无纺布磨具在工业生产中广泛使用，其制造过程会产生大量由尼龙纤维、酚醛树脂和陶瓷磨料（如刚玉、碳化硅）牢固结合的废料。这类废料因成分复杂，难以通过传统方式回收。斯图加特大学研究团队提出一种新工艺：将此类废料直接用于热压成型制造砂轮。

通过添加15%新鲜酚醛树脂作为补充结合剂，所制砂轮具备足够的机械强度，可在12,000 rpm以上安全运行，并在去除金属表面油漆时获得约1.5μm的表面粗糙度。尽管整体性能略逊于商用产品，但该方法显著缩短了生产流程（无需后固化）、降低了能耗，并实现了塑料与磨料的协同再利用。后续优化重点在于提升孔隙结构以缓解磨削堵塞问题。

图一 下：无纺布打磨片；左：回收材料；右：砂轮

一、背景与挑战

磨削是精密制造的关键工序，依赖大量微小磨粒协同切削。无纺布磨具因其柔性结构，适用于表面抛光、去毛刺等场景，全球市场规模已超230亿美元。然而，其生产过程中产生的边角废料（主要为尼龙/聚氨酯纤维+磨料+树脂）因有机-无机强结合，难以分离回收。

现有回收策略多聚焦于高价值磨料颗粒的提取，例如通过热解或化学溶解去除结合剂。但这些方法不仅能耗高、排放大，还完全废弃了塑料组分，造成资源浪费。更可持续的思路是整体再利用——即同时回收纤维、树脂与磨料，用于制造新型磨具。

二、材料特性与回收路径筛选

研究团队获取了某制造商提供的无纺布磨具冲裁废料。经红外光谱分析，有机相主要为PA-6,6（尼龙）和聚氨酯（PU）；无机相为混合磨料（Al₂O₃与SiC），平均粒径96μm，占总质量约25%。废料呈片状碎屑，粒径分布宽（50μm–1 mm）。

团队评估了多种再利用方案：

1.再造无纺布：碎片尺寸过小，无法适配梳理工艺；

2.制砂纸：粘附于纸基后缺乏孔隙，柔韧性差，磨削效率低；

3.制刷丝：挤出物含大量孔隙，力学性能不足（断裂伸长率仅9%）。

最终确定热压成型制砂轮为唯一可行路径。

三、砂轮制备工艺

1.原料预处理

废料经筛分（>1 mm部分粉碎）、三维混料均化，确保磨料分布均匀。未进行磨料提纯或富集，以最大化废料利用率。

2.热压成型实验（三阶段迭代）

• 阶段0（初步试验）：发现压制温度需≥150°C、压力≥100 kN，才能获得结构完整的坯体。

• 阶段1（无添加）：在160–200°C、100–150 kN下压制A型砂轮。结果表明：200°C时PU热降解导致强度下降；干燥处理（80°C/6h）可提升强度。但所有样品抗拉强度过低，无法满足安全转速要求。

• 阶段2（添加树脂）：引入5%–25%新鲜酚醛树脂（B型砂轮）。结果显示：15%添加量时强度最佳；25%时因固化不全反而下降。B型砂轮旋转爆裂转速达14,000 rpm，接近商用水平。

• 阶段3（引入造孔剂）：添加1%商用造孔剂TRACEL®NCS 175，制得C型砂轮。为保留孔隙，压制力降至6–20 kN。孔隙率可达25%–30%，有效缓解磨削堵塞。

图二(a)左：未添加树脂的A型砂轮（易碎）；右：添加15%酚醛树脂的B型砂轮（结构致密完整）

四、性能测试与结果

1.机械性能

A型砂轮（无树脂）：破裂转速<6,000 rpm，不适用于常规磨削。

B型砂轮（15%树脂）：抗拉强度显著提升，破裂转速≈14,000 rpm。

C型砂轮（+造孔剂）：因孔隙率高，强度略降，破裂转速≈12,000 rpm，仍满足安全使用要求。

图三 不同类型砂轮的最高安全转速：B型（14,000 rpm）接近商用水平，C型（12,000 rpm）仍满足工业需求

2.磨削性能

测试工况：去除涂漆铝型材表面油漆（典型低精度应用）。

未修整条件下：B型砂轮G比（工件/砂轮磨损体积比）达800，远高于A型（200）；表面粗糙度Ra≈1.8μm vs.2.5μm。

但低孔隙率导致快速堵塞，影响持续加工能力。

引入造孔剂后（C型）：在相同工况下，堵塞前可磨削距离延长30%以上。其中20 kN压制（孔隙率23%）效果优于6 kN（30%），表明适度致密化更利于性能平衡。

图四(a)砂轮表面出现堵塞前可实现的磨削距离；(b)堵塞出现前工件表面的粗糙度

3.表面形貌分析

砂轮自身表面粗糙度：B型为5.29μm；C型因孔隙增加升至6.43–7.21μm。

磨料分布均匀性：通过Clark–Evans聚集指数评估，未加造孔剂样品指数为0.89（轻微聚集）；添加后升至1.10–1.13，接近随机均匀分布，说明造孔剂有助于改善混合均匀性。

五、讨论

本方法的核心优势在于避免了传统回收中的材料分离步骤，直接将废料转化为功能性磨具，实现“废料→产品”的闭环。相比热解法，该工艺节省了高温能耗，减少了CO₂排放，并保留了塑料组分的价值。

然而，再生砂轮仍存在局限：

1.磨料混杂：废料中Al₂O₃与SiC共存，且粒径分布宽，限制了表面加工精度；

2.有效磨料含量低：仅占成品约20%，其余为非功能性纤维与树脂；

3.孔隙控制难度大：造孔剂虽缓解堵塞，但过度降低密度会削弱强度。

需指出，该工艺目前尚无法用于轴承、刀具等高精度磨削领域，因其磨料混杂且粒径分布宽，导致加工一致性不足。未来若能实现废料按磨料类型分拣，性能有望进一步提升。

因此，该砂轮不适用于高精度精加工，但非常适合脱漆、除锈、粗磨等低成本应用场景。例如，在汽车维修行业，常需快速去除车身旧漆而不伤金属基底；在废旧金属回收站，需清除锈层以便分类熔炼。这些场景对表面光洁度要求不高（Ra≤2μm即可），但对成本敏感，正是再生砂轮的理想市场。

在此类市场中，其原料近乎“零成本”，具备显著经济优势。

未来改进方向包括：

1.开发更高效的造孔剂或调控压制参数以优化孔隙结构；

2.在源头对废料按磨料类型/粒径分类，提升再生料一致性；

3.探索其他含磨料废弃物（如振动研磨废渣）作为补充原料。

六、结论

本研究成功验证了利用无纺布磨具废料直接热压制造砂轮的技术可行性。通过添加15%酚醛树脂并优化压制工艺，所得砂轮具备实用机械强度与磨削能力，适用于低精度表面处理任务。该方法实现了塑料与磨料的协同回收，显著降低生产能耗与碳足迹，为磨料磨具行业提供了一条高值化、闭环化的可持续路径。

尽管性能尚未完全对标商用产品，但在特定应用场景下已具备商业化潜力。随着工艺优化与废料分类体系的完善，此类再生砂轮有望成为绿色制造的重要组成部分。

资料来源：The International Journal of Advanced Manufacturing Technology

磨库翻译并编辑，有删减