改性超细氧化铝对抛光磨料耐磨性的影响

改性超细氧化铝对抛光磨料耐磨性的影响

摘要：目的研究超细氧化铝粉体表面改性，评定改性效果对抛光磨料耐磨性能的影响，分析抛光磨料摩擦磨损机理．方法采用聚丙烯酸对超细氧化铝进行表面改性制备出有机包覆的复合粒子。利用激光粒度仪、x一射线衍射仪、红外光谱分析仪和扫描电镜对其表征，测试经有机包覆后的超细氧化铝对抛光磨料耐磨性的影响．结果表面改性后的氧化铝颗粒与结合剂粘合力好，分散均匀不易团聚，氧化铝掺量为30％时，磨料的摩擦磨损系数为0．164 9，耐磨性较好．结论超细氧化铝颗粒经有机包覆后表面性质发生很大变化，但其物相结构没有改变，氧化铝颗粒与结合剂粘结力强避免了磨料在摩擦时的脱粒现象，减少划痕增强其耐磨性．

关键词：表面改性；超细氧化铝；抛光磨料；耐磨性

氧化铝凭借其高硬度、稳定性好等优点而在精密加工制造等工业应用中有突出表现，是目前广泛采用的抛光磨料．随着现代技术的发展，在树脂抛光磨料生产中，尤其是对高精度研磨、镜面抛光加工，细粒度磨具的应用领域也更加的广泛，这也对超细微粉提出了越来越高的要求，既要满足粉体颗粒极细，又要分布很窄，同时超细粉体的性能必须具有良好的分散性及与其他物料混合使用时具有良好的相容性．但对于平均粒径lOum以内的超细颗粒磨料，由于粒度小，表面能高，极易产生团聚现象；在加工时与结合剂粘合力不强，又会发生颗粒脱落，造成抛光划痕、凹坑等表面缺陷．因此，对超细粉体的表面改性，控制颗粒在结合剂中的相容性和均匀分散的问题可有效地提高抛光磨料的耐磨性能．R．K．Singhd等认为在硬度较高的粒子表面包覆一层较软的物质可以减少抛光划痕和凹坑等缺陷；Yano等制备了一种含无机／树脂复合粒子的抛光液，在化学机械抛光(CMP)实际应用中。明显的改善抛光后工件表面的划痕等微观缺陷；史丽萍等研究了表面处理Al2O3增强PEFE基复合材料的摩擦性能．结果表明，表面处理Al2O3与未经表面处理Al2O3相比，分散更均匀，结合能力更强，提高了复合材料的物理性能．目前国内对于超细氧化铝粉体表面改性的研究很重视．笔者对超细氧化铝颗粒表面进行接枝改性。在粒子表面接枝聚丙烯酸水溶性高分子链段，并对改性效果进行了评价，用改性后的超细氧化铝增强固结抛光磨料的耐磨性能．

1 原材料及实验方法

1．1原材料

a—AI2O3，聚丙烯酸(PAA)，羧甲基纤维素，NaOH(分析纯)，Na2C03(分析纯)，CaC03(分析纯)，硫酸，稀土抛光粉(1004型)，兰州德宝化工有限公司生产，不饱和聚酯树脂、固化剂和催化剂，沈阳瑞丰精细化学品有限公司生产．

1．2实验仪器

(1)MM—WlA立式万能摩擦磨损试验机，济南试金集团有限公司；(2)Rise一2002型湿法激光粒度分析仪，济南润之科技有限公司；(3)ARLX’TBA型x一射线衍射仪，美国热电子公司；(4)380FT—IR型傅里叶变换红外光谱仪，美国热电子公司；(5)S一3400N型扫描电子显微镜(SEM)，日本电子公司．

1．3实验方法

(1)表面改性超细氧化铝粒子的制备：取适量的聚丙烯酸(PAA)与Na2CO3溶液混合，羧甲基纤维素与NaOH溶液混合，将混合液同一定量的超细氧化铝和CaC03一同倒入500 mL的三口烧瓶中，置于水浴锅中，室温搅拌10 min，然后在温度70℃时持续搅拌30～40 min，并在此温度下滴加硫酸进行中和，直到聚合物吸附在颗粒表面时，将体系温度降至50—60℃，经过滤、酸洗、水洗、干燥后便可制得复合粒子．

(2)改性前后超细氧化铝的粒度分析：采用激光粒度仪．

(3)X—ray衍射分析：采用美国热电子公司的ARLX’TBA型X一射线衍射仪．

(4)红外光谱分析：采用美国热电子公司380FT—IR型傅里叶变换红外光谱仪．

(5)扫描电镜观察(SEM)：采用日本电子公司的S一3400N型扫描电子显微镜(SEM)．

(6)抛光磨料试块的制备及摩擦磨损性能测试：取适量改性后的超细氧化铝和稀土抛光粉混合，并加入掺固化剂和催化剂的不饱和聚酯树脂，搅拌均匀后在80℃条件下固化成型，用MM—WlA立式万能摩擦磨损试验机对试块的摩擦磨损性能进行测试．

2实验结果及分析

2．1 改性前后超细氧化铝粒度分布

粉体表面改性后粒度大小及分布的变化，能够反映表面改性过程中是否发生了团聚，对于湿法改性后再进行干燥的工艺，粒度大小及分布是表征和评价表面改性效果的重要指标之一．

用激光粒度仪分别对改性前后的超细氧化铝进行粒度分析，数据列于表l中．

由表l可知，改性前的超细氧化铝粒度分布范围在O．40～2．56um，经接枝聚合后粒度分布范围有所增大在0．42—2．61 um，中位径如由1．12 um增至1．14um，改性前后颗粒粒度的变化说明超细氧化铝表面可能包覆上了一层有机聚合物．

2．2 X—ray衍射分析

采用美国热电子公司的ARLX’TBA型x一射线衍射仪对改性前后超细氧化铝粒子表面结构和成分进行分析，由图1可知，从改性后的超细氧化铝X—ray衍射图中可检测出CaCO3的存在，CaCO3是一种不溶于水的无机分散剂，其作用机理是细粉末吸附在粉体表面，起着机械隔离的作用．在粒子表面形成一层物理吸附层，可阻止超细氧化铝颗粒的团聚，改善分散性，增强颗粒和结合剂的结合能力．对比两幅图中的3个最强衍射峰强度，可以看出改性后超细氧化铝微粉的3个最强的强度峰(853，418，191)比改性前的强度峰(369，401，175)要大，这说明改性后的超细氧化铝颗粒粒径尺寸比改性前的要大，因为峰值越高，峰宽越大，

表面颗粒尺寸就越大．

2．3红外光谱分析

采用美国热电子公司的380Fr一眼型傅里叶变换红外光谱仪分别对表面改性前后的超细氧化铝颗粒表面结构和性质分析，见图2和图3(图中r为透过率)．

由图2、图3分析可知，改性前的氧化铝的特征吸收峰在876 cm-1处，3 440 cm-1处是羟基峰．经表面包覆改性后的氧化铝在3 400 cm一处的吸收峰强度增加，产生明显的O—H特征吸收，在l 070 cm-1处出现C—O伸缩振动，1 375 cm-1处发生C—H弯曲振动，在l 560 cm-1处出现烯烃特征吸收，表明粉体表面性质发生变化，分析认为改性剂与氧化铝粉体发生化学键合，使其表面有机化，表面改性剂在颗粒表面产生吸附，从特征吸收峰吸收强度可看出改性效果较好．

2．4 改性前后超细氧化铝粒子的SEM分析

改性前后超细氧化铝粒子表面的SEM照片见图4．

由图4可知，未经表面处理的超细氧化铝粒子(见图4(a))表面光滑，棱角较多，呈不规则形状，接枝改性后的超细氧化铝复合粒子(见图4(b)、(c)、(d))形状近似于球状等积形，表面有毛细微孔，呈蜂窝状态，粒子被一层绒膜状物质包覆，接枝在颗粒表面的聚丙烯酸具有一定的分子量，良好的粘结性和成膜性，高分子长链能够形成有效的立体屏障(位阻斥力)，在位阻斥力的作用下，有利于阻止超细氧化铝粒子间的团聚．改性后的粒子又具有很高的球形度，无团结现象，球形度的提高减少了粒子间接触点数和附着力，有利于提高粉体的分散流动性。

2．5抛光磨料摩擦磨损性能测试

摩擦磨损实验在MM—WlA立式万能摩擦磨损试验机上进行，磨损实验载荷600 N，转速100 r／min，测试时间5 min．将改性前与改性后氧化铝质量分数分别为10％、15％、20％、25％、30％的磨料试块(20 mm×20 mm×20 n1111)进性能测试。测试结果见图5

由图5可知．随着氧化铝含量的增加．磨料的摩察系数明显下降，磨损量逐渐碱小．氧化铝质量分数为30％时效果较好，摩擦系数趣小磨料的耐磨性越好．添加术改性氧化铝的磨料试块摩擦系数值在0 .23～0 .28，最小值为0 .23l 4．而添加改性后氧化铝的磨料试块摩擦系数值0. 16—0 .21．最小值为0.164 9；添加未改性氧化铝磨料的磨损表面表现为有明显的凹坑．划痕犁沟较深，而改性后的无凹坑且划痕较浅。这是因为，在荷载的作用下磨料中a—AI2O3粒子具有承载属性．当磨料表面在外力作用下被磨损后．a—Al2O3粒子将凸现在试块表面，承受大部分荷载由于a—AI2O3粒子硬度高于磨料表面．所以能有效地减少磨损，改善磨料的耐磨性对于束改性的氧化铝颗粒摩擦时在表面切应力的作用下．与磨料结合性能较差，失去承载作用极易从磨料中脱落下来，使磨料表面变得粗糙不平，磨损严重，降低磨料的耐磨性能．经接枝改性后的氧化铝颗粒与磨料结合性较强，在高荷载的表面切应力作用下能改变颗粒的脱落现象．可见改性后的氧化铝提高磨料的耐磨性．总体上起到包覆改性的效果。

3结论

(1)采用接枝包覆改性的方法处理的超细氧化铝颗粒，降低了颗粒的表面能，提高了颗粒与结合剂的粘合能力．改善了微粉颗粒在结合剂中的相容性和均匀分散稳定性。

(2)x一射线衍射分析和红外光谱分析表明粉体表面存在PAA．表面性质发生很大变化，但其物相结构没有改变．

·(3)改性后超细氧化铝在磨料中含量的增加明显改善了磨料的抗摩擦磨损性能，掺量在30％时，摩擦磨损系数为0．164 9，磨料的划痕较少，无明显脱粒现象．