少切割量，但基体强度会增加，在磨削期间从卷紧轮脱落的材料量大大减少，并且初级磨粒越大，增强磨粒的强化程度就越大。

Ludwig等[28]发现将陶瓷磨粒用具有弹性模量的黏合剂制成团聚物后，以此制备的无纺布涂附磨具加工工件的表面粗糙度显著降低。其先将磨料分别与酚醛树脂黏合剂和聚氨酯黏合剂混合黏结为一种块状磨料附聚物，气流成网制备无纺布后，用聚氨酯和丙二醇单甲醚乙酸酯混合的预黏合树脂在双辊涂布机上施加89 g/m2的湿附加压力，加热固化为6 mm厚且单位面积质量为168 g/m2的预黏合非织造纤网。之后再分别以酚醛树脂为主的黏合剂和以聚氨酯为主的黏合剂浸渍纤维网，加热除去部分溶剂后，施加42 g均匀分布的磨粒团聚体。堆叠后在压力机中加压加热，最后用模具冲切形成具有3.2 cm中心孔的20 cm直径的叠合轮。通过对冷轧碳钢或T304不锈钢板进行磨削，发现当磨粒团聚时比未团聚的加工工件的表面粗糙度好，且表面粗糙度降低因素与块状磨料附聚物的形状无关。

Alkhas等[29]采用静电植砂的方式将三角氧化铝陶瓷磨料与纤维正交排列，通过与喷涂磨料的方式进行对比，发现采用静电植砂成型的无纺布砂轮切削性能远超喷涂磨料的方式。其将25%的640 tex的“尼龙66”纤维和75%的780 tex的“尼龙6”纤维通过气流成网机制备单位面积质量415 g/m2的无纺布，然后针头钉固定于平纹尼龙布上，将PMA与聚氨酯黏合剂以586 g/m2的干附加压力涂布无纺布，固化后形成5.8 mm厚、单位面积质量1147 g/m2的预黏合非织造纤网。将酚醛树脂黏合剂喷涂无纺布后，再将三角陶瓷氧化铝磨料滴涂或通过静电涂附的方式施加其上，最后热固化形成了研磨盘。磨削测试发现静电涂附的磨粒表现出良好的切削性能。随后又制备了无纺布叠合轮与卷紧轮：将30 g/m2含有丙烯酸树脂乳液和水性聚氨酯分散体的浆料喷涂在119 g/m2的216 tex的尼龙纤维气流成网的非织造纤维网上，加热后辊涂含有聚氨酯和环氧树脂的浆料组合物，随后静电涂附或喷涂磨粒后加热。再施加含聚氨酯和环氧树脂的另一组分浆料，最后将8层所得磨料组合物堆叠并压缩至1.27 cm厚，加热固化后形成密度0.74 g/cm3的叠合轮。卷紧轮的制备方法是将含磨料的无纺布在直径2.54 cm的酚醛芯周围缠绕11 m，在足够的张力下形成直径15.24 cm、最终密度为12 g/cm3的卷紧轮。测试发现：空气喷涂磨料的层压轮切削力高，但磨损量也高，而静电涂附磨粒的卷紧轮切削力更好，磨损量较低。

4 无纺布产品的发展

无纺布涂附磨具最开始由3M公司制备民用百洁布供给家庭厨卫清洁使用，之后随着无纺布磨具的原材料及制造技术的发展，逐渐广泛地应用于多种材料的磨削、抛光等加工领域。

日本的Yoshida Koichi[30]发明了用于抛光半导体等的浸渍聚氨酯硬化的无纺布抛光垫。浸渍聚氨酯的无纺布抛光垫也可对3D盖板玻璃进行抛光[20]。

美国的McArdle等[5]发明了一种尼龙无纺布砂轮，可应用于精炼硬质材料的表面，如蓝宝石、氮化硅、硬质合金刀具等的抛光以及不锈钢和碳钢的抛光。

李刚等[31]发明了一种无纺布轮，通过引入三聚氰胺纤维材料来使得耐温、耐磨损性能得到改善。该产品可应用于细微抛光如化学机械抛光工艺中。

无纺布研磨刷辊目前在电路板、钢板、人造板行业大量应用，主要用于表面处理和拉线纹。加工成页、盘、卷等形状的工业百洁布也可用于玉器、建材、汽车等的修磨和抛光。

5 结语

无纺布涂附磨具是一种经济、高效的抛光及磨削材料，品种多而且应用广泛。目前国内关于无纺布磨具的制备、性能、抛光机理的研究文献较少，且我国无纺布磨具的产品质量与国外相比还有较大差距，制备尖端技术较少，在高精密技术上的应用少。

目前制造无纺布磨具需要大量的溶剂，对环境产生了不小的危害。应首先研究具有优异耐磨性、黏结性好的水溶剂型胶黏剂，其次无纺布纤维原料的选择要向性能优异的天然纤维和具有特殊性能的化学纤维新品种发展，其制造技术要向生产效率高的方式发展，无纺布抛光磨具产品要增加科技含量，向高档次、高精度、高性能、低成本的方向发展。