竹木用耐磨型光固化树脂的生产原理与工艺
化学材料科学系高分子材料与工程专业
姓名：傅少方学号：08150109 指导教师：张少华
关键词: 竹木用，耐磨型，光固化树脂，
前言：
英文名:UV Cu reable Resin.
光固化树脂由树脂单体(monomer)及预聚体(oligomer)组成,含有活性官能团，能在紫外光照射下由光敏剂(light initi ator)引发聚合反应，生成不溶的涂膜，双酚A型环氧丙烯酸酯具有固化速度快、涂膜耐化学溶剂性能好，硬度高等特点。聚氨酯丙烯酸酯具有柔韧性好、耐磨等特点。光固化复合树脂是目前口腔科常用的充填、修复材料，由于它的色泽美观，具有一定的的抗压强度，因此在临床应用中起着重要的作用，我们用于前牙各类缺损及窝洞修复取得满意的效果。
于口腔治疗中的对比
对大面积深龋，传统的诸多修复方法各有优缺点：银汞合金硬度高、抗压强，但无粘接性（无双向牵拉），只靠机械嵌力，有蠕变，有一定的腐蚀性和毒性，对溶出物分析发现有汞、银、铜、锌的溶出［2］；玻璃离子水门汀有良好的粘接性，但硬度差、不耐磨、易变色；嵌体（包含合金、塑料、烤瓷等）修复术、冠桩冠核修复术、金属壳冠和烤瓷冠修复等方法的临床应用很广，但牙体预备时磨损大，且工艺复杂，成本高。
目前，光固化复合树脂广泛应用于临床，其性能好，色泽美观持久，操作简便，成本低，深受欢迎。但光敏树脂具有向光性。目前采用的口内直接填充法，光源来自一个方向，这样势必造成洞底、洞壁的树脂聚合不及表面，使洞底牙体质交界处呈现裂隙［3］。有研究表明，复合树脂经光固化后其固化程度为43%~64%［3］，这样的充填物实际上只发挥其材料性能的1/2~2/3。为解决这一问题，临床通常采用分层充填（每层2 mm）光照固化，但该法每层都暴露在口腔内湿润的环境中，这样在该充填物中就存在着n－1个“层面”是为单层的叠摞。
光敏树脂口外多向光照固化间接充填法，是在口内不需分层、大块堆砌，一次成型，初凝后采用口外光照固化，然后再于口内粘接固定。从临床效果观察，本方法与其它修复方法相比有明显优越性：①充分发挥材料性能，克服了口内直接充填时材料固化不全及“层面”多的弊端；②在外观颜色、粘接性能、边缘渗漏及细胞毒性等方面优于银汞充填；③从操作工艺及价格方面优于嵌体、壳冠的制作，可一次就诊完成，减少病人复诊次数和经济负担。光敏树脂口外固化修复大面深龋，克服了其它方法之弊端，集优势于一身，不失为一种较好的修复方法。远期效果有待继续观察
光固化不饱和树脂的发展过程
光固化不饱和树脂具有固化时间短、可低温固化等传统固化技术不可比拟的优点，成为新一代绿色树脂。高分子材料的光固化技术作为一项节能和环保型新技术，已广泛应用在涂料、油墨、电子封装、粘合剂、印刷板材、电子工业、微细加工和快速成型等许多领域。据专家介绍，该技术以年增长25%的速度迅速形成了一个新的产业。紫外光固化涂料是20世纪60年代开发的一种环保型节能涂料，与传统的自然干燥或热固化涂料相比，紫外光固化涂料具有固化时间短、速度快等优点，因而可大大提高劳动生产率、减少厂房占地面积等。由于其不需强制加热干燥，因此有利于涂饰木材、纸张、塑料等不宜加热的材料及混凝土、厚金属板等热容量大的材料。无溶剂或含有少量溶剂，挥发物少、减少环境污染。同时其改善了涂膜性能，特别是在光泽和外观方面。
光固化涂料在20世纪60年代已正式投入工业应用。感光树脂在印刷制版和光致抗蚀剂方面已有可喜成果，如Kodak公司合成抗蚀剂KPR的问世。西德拜尔公司对不饱和聚酯树脂与安息香醚体系的紫外光固化行为进行了研究，并于1968年推出了商品化产品，此为第1代光固化涂料。1970年美国Sun化学公司、Immont 公司，研制了丙烯酸系光固化油墨，接着很快开发了丙烯酸系光固化涂料，成为第2代光固化涂料。不饱和聚酯是第1代紫外光固化涂料中的树脂。据专家介绍，不饱和聚酯经紫外光照射后，能形成较坚硬的涂膜，但柔韧性和附着力不好，一般多用于木漆，用于金属、塑料、纸张的涂饰则很少。因此，有必要对不饱和聚酯体系进行改进。
光敏涂料是目前发展迅速的涂料品种之一，具有固化时耗能少、速度快、不污染环境等优点。光敏涂料的性能与光敏预聚物的种类密切相关。以不饱和聚酯为光敏预聚物的涂料是应用最早的光敏涂料品种，以环氧丙烯酸酯为光敏预聚物的涂料是目前应用最广泛的光敏涂料品种。其致命弱点是环保安全性不好以及厚膜固化性能不佳。为解决这两个问题，选择比紫外线透过性能更好更安全的可见光进行固化，一直是国内外研究的热点。
紫外光固化胶衣树脂是不饱和聚酯树脂中的一个特殊品种，主要用于在树脂制品的表面上形成连续的覆盖薄层，给基体树脂或层合材料提供保护作用，提高制品的耐腐蚀、耐热等性能，并给制品以光亮美丽的外观。关于光固化胶粘剂，高分子材料的光固化技术具有固化迅速、有利环保、节能、方便等优点，在涂料、油墨、电子封装、胶粘剂等领域获得快速发展和长足进步。
，是目前较为活跃的研究和开发领域，己成为紫外光固化体系的主要发展方向
一。
本研究以不同的原料合成了三个系列的水性紫外光固化树脂。用丙烯酸和双
A环氧树脂合成了环氧丙烯酸醋树脂(EA)，然后用EA和顺配合成了水性的
氧丙烯酸醋树脂(EB);利用带有不饱和基团的经基化合物(HM)和顺醉合
了一种低光固水性紫外光(UV)固化体系具有无污染、无毒性、无刺激和生产安全等优
粘度、易溶于水以及可以光固化的树脂(EC);利用甲苯一2，4一二异
酸酷(TDI)、聚丙二醇(PPG)、二轻烷基梭酸(DHAO)和甲基丙烯酸轻乙
(HEMA)合成了水性聚氨酷丙烯酸酷树脂(PUA)，并用红外光谱分析了这
种树脂的结构。研究了合成上述三种树脂的最佳反应条件、树脂的亲水性能以
亲水基团的含量、中和度、固含量对乳液性能的影响;讨论了光引发剂的种类、
引发剂的用量、中和度、中和剂的种类、干燥条件和树脂结构对光固化速度的
响;测定了水性聚氨酷丙烯酸醋树脂(PUA)的固化膜的性能，讨论了不同结
的PIJA对涂膜性能的影响，并对以上三种树脂进行了应用研究。
对EB和PUA树脂性能研究表明:随着亲水基团含量和中和度的提高，分
链亲水性增强，乳液粒径下降，乳液的分散性和稳定性增强;随着固体份的提
，树脂的水溶性及稳定性逐渐增加，同时粘度变大。在光固化性能方面:对于
B和PUA树脂，优选I一3光引发剂，它和树脂具有
.
良好的相容性，并具有较高
引发效率;当I一3光引发剂在树脂中的含量为3.0%一4.0%(嫩%)时，树脂的
化速度较快:预先干燥和提高中和度有利于提高固化速度;当用AMP一95作中
剂时，固化速度快于用三乙胺和三乙醇胺作中和剂，同时涂膜的黄变性较小。
水性聚氨酷丙烯酸酷树脂(PUA)的涂膜性能研究表明:涂膜的吸水率随梭基
量的增加而升高;当TDI/HEMA(摩尔比)一定时，随着PPG心HAO(摩尔
)的增大，涂膜的拉伸强度下降，断裂伸长率上升;当TDFDHAO(摩尔比)
定时，随着PPG/HEMA(摩尔比)的增加，涂膜的拉伸强度下降。
对EB、EC和PUA的应用研究表明:当EC旧B=15%一20%(wt%)，固含量
70%一80%时，得到了综合性能较好的水性UV上光油。用EB(梭基含量为
.
ommol/g)乳液与PuA4#乳液或PuA6#乳液进行共混，其中Pu户“EB二20/80一30/70 (wt%)，固化后得到了综合性能较好的涂膜，可以用作木地板光固化涂料。化树脂合成机理
1.2.1光固化技术概述
所谓光固化技术是指光固化树脂经过光照后发生聚合变化由液态转化为固
态的一种技术。光固化树脂至少需要三种化学成分:单体、活性预聚物和光引发
剂。前二者之中必须有一种是含有两个或两个以上不饱和键的化合物。单体和光
引发剂均匀溶解于活性预聚物中，当紫外光照射这个体系上时，光引发剂吸收紫
外线辐射能量而生成自由基，这些自由基与单体和活性预聚物发生连锁反应。随
着反应的进行，分子链不断变长，并且始终都带有一个自由电子，这就是链增长
机理。当两个增长的链自由基相遇时形成更长的链或链间交链而终止反应，即发
生所谓双基终止。此外，增长的链自由基与氧相遇亦可导致链增长反应的终止。
但是只要保持光照，自由基的不断生成会抑制液态树脂中自由氧分子的存在，固
化反应就可顺利进行下去。紫外线消失后，由于缺乏新的自由基，氧就有充分的
机会与自由电子结合，从而抑制了聚合反映的继续进行，这就是链终止机理。可
见，控制氧在树脂表面的存在和扩散是控制固化反应的关键[l5]。
2.2光固化技术在实际生产中的应用
在50年代初时美国首先把光固化技术应用于感光树脂印刷板的制造。随着光
固化技术的发展，光固化技术在快速原型制造(RP)、模具制造、医疗以及微型制
造中都得到了广泛的应用，光固化树脂本身也得到迅速发展，其种类不断丰富、
性能不断提高[l6]。
光固化技术在快速成型制造技术的发展中起到了重要作用。快速成型制造技
术是20世纪80年代末出现的一门综合性、交叉性前沿技术。它可以自动、快速地
将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可以对产
品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争力。快速成型技
术的工艺方法目前己有十余种、如光固法(SL)、叠层法(LOW)、激光选区烧结法(SLS)、熔融沉积法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三维印刷法(TDP)、喷粒法(BPM
等。其中光固法是最早商品化、市场占有率最高的即技术。光固化法快速成型技
术的基本原理是在1980年首先由日本工业技术研究院的小玉秀男提出，1986年美
国推出第一台原型机，1988年美国的3DSystem公司展示出了第一台商品化的“快
速原型机”。它是集CAD/CAM技术、激光应用技术、光刻技术和光化学技术为一
体的立体制造技术[l7一201。
光固化树脂在磨具结合剂中的应用研究最早始于日本立命大学的田中武司
等人，主要是研究光固化平面磨削砂轮的快速制造工艺，研究结果表明，将光敏
浙江工业大学硕士学位论文
树脂作为结合剂，其砂轮的制造过程完全可以通过类似快速造型的工艺来完成，
磨削实验也证明了光敏树脂砂轮的可行性。日本主要利用光敏树脂制造切割锯片
和切割丝锯，并且有将电场或磁场理论应用于此，以控制超微纤维的方向，从而改变固化后的产品的机械性能[2l〕。
国内开始研究光敏树脂应用于砂轮结合剂的主要是浙江工业大学的彭伟等
人，通过添加微粉的方法对光敏树脂进行改性，己经初步实现了圆盘状平面磨削砂轮和超薄型切割砂轮的制造。由于没有深入研究和设法解决结合剂本身的机械性能和与磨粒的结合性能，砂轮的强度和使用寿命等问题都没有得到很好的解决。
3论文的背景及主要研究内容
3.1本课题的背景
以树脂为结合剂的磨具是目前应用较为广泛的一种砂轮，以金刚石磨具为
例，其中树脂类磨具约占60%一70%[22】。用树脂结合剂制造的砂轮，树脂硬化温度低，收缩率小，可制成多种复杂形状的砂轮，并可埋入金属环和玻璃丝网布等补强材料，故砂轮回转强度高，能在重负荷或冲击力大的恶劣条件下工作。但目前的市场上的树脂砂轮均为热固化或热塑型树脂砂轮，这种砂轮存在制造过程周期长，耗费能源，制造过程中需要几十小时保持高温高压等一系缺点，这种制造工艺也增加了砂轮的成本，且在固化成型过程中会产生有害气体，对人体、环境都会产生不利的影响。本研究提出以光固化树脂来替代热固化树脂作为结合剂制造砂轮，可以弥补这些不足之处。与热固型树脂相比较，光固化树脂具有以下特占.
1)固化时间短，可在几秒内固化。
2)光固化树脂是吸收一定的波长，发生聚合反应和交联反应，在反应过程中
不产生任何有害气体，所以节省能源，清洁，无污染，制造工艺简单。
3)可避免磨粒团聚现象，由于紫外光固化树脂为液体，在搅拌过程中包裹在
磨粒表面，使磨粒无法团聚。
所以如果能用光固化树脂代替热固化树脂作为结合剂制造砂轮，不仅可以缩
短制造周期，节省能源，减少生产成本，而且也具有很大的市场潜力。以光固化树脂作为结合剂的磨具国内外一些研究机构已经作了不少的研究工作，国外的有日本东京大学田中武司等人，而在国内则以浙江工业大学机电学院彭伟教授为主，研究现状:磨粒与光固化树脂结合剂之间结合性能的研究;以光固化树脂作
为结合剂的磨具已有初步的研究，但尚未市场化;磨粒与光固化树脂结合剂之间
的结合性能进行了一定的研究;光固化树脂结合剂磨具的固化过程进行理论研
究。
对于磨粒与树脂之间的结合性能以及光固化树脂磨具的固化过程浙江工业大
学高涛在硕士及博士的课题中已经作了较深的研究，本文主要针光固化树脂砂轮制造过程中，由分层堆积这种特殊工艺而引起的层间结合强度问题进行研究，提出改善解决方法，制造光固化树脂砂轮。
3.2主要研究内容
本文提出了一种基于磁场力作用的光固化工艺方法制造光固化树脂砂轮，有
效地改善了光固化树脂砂轮层间结合强度，实验研究表明所提出的方法是有效的。具体研究内容有:
1)光固化树脂砂轮层间结合强度分析
光固化树脂砂轮由逐层固化而成，因此而带来层间结合强度的问题。首先深
入地对层间结合强度进行研究分析，以机械粘结理论为依据，提出了一种基于磁场力作用的光固化工艺方法制造光固化树脂砂轮，经实验证明该方法对层间结合
强度的改善有显著作用。
2)光固化树脂砂轮制造实验装置的的研制
根据光固化树脂树脂砂轮的制造原理，设计构建了用于制造光固化树脂砂轮
的实验装置。该实验装置主要包括三大部分，即动力及传输部分(微型电机，传
输及砂轮基体等)，紫外灯及附属部分(紫外灯，灯箱，风扇等)，供料部分(喷
头组件，空压机，气压阀等)。
3)光固化树脂砂轮的制造及其关键工艺环节
利用砂轮制造的实验装置研制砂轮，研究了光固化树脂砂轮制造过程中的关键工艺环节。通过试验，总结得出了电机转速和供料气压的协调关系，并且解决浙江工业大学硕士学位论文
了影响砂轮涂敷的气泡和树脂勃附问题。试验过程中得出适合制造光固化树脂砂轮的工艺路线。
4)光固化树脂砂轮磨削试验
主要对光固化树脂砂轮进行磨削实验，通过磨削实验表明，以这种工艺制造的光固化树脂砂轮在强度和结合度方面基本符合砂轮要求。层间结合强度改善的砂轮，其结合强度，基本满足磨削要求，而层间未处理过的砂轮在修整以及磨削时都有不同程度的层间脱落现象。
3.3本课题的主要创新点
本文以机械结合理论为依据，提出了一种基于磁场力作用的光固化工艺方法制造光固化树脂砂轮，有效地改善了光固化树脂砂轮层间结合强度，实验研究表明所提出的方法对层间结合强度的改善作用显著。磁场力作用的光固化工艺，即在光固化树脂中添加磁性微粒，并在在固化过程中施加强磁场，使磁性微粒凸起，增大表面面积和粗糙度，从而提高层间的结合强度，使之能够满足磨削要求。
4本章小结
l)介绍了磨削加工技术国内外发展现状和超硬磨粒结合剂砂轮的现状。
2)简要述说光固化技术的原理及其应用领域。目前光固化技术应用领域主
要在快速原型制造(RP)、模具制造、医疗以及微型制造中都得到了广泛的应用，光固化树脂树脂作为结合剂的磨具尚在在实验研究阶段。
3)对本论文的背景、研究内容及创新点作概述。砂轮作为应用最广泛的磨
具，其制造成本和性能的改善对机械加工业将起重要的影响。本文主要从光固化砂轮层间结合强度的改善，砂轮制造装置的研制，砂轮制造的工艺等几个方面进行研究。
2.4光固化技术原理
2.4.1光固化原理
光固化树脂至少需要三种化学成分:单体、活性预聚物和光引发剂。前二者
之中必须有一种是含有两个或两个以上不饱和键的化合物.单体和光引发剂均匀
溶解于活性预聚物中，当光照射这样一个体系时，光引发剂吸收紫外线辐射能量而生成自由基，这些自由基与单体和活性预聚物发生连锁反应。随着反应的进行，分子链不断变长，并且始终都带有一个自由电子，这就是链增长机理。当两个增长的链自由基相遇时形成更长的链或链间交链而终止反应，即发生所谓双基终止。此外，增长的链自由基与氧相遇亦可导致链增长反应的终止。但是只要保持
光照，自由基的不断生成会抑制液态树脂中自由氧分子的存在，固化反应就可顺
利进行下去.紫外线消失后，由于缺乏新的自由基，氧就有充分的机会与自由电
子结合，从而抑制了聚合反映的继续进行，这就是链终止机理。可见，控制氧在
树脂表面的存在和扩散是控制固化反应的关键。光引发剂是一类易吸收紫外光能
量而很快生成自由基的一类化合物，其活性直接决定固化反应速度。
在这种从液态到固态的转变过程中，分子之间的距离减小，大分子之间的排
列也不断变化。聚合反应的过程中，大分子之间的缠绕结构会使材料内部存在“空隙”，而这种排列的分子结构处于亚稳态，随着时间的推移，最终结构将趋于无
“空隙”排列的稳态结构。因此，分子之间距离的减小以及大分子结构间“空隙”的消除，都会使得树脂产生收缩的特征。树脂的收缩是产生内应力、导致变形的
根本原因。有研究表明[26〕，零件的变形同紫外光扫描方向是密切相关的，沿短
纤维方向扫描的成型工艺对减小变形是非常有利的。它完全不同于以往的成型工艺，可以有效降低应力，减小变形，从而保证成型件的最终质量。另外选择合适
分子量预聚体对减少成型工件变形也是十分重要的。
光固化树脂主要由基础聚合物(光交联性聚合物)、活性稀释剂(光聚合性单
体)、光引发剂以及添加剂组成。光固化树脂在波长为300nm一SO0nm的紫外光的照射下，发生交联反应从而固化。它和热固化树脂的最本质区别是其固化过程是吸
收适当波长的光而引起的化学反应过程，从液体转变为固体是分子量增加的结
果，固化而不是溶剂挥发形成的。而且固化的时间很短一般在几秒之内就可以完
全固化。因此光固化成型的优点是固化速度快、无污染、节约能源〔27]。
2.4.2光固化技术及特点
所谓光固化就是利用一定波长和光强的紫外光照射，使光引发剂迅速分解成
活性中心诸如自由基、阳离子等，进而引发可聚合有机化合物化学交联，形成不
溶性的交联网络结构的过程。光固化法成型的过程是紫外线对光固化树脂作用的
结果。当紫外光束在液态光固化树脂表面扫描运动时，由于光子能量被吸收而引
发聚合反应，使小分子的单体生成大分子链的聚合物。液态时单体分子之间的距
离为范德华距离，聚合反应后形成的大分子之间的距离为共价键距离，分子之间
的距离变小，材料密度增大，从而使树脂从液态变成固态。
紫外光固化技术是具有明确目的实施紫外光固化过程的工艺技术，具有其他
材料成型技术不具备的特点肆8]:
1)速率快。液态的材料最快可在0.05一0.15的时间内固化，较之传统的最
快也需几秒，常常多达数个小时甚至几天才能固化的热固化工艺，无疑大大提高
了生产率，节省了半成品堆放的空间，更能满足大规模自动化要求。
2)费用低。UV固化仅需要用于激发光引发剂(或光敏剂)的辐射能，不像传
统的热固化那样需要加热基质、材料、周围空间以及蒸发除去稀释用的水、有机
溶剂的热量，从而可节省大量的能源。同时，由于UV固化材料固含量高，使得材
料实际消耗量大幅度减少。此外，UV固化设备投资相对较低，可节省一大笔热固
化设备的投资，减少厂房占地。
3)污染少。传统的热固化法需向大气中排放大量稀释用的有机溶剂挥发性
有机物。进入大气的有机物会形成比二氧化碳更严重的温室效应，而且在阳光照
射下形成氧化物和光化学烟雾，从而造成环境污染和对操作工人身体健康的损
害。Uv固化基本不使用有机溶剂，其稀释用的活性单体也参与固化反应，基本上100%固含量，因此可减少因溶剂挥发所导致的环境污染以及可能产生的火灾或爆
炸等事故。
4)室温下即可快速固化，固化工艺对环境温度没有特别的依赖性，先进的
固化工艺可在几秒甚至毫秒内完成液体有机物向固相有机物的转变。
5)固化工艺容易设计成自动化生产流水线，连续操作性强，而且生产周期
短。
2.4.3光固化树脂结合机理
界面的粘结强度直接影响着复合材料的力学性能以及其它物理、化学性能，如导热性、耐蚀性、耐磨性等。粘结(或称粘合、粘着、粘接)是指不同两种材料
相互接触并结合在一起的现象。当基体浸润增强材料后紧接着就发生基体与增强材料的粘结(Bonding)。对于一个给定的复合材料体系，同时可能会有不同的粘
结机理(如机械粘结、静电粘结等)起作用，而且在不同的生产过程中或复合材料
的使用期间，粘结机理还会发生变化。体系不同，粘结的种类或机理不同，这主要取决于基体与增强材料的种类以及表面活性剂(或称偶联剂)的类型等。界面粘
结机理主要有界面反应理论、浸润理论、可变形层理论、约束层理论、静电作用理论、机械作用理论等〔29一31]。
1)机械作用理论，当两个表面相互接触后，由于表面粗糙度不平将发生机械
互锁，很显然表面越粗糙，互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。在受到平行于界面的作用力时，机械粘结作用可达到最佳效果，获得较高的剪切强度。在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机浙江工业大学硕士学位论文
理共同起作用。
2)静电复合理论，当复合材料的基体及增强材料的表面带有异性电荷时，在
基体与增强材料之间将发生静电吸引力。静电作用的距离很短，仅在原子尺度量级内静电作用力才有效，因此表面的污染等将大大减弱这种粘结作用。
3)化学作用理论，化学作用是指增强材料表面的化学基与基体表面的相容
基之间的化学粘结。化学理论最成功的应用是偶联剂用于增强材料表面与聚合物基体的粘结。
4)界面反应或界面扩散理论，混合材料的基体与被粘结材料间可以发生原
子与分子的相互扩散或发生反应，从而形成反应结合或互扩散结合。对于聚合物来说，这种粘结机理可看作为分子链的缠结.聚合物的粘结作用正如它的自粘作
用一样，是由于长链分子及其各链段的扩散作用所致。
5)吸附理论，现在比较成熟的理论是吸附理论。该理论认为，粘合作用是
粘合剂与被粘物分子在界面层上相互吸附产生的口21。这种吸附不仅有分子间的相互作用力一次价力(物理力，也称范德华力)，而且还有原子间的相互作用力一
主价力(化学力，化学键作用产生的力)，即物理作用与化学作用的共同结果。粘
合剂的基本条件是它对被粘物的充分浸润。液体对固体表面的浸润情况可以用接触角来判别。由热力学分析得知，液体在固体表面的接触角越小，对固体表面越容易浸润。也即与所接触的固体相比较，液体的表面张力小则容易在固体表面铺开，易于浸润固体表面。液体与固体表面接触角的关系如图2一l所示:其中e为接触角，在实际粘合中，粘附功叽。可由下式表示，式中R为粘合面积与理论面积之比，几。，为液体一大气的界面张力。
图2一1固由上式可以得知，液体表面张力R一定时，接触角越小，则粘附功叽越大，
也就是粘合剂液体对被粘物固体表面的浸润情况好，粘合情况也就越好。因此为
了得到最佳的粘合条件，必须满足下列条件:(1)液体粘合剂与被粘物表面的接触
角要尽可能小。(2)对被粘物表面，应尽可能除去附着在上面的低能物质及灰尘
等。在实际粘合过程中粘合强度是一个很重要的因素。粘合强度即测定到的单位
面积上呈现的粘合力。影响粘合强度的因素可由图2一2看出:
由图2一4可以看出，L，S，E，F都是影响粘合强度下降的因素。L是没有充
分浸润的影响;S是粘合处内应力造成的影响;E是测定方法的缺陷和没有测到的
内应力的影响;F也是测定方法的缺陷，但有一部分已通过内应力影响部分表示
出来。可见，为了达到最大的粘合强度，必定要对这些影响因素加以分析，并尽
可能予以改进[33一3s]。
2.5热固化树脂砂轮制造及特点
热固化树脂砂轮制造工艺比较成熟，一般可分为三个步骤:l)混料工艺;2)
成型工艺;3)硬化工艺，其制造特点耗时、耗能且工艺复杂。
2.5.1混料工艺
混料是制造树脂磨具的主要工序之一，其目的是使结合剂与磨粒充分地混
合，并能均匀地粘附在磨粒表面上，混出具有成型性能的混合料，对成型料的基
本要求是:各组份分布要均匀，并具有良好的成型性能，保证坯体有足够的湿坯
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强度，具备适宜的松散性和可塑性，便于投摊料操作。但是在混料过程中，粉状
树脂成型料混合时润湿剂与结合剂有一定的比例关系，这是由于成型料的特点决
定的，粉状树脂成型料的特点是:磨粒表面被一层低粘度的树脂粉所包涂，树脂
粉和粉状填料加入后，树脂液把它们粘结在磨粒外表面，并形成一层干粉膜，使
成型料呈松散状态。当树脂粉过多时，成型料就干燥多粉，未粘结的过量树脂粉
游离在成型料中，不能分布均匀，造成坯体“漏粉”现象;当树脂粉配量不足时，
磨粒表现不能形成干粉膜，成型料潮湿结块而影响成型操作。混料工艺路线如图
2一3所示。
成型的任务是把混好的成型料制成密度均匀、有一定强度、形状和尺寸，没
有外表和内在缺陷的磨具坯体。成型方法主要是模压成型，它是将松散的具有可
塑性的粉状树脂成型料均匀地摊在模具内，用压机进行压制的一种成型方法。模
压法可分为热压和冷压法，冷压法指在常温下进行压制。热压法是在加压过程中
要对磨具进行加热(最常用的加热温60一100℃)，并保压一定时间(约O一605)，使树脂结合剂快速进行化学反应，达到初步硬化或半硬化状态。其工艺流程如图2一4
所示：
2.5.3硬化工艺
成型后的磨具坯体，经过加热处理，变成固定形状，并具有一定硬度、强度
和耐热性的磨具，这个过程称硬化。硬化过程是结合剂内树脂分子进一步缩聚和
交联的过程，即由小分子的低聚物等线型聚合缩合交联成大分子量的网状体型高
聚物，同时，有一部分挥发物(如氨、游离酚、水等)从磨具坯体里挥发出来。磨
具坯体从室温进入硬化炉内加热，在80一100℃时处于软化阶段，此时坯体的强度
最低，易发生变形，随着温度的升高，至100一130℃时，坯体逐渐变硬，此时，
树脂的缩聚反应加快，挥发物大量排出，磨具最易起泡和裂纹，当温度升至最高
硬化温度时，经一定时间保温后，坯体即可完全硬化，成为坚硬的不溶不熔的固
体[36一38]。
2.5.4热固化树脂砂轮特点
热固化树脂砂轮成型工艺成熟，但也存在一定的不足之处。
1)工艺成熟，但是复杂，中间环节容易出现问题，如在混料过程中，容易出
现结块或者结合剂不易粘结在磨粒表面，不易掌握;
2)需大量的专用设备，增加生产成本;
3)在成型和硬化环节，需要长时间加热加压，消耗很大的能量，增加成本;
4)成型时间长，时间以小时计;
5)成型和硬化期间都会挥发出大量的有害物，对环境、人造成一定的影响;
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2.6光固化树脂砂轮制造工艺及特点
光固化树脂砂轮制造可以分为两个步骤即混料搅拌、光固化成型，其制造特
点工艺简单，容易掌握，省时、节能、无污染。
2.6.1混料搅拌
混料搅拌，与热固化树脂相似，光固化树脂磨具的制造首先也是混料。混料是制造树脂磨具的主要工序之一，其目的是使结合剂与磨粒充分地混合，并能均匀地粘附在磨粒表面上，使磨粒均匀的分散在树脂中。而与传统树脂磨具相区别的是光固化树脂为液体，在混合时能够把磨粒包裹起来，不会出现传统树脂砂轮混料过程中“漏粉”以及结块现象。在添加完添加剂后便可以放在搅拌器上进行搅拌，搅拌5一10min后，便可使磨粒均匀的分散在树脂中，成为光固化成型料。需要注意的是，由于磨粒的密度大于树脂的密度，搅拌好的树脂应立即可进行光固化成型。图2一5为光固化树脂混料工艺流程图
2.6.2光固化成型
光固化成型，传统树脂砂轮是把成型料装填入模具内，然后对其加温加压，是树脂内部发生连锁反应，硬化成型。而光固化树脂不需要模具，直接把成型料涂敷在砂轮基体表面，但是由于光固化树脂单层固化厚度受限，每层厚度不大于0.Zmm，所以需要多层涂敷。当第一层树脂涂敷在砂轮基体上时，砂轮基体在电机的带动下，旋转进入光固化区，树脂在紫外灯的作用下，发生聚合反应，光引发
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剂吸收紫外线辐射能量而生成自由基，这些自由基与单体和活性预聚物发生连锁反应，最后变为固态。当第一层树脂固化后，砂轮基体在电机的带动下再次经过下料处，在第一层的基础上进行第二层涂敷，如此循环，在紫外光的照射下，逐层、连续涂敷，直至达到砂轮工作厚度。图2一6即为光固化树脂砂轮成型原理图[39一41]
2.6.3光固化树脂砂轮特点
与传统的热固化树脂砂轮相比，光固化树脂砂轮具有以下特点:快速固化，
几秒钟即可固化，大大提高了劳动生产率;无污染，可采用低挥发的单体和预聚物，不使用有机溶剂，故基本上无大气污染;节省能源，与热固化树脂相比，节省能源90%以上。
2.7本章小结
本章先介绍了砂轮的基本组成磨粒和结合剂，其中包括各种磨粒的基本性质
以及各种结合剂的一般特性。介绍了传统树脂砂轮的制造工艺流程，并总结了传统砂轮在制造过程中的一些特点和不足之处。同时介绍了光固化树脂作为结合剂的固化原理和结合机理，在理论上研究了利用光固化树脂作为结合剂制造砂轮的工艺。通过研究得出如下结论:
1)砂轮作为用量最大、应用最广的一种磨具，磨粒和结合剂的特性，直接
影响砂轮的磨削性能。对各种磨粒和结合剂的性能进行了阐述，对于选择何种磨粒和结合剂的砂轮对工件进行加工具有指导意义，以及对于砂轮的研究制造也有浙江工业大学硕士学位论文
一定的理论依据。
2)光固化树脂粘结存在多种理论，要改善光固化树脂砂轮的层间结合强度，
需要在合适的理论的指导下，采取适当的措施对其进行改善。对这些层间粘结理论的分析，对下一步的层间结合强度的改善提供了理论基础。
3)光固化树脂作为结合剂制造砂轮与传统树脂砂轮相比较，具有显著的优势，譬如固化速度快、耗能低、工艺简单以及洁净无污染等特点，体现了一种具
有极大潜力的新型制造工艺的优势所在。理论上分析了光固化树脂的制造原理和工艺，为下一步光固化树脂砂轮制造及其实验装置的研制提供了理论依据。
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第三章光固化树脂砂轮关键技术
3.1光固化树脂砂轮制造装置及工艺
上一章中已经详细介绍了光固化技术及光固化砂轮的制造原理，本节将对光固化砂轮制造的实验装置以及砂轮的制造方法作介绍，并且解决光固化树脂砂轮制造过程中一些关键制造工艺。
光固化树脂砂轮制在实验装置
根据光固化树脂砂轮制造原理及工艺，设计、研制实验装置一台。该实验装
置主要包括三大部分，即动力及传输部分(微型电机，传输及砂轮基体等)，紫
外灯及附属部分(紫外灯，灯箱，风扇等)，供料部分(喷头组件，空压机，气
压阀等)。其结构示意图如图3一l(a)所示。
工作原理:配比好的成型料在空压机的压力下，由输料管传输到喷头处，然
后由喷头涂敷在砂轮基体上，砂轮基体在微型电机的带动下，旋转进入光固化区，如图3一1(b)为装置涂敷处照片，成型料在紫外光的作用下，固化成型，把磨粒固结在砂轮基体上，然后再涂敷第2层，依次循环，自动化作业，直至完成砂轮制造。
3.1.2光固化树脂砂轮的制造
l)砂轮配方
砂轮的制造首先要解决砂轮各组分的质量比，即砂轮的浓度，浓度是指磨粒
在磨具层中的含量。树脂结合剂砂轮一般采用50%一100%的其中大部分用75%，要求光洁度较高时可低于75%，成型磨削和要求使用寿命较长的砂轮，可用100% 或以上。1立方厘米体积中含磨粒为4.4克拉(l克拉=0.2克)时，浓度为100%，
此时磨粒在磨粒层中所占体积百分比为25%。砂轮浓度与磨粒含量的关系如表
3一1所示。
本课题选用结合剂为光固化树脂KG一200，磨粒选用绿碳化硅，粒径204#，镀镍金刚石为添加料，粒径204#。鉴于前期研究的基础上，实验中选择浓度为50%作为砂轮浓度，体积百分比为12.50%，砂轮碳化硅的质量可以由以下公式
确定:
以上式子中，d为砂轮的浓度，无量纲。其余为相应的质量和密度。所用光固化
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树脂的密度为p树月旨一1.549/cm，，碳化硅密度Psi。一3.189/c耐，假定每次所配树脂质量为409，则所需碳化硅质量为:
在砂轮中添加磁性颗粒为镀镍金刚石(其具体作用在下节中详细论述)，根
据其在砂轮制造过程中单位面积的颗粒数，以质量分数2%为宜。即
考虑到镀镍金刚石在磨削过程也可起磨削作用，充当一部分的磨粒，故最后在配方中减去碳化硅的质量，在试件中碳化硅:镀镍金刚石:树脂=10.76:1.04:
40
上节中已经介绍了光固化树脂砂轮制造的实验装置工作原理，现利用该实验
装置，制造光固化树脂砂轮，以对其进一步研究。制造一款平型砂轮为例，磨粒、结合剂、填料的添加配方以及砂轮的制造工艺方法如前所述。光固化树脂砂轮其基本尺寸形状如下图3一2，以及完成砂轮制造照片图3一3。
单层厚度的控制
在上一章中已经提到，成型料的涂敷厚度会影响光固化树脂砂轮的制造，为
保证顺利制造，需使涂敷厚度控制在0.1~刁.2~。在制造砂轮时，影响涂敷
厚度的主要有三个因素:a、供料气压，b、电机转速，c、喷头装置。
供料气压和电机转速是两个相互影响的因素，气压是控制单位时间内下料
量，当压力较大时，单位时间内由喷头出料量就多，反之则少:而电机的转速可
以调节单位时间内一定量的成型料在砂轮表面涂敷的面积。当转速较大时，单位时间内一定量的成型料所涂敷的面积就大，可防止成型料在一定区域内形成堆积现象，使涂层变厚。当供料气压一定时，则单位时间内下料量V不变，当电机
转速较大时，涂敷面积S就大，根据体积公式h=V/S，则厚度h就小，反之则厚
度h就会变大，出现堆积现象。如图3一4所示，(a)、(b)体积相同，涂敷面积不同，导致厚度有差异。但转速不宜过大，首先会影响成型料的光照时间，其次，容易造成不连续性喷涂。通过以上分析及根据实验总结它们之间的具体关系，电机转速为o.sr/min，供料气压为0.IMPa为宜。
4喷头组件的设计与改进
喷头组件的设计主要目的是使成型料形成宽为10~，厚度小于0.2~的
涂层，并且喷头组件会随着厚度的增加而自动调节高度，其结构如图3一5所示浙江工业大学硕士学位论文
图3一5喷头组件结构示意图
1、喷头
2、滑筒连接件
3、弹簧
4、固定件
5、输料管
6、滑筒
其工作原理为喷头件与砂轮接触，随着层厚增加时，喷头受力，弹簧收缩，滑筒滑动，喷头抬高，达到与厚度的同步。这里的主要部件为喷头，它是控制单层厚度的关键。其结构如图3一6所示
成型料通过输料管进入如图3一6(a)所示的成型料通道，使其流经喷头后由管状成型为宽10~，厚02~的形状。喷头设计主要解决两个问题:1、防止树
脂薪附;2、控制单层厚度。
光固化树脂为粘稠的流体，容易出现薪附现象，若出口处边缘有较多空间，
极容易豁附在喷头边缘，造成涂敷在砂轮基体的涂层变厚。因此喷头处可作如图3一6(b)所示改进，可避免涂敷时出现粘附现象。同时控制薄片的间距，可使涂敷厚度小于0.2~。通过以上的几处改动，解决了喷头的几个结构性问题，对于砂轮的成功研制至关重要。
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3.1.5涂敷过程中的气泡问题
在对砂轮基体进行涂敷制造砂轮时，成型料中夹杂的气泡会影响涂敷，若气
泡偏大，涂敷固化成型时，会出现空区，无法完成砂轮制造，分析可能原因:
a、成型料中本身混入的气体
b、管内气体没有排光，且与成型料混合
为确认具体原因，在将树脂和磨粒搅拌均匀后，利用真空干燥箱对成型料真空脱泡，再次进行实验时，气泡问题仍不能得到有效改善。通过分析，认为搅拌过程中虽有气泡混入，但都为小气泡，不会影响涂敷，更不会形成空区。经观察，成型料在输料管中的流淌现象，发现管内成型料并不是如图3一7(a)所示以同一速度流淌，而是以如图3一7(b)所示的进行流淌，这是由于流体的赫附作用，使管壁处树脂的流动速度小于管中央树脂的速度。而当供料气压较大时，它们的速度差增大，管中央的树脂接触到前端管壁，如图3一7(c)所示，把一部分气体包裹在其中，并且此现象重复发生。当成型料在喷头出流出时，整个输料管内的气体已经与成型料混合，就会形成均匀的冒泡现象。为了克服这个问题，减小初始阶段供料气压，让管内成型料缓慢流淌，尽可能减小管壁处与管中央的速度差，使树脂填充满管壁缓慢前行，避免把管内气体包裹在其中。经实验总结，初始阶段供料气压大小为0.olMPat匕较适宜。
光固化树脂砂轮是分层堆积而成，故层间结合强度时决定其性能的关键。砂
轮在磨削时，会受到轴向力、切向力以及法向力，其中法向力最大，切向力其次，轴向力基本可忽略不计，砂轮磨削时受力情况如图3一8所示。其中切向力对光固化树脂层间结合强度影响较大，故需要对其进行分析研究，并对其采取措施改善。
3.2.1光固化树脂砂轮层间结合强度分析
光固化树脂分层固化时，一般认为第一层与第二层间存在化学性结合。因为
光固化树脂在空气中固化后，其表层有一薄层未固化物(厌氧层)，这是由于空气
中的氧阻碍了表层材料的聚合。当在此层材料上涂敷第二层材料后，隔离了第一
层表面的空气，这样第一层表面的未固化层可与第二层树脂一起固化，并使第一
层与第二层间形成化学性结合[42]。
光固化树脂层分层固化时层间存在化学性结合，但是研究表明，树脂中的添
加料会影响它的结合性能。一种研究结果表明，大颗粒填料型复合树脂分层固化
后的断裂韧性显著低于整体固化的断裂性能，而超微填料型复合树脂分层固化
后的断裂韧性与整体固化的断裂性能无显著性差异。大颗粒填料型复合树脂在充
填及固化过程中，会使树脂基质聚合物在材料表面偏析聚集，形成一层填料含量
低的表面层，这一表面层在分层固化物中是一强度薄弱部位。超微填料型复合树
脂所含无机填料极细(平均4Onm)，与其混合的树脂基质聚合物在充填及固化过
程中不易偏析聚集，因此其表面层无机填料含量与内部基本相同，固化后强度也
基本相同[43一45]。
树脂中所添加了磨粒颗粒粒径一般为3.5om~2000。m，远大于4Onm，光固化
树脂层间结合强度必然会受其影响而减弱。层与层之间的结合是多种结合相互作
用的结果，如上一章所述的一些结合理论，其中包括机械作用理论。该理论认为
当两个表面相互接触后，由于表面粗糙度不平将发生机械互锁，很显然表面越粗糙，互锁作用越强，因此机械粘结作用越有效。在受到平行于界面的作用力时，
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机械粘结作用可达到最佳效果，获得较高的剪切强度。
本研究提出在树脂中添加磁性微粒(镀镍金刚石，金刚石外层的镀镍金属层
可作为磁性材料，而内部的金刚石在磨削时可作为磨粒，混合磨粒能够延长砂轮
的寿命和增加砂轮的磨削性能【46一47])，并在在固化过程中施加强磁场，使磁性微粒凸起，增大表面面积和粗糙度，提高层间的结合强度。
3.2.2光固化树脂砂轮磁力作用下固化过程理论模型
为改善光固化树脂砂轮的层间结合强度，本文提出一种基于磁场力作用的光
固化工艺方法制造光固化树脂砂轮，即把磁性微粒添加到光固化树脂中，在固化时，对涂敷在砂轮基体表面的光固化树脂施加强磁场，使磁性微粒从树脂液中突起，在层间起到机械互锁的效果。以下即为理论磁性微粒在在磁场作用下的理论
模型:
磁性颗粒在液态树脂中没有受到磁场的作用时，其散乱分布在液态树脂层
下，如图3一9(a)所示。在磁场的作用下，磁性颗粒被吸附到表面，成凸起状，如图3一9(b)所示，此时光固化树脂在紫外光的作用下固化，把磁性颗粒把持在表面。在前一层基础上涂敷第二层树脂时，这些凸起的磁性颗粒镶嵌在第一层和第二层
之间，起到机械互锁的效果，如图3一9(c)所示。
磁性物质在磁场中会受到磁场力的作用，所受磁场力的大小与其所在位置磁
场强度有关。离磁极越近，磁场强度越大，在该处磁性物质受到的力越大。由于
镍粉在成型料中受到树脂的薪附作用，当磁极距离成型料一定距离时，镍粉就有可能受到强磁力的作用，摆脱树脂的勃附，从成型料中脱离，反之，如果磁体若离成型料较远时，镍粉受到的磁场力小于树脂的载附，镍粉就不能被吸至表面，不能达到形成层间机械互锁的效果。通过调整固化表面与磁体的距离控制磁场强度