水砂纸和砂布是涂附磨具中最古老的两个品种,一个多世纪来一直霸占了整个中国涂附磨具大部分市场。在上个世纪六+年代时,水砂纸几乎全是手工作坊式生产,每一道工序,都是一张一张的生产,商标由印刷厂代为加工,生产工人站在一个230*280小工作台前,手拿一把刷子刷上胶水,另一人接过去用小筛子(工人称其落子)落上砂子,进入土窑烘干,再用同样的办法,刷上复胶,烘干,即成产品。一个车间几十台刷胶小平台,一字排开,一片忙碌景象,看上去倒是十分壮观。产品的质量,全靠工人师傅们的精工细作了,当时的帆船牌和钻石牌两大国内名牌,占据了国内三分之二左右的市场份额,还远销国外,特别是东南亚一带,享有很高的声誉,市场占有率很高。到了上世纪六十年代中期,第二砂轮厂从当时的东德引进的一条采用连续生产的机械化水砂纸生产线,开始了机械化生产的先例,这在当时还是件新鲜事,所以引起国内水砂纸行业的极大关注,纷纷前去参观学习,在上世纪六十年代中后期,国内不少水砂纸厂家纷纷仿效这种设备的基本结构,结合我国原有生产工艺的实际情况,自行设计了由头胶、植砂、复胶、二次复胶、直至分条裁切,全连动的生产方式,逐步淘汰了落后的手工作坊式生产,因而大大提高了生产效率。虽然在生产设备上有了重大改进和提高,但粘结剂仍采用原来的以醇酸树脂为主料的工艺配方,这种传统的中国水砂纸产品的严重缺陷:一是油漆味特别浓,一打开包装一股刺鼻的味道,让人生厌;二是存放时间过长,容易发脆;三是耐磨性较差,所以在国际市场上,只能是低价销售。到了上世纪七+年代,由于国际市场上环保意识的增强,水砂纸的味道问题,成了产品质量最突出的矛盾,外商拒收这类产品,甚至要求退货。。这时水砂纸的出口市场走向低谷。到了上世纪七十年代后期,在国家改革开放政策堆动下,许多新工艺、新技术、新的应用领域进入中国工业加工行业,大量高档水砂纸产品,也随之进入中国市场,特别是广东等沿海城市最为畅销,一张高档水砂纸或超涂层产品,市场价最高要卖到几元钱,是国产普通水砂纸几倍的价钱,当时国内高档水砂纸市场几乎全被进口产品占领,国内水砂纸行业只能望尘莫及难以应对!面对这样的挑战,国内水砂纸行业将如何应对呢?
到了上世纪八十后期在广东笫一家引进了韩国高档水砂纸制造设备及产品生产工艺技术,开创了我国高档水砂纸生产的先河。创业是艰难的,经过好几年的艰苦摸索,才逐渐打入市场。之后国内不少地方水砂纸生产企业,也开始陆续引进了韩国日本意大利等国家的设备和技术,同时有些外国公司看准了中国的巨大的市场需求,直接到中国来投资建厂,抡占中国市场,一下子把中国的高档水砂纸生产搞得红红火火,犹是一匹黑马,杨鞭出峭!本人曾在二○○○年涂附磨具协会全体会员大会上作学术报告时,曾用大部分的篇幅,阐述了水砂纸这个古老产品,经过技术改造,重新焕发青春迅速发展的事实,近几年高档水砂纸高速发展的事实证明,比我当时预期的还好,这是继全树脂砂布及强力砂带生产以来,发展最为迅猛的又一个新产品系列,目前国内高档水砂纸的产量和产值,已与全树脂砂布和强力砂带的产量和产值并驾其驱了,而且目前国内仍在新建或扩建生产线,增加生产能力。广东地区的一些生产企业和经销商,对目前高档水砂纸市场前景很是乐观,对生产和销售都很有信心。其实广东无论在产能上,还是市场销量上,在国内占有重要地位。这一轮高档水砂纸产品的迅速崛起,以及它的发展之快,给我国涂附磨具行业带来了深深的思考,它的脱胎换骨的创新道路,值得我们同行们的回眸!
一 产品性能和质量上的创新:
一个产品能立足于市场或取代另一种产品,最关键的一点,是产品了性能上的创新和质量上的超越,因为普通水砂纸耐磨性差、耐用度低、质脆、气味重、无超细度,在当前高科技时代,高效、高精、高难度的研磨抛光加工是难以胜任的。而高档水砂纸的闻世,正好比较圆满地解决了这些难题。它的特点在于:
一是 由于采用了高粘结强度的环氧树脂替代了普通属油漆特征的醇酸树脂,所以其产品在耐磨性和耐用度上有着成倍的提高。
二是 高档水砂纸的粒度范围大大扩大,醇酸树脂粘结剂水砂纸粒度一般只能做到1000#,即使专用细粒度产品的金相砂纸也只能做到1200#,而以环氧树脂为粘结剂的高档水砂纸,粒度最细可以做到1500# 2000# 2500# 3000#等超细粒度产品,这不仅是水砂纸制造技术的创新,更是满足了超精研磨抛光行业的特殊要求。
三是 由于环氧树脂本身是一种线型结构的高分子材料,如果再选用比较柔软的固化剂,经过配方上的合理配制,可以得到既耐磨又柔软;既耐水又有韧性的高档水砂纸产品。即使把它反覆揉搓,或者把它捏成一团,其砂层表面也不会产生龟裂和掉砂,所以这种产品被大量的应用气车行业油漆腻子和喷漆表面的打磨、精磨等多种作业,对凹凸不平的复杂型面的研磨抛光特别有效,并在中国传统的雕刻行业,如红木雕刻、玉器雕刻、石雕等作业方面有着大量的应用,是醇酸树脂耐水砂纸是根本无法胜任的。
四是 解决了醇酸树粘结剂长期存放发脆的问题,环氧树脂经固化后性能稳定,在常温条件下,长期存放一般不产生严重的变硬变脆等变质现象。
五是 环氧树脂粘结剂的高档水砂纸不会有醇酸树脂粘结剂水砂纸产品那样,严重的刺激性的油漆味,不会造成环境污染,伤害工人的身体健康。
总之,高档水砂纸对普通水砂纸在性能和质量是一次重大创新,使我国传统的水砂纸行业获得了广阔的发展前景,是继高档全树脂砂布及强力砂带以后,又一个高速发展的一个创新产品系列。
二,粘结剂的创新:
正如高档全树脂砂布与强力砂带产品一样,它获得高性能最关键的是材料选择与制造技术,它与水溶性酚醛树脂的作用一样,因为高档全树脂砂布与强力砂带主要用于高速的机械磨削加工,所以粘结剂必须具有粘结强度高耐热性能好等主要特征,才能承受机械磨削时强大的冲击力,那么水溶性酚醛树脂粘结剂正是具备了这个条件,因而使高档全树脂砂布和强力砂带成为涂附磨具产品中的佼佼者,是当代涂附磨具中发展最快的一个品种。而在高档水砂纸产品中,其中最关键的也是材料选择与制造技术问题,现下国内外一般选用双酚A型环氧树脂为粘结剂的主料,并配以酰胺类固化剂,这样的环氧树脂粘结剂具有高粘性及良好的柔软性,这正是符合于制造高档水砂纸的质量技术要求,适用于在非机械研磨抛光作业中,由于磨加工过程中发热量较低,正是克服了环氧树脂耐热性较差的缺陷,保持它的高粘性特点。而环氧树脂虽然粘结性虽高于水溶性酚醛树脂,但由于其耐热性较差,因而在全树脂砂布和强力砂带制作中,应用得比较少。环氧树脂另外一个特点,是它具有十分良好的流动性或流平性,是制作细粒度和超细粒度产品提供了良好的基础,以前醇酸树脂所不能生产细粒度和超细粒度,除了与涂附设备结构与精度有关外,其中树脂的流动性和流平性是最关键的一个问题。
对环氧树脂而言,其流动性以及相关的一些特性,不同类型和品种也存在着一定的差距,在目前国内外高档水砂纸的生产工艺中选用两种类型的环氧树脂,一种以固体环氧树脂为主要原料,用溶剂溶解成液体,再加固化剂,配制成高档水砂纸粘结剂。另一种是直接选用液体环氧树脂,加固化剂,配制成粘结剂。现就这两类粘结剂的各种特性作一分析和比较,作为使用者在设计配方时的参考:
1 从粘结强度分析;
从目前国内外生产高档水砂纸所用的环氧树脂,都属于双酚A型,它是由环氧氯丙烷与双酚基丙烷在碱性催化剂作用下,生成一种纯直链的高分子聚合物——环氧树脂,这种树脂有两种类型:一种是固体环氧,一种液体环氧,在使用时,前者首先将固体用溶剂溶解成溶液后,加入一定量的固化剂,然后配成胶料,而后者则将树脂直接加入固化剂后,即可配成胶料,操作比较简单。但从环氧树脂的粘结性分析,因为环氧树脂的高粘性,主要是来之于分子中环氧基的存在和多寡,固体环氧树脂因为所含的环氧值较低,即环氧基较少,所以树脂的粘结性能低,而液体环氧因为含环氧值一般较高,所以粘结性高于固体环氧。因为环氧树脂与固化剂发生化学反应,环氧基的环被打开后,与固化剂形成交链,同时生成极性很强的羟基,从而产生很高的粘结强度。
根椐上述对固体环氧和液体环氧粘结强度的比较分析,前者粘结强度逊于后者。而固体环氧与液体环氧两种类型的环氧树脂本身还包含多种品种系列,它们所含的环氧值也各不相同,比如国产固体环氧树脂的环氧值从0.02-0.40,国产液体环氧树脂的环氧值从0.38-0.56不等。这就需要根椐产品性能的具体要求,有针对性的去选择不同类型,不同品种,不同环氧值的环氧树脂,以达到所设计产品的性能目标。
2 从粘结剂的流动性分析:
固体环氧树脂因为分子量较大,在溶液中分子的分散和移动较为困难,所以配成的粘结剂的流动性较差,不易流平,故对超细粒度产品的生产是不利的。而液体环氧树脂分子量较小,亦即分子较小,分子在溶液中的分散和移动比较容易,所以粘结剂的流动性较好,胶面易于流平,对于生产超细粒度产品更有利。
3 从水砂纸产品柔软性来分析:
固体环氧树脂的环氧值较低,经固化剂固化后,环氧树脂的分子结构中的交链度较低,所以产品就比较柔软,而液体环氧树脂因为环氧值较高,经固化剂固化的环氧树脂的交链度较高,所以产品的柔软性较前者为低。
4 从粘结剂的固化温度和时间来分析:
固体环氧树脂的环氧值较低,与固化剂的反应活性也相对较弱,配制好的粘结剂可以较长时间的保存,粘度不会有较大的变化,特别在夏天的高温季节生产,粘结剂粘度比较稳定,但在生产过程中也必须提高固化温度和延长固化时间,而液体环氧树脂的环氧值较高,与固化剂的反应活性较大,一般要求随配随用,不宜放置较长时间,特别在夏天高温季节,配胶桶与胶槽最好有降温装置,防止粘结剂在使用过程中发生粘度变化。但在生产过程中相对可以降低烘房的温度和缩短固化时间。
5 从固化剂的选择来分析:
目前国内外生产高档水砂纸都选用胺类固化剂,而不宜选用酸酐类固化剂,而且其中以酰胺类为主,因为这类固化剂固化的环氧树脂,它的柔软性好,固化温度较低,正符合于一般涂附磨具生产设备的烘房条件。而且低分子量的酰胺类固化剂对环氧树脂既起固化作用,又起增塑作用,可以一举两得的,对生产高档水砂纸是一种比较理想的固化剂。但是酰胺类固化剂中的品种很多,性能也不一样,因此它的固化反应活性和对环氧树脂的增塑作用也有一定的差异,对于生产高档水砂纸所使用的酰胺类固化剂中,最重要的性能指标是胺值。胺值越高,与环氧树脂的反应活性也越强,固化温度较低,固化时间较短,所固化的环氧树脂,质地也越硬,配制好的粘结剂保存时间较短。反之,胺值越低,与环氧树脂的反应活性也随之下降,固化温度较高,固化时间也较长,固化后的环氧树脂质地较软,配制的粘结剂胶料保存期较长。另外胺类固化剂中,有脂肪胺和芳香胺,有低分子胺和高分子胺等多种胺类,目前常用的低分子脂肪胺。
三 制造工艺的创新:
1 一次完成固化:
由于环氧树脂与酰胺类固化剂反应温度较低,时间较短,所以无论是头胶与复胶只要通过烘房或烘道后,即可完成环氧树脂的完全固化,并从烘房中引出后,可以直接进行分条裁切包装,一次完成全部制造工艺过程。不需要像醇酸树脂粘结剂水砂纸那样,从烘房中引出分条裁切后,装入大型烘干炉中,进行10多小时的二次固化后,才能包装入库。所以高档水砂纸生产工艺不仅大大提高了生产效率,还可以节省祗少三分之一左右的能耗。
2 由于环氧树脂对纸基的渗透较低,所以如果选用非耐水的普通水砂纸原纸,只要经过一般的一次浸渍处理后,即可用于高档水砂纸的生产,一般不会产生渗胶。这比醇酸树脂水砂纸需要一套复什的浸纸工艺要简单得多,生产周期大为缩短。
3 以环氧树脂为粘结剂的高档水砂纸,对所有粒度不需要进行二次复胶,简化了原醇酸树脂水砂纸粗粒度产品进行二次复胶的生产工艺,也提高了生产放率,也降低了生产成本。
四 生产设备的改进:
目前国内大部分的高档水砂纸生产线没备从国外引进,也有外国公司直接在中国投资建厂的,设备多数来之于日本意大利和韩国,这种设备本身技术水平并不很高,它既不是出于专业机械设备制造商,也很少能提供完整的成套机械设计图纸。一般是由一些小公司或个人领头组织一些有经验的技术工人和机械设计人员,进口一部分另部件,拼拼凑凑,在国内组装成了一条引进生产线,就号称世界一流水平了,当然成条生产线的引进也有个例,一般价钱是比较便宜的。对引进的一些工艺技术,也大多是由经验的老师傅手把手的给你口头传授,对于材料的特性。工艺过程的质量监控。产品的质量检测等重要技术资料,完整些成套性很差,这为国内在技术上的消化吸收改进提高带来了很大的困难。在设备上因为没有成套图纸,这为日后设备的备品备件和维修保养带来了不便,这是我国不少厂家引进高档水砂纸设备和技术中的一大弊端。从目前国内生产高档水砂纸设备来说,不论是从国外引进的还是自行设计制造的,甚至还有些不土不洋的设备。从这些林林总总大大小小的设备中,归纳起来大概有如下两种类型的设备:
一种是双烘房式,这种设备是在涂胶植砂后,进入悬挂式予干燥室干燥,再经复胶后进入悬挂式主干燥室干燥。
另一种是单烘房式,这种设备是在涂胶植砂后,进入一条平跑式烘道,进行予干燥,再经复胶后进入悬挂式主干燥室干燥。
对两种形式的生产设备如何评价?又如何选取?要回答这个问题,有两个前提必须弄清楚:
一是 你的设备是否是国外引进的,或借鉴别人现成的技术,在这两种情况下,你只能依样画葫芦,照搬别人的模式维持原生产方式,不要随意变动,因为设备与工艺是互相匹配的。
二是 你的设备是自行计制造的,技术和工艺是自行研究开发的,那么完全可以自由选定何种模式进行生产,在这种情况下,我认为可以选用单烘房式结构,因为这种设备结构简单,操作方便,造价低,耗能少。在工艺上,只要将粘结剂的固化温度和固化时间与烘道和烘房烘干过程匹配好,就可以实施单烘房式生产模式,完全能保证有同样的产品质量。
在生产高档水砂纸设备中,大部分结构部件没有什么特殊要求,只有涂胶(包括复胶)装置比较特殊,这主要是为了满足细粒度和超细粒度产品的要求。具体来说有两点:
一是 涂胶机不同于一般涂附磨具产品涂胶机的结构,具体说,一般为双辊涂胶,而高档水砂纸生产大多采用三辊或四辊式涂胶,才能精确控制涂层平整度和厚度,达到微米级的精度要求,才能满足超细粒度的生产需要。
二是 涂胶辊的表面粗糟度,精度要求特别高,因为胶辊的材质一般为橡胶类物质,目前胶辊制作单位还没有专用的测量器具,来精确测量胶辊表面粗糟度,所以就无法确定其确切的量值。唯一的办法,只能在生产时仔细观察胶面的平整度和砂面的平整度来确定胶辊表面粗糟度是否达到应有的精度要求。
在一般的生产高档水砂纸时,为了确保不粒度对涂层表面平整度精度的不同要求,一般配备数套适用于不同粒度范围的涂胶辊,分别使用在不同粒度产品的生产上,这样才能保护好胶辊原有的表面精度和粗糟度。
五 衍生产品---超涂层产品:
高档水砂纸近十多年来的发展,在粒度己延伸到3000#,这是所有涂附磨具产品中,是绝无仅有的。在产品的形状上除了占主要地位的页状产品以外,还有转换成带状。带孔块状。园盘状等多种形式。在产品的内部结构上,出现了超涂层或称防堵塞产品,即在砂纸成品表面涂于第三涂层。因此高档水砂纸已由普通水砂纸单一功能发展成为多形式和多种结构的主导性产品。
本文将重点对高档水砂纸的超涂层产品作一介绍,其他转换产品不再一一列举了。
超涂层产品有两种类型:一种是用于砂带的重负荷的强力磨削,由于这种砂带基材强度高,选用高档磨料,粘结强好,磨削压力大,耐用度高,为了达到这种高磨削性能的要求,需要选用超涂层结构的砂带,从而达到高效率的磨削效果。另一种是为了防止表面堵塞,而设计的高档水砂纸的超涂层产品。这两种产品,由于使用要求的不同,在设计涂层配方。材料选择和制作工艺上是不一样的,本文只就高档水砂纸的超涂层产品的方方面面,作一简单介绍:
1 超涂层的作用:
一般涂附磨具产品在磨削加工过程中,必然会产生磨具表面磨粒脱落。磨粒磨钝和表面堵塞,这三种情况达到一定程度,磨具的磨削性能将全部丧失而至报废,前两种情况一般属于产品的正常报废行为,而后一种是属于非正常的报废行为,因为磨具表面的磨粒既没有脱,也没有磨钝,而是被磨屑堵塞了磨粒之间的空隙,把表面的磨粒被掩埋了,因而丧失了磨削能力。那么是什么原因会引起磨具表面堵塞呢?其原因有三:
一是 磨具在磨削加工时,产生大量的热,因而使粘结剂因温度升高而变软发粘,把磨屑粘附于磨具表面,形成堵塞。
二是 磨具表面磨粒与磨粒之间隙较小,在磨削加工时磨屑镶嵌在狭小的磨粒间隙中,难易排除而造成堵塞。
三是 被磨削加工工件的材质,本身较软或者粘性较大,也很容易粘结到磨具表面,造成堵塞。常见的如一软性的木材和铝。铜等软金属材料。
根椐上述堵塞原因分析,采取什么样的办法来解决这个问题,?笔者认为有三条途径:
使用在机械磨削的砂带,因磨削速度很高,磨削热也很大,它是选用耐高温而不变形的粘结剂,现下常用的全树脂砂布和强力砂带等高档产品,均选用耐高温高强度的水溶性酚醛树脂粘结刻,因而减少了砂带表面的堵塞。
第二条在涂附磨具行业中,常用疏植砂的办法堵塞问题。即把磨粒与磨粒之间距离拉大,以增加磨粒间的空隙率,使磨屑不易嵌入而散落掉,这也是一种有效地解决堵塞问题的办法。
高档水砂纸是不是可以采用上述两种办法?回答是否定的。这是因为水溶性酚醛树脂质地硬脆,无法用于高柔软性的高档水砂纸。而疏植砂产品只能应用在高速条件下的机械磨削,才不因为磨粒减少而对磨削效率产生影响,而对于主要用于手工研磨抛光作业的水砂纸,因磨粒过少而影响研磨抛光效果,所以疏植砂亦不能应用于水砂纸,因而高档水砂纸只能采用超涂层的办法,来解决磨具表面的堵塞问题,所谓超涂层就是在半成品水砂纸表面,再涂附一层特殊的涂层。这一涂层把砂纸表面磨粒间的空隙填满,这样就有效地防止了在研磨抛光时磨屑的嵌入,从而达到防堵塞的作用。这种办法完全保持了原高档水砂纸高柔软性。高粘结性。高密度砂的原有特性,这是一种两全齐美的解决办法。这一特殊涂层对砂纸表面的粘附性是很小的,仅仅是为了在研磨抛光中起到了阻挡磨屑嵌入的作用,超涂层在使用中不断的被磨损脱落,使砂纸始终保持着十分锋利的表面。
2 超涂层材料的组分:
超涂层的组成有如下三个成分:
(1) 粘结剂: 粘结剂组分可以是原底复胶的胶料,也可以非底复胶的胶料,而它们的固化温度与时间应与底复胶相一致,在超涂层中粘结所占的比例是很低的,对砂层的粘附力也比较小,这样有利于在研磨抛光中易于脱落。
(2)着色剂: 根椐需要可以选用不同的颜色,目前流行的是白色。着色剂一般为矿物性颜料,它与其他组分不能发生任何化学反应。
(3)润滑剂: 这是超涂层胶料中主要组分,在研磨抛光时起润滑作用,以减少在研磨抛光中热量的产生,并增加产品的研磨抛光效果,提高工件的光洁度。润滑剂可以是有机的,也可以是无机的,或者是两者兼而有之,不过它们之间必须具有很好的相溶性,而且不能发生任何化学反应。
3 超涂层的花纹: ;
关于超涂层产品表面的花纹,笔者认为主要是操作经验问题,而且影响因素很多,又互为因果。简单的说与如下一些条件有关:
一是 超涂层胶料的粘稠度,一般要求粘稠度较大,但又要满足辊式涂胶的可操作性,所以胶料的粘稠度根椐现场实际情况进行调整。
二是 选择粘结剂与固体料(着色剂+润滑剂)的合理配制比例。
三是 选择好涂胶辊对砂纸合适的压力。使超涂层既有一定的厚度,能完全覆盖整个砂面,又要有美丽有规则的花纹。
四是 调整好合适的涂胶速度。
由于影响花纹的因素较多,调控这些因素多数是经验性的,所以市场上超涂层产品的表面花纹,各个生产厂也各有千秋,甚至一个厂家的不同批次产品,也略有差异。其实花纹的差别,仅仅是一种产品的外观商品化而己,对产品的内在质量和实际使用,并无多大影响。
六 展望:
耐水砂纸从二十一世纪以来,在行业的统计中,其产量在涂附磨具的三大产品中,在产量上一直是第一把交椅,在产值上当然是高档产品—一是指全树脂砂布及强力砂带是首位了。耐水砂纸的产量中,还包抬有普通水砂纸,但从上世纪九十年后期开始,普通水砂纸产量逐年减少,而高档水砂纸产量则节节上升,而价格从本世纪初以来逐渐下降,这是国内同行业激烈竞争的结果。
高档水砂纸在涂附磨具系列产品中,应属于高技术性产品范畴,今后如何进一步的发展它,提高它,这是涂附磨具行业为之奋斗的一大任务!笔者撰写本文的目的,试图对产品特性。材料选择。工艺过程以及设备结构等方方面面,多视角的多层次的从理论上和实践上,进行了详尽的剖析和评论,对行业同仁们在发展和提高高档水砂纸时,托阔一些思路,提供一点理论依椐,开宽一点眼界。高档水砂纸经过十多来的发展,在生产上技术上和市场经营上,已经积累了丰富的经验,下一步该怎么走,各家各有各的数。但笔者站在行业的角度上,总览全局,喜的是我国高档水砂纸及其衍生产品,在普通水砂纸频于凋凌的时刻,在上世纪九十年代后期接竿而起,在产量上稳居第一,这正是由于它改变了旧有的普通水砂纸许多弱点,以它斩新的面貌和优异的性能,鹤立于我国涂附磨具行业,但它的发展是不是到顶了吗?回答是否定的。
第一 目前涂附磨具而言,高档水砂纸及其衍生产品,在数量还有一定的发展空间,当然与前几年比,要小得多了,但南方市场还比较好。
笫二 在产品质量提高方面,还有相当大的空间,这是我们今后发展重点,现在市场上国外品牌的与国产品牌的产品质量差距仍然是很大的,需要国内企业努力赶上。
第三 在产品品种还有很多方面的发展余地,如采用不同的纸基如普通纸。耐水纸乳。乳胶纸以及选用各种不同单重等级的纸基等等,把产品的层次拉开,自然价格也就拉开了,以满足不同层次的要求。另外高档水砂纸总体是属于柔软类型的,但柔软的程度还可以分成不同的档次,这样可以满足不同柔软度要求用户的需要。