含有粘附的功能粉末的结构磨料的制作方法

专利名称：含有粘附的功能粉末的结构磨料的制作方法
技术领域：
本发明的背景本发明涉及在基材上制造用于精加工诸如金属、木材、塑料和玻璃之类的基材的结构磨料的方法。
有关在背衬材料上沉积诸如粘合剂和磨料材料的混合物岛状物(islands)或脊的大体上相互隔离的结构以形成所谓的“结构磨料”的建议多年来是已知的。若所述各岛状物或脊在背衬上方具有非常类似的高度并且充分地被分离开(也许在少量修整操作之后)，使用该产品将会使表面刮痕减少和表面光滑性提高。另外，在各岛状物之间的空间能提供途径使来自工作区的由研磨产生的细屑分散和使冷却剂循环。
在常规经涂覆的磨料中，研究研磨表面后表明在活性研磨区中只有较少数目的表面磨粒同时与工件相接触。当表面磨损时，这个数目增大，但同时这些磨粒中一些粒子的作用会由于钝化而减弱。使用结构磨料具有下述优点，即整齐的岛状物以基本上相同的速度磨损，以至于均匀的磨削率可保持较长的时间。在某种意义上讲，磨削操作(abrading work)较均匀地分布在较多数目的研磨点上。而且，由于岛状物包含许多较小的磨料颗粒，所以岛状物的磨蚀会露出仍然没有钝化的新的、未使用过的磨料颗粒。
一种制造这种隔离岛状物或点的排列的已被描述过的技术是轮转凹版印刷技术。轮转凹版印刷技术使用一个其表面刻有单元图案的辊。这些单元填充有配料，并且将辊压到表面上，而单元中的配料转移到表面上。
在美国专利5,014,468中，描述了一种制造结构磨料的技术。在该方法中，将粘合剂/磨料配料从辊上的轮转凹版印刷单元沉积，将该配料沉积成一系列包围不含磨料的区域的结构。这被认为是由于没有从单元的整个体积沉积而仅从各单元的周边沉积的结果，于是就留下了所述的环形构造。
因此，轮转凹版印刷术的问题始终是岛状物的有用形状的保持问题。配制具有沉积所需的充分的可流动性，并且仍然是充分地不可流动的使得沉积在基材上时不会坍落成基本上均匀的涂层的磨料/粘合剂混合物，业已证实这是非常困难的。
在美国专利4,773,920中，Chasman等人披露了使用轮转凹版印刷涂覆机可以将脊和谷的整齐图案施加在粘合剂组合物上，该组合物固化时可用作去除润滑剂和细屑的槽。然而，除了述及可能性以外，没有给出说明它是如何进行的细节。
在美国专利4,644,703中，Kaczmarek等人以较常规的方式使用了轮转凹版印刷辊沉积一层磨料/粘合剂配料，而后将该层弄平，接着经轮转凹版印刷法在弄平的第一层上面再沉积第二层。其中没有述及最终固化表面的性能。
在美国专利5,014,468(Ravipati等人)中，提出了使用具有非牛顿流动性能的磨料/粘合剂混合物，并用轮转凹版印刷术将这种混合物沉积到一膜上。在此方法中，混合物从轮转凹版印刷单元的边缘沉积，从而产生一种独特的结构，沉积物的厚度随着离开包围不含混合物的区域的表面的距离而逐渐减小。若单元充分地紧靠在一起，则表面结构看起来会是相互连接的。这种产品证实是非常有用的，特别是在眼镜玻璃精磨操作中。此方法非常有用，但它有一个潜在的问题，即随着轮转凹版印刷辊单元中积累的材料增加，使得在持久的制造过程中，沉积图案会略微有所变化。另外，该方法的特征是局限于包含比较细小的磨粒(通常小于20微米)的配料。
另一种制造结构磨料的途径是将磨料/粘合剂混合物沉积到基材表面上，而后在与具有所需图案表面是反相的模具接触的条件下固化粘合剂，从而将包含隔离结构排列的图案施加到混合物上。这种方法在美国专利5,437,754，5,378,251，5,304,223和5,152,917中有描述。关于这个主题有若干种变化，但所有的都具有共同的特征，即在图案中的各结构是在复合体与模塑表面接触条件下固化粘合剂而施加的。
本发明提供一种制造能产生较强有力磨削作用的具有特别吸引人的选择余地的结构磨料的方法，所述结构磨料能很好地适用于处理各种基材，以基本上均匀的切削率在较长的操作时间内用于制造精加工产品。
本发明的概括描述现在发现含有粘附在表面上的功能粉末的结构磨料能提供优于单独结构磨料的许多优点。
在本申请中，所用的术语“功能粉末”是指施加在结构磨料上用来改进该结构磨料的磨削品质的细小分散的材料。这可以简单地认为是使制得的结构磨料的切削更为强有力或减少细屑或静电在表面上的积累。某些功能粉末另外还可以用作脱模剂或树脂配料和压花工具之间的阻隔层，减少粘结问题并改进脱模。“功能粉末”还包括细小的磨粒、助磨剂、抗静电剂、润滑剂粉末等。“细小分散的”是指粉末单个颗粒的平均粒度(D50)小于约250微米，例如1-150微米，更好为10-100微米。
本发明也包括一种制造包含粘合到背衬材料上的磨料/粘合剂复合体图案的结构磨料的方法，所述方法包括(a)将包含磨粒(和任选的填料、助磨剂和其它添加剂)和可固化树脂粘合剂的淤浆配料以连续方式或形成图案的方式沉积到基材上；(b)将一图案施加到淤浆配料上，形成结构磨料；和(c)将功能粉末的涂层粘合到结构磨料的形成图案的表面上。
这个方法的关键是将功能粉末粘合到结构磨料的表面上。这是如此完成的，即在粘合剂完全固化前，但粘合剂仍处在固化完全时施加在其上的粉末将永久粘附的状态下，将粉末施加到结构磨料的表面上。或者，可以将粘合剂涂层施加到完全固化的结构磨料的表面上，从而提供一种将功能粉末粘附到结构磨料表面上的方法。
粉末可以单层的形式施加到磨料/粘合剂复合体的上面，或以含有粘合剂中间层的几层的形式来施加以将粉末保持在其位置。例如，一层可以是细小的磨料粉末，而另一层可以是助磨剂。
粉末本身可以是磨料或各种粉末状材料，或者是具有上述所赋予的优良性能的组合体。可用作功能粉末的磨料颗粒可以由任何种类和大小的磨料颗粒组成，在某些情况下可以与粘合剂配料中所用的颗粒不同，并且会产生独特的研磨特性。功能粉末也可以由任何种类的助磨剂、抗静电添加剂、任何种类的填料和润滑剂组成。
可以使用各种常规的沉积方法来沉积一层或多层功能粉末。这些方法包括重力涂覆、静电涂覆、喷雾、振荡涂覆等。各种粉末的沉积可以同时或按次序进行，以便在压花前产生复合体结构。当使用一种粘合剂时，该粘合剂的种类可以与磨料/粘合剂配料中所用的相同或不同。
本发明的详细描述结构磨料表面的形成方法可以是那些已有技术中已知的任何一种，其中磨料和粘合剂前体的淤浆复合体在与背衬和制造工具接触时进行固化，从而使其一个表面粘合到背衬上，并将制造工具内表面的精确形状施加到另一个表面上。这种方法在如美国专利5,152,917；5,304,223；5,378,251和5,437,254中有描述，所有这些专利在此参考引用。其它制造方法(包括轮转凹版印刷涂覆)在美国专利5,014,468和4,773,920中有描述，这些专利在本申请中也加以参考引用。
结构磨料的表面可以具有任何所需的图案，这大部分由涂覆磨料产品的所需用途决定。例如可以提供由以任何所需方向排列的交替的脊和谷形成的表面。或者表面可以含有多个突起的复合体形状，这些复合体形状可以分开或相互连接并且相邻形状之间可以相同或不同。最典型的结构磨料在横跨涂覆磨料的表面上具有基本上相同的形状，它们构成预定的图案。这种形状可以是带有正方形或三角形底面的角锥形状，或者它们可以是较为圆形的形状，其中相邻的平面相交处没有清晰边缘。圆形形状的横截面可以是圆形的，或者视沉积条件和所需用途而成长圆形。形状的规整性在某种程度上取决于所需的应用。间隔较紧的形状(如每平方厘米上多于约1000个)对精加工或抛光是有利的，而间隔较宽的形状对较强有力的切削是有利的。
配料中的磨料组分可以是本领域已知的可购得材料中的任何一种，如α-氧化铝(熔凝或烧结陶瓷)、碳化硅、熔凝氧化铝/氧化锆、立方氮化硼、金刚石等以及它们的组合。用于本发明的磨料颗粒的平均粒度一般较好为1-150微米，更好为1-80微米。然而一般来说，磨料的量占配料的约10-90重量％，较好约30-80重量％。
配料的另一种主要组分是粘合剂。这是一种可固化的树脂配料，它选自可辐射固化的树脂如那些可使用电子束、紫外辐射或可见光固化的树脂，如丙烯酸酯化环氧树脂的丙烯酸酯化低聚物(acrylated oligomers of acrylated epoxyresins)，丙烯酸酯化的聚氨酯和聚酯丙烯酸酯和丙烯酸酯化的单体(包括单丙烯酸酯化、多丙烯酸酯化的单体)，和可热固化的树脂如酚醛树脂，脲/甲醛树脂和环氧树脂，以及这些树脂的混合物。事实上通常方便的做法是在配料中存在可辐射固化的组分，在配料被沉积后它能较快地固化，从而提高所沉积形状的稳定性。在本申请的文本中，应明白的是术语“可辐射固化的”包括使用可见光、紫外(UV)光和电子束辐射作为导致固化的作用剂。在某些情况下，热固化功能和辐射固化功能可以由同一个分子中的不同官能度提供。这通常是一个希望的手段。
树脂粘合剂配料也可以包含不反应的热塑性树脂，它可以通过提高消蚀性(erodability)而提高沉积磨料复合体的自锐化特征。这种热塑性树脂的例子包括聚丙二醇、聚乙二醇和聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物等。
可以在磨料淤浆配料中加入填料，以改进配料的流变性并改进固化粘合剂的硬度和韧度。有用填料的例子包括金属碳酸盐如碳酸钙、碳酸钠；二氧化硅如石英、玻璃珠、玻璃泡；硅酸盐如滑石、粘土、偏硅酸钙；金属硫酸盐如硫酸钡、硫酸钙、硫酸铝；金属氧化物如氧化钙、氧化铝；和三水合铝(aluminumtrihydrate)。
制造结构磨料的磨料淤浆配料也可以包含助磨剂，以提高研磨效率和切割速度。有用的助磨剂可以是以无机物为基的，如卤化物盐如钠冰晶石、四氟硼酸钾等；或以有机物为基的，如氯化蜡如聚氯乙烯。在此配料中较好的助磨剂是粒度为1至80微米，最好为5至30微米的冰晶石和四氟硼酸钾。助磨剂的重量百分数为0-50％，最好为10-30％。
本发明实践中所用的磨料/粘合剂淤浆配料还可以包含添加剂，它包括偶合剂如硅烷偶合剂，例如购自Osi Specialties，Inc.，的A-174和A-1100，有机钛酸盐和锆铝酸盐；抗静电剂如石墨、炭黑等；悬浮剂，粘度改性剂如煅制硅石(fumed silica)，例如Cab-0-Sil M5，Aerosil 200；抗负载剂如硬脂酸锌；润滑剂如蜡；润湿剂；染料；填料；粘度改进剂；分散剂；和消泡剂。
视其应用，沉积在淤浆表面上的功能粉末可以使磨料产品具有独特的研磨特征。功能粉末的例子包括1)磨料颗粒-所有的种类和砂粒大小；2)填料-碳酸钙、粘土、二氧化硅、硅灰石、三水合铝等；3)助磨剂-KBF4、冰晶石、卤化物盐、卤化烃等；4)抗负载剂-硬脂酸锌、硬脂酸钙等；5)抗静电剂-炭黑、石墨等；6)润滑剂-蜡、PTFE粉末、聚乙二醇、聚丙二醇、聚硅氧烷等。
沉积配料用的背衬材料可以是织物(织造、非织造或起绒的)、纸张、塑料膜或金属箔。通常，按本发明制造的产品最主要是应用于制造精细研磨的材料，故较好具有非常光滑的表面。这样，对于沉积本发明的复合体配料来说，精细蜡光纸(calendered paper)、塑料膜或带有光滑表面涂层的织物一般是较好的基材。
本发明将参考某些特定的实例作进一步描述，所述实例应理解为仅仅是为了例举，它对本发明的范围没有加以限制。
缩写为了简化数据表达，使用下述缩写聚合物组分Ebecryl 3605，3700-购自UCB Radcure Chemical Corp.的丙烯酸酯化的环氧低聚物。
TMPTA-购自Sartomer Company，Inc.的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
ICTA-购自Sartomer Co.，Inc.的异氰脲酸酯三丙烯酸酯。TRPGDA-购自Sartomer Co.，Inc.的二丙烯酸三丙二醇酯。粘合剂组分Darocure 1173-购自Ciba-Geigy Company的光引发剂。Irgacure 651-购自Ciba-Geigy Company的光引发剂。2-甲基咪唑-购自BASF Corp.的催化剂。Pluronic 25R2-购自BASF Corp.的聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物。KBF4-购自Solvay，中间粒度约为20目的助磨剂。Cab-O-Sil M5-购自Cabot Corporation的煅制硅石。颗粒FRPL-购自Treibacher的熔凝Al2O3(P320或P1000由“P值”指示的级别)。煅烧的Al2O3(40目)-购自Microabrasives Corporation。背衬用于眼镜玻璃应用的3密耳Mylar膜用于金属操作应用的5密耳Mylar膜Surlyn涂覆的J-重量的聚酯布*Surlyn是一种购自Du Pont的离子键树脂SURLYN 1652-1。磨料淤浆配料表I
配料的制备过程使用高剪切混合机以1000rpm的速度将各单体和/或低聚物组分在一起混合5分钟。然后将此粘合剂配料与任何引发剂、润湿剂、消泡剂、分散剂等混合，并在同样的搅拌速度下再继续混合5分钟。接着缓慢地并以下面指定的顺序加入下述各组分，在各次加入之间以1500rpm的速度搅拌5分钟悬浮剂、助磨剂、填料和磨料颗粒。加入磨料颗粒后，将搅拌速度升至2,000rpm，并持续15分钟。在此期间，小心地监视温度，若温度达到40.6℃的话，则将搅拌速度降至1,000rpm。
沉积配料将树脂配料涂覆到上面所列的各种常规基材上。在所列举的情况下，使用缝隙设定在所需值的刮涂机来施涂磨料淤浆。在室温下进行涂覆。
施加功能粉末和压花在压花前，用粒度与配料中所用的相同或更细的磨料颗粒对淤浆的表面层进行改性。进行充分的沉积，形成被未固化的粘合剂组分粘结的单层。采用振荡将过量的粉末从层上去除掉。采用常规的振动筛滤法来施加粉末。
用未固化的淤浆配料涂覆基材和施加功能粉末后，立即使用带有所需图案的压花工具赋予磨料树脂和颗粒配料以所需的形状。这种压花装置包括钢背衬辊，它在用钢压花辊施加压力的过程中提供必需的支承。在工具已将其压痕施加到粘度改性的配料上之后，使用金属丝刷装置除去留在单元中的任何干的残渣或松散的颗粒。
固化在将粘度改性层压花形成图案之后，从压花工具上取下基材，送入固化区。当固化是热固化时，提供合适的装置。当固化是用光引发剂激发时，可以提供辐射源。若采用紫外固化，则使用两盏300瓦特的光源D灯泡和H灯泡，其剂量由形成图案的基材在能源下通过的速度来控制。在表2所列试验的基体的情况下，用紫外光进行固化。然而，在配料I的情况下，紫外固化之后立刻进行热固化。这种固化过程能充分确保最终尺寸的稳定性。
在第一个实施例中，用刻有17六边形图案的单元的辊对涂层进行压花。这就获得了如

图1和2所示的六边形岛状物的图案。在每种情况下，撒在表面上的磨料颗粒用作功能粉末。在图1中，撒在表面上的磨料是P1000，而在图2中它是P320。在每种情况中，磨料/粘合剂配料都是配料I。
在第二个实施例中，将压花辊刻上25三螺旋线辊表面图案的凹槽。图3和4图示了正如在第一个试验中分别用P320和P1000磨料砂粒涂覆的配料III和IV。使用同样的涂覆方法。
在第三个实施例中，在压花辊上刻出的图案是45角锥形，采用配料I，获得了隔离的以正方形为基的角锥形的图案。在第一个和第二个试验所用的相同的配料上施加P1000砂粒来改进表面。结果图示于图5中。
在所有的三个试验中，从压花时到粘合剂组分完全固化时，在压花表面上的结构基本上保持不变。
也进行了形状相类似但配料和磨料含量改变的其它实施例，它们如表2所列。在所有的情况下，制造方法与首批的三个实施例是相同的；然而，在树脂组成和功能粉末上有变化。
表2
17六边形压花辊图案包含深度为559微米，顶部各等边长为1000微米，底部各等边长为100微米的单元。
25三螺旋线图案是由相对于辊轴成45度方向切割的连续槽组成，所述槽的深度为508微米，顶部开口宽度为750微米。
40三螺旋线图案是由相对于辊轴成45度方向切割的连续槽组成，所述槽的深度为335微米，顶部开口宽度为425微米。
45角锥形图案包含以正方形为基的、倒置的角锥形单元，其深度为221微米，侧边大小为425微米。
研磨试验将若干所列的样品经两个主要类型的研磨试验，其数据列于表3至5中。第一种类型的试验由达600次旋转的Schieffer试验组成，在外径(O.D.)为1.1英寸的中空、304不锈钢工件上加载能产生有效研磨压力为23.2psi的8lbs恒定负载。将形成图案的磨料切成直径为4.5”的盘，并安装到钢背衬板上。背衬板和工件都以顺时针方向旋转，背衬板以195rpm的速度旋转，工件以200rpm的速度旋转。每隔50次旋转记录工件的重量损失，在600次旋转终结时进行总计。
第二种试验方法由微磨料环试验组成。在此试验中，使用60目的常规膜产品预粗糙球墨铸铁环(外径为1.75英寸，内径(I.D.)为1英寸，宽度为1英寸)，然后在60psi下用形成图案的磨料研磨。首先将磨料切成1”宽的条，用橡皮闸瓦使其紧靠在工件上。工件以100rpm的速度旋转，并在垂直方向上以125次振动/分钟的速度振动。所有的研磨均在OH200直馏油(straight oil)的润滑浴中进行。每隔10次旋转记录重量损失，在试验终结时进行总计。
表3淤浆配料中含有FRPL P320颗粒的形成图案的磨料的Schieffer试验(500次旋转)
表4淤浆配料中含有煅烧的Al2O340目颗粒的形成图案的磨料的Schieffer试验(600次旋转)
<p>表5精密磨削应用的环试验(在60psi下50次旋转)<
在表3中，清楚地证实了功能粉末和图案的种类的影响。在以45角锥形(P320在配料中，而P1000作为功能粉末)作为参照的情况下，使用较大的17六边形图案时，相同的树脂配料和功能粉末使总的切削量(total cut)略有提高。在所有的用较粗的P320级别代替P1000的情况下，切削量进一步提高。另外，三螺旋线图案优于六边形图案。
在功能粉末由KBF4和P320的混合物组成的最后一种情况中，切削量显著地提高。从这组数据可以清楚地看出，图案种类与功能粉末种类相结合明显地改变了研磨性能。
在表4中，将形成图案的磨料与对比例C-1(一种以商品名Q151购自NortonCo.的40mm磨粒的常规精密磨削磨料)作比较。从两种形成图案的磨料可以看出，总的切削量比常规产品有显著提高，而25三螺旋线图案优于较细的40三螺旋线图案。
在表5中，将40目形成图案的磨料在精密磨削应用中进行比较。再一次将其与对比例C-1(一种以商品名Q151购自Norton Co.的常规磨料产品)进行比较，形成图案的磨料在总的切削量上显示出改进。总之，上述图案在磨料测试应用中具有很好的性能，从一开始就产生了有效的研磨。
权利要求
1.一种制造包含粘合到背衬材料上的磨料/粘合剂复合体图案的经涂覆结构磨料的方法，所述方法包括在基材材料上形成磨料复合体的图案，各复合体包含至少部分固化的粘合剂和分散在其中的磨料颗粒，再将功能粉末粘合到这种磨料复合体的表面上。
2.如权利要求1所述的方法，其中磨料复合体排列成规整的阵列，并且它包含部分固化的粘合剂，使施加到结构磨料上的磨料颗粒粘附在其上，随后完全固化所述粘合剂。
3.如权利要求1所述的方法，其中在结构磨料的表面上施加第二种粘合剂材料，将功能粉末施加到该第二种粘合剂上，随后将其硬化。
4.如权利要求1所述的方法，其中功能粉末的平均粒度为1-150微米。
5.如权利要求1所述的方法，其中功能粉末选自磨料、填料、助磨剂、抗静电粉末、硬脂酸盐粉末和它们的混合物。
6.如权利要求1所述的方法，其中粘合剂包含可辐射固化或可热固化的树脂，或上述两者的混合物。
7.如权利要求1所述的方法，其中粘合剂树脂包含不反应的热塑性组分。
8.如权利要求1所述的方法，其中磨料占配料重量的约10-90％。
9.如权利要求1所述的方法，其中磨料颗粒选自铈、氧化铝、熔凝氧化铝/氧化锆、碳化硅、立方氮化硼和金刚石。
10.如权利要求1所述的方法，其中配料也包含一种或多种选自助磨剂、惰性填料、抗静电剂、润滑剂、抗负载剂和它们混合物的添加剂。
11.如权利要求10所述的方法，其中配料包含选自冰晶石、四氟硼酸钾和它们混合物的助磨剂。
12.如权利要求3所述的方法，其中第二种粘合剂与制造结构磨料所用的粘合剂相同。
13.一种经涂覆的磨料，它用权利要求1所述的方法制得。
14.一种经涂覆的磨料，它用权利要求2所述的方法制得。
15.一种经涂覆的磨料，它用权利要求3所述的方法制得。
16.一种经涂覆的磨料，它用权利要求4所述的方法制得。
17.一种经涂覆的磨料，它用权利要求5所述的方法制得。
18.一种经涂覆的磨料，它用权利要求6所述的方法制得。
全文摘要
适用于非常精细研磨应用的经涂覆的磨料,它可通过将一层结构磨料形式的包含磨粒、填料、助磨剂、添加剂和粘合剂树脂的配料沉积在基材上,而后将功能粉末粘合到该结构磨料的表面上而制得。
文档编号B24D3/00GK1266392SQ9880707
公开日2000年9月13日 申请日期1998年9月8日 优先权日1997年9月11日
发明者P·韦, G·S·斯韦, W·P·杨, K·B·阿伦 申请人:诺顿公司