人造板工艺学

人造板工艺学（精选6篇）

人造板工艺学 篇1

0 引言

目前家装问题中, 室内空气污染问题越来越突出。在装修或布置完新房后, 总有很强烈的刺激气味, 其很大一部分来自于建材及家具的人造板中。由于人造板材在生产过程中加入的合成树脂胶粘剂中含有大量挥发性有机化合物 (Volatile Organic Compounds, 简称VOC) , 如游离甲醛、游离苯酚等, 在常温下释放缓慢, 最长释放期可达15年, 大大提高了VOC对人体健康所产生的潜在危害, 解决此问题迫在眉睫。多年来国内外专家针对降低人造板VOC的释放开展了大量的研究工作。本文从原材料的选择、生产工艺的控制、后期处理三个方面对目前的研究现状进行了系统的整理和分析, 并对其应用前景做出展望, 以利于今后相关研究的开展。

1 原材料的选择和控制

目前对于环保型人造板的研究焦点在于赋予材料“自清洁”“自降解”功能, 力图从源头上基本解决有害气体释放问题, 源控制是对人造板VOC释放进行控制的基本途径[1]。目前国内外学者研究认为, 最有效的源控制方法就是使用低尿素甲醛摩尔比 (F/U) 的改性脲醛树脂胶。通过降低摩尔比以降低VOC及甲醛的挥发, 但此法由于摩尔比太低, 会引起板材的抗拉强度下降, 影响板材的性能, 并且改性脲醛树脂胶应用会增加人造板的成本。

与此相比, 光催化氧化技术在处理有毒、难降解有机污染物方面表现更为优异。在1972年Fujishima和Honda发现在光照条件下用单晶体Ti O2和铂作电极能将水电解, 并可降解水中的一些微量有机物 (Fujishima-Honda效应) [2]。以后, 关于Ti O2, 特别是纳米Ti O2和掺杂型纳米Ti O2光催化降解大气和废水中有机物的相关研究得到了快速发展[3,4,5,6]。经过了大量实验, Linsebigler等人认为, Ti O2颗粒表面的羟基数量会直接影响其光催化效果, 由于空穴能和颗粒表面的羟基作用, 生成氢氧自由基 (h++OH—*·OH) , 因此含有较多表面羟基的催化剂通常有较高的光催化活性[7]。黄杰等采用玻璃、玻璃纤维和不锈钢网作为二氧化钛的载体, 分别对甲醛进行光催化降解实验, 结果表明降解效率都很高[8]。如果能将纳米Ti O2引入到人造板的生产中来, 就可以降低其有机污染物的释放, 但是其具体工艺还需要开展进一步的研究工作。

2 生产工艺的控制

通过调整人造板的热压工艺参数也可有效控制板材VOC的释放, 但VOC的释放速度会随着木材树种、胶粘剂类型、施胶量、生产工艺的不同而发生变化[9,10,11,12]。顾丽莉等人研究表明适当降低脲醛树脂在缩聚反应时的p H值对于羟甲基异化为阳离子和亚甲醇有促进作用, 因此可以加快缩聚反应的速度, 减少体系中羟甲基的含量, 从而降低游离甲醛的释放量[13]。刘永丹等人研究结果显示, 浅色树种单板生产的板材甲醛释放量相对于深色树种的生产板材明显增加, 甲醛释放量会随着单板的含水率的增加而增加;而减少施胶量则会减少甲醛的释放[14]。东北林业大学沈隽、孙世静通过对不同含水率和施胶量刨花板VOC释放量进行研究的结果表明:不同含水率和施胶量产生的污染程度综合指数与VOC释放量的趋势近似, 随着板材密度、板材厚度、施胶量以及热压时间的增加, VOC释放总量也相应增大, 同时芳香烃的释放量占总释放量比例达到最高, 污染程度增大;单层结构的刨花板比三层结构的刨花板VOC释放量少, 涂饰后刨花板中VOC的释放总量会随着暴露时间的延长而呈一直下降的趋势[15]。沈隽、张文超等指出影响涂饰刨花板TVOC释放显著性的因素依次是陈放时间、涂饰量和涂料种类。通过对水性清漆、醇酸清漆和硝基清漆涂饰刨花板的VOC进行衰减测试显示, 水性清漆涂饰的刨花板使用环保性能优于醇酸清漆和硝基清漆涂饰的刨花板[16]。

3 后期处理的控制

板子热压后是否进行过旨在降低人造板甲醛散发能力的后期处理是十分重要的[17]。这类处理主要包括化学处理和贴面处理两个方面。化学处理是指将板材置于化学处理室内持续一段时间, 使板内的游离甲醛得到一个再固化。贴面处理是指通过人工贴面堵塞甲醛散发通道进而达到控制板子甲醛散发量的目的。贴面的方法和材料很多, 但以下几条必须遵循:贴面材料本身不应当含有甲醛;贴面用的胶粘剂不应当散发甲醛;贴面材料应具有良好的封闭性能[18]。Alpha B等人研究了几种饰面方式对人造板VOC释放的影响, 提出饰面材料和涂料通过阻碍人造板VOC挥发路径降低其释放, 其中, 表面涂饰环氧粉末涂料的中密度纤维板甲醛及VOC释放的封闭效果最为明显, 分别达到99%和94%;而中密度纤维板经过紫外光固化油漆和丙烯酸面漆处理后对甲醛和VOC的封闭率仅达到89%/85%和11%/27%[19]。在国内, 张一帆教授提出了几种环保型人造板表面装饰产品及工艺技术, 提出了几种针对不同使用范围的人造板表面装饰产品和工艺, 旨在降低人造板VOC的释放[20]。

此外也可以用氨对人造板作后期处理, 但问题在于氨气本身也属于污染源。因此可以通过改进处理室来解决这个问题, 方法是将三个处理室串连, 对人造板作三级处理, 分别称为吸收室、脱气室、固定室。工作原理为先向室内喷入35℃的氨气, 让人造板对其进行吸收;再使用鼓风机吹净室内及附于板面的氨气;最后将残留在板内的游离氨和甲醛生成甲酸铵。树脂水解后的甲醛会和甲酸铵结合, 从而降低了甲醛的释放量, 而决定甲醛释放量降低程度的因素, 则是板的密度和厚度、人造板在吸收室内与氨接触的时间及处理前的人造板的甲醛释放量等[21]。美国学者研究了一种氨气处理装置, 该装置由上下罩子形成整体;液氨气化后从上罩引入, 在下罩内形成负压, 人造板由上下罩之间连续或间断通过, 氨气在负压的状态下进入板材内部, 此项技术的关键在于对氨气量的控制。有资料表明, 由于尿素可与甲醛反应, 在人造板成板后尚未冷却时用一定浓度的尿素溶液进行喷洒处理, 可降低30%~50%的甲醛释放量[22]。另外, 尿素水溶液在热分离时, 特别是在酸性条件下可生成铵离子, 铵离子会与甲醛生成六次甲基四胺。通过用含有铵盐的水溶液对人造板喷洒处理, 甲醛释放量从25 mg/100 g~30 mg/100 g下降到5 mg/100 g~10 mg/100 g, 效果显著。

4 今后的发展方向

目前国内外许多研究者对环保型人造板的开发做了大量的研究, 对其技术广泛应用于人造板生产做出了巨大的贡献。但是, 由于此项技术涉及范围较广, 跨学科较多等因素, 所以仍存在很多需要继续探讨之处:

1) 应深入研究人造板VOC降解的机理, 完善降解过程, 增长有效降解时间, 使其具有可持续性。

2) 应继续探索人造板的生产原料的绿色无害化, 从源头上杜绝污染。

3) 应结合多学科的知识对人造板工艺性以及降解性能做系统的分析对比, 从整体上把握, 最终找到最佳的生产方式, 以大量投入生产, 使之转化为成熟可靠的技术。

摘要：从原材料的选择、生产工艺的控制、后期处理三个方面对目前国内外常用的环保型人造板生产现状进行了系统的整理和分析, 并对其应用前景进行了展望, 旨在为今后我国环保型人造板生产提供优化工艺, 为绿色装饰用人造板科学合理生产及使用提供依据。

关键词：VOC,室内污染,绿色环保,人造板

人造板工艺学 篇2

关建词:人造板生产热固性脲醛树脂胶新工艺

人造板生产所用的热固性脲醛树脂胶在制造过程中, 由于生产周期长, 生产工艺复杂, 能源消耗多, 质量有时不好保证, 生产成本也降不下来。本人和同行通过几年实验, 对人造板用热固性不脱水脲醛树脂胶的生产工艺进行了改进, 从而缩短了生产周期, 减少了能源消耗, 在不降低脲醛树脂胶质量的前提下, 降低了成本。

黑龙江省兴隆林业局地理位置和气候条件:

黑龙江省兴隆林业局地处北纬, 位于黑龙江省中部46°01′30"~46°37′23", 东经127°54′40"~127°51′15", 林区地处哈尔滨市所辖木兰、通河两县内, 局址设在巴彦县兴隆镇。气候属于湿润性季风气候, 年均气候1.2℃左右, 稳定通过10℃的初终日数123天≥10℃的有效积温2200~2300℃, 无霜期约120天 (±12天) 。其中春季占13%, 夏季占65%, 秋季占18%, 冬季占4%。变化趋势是由东向西渐增。光照丰富, 年日照时为2350~2550小时。太阳辐射总量为110千卡/平方厘米, 年光和有效辐射50千卡/平方厘米。

一般人造板用水溶性热固性不脱水脲醛树脂胶在制造过程中生产工艺经过九个阶段:

甲醛、尿素投料→升温调反应液p H值→达预定温度→闭汽自然升温→保温→调反应液的p H值→成胶调p H值→降温→放胶。

此工艺繁琐生产效率低, 生产周期长 (一般在8h左右) 费时, 费煤, 费电, 费汽。针对这些问题, 对原生产工艺进行了改进。

l工艺娄型的琏择

1. l缩聚次数的选择

从现有的一次缩聚、二次缩聚和多次缩聚中选择了二次缩聚。二次缩聚可以降低胶中的游离甲醛的含量。

1.2 缩聚温度的选择

低温 (45℃以下) 缩聚周期长, 效率低, 生产周期长, 树脂有分层现象;高温缩聚 (90℃) 树脂贮存周期长, 稳定性好, 且生产效率高, 周期短。所以决定选择高温缩聚。

1.3 反应阶段p H值的选择

生产不脱水热固性脲醛树脂胶反应液有三种形式: (1) 弱碱→酸→弱碱或中性; (2) 反应液由弱酸成胶→调p H值中性或弱碱性; (3) 反应液由强酸→弱酸成腔→调p H值到时中性或弱碱性。在三种方法中选择了第一种。这样, 确定了工艺的主体为二次缩聚, 高温成胶, 不脱水。

2 改进的生产工艺

2.1 简化保温过程

热固性脲醛树脂胶的生产过程为一定摩尔比的甲醛和尿素 (2:1) 在碱性条件下缩合反应成一定比例的一羟甲脲, 二羟甲脲, 三羟甲脲, 四羟甲脲等。在酸性条件下羟 (主要是二羟甲脲) 缩聚脱水形成线型结构的初期脲醛树脂。整个过程必须有一定温度。可以说是否成胶主要是有一定量的二羟甲脲。而二羟甲脲的生成主要是在碱性条件下, 一定摩尔比的甲醛和尿素, 靠升温, 反应放热自然升温, 保温这三个阶段来生成一定的二羟甲脲。经过几年来的实验发

现从升温到闭汽靠反应放热自然升温这两阶段时间 (30~50min) 所生成的二羟甲脲的含量, 就足够以后酸性缩聚成胶所需的二羟甲脲的含量, 完全可以简化掉保温过程这段时问 (50~70min) , 通过简化保温过程生产出的不脱水热固性脲醛树脂胶.树脂含量、固化速度、活性期均达到要求, 胶合板胶合强度达到标准要求。所以决定在工艺过程中简化掉保温过程, 压缩生产时间, 提高生产效率, 最大限度地降低成品胶的成本。

2.2 控制成品胶的反应时间

不脱水胶黏度小, 分子量过低, 流动性过大, 易渗透, 当胶压时易透胶;黏度大, 流动性能不好, 费胶。综合以上问题, 决定成品胶反应时间控制在40~60min, 黏度在17~25s, 树脂含量在48%~50%。经过实践证明, 该工艺生产不脱水热固性脲醛树脂胶是可行的, 并且黏度控制在17~25s, 便于以后填料的填加。

2.3 调整放料温度

对于放料温度的控制, 传统工艺介绍40℃以下才放料, 降温时间长, 反应液由80℃以上降到40℃以下需大量的冷却水, 既费电又费水, 增加生产周期。经过反复实验和实践证明, 把反应液的p H控制在中性或微碱性时已生产出稳定的树脂, 放料可在70℃以下进行.让胶在桶或容器中自然降温对胶的各项指标和以后使用均不产生影响。所以放料温度选择70℃以下, 提高了效率, 缩短了降温时问。

3 结论

3. l改进的新生产工艺

最后确定热固性不脱水脲醛树脂胶工艺过程为:投料 (甲醛、脲素) →升温调反应液的p H值为弱碱→达预定温度闭汽→自然升温→调反应液p H值至酸性, 当温度达到一定时→成胶, 调p H值至中性或弱碱性→降温70℃以下放料。

3.2 经济效益分析

树脂胶的各项指标如下:

p H值=7.0~7.4, 固化时间在40~64S, 外观为乳白略黄, 树脂含量在48%~50%, 游离甲醛含量≦0.3%~05%, 活性期在3h以上, 摩尔比 (甲醛:尿素=1.25:1) 。该树脂腔在使用时, 由于受季节、室温的影响, 胶液的固化时间 (定量的固化剂) 也随之变化。如果靠增加或减少投放固化剂的量来控制反应固化时间长短, 固化剂增加或减少至一定量就不起作用。所以在工艺不变的情况下, 应采用改变甲醛与尿素的摩尔比来实现。摩尔比增大, 树脂固化时间短;反之, 固化时间长。所以在保证树脂含量的情况下, 春、夏季节采用甲醛与尿素摩尔比小一点的配方, 秋、冬季节采用甲醛与尿素摩尔比大一点的配方, 这样便可解决冬季室温过低, 固化时间过长的问题, 从而保证胶合板生产的需要。采用该工艺, 生产周期和煤电汽消耗只是原工艺的一半, 从经济效益上看, 既能省原料, 降低原材料消耗, 又提高了生产效率, 达到了降低成本, 缩短生产周期的目的。

摘要：本文通过几年实验, 对人造板用热固性不脱水脲醛树脂胶的生产工艺进行了改进, 从而缩短了生产周期, 减少了能源消耗, 在不降低脲醛树脂胶质量的前提下, 降低了成本。

人造板工艺学 篇3

我国合成革产业始于20世纪70年代末, 经过近30年的发展, 已经一跃成为世界合成革生产大国, 共有相关企业2000多家, 生产线1300多条;年生产能力达56 亿平方米, 产能和产量分别占世界的67%和51%;形成了温州“中国合成革之都”、丽水“中国合成革循环经济先进示范基地”以及广东高明、福建福鼎、河北雄县、江苏太仓等众多具有区域特色的合成革产业集群。

然而, 在我国合成革产业迅猛发展的大好势头背后, 却长期面临着人才培养体系和机制不健全、对口优秀人才严重匮乏的窘境。目前, 尽管包括四川大学、陕西科技大学、温州大学、山东轻工业学院、齐齐哈尔轻工大学在内的10余所高校等开设了制革及制鞋专业, 但迄今为止, 国内还没有一所高校设置有合成革专业为行业培养专才, 也没有相关人才培养所必需的专业教材问世, 这不仅直接造成了我国合成革行业从业人员整体素质不高的现状, 也间接削弱了企业的创新能力以及该行业未来可持续发展的潜力。针对相关教材缺失这一缺憾, 四川大学范浩军教授等结合所在团队在合成革领域多年科研工作经验, 在参阅大量国内外相关文献资料的基础之上, 历时三年编撰成《人造革/合成革材料及工艺学》一书, 填补了该项空白。

该书可分为两大部分, 第1-3章系统介绍了聚氨酯/聚氯乙烯的生产原料、合成化学及其结构和性能的关系等基础知识;4-10章具体介绍了聚氯乙烯人造革制造工艺、聚氨酯合成革干法、湿法制造工艺、合成革/人造革的表面修饰和后加工工艺、合成革/人造革的理化性能分析和检测、合成革/人造革制造过程中的三废处理、合成革/人造革清洁生产技术及发展趋势等相关内容。

人造板工艺学 篇4

由四川大学、温州大学等单位编著的全国高等学校专业教材《人造革/合成革材料及工艺学》已由中国轻工业出版社出版 (ISBN 978-7-5019-9) , 全书300余页, 44万字。

该书可分为两大部分, 第1-3章系统介绍了聚氨酯/聚氯乙烯的生产原料、合成化学及其结构和性能的关系等基础知识;4-10章具体介绍了聚氯乙烯人造革制造工艺、聚氨酯合成革干法、湿法制造工艺、合成革/人造革的表面修饰和后加工工艺、合成革/人造革的理化性能分析和检测、合成革/人造革制造过程中的三废处理、合成革/人造革清洁生产技术及发展趋势等相关内容。

该书理论与实践并重, 内容覆盖全面, 图文并茂, 深入浅出, 既可作为轻化工程专业制革方向专科、本科及研究生用专业教材, 也可供合成革领域相关技术人员及生产人员自学参考, 还可作为相关材料专业技术人员参考用书。如有需要, 请与中国轻工业出版社李建华老师联系 (ljh0560@163.com, 邮购电话:010-65241695) 。

人造板工艺学 篇5

关键词：人造金刚石,合成工艺,成核,生长

1 前言

金刚石,作为一种结构性功能材料,由于其具有其它材料不可比拟的优异特性而在工业应用领域具有不可替代的作用。自1954年美国G.E公司Bundy等人利用金属粉末与石墨粉作为反应物成功合成出世界上第一颗人造金刚石以来[1],由于金刚石具有优异的性能,许多科技工作者一直把它作为重要的研究对象,而人造金刚石单晶合成工艺在整个金刚石合成体系中具有举足轻重的作用而成为金刚石行业众多科技工作者研究的对象[2]。我国1963年成功合成出人造金刚石以来,经过60来年的发展,人造金

刚石行业取得了举世瞩目的成就,根据行业统计资料表明,我国人造金刚石的年产量在100亿克拉左右,为世界第一人造金刚石生产大国,据我国海关统计,我国人造金刚石的出口量逐年递增,但是大颗粒、高品级的金刚石仍需大量进口,从售价来看,我国出口金刚石平均单价为每克拉0.083美元,而同期进口金刚石单价为每克拉0.331美元,差距巨大,而且这种趋势还会继续延续,因此从技术和经济效益两方面来说,我国还远不是金刚石强国。近些年来,我国金刚石行业经过一系列技术更新,例如由片状触媒转变成粉末触媒[3],加热方式由直接加热转变为间接加热等[4],我国人造金刚石品级较以前相比有了大幅度的提高。但我们在感到自豪之余,还应清醒地看到与国际先进技术的差距还很大,粗粒度高品级金刚石的转化率仍然很低,因此有必要深入研究粉末触媒高品级金刚石的合成工艺技术,以促进我国向金刚石强国的转变。

金刚石合成工艺在整个金刚石合成系统中有着重要的作用,其工艺参数选择是否合理对于金刚石的质量和品级有着非常大的影响。到目前为止,行业内广泛采用多阶段升压的合成工艺来合成金刚石,但是在一些关键的工艺参数的选取上仍然有较大的误区,导致合成的金刚石品级低。本文实验研究了送温压力、一次暂停压力、合成压力、一次暂压时间、合成时间等合成工艺参数的选取对金刚石合成的影响,主要阐述了各个工艺参数对金刚石合成效果的影响,希望能在高品级金刚石合成方面给人有所启发。

2 实验

本实验所使用的合成压机为华晶公司自行研制的HJ-700型六面顶液压机,压力控制精确度为0.1 MPa,加热功率控制精确度为0.01 kW。将以一定比例均匀混合的高纯石墨粉和金属触媒粉压制成实验所需的棒料,实验采用的组装方式为间接加热组装方式,采用多阶段升压合成工艺进行合成实验。(如图1所示),其主要工艺参数有:送温压力P1、一次暂停压力P2、合成压力P、一次暂压时间Δt1、生长时间Δt2等。为了保证实验结果的准确性,所有实验均在同一合成腔体、同一台合成压机的条件下进行,在其它工艺参数不变的情况下,分别改变送温压力P1、一次暂停压力P2、合成压力P、一次暂压时间Δt1、生长时间Δt2等合成工艺参数,考察这些工艺参数对合成结果的影响。

3 实验结果与分析

众所周知,压力、温度是金刚石合成工艺中两个最主要的参数,其它各种工艺条件,例如组装结构的不同、叶蜡石传压性质的不同也在不同程度上归结到压力和温度这两个最基本的工艺因素上来,因此压力、温度是影响金刚石结晶特性的两个最根本的工艺因素,因此研究各个工艺参数对于金刚石结晶特性的影响显得至关重要[5]。

3.1 送温压力P1

送温压力P1是人造金刚石合成工艺中重要的一环,对金刚石的成核和生长有着重要的影响。作为合成的起始点,送温压力的选择至关重要。本实验将送温压力分别设定为P1和P1′,对应的时间分别延迟5s,实验结果表明,提高送温压力,金刚石混合单产大约提高10 ct左右,但是金刚石外部缺陷增多,杂质包裹体增多,颜色透度也变差,粒度峰值往细粒度方向偏移。

送温压力高,则金刚石成核多,粒度细,反之则相反,我们可以通过结合金刚石合成升压路径图来分析其中的原因(如图2所示)。众所周知,工业金刚石是在靠近Ⅰ区(优晶区)的Ⅱ区(富晶区)附近生长的,从图上我们可以看出金刚石的产量、品级不仅与生长点D所处的区域有关,还与金刚石成核阶段升压路径有关(CD段)。若送温压力高,在保持其它工艺参数不变的情况下,则等效于C点左移,造成金刚石偏离或不在Ⅰ区(优晶区)成核,导致金刚石成核多,品级降低。

3.2 一次暂停压力P2

一次暂停压力P2也是粉末合成工艺的重要参数之一,对金刚石的成核也有着重要的影响。为了研究一次暂停压力对金刚石合成结果的影响,我们将一次暂停压力分别设定为P2和P2′,P2′- P2= 0.5 MPa,实验结果表明,提高一次暂压,金刚石混合单产提高约6 ct左右,但是金刚石品级降低,金刚石碎料增多,粒度有往细粒度方向偏移的趋势。我们也可以从金刚石升压路径图(图2)对此实验结果进行分析,在其它工艺参数不变的情况下,提高一次暂停压力,相当于BC段整体向上平移,造成金刚石偏离Ⅰ区(优晶区)成核,导致金刚石成核多,品级降低。

3.3 合成压力P

当压力升到P3后(D点),金刚石开始进入生长阶段。为了研究合成压力对金刚石合成结果的影响,在保持其它工艺参数不变的情况下,合成压力降低0.5 MPa,实验结果表明,混合单产降低约11 ct,粒度峰值有往粗粒度方向偏移的趋势,且包裹体减少,金刚石透度提高。根据金刚石薄膜生长理论可知,金刚石生长速度V ∝ δP/T,合成压力P高,则意味着在温度T不变的情况下,过剩压δP增大,金刚石生长速度加快,容易造成石墨、金属触媒等杂质排逸的不及时,合成的金刚石包裹体多,品级低,因此合成压力P的高低对于金刚石品级的高低也有着重要的影响,同时金刚石成核也与过剩压δP有着密切的关系,合成压力P高,E活较小,形成晶核所需越过的能峰较低,故金刚石晶核形成率W较大,成核速度快,成核多,因此合成压力高,金刚石成核多,生长快,金刚石多而细。

3.4 一次暂压时间Δt1

一次暂压时间也称预热时间,是粉末合成工艺中一项非常重要的参数,其时间的长短对于控制金刚石的成核起着至关重要的作用。我们分别将一次暂压时间设定为Δt1和Δt1′,Δt1′ - Δt1= 20 s,实验结果表明,随着一次暂压时间的延长,混合单产降低约15 ct左右,粒度峰值由45/50转移到40/45上来,粒度变粗,晶型较为完整。我们可以结合图2来分析其中的原因:一次暂压时间延长,等效于C点向右平移,使得过剩压δP减小,成核减少,从热力学角度来分析,随着一次暂压时间的延长,再结晶石墨含量增多,故会使得金刚石成核和生长的有效碳源减少,金刚石成核数减少,但是随着一次暂压时间的延长,有利于金属触媒与石墨充分互熔扩散,有利于提高金刚石晶型的完整率。

3.5 生长时间Δt2

生长时间Δt2对合成结果的影响主要体现在对金刚石粒度峰值以及金刚石品级的影响。我们分别将生长时间设定为Δt2和Δt2′,Δt2′ - Δt2 = 4 min,其它工艺参数不变,实验结果表明,与原工艺合成结果相比,40/45粒度比例提高12.74%,45/50粒度比例降低6.08%,Ⅰ、Ⅱ型料比例上升2.8%,优晶比例上升14%,混合单产提高约8 ct左右。由于长工艺实验只是改变生长时间,并没有改变成核阶段的工艺参数,所以我们可以基本认为这两个实验金刚石成核情况基本是相同的。随着生长时间的延长,合成腔内部的温度升高,这会使一部分粒径较小或者生长较慢的金刚石石墨化,从而变相为粗粒度或生长较快的金刚石提供碳源,使得这部分金刚石在原粒度的基础上进行二次生长[6],使得粗粒度比例上升,同时由于石墨化的存在,使得Ⅰ、Ⅱ型料有一定比例的上升。与此同时,随着合成腔体内部温度的升高,金刚石生长速度变慢,金刚石生长过程中的排渣也得以充分进行,晶体得到了进一步的净化,包裹体含量大幅减少,从而使得优质金刚石比例上升。

3.6 合成工调料技能

由于每块叶蜡石合成块在合成过程中所需要的合成压力、加热功率均有所差别,因此在实际合成过程中需要对合成压力、加热功率进行微调,以维持合成腔内部压力场、温度场的恒定,为金刚石的生长提供一个良好的压力场和温度场,因此,一线合成工的合成经验对于合成效果有着非常明显的影响,我们特进行了一次对比实验,通过对比实验发现,合成经验丰富的合成工比合成经验不足的合成工合成单产最大可相差40 ct左右,其粒度峰值也不同。

从实验结果我们可以发现,合成工对于合成工艺的娴熟程度,对维持合成块腔体内温度场、压力场恒定至关重要,直接影响着金刚石的单产及粒度峰值。

4 结论

本文通过实验,分析研究了各个工艺参数对金刚石成核和生长的影响,得到了如下结论:(1) 提高送温压力,金刚石单产提高,但金刚石缺陷增多,包裹体含量增大,粒度峰值偏细;(2) 提高一次暂停压力,金刚石单产提高,但金刚石碎料增多,粒度峰值偏细;(3) 降低合成压力,金刚石单产降低,但包裹体减少,粒度峰值偏粗;(4) 延长一次暂压时间,粒度变粗,晶型变完整;(5) 延长生长时间,单产略有提高,粒度变粗,优晶比例提高,Ⅰ、Ⅱ型料比例也略有上升。由于合成工艺是一个相互影响的整体,调整合成工艺参数时需要做整体考虑,不能仅仅靠调整其中的一项就想达到预期效果,需要调整多个工艺参数才能达到预期的合成效果,才能合成出优质金刚石。

参考文献

[1]F.P Bundy,H.T Hall,H.M Strong,R.H Wentrof.Man-madeDiamond[J].Nature,1955,176:51.

[2]武艳强,林玉,李效政,等.实用人造金刚石合成工艺曲线分析[J].金刚石与磨料磨具工程,2012,32(6):62-65.

[3]赵小青.粉末触媒合成金刚石分析报告[J].超硬材料工程,2005,17(4):24.

[4]郭新凯,胡强,马红安,等.间接加热合成工业金刚石工艺的研究[J].超硬材料工程,2010,22(1):9.

[5]王秦生.超硬材料及制品[M].郑州:郑州大学出版社,2006.

人造板工艺学 篇6

化学镀Ni-P合金层具有良好的耐蚀性和耐磨性,是目前人造金刚石上应用最广泛的功能性镀层。随着科技的迅猛发展,普通的Ni-P合金镀层已经不能满足人造金刚石工业性能的各项需要,故以三元化学镀工艺来提高其质量水平[1]。与Ni -P镀层相比,Ni -W -P镀层具有结合力良好、硬度高、耐蚀、耐磨等优点[2~8];但化学镀Ni-W-P影响因素较多,目前在人造金刚石表面的镀覆应用并不理想[9,10]。

本工作采用二次化学镀法制备W/Ni -P包覆人造金刚石的新型复合粉体,即先在人造金刚石粉表面化学镀W,然后在其上再镀Ni-P,最终成功制备出人造金刚石W/Ni -P复合粉体。通过正交试验及单因素试验相结合优选了化学镀工艺参数,并分析镀覆后的人造金刚石的表面镀层组织结构及粒度分布。与传统的镀覆方法相比,W与C的结合力更好,先镀覆的W在后续的工艺处理中可以与人造金刚石中的主元素C形成碳化钨镀层,包覆更致密; 且在W镀层的基础上镀覆Ni -P,可以填补镀覆W层所留下的空隙,包覆更完全。

1 试 验

1. 1 人造金刚石前处理

将粒度为50 /70的人造金刚石倒入10% Na OH溶液中煮沸除油20 min,滤出倒入10% 稀盐酸溶液煮沸粗化20 min; 依次用5% Sn Cl2·2H2O和5% HCl混合溶液、1% Pd Cl2和1% HCl混合溶液在常温下敏化活化10 min,最后用蒸馏水清洗。

1. 2 工艺优选

化学镀W基本工艺: 45 ~ 53 g /L钨酸钠,24 ~ 36g / L次亚磷酸钠,20 ~ 27 g / L柠檬酸三钠,0 ~ 0. 003 0g / L硫脲; 镀液p H值为7. 5 ~ 9. 0,温度75 ~ 90℃。设计1个4因素4水平正交试验,研究钨酸钠浓度、柠檬酸三钠浓度、p H值及温度对镀W层质量的影响,此时次亚磷酸钠30 g /L,硫脲0. 001 5 g /L。

基于上述化学镀W优选工艺,在人造金刚石镀W的复合粉体表面再包覆一层Ni -P镀层。化学镀Ni -P工艺: 30 ~ 38 g /L硫酸镍,24 ~ 36 g /L次亚磷酸钠,22 ~ 30 g / L柠檬酸三钠,0 ~ 0. 003 0 g / L硫脲,p H值为3. 5 ~ 5. 0,温度65 ~ 80℃。设计1个4因素4水平的正交表,研究硫酸镍浓度、柠檬酸三钠浓度、p H值及温度对复合镀层质量的影响,此时次亚磷酸钠30 g /L,硫脲0. 001 5 g /L。

通过正交试验分别优化化学镀W和化学镀Ni -P工艺主要配方后,再以复合镀层质量为评价标准,采用单因素试验同时优化2步工艺中还原剂次亚磷酸钠和稳定剂硫脲的浓度。

用恒温磁力搅拌器进行搅拌的过程中,缓慢加入镀W人造金刚石粉末,施镀时间均为1 h。以镀覆时镀液的稳定性和镀覆后镀层与人造金刚石基体的结合力为评定指标,评价标准见表1。

1. 3 镀层质量测试表征

用S -3400N型扫描电镜( SEM) 及GENESIS型能谱仪对制备出的粉体的镀层形貌和成分进行分析。

利用GSL-101BL激光粒度分析仪测量镀覆前后人造金刚石粉末的粒度分布。

2 结果与讨论

2. 1 化学镀工艺优选

2. 1. 1 化学镀 W

人造金刚石表面化学镀W正交试验结果见表2。

由表2可以看到: 各因素影响的顺序为p H值 > 温度 > ρ( 柠檬酸三钠) > ρ( 钨酸钠) ; 化学镀W的最佳工艺参数为50 g /L钨酸钠,25 g /L柠檬酸三钠,p H值为8. 5,温度为90℃。

2. 1. 2 化学镀 Ni -P

( 1) 正交优选在人造金刚石表面采用上述最优工艺化学镀W后,再化学镀Ni -P,正交试验结果见表3。由表3可以看到: 各因素影响的顺序为ρ( 柠檬酸三钠) > ρ( 硫酸镍) > p H值 > 温度; 化学镀Ni -P的最佳工艺参数为35 g /L硫酸镍,25 g /L柠檬酸三钠,p H值为4. 5,温度为80℃。

( 2) 单因素优选次亚磷酸钠和硫脲的浓度对镀层质量的影响见图1。从图1a可以看出: 镀层质量随着镀液中次亚磷酸钠浓度的提高而提高,但当次亚磷酸钠浓度达到32 g /L后继续增大时,镀层的质量降低,镀液的稳定性变差。由此得出,次亚磷酸钠浓度达到32 g / L,镀层致密且完整。从图1b可以得出: 硫脲浓度的变化对镀层质量的影响趋势类似于次亚磷酸钠浓度变化的影响曲线; 当硫脲浓度达到0. 002 0 g /L时,镀层质量最佳。

2. 2 镀层组织结构及粉末粒度分布

2. 2. 1 形貌及成分

镀层不均匀、疏松,与基体的结合性差会造成金刚石脱落,严重影响金刚石工具的使用。对人造金刚石镀覆的各阶段进行镀层SEM形貌观察见图2。可以看出: W镀层包覆面积较大,并有部分团聚; 镀覆Ni -P后,金刚石表面镀层均匀、适中,包覆致密,整体包覆效果较好。

人造金刚石化学镀W/Ni -P层的能谱见图3。可以看出: 镀层只存在C,Ni,W,P 4种元素。

最佳镀覆方案下人造金刚石W/Ni -P包覆层的截面SEM形貌见图4。可以看出: 人造金刚石颗粒表面的W/Ni-P包覆层均匀致密,紧紧贴合在基体表面。在施镀过程中,采用适宜的转速,人造金刚石颗粒最终会被完全包覆。

2. 2. 2 粒度分布

人造金刚石粉末镀覆前后的粒度分布见图5。由图5可知: 原人造金刚石粉的粒度主要集中在0. 5 ~20. 0μm,镀后的粒度主要在2. 0 ~ 20. 0μm,粒度更加均匀。

3 结 论

( 1) 人造金刚石表面W/Ni -P化学镀的最佳工艺为先镀W( 50 g /L钨酸钠,32 g /L次亚磷酸钠,25 g /L柠檬酸三钠,0. 002 0 g /L硫脲,p H值为8. 5,温度90℃ ,时间1 h) ,再镀Ni -P( 35 g / L硫酸镍,32 g / L次亚磷酸钠,25 g /L柠檬酸三钠,0. 002 0 g /L硫脲,p H值为4. 5,温度80℃,时间1 h) 。

( 2) 人造金刚石表面W/Ni -P复合镀层均匀、致密,结合良好; 镀覆后的金刚石粉体粒度更加均匀; 此方法操作简单,具有广阔的市场前景并且有望代替Ni P二元化学镀工艺。

摘要：为改进人造金刚石的表面性能,先在其上化学镀W,再化学镀Ni-P,制备了W/Ni-P包覆人造金刚石粉末。以镀液稳定性和镀层与基体结合力为评价标准,用正交试验和单因素试验优选工艺,并用扫描电镜(SEM)、能谱仪和粒度分析仪考察了优化W/Ni-P复合镀层的组织结构和镀后粉末的粒度分布。结果表明:最优化学镀W工艺为50 g/L钨酸钠,32 g/L次亚磷酸钠,25 g/L柠檬酸三钠,0.002 0 g/L硫脲,p H值为8.5,温度为90℃,时间为1 h;最优化学镀Ni-P工艺为35 g/L硫酸镍,32 g/L次亚磷酸钠,25 g/L柠檬酸三钠,0.002 0 g/L硫脲,p H值为4.5,温度为80℃,时间为1 h;优化W/Ni-P层均匀细致,与金刚石结合良好,镀覆后的金刚石粉末粒度更均匀。

关键词：人造金刚石粉末,W/Ni-P复合粉体,化学镀,工艺优选,镀层质量

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