磨料颗粒、制备磨料颗粒的方法以及磨料制品的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开设及磨料颗粒、制备磨料颗粒的方法W及磨料制品。
【背景技术】
[0002] 偶联剂是能够与复合材料的增强体和树脂基体两者反应形成化学键的化合物。其 还可W使无机填料或纤维粘结到有机树脂W在界面处形成或促成更强的键。偶联剂可W溶 液或气相形式施加到增强体，添加到树脂，或两者。偶联剂充当树脂与矿物之间的界面W在 两者之间形成化学桥。最常见类别的偶联剂是硅烷偶联剂（例如，有机Ξ烷氧基硅烷）、铁 酸醋、错酸醋W及有机酸-氯化铭配位络合物。
[0003] 偶联剂常用于制造磨料制品（例如，带涂层的磨料制品、树脂粘结的磨料制品W 及非织造磨料制品）W将磨料矿物和填料化学地键合到聚合物粘结剂树脂。
[0004] 然而，当将偶联剂与常见磨料矿物（通常为磨粒或磨料颗粒的形式）一起使用时， 可存在多种不足。例如，矿物与树脂之间的粘结强度可能不足W用于使用条件，从而导致在 称为剥落的现象中磨粒过早损失。此外，偶联剂可能不适合与磨粒（例如，金刚石和立方氮 化棚）一起使用，所述磨粒在其表面上具有很少（如果有的话）反应基团。
[0005] 仍然需要增强磨料制品中的磨粒与粘结剂树脂之间的粘结的方法和材料。
【发明内容】
[0006] 本公开通过在磨料颗粒上提供表面涂层而改善了各种偶联剂与磨料颗粒的粘结 有效性，所述表面涂层具有相对较高水平的径基基团，所述径基基团可用于与常见类别的 偶联剂（尤其包括有机硅烷偶联剂）化学键合。
[0007] 在一个方面，本公开提供了一种制备磨料颗粒的方法，所述方法包括W下步骤：
[0008] a)使第一陶瓷颗粒暴露于有机硅烷衍生的等离子体W形成等离子体改性的陶瓷 颗粒，所述有机硅烷衍生的等离子体由包含有机硅烷和氧的组分形成，其中所述有机硅烷 衍生的等离子体基本上不含氣；W及
[0009] b)使偶联剂与所述等离子体改性的陶瓷颗粒接触W提供所述磨料颗粒。
[0010] 在一些实施例中，所述方法可通过在步骤a)之前的W下步骤：使第二陶瓷颗粒暴 露于氧等离子体W形成所述第一陶瓷颗粒来进一步增强。
[0011] 在另一个方面，本公开提供了磨料颗粒，每个磨料颗粒包括：
[0012] 陶瓷忍，其中所述陶瓷忍不包含二氧化娃；
[0013] 壳层，所述壳层至少部分地包封所述陶瓷忍，其中所述壳层包含娃、氧和氨，并且 其中所述壳层包含娃醇基团；W及
[0014] 通过偶联剂与所述娃醇基团的至少一部分缩合而形成的至少一个残基。
[0015] 在又一个方面，本公开提供了一种磨料制品，所述磨料制品包括根据本公开的磨 料颗粒。
[001引如本文所用，术语"陶瓷"是指包含至少90重量％、优选地至少95重量％、更优选 地至少99重量％、或甚至100重量％的陶瓷和/或玻璃-陶瓷材料的任何材料。
[0017] 在考虑【具体实施方式】W及所附权利要求书之后，将进一步理解本公开的特征和优 点。
【附图说明】
[0018] 图1是包含根据本公开的磨料颗粒的示例性带涂层的磨料制品的示意性剖视图；
[0019] 图2是包含根据本公开的磨料颗粒的另一个示例性带涂层的磨料制品的示意性 剖视图；
[0020] 图3是包含根据本公开的磨料颗粒的示例性粘结的磨料制品的示意性透视图；并 且
[0021] 图4为包含根据本公开的磨料颗粒的非织造磨料制品的放大示意图。
[0022] 在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开相同或类似的特征或元 件。应当理解，本领域的技术人员可W设计出大量其他修改形式和实施例，运些修改形式和 实施例落入本公开原理的范围和实质内。附图可能未按比例绘制。
【具体实施方式】
[0023] 制备根据本公开的磨料颗粒的方法包括运样的步骤，在该步骤中，使陶瓷颗粒暴 露于等离子体，所述等离子体由包含有机硅烷和氧的组分形成。优选地，陶瓷颗粒尺寸适合 用作磨料颗粒，但运不是必需的。如本文所用，术语"磨料颗粒"是指莫氏硬度为至少4或 尺寸分布适用于磨料制品和/或工艺的颗粒。
[0024] 陶瓷颗粒可包含例如氧化侣（例如，包括热处理氧化侣、白色烙凝氧化侣、褐色烙 凝氧化侣、单晶烙凝氧化侣、烧结的溶胶-凝胶衍生氧化侣、溶胶-凝胶氮化侣/氮氧化侣、 W及烧结侣抓± )、碳化娃、氧化侣-氧化错、侣氧氮化物、姉±、低氧化棚、石恼石、娃藻岩、 燈石、金刚石（例如，包括天然和合成金刚石）W及立方氮化棚（cBN)。在一个实施例中， 磨料可包括立方氮化棚、金刚石、氧化侣、碳化娃或它们的组合。陶瓷颗粒可为随机成型的 (例如，粉碎的颗粒）或精确成型的（例如，其形状对应于模具，所述模具用于通过溶胶-凝 胶工艺形成所述颗粒）。在一些实施例中，陶瓷颗粒（及因此陶瓷忍）不包含二氧化娃。不 同陶瓷颗粒组合物和/或形状的组合可用于根据本公开的工艺。
[00巧]由包含有机硅烷和氧的组分形成的等离子体可通过已知的方法制备；例如，如美 国专利8, 080, 073 (Moses等人）中所述。等离子体基本上不含含氣组分。目P，等离子体包 含小于1重量％的氣，优选地小于0. 1重量％的氣，更优选地小于0. 01重量％的氣，甚至更 优选地小于0. 001重量％的氣，甚至更优选地小于0. 0001重量％的氣，或完全不含氣。
[0026] 有机硅烷优选地被选择为具有足够的蒸气压，使得其可通过气体输送技术来处 理，但运不是必需的。优选地，有机硅烷由娃、碳、氨和任选的氧原子构成，但也可使用其他 有机硅烷。合适有机硅烷的示例包括：四甲基硅烷（TM巧；甲基硅烷；二甲基硅烷；Ξ甲基娃 烧；乙基硅烷；原娃酸四乙醋（TE0巧；四甲基环四硅氧烷（TMCTS);二娃烷基甲烧；二（甲基 娃烷基）甲烧；1, 2- 一娃烷基乙烧；1, 2- 一(甲基娃烷基）乙烧；2, 2- 一娃烷基丙烷；一.己 基硅烷；^乙基甲基硅烷；丙基硅烷；乙締甲基硅烷；^乙締^甲基硅烷；1, 1, 2, 2-四甲基 二硅烷；六甲基二硅烷；1，1，2, 2, 3, 3-六甲基Ξ硅烷；1，1，2, 3, 3-五甲基Ξ硅烷；二甲基 ^娃烷基乙烧；^甲基^娃烷基丙烷；四甲基^娃烷基乙烧；四甲基^娃烷基丙烷；W及它 们的组合。优选地，有机硅烷为四甲基硅烷。在一些实施例中，有机硅烷包括有机硅氧烷， 诸如，六甲基二硅氧烷、四甲基二硅氧烷、聚二甲基二硅氧烷W及它们的组合。
[0027] -般来讲，可通过如下方式制备此类等离子体：在使得形成等离子体的条件下，将 有机硅烷和氧W及任选的惰性气体进给到等离子体产生装置的处理室中。所得等离子体改 性的陶瓷颗粒具有娃酸盐层，所述娃酸盐层在其外表面上包含娃、氧和氨。优选地，娃酸盐 层在陶瓷颗粒的表面上是基本上均匀和/或完整的。
[0028] 典型的等离子体反应器具有处理室，在所述处理室中形成等离子体并且等离子体 暴露于待进行等离子体改性的制品。室在低压力下操作，并且装有电气部件（例如，电极） 和气体处理控制器W形成并控制等离子体。
[0029] 在等离子体处理过程中，由处理室内气体在反应器中产生的等离子体是通过给至 少一根电极供电（例如，从W0. 001到lOOMHz范围内的频率运行的射频（RF)发生器供给） 而产生和维持的。电极系统可W是对称的或不对称的。在一些等离子体设备中，接地电极 和供电电极之间的电极表面积比率为2:1至4:1或3:1至4:1。供电电极可W用，例如，水 来冷却。通过（例如）将颗粒设置为直接接触不对称电极构造的较小电极，可W实现等离 子体沉积。运使得颗粒因供电电极和颗粒之间的电容禪合而起电极作用。陶瓷颗粒的揽拌 可有助于确保壳层的基本上完整和/或均匀的沉积。
[0030] RF电源W在0. 01至50MHz、或13. 56MHz、或其任何整数倍（如1、2或扣范围内的 典型频率供电。RF电源可W是RF发生器，例如13. 56MHz的振荡器。为了获得有效的功率 禪合（即，其中反射功率为入射功率的一小部分），可经由网络将电源连接到电极，所述网 络用于将电源的阻抗与传输线路的阻抗（通常为50欧姆电抗）相匹配，W便有效地通过同 轴传输线路传输RF功率。一种类型的匹配网络（其包括两个可变电容器和一个感应器） 可W商品名AMN3000得自佛罗里达州圣彼德斯堡的Plasmatherm公司（Plasmatherm,St. Petersburg,Florida)。传统的功率禪合方法设及在供电电极和电源之间的阻抗匹配网络 中使用隔直流电容器。该隔直流电容器可防止DC偏压被分流到剩余电路。相反，接地电极 中的DC偏压被分流。虽然RF电源的可接受频率范围可足够高，W便在较小电极上形成大 的负DC自偏压，但该频率范围不应该如此高，W至于在所得等离子体中产生驻波，运会使 等离子体处理无效。
[0031] 等离子体由包含氧、有机硅烷和任选的惰性气体（例如，氮、氛、氣或氣）的组分形 成。有机硅烷与氧在等离子反应器的处理室中基于重量计的进料比率通常在约0. 05与约 0. 35之间，优选地在约0. 05至约0. 25之间。可调整暴露的功率和持续时间W确定所施加 的涂层的厚度。
[0032] 通常，等离子体处理接触时间为约0. 1分钟至约10分钟，优选地约0. 1分钟至 约2分钟。用于对磨料颗粒进行TMS的分批处理等离子体沉积的示例性工艺条件如下：约 150sccm的TMS流速；约500sccm的氧流速；约75毫托（7300mPa)的压力；约1000瓦特的 射频（R巧功率密度；W及约600秒的等离子体处理时间。
[0033] 除了陶瓷颗粒的分批处理之外，可将颗粒放置在传送机网上并连续地处理；例如， 使用美国专利5, 888, 594值avid等人）；5, 948, 166值avid等人）；7, 195, 360度aeon,化. 等人）化及7, 887, 889Oavid等人）中所述的技术。连续等离子体处理设备通常包括可由 RF电源供电的旋转筒电极、用作接地电极的接地室、W连续移动网形式连续提供待处理制 品的进料卷轴、W及收集处理后制品的收卷轴。进料卷轴和收卷轴可任选封闭于室内，或者 只要低压等离子维持于室内，也可在室外操作。如果需要，可在通电筒电极附近添加同屯、接 地电极W用于附加的间距控制。如果希望提供不连续处理，可采用掩模。入口W蒸气或液 体形式向室内提供合适的处理气体。
[0034] W上工艺的结果是具有陶瓷忍且至少部分地被等离子体沉积的壳层包封的颗粒。
[0035] 优选地，起至少部分地包封作用的等离子体沉积的壳层具有Inm至lOOOnm厚、更 优选地1皿至100皿厚W及更优选地50至100皿厚的厚度，但也可使用其他厚度。优选地， 壳层至少部分地包封陶瓷忍。
[0036] 在任选的预处理步骤中，可使陶瓷颗粒先暴露于氧等离子体，然后暴露于由上述 包含有机硅烷和氧的组分形成的等离子体。该步骤可用于例如从陶瓷颗粒的表面移除任 何有机材料（例如，污染物），所述有机材料可能原本会干扰壳层的形成或其与陶瓷忍的粘 附。
[0037] 壳层包含具有娃醇基团（即，Si-OH基团）的娃酸盐材料。娃醇基团对偶联剂具 有反应性W形成磨料颗粒。示