专利名称：制造磨料碎片、带开口的成形磨粒或碟形磨粒的方法
制造磨料碎片、带开口的成形磨粒或碟形磨粒的方法本专利申请要求提交于2007年12月27日的名称为"Siaped,Fractured Abrasive Particle, Abrasive Article Using Same and Method Of Making" () 白勺立、贞用其制造的磨料制品及其制造方法)的美国临时申请No. 61/016965的优先权，其全文以引用方式并入本文。
背景技术：
磨粒和由磨粒制造的磨料制品可用于在产品制造过程中研磨、整理或磨削多种材料和表面。因此，一直存在对磨粒和/或磨料制品的成本、性能或寿命进行改善的需求。授予Berg的美国专利5，201，916、授予Rowenhorst的美国专利5，366，523以及授予Berg的美国专利5，984，988中公开了三角形磨粒和采用三角形磨粒制造的磨料制品。 在一个实施例中，这些磨粒的形状包括等边三角形。三角形磨粒可用于具有增大的切削速率的磨料制品。
发明内容
成形磨粒通常可具有优于随机粉碎的磨粒的性能。通过控制磨粒的形状可控制磨料制品的所得性能。不同的研磨应用可能需要不同类型的成形磨粒。因此，非常希望有一种方法能由同一生产线制造若干种不同类型的成形磨粒。发明人已经确定，通过控制工艺参数和使用具有多个模具型腔的聚合物生产工具，可以由完全相同的模具制造不同类型的成形磨粒。具体地讲，发明人已经确定了一种方法，该方法在成形磨粒仍然在模具内时使成形磨粒破裂以制造磨料碎片，而非实心的完整成形磨粒。发明人还确定了一种方法，该方法在成形磨粒位于模具内时控制成形磨粒的形成，以便形成贯穿成形磨粒的开口。最后，发明人还确定了一种方法，该方法在成形磨粒位于模具内时控制成形磨粒的形成，以在成形磨粒上形成凹陷表面，从而制造碟形磨粒。因此，根据工艺参数，具有多个模具型腔的完全相同的生产工具可以制造实心的完整成形磨粒、磨料碎片、带开口的成形磨粒或碟形磨粒。因此，在一个实施例中，本发明涉及一种方法，该方法包括提供具有多个型腔的模具，所述多个型腔包括聚合物表面；用溶胶-凝胶填充所述多个型腔，所述溶胶-凝胶包含在液体中的可转化为α-氧化铝的颗粒，所述液体包含挥发性组分；当溶胶-凝胶存在于所述多个型腔内时从溶胶-凝胶中除去至少一部分挥发性组分，从而形成多个具有选自下列类型的成形磨粒前体磨料碎片、带开口的成形磨粒和碟形磨粒。
本领域的普通技术人员应当了解，本发明的讨论仅是针对示例性实施例的描述， 其并不旨在限制本发明的更广泛的方面，其中更广泛的方面体现在示例性构造中。图1为具有包含磨粒前体的多个型腔的模具的俯视照片。图2为从图1中的模具的左侧得到的碟形磨粒的照片。
图3为从图1中的模具的右侧得到的破碎磨料碎片的照片。图4示出了模具型腔中的成形磨粒前体的一个实施例的横截面。图5为类似于图3所示磨料碎片的代表性磨料碎片的扫描电镜显微照片。图6A-6C示出了带开口的成形磨粒。图7为与带开口的成形磨粒相比较的碟形磨粒的照片。图8为具有包含带开口的成形磨粒前体的多个型腔的模具的俯视图。图9为碟形磨粒的透视图。图10为图9的碟形磨粒的侧视图。图11为显示碟形磨粒的凹陷或碟形表面的照片。在说明书和附图中重复使用的引用字符旨在表示本发明相同或类似的部件或元件。 如本文所用，词语“包含”、“具有”和“包括”在法律上是具有等同含义的开放型术语。因此，除了列举的元件、功能、步骤或限制之外，还可以有其他未列举的元件、功能、步骤或限制。如本文所用，术语“磨料分散体”意指可转化为引入模具型腔的α-氧化铝的 α-氧化铝前体。该组合物称为磨料分散体，直到除去足量的挥发性组分使磨料分散体凝固为止。如本文所用，术语“成形磨粒前体”意指通过从磨料分散体(当其位于模具型腔中时)中除去足量的挥发性组分以形成凝固体的方式所产生的未烧结颗粒，该凝固体可从模具型腔中移除，并且在后续加工中基本上保持其模制形状。如本文所用，术语“精确成形表面”意指磨料分散体位于模具型腔中时对其至少部分地进行干燥、脱水或固化而形成的表面。如本文所用，术语“磨料碎片”意指通过本发明的方法制造的烧结的α -氧化铝磨粒。如本文所用，术语“成形磨粒”意指至少一部分磨粒具有预定形状的陶瓷磨粒，该预定形状由用于形成成形磨粒前体的模具型腔复制。与磨料碎片的情况(例如，如美国临时申请61/016965中所述)不同，成形磨粒通常会具有基本上复制了用来形成成形磨粒的模具型腔的预定几何形状。如本文所用的成形磨粒不包括通过机械破碎操作获得的磨粒。
具体实施例方式在描述用来制造不同类型成形磨粒的方法之前，将更详细地描述各种类型。磨料碎片参见图3和图5，其中示出了磨粒20。磨粒20包括成型为多个α -氧化铝磨料碎片21的破碎的α-氧化铝磨粒。参见图4，其中示出了模具34中的成形磨粒前体23。每个α-氧化铝磨料碎片21都包括至少第一精确成形表面22、以预定角度α与第一精确成形表面相交的第二精确成形表面24、与第一精确成形表面22相对的第三表面沈以及破碎表面观。第一精确成形表面22可通过与模具34中型腔32的底面30接触来形成。在图4 中，横截面中仅显示了模具；34中型腔32的一部分。通常，模具34具有多个型腔，以便经济地制造α -氧化铝磨料碎片21。第一精确成形表面22基本上复制了型腔32的底面30的表面粗糙度和形状。磨料碎片21的第二精确成形表面M可通过与模具34中型腔32的侧壁36接触来形成。侧壁36被设计为以预定角度α与底面30相交。第二精确成形表面对基本上复制了型腔32的侧壁36的表面粗糙度和形状。第二精确成形表面M通过与型腔32的侧壁 36接触来模制。因此，使所得磨料碎片的至少两个表面(22、24)精确成形，并且两个表面之间的相交角α为基于所选模具几何形状的预定角。与第一精确成形表面22相对的磨料碎片21的第三表面沈的外观可无规则地波动或起伏，因为其在用磨料分散体填充型腔32后与空气接触。第三表面沈由于未通过与型腔32接触来模制而未精确成形。通常，通过刮削或刮除模具34的顶面38以从模具中除去多余的磨料分散体来形成第三表面26。刮除或刮削步骤可对第三表面沈造成经放大可见的细微的波纹或不规则形状。因此，第三表面沈类似于通过挤出而形成的表面，其也未精确成形。在挤出方法中，溶胶-凝胶从模具中挤出。因此，溶胶-凝胶的表面呈现出因挤出方法而造成的刮痕、凿痕和/或划线。此类痕迹通过溶胶-凝胶和模具之间的相对运动而形成。另外，从模具中挤出的表面可通常为光滑平面。相比之下，精确成形表面可复制正弦表面或其他更复杂的几何表面，这些几何表面具有沿其表面长度显著变化的高度。当型腔深度相比底面30的面积相对较小时，磨料碎片21的破碎表面观通常在第一精确成形表面22和相对的第三表面沈之间、以及在型腔32的相对的侧壁之间扩展。破碎表面观的特征在于锋利的、锯齿状的点，这些点是典型的脆性破碎特征。破碎表面观可通过干燥处理而产生，该处理使至少大部分的成形磨粒前体在位于型腔32内时破裂或破碎成至少两块。这造成了尺寸小于制造时所用的模具型腔32的磨料碎片21。这些磨料碎片一旦形成，就可像拼图块一样重新组合，以复制制造其的模具的初始型腔形状。据信，通过确保如下情况可使成形磨粒前体发生破裂或破碎当磨料分散体在型腔内干燥时，磨料分散体对型腔32的壁的表面张力大于磨料分散体内部的引力。参见图5，图示的磨料碎片21的破碎表面观呈现为沿着磨料碎片的右侧。第二精确成形表面M呈现为沿着磨料碎片21的左侧倾斜表面。第三表面沈朝向前面并且具有一些源于刮削操作的不规则形状和波纹。第一精确成形表面22面向后方而观察不到。图5 中磨料碎片在三角形模具型腔中产生。三角形的其中一个角存在于磨料碎片的左下部分。参见图1，破碎过程在各模具型腔中产生稀疏的破碎的成形磨粒前体。通常，每个型腔32内产生约2至4个破碎的成形磨粒前体。因此，与以往采用粉碎操作来减小图2所示的完整三角形颗粒的过程相比，本发明的过程产生很少的极小颗粒(细粒)，从而减少了浪费。由于所述的破碎过程，各磨料碎片保持了其初始模制形状的一部分，这不同于粉碎操作，粉碎操作制造的磨粒未保留任何精确成形表面。因此，破碎的成形磨粒前体的粒度分布相对较小并且比粉碎颗粒更均勻。各型腔内产生的破碎的成形磨粒前体的最终数量可以是变化的，这取决于用于使模具内成形磨粒前体破碎的型腔尺寸与形状、干燥速率以及温度。 在本发明的各种实施例中，每个模具型腔内产生少于或等于约10个、9个、8个、7个、6个、5 个、4个、3个或2个破碎的成形磨粒前体。由于以有意使成形磨粒前体破碎的方式对成形磨粒前体进行处理，因此至少大部分(超过50%)的成形磨粒前体在干燥时于模具型腔32内破碎成至少两块。在本发明的各种实施例中，约75%至100%、或约90%至100%、或约98%至100%的成形磨粒前体在位于模具型腔中时破碎成至少两块。由于有意使成形磨粒前体在模具内存留时破碎，因此其保持了初始模制形状的侧壁和底部的至少一部分。此特点可提供比粉碎颗粒更锋利的磨料碎片，而所述粉碎颗粒的形状可能更加圆形且粗短。这些破碎的成形磨粒前体可具有高纵横比和非常锋利的边缘， 破碎表面观在该边缘处与精确成形表面相交。因此，α -氧化铝磨料碎片用于制造磨料制品时具有极佳的性能。将破碎的成形磨粒前体煅烧并烧结以形成α-氧化铝磨料碎片。α-氧化铝磨料碎片可以在较宽的粒度范围内制造，这取决于模制型腔的尺寸以及通过本方法的破碎步骤所形成的破碎块的数量。通常，α-氧化铝磨料碎片的尺寸范围为0.1至5000微米、1至 2000微米、5至1500微米，或甚至在一些实施例中为50至1000微米、或甚至100至1000 微米。如提交于2007 年 12 月 27 日的名称为"Shaped，Fractured Abrasive Particle, Abrasive Article Using Same and Method of Making”(成形的破碎磨粒、使用其制造的磨料制品及其制造方法)的待审的美国临时专利申请No. 61/016965中更充分描述的，相比具有相同标称研磨等级的常规粉碎α-氧化铝颗粒，α-氧化铝磨料碎片具有卓越的磨削性能。带开口的成形磨粒参见图6Α、6Β和6C，示出了带开口 122的示例性成形磨粒120。用于制造带开口 122的成形磨粒120的材料包括α-氧化铝。通常，带开口 122的成形磨粒120包括薄的本体，该薄的本体具有第一面1 和由侧壁1 隔离的第二面126，并且具有厚度t。在一些实施例中，其两个面渐缩至薄边的磨粒的侧壁1 可被最小化，或者其两个面渐缩至在内部相遇的点上的磨粒可能具有较厚的侧壁128。在一个实施例中，第一面IM基本上为平面， 第二面1 基本上为平面，或者两个面都基本上为平面。在一个实施例中，第一面1 和第二面1 基本上彼此平行。在其他实施例中，第一面IM和第二面1 可以不平行，使得一个面相对于另一个面倾斜，并且与每个面相切的假想线将在某点处相交。带开口 122的成形磨粒120的侧壁1 可以是变化的，并且其形成第一面IM和第二面1 的周边129。在一个实施例中，第一面1 和第二面1 的周边1 选择为具有一定几何形状，并且第一面 124和第二面1 选择为具有相同的几何形状，但它们可能在尺寸上不同，一个面的尺寸可能大于另一个面。在一个实施例中，第一面124的周边1 和第二面126的周边129为图示的三角形形状。在一个实施例中，开口 122完全穿透第一面IM和第二面126，如图6B、6C和7中最佳示出的。在其他实施例中，开口 122包括可以不完全穿透两个面的盲孔。在一个实施例中，开口 122的尺寸相对于第一面IM或第二面1 的面积很大。如图6A中最佳示出的，在一个实施例中，开口 122包括非常接近成形磨粒120的周边129的形状的三角形形状。这样，带开口 122的成形磨粒120包括在其对应端连接而形成封闭多边形的多条边130的完整连接。在其他实施例中，开口 122可以为圆形、椭圆形或其他几何形状。在本发明的各种实施例中，开口 122的面积除以第一面IM或第二面126中较大者的表面积得到的开口率可以在约0. 05至约0. 95之间、或在约0. 1至约0. 9之间，或在约0. 1至约0. 7之间，或在约0. 1至约0. 5之间。为了进行该计算，表面积基于周边1 包围的区域而不减掉任何因开口 122产生的面积。如后文描述的，其开口 122相对于表面尺寸较大的成形磨粒被认为具有增强的磨削性能。在本发明的各种实施例中，第一面124的面积或尺寸与第二面126的面积或尺寸基本上相等。在本发明的其他实施例中，第一面IM或第二面1 可以比另一个面更小。 参见图6B和6C，可以改变成形磨粒120的第二面1 和侧壁1 之间的拔模角α，从而改变各个面的相对尺寸。在本发明的一个实施例中，拔模角α可以为大约90度，使得两个面的面积基本上相等。在本发明的另一个实施例中，拔模角α可以大于90度，使得第一面124的面积大于第二面126的面积。在本发明的另一个实施例中，拔模角α可以小于90度，使得第一面124的面积小于第二面126的面积。在本发明的其他实施例中，拔模角α可以在约95度至约130度之间、在约95度至约125度之间、或在约95度至约115度之间。不希望受到理论束缚，但可以相信90度之外的拔模角导致了成形磨粒120倾斜而不是相对于涂附磨料制品中的背基成90度取向，因为在涂附磨料内的成形磨粒120的基底 (侧壁128)因拔模角而倾斜。由于成形磨粒120在多数情况下由于其所在的成角度基底而倾斜或倾向于一侧，所以其可以具有相对于背基小于90度的取向角度，从而提高切削速率，如提交于 2008 年 12 月 17 日的名称为 “Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall”(具有倾斜侧壁的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请No. 12/337，075 (代理人档案号64869US002)中的更详细描述。在本专利申请中描述的一个实施例中，采用98度的拔模角α，该角度下的切削速率是具有90度的拔模角α的类似成形磨粒的切削速率的大约两倍。相比不带开口的实心的完整成形磨粒，带开口 122的成形磨粒120可具有若干意想不到的有益效果。首先，与实心的成形磨粒相比，带开口 122的成形磨粒120具有增强的切削速率。不希望受到理论束缚，但可以相信切削速率的提高是由使用磨粒时磨平面积减小所导致。在成形磨粒磨损时，通常在成形磨粒工作面上出现越来越大的磨平面，从而钝化成形磨粒。相比之下，当带开口 122的成形磨粒120磨损时，磨平面的尺寸最初可以增大， 直到成形磨粒磨穿至开口 122为止。此时，开口 122的存在通过形成两个较小的磨平面而非先前存在的单个较大的磨平面，从而有效地减小了总的磨平面积。新形成的较小磨平面使成形磨粒120重新变锋利，从而相比实心成形磨粒提高了其性能。其次，在一些实施例中，可以认为成形磨粒120内的开口 122可充当容器，以保持相比可以设置在不带开口 122的实心成形磨粒上的更多的助磨剂或SS浆料化合物。此外， 由于助磨剂存在于带开口 122的成形磨粒120的表面和中间，所以在开始使用磨粒以及随后当带开口 122的成形磨粒120磨穿至位于开口 122内的助磨剂容器时，都存在助磨剂，从而增强了切削性能。最后，在一些实施例中，据信成形磨粒120内的开口 122可充当锚固点，以通过使用底胶层或涂胶层将成形磨粒120更牢固地附接到背基上，从而减少在使用过程中成形磨粒120的“剥落”。当带开口 122的成形磨粒120用于形成涂附磨料制品时，固化的底胶层或涂胶层可以完全穿透成形磨粒120。因此，相比仅通过粘合力附接到磨粒侧面的实心成形磨粒，带开口 122的成形磨粒120更牢固地附接到涂层上。本质上，由于涂层可以穿透开口 122，故带开口 122的成形磨粒120被“缝合”到底胶层或涂胶层内，从而相比仅用其侧面附接的实心成形磨粒更牢固地保持磨粒。在本发明的各种实施例中，在涂附磨料制品内，带开口 122的成形磨粒120内的开口 122可以容纳底胶涂层、胶接涂层、SS浆料涂层、助磨剂、空隙或它们的任何组合。图7为将每个都带开口 122的成形磨粒120与碟形磨粒220进行比较的照片。图 8为具有多个型腔的生产工具的照片。成形磨粒前体在模具内加工，以便在成形磨粒前体干燥时导致在每个成形磨粒前体内形成开口 122。提交于2008年12月17日的名称为“a^ped Abrasive Particles With An Opening”(带开口的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请No. 12/337，112(代理人档案号64765US0(^)提供了有关制造此类成形磨粒的有益效果和方法的更多信息。碟形磨粒参见图9、10和11，其中示出了示例性的碟形磨粒220。用于制造碟形磨粒220、磨料碎片或带开口的成形磨粒的材料包括α-氧化铝。α-氧化铝粒子可由氧化铝一水合物的分散体制成，如后面讨论的，该分散体被胶凝、模制成形、干燥定形、煅烧，然后被烧结。成形磨粒的形状得以保持，而无需粘结剂以在粘结剂中形成包含磨粒(随后被成型为成形结构)的附聚物。通常，碟形磨粒220包括薄的本体，该薄的本体具有第一面2Μ和第二面226，这两个面由具有不同厚度T的侧壁2 分隔开。通常，碟形磨粒拐角处的侧壁厚度较大，而沿每个边缘的中点处的侧壁厚度则较薄。因此，Tm小于Tc。在一些实施例中，侧壁228为具有大于90度的拔模角α的倾斜侧壁，后面将详细讨论。可以存在不止一个倾斜侧壁，并且碟形磨粒的各个倾斜侧壁的倾斜度或拔模角可以相同，如图9和10中所示，或者各个倾斜侧壁的倾斜度或拔模角不同，如提交于2008年12月17日的名称为“Shaped Abrasive Particle With a Sloping Sidewall”(具有倾斜侧壁的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请No. 12/337，075(代理人档案号64869US002)中所讨论的。碟形磨粒220的侧壁2 形状可以是变化的，并且其形成第一面2 和第二面2 的周边229。在一个实施例中，第一面2 和第二面2 的周边2 选择为具有一定几何形状，并且第一面2M和第二面2 选择为具有相同的几何形状，但它们可能在尺寸上不同， 一个面的尺寸可能大于另一个面。在一个实施例中，第一面224的周边2 和第二面2 的周边2 为图示的三角形形状。在一些实施例中，采用等边三角形形状，在其他实施例中采用等腰三角形形状。在一些实施例中，第一面224凹进，第二面2 基本上为平面。所谓“凹进”，是指第一面224的内部厚度Ti小于成形磨粒沿周边的厚度。在一个实施例中，凹进的面具有基本上平坦的中央部分和上翘的拐角，如图所示。在其他实施例中，凹进的面为基本上凹陷的。如后文将更详细讨论，可以认为凹进的面通过在形成弯月面的模具34内的溶胶-凝胶形成，如图7左侧最佳示出的那样让第一面凹进。如上所述，第一面224凹进，使得在尖端或拐角230处的厚度Tc往往大于第一面 224内部的厚度Ti。因此，当碟形磨粒220如图10中的布置方式安放时，尖端或拐角230 高于第一面2M的内部。不希望受到理论束缚，但可以相信凹进的第一面2M增加了由碟形磨粒220移除的材料量。特别是，冰淇淋勺或匙子就具有可有效挖入材料内并移除大量材料的凹形末端。在挖入和移除大量材料时，勺子远比刀或扁平物体有效。类似地，具有凹陷表面的凹磨凿可产生更锋利的刃口。可以相信，以类似的方式在碟形磨粒220上设置凹面，能够使碟形磨粒的磨削性能比具有平坦的第一面2M和平坦的第二面226的类似成形的磨粒提高。另外，可以认为在锋利的上翘尖端或拐角磨掉之后，成形磨粒具有较薄的内部可以有助于提高碟形磨粒的磨削性能。当内部较薄时，两个因素可以在改善磨削性能方面发挥作用。首先，相比具有较厚内部的成形磨粒，在使用碟形磨粒过程中产生的对应磨平面的面积可能较小。如果一个颗粒只有相邻颗粒的一半厚，那么由于厚度的改变，所产生的磨平面将只有一半大小。其次，较薄的内部可以导致碟形磨粒在使用过程中的破碎增加，从而提高颗粒通过断裂力学作用将自身再次磨锐的能力。厚的颗粒的断裂可能性比薄的颗粒小。在本发明的各种实施例中，厚度比Tc/Ti可以在1. 25至5. 00之间、或在1. 30至 4. 00之间、或在1. 30至3. 00之间。为了计算厚度比，筛选了 15个随机选择的碟形颗粒。 对每个颗粒的每个拐角的高度进行测量，然后对所有高度求平均值，以确定Tc平均值。例如，三角形的成形磨粒各具有3个Tc测量值，总共具有45个测量值，以用于确定Tc的平均值。如果成形磨粒为圆形、椭圆形或不具有拐角或尖端的其他形状，则对于每个成形磨粒， 应测量沿周边彼此等距的三个点。然后，测量各颗粒第一面224内部的最小厚度Ti。通常， 可以利用成形磨粒的半透明性来找到最小内部厚度，并将15个结果平均以确定Ti平均值。 通过用Tc平均值除以Ti平均值确定厚度比。装有纵横移动载物台和竖直位置测量镜台的光学显微镜可用来测量碟形磨粒各部分的厚度。经测量，在一些实施例中，根据本发明制造的三角形碟形磨粒具有在1. 55至2. 32之间的厚度比。经测量，根据授予Rowenhorst等人
"Abrasive Article Containing Shaped Abrasive Particles" ( Lj^MJgf立的磨粒制品)的美国专利No. 5，366，523中所公开的现有技术方法制造的三角形成形磨粒具有在0. 94至1. 15之间的厚度比，这意味着该磨粒为基本上平坦的，并且中间略厚的可能性与中间略薄的可能性相同。具有大于1. 20的厚度比的碟形磨粒在95%置信区间内在统计意义上不同于Rowenhorst颗粒。参见图9，碟形磨粒220的第二面2 和侧壁2 之间的拔模角α可以不同以改变各个面的相对尺寸。不希望受到理论束缚，但可以相信90度之外的拔模角导致碟形磨粒220倾斜而不是相对于涂附磨料制品中的背基成90度取向，因为在涂附磨料内的碟形磨粒220的基底(侧壁228)会因拔模角而倾斜。由于碟形磨粒220在多数情况下由于其所在的成角度基底而倾斜或倾向于一侧，所以其可以具有相对于工件小于90度的前角， 从而提高切削速率，如提交于2008年12月17日的名称为"Siaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall”(具有倾斜侧壁的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请 No. 12/337，075(代理人档案号64869US002)中的更详细描述。如在该专利申请中讨论的， 已发现拔模角从90度略微增加至98度会使三角形成形磨粒的切削性能翻倍。在本发明的各种实施例中，拔模角α可在大约95度至大约130度之间、或在约95 度至约125度之间、或在约95度至约120度之间、或在约95度至约115度之间、或在约95 度至约110度之间、或在约95度至约105度之间、或在约95度至约100度之间。通过凹进第一面2Μ在侧壁2 和第一面2M之间产生锐角λ。这赋予碟形磨粒以能够确实挖入并移除材料的锯齿尖端Μ7;在拔模角α大于90度而使得磨粒在成形为涂附磨料制品时倾斜时，尤为如此。
为了进一步优化倾斜取向，将碟形磨粒涂敷到疏涂磨料层内的背基中。密涂磨料层被定义为可以由制造厂以单个步骤涂敷到磨料制品的底胶层的最大重量的磨粒或磨粒共混物。疏涂磨料层是以克为单位的重量小于最大可涂敷重量的磨粒或磨粒共混物，涂敷到涂附磨料制品的底胶层上。疏涂磨料层将导致具有磨粒的底胶层的覆盖百分比少于 100%，从而在磨粒之间留下敞开区域和可见树脂层。在本发明的各种实施例中，磨料层内的敞开区域百分比可以在约10%至约90%之间、或在约30%至约80%之间。可以认为如果在背基上涂敷过多的具有倾斜侧壁的碟形磨粒，则在颗粒之间将出现空间不足，从而让颗粒在底胶层和涂胶层固化之前倾斜。在本发明的各种实施例中，具有疏涂磨料层的涂附磨料制品内超过50 %、60 %、70 %、80 %或90 %的碟形磨粒是倾斜的， 并且具有小于90度的取向角β。在碟形磨粒的另一个实施例中，第一面2 可以是凸出的，第二面2 可以是凹陷的。这些碟形磨粒通常具有基本上恒定的厚度，并且类似于取自球形壳体的三角形部分。 现在参见图11，图中示出了具有凹陷的第二面2 和凸出的第一面224的碟形磨粒220的显微照片。每个三角形的边在第一面2 周边处测得为约1.2mm。颗粒具有大约0. 35mm 的厚度。提交于 2008 年 12 月 17 日的名称为"Dish-Siaped Abrasive Particles With A Recessed Surface”(具有凹面的碟形磨粒)的美国专利申请No. 12/336，961 (代理人档案号64716US002)中更详细地描述了碟形磨粒的另外的实施例。制造不同类型成形磨粒的方法第一工步涉及提供有晶种或无晶种的磨料分散体，该分散体可转化为α-氧化铝。α-氧化铝前体组合物常常包含为挥发性组分的液体。在一个实施例中，该挥发性组分为水。磨料分散体应包含足量的液体，以使磨料分散体的粘度足够低，从而能够填充模具型腔并复制模具表面，但是液体量不能太多，以致随后从模具型腔中去除液体的成本过高。在一个实施例中，磨料分散体包含2重量％至90重量％的可转化为α-氧化铝的颗粒(例如 α-氧化铝一水合物(水软铝石)的颗粒)以及至少10重量％、或50重量％至70重量％、 或50重量％至60重量％的挥发性组分(例如水)。相反，一些实施例中的磨料分散体包含 30重量％至50重量％、或40重量％至50重量％的固体。还可使用除水软铝石之外的氧化铝水合物。水软铝石可通过已知的技术来制造或者可商购获得。市售水软铝石的例子包括均得自&isol North America, Inc.的商标为 “DISPERAL”和“DISPAL”的产品，或者得自BASF公司的商标为“HiQ-40”的产品。这些氧化铝一水合物相对较纯，即它们除了一水合物外只包括相对较少的(如果有的话)水合物相， 并且具有高表面积。所得成形磨粒的物理特性和颗粒的所得粒径将大致取决于磨料分散体中所用材料的类型。在一个实施例中，磨料分散体为凝胶态。如本文所用，“凝胶”为分散在液体中的固体的三维网状结构。磨料分散体可以包含改性添加剂或改性添加剂前体。改性添加剂的作用在于增强磨粒的某些所需性质，或提高后续的烧结步骤的效率。改性添加剂或改性添加剂前体可为可溶性盐的形式，通常为水溶性盐。它们通常由包含金属的化合物构成，并且可为镁、锌、铁、硅、钴、镍、锆、铪、铬、钇、镨、钐、镱、钕、镧、钆、铈、镝、铒、钛等的氧化物的前体以及它们的混合物。可存在于磨料分散体中的这些添加剂的具体浓度可由本领域技术人员进行调整。通常，引入改性添加剂或改性添加剂前体会使磨料分散体胶凝。通过加热一段时间也可诱发磨料分散体胶凝。磨料分散体还可包含成核剂以促进水合氧化铝或煅烧氧化铝向α -氧化铝的转化。适用于本发明的成核剂包括α-氧化铝、α-氧化铁或其前体、二氧化钛和钛酸盐、氧化铬等的细粒，或者为在转化中起成核作用的任何其他物质。如果使用的话，则成核剂的量应足够多，以实现α-氧化铝的转化。使此类磨料分散体成核公开于授予^Awabel的美国专利 No. 4，744，802 中。可将胶溶剂加入磨料分散体中，以生成更稳定的水溶胶或胶态的磨料分散体。合适的胶溶剂为单质子酸或酸性化合物，例如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸。也可使用多质子酸，但是其使磨料分散体迅速胶凝，使得其不易处理并且难以向其中引入附加组分。某些商业来源的水软铝石具有有助于形成稳定磨料分散体的酸滴定度(例如吸收的甲酸或硝酸)。可通过任何合适的方法来形成磨料分散体，例如，简单地将氧化铝一水合物与包含胶溶剂的水混合的方法，或者通过形成氧化铝一水合物浆液再向其中加入胶溶剂的方法。可加入去沫剂或其他合适的化学品，以减小混合时形成气泡或夹带空气的趋势。如果需要，可加入其他化学品，例如润湿剂、醇类或偶联剂。α -氧化铝磨粒可以包含二氧化硅和氧化铁，如1997年7月8日授予Erickson等人的美国专利No. 5，645，619中所公开。α-氧化铝磨粒可以包含氧化锆，如1996年9月3日授予Larmie的美国专利No. 5，551，963中所公开。或者，α-氧化铝磨粒可具有微结构或添加剂，如2001年8月21日授予Castro的美国专利No. 6，277，161中所公开。第二工步涉及提供具有至少一个型腔32、优选具有多个型腔的模具34。参见图1、 图4和图8，模具34具有大致平坦的底面30和多个型腔32。这些多个型腔可在生产工具中形成。生产工具可以是带状物、片状物、连续纤维网、涂布辊(如轮转凹版辊)、安装在涂布辊上的套管或模具。所述生产工具包含聚合物材料。合适的聚合物材料的实例包括热塑性材料(例如，聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烃、 聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、或它们的组合)和热固性材料。在一个实施例中，整个模具由聚合物材料或热塑性材料制成。在另一个实施例中，在干燥时与溶胶-凝胶接触的生产工具表面(例如多个型腔的表面)包含聚合物材料或热塑性材料，并且生产工具的其他部分可由其他材料制成。作为举例，合适的聚合物涂层可以涂覆到金属模具上改变其表面张力性质。聚合物工具可由金属母模复制而成。母模将具有生产工具所需的反向图案。母模可以按照与生产工具相同的方式制得。在一个实施例中，母模由金属(例如镍)制成，并且经金刚石车削。可以将聚合物片状材料与母模一起加热，以通过将二者压在一起在聚合物材料上压印出母模的图案。也可将聚合物材料或热塑性材料挤出或浇注在母模上，然后进行压制。冷却热塑性材料使其凝固，然后制造出生产工具。如果利用热塑性生产工具，则应注意不要产生过多热量，这些热量可使热塑性生产工具变形，从而限制其寿命。关于生产工具或母模的设计和制造的更多信息可见于以下专利中美国专利5，152，917(Pi印er等人)、5，435, 816 (Spurgeon 等人)、5，672, 097 (Hoopman 等人)、5，946, 991 (Hoopman 等人)、 5, 975, 987 (Hoopman 等人)以及 6，129, 540 (Hoopman 等人)。可从顶面38中的开口或从底面30中的开口(未示模具34的出)进入型腔32。 在某些情况下，型腔32可延续至模具34的整个厚度。或者，型腔32也可仅延续至模具34的厚度的一部分。在一个实施例中，顶面38基本上平行于底面30，其中模具34的型腔具有基本上一致的深度。模具34的至少一侧，即形成型腔的一侧在除去挥发性组分的步骤中可保持暴露在周围大气环境下。型腔32具有规定的三维形状。在一个实施例中，当从顶部观察时，型腔的形状可描述为三角形，其具有倾斜侧壁36，使得型腔的底面30略小于顶面38中的开口。据信，倾斜侧壁能够使磨粒前体易于从模具中移除。在本发明的各种实施例中，预定角度α可在约 95度至约130度之间、或在约95度至约120度之间，例如98度。在另一个实施例中，模具 34包括多个三角形型腔。这些多个三角形型腔中的每个型腔均包括等边三角形。或者，可使用其他型腔形状，例如圆形、矩形、正方形、六边形、星形或它们的组合， 所有形状均具有基本上均勻的深度尺寸。该深度尺寸等于从顶面38到底面30最低点的垂直距离。此外，型腔的形状可为其他几何形状的反转，例如角锥形、截头角锥形、截球形、截椭球形、圆锥形和截头圆锥形。给定型腔的深度可为均勻的或可沿其长度和/或宽度变化。 给定模具的型腔的形状可以相同或不同。第三工步涉及通过任何常规技术来用磨料分散体填充模具中的型腔。在一个实施例中，模具34的顶面38涂覆有磨料分散体。磨料分散体可泵送到顶面38上。然后，可用刮刀或矫直棒将磨料分散体完全压入模具34的型腔32中。可将未进入型腔32中的磨料分散体的剩余部分从模具34的顶面38处去除，并将其回收利用。在一些实施例中，可使用刀辊涂布机或真空缝口模头。在一些实施例中，磨料分散体的一小部分可保留在顶面38上，并且在其他实施例中，顶面基本上不含分散体。刮刀或矫直棒所施加的压力通常小于lOOpsi、 或小于50psi、或小于lOpsi。在一些实施例中，磨料分散体无暴露表面大幅度延伸超过顶面38，以保证所得磨粒厚度的均勻度。在一个实施例中，包括侧壁36和底面30在内的型腔内表面不含脱模剂。典型的脱模剂包括(例如)油类(如花生油、鱼油或矿物油)、有机硅、聚四氟乙烯、硬脂酸锌、以及石墨。不含脱模剂有助于在干燥磨料分散体时确保成形磨粒前体粘着在型腔壁上，从而使模具中至少大部分的成形磨粒前体破裂。在其他实施例中，使用脱模剂形成完整的成形磨粒。通常，在液体(例如水或酒精)中的介于约0. 1重量％至约5重量％之间的脱模剂 (例如花生油)被涂敷到接触溶胶-凝胶的生产工具表面，使得当需要脱模时，每单位面积模具上存在介于约0. lmg/in2至约3. Omg/in2之间、或介于约0. lmg/in2至约5. Omg/in2之间的脱模剂。第四工步涉及控制溶胶-凝胶在模具中的流变性，以制造不同类型的成形磨粒。 具体地讲，发明人已经确定使用热塑性模具或聚合物模具时溶胶-凝胶的粘度、脱模剂的存在与否、以及干燥速率相互作用，以清晰地使最终磨粒成形。通过控制这些变量，使系统达到动力学和热力学平衡，从而影响所制造的成形磨粒的类型。因此，完全相同的模具型腔可以制造磨料碎片、带开口的成形磨粒、碟形磨粒或具有两个平行平面的成形磨粒。通常，取消脱模剂并使用聚合物模具或热塑性模具可导致形成磨料碎片，这是因为溶胶-凝胶更多地粘合到模具并断裂。通常，使用脱模剂和更快速地干燥的更高屈服应力的溶胶-凝胶往往会在形成碟形磨粒的溶胶-凝胶模具内形成弯月面。通常，当在聚合物模具表面上存在脱模剂时，通过增大干燥速率将增加与碟形磨粒内的空气接触的弯月面的尺寸。更大的弯月面的形成最终在成形磨粒内产生开口。溶胶-凝胶屈服应力(随剪切速率而变的最大粘度)可以使用流变仪(例如可得自在英国Worcestershire有办事处的 Malvern instruments Ltd 白勺 Bohlin Gemini 200) 贝Ijfi。下表1列出已发现可产生不同类型成形磨粒的一些工艺参数。然而，由于成形磨粒的所得类型取决于模具内的溶胶-凝胶干燥时的复杂流变性，故在工艺条件上存在一定的重叠，并且可能需要根据使用的准确溶胶-凝胶和模具的表面张力特性调整变量。表1 控制磨粒类型的典型工艺参数
权利要求
1.一种方法，包括提供具有多个型腔的模具，所述多个型腔包括聚合物表面；用溶胶-凝胶填充所述多个型腔，所述溶胶-凝胶包含在液体中的可转化为α -氧化铝的颗粒，所述液体包含挥发性组分；以及当所述溶胶-凝胶存在于所述多个型腔内时从所述溶胶-凝胶中除去至少一部分所述挥发性组分，从而形成多个具有选自下列类型的成形磨粒前体磨料碎片、带开口的成形磨粒和碟形磨粒。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在所述多个成形磨粒前体存在于所述多个型腔内时将所述多个成形磨粒前体的至少大部分破碎成至少两块，从而形成多个破碎的成形磨粒前体。
3.根据权利要求2所述的方法，包括从所述多个型腔中移除所述多个破碎的成形磨粒前体；煅烧所述多个破碎的成形磨粒前体，从而形成多个煅烧过的破碎的成形磨粒前体； 以及烧结所述多个煅烧过的破碎的成形磨粒前体，从而形成多个α -氧化铝磨料碎片。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述破碎包括在高于所述挥发性组分沸点的温度下进行干燥。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述挥发性组分包含水，并且干燥温度在约105°C 至约150°C之间。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述破碎包括使75%至100%的所述多个成形磨粒前体破碎成至少两块。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个型腔包括聚丙烯表面，并且所述模具中的所述多个型腔未被涂敷脱模剂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述破碎包括在约105°C至约120°C之间的温度下进行干燥。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个型腔包括等边三角形型腔。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述溶胶-凝胶包括约30%至约50%之间的固体。
11.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个型腔包括等边三角形型腔。
12.根据权利要求1所述的方法，包括在用所述溶胶-凝胶填充所述多个型腔之前用脱模剂处理所述多个型腔。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述脱模剂包括花生油。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述溶胶-凝胶具有大于约6000 .s的屈服应力，从而形成多个碟形磨粒前体。
15.根据权利要求14所述的方法，包括从所述多个型腔中移除所述多个碟形磨粒前体；煅烧所述多个碟形磨粒前体，从而形成多个煅烧过的碟形磨粒前体；以及烧结所述多个煅烧过的碟形磨粒前体，从而形成多个碟形磨粒。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个型腔包括等边三角形形状。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述溶胶-凝胶具有大于约4000 · s的屈服应力，从而形成多个带开口的成形磨粒前体。
18.根据权利要求17所述的方法，包括从所述多个型腔中移除所述多个带开口的成形磨粒前体；煅烧所述多个带开口的成形磨粒前体，从而形成多个煅烧过的带开口的成形磨粒前体；以及烧结所述多个煅烧过的带开口的成形磨粒前体，从而形成多个带开口的成形磨粒。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个型腔包括等边三角形形状。
全文摘要
通过控制工艺参数和使用具有多个模具型腔的聚合物生产工具，可以由完全相同的模具制造选自下列不同类型的成形磨粒磨料碎片、碟形磨粒和带开口的成形磨粒。在一个实施例中，所述模具包括多个等边三角形型腔，并且用同一模具制造出破碎的磨粒前体、碟形磨粒前体或带开口的成形磨粒前体。
文档编号B24D3/00GK102281992SQ200980154647
公开日2011年12月14日 申请日期2009年11月24日 优先权日2008年12月17日
发明者尼格斯·B·艾德弗里斯, 德怀特·D·埃里克森, 斯科特·R·卡勒, 约翰·D·哈斯, 约翰·T·博登 申请人:3M创新有限公司