用于汽车涂装组合物的氧化铝磨料颗粒的制作方法

相关申请的引用

本申请要求于2017年2月15日提交的美国临时申请no.62/459,400的权益，该临时申请的全部内容以引用方式并入本文。

本公开涉及氧化铝粉末以及使用所述粉末的应用。更具体地，本公开涉及α氧化铝粉末，其用于研磨抛光剂中，并具有特定的表面积、特定的初级晶粒尺寸、特定的孔隙率和特定的粒度分布。

背景技术：

透明涂层是具有光泽且透明的涂层，通常喷涂在汽车(例如轿车、轮船、飞机等)的色漆涂层的顶部。透明涂层可与环境形成最终界面。因此，除为汽车提供期望的光泽以外，透明涂层还可提供紫外线(导致车漆褪色)防护，并且保护彩色涂层免受各种形式的有害化学品、鸟粪、酸雨、微小划痕等的影响。在施加透明涂层后，透明涂层可能存在一些缺陷或不均匀，从而影响汽车的光泽度。这样，透明涂层可用研磨抛光剂(也称为化合物)进行抛光，以使透明涂层变平。该研磨抛光剂可包括粗磨料颗粒。这些粗磨料颗粒可去除透明涂层的非常薄的层，从而使透明涂层变平。除使透明涂层变平以外，研磨抛光剂还可用于去除透明涂层中的划痕。这种去除划痕的过程可以为多步骤过程。例如，可先用较大的粗磨料颗粒使透明涂层变平，然后可用较小的细磨料颗粒获得高光洁度。因此，抛光透明涂层的过程可能非常耗时。

技术实现要素：

申请人已经发现一种粉末，该粉末可用于研磨抛光剂中，以在短时间内获得高去除率，同时改善光泽度和雾度。具体地，申请人已经发现一种α氧化铝粉末，该α氧化铝粉末具有特定的表面积、特定的初级晶粒尺寸、特定的孔隙率和特定的粒度分布，当用于研磨抛光剂中时，能够快速实现高去除率，同时不降低美学质量。

本公开涉及颗粒和粉末两者。这两个术语是等价的，唯一需要注意的是单数的“粉末”是指颗粒的集合。本发明可应用于各种粉末和颗粒。“颗粒”和“聚集体”可在整个说明书中互换使用。聚集体/颗粒可包含可烧结在一起的多个晶粒。这些晶粒可轻微或强力烧结。

本文对“约”值或参数的引用包括(并且描述)指向该值或参数本身的变化。例如，关于“约x”的描述包括“x”的描述。此外，对短语“小于”、“大于”、“至多”、“至少”、“小于或等于”、“大于或等于”或其他后跟一串值或参数的类似短语的引用意指将该短语应用于该串值或参数中的每个值或参数。例如，α氧化铝的重量百分比可为至少约75wt％、约80wt％或约85wt％的陈述意指α氧化铝的重量百分比可为至少约75wt％、至少约80wt％或至少约85wt％。

如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确地指示。还应当理解，本文中所使用的术语“和/或”是指并且涵盖相关联的所列出项目中的一个或多个的任何和全部可能的组合。还应当理解，本文所用术语“包括”或“包含”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或单元，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件、单元和/或它们的组。

根据以下具体实施方式，其他的优点对本领域的技术人员而言将是显而易见的。本文的实例和描述在本质上应视为例示性的而非限制性的。

附图说明

参考附图描述示例性实施例，其中：

图1示出高分辨率sem显微图，其中显示了本文所述的氧化铝粉末的微观结构。

具体实施方式

申请人已经发现一种粉末，该粉末可用于研磨抛光剂中，以在短时间内获得高去除率。具体地，申请人发现一种α氧化铝粉末的组合，其具有特定的表面积、特定的初级晶粒尺寸、特定的孔隙率和特定的粒度分布，当其用于研磨抛光剂中时，能够快速实现高去除率，同时不降低美学质量。

氧化铝前体起始材料

用于形成氧化铝粉末的起始材料可为氧化铝前体粉末。在一些实施例中，氧化铝前体粉末可为氢氧化铝粉末。在一些实施例中，氢氧化铝粉末可包括三水铝石、勃姆石、水铝石或它们的组合。在一些实施例中，氧化铝前体粉末可为包含过渡氧化铝相的氧化铝粉末。例如，氧化铝前体粉末可包括γ、η、θ、χ、k和/或δ相氧化铝。

氧化铝前体粉末颗粒可包含多个晶粒，所述多个晶粒具有小于约5微米、约2微米、约1微米或约0.5微米的平均初级晶粒尺寸。在一些实施例中，氧化铝前体粉末颗粒可包含多个晶粒，所述多个晶粒具有约0.01-5微米、约0.05-2微米、约0.075-1微米或约0.1-0.5微米的平均初级晶粒尺寸。在一些实施例中，晶粒中的每个具有小于约5微米、约2微米、约1微米或约0.5微米的初级晶粒尺寸。在一些实施例中，晶粒中的每个具有约0.01-5微米、约0.05-2微米、约0.075-1微米或约0.1-0.5微米的初级晶粒尺寸。

氧化铝前体粉末还可具有至少约100m²/g、约200m²/g、约250m²/g、约275m²/g或约300m²/g的比表面积。在一些实施例中，氧化铝前体粉末可具有约10-400m²/g、约30-350m²/g或约50-320m²/g的比表面积。此外，氧化铝前体粉末可具有至少约2g/cm³、约2.2g/cm³、约2.5g/cm³、约3g/cm³、约3.25g/cm³、约3.5g/cm³、约3.75g/cm³或约4g/cm³的密度。

热处理氧化铝前体粉末以形成α氧化铝粉末

为了制备氧化铝粉末，可煅烧上述氧化铝前体粉末。煅烧氧化铝前体粉末时，可形成氧化铝。然而，氧化铝可处于各种相，包括γ、η、θ、χ、k、δ和/或α相。氧化铝的每种相可具有独特的晶体结构和性质。此外，氧化铝的制备趋于产生多相氧化铝(即，由多种相而不是单个相的氧化铝组成)。然而，申请人的氧化铝前体粉末热处理过程可产生具有大部分α氧化铝(即α-三氧化二铝)的粉末。α氧化铝是化学稳定性最高的氧化铝相，并且也具有最高的硬度，因此使α相适用于磨料化合物中。

各种装置可用于煅烧氧化铝前体粉末，包括回转窑、静态窑、马弗炉、升降窑或推板窑等。虽然可使用各种装置来煅烧氧化铝前体粉末，但是存在主要的煅烧因素。这些主要因素可包括，例如煅烧温度和煅烧时间。由于可产生各种相的氧化铝，因此主要的煅烧因素可使煅烧粉末主要处于α氧化铝相。例如，煅烧氧化铝粉末可为至少约50wt％、约60wt％、约70wt％、约75wt％、约80wt％、约85wt％、约90wt％、约95wt％、约96wt％、约97wt％、约98wt％、约99wt％、约99.5wt％、约99.9wt％或约100wt％的α氧化铝。煅烧氧化铝粉末的剩余重量百分比可为α相以外的氧化铝。

煅烧过程的温度可为约700-1600℃、约800-1500℃、约900-1400℃、约1000-1300℃或约1100-1300℃。在这些温度范围之外，煅烧粉末的α氧化铝含量可能处于上文公开的α氧化铝重量百分比以外。煅烧时间可为约1-48小时、约12-48小时、约24-48小时或约24小时。较长的煅烧时间可引起更多的晶粒颗粒颈缩或异常生长。此外，煅烧可在空气、真空或惰性气体的气氛中进行。

煅烧氧化铝粉末颗粒可包含多个晶粒，所述多个晶粒具有小于约5微米、约2微米、约1微米或约0.5微米的平均初级晶粒尺寸。在一些实施例中，煅烧氧化铝粉末颗粒可包含多个晶粒，所述多个晶粒具有小于约0.01-5微米、约0.05-2微米、约0.075-1微米或约0.1-0.5微米的平均初级晶粒尺寸。在一些实施例中，晶粒中的每个具有小于约5微米、约2微米、约1微米或约0.5微米的初级晶粒尺寸。在一些实施例中，晶粒中的每个具有小于约0.01-5微米、约0.05-2微米、约0.075-1微米或约0.1-0.5微米的初级晶粒尺寸。可最终改变粉末的结构，影响可研磨性，并最终影响得到的粒度分布。也可改变聚集的晶粒的硬度和分解行为，并改变使用过程中的性能。因此，保持较小的初级晶粒尺寸可在实现最终所需的粒度分布时提供更高的灵活性。

煅烧氧化铝粉末还可具有约1-20m²/g、约5-15m²/g、约5-12m²/g、约6-11m²/g、约7-10m²/g或约8-9m²/g的比表面积(ssa)。ssa可以是一种良好的单一度量，其结合了氧化铝相、结构和尺寸。如果ssa远高于这些公开的范围，则氧化铝相可能低于α相，并且将减小研磨抛光剂中此类粉末的去除率。如果ssa远低于这些公开的范围，则氧化铝粉末可能具有非常粗糙的α颗粒，这可能导致明显划痕，从而将整个透明涂层去除。此外，煅烧氧化铝粉末可具有大于或等于约1g/cm³、约2g/cm³、约3g/cm³、约3.8g/cm³、约3.9g/cm³、约3.97g/cm³、约3.98g/cm³或约4g/cm³的密度。如果密度远低于这些公开的范围，则氧化铝相可能低于α相，并且将减小研磨抛光剂中此类粉末的去除率。

煅烧氧化铝粉末也可以是多孔粉末。具体地，煅烧氧化铝粉末可为中孔粉末和大孔粉末。中孔隙率和大孔隙率可通过孔体积和孔径来量化。例如，煅烧氧化铝粉末的至少一部分可为中孔粉末，具有约0.001-0.5cm³/g、约0.001-0.3cm³/g、0.005-0.25cm³/g、约0.01-0.2cm³/g或约0.05-0.15cm³/g的孔体积和约2-50nm、约2-20nm、约3-15nm或约5-10nm的孔径。此外，煅烧氧化铝粉末的至少一部分可为大孔粉末，具有约0.01-0.2cm³/g、约0.03-0.15cm³/g或约0.05-0.1cm³/g的孔体积和约50-500nm、约50-200nm或约50-100nm的孔径。该孔隙率可使粉末聚集体/颗粒在使用过程中分解。此外，这些孔隙率(和密度)可使煅烧粉末随后被研磨成具有下文所述的特定的粒度分布。这样，上述材料特性可形成下文所述的粒度分布。

将α氧化铝粉末研磨成具有特定的粒度分布

为了在研磨抛光剂中使用时快速实现高去除率，同时不降低美学质量，申请人已经发现可用于研磨抛光剂中的氧化铝粉末的特定粒度分布。申请人发现的特定粒度分布能够为研磨抛光剂提供性能优势，因为其具有大规模颗粒/颗粒聚集体。较粗的颗粒聚集体可提供高去除率，而较小的颗粒和聚集体(以及最终的单个晶粒)可提供原位粗划痕去除，从而保持光洁度。换言之，较大的颗粒聚集体可首先提供高去除率，然后较小的颗粒(或分解的聚集体)可提供所需的光洁度。

研磨后的氧化铝粉末颗粒可包括具有约0.1微米至约200微米的尺寸的颗粒。研磨后的氧化铝粉末的粒度分布可具有约0.01-5微米、约0.05-3微米、约0.75-2微米或约0.1-1微米的d5。研磨后的氧化铝粉末的粒度分布可具有约5-50微米、约10-45微米、约5-20微米、约7.5-17.5微米或约10-15微米的d50。在一些实施例中，研磨后的氧化铝粉末的粒度分布可具有小于约50微米、约40微米、约30微米或约20微米的d50。研磨后的氧化铝粉末的粒度分布可具有约30-120微米、约60-150微米、约65-110微米、约70-105微米或约75-100微米的d95。在一些实施例中，研磨后的氧化铝粉末的粒度分布可具有小于约150微米、约100微米或约75微米的d95。此外，研磨后的氧化铝粉末的粒度分布可具有约0.1-1微米、约0.001-0.5微米、约0.005-0.3微米或约0.01-0.2微米的d0和/或约65-200微米、约75-225微米、约90-210微米或约100-200微米的d100。在一些实施例中，研磨后的氧化铝粉末的粒度分布可具有小于约200微米、约150微米或约100微米的d100。这种宽分布可提供研磨抛光剂中的磨料颗粒的快速切割速率，同时保持由于粉末具有宽尺寸范围而去除粗划痕的能力。此外，由于研磨后的氧化铝粉末继续用作抛光剂，粉末中较小的颗粒可提供更出色的光洁度，其可使用户更容易转到抛光过程的下一个步骤。

上述粒度分布可通过研磨煅烧氧化铝粉末来获得。各种装置可用于煅烧氧化铝粉末的研磨中，包括立式搅拌器、水平搅拌器、辊磨机、喷射研磨机或行星式研磨机等。此外，研磨可采用湿法或干法进行。

例如，湿法可包括使用立式搅拌器，该立式搅拌器采用主轴和细介质。立式搅拌器中介质∶粉末的比例可为约2∶1、3∶1、5∶1或10∶1。立式搅拌器的受控rpm可为约100-1500rpm、约150-1250rpm或约200-1000rpm。此外，表面活性剂可用于立式搅拌器中，以潜在地控制zeta电位和分散。

湿法研磨的另一个示例是水平搅拌器研磨机。与上述立式搅拌器一样，受控rpm可为约100-1500rpm、约150-1250rpm或约200-1000rpm，并且表面活性剂可用于潜在地控制zeta电位和分散。

干法研磨的示例包括辊磨机和喷射研磨机。辊磨机可包括不同负载的介质和粉末。此外，可改变滚动rpm。喷射研磨机可利用颗粒的空气撞击冲击来研磨颗粒。此外，空气分粒机可与喷射研磨机一起使用，以精心控制颗粒的粒度分布。此外，可使用行星式研磨机，其依赖于粉末在包含介质的陶瓷容器中的旋转冲击进行研磨。

在一些实施例中，研磨后的氧化铝粉末可置于浆液中。在一些实施例中，浆液可包括研磨后的粉末和流体。在一些实施例中，流体可以是水或研磨后的粉末可悬浮于其中的其他流体。

如上所述，本文所述的研磨后的氧化铝粉末可用作研磨抛光剂。研磨抛光剂可包括研磨后的氧化铝粉末、流变改性剂、润滑剂、悬浮助剂、稳定剂、分散剂和/或表面活性剂。在一些实施例中，流变改性剂、表面活性剂、分散剂、稳定剂、悬浮助剂和润滑剂可为磨料颗粒流变改性剂、磨料颗粒表面活性剂、磨料颗粒分散剂、磨料颗粒稳定剂、磨料颗粒悬浮助剂和磨料颗粒润滑剂。在一些实施例中，研磨抛光剂可包括研磨后的氧化铝粉末以及分散剂、表面活性剂、稳定剂、流变改性剂和悬浮助剂中的至少一种。在一些实施例中，研磨抛光剂可通过以下方法来制备：将研磨后的氧化铝粉末以及流变改性剂、润滑剂、悬浮助剂、稳定剂、分散剂和表面活性剂中的至少一种加入容器中；然后将这些组分混合在一起。

这些研磨抛光剂可用于各种汽车(例如轿车、轮船、飞机等)的透明涂层和/或硬涂层上。更具体地，这些研磨抛光剂可用于粗去除步骤，以使汽车的透明涂层或硬涂层变平。在一些实施例中，研磨抛光剂可用于第一粗去除步骤，以使汽车的透明涂层或硬涂层变平，并在第二抛光步骤中获得高光洁度。

研磨抛光剂的性能可通过去除率以及达到以光泽度和雾度为标准的适当美观性所需的时间来测量。

实施例

以下实施例从1至21连续编号，提供了本文所述的各种非限制性实施例。

实施例1：一种包含至少75wt％的α氧化铝的氧化铝粉末，其中氧化铝粉末具有5-12m²/g的比表面积和d5为0.01-5微米、d50为5-50微米并且d95为30-120微米的粒度分布，其中氧化铝粉末中的颗粒包含多个晶粒，所述多个晶粒具有小于2微米的平均初级晶粒尺寸。

实施例2：根据实施例1所述的氧化铝粉末，其中氧化铝粉末包含至少85wt％的α氧化铝。

实施例3：根据实施例1-2中任一项所述的氧化铝粉末，其中氧化铝粉末的粒度分布具有0.1-1微米的d5、10-45微米的d50和60-150微米的d95。

实施例4：根据实施例1-3中任一项所述的氧化铝粉末，其中粒度分布具有0.1-1微米的d0。

实施例5：根据实施例1-4中任一项所述的氧化铝粉末，其中粒度分布具有65-200微米的d100。

实施例6：根据实施例1-5中任一项所述的氧化铝粉末，其中氧化铝粉末的表面积为7-10m²/g。

实施例7：根据实施例1-6中任一项所述的氧化铝粉末，其中氧化铝粉末具有至少3g/cm³的密度。

实施例8：根据实施例7所述的氧化铝粉末，其中密度为至少3.8g/cm³。

实施例9：根据实施例1-8中任一项所述的氧化铝粉末，其中平均初级晶粒尺寸为0.1-0.5微米。

实施例10：根据实施例1-9中任一项所述的氧化铝粉末，其中晶粒中的每个具有小于2微米的初级晶粒尺寸。

实施例11：根据实施例10所述的氧化铝粉末，其中晶粒中的每个具有小于1微米的初级晶粒尺寸。

实施例12：根据实施例1-11中任一项所述的氧化铝粉末，其中煅烧氧化铝粉末的至少一部分具有0.001-0.5cm³/g的孔体积和约2-50nm的孔径。

实施例13：根据实施例1-12中任一项所述的氧化铝粉末，其中煅烧氧化铝粉末的至少一部分具有0.01-0.2cm³/g的孔体积和50-500nm的孔径。

实施例14：根据实施例1-13中任一项所述的氧化铝粉末，其中粒度分布具有小于200微米的d100。

实施例15：一种形成研磨后的氧化铝粉末的方法，该方法包括：将包含氢氧化铝的粉末在800-1500℃的温度下煅烧，以形成包含至少75wt％的α氧化铝的氧化铝粉末；将氧化铝粉末研磨成具有d5为0.01-5微米、d50为5-50微米并且d95为30-120微米的粒度分布，以形成研磨后的氧化铝粉末。

实施例16：根据实施例15所述的方法，其中温度为900-1400℃。

实施例17：根据实施例16所述的方法，其中温度为1100-1300℃。

实施例18：根据实施例15-17中任一项所述的方法，其中将包含氢氧化铝的粉末煅烧1-48小时。

实施例19：根据实施例15-18中任一项所述的方法，其中将包含氢氧化铝的粉末在回转窑、静态窑或推板窑中煅烧。

实施例20：根据实施例15-19中任一项所述的方法，其中氧化铝粉末包含至少85wt％的α氧化铝。

实施例21：根据实施例15-20中任一项所述的方法，其中将氧化铝粉末研磨成具有d5为0.1-1微米、d50为10-45微米并且d95为60-150微米的粒度分布。

实施例22：根据实施例15-21中任一项所述的方法，其中将氧化铝粉末研磨成具有d0为0.1-1微米的粒度分布。

实施例23：根据实施例15-22中任一项所述的方法，其中将氧化铝粉末研磨成具有d100为65-200微米的粒度分布。

实施例24：根据实施例15-23中任一项所述的方法，其中粒度分布具有小于200微米的d100。

实施例25：根据实施例15-24中任一项所述的方法，其中将氧化铝粉末使用立式搅拌器、水平搅拌器、辊磨机、喷射研磨机或行星式研磨机进行研磨。

实施例26：一种浆液，该浆液包含根据实施例1-14中任一项所述的氧化铝粉末以及用于悬浮氧化铝粉末的至少一种流体。

实施例27：一种研磨抛光剂，该研磨抛光剂包含根据实施例1-14中任一项所述的氧化铝粉末以及分散剂、表面活性剂、稳定剂和流变改性剂中的至少一种。

实施例28：一种制备研磨抛光剂的方法，其包括：将根据实施例1-14中任一项所述的氧化铝粉末加入容器中；将分散剂、表面活性剂、稳定剂和流变改性剂中的至少一种加入容器中；以及混合氧化铝粉末与分散剂、表面活性剂、稳定剂和流变改性剂中的至少一种。

测试方法

除非另外指明，否则在以上描述和所附权利要求中提及的任何以下特征均是指使用以下测试获得的值：

粒度分布可使用horibala950通过激光散射法测得。可使用horibala-950激光散射粒度分析仪分析粉末样品的粒度。利用去离子(di)水作为循环浴介质，所用折射率为1.66，虚数值为0.0i。所用水的折射率为1.333。通过将0.5g样品引入玻璃烧杯中的30mldi水中，在分析之前使样品预分散。将di水的ph设置为6.4。使烧杯保持固定，并使用配有cv334型0.5英寸直径喇叭和vc750型电源(750w)的sonicsandmaterialsinc.vibracel牌处理器对材料进行声处理2分钟。电源在50％振幅下使用。用ph为6.4的di水准备horibala950分析仪以用于分析，通过用ph为6.4的额外di水冲洗两次，然后回填。对分析仪进行校准和空白校正，然后开始循环和搅拌。循环和搅拌分别保持在15和5。通过移液管将预分散的样品缓慢引入分析仪中，直至达到介于85％和90％的透射率水平。在采集测量值之前，使样品循环15秒。

比表面积可通过bet方法测得。

密度可通过氦测比重法测得。

氧化铝相的重量百分比可通过xrdreitveld细化方法测得。

初级晶粒尺寸可通过高分辨率sem显微图的图像分析测得。例如，图1示出高分辨率sem显微图，其中显示了本文所述的氧化铝粉末的微观结构。

孔体积和孔径可通过氮吸附等温线法测得。

本申请公开了文本和附图中的若干数值范围。本发明所公开的数值范围固有地支持所公开的数值范围内的任何范围或值，包括端点，即使本说明书中未逐字说明精确的范围限制也是如此，因为本公开可在本发明所公开的数值范围内实施。

以上提供的描述旨在使本领域的技术人员能够制备和使用本公开内容，并且在特定应用及其要求的上下文中提供。对优选实施例的各种修改对本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他实施例和应用中。如此，本公开并非意在限制所示出的实施例，而是要符合与本发明所公开原理和特性相一致的最大范围。最后，本申请中提及的专利和出版物的全部公开内容据此以引用方式并入本文。