СВЯЗУЮЩЕЕ Российский патент 1994 года по МПК C08L61/10 C08K13/02 C08K13/02 C08K3/36 C08K5/17 

Изобретение относится к области производства фенолформальдегидного связующего новолачного типа, которое может быть использовано, в частности, при изготовлении абразивного инструмента.

Известно связующее на основе порошкообразного новолачного фенолформальдегидного олигомера, включающее отвердитель - гексаметилентетрамин и олигооксипропиленгликоль. Цель изобретения - улучшение диэлектрических и физико-механических свойств электроизоляционных материалов на основе этого связующего достигается путем введения в связующее олигооксипропиленгликоля в количестве 0,5-1,5 мас. ч. Дополнительное введение олигооксипропиленгликоля в состав связующего, в 20-50 раз повышает удельное объемное электрическое сопротивление, при этом физико-механические свойства - предел прочности при статическом изгибе и удельная ударная вязкость повышаются незначительно - на 2-15% .

Кроме того, олигооксипропиленгликоль относится к классу простых олигоэфиров и представляет собой вязкую жидкость (50000-70000 мПа˙ с), которую невозможно равномерно распределить в композиции тонкодисперсных (минус 63 мкм) составляющих, какими являются новолачный фенолформальдегидный олигомер и гексаметилентетрамин. При перемешивании подобных композиций образуются плотные окатыши, по своим размерам превышающие размер исходных компонентов, которые или перед нанесением связующего на стеклоткань необходимо удалить из связующего, или они придадут электроизоляционным материалам неоднородные свойства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является связующее для изготовления абразивного инструмента, содержащее новолачный фенолформальдегидный олигомер и отвердитель - гексаметилентетрамин, при этом на 100 мас. ч. олигомера добавляют 6-10 мас. ч. гексаметилентетрамина. Порошкообразные компоненты перемешивают в барабанном смесителе и затем используют в качестве порошкообразного связующего для изготовления абразивного инструмента. Отверждение связующего происходит при последующей термической обработке изделий при температуре 160-200^оС, в результате чего образуется трехмерная структура бакелита, которая определяет механическую прочность и теплостойкость связки.

Абразивный инструмент - это композиционный материал из шлифовальных зерен (45-50 об. % ), связки на основе фенолформальдегидного олигомера (25-35 об. % ) и пор (15-20 об. % ). В состав связки, помимо связующего, могут входить минеральные наполнители. Но, в целом, прочность композита определяется свойствами органического связующего, его прочностью и теплостойкостью.

При эксплуатации абразивного инструмента, например при резке металла отрезными кругами, в зоне резания развиваются температуры 1000-1200^оС.

Часть этого тепла переходит в рабочую зону круга, воздействует на связку (связующее) и снижает теплостойкость инструмента и его прочность.

Недостатком связующего для изготовления абразивного инструмента по прототипу является его низкая прочность и теплостойкость, при нагреве рабочей зоны круга до 300^оС термомеханическая прочность снижается в 2 раза.

Цель изобретения - повышение прочности и теплостойкости абразивного инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что связующее, содержащее порошкообразный новолачный фенолформальдегидный олигомер и отвердитель - гексаметилентетрамин, содержит дополнительно отход восстановления диоксида кремния, при следующем соотношении компонентов, мас. ч. :
Новолачный фенол-
формальдегидный олигомер 100
Гексаметилен- тетрамин 6-12
Отход восстанов-
ления диоксида кремния 5-15
Отходы восстановления диоксида кремния представляют собой порошкообразную смесь частиц пирогенного кремнезема и карбида кремния размером частиц 0,5-10 мкм с содержанием SiO₂ 88-94% , SiC 4,6-5,0% , свободного углерода 0,8-1,0% , образующихся при конденсации выходящих при восстановлении газов и улавливаемых в специальных камерах.

Формирование отходов восстановления диоксида кремния происходит в результате частичного испарения диоксида и монооксида кремния и металлического кремния с поверхности расплава дуговой руднотермической печи при температуре 1700^оС, последующего газоулавливания и водяного охлаждения. В результате чего образуется мелкодисперсный продукт с развитой химической активностью поверхности в среде углекислого газа, образующегося при окислении углеродсодержащего восстановителя, кроме того, происходит вторичное окисление монооксида кремния до диоксида, карбидообразование металлического кремния и гидроксилирование и карбонизация поверхности частиц.

Поверхности конденсированных частиц надежно защищены анионами С₄^-, СО₃^2-, ОН^-, поэтому продукт является достаточно стабильным по химическому составу, дисперсности и состоянию поверхности. Процесс гидроксилирования поверхности частиц диоксида кремния способствует образованию активных силанольных групп- (( -i- OH )).

Эффект повышения прочности и теплостойкости абразивного инструмента на основе предлагаемого связующего достигается за счет химического взаимодействия компонентов связующего при формировании структуры бакелита по следующим этапам:
- в результате реакции поликонденсации из фенола (С₆Н₅ОН) и формальдегида (СН₂О) образуется структура новолачного фенолформальдегидного олигомера
(x+1)C₆H₅OH+XCH₂O _→ H-[-C₆H₃(OH)-CH₂-] X-C₆H₅OH+XH₂O где х = 4-8, преимущественно линейного строения с метиленовыми группами (-СН₂-) между фенольными ядрами и гидроксильными группами,
- новолачные фенолформальдегидные олигомеры отверждаются гексаметилентрамином (СН₂)₆N₄, при этом слабые метиленовые группы в структуре бакелита упрочняются вновь образованными связями азометиновыми CH= N-CH
В результате отверждения формируется трехмерная структура бакелита с определенной прочностью и теплостойкостью. Эти показатели связки в конечном счете определяют эксплуатационные показатели абразивного инструмента, который работает в условиях высоких механических и термических нагрузок.

Так, отрезные круги работают тем эффективней, чем выше разрывная прочность, а коэффициент шлифования тем больше, чем выше теплостойкость связующего, т. е. при повышенной температуре не изменяют своих свойств.

Отходы производства восстановления диоксида кремния не требуют дополнительной подготовки, легко дозируются, перемешиваются и распределяются в массе связующего.

Содержание отхода восстановления диоксида кремния в связующем менее 5 мас. ч. недостаточно для прохождения химических реакций, а содержание выше указанного предела 15 мас. ч. способствует при эксплуатации абразивных кругов процессу "засаливания" круга, трение возрастает, что приводит к перегреву связки, ее деструкции, коэффициент шлифования начинает снижаться, несмотря на то, что прочность круга увеличивается.

П р и м е р. Были изготовлены образцы связующего с максимальным, минимальным, оптимальным содержанием компонентов и выходящим за пределы заявляемого с содержанием отхода восстановления диоксида кремния, а также образец связующего по прототипу. Составы порошкообразного связующего для изготовления образцов приведены в табл. 1.

Приготовление связующего производилось следующим образом.

Расчетное количество порошкообразного новолачного фенолформальдегидного олигомера загружают в барабанный смеситель, подают туда необходимое количество гексаметилентетрамина и перемешивают в течение 30 мин. После чего в смеситель добавляют мелкодисперсный диоксид кремния и перемешивают еще в течение 30 мин. После чего связующее готово для использования.

В примерах 1-7 использовали отходы восстановления диоксида кремния.

Из указанных составов порошкообразного связующего были заформованы образцы - таблетки диаметром 15 мм и высотой 7 мм, забакелизованы при температуре 160^оС и затем половина таблеток повторно термически нагружены при температуре 3400^оС и подвержены выдержке в течение 30 мин.

Исходные образцы и образцы после термического нагружения были раздавлены на стенде усилием 100 кг. Параллельно изготовлены и испытаны образцы по прототипу (пример 8).

Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Из приготовленных составов порошкообразного связующего по примерам 1-8 были изготовлены массы для абразивного инструмента по рецептуре при следующих соотношениях компонентов, мас. % :
Шлифовальный ма- териал 73
Жидкий баке- лит БЖ3 7
Связующее порош- кообразное 10 Криолит 3 Пирит 7
Приготовление абразивной массы производилось следующим образом.

Расчетное количество зерна легированного нормального электрокорунда марки 93А зернистостью 80 загружают в лопастную мешалку, увлажняют жидким бакелитом БЖ-3 и перемешивают в течение 2 мин, добавляют порошкообразное связующее и перемешивают еще в течение 4 мин. Затем в мешалку добавляют криолит и пирит и перемешивают в течение 4 мин. Абразивную массу протирают через сито с размером ячейки 1,6х1,6 мм для удаления агрегатных образований. Масса готова для приготовления из нее абразивного инструмента. Параллельно изготавливалась масса по прототипу. Изготовленные из абразивных масс, согласно примерам 1-7 и прототипу круги 400х4х32 мм, имели следующие прочностные и эксплуатационные показатели (табл. 3).

Данные табл. 2 и 3 показывают, что образцы-таблетки и отрезные круги, изготовленные из связующего согласно предлагаемому решению, обладают более высокими прочностными свойствами, теплостойкостью и эксплуатационными показателями кругов на его основе, чем по прототипу.

Заявляемое связующее на основе порошкообразного новолачного фенолформальдегидного олигомера, гексаметилентетрамина и отхода восстановления диоксида кремния может использоваться при производстве других видов абразивного инструмента и изготовлении изделий на его основе в других отраслях промышленности, например электротехнической. (56) Авторское свидетельство СССР N 531829, кл. С 08 L 61/14, 1976.

Любомудров В. Н. и др. Абразивные инструменты и их изготовление. Машгиз, М. -Л. , 1953, с. 344.

Сущность изобретения: связующее содержит, мас. ч. : новолачный фенолформальдегидный олигомер 100, гексаметилентетрамин 6 - 12, отход восстановления диоксида кремния 5 - 15. Порошкообразную новолачную фенолформальдегидную смолу и гексаметилен перемешивают 30 мин, затем добавляют мелкодисперсный диоксид кремния и перемешивают 30 мин. Характеристики связующего: прочность на раздавливание 85 - 98 МПа, прочность на раздавливание после термического нагружения при 300С и выдержке 30 мин 57 - 69 МПа. 2 табл.

СВЯЗУЮЩЕЕ, содержащее порошкообразный новолачный фенолформальдегидный олигомер и гексаметилентетрамин, отличающееся тем, что, с целью повышения прочности и теплостойкости абразивного инструмента на его основе, оно дополнительно содержит отход восстановления диоксида кремния при следующем соотношении компонентов, мас. ч. :
Новолачный фенолформальдегидный олигомер 100
Гексаметилентетрамин 6 - 12
Отход восстановления диоксида кремния 5 - 15