专利名称：具有高撕裂强度背衬层的砂磨海绵的制作方法
技术领域：
本发明涉及有时被称作砂磨海绵类型的具有弹性的柔性研磨器件，它包含一层薄的泡沫体背衬层和一层磨粒层，用一层柔性粘合剂将磨粒粘结在一起并将该磨粒层与背衬层粘合。
背景技术：
具有弹性的柔性砂磨海绵是已有技术中熟知的，它包含一层薄的聚氨酯泡沫体背衬层(例如约3/16英寸或0.5厘米厚)和一层磨粒，用一层柔性粘合剂将磨粒粘结在一起并将该磨粒层与泡沫体背衬层的一个主表面粘合。一种这样的砂磨海绵是购自美国3M公司商品名为＂Softback Sanding Sponge＂的产品。该砂磨海绵的使用者通常将背衬层与磨料相背的那一面靠着手掌，边使磨料层适顺于待研磨表面边让磨料与待研磨表面磨擦。尽管这种砂磨海绵能相当好地研磨具有平行面的物体，但当它用来研磨突出部分的相交表面(如桌面转角)时，其背衬非常容易磨损。当砂磨海绵移动经过突出部分时，施加在其上的手压会使得该突出部分穿透并磨损砂磨海绵的背衬层。对于以前使用的形成聚氨酯泡沫体背衬的方法，该背衬的撕裂强度与用来制备该泡沫体的聚氨酯的化学组成和化学性质有很大的关系。背衬难以获得高撕裂强度，通常需要大量的实验、经验以及运气；然而所获得的最大撕裂强度仍然低于所希望的值。
此外，此类砂磨海绵中用来将磨粒层粘结在一起并粘合到泡沫体背衬层一个主表面上的柔性粘合剂层必需具有足够的整体性以及对磨粒和对泡沫体背衬层足够的粘合性，以使得当用具有弹性的柔性砂磨海绵适顺并研磨表面时该粘合剂层不会破裂、不会令磨粒脱落，也不会从泡沫体背衬层上剥离。获得上述整体性的方法是施涂一层粘合剂材料，该粘合剂材料的主要部分覆盖背衬层待粘合的主表面(所述主要部分中嵌有磨粒)，所述粘合剂材料仅有触角状的部分延伸到对泡沫体背衬层的上述主表面敞开的空腔内，将粘合剂层固定在泡沫体上。尽管这样的柔性粘合剂材料层能提供所需的整体性以及对磨粒和对泡沫背衬层的粘合性，但是该粘合剂材料层覆盖背衬层主表面的主要部分厚得包封住了太多的磨粒，从而一定程度上限制了磨粒对用砂磨海绵磨擦的表面的研磨能力。
发明概述本发明提供一种具有弹性的柔性砂磨海绵，它具有一层薄的背衬层，该背衬层的柔性和适顺性与已有技术砂磨海绵上的聚氨酯背衬层大致相同，并且其撕裂强度与已有技术砂磨海绵的背衬层相比有明显提高。
本发明的砂磨海绵包括一泡沫体背衬层，在背衬层的一个主表面上具有一层磨粒，磨粒通过一层柔性粘合剂材料粘结在一起并与背衬层粘合。按照A.S.T.M.试验方法ASTM D 3574-95测量背衬层，其挠曲50％时的压缩力挠曲(compression force deflection)小于4磅/平方英寸(64 kPa)(与已有技术砂磨海绵相同)，因而具有对研磨表面的良好适顺性，该背衬层的撕裂强度至少为5磅/英寸(880牛顿/米)，由此得到的砂磨海绵的抗撕裂性比已有技术砂磨海绵有显著提高，因此本发明的砂磨海绵在用于研磨突出部分时不容易磨损。
将(1)毡制聚氨酯泡沫体或者(2)在其主表面之间包括一层增强材料的泡沫体用作背衬层，由此获得具有高撕裂强度的背衬层。将压缩比至少为2，较好是压缩比约在3-4之间的毡制聚氨酯泡沫体用作背衬层。压缩比约为4的毡制聚氨酯泡沫体也可用作背衬层，但是压缩比的增加会提高背衬层的刚性和成本。
当砂磨海绵的背衬层是毡制聚氨酯泡沫体时，该背衬层沿其表面还包括柔性粘合剂材料层的大部分，将磨粒层粘结在一起，提供粘合剂材料层所需的结构整体性、对磨粒的粘合性以及对泡沫体背衬层的粘合性，以使得当用该砂磨海绵适顺并研磨表面时该粘合剂层不会破裂、不会令磨粒脱落，也不会从泡沫体背衬层上剥离；并且使磨粒的大部分突出在粘合剂材料层之外，这样就可对用砂磨海绵磨擦的表面进行有效的研磨。
砂磨海绵的通常制法是在背衬层的一个主表面上涂覆液态粘合剂构造涂料(make coat)，在该背衬层经粘合剂涂覆的表面上再涂覆一层磨粒，然后干燥该粘合剂。当背衬层是毡制泡沫体时，该背衬层对上述粘合剂构造涂料的虹吸和吸附会多于背衬是非毡制聚氨酯泡沫体的情况。这显然是因为毡制泡沫体的微孔尺寸更小且微孔壁被压塌。这种对粘合剂构造涂料的更大吸附具有以下几个有利效果。(1)在背衬层粘合有磨粒层的表面之下形成大部分结构上完整(amajor structurally sound portion)的柔性粘合剂层(即位于背衬层表面以下的那部分柔性粘合剂层与泡沫体背衬层的微孔壁牢固粘合，这样能削弱结构整体性的空隙就非常少了)。(2)粘合剂构造涂料被虹吸入毡制聚氨酯泡沫体背衬材料使得粘合剂从磨粒周围被吸入到背衬中，这样在磨粒周围留下粘合剂弯月面将磨粒固定就位，因此磨粒就能有更多的部分露在外面与待研磨的表面接触。而若粘合剂构造涂料较少地被虹吸入背衬层，则磨粒的外露部分就较少。(3)粘合剂构造涂料被虹吸入毡制聚氨酯泡沫体背衬材料看来能使大多数磨粒紧密地支承在背衬层表面上(而不是象已有技术的砂磨海绵那样，一些磨粒支承在粘合剂层具有不同厚度的部分上)，这样这些磨粒与背衬层相对的末端形成的外表面与粘合磨粒的背衬层表面几乎一样平滑，该外表面比已有技术砂磨海绵上磨粒端部形成的表面要平滑得多。
附图的简要说明进一步参考以下
本发明，在数张附图中相同的编号指相同的部分。
图1是本发明砂磨海绵的一个实例的透视图；图2是图1砂磨海绵沿其一侧的一部分的彩色照片(放大率为50倍)；图3是本发明砂磨海绵的第二个实例的透视图；图4是图3砂磨海绵大致沿图3中线4-4的部分剖面放大示意图。
发明的详细说明现参照图1和图2说明本发明具有弹性的柔性砂磨海绵的第一个实例，它总体标记为10。
总体上说，砂磨海绵10包括具有高撕裂强度的毡制聚氨酯泡沫体背衬层12(它具有两个相背的主表面14和15)；沿背衬层主表面14分布的一层磨粒16，一层将磨粒16粘结在一起并与背衬层12粘合的柔性粘合剂材料层18。在与背衬层12相背的柔性粘合剂层18和磨粒16表面上铺展有一层硬质的抗负载上胶涂层(anti-loading size coating)(图中未示出)。由图2可见，大部分结构上完整的柔性粘合剂层18延伸至背衬层12的表面14之下。此处所用的“大部分”是指柔性粘合剂层18超过一半的厚度位于背衬层12的表面14以下。我们由观察估计，柔性粘合剂层18大约60-80％的厚度在位于背衬层12的表面14之下。位于背衬层12的表面14以下的大部分柔性粘合剂层18与泡沫体背衬层12的微孔壁牢固粘合，这样能削弱结构整体性的空隙就非常少了。因此，处于背衬层12的表面14以下的大部分柔性粘合剂层18和位于背衬层12的表面14以上的小部分柔性粘合剂层18共同提供了柔性粘合剂层18所需的整体性，从而在使用砂磨海绵10的过程中弯曲柔性粘合剂层18以适顺于待研磨表面时该粘合剂层不会破裂。位于背衬层12的表面14以下的大部分柔性粘合剂层18提供了柔性粘合剂层18所需的对泡沫体背衬层12的牢固粘合力，因此在研磨各种表面的过程中弯曲砂磨海绵10以适顺这些表面时，该粘合剂层18不会从泡沫体背衬层12上剥离。位于背衬层12的表面14之上的小部分柔性粘合剂层18提供了柔性粘合剂层18所需的对磨粒16的牢固粘合力，因此在使用砂磨海绵10时磨粒16不会从柔性粘合剂层18上脱落。同时该柔性粘合剂材料层18还使得磨粒16的大部分突出于其表面，这样这些磨粒就能有效地参与和研磨用砂磨海绵10磨擦的表面。
用于背衬层12的毡制聚氨酯泡沫体的制法是沿第一方向压缩一层或多层经加热的聚氨酯泡沫体(热塑性泡沫体)，以减少层厚，得到所需密度的泡沫体。毡制聚氨酯泡沫体可购自Crest Foam Industries，Inc.Moonachie，New Jersey，其压缩比的范围至少包括2-10(毡制泡沫体的压缩比是指泡沫体压缩前的厚度与压缩后厚度的比值)。压缩比为3的非网状毡制聚氨酯泡沫体(例如得自CrestFoam Industries，Inc.，Moonachie，New Jersey、商品名为＂Felt 7018 NAT N/R0.3450/0.118×46×56＂的毡制聚氨酯泡沫体)能很好地用作砂磨海绵10的背衬层12，原因是该泡沫体能提供所需的柔软度和撕裂强度，同时能够使得在其表面14以下形成结构上完整的大部分柔性粘合剂材料层18，这显然是由于粘合剂材料以液体施涂时被虹吸入背衬层12表面以下的数层微孔中而形成的。也可以使用其他压缩比更低或者更高(例如2、4或5)的毡制泡沫体。与压缩比为3的毡制聚氨酯泡沫体相比，压缩比更低的毡制聚氨酯泡沫体的柔性更强且更便宜，但是抗撕裂性较低且不易虹吸入柔性粘合剂层18。可以推测，对于压缩比更高的毡制聚氨酯泡沫体，其撕裂强度和虹吸入结构上完整的大部分柔性粘合剂层的能力会提高，但是这些泡沫体会随压缩比的增加而变得刚性更强且更加昂贵。
当用压缩比为3的毡制聚氨酯泡沫体制备背衬层12时，相背主表面之间的厚度应小于1/2英寸(1.27厘米)，较好是约为3/16英寸(0.5厘米)，以使得该背衬层具有足够的柔性来适顺于用砂磨海绵10研磨的表面轮廓。
磨粒16可以是申请日为1998年7月15日的美国专利申请09/116,038中所述的任何磨粒，特别包括粒度(grit)在36-400范围内的氧化铝、陶瓷或碳化硅颗粒。
将磨粒层16粘结在一起并与背衬层12粘合的柔性粘合剂材料层18应将磨粒16牢固地粘合在一起，并与背衬层12牢固粘合，同时具有足够柔性以使该背衬层12能适顺于用砂磨海绵10研磨的表面轮廓。申请日为1998年7月15日的美国专利申请09/116,038中所述的构造涂料粘合制剂及其施涂方法可用来形成柔性粘合剂层18。该构造涂料粘合剂制剂能被虹吸和吸附入坚实度值(firmness number)为3的毡制聚氨酯泡沫体的背衬层12中，以使得所形成的大部分柔性粘合剂层位于背衬层表面14以下，这估计是因为毡制泡沫体的小微孔尺寸和变形的微孔壁。对粘合剂的吸附使得粘合剂材料牢固地粘合在毡制聚氨酯泡沫体背衬材料层上。在制备砂磨海绵10时构造涂料粘合剂被虹吸入毡制聚氨酯泡沫体背衬材料，使得粘合剂材料从磨粒周围被吸入到背衬中，这样在磨粒16周围留下粘合剂弯月面将磨粒固定就位，因此磨粒16就能有更多的部分露在外面与待研磨的表面接触。此外，在制备砂磨海绵10时构造涂料粘合制剂被虹吸入毡制聚氨酯泡沫体背衬材料12，看来能使大多数磨粒16紧密地支承在背衬层12的表面14上，而不是一些磨粒支承在粘合剂层具有不同厚度的部分上，这样这些磨粒16与背衬层12相对的末端形成的外表面与粘合磨粒的背衬层12的表面14几乎一样平滑。
铺展在与背衬层12相背的柔性粘合剂层18和磨粒16的表面上的硬质抗负载上胶涂层可以用申请日为1998年7月15日的美国专利申请09/116,038中所述制剂及其施涂方法进行施涂。
现参照图3和图4说明本发明具有弹性的柔性砂磨海绵的第二个实例，它总体标记为20。
总体上说，该砂磨海绵20包括具有高撕裂强度的增强泡沫体(如聚氨酯泡沫体)背衬层22(它具有相背的主表面24和25)；沿背衬层主表面24分布的一层磨粒26，一层将磨粒26粘结在一起并与背衬层22粘合的柔性粘合剂材料层28。一层硬质抗负载的上胶涂层(图中未示出)铺展在柔性粘合剂层28和磨粒26与背衬层22相背的表面上。
用于背衬层22的增强泡沫体的制法是围绕强固的增强材料30形成泡沫体(或者在制备泡沫体时混入增强材料30)，所述增强材料例如是单独的金属或聚合物纤维(如尼龙)，或者非织造的金属或聚合物纤维相连的多孔层，或者织造的金属或聚合物绞合线(strands)(例如纱窗)，这些增强材料能提高环绕它们浇注的泡沫体的强度和抗撕裂性。一种这样的增强聚氨酯泡沫体是购自Fulflex，Inc.，Middletown，RI的商品名为＂Polycryl 500＂的产品(它用细旦尼尔纤维增强)，它能很好地用作砂磨海绵20的背衬层22。
增强聚氨酯泡沫体背衬层22在相背主表面24和25之间的厚度应小于1/2英寸(1.27厘米)，较好是约为3/16英寸(0.5厘米)，这样该背衬层就具有足够的柔性来适顺于用砂磨海绵20研磨的表面的轮廓。
磨粒26以及将磨粒26粘合到背衬层22上的柔性粘合剂材料层28可以与上文所述用于砂磨海绵10的相同，或者与申请日为1998年7月15日的美国专利申请09/116,038中所述的相同。
试验结果根据A.S.T.M.题为“柔性多孔材料的标准试验方法-板坯、粘结和模塑的聚氨酯泡沫体”(Standard Test Methods for Flexible Cellular Materials-Slab，Bonded and Molded Urethane Foams)的试验方法ASTM D 3574 95进行比较试验。这些比较试验在以下三种材料上进行(1)一种目前用作砂磨海绵背衬的标准开孔聚氨酯泡沫体，目前购自美国3M公司，商品名为＂Soft-backed SandingSponge＂；(2)压缩比为3的毡制聚氨酯泡沫体，购自Crest Foam Industries，Inc.，Moonachie，New Jersey，商品名为＂Felt 7018 NAT N/R 0.3450/0.118×46×56＂，据认为该毡制聚氨酯泡沫体每英寸具有70个微孔，密度为1.8磅/立方英尺，天然颜色，该泡沫体是非网状的，其初始厚度和最终厚度的比值是0.3450比0.118，即2.92，是一块厚1英寸、宽46英寸、长56英寸的片材；(3)增强聚氨酯泡沫体，购自Fulflex，Inc.，Middletown，RI，商品名为＂Polycryl 500＂，看来是用细旦尼尔尼龙纤维增强的泡沫体。
试验结果如下所示。
*压缩力挠曲，压缩50％时的硬度量度**挠曲50％之后的压缩变定撕裂强度通常如下测量制备一待测泡沫体样品，尺寸为1英寸×1英寸×6英寸，从样品的一端剖切该样品一条长
英寸的切割线，在样品那一端的附近形成两块尺寸为1英寸×1/2英寸×
英寸长的部分，然后用测力机以平稳的速度拉开两个末端部分，测量从剖切线末端开始将样品撕开所需的力。由试验结果可见，压缩比为3的毡制聚氨酯泡沫体的撕裂强度和纤维增强的聚氨酯泡沫体的撕裂强度都大大高于标准聚氨酯泡沫体的撕裂强度，而毡制泡沫体和增强泡沫体的适顺性类似于标准聚氨酯泡沫体的适顺性，这可以从这些泡沫体50％挠曲时类似的压缩力挠曲值看出来。这些结果与我们的经验相符，即在用如上所述的毡制聚氨酯泡沫体和纤维增强的泡沫体的背衬层制得的砂磨海绵对突出部分进行研磨时，这些砂磨海绵的背衬远远不如具有标准聚氨酯泡沫体背衬的砂磨海绵那样容易磨损，但这些砂磨海绵的适顺性却与具有标准聚氨酯泡沫体背衬的砂磨海绵的适顺性大致相同。根据我们的经验可以预计，撕裂强度稍低(至少约为5磅/英寸(即880牛顿/米))的砂磨海绵用背衬也能使抗撕裂性比已有技术的砂磨海绵有显著提高。
对以下两种样品进行90°刺穿试验(puncture test)。(1)一种目前用作砂磨海绵背衬的标准开孔聚氨酯泡沫体，目前购自美国3M公司，商品名为＂Soft-backedSanding Sponge＂；(2)压缩比为3的毡制聚氨酯泡沫体，购自Crest FoamIndustries，Inc.，Moonachie，New Jersey，商品名为＂Felt 7018 NAT N/R0.3450/0.118×46×56＂。使用每单位面积相同量的液态构造涂料粘合剂在两种材料上涂覆每单位面积相同量的磨粒。将1英寸(2.54厘米)×6英寸(15.2厘米)的试样条的一端连接在一个水平面上，将一块厚1/8英寸、具有互呈90°角的分叉两侧的突出部件的尖端沿试样条顶表面的横向放置，该尖端位于试样条长度和宽度的中间，将试样条与连接在水平面那一端相对的另一端连接到Instron试验机的机头上，以10英寸/分钟(25.4厘米/分钟)的速度、垂直于平面的方向将试样条朝突出部分移动，测量突出部分刺穿样品之前所需的力。毡制聚氨酯泡沫体样品的厚度为0.194英寸，标准聚氨酯泡沫体的厚度为0.179英寸。对每种材料的6个样品进行试验并取平均值，得到最大负载时单位厚度的负荷，毡制泡沫体为58.6英尺磅/英寸，标准泡沫体为29.94英尺磅/英寸，这表明毡制泡沫体的抗刺穿性要高得多。
现参考两个实例和可能的改变来说明本发明。在不偏离本发明范围的情况下，本领域普通技术人员能对所述的实例作出许多变化。例如一种已知类型的具备柔性和弹性的矩形砂磨海绵，其背衬层比上述砂磨海绵的背衬层厚(例如1英寸，即2.54厘米)，在该背衬层的4面或6面上用柔性粘合剂层粘合有磨粒层，这种矩形砂磨海绵可以用上述类型的毡制泡沫体背衬层或者增强背衬层制备，为该背衬层提供高撕裂强度。应该还可以制备既稍有毡制又包括增强材料的砂磨海绵用聚氨酯泡沫体背衬层，该背衬层成本低，具有所需水平的撕裂强度，还能包括主要部分即大部分的柔性粘合剂材料层。有一种用浆液涂覆的砂磨海绵，即将磨粒和构造涂料液态粘合剂作为浆液同时涂覆在背衬层上，该方法与粘合剂和磨粒分别涂覆到背衬层的情况相比通常会包括更多比例的粘合剂。这种砂磨海绵当用毡制泡沫体作为背衬层时会得到改进，因为构造涂料粘合剂被虹吸入背衬层中，这样就更好地露出了磨粒。因此，本发明的范围内不局限于本申请所述的结构，而仅受限于权利要求书中所述的结构及其等同物。
权利要求
1.一种具有弹性的柔性砂磨海绵，它包含一层具有高撕裂强度的毡制泡沫体背衬层，该层具有两个相背的主表面；沿一个所述主表面分布的一层磨粒，一层柔性粘合剂材料层，它将所述磨粒粘结在一起并将磨粒层与所述背衬层粘合。
2.如权利要求1所述的砂磨海绵，其特征在于结构上完整的大部分所述柔性粘合剂层位于背衬层粘合有磨粒层的表面以下。
3.如权利要求1所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层由压缩比至少为2的毡制泡沫体制成。
4.如权利要求1所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层由压缩比约为3的毡制聚氨酯泡沫体制成。
5.如权利要求3所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层中所述毡制聚氨酯泡沫体的压缩比约在2-4的范围内。
6.如权利要求3所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层在所述相背主表面之间的厚度小于1/2英寸(1.27厘米)。
7.如权利要求3所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层在所述相背主表面之间的厚度约为3/16英寸(0.5厘米)。
8.如权利要求1所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层按照A.S.T.M试验方法D 3574-95测得的撕裂强度为至少5磅/英寸(880牛顿/米)。
9.如权利要求1所述是砂磨海绵，其特征在于所述背衬层沿所述主表面的长度约为4.5英寸(11.4厘米)，宽度约为5.5英寸(14厘米)。
10.一种具有弹性的柔性砂磨海绵，它包含一层含聚氨酯泡沫体的背衬层，该背衬层具有两个相背的主表面，所述背衬层按照A.S.T.M.试验方法D 3574-95测量，在50％挠曲时的50％挠曲压缩力挠曲值低于4磅/平方英寸(64 kPa)，撕裂强度至少为5磅/英寸(880牛顿/米)；沿一个所述主表面分布的一层磨粒，一层柔性粘合剂材料层，它将所述磨粒粘结在一起并将磨粒层与所述背衬层粘合。
11.如权利要求10所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层由压缩比至少为2的毡制聚氨酯泡沫体制成。
12.如权利要求10所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层由压缩比在约2-4范围内的毡制聚氨酯泡沫体制成。
13.如权利要求10所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层还包含增强材料，该增强材料包封在位于所述第一表面和所述第二表面之间的所述聚氨酯泡沫体内。
14.如权利要求10所述的砂磨海绵，其特征在于所述增强材料选自单根纤维、一层相连的非织造聚合物纤维，以及织造金属绞合线。
15.如权利要求10所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层在所述相背主表面之间的厚度小于0.5英寸，即1.27厘米。
16.如权利要求10所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层在所述相背主表面之间的厚度约为3/16英寸，即0.5厘米。
17.如权利要求10所述的砂磨海绵，其特征在于所述背衬层沿所述主表面的长度约为4.5英寸，即11.4厘米，宽度约为5.5英寸，即14厘米。
全文摘要
一种具有弹性的柔性砂磨海绵(20)，它包含一泡沫体背衬层(22)，沿其一个主表面(24)分布有一层磨粒(26)，用一层柔性粘合剂材料层将所述磨粒粘结在一起并将磨粒层与所述背衬层粘合。具有高撕裂强度的背衬层可以是(1)毡制聚氨酯泡沫体层或者(2)包封增强材料(30)的泡沫体层。当背衬层用毡制聚氨酯泡沫体制成时，柔性粘合剂材料层(28)结构上完整的大部分位于背衬层粘合有磨粒层的表面以下，粘合剂材料层的小部分将磨粒粘合在背衬层表面上，使得磨粒的大部分突出在粘合剂材料层之外，这样能有效地研磨用砂磨海绵摩擦的表面。
文档编号B24D15/00GK1407920SQ00816870
公开日2003年4月2日 申请日期2000年11月14日 优先权日1999年12月9日
发明者J·W·利瑟, C·A·米尼克 申请人:3M创新有限公司