专利名称：芳纶芯线游离刃料切割线及其制备方法
技术领域：
本发明属于切割材料技术领域，具体涉及一种以芳纶丝为芯线、表面涂敷树脂粘结剂涂层的游离刃料切割线及其制备方法，该类切割线用于单晶硅、多晶硅、玉石、蓝宝石、玻璃、石英等高硬、高脆性、高耐磨性材料的切割加工，具有高效率、高寿命、高光洁度的特点。
背景技术：
硬脆材料包括宝石、玻璃、石材、硅晶体、石英晶体、陶瓷、硬质合金等。硬脆材料大多为半导体或非导电体，具有高硬度、高脆性、高耐磨性、高电阻率等性能。硬脆材料因具有许多金属材料难以比拟的优良特性，而被广泛应用于声、光、电磁、机械和化工等行业。随着其被广泛应用，对硬脆材料的加工也提出更高的要求。硬脆材料加工的关键工序是切割加工，该工序要求高效率、低成本、高材料利用率、无损伤、污染少等。目前，硬脆材料的切割方法主要有金刚石锯片切割、激光切割、钢丝加高硬刃磨料(如碳化硅)切割和近年渐成主流的多线锯切割。金刚石锯片由于切缝宽，成材率低不能切割曲线，不适于贵重材料的切割。激光切割由于切割深度有限而受到限制。钢丝多线锯切割在硅材料和蓝宝石切割中占主要地位。钢丝多线锯切割主要是通过拉动钢丝，镀铜钢丝带动喷附于其表面的乙二醇碳化硅沙浆对高硬脆材料进行磨切。由于镀铜钢丝表面光滑，所以对沙浆黏度和碳化硅浓度要求较高，使用后废弃物污染严重。另外镀铜钢丝耐磨性差，切割时磨损较严重，对磨料的带料能力相对较差，切割加工时游离刃料容易与钢丝发生滑移，使得切割加工效率偏低。采用钢切割丝，钢丝的使用会受到限制， 过粗切割时浪费被加工物料，过细则不仅细钢丝本身的强度达不到使用要求，且加工工艺难度加大和成本也随之提高。
发明内容
本发明目的在于提供一种芳纶芯线游离刃料切割线及其制备方法，该切割线用于硬脆材料切割加工加工效率高、被加工材料的利用率高。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种芳纶芯线游离刃料切割线，其包括芳纶芯线(也就是以芳纶丝线作为芯线)和涂敷于所述芯线的树脂粘结剂涂层。所述芯线为经过表面处理的高强度芳纶III芯线，芳纶III属于杂环芳纶。所述芳纶芯线由芳纶纤维紧密平行排列或经加捻处理制成，加捻度为30 - 1000 圈/米，加捻方式为S型或Z型。所述树脂粘结剂涂层选用的树脂粘结剂具有150°C以上的软化温度，如酚醛树脂、 聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂等。该涂层含有固定到涂层、且直径小于涂层厚度的填料，所述填料可以为微粉或者微粉与短切丝组成的混合物，填料含量小于涂层体积的65%。用作填料的微粉可以选用碳化硅微粉、三氧化二铝微粉、炭黑微粉、铜粉、金刚石微粉和立方氮化硼微粉中的一种或两种以上，微粉粒径小于40微米。用作填料的短切丝可以是有机短切丝、陶瓷纤维短切丝和金属纤维短切丝中的一种或两种及以上，短切丝直径0.03—10微米，长度0. 1微米一1厘米，短切丝含量小于涂层体积的25%。其中有机短切丝中以芳纶短切丝为佳。铜粉可以起到快速导热的作用，碳化硅和三氧化二铝微粉可以提高涂层的耐磨性能，炭黑和立方氮化硼微粉可以提高涂层的强度，添加后短切丝形状不规则， 可对填料起把持作用，使其结合的更牢固。一种芳纶芯线游离刃料切割线的制备方法，其由如下步骤制得将表面净化过的填料经偶联处理后与树脂粘结剂混合，再加入溶剂(常用的溶剂有酒精、丙酮或二甲基乙酰胺等)和固化剂，混合均勻得浆料；最后把浆料涂敷于芳纶芯线表面，经限径、固化后即得。浆料(也即涂层复合剂)涂敷于芳纶芯线表面，经限径、固化后即在芯线表面形成一涂层(即树脂粘结剂涂层)。其中，在加热固化过程中，溶剂会挥发掉，其它组分未发生损失。可以采用常规的喷涂或浸涂方法把浆料涂敷于芳纶芯线表面，通过限径模具限径，然后经加热固化或紫外线照射固化，即生产出切割线。该切割线用芳纶作芯线，芯线表面涂敷有树脂粘结剂涂层。作为芯线的芳纶丝在被浆料涂敷前，可以先经过表面净化处理以增加与树脂粘结剂涂层的结合强度。所述芳纶丝表面净化处理方法有预除油或真空脱脂处理等。预除油处理选用挥发性较好的有机物溶剂，如乙醇、汽油或丙酮等。较好的，可以将表面净化处理后的芳纶芯线再用硅烷偶联剂、钛酸脂偶联剂或锆类偶联剂处理，以增强与树脂粘结剂涂层的结合强度。所使用的填料最好先经过表面净化处理以除去油脂和杂质，再经过硅烷偶联剂、 钛酸脂偶联剂或锆类偶联剂处理，以增强与树脂粘结剂涂层的结合强度。微粉填料的表面净化处理方式一般采用先碱洗再水洗后酸洗，用以去除杂质，提高微粉表面的活性。常用的碱液使用10 - 25%氢氧化钠溶液或5 — 10%碳酸钠溶液等；常用的酸液有盐酸、硫酸等。短切丝可以利用挥发性较好的有机溶剂进行预除油表面净化处理，如乙醇、汽油或丙酮等。本发明特点(1)用芳纶III来替代钢丝作为芯线，芳纶丝线强度高，耐切割其强度是钢丝的的10 15倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2 3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560°C的温度条件下，不分解，不融化。它具有良好的耐磨性和抗疲劳性。(2)芳纶丝线的直径最细可以作到0. 01微米，其密度仅为钢线的五分之一到六分之一，而钢丝由于加工工艺和成本问题，更细的钢线很难实现或无实用性。(3)现有技术需在钢丝表面镀铜或镍，而本发明切割线无需镀铜或镍，通过在芳纶表面涂敷含有填料的树脂粘结剂涂层即可替代钢丝实现切割，因此可以节约大量的贵重金属。(4)本切割线在芳纶芯线表面涂敷树脂粘结剂涂层，涂层中掺杂有填料和短切丝，表面相对粗糙，其对磨料的带料能力高，切割时不易发生滑移，相对镀铜钢丝有更高的切割效率。和现有技术相比，本发明的有益效果
本发明切割线以高强度的芳纶丝线为芯线(芳纶细且环保)，通过在芳纶芯线表面涂敷混有填料的树脂粘结剂涂层制成。相比于镀铜钢丝线，其涂层表面耐磨性好；可以以比较经济的方法做到更细，提高材料利用率；经过加捻的多股涂层线，因表面粗糙而带砂能力强， 将其用于硬脆材料切割加工可以显著提高切割效率，提高切割线的使用寿命，降低生产成本。总之，本发明切割线在抗拉强度、耐磨性、柔韧性、抗疲劳强度和切割效率方面均好于同规格的镀铜钢丝切割线。
图1本发明实施例1线锯的结构剖视示意图，其中1为填料，2为树脂，3为涂层，4 为芳纶单丝，5为芳纶芯线；
图2是芳纶纤维单丝6平行排列的示意图； 图3是芳纶纤维单丝6加捻排布的示意图。
具体实施例方式以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不限于此。实施例1
一种芳纶芯线游离刃料切割线，其制备方法如下
①芯线净化处理将直径约8微米的高强度芳纶III纤维捻合成直径约0. 1毫米的芳纶
丝
线，用无水乙醇进行表面除油处理，将处理后的芳纶丝线烘干，再用质量浓度3%的 KH-550偶联剂乙醇溶液表面处理2min，用无水乙醇洗净，干燥，备用。②制备涂层复合剂将填料在丙酮中用超声波处理20min (频率18千赫兹)后干燥，用质量浓度3%的KH-550偶联剂乙醇溶液表面处理120分钟后滤出，用无水乙醇洗净后 50°C烘干，然后将填料加入占浆料体积36%的酚醛树脂中混合45 60分钟，再加入占浆料体积33. 5%的丙酮溶剂和占浆料体积3. 5%的NL酚醛树脂固化剂，混合60分钟得浆料，待用。该浆料中含有体积含量3%粒径0. 5微米的金刚石微粉、体积含量10%直径5微米的碳化硅微粉，体积含量4%直径0. 5微米的三氧化二铝微粉和体积含量10%直径2微米的铜粉。③用带张力电机的牵引机构牵引芳纶丝通过喷头，喷头把浆料喷涂于芳纶I芯线表面，再通过直径0. 13mm的限径模具进行限径，最后经过固化管150°C加热固化形成切割线。该切割线用芳纶作芯线，芯线表面涂敷有树脂粘结剂涂层。其生产速度最高达到每分钟25米。生产的切割线具有0. 12毫米的直径和约10微米的树脂粘结剂涂层。实施例2
本实施例中，与实施例1不同之处为所用填料由金刚石微粉、铜粉、碳化硅微粉和芳纶短切丝组成。制成的浆料中含有体积含量m粒径0. 5微米的金刚石微粉、体积含量8% 直径2微米的铜粉、体积含量10%直径5微米的碳化硅微粉和体积含量7%直径5微米、长度1毫米的芳纶短切丝。生产的切割线具有0. 12毫米的直径和约10微米的树脂粘结剂涂层。实施例3
本实施例中，与实施例1不同之处为用占浆料体积39. 5%的聚酰亚胺树脂替代占浆料体积36%的酚醛树脂(使用聚酰亚胺树脂时不需要添加NL酚醛树脂固化剂)，用二甲基乙酰胺替代丙酮溶剂。步骤③中固化管加热固化所用温度为375°C。生产的切割线具有0. 12毫米的直径和约10微米的树脂粘结剂涂层。实施例4
本实施例中，与实施例1不同之处为加入的酚醛树脂体积含量为33% ；所用填料由金刚石微粉、铜粉、碳黑、三氧化二铝微粉、立方氮化硼微粉、芳纶短切丝和金属钨纤维组成。 制成的浆料中含有体积含量5%粒径0. 5微米的金刚石微粉、体积含量8%直径2微米的铜粉、体积含量3%直径1微米的碳黑、体积含量3%直径0. 5微米的三氧化二铝微粉、体积含量m直径2微米的立方氮化硼微粉、体积含量4%直径5微米长度1毫米的芳纶短切丝和体积含量5%直径1微米长度5微米的金属钨纤维。生产的切割线具有0. 12毫米的直径和约10微米的树脂粘结剂涂层。各实施例生产的切割线的切割测试
对上述各实施例制成的切割线进行多晶硅块的切割测试。使用的均是边长 156X 156X350毫米的多晶硅块，多晶硅块共两块，同时切割，所用的磨削液组分是重量比 1 1的乙二醇和碳化硅(SiC粒径9. 5微米)，所用切割线整卷长350千米。实施例1制成的切割线工作条件切割线以9. 5米/秒的线速度往复运动，线张力为20牛。进给速度稳定在6微米每秒。切割缝宽度0. 123毫米，切割430分钟后完成切片，两多晶硅块共被分割为2300片，硅片厚度0. 18毫米。使用的切割线长度为245千米。实施例2制成的切割线工作条件切割线以10米/秒的线速度往复运动，线张力为20牛。进给速度稳定在6. 5微米每秒。切割缝宽度0. 123毫米，切割397分钟后完成切片，两多晶硅块共被分割为2300片，硅片厚度0. 18毫米。使用的切割线长度为238千米。实施例3制成的切割线工作条件切割线以12米/秒的线速度往复运动，线张力为30牛。进给速度稳定在8微米每秒。切割缝宽度0. 123毫米，切割322分钟后完成切片， 两多晶硅块共被分割为2300片，硅片厚度0. 18毫米。使用的切割线长度为232千米。实施例4制成的切割线工作条件切割线以14米/秒的线速度往复运动，线张力为30牛。进给速度稳定在9. 5微米每秒。切割缝宽度0. 123毫米，切割273分钟后完成切片，两多晶硅块共被分割为2300片，硅片厚度0. 18毫米。使用的切割线长度为2 千米。
权利要求
1.一种芳纶芯线游离刃料切割线，其特征在于，包括芳纶芯线和涂敷于所述芯线的树脂粘结剂涂层。
2.根据权利要求1所述的芳纶芯线游离刃料切割线，其特征在于，所述芳纶芯线为芳纶 III。
3.根据权利要求2所述的芳纶芯线游离刃料切割线，其特征在于，芳纶芯线由芳纶纤维紧密平行排列或经加捻处理制成，加捻方式为S型或Z型，加捻度为30 - 1000圈/米。
4.根据权利要求1至3任一所述的芳纶芯线游离刃料切割线，其特征在于，所述树脂粘结剂涂层使用的树脂粘结剂具有150°C以上的软化温度，该涂层含有固定到涂层、直径小于涂层厚度的填料，所述填料为微粉或者微粉与短切丝组成的混合物，填料含量小于涂层体积的65%。
5.根据权利要求4所述的芳纶芯线游离刃料切割线，其特征在于，用作填料的微粉为碳化硅微粉、三氧化二铝微粉、炭黑微粉、铜粉、金刚石微粉和立方氮化硼微粉中的一种或两种以上任意比例的组合，微粉粒径小于40微米。
6.根据权利要求4所述的芳纶芯线游离刃料切割线，其特征在于，用作填料的短切丝为有机短切丝、陶瓷纤维短切丝和金属纤维短切丝中的一种或两种以上，短切丝直径0.03 微米一 10微米，长度0. 1微米一 1厘米，短切丝含量小于涂层体积的25%。
7.权利要求4所述芳纶芯线游离刃料切割线的制备方法，其特征在于，由如下步骤制得将表面净化过的填料用偶联剂处理后与树脂粘结剂混合，再加入溶剂和固化剂，混合均勻得浆料；把浆料涂敷于芳纶芯线表面，经限径、固化后即得。
8.根据权利要求7所述芳纶芯线游离刃料切割线的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸脂偶联剂或锆类偶联剂。
9.根据权利要求7所述芳纶芯线游离刃料切割线的制备方法，其特征在于，浆料涂敷前芳纶芯线先经过表面净化处理，表面净化处理方法包括预除油或真空脱脂处理；预除油处理选用的有机溶剂为乙醇、汽油或丙酮。
10.根据权利要求9所述芳纶芯线游离刃料切割线的制备方法，其特征在于，将表面净化处理后的芳纶芯线用硅烷偶联剂、钛酸脂偶联剂或锆类偶联剂处理。
全文摘要
本发明涉及一种芳纶芯线游离刃料切割线，其包括芳纶芯线和涂敷到所述芯线的树脂粘结剂涂层，所述芳纶芯线为芳纶Ⅲ。本发明切割线用芳纶丝替代钢丝作为芯线，具有强度高、韧性好、耐磨性高、质量轻、使用寿命长等优点，用于硬脆材料切割加工时，带砂性能好，可以显著提高切割效率和被加工材料的利用率，降低生产成本。
文档编号D06M11/45GK102174749SQ20111005190
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者孙斌, 张建华, 杨晋中, 王秦生, 赵清国, 郭留希 申请人:郑州人造金刚石及制品工程技术研究中心有限公司