Испытание на механическую прочность абразивных кругов: Испытание шлифовальных кругов — Проверка абразивных кругов

СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОТРЕЗНЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ОБОРУДОВАН/IE

*Стенд для испытания отрезных шлифовальных кругов

на механическую прочность

Шлифовальные круги — это инструменты, работающие с высокими окружными скоростями. Вследствие этого к данному виду инструментов предъявляются высокие требования по параметру прочности. Это обусловлено тем, что при разрушении (разрыве) шлифовального круга в процессе работы может быть повреждён станок, обрабатываемая деталь, а также травмирован обслуживающий персонал. Для определения предела прочности шлифовальных кругов и установления их максимальной рабочей скорости на предприятиях изготовителях применяется следующая мс тодика испытаний. Шлифовальный круг устанавливают на шпиндель специального испытательного станка с броне-камерой, ограничивающей разлёт осколков круга, и постепенно разгоняют до такой окружной скорости, при которой происходит его разрушение. ), принятый для данного типа кругов. Так, для кругов прямого профиля Кзп = 2, для отрезных кругов Кзп = 1,8. Вследствие этого для испытания шлифовальных кругов на прочность трэбуются дорогостоящие станки с бесступенчатым регулированием скоростей вращения шпинделей и максимальными скоростями их вращения, не менее чем в два раза превышающими рабочие скорости испытываемых кругов. В настоящее время для этих целей используют оборудование как отечественного производства, например, станки моделей СИП. АИП и др.. так и зарубежные, например, станки фирмы «Davide Maternini».

Применение таких станков не всегда бывает экономически оправданно, особенно в случаях периодической и редкой проверки на прочность небольших партий шлифовальных кругов, как это бывает, например, при проведении научных исследований. В этих целях более целесообразно использовать какой-либо готовый привод, доработанный и модернизированный под конкретную задачу. Именно такой путь был реализован на практике при создании и последующем испытании отрезных шлифовальных кругов с контролируемой формой зёрен. В данном случае за базу был взят универсально-заточной станок модели ЗА64Д, на основе которого был создан специальный испытательный стенд, внешний вид которого представлен на рис. 1. Здесь на рабочем столе 1 закреплена с помощью резьбовых соединений и Т-образных пазов бронекамера 2, стенки и съёмная крышка которой выполнены из листовой стали толщиной 7 мм. В бронекамере находится шпиндельный узел, на который устанавливается испытуемый шлифовальный круг. Крышка камеры надёжно фиксируется четырьмя болтами, чем обеспечивается получение замкнутого пространства, в котором происходит последующее разрушение круга. Шпиндель испытательной камеры кинематически связан со шпиндельным узлом станка 3 посредством кли-норемённой передачи. Расположение шкивов данной передачи в одной плоскости обеспечивается посредством поперечного перемещения рабочего стола станка с помо-

В.А. КОРОТКОВ, аспирант, ТПУ, г. Томск

щью маховика 4. Предварительное натяжение ремня кли-норемённой передачи обеспечивается продольным перемещением стола 1 с закреплённой на нём испытательной бронекамерой 2 посредством маховика 5.

Фиксация рабочего стола станка в необходимом положении осуществляется с помощью упоров 6. Более точное регулирование натяжения ремня клиноремённой передачи производится вертикальным перемещением шпиндельного узла 3 с помощью маховика 7. Бесступенчатое регулирование скорости вращения шпинделя испытательной бронекамеры обеспечивается за счёт тиристорнсго привода и переменного резистоэа 8, а контроль скорости вращения осуществляется с помощью вольтметра 9, включённого в цепь главного электэодвигателя постоянного тока.

Кинематическая схема стенда изображена на рис. 2. Её отличие от кинематической схемы базового станка модели ЗА64Д состоит в том, что добавлено ещё одно звено. Шпиндель станка (вал III) связан со шпинделем испытательной бронекамеры (вал IV) посредством клиноремённой передачи через шкивы 5 и б с соотношением делительных диаметров соответственно 2,88:1. Такое техническое решение было применено для увеличения максимальной скорости вращения шпинделя бронекамеры. Для определения эксплуатационных параметров шпинделя бронекамеры (вала IV) был пэоведён расчёт действующих при испытаниях нагрузок, выбран оптимапьный материал для данного вала (сталь 40Х), назначена его термообработка (закалка в масле v высокий отпуск), а также выбраны подшипники, удовлетворяющие исходным требованиям. В шпиндельном узле бронекамеры, в частности, были применены радиально-упорные подшипники 36204 с

* — здесь и далее изложение доклада на 4-й научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», 23 марта 2006е., г. Новосибирск

10 №2 (31)2006

ИНСТРУМЕНТ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

максимальной допустимой скоростью вращения 20000 об/мин на жидкой смазке.

ш

п

IV

м

Рис. 2. Кинематическая схема испытательного стенда

Электросхема установки показана на рис. 3. Бесступенчатое регулирование скорости вращения шпинделя обеспечивается тем, что вместо штатного асинхронного электродвигателя мощностью 1,4 кВт был установлен двигатель постоянного тока мощностью 2,2 кВт, запитываемый от тиристорного привода, что попутно обеспечило расширение технологических возможностей базового станка.

Электродвигатель подключён по схеме независимого возбуждения. Регулирование его скорости вращения ведётся с помощью переменного резистора Я (эукоятка 8, рис. 1). Контроль скорости разрыва кругов осуществляется с помощью вольтметра, встроенного в цепь якоря электродвигателя, на основе предварительно построенных тарировочных графиков. На стенде обеспечивается бесступенчатое рег/лирование скорости вращения шпинделя в пределах 800. .18500 об/мин. Бронекамера и шпиндельный узел позволяют испытывать отрезные и обдирочные шлифовальные круги с максимальным диаметром 356 мм и высотой до 10 мм.

Рис. 3. Электрическая схема испытательного стенда

К настоящему времени на данном стенде испытано порядка 40 экспериментальных отрезных шлифовальных кругов с контролируемой формой зерен как с упрочняющими элементами, так и без них. При этом разрывные скорости некоторых типов испытанных кругов составляли порядка 175 м/с.

Таким образом, предлагаемая модульная конструкция испытательного стенда позволяет путём монтажа-демонтажа бронекамеры (в течение 15…20 мин) использовать станок ЗА64Д пс двойному назначению — как для заточки инструментов, так и для контроля прочности шлифовальных кругов.

‘Анализ точности технологической геометрии абразивного инструмента

Г.В. ЛИТОВКА, профессор, доктор техн. наук, АГУ, г. Благовещенск

Эксплуатационные свойстеэ деталей в значительной мере зависят от шероховатости рабочих поверхностей, сформированной абразивным инструментом на финишных операциях. I Юлучение необходимой шероховатости поверхности деталей требует метрологического обеспечения при определении значений геометрических параметров абразивного инструмента, которые в совокупности характеризуют его технологическую геометрию. В данной работе на примере виброабразивной обработки приведены результаты исследований, устанавливающие необходимые и достаточные условия для определения значений геометрических параметров абразивного инструмента с заданной точностью. В качестве абразивного инструмента использовался наполнитель, представляющий собой режущий инструмент без жесткой кинематической связи, т.е. это гранулы размером 20-25 мм обкатанного боя абразивных кругов. Исследования охватывали следующие марки: 24А6ПСТ19К; 24А12ПСТ13К8А; 25А16ПСТ15К; 24А25ПСТ18К; 24А32ПСТ15К; 24А40ПСТ15К8А. При изучении технологической геометрии абразивного инструмента был принят метод профилографирования рельефа гранул с получением профилогэамм, как наиболее оперативный и емкий по информации. Профилографиривание

рельефа абразивных гранул осуществляли методом ощупывания алмазной иглой, имеющей угол при вершине конуса 90° и радиус округления вершины 5 мкм. Основными геометрическими параметрами абразивных гранул были приняты острота рельефа /., критический радиус кривизны поверхности и среднее квадратическое отклонение ординат профиля рельефа Ор [1].

Обеспечение заданной точности перечисленных параметров основывается на применении теории случайных функций и математической статистики и включает два этапа: определение базовой длины профилографирования рельефа абразиЕных гранул и установление необходимого количества базовых профилограмм для повышения надежности ожидаемого результата.

Базовую длину профилографирования находят, исходя из заданной точности вычисления корреляционной функции по экспериментальным данным [2], извлекаемым из профилограммы. Экспериментальная корреляционная функция (коррелограмма) имеет следующую зависимость:

0)

к -т 0

где £ — базовая длина профилографирования, которую

№ 2 (31) 2006 Ц

Испытание и правка абразивных кругов

В машиностроении, металлообрабатывающей промышленности, слесарных мастерских, автосервисах и других предприятиях, работающих с металлом, для придания гладкости металлической поверхности заготовок в большинстве случаев используют инструменты, оснащенные абразивными кругами.

Согласно ГОСТ 12.3.028 абразивные круги, предназначенные для работы на скорости более 40 м/с, должны проходить предварительное механическое испытание на специализированных стендах (к примеру, СР-400В). Так как круги подвергаются воздействию центробежной силы, высокой температуры, давления и трения, существует риск разрушения камня.

На высоких оборотах, осколки разлетающиеся на десятки метров, способны нанести тяжелые травмы рабочим или привести к летальному исходу, нанести серьезный ущерб инвентарю, стать причиной аварии на производстве. Поэтому использование непроверенных абразивных кругов запрещается нормами безопасности.  

Также испытания кругов позволяет выявить искажение формы камня и исправить их. Заводской брак формы кругов приводит к сильной вибрации, из-за чего инструмент выходит из строя раньше заявленного производителем срока, ухудшается качество обработки деталей и других металлических изделий. Также вибрация влияет на здоровье рабочих и приводит к разрушению шлифовального камня.    

Как проводится испытание и правка абразивных кругов

Сегодня для испытания и правки абразивных кругов нет необходимости отправлять их в специальные лаборатории. На рынке существует множество аппаратов отечественного производства и зарубежных аналогов. Такие станки (стенды) подходят для работы как на крупных производствах, так и частных мастерских.

Аппараты отличаются по габаритам, техническим характеристикам и функциональным возможностям. Другими словами, существуют любительские и профессиональные станки/стенды. Любительские относятся к бюджетным вариантам и не требует специальной подготовки оператора. Профессиональные агрегаты более дорогостоящие и позволяют проводить различные манипуляции над шлифовальным камнем, поэтому к работе с таким оборудованием допускаются только обученные операторы.     

Особенности стендов

ОШ-614
— аппарат для правки абразивных кругов, оснащен компьютерной системой управления, благодаря чему способен с высокой точностью производить формирования геометрического профиля. Правка производится в поперечном и продольном направлениях. При этом круг находится в зафиксированном положении.

СИП 800 К1 — однокамерный станок для испытаний прочности абразивного камня. В основе действия агрегата лежит метод вращения на высоких оборотах. Процесс полностью автоматизирован, оператору лишь необходимо установить скорость вращения и время испытания.  

СИП 800 К1(Л)
— продолжение линейки однокамерных аппаратов СИП 800. Данная модификация подходит для испытания шлифовального камня, предназначенного для обычного и скоростного шлифования. 

СИП 800 К2
— двухкамерный станок для испытания шлифовального камня. Эта модель оснащена двумя камерами, благодаря чему можно одновременно испытывать два абразивных круга, то позволяет экономить расход электроэнергии и сократить время на испытания.   

СР-400Б — стенд для испытания шлифовальных камней. Модель оснащена прочной сварной камерой, системой бесступенчатой регулировки скорости вращения. Настройка вращения производится согласно таблице соотношения диаметра круга к скорости вращения, разработанной по требованиям ГОСТ. Снят с производства. Ему на замену пришел СР-400В.

СР-400В
— стенд для механического испытания прочности абразивных кругов. В отличие от более ранней модели СР-400Б, укомплектован цифровой системой управления УЦИ ПЛК-73 для контроля за циклом испытания.    

СР-450М
— это модернизированная версия стендов из линейки СР-400Б. Подходит для испытания шлифовального камня для обычного и скоростного шлифования. Больше не выпускается, вместо него налажен выпуск СР-400В.

Перед покупкой испытательных станков и стендов в нашем магазине «ЕвроСтор» рекомендуем проконсультироваться у менеджеров, чтобы узнать подробные технические характеристики, рекомендации по эксплуатации и уточнить наличие конкретных моделей, так как некоторые аппараты в настоящее время сняты с производства.

Механическая прочность шлифовальных кругов

• Реестр проектов
• Исследовательская сеть ПЕРОШ
• Duales Studium Разработка программного обеспечения

• Дом
• Исследования
• Реестр проектов

Статус:

завершено 01/1994

Цели:

Стационарные шлифовальные станки часто используются для обработки материалов. В процессе шлифования на абразивные круги действуют силы растяжения, резания и центробежные силы. Последние играют преобладающую роль с точки зрения безопасности, поскольку они могут привести к разрыву шлифовального круга. Фрагменты шлифовальных кругов, выброшенные за пределы рабочей зоны, могут привести к серьезным авариям с травмами людей и значительному повреждению машин и оборудования. Следовательно, для шлифовальных кругов существуют определенные пределы рабочей скорости, и последние также должны подтверждать минимальную прочность на разрыв. Целью исследования было установить, в какой степени прочность шлифовальных кругов на разрыв зависит от их конструкции и состава.

Виды деятельности/Методы:

Центробежные испытания были проведены для определения прочности на разрыв застеклованных и армированных шлифовальных кругов и для исследования связи между скоростью разрыва и модулем упругости или прочностью на изгиб абразивных кругов.

Результаты:

Скорость разрыва шлифовального круга в значительной степени зависит от его конструкции и состава. Более высокие скорости разрыва наблюдаются в связи с большими объемами зерна и связки и меньшими размерами абразивных частиц. Хотя четкой связи между модулем упругости и скоростью разрыва выявить не удалось, испытания выявили прекрасную корреляцию между прочностью на изгиб и скоростью разрыва. Легко определить прочность образцов материалов на изгиб. Затем эта информация служит для расчета разрывной скорости плоских шлифовальных кругов. Таким образом, в контексте анализа несчастных случаев ретроспективно можно определить скорость разрыва даже с помощью нескольких фрагментов шлифовального круга.

Дополнительная информация:

Последнее обновление:

16 ноября 2001 г.

Проект

Финансируется:

• Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (HVBG)
• Verein Deutscher Schleifmittelwerke
• Arbeitsgemeinschaft der Eisen- und Metall-Berufsgenossenschaften
• Deutscher Schleifscheibenausschuss

Научно-исследовательские учреждения:

• Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitssicherheit — BIA

Филиалы:

металлообработка

Тип опасности:

Механические опасности

Кальпы:

Mechanische Gefährdung, Prüfverfahren, Maschinensicherheit

Description Sword, 8888888 гг. прочность, механическая прочность, модуль упругости, прочность на изгиб

Контактный телефон

[email protected]

Характеристики отрезно-шлифовального круга на основе матрицы лигнин-фенольной смолы и оксида алюминия :: БиоРесурсы

Чжан, Дж., Лян, Дж., Ду, Г., Чжоу, X., Ван, Х., и Ван, Х. (2017). «Характеристики отрезно-шлифовального круга на основе матрицы лигнин-фенольной смолы и оксида алюминия», BioRes. 12(4), 9118-9129.

Abstract

Были изготовлены шлифовальные круги из легко приготовляемой и промышленно выпускаемой термореактивной смолы ПФЛ (фенол, формальдегид и щелочной лигнин) с частицами оксида алюминия (т.е. шлифовальный круг ПФЛ). Механические свойства этих шлифовальных кругов характеризовались твердостью по Бринеллю, прочностью на сжатие и абразивностью. Свойства отверждения и термостойкости смолы PFL изучали с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрического анализа (ТГА). Результаты показали, что новая смола PFL с заменой 30% фенола щелочным лигнином показала превосходную термостойкость. При использовании щелочного лигнина для замены части фенола температура отверждения фенолоформальдегидной смолы (ФФ) повышалась. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) шлифовального круга PFL не показала пор и трещин в композите по сравнению с шлифовальными кругами PF, изготовленными в лаборатории; Шлифовальные круги PFL имели высокую твердость и сопротивление сжатию. Кроме того, шлифовальный круг PFL показал абразивность, сравнимую с шлифовальным кругом PF во время лабораторных испытаний.

Загрузить в формате PDF

Полный текст статьи

Характеристики отрезного и шлифовального круга на основе матрицы из лигнин-фенольной смолы и оксида алюминия

Цзюнь Чжан, ^a,b Цзянькунь Лян, ^a Гуаньбэнь Ду, ^a,b, * Сяоцзянь Чжоу, ^a Хуэй Ван, ^a и Хунъян Ван ^c

Были приготовлены шлифовальные круги из легко приготовляемой и промышленно выпускаемой термореактивной смолы ПФЛ (фенол, формальдегид, щелочной лигнин) с частицами оксида алюминия ( т. е. ., шлифовальный круг PFL). Механические свойства этих шлифовальных кругов характеризовались твердостью по Бринеллю, прочностью на сжатие и абразивностью. Свойства отверждения и термостойкости смолы PFL изучали с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрического анализа (ТГА). Результаты показали, что новая смола PFL с заменой 30% фенола щелочным лигнином показала превосходную термостойкость. При использовании щелочного лигнина для замены части фенола температура отверждения фенолоформальдегидной смолы (ФФ) повышалась. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) шлифовального круга PFL не показала пор и трещин в композите по сравнению с шлифовальными кругами PF, изготовленными в лаборатории; Шлифовальные круги PFL имели высокую твердость и сопротивление сжатию. Кроме того, шлифовальный круг PFL показал абразивность, сравнимую с шлифовальным кругом PF во время лабораторных испытаний.

Ключевые слова: лигнин щелочной; Фенолформальдегидная смола; Шлифовальный круг; Частицы оксида алюминия

Контактная информация: а: Юньнаньская ключевая лаборатория деревянных клеев и клеевых продуктов, Юго-Западный университет лесного хозяйства, 300 Bailong Road, Panlong District, 650224, Куньмин, КНР; b: Ключевая лаборатория по сохранению и использованию лесных ресурсов в юго-западных горах Китая, Юго-Западный университет лесного хозяйства, Министерство образования, 650224, Куньмин, КНР; c: Чжэцзянская академия лесного хозяйства, Ханчжоу, КНР; * Автор, ответственный за переписку: swfudgb@163. com

ВВЕДЕНИЕ

Угловая шлифовальная машина является одним из наиболее широко используемых режущих инструментов в строительстве и производстве. Важным компонентом УШМ является шлифовальный круг; этот круг обычно состоит в основном из композита на основе фенолформальдегидной (PF) смолы (Robie 1957; Rowse and Stinchfield 1959; Lin et al. 2015), углерод/углеродных композитных материалов (Nasibulin 2017) или металлических композиционных шлифовальных материалов (Zhang и др. 2017). Однако углерод/углеродные композитные материалы дороги и имеют плохую стойкость к окислению. Металлические композиционные материалы тяжелые и демонстрируют плохие механические свойства при высоких температурах. Композитные материалы на основе смолы PF недорогие и легкие; однако в этих композитах в качестве матрицы используются токсичные вещества, а для полного отверждения смолы требуется длительное время. В связи с этими ограничениями были проведены исследования по поиску недорогих, легких и малотоксичных шлифовальных кругов. К счастью, большое количество подходов исследовали биоресурсы, такие как танин и лигнин, для некоторых недорогих компонентов смолы. В настоящее время клей на основе танина (Zhang и др. 2017 г.) и шлифовальные круги (Lagel и др. 2015 г.; Zhang и др. 2015 г.). Кроме того, структура лигнина имеет некоторое сходство с фенолом (Hemmilä et al.  2017). В настоящее время лигнин был разработан для замены фенола в реакции с формальдегидом для некоторых материалов на биологической основе, таких как лигнин-фенол-формальдегидные (PFL) клеи для дерева (Yang et al. 2015; Zhao et al. 2016) и пенопласты PFL. (Qu и др. 2017). Во время химической варки лигноцеллюлозных материалов образующийся крафт- и щелочной лигнин сжигают в качестве биотоплива для получения пара и восстановления отработанных неорганических химикатов (Xue et al. 2014). Таким образом, смола на основе PFL для шлифовального круга может быть изготовлена ​​с использованием растворенного щелочного лигнина, полученного при химической варке целлюлозы.

В данной работе рассматривается возможность получения смол ПФЛ и их использования для изготовления шлифовальных кругов. Исследованные смолы PFL основаны на совместных реакциях щелочного лигнина, фенола и формальдегида в щелочных условиях. Эти смолы PFL объединяются с частицами оксида алюминия для изготовления новых шлифовальных кругов. Шлифовальные круги на основе PFL исследуются на предмет их долговечности и абразивности, и такие свойства сравниваются с шлифовальными кругами только на основе PF.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ

Материалы

Щелочной лигнин, полученный из содовой (NaOH) варки лигноцеллюлозных материалов при слабощелочной экстракции остатков пшеничной соломы, был получен от компании Long Live Biological Technology Co. (Шандун, Китай). Фурфуриловый спирт (чистота 98%) и молочная кислота были приобретены у Acros Organics (Geel, Бельгия). Сжиженный фенол (чистота 80%) и NaOH были приобретены у Fisher Scientific (Loughborough, UK). Формальдегид (37% водный раствор) был приобретен у Acros Organics (Geel, Бельгия). Частицы оксида алюминия размером 0,4 мм и стальная трубка (диаметром 7 мм, внутренним диаметром 6 мм и длиной 0,8 м) были получены от компании Run Xin Materials Co. (Куньмин, Китай). Коммерческий шлифовальный круг на основе смолы на основе PF («PFG»; диаметр 100 мм, центральное отверстие 22,2 мм и толщина 6,4 мм) был поставлен компанией Bosh Co. (Штутгарт, Германия).

Приготовление смол PFL и PF

Смолы PFL или PF были синтезированы при 94 °C с использованием 1 моля фенола (чистота 80 %), смешанного с 2,2 моляра формальдегида (37 % водный раствор). Для смол PFL для замены части фенола использовали щелочной лигнин при коэффициентах замещения 30%, 40% и 50%. Формальдегид разделяли на четыре равные части и каждую часть добавляли с 15-минутными интервалами. Первоначально первую порцию формальдегида смешивали с фенолом (или фенолом с щелочным лигнином) при 94°С; смесь кипятили с обратным холодильником при непрерывном перемешивании. Затем добавляли вторую, третью и четвертую части формальдегида и смесь непрерывно перемешивали. На протяжении всего процесса pH смеси поддерживали на уровне 10 путем добавления капель концентрированного раствора NaOH (40% водный раствор), а температуру смеси поддерживали на уровне 94°C.

Подготовка шлифовальных кругов

Первоначально смолы PFL или PF механически перемешивали с молочной кислотой или без нее в химическом стакане в течение 20 с. Затем частицы оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ) смешивали с этими смолами. Массовое отношение Al ₂ O ₃ к PFL, которое использовалось, составляло 1,5:1 и 2:1, что было основано на предыдущей работе Lagel et al. (2015). После этого смеси помещались в форму (диаметром 100 мм) с тремя слоями стекловолокна. Формы помещали в пресс на 1,5 ч при температуре 150 °С и давлении 7,8 МПа для отверждения. После отверждения шлифовальные круги охлаждали и в их центрах сверлили отверстия диаметром 22 мм. Различные составы испытанных шлифовальных кругов показаны в таблице 1.

Таблица 1.  Состав различных шлифовальных кругов, протестированных в этом исследовании

Для сравнения с коммерческим шлифовальным кругом PF был приготовлен образец S7, и количество состава S7 было таким же, как у образца S5, но по сравнению с образцом S5, S7 был приготовлен при более высокой температуре прессования (250°С). C) и давление (12 МПа) в соответствии с процессом подготовки коммерческого шлифовального круга PF (Robie 1957; Rowse and Stinchfield 1959).

Уровни содержания твердых веществ в связанных смолах от S1 до S4 определяли путем измерения веса смол до и после сушки при 120±1 °C в течение 2 часов в печи. Вязкость различных смол измеряли с помощью вискозиметра TU-4 при 25 °C, а время отверждения смолы определяли в соответствии с китайским национальным стандартом GB/T14074 (2006 г.). Характеристики различных смол приведены в таблице 2.

Таблица 2 . Характеристика лабораторных смол PF и PFL

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

Сканирующий электронный микроскоп (модель S 4800, Hitachi, Токио, Япония) использовали для исследования этих поверхностей шлифовальных кругов на основе смол PF и PFL, которые были нарезаны на 5 мм × 5 мм × 4 мм, при 100-кратном увеличении.

Масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением (ESI-MS)

Спектры регистрировали в режиме отрицательных ионов (энергия ионов 0,3 эВ и диапазон сканирования от 0 до 1000 Да) с использованием тройного квадруполя-МС Waters Xevo (Waters, Милфорд, Массачусетс, США) с источником ионизации электрораспылением (ESI). . Сначала образец смолы LPF растворяли в хлороформе в концентрации около 10 мкл/мл. После этого смесь вводили в источник ESI в сочетании с масс-спектрометром с ионной ловушкой (Bruker Daltonics Inc., Биллерика, Массачусетс, США) через шприц со скоростью потока 5 мкг/с.

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) и термогравиметрический анализ (ТГА)

Поведение смол при отверждении изучали с помощью анализатора ДСК (модель DSC 204 F1, Netzsch, Германия) при скорости нагревания 15 °C/мин в атмосфере азота. Температурный диапазон составлял от 30°С до 250°С. Термические свойства смол оценивали с помощью термогравиметрического анализатора (ТГА) (модель TG 209 F3, Netzsch, Германия). Испытания проводились при температуре от 30°С до 9°С.00 °C со скоростью 20 °C/мин в атмосфере азота.

Измерение твердости на сжатие и по Бринеллю

Испытание на сжатие проводили с помощью прибора для анализа прочности (Instron, модель 1193, Норвуд, Массачусетс, США) в соответствии со стандартом ASTM D695-10 (2010 г.) при скорости нагружения 2 мм/мин. Каждый результат представлял собой среднее значение пяти образцов.

Измерение твердости по Бринеллю в соответствии со стандартом GB/T 231.1-2009 (2009) проводилось с использованием прибора для анализа прочности (Instron модель 119). 3, Бостон, США) со стальным шариком диаметром 10 мм и нагрузкой 2452 Н. Скорость нагружения составляла 2 мм/мин. Число твердости по Бринеллю, H (в даН/мм ² ), рассчитывали по формуле 1,

 (1)

, где F  – сила, определившая остаточную депрессию (в Н), а  P  – глубина депрессии шара (в мм). Каждый результат представлял собой среднее значение пяти образцов.

Измерение абразивности

Абразивность шлифовальных кругов определяли с помощью угловой шлифовальной машины (Bosch GWS 1400) со скоростью вращения 11000 об/мин. Для всех шлифовальных кругов стальная труба отрезалась шлифовальным кругом в вертикальном направлении по длине трубы. Размер стальных трубок для разных шлифовальных кругов был одинаковым (диаметр 7 мм, внутренний диаметр 6 мм, длина 0,8 м). В процессе резания измеряли время резания и потерю массы шлифовальных кругов. Кроме того, промышленные шлифовальные круги (PFG) сравнивали с шлифовальными кругами на основе щелочного лигнина. Процент потери массы шлифовальных кругов рассчитывали путем взвешивания шлифовальных кругов до и после испытания на абразивность. Потерю массы рассчитывали по уравнению 2,

 (2)

где m  – потеря массы (в %), m ₁  – масса шлифовального круга до резки стали (в г), а m ₂  – масса шлифовального круга после резка стали (в г). Каждый результат представлял собой среднее значение четырех образцов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Макроскопические наблюдения

СЭМ-микрофотографии шлифовальных кругов PF и PFL на макроскопическом уровне показаны на рис. 1. На всех поверхностях образцов имелись поры между неорганическими частицами и матрицей из полимерной смолы. Эти результаты показали, что некоторое количество воды осталось в смоле PF после процесса отверждения. Таким образом, эти поры являются следствием присутствия воды в смоле. Кроме того, для образцов S3 и S4 было очевидно присутствие некоторых пор. По сравнению с ними образец S2 показал меньше пор. Образцы S1, S2, S3 и S4 имели шероховатую поверхность. Напротив, образцы S5 и S6, в которые была добавлена ​​молочная кислота, имели гладкие поверхности. На поверхности образца S6 наблюдались явно большие трещины. Эти наблюдения показали, что добавление молочной кислоты может снизить хрупкость смолы PFL. После процесса отверждения смолы поверхности S5 и S6 были более гладкими, чем у других образцов, приготовленных без добавления молочной кислоты. Образец S6 имел массовое соотношение Al ₂ O ₃ /PFL соотношение 2 к 1, что выше, чем у образца S5; более высокое массовое отношение S6 привело к тому, что частицы Al ₂ O ₃ не были так хорошо связаны с матрицей смолы, как в случае S5. Отсюда видно, что по сравнению с другими шлифовальными кругами образец S5 имел лучший внешний вид поверхности.

Рис. 1.  РЭМ-фотографии шлифовальных кругов PF и PFL с частицами оксида алюминия

Твердость по Бринеллю и сжатие

Результаты испытаний по Бринеллю для шлифовальных кругов PF и PFL показаны в Таблице 3. Результаты показали, что образцы PFL, которые содержали различные уровни щелочного лигнина, были тверже, чем образец S1, который был приготовлен только со смолой PF. Структура щелочного лигнина сложнее, чем у фенола. Высокое содержание углерода привело к более высокой твердости смолы с образцами на основе PFL. Различия в твердости между образцами S2, S3 и S4 были связаны с количеством щелочного лигнина, включенного в смолу PF. Реакция между щелочным лигнином и формальдегидом протекает по незамещенным ароматическим позициям и по другим реакционноспособным центрам (Qu и др. 2017). Было ясно, что образец S2 тверже, чем S3 и S4. Более того, образец S2 был тверже образца S5, но не таким твердым, как образец S6. Эти результаты можно объяснить большим количеством частиц оксида алюминия, которые увеличили твердость S6 по сравнению с S2. Между тем, при том же количестве смолы PFL образец S5, приготовленный с молочной кислотой, был более гибким по сравнению с образцом S2, но, наоборот, твердость S5 может быть снижена при добавлении молочной кислоты.

В таблице 3 также показана прочность на сжатие всех исследованных образцов шлифовальных кругов. Образец S5 имел самую высокую прочность на сжатие из всех лабораторных образцов на основе LPF, приготовленных при той же температуре и давлении. Кроме того, он имел более высокую прочность на сжатие, чем образец S1, который представлял собой лабораторную смолу только PF (116,52 МПа). Кроме того, на тех же шлифовальных кругах на основе LPF S2 и S5 было замечено, что добавление молочной кислоты сделало матрицу смолы более гибкой, что улучшило сопротивление инструмента сжатию. При этом твердость (7,88 ± 0,038 даН/мм ² ) и прочность на сжатие (139,78 ± 1,55) коммерческих PFG были выше, чем у S1, S2, S3, S4, S5 и S6. Действительно, некоторые источники (Robie 1957; Rowse and Stinchfield 1959) сообщают, что образцы PFG прессовались при высоком давлении (от 10 до 35 МПа) и температуре (≥ 200 °C). С другой стороны, шлифовальные круги на основе смолы на основе PFL в этом исследовании подвергались прессованию при 7,8 МПа и 150 °C. Однако значения твердости и прочности на сжатие PFG были ниже, чем у образца S7. Это указывает на то, что добавление лигнина в смолу ПФ может увеличить твердость и улучшить компрессионные свойства шлифовального круга ПФ.

Таблица 3. Число твердости по Бринеллю и предел прочности при сжатии шлифовальных кругов PF и PFL

Примечание: ± означает стандартное отклонение

Абразивность шлифовальных кругов

Результаты, представленные в Таблице 4, показывают, что образец S5, приготовленный из смолы PFL, показал лучшую износостойкость по сравнению с другими образцами PFL, приготовленными в лаборатории при той же температуре прессования и давлении. Образец S5 имел меньшую потерю массы, чем образец S2, при том же уровне замещения фенола ( т.е. ., 30% фенола заменено щелочным лигнином). По сравнению с образцом S5, образец S6 имел более высокую потерю массы за более короткий период времени резки. Увеличение соотношения масс Al ₂ O ₃ /PFL до 2:1 улучшило износостойкость S6, который имел более короткое время резания (3 с). Однако на СЭМ-микрофотографиях образца S6 были видны трещины, которые привели к большой потере массы этого шлифовального круга. Кроме того, при одинаковой температуре прессования и давлении эти образцы, приготовленные из смол PFL (от S2 до S6), продемонстрировали более высокие потери массы по сравнению с лабораторным шлифовальным кругом на основе смолы PF (S1). По-видимому, строение щелочного лигнина было более сложным, чем у фенола. Потеря массы S5 (6,5%) была близка к потере S1 (6,3%). Следовательно, образец S5 имел хорошую абразивность и был конкурентоспособен с шлифовальным кругом на основе смолы ПФ. Время резания S5 было таким же, как и у коммерческого шлифовального круга PF (PFG). Однако потеря массы PFG была в 20–80 раз ниже, чем у образца S5. Между тем, образец S7 показал лучшие режущие свойства по сравнению с образцами от S1 до S6. Это может быть связано с различными условиями, используемыми для процесса отверждения смолы. Для коммерческих PFG и S7 процесс отверждения смолы проводился при более высокой температуре и давлении прессования. При этом потеря массы S7 была выше, чем у PFG. Результат показал, что некоторые связующие смолы были смешаны со смолой PF коммерческого PFG для улучшения прочности сцепления матрицы с неорганическими частицами.

Таблица 4. Режущие свойства различных шлифовальных кругов

Примечание: ± означает стандартное отклонение

Анализ ESI-MS

Для изучения реакции между лигнином, фенолом и формальдегидом были исследованы спектры ESI-MS образцов щелочного лигнина и смолы на основе PFL (S5) (рис. 2 и 3). Фенол и лигнин содержат много фенольных гидроксильных групп, которые легко ионизируются. Такие структуры легко обнаруживались в режиме отрицательных ионов. Структура свободного фенола (93 Да) и дигидроксифенола (153 Да), показанные на рис. 3, указывают на то, что некоторое количество фенола и дигидроксифенола не участвует в реакционной системе LPF. Между тем на рис. 3 виден пик при 271, который был отнесен к конденсации двух молекул гидроксиметилфенола, а 377 Да соответствовал поликонденсационной структуре трех молекул гидроксиметилфенола. Эти пики были приписаны самополиконденсации фенола. Пик 195 Да (показанный на рис. 2 и 3) был приписан структуре гваяцила лигнина. Кроме того, пик 301 Да (рис. 3) может быть структурой конденсации между гваяцильным звеном и гидроксиметилфенолом, что показано в уравнении. 3. Между тем, 319Пик Da (различный диапазон значений с 301 Das составлял 18), показанный на рис. 3, был приписан пику комплексного иона фенола и гваяцильного звена. Кроме того, 407 Да (различный диапазон значений с 301 Да составляет 106) был приписан структуре конденсации двух молекул, гидроксиметилфенола и гваяцильного звена. Таким образом, установлена ​​реакция лигнина, фенола и формальдегида в щелочной среде.

Рис. 2. Спектры ESI-MS щелочного лигнина

Рис. 3. Спектры ESI-MS смолы LPF

(3)

Анализ ДСК и ТГ

Для изучения свойств отверждения и термостойкости смол PFL один из образцов PFL (S5) был исследован и сравнен с приготовленной в лаборатории смолой PF (S1).

Типичные кривые ДСК для смол PF и PFL показаны на рис. 4. Каждая кривая демонстрирует один экзотермический пик во время отверждения смолы. Из этих кривых видно, что температура отверждения PF (130°C) ниже, чем PFL (150°C). Более того, кривая PFL указывала на то, что происходили совместные реакции между фенолом, формальдегидом и щелочным лигнином и что они были экзотермическими реакциями. Два острых экзотермических пика указывают на то, что полимеризация ПФ достигла максимальной скорости превращения при более низкой температуре, чем полимеризация ПФЛ. Добавление щелочного лигнина к смеси ПФ в щелочных условиях повышало температуру отверждения смолы по сравнению с одним ПФ.

Рис. 4. Термограммы ДСК процесса отверждения смол ПФ и ПФЛ

Кривые ТГ отвержденных смол PFL и PF представлены на рис. 5. Эти кривые были получены при нагреве со скоростью 10 °C/мин в диапазоне температур от 35 °C до 900 °C в атмосфере азота. ПФЛ с заменой 30 % фенола щелочным лигнином обладала более высокой термостойкостью по сравнению со смолой ПФ. PFL достиг потери веса 5% при 253 °C, что было более высокой температурой, чем у смолы PF, которая достигла потери веса 5% при 83 °C. Кроме того, смола PFL все еще сохраняла 80% своей первоначальной массы при 500 °C; потеря веса PFL и PF составила 20% и 30% соответственно. Кроме того, выход углерода PFL при 900 °C достигала 56%. Эти наблюдения показали, что замена 30% фенола в ПФ щелочным лигнином улучшает термостойкость полученной смолы. Эти результаты можно объяснить тем, что щелочной лигнин имеет более высокое содержание углерода по сравнению с фенолом; сложная структура щелочного лигнина способствовала высокой термостойкости смолы ПФЛ.

Рис. 5. Термограммы ТГА отвержденных смол PF и PFL от 30 °C до 900 °С

ВЫВОДЫ

1. Был приготовлен шлифовальный круг на основе фенолоформальдегидно-лигнинной (ФФЛ) смолы. Смола PFL (с заменой 30% фенола на щелочной лигнин) была изготовлена ​​из 14 мл фенола, 26 г щелочного лигнина, 38 мл формальдегида (37% водный раствор) и 5 ​​мл молочной кислоты, которые реагировали при щелочные условия; к этой смоле добавляли частицы оксида алюминия в соотношении 1,5:1 Al ₂ O ₃ /смола. Тем временем смесь отверждалась в тепловом прессе при 150 °С и 80 кг/см 9 .0118 2 (7,8 МПа) в течение 1,5 ч. Полученный композит не имел трещин и пузырей, как было определено с помощью анализа СЭМ.
2. Кроме того, шлифовальный круг PFL был тверже, чем лабораторный шлифовальный круг PF, и имел более высокое сопротивление сжатию. При этом, несмотря на сложную структуру лигнина, абразивность шлифовального круга ПФЛ все же была близка к лабораторному шлифовальному кругу ПФ. Металлическая труба разрезалась шлифовальным кругом PFL в течение 4 с. Кроме того, доказана реакция между лигнином, фенолом и формальдегидом.
3. Наконец, шлифовальный круг PFL обладает высокой термостойкостью. Выход углерода PFL при 900 °C достигал 56% во время испытаний DSC/TGA. Между тем, используя щелочной лигнин, можно повысить температуру отверждения смолы PF. Таким образом, смола PFL может представлять собой перспективный промышленный продукт для замены смолы PF, которая обычно используется в композитах для шлифовальных кругов.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность Фонду естественных наук Китайско-регионального фонда (№ 31660176) и Фонду естественных наук провинции Юньнань (№ 2013Fa038) за финансовую поддержку.

ССЫЛКИ

ASTM D695-10 (2010 г.). «Стандартный метод испытаний свойств жестких пластиков на сжатие», Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) International, Уэст-Коншохокен, Пенсильвания, США.

ГБ/T14074 (2006 г.). «Стандарт клея для древесины и методы измерения», Управление по стандартизации Китая, Пекин, Китай.

ГБ/T231.1 (2009 г.). «Стандарт методов измерения твердости металлических материалов по Бринеллю», Управление по стандартизации Китая, Пекин, Китай.

Хеммиля, В., Адамопулос, С., Карлссон, О., и Кумар, А. (2017). «Разработка устойчивых биоклеев для инженерных деревянных панелей — обзор», RSC Advances  7, 38604-38630. DOI: 10.1039/C7RA06598A

Лагель, М. К., Чжан, Дж., и Пицци, А. (2015). «Отрезные и шлифовальные круги для угловых шлифовальных машин с матрицей из биополимера», Ind. Crop. Произв.  67 (май 2015 г.), 264–269. DOI: 10.1016/j.indcrop.2015.01.046

Ли, К.Т., Ли, Х.Т., и Чен, Дж.К. (2015). «Приготовление композитов на основе модифицированной ванадием фенольной смолы/модифицированного диоксида циркония и их эксплуатационные свойства в шлифовальных кругах из кубического нитрида бора (CBN)», Полим. Композиции  37(12), 3354-3364. DOI 10.1002/pc.23533

Насибулин А.В., Антипов Е.А., Бейлина Н.Ю., Догадин Г.С., Макаров Н.А. (2017). «Влияние модифицирующего пека на плотность углерод-углеродного композитного материала», Refract. Инд Керам.  58(1), 74-77. DOI 10. 1007/s11148-017-0057-4

Цюй, Дж. Ю., Хан, К., Гао, Ф., и Цю, Дж. С. (2017). «Углеродные пены, полученные из лигнин-феноло-формальдегидной смолы для разделения масла и воды», New Carbon Mat.  32(1), 86-91.

DOI: 10.1016/S1872-5805(17)60109-4

Роби, Н. П. (1957). «Стили ссылок на журналы-абразивные тела», патент США 2 806 772.

Роуз Р.А. и Стинчфилд С.П. (1959). «Стили ссылок на шейки и шлифовальные круги с косточкой из фенольной смолы», патент США 3,041,156.

Сюэ, Б.Л., Вэнь, Дж.Л., и Сунь, Р.К. (2014). «Жесткий пенополиуретан на основе лигнина, армированный целлюлозным волокном: синтез и характеристика», ACS Sustainable Chem . англ.  2(6), 1474–1480. DOI: 10.1021/sc5001226

Ян, С., Чжан, Ю., Юань, Т., К., и Сунь, Р., К. (2015). «Клеи из лигнин-фенолформальдегидной смолы, приготовленные из технических лигнинов биопереработки», J. Appl. Полим. науч.  132(36), 42493-42498. DOI: 10.1002/прил.42493

Чжан, Дж. , Лян, Дж. К., Ду, Г. Б., Чжоу, X. Дж., Ван, Х., и Лей, Х. (2017). «Разработка и характеристика клея на основе танина лаврового дерева для древесно-стружечных плит», BioResources  12(3), 6082-6093. DOI: 10.15376/biores.10.3.5369-5380

Чжан Дж., Луо Х., Пицци А., Ду Г.Б. и Дэн С.Д. (2015). «Подготовка и характеристика шлифовальных кругов на основе матрицы биосмолы и абразивов из стеклянного песка», BioResources  10(3), 5369-5380. DOI: 10.15376/biores.10.3.5369-5380

Чжао, М. З., Цзин, Дж. Л., Чжу, Ю. К., Ян, X. М., Ван, X. Ф., и Ван, З. К. (2016). «Приготовление и применение лигнин-феноло-формальдегидных клеев», Междунар. Дж. Адхес. Адгезив.  64 (январь 2016 г.), 163–167. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2015.10.010

Чжан, З. З., Яо, П., Чжан, З. Ю., Сюэ, Д. Л., Ван, К., Хуанг, Ц. З., и Чжу, Х. Т. (2017). «Новая технология правки алмазного шлифовального круга на металлической связке с помощью абразивной струи воды и сенсорной правки», Int.