包含聚集体的涂布研磨产品的制作方法

包含聚集体的涂布研磨产品的制作方法
【专利摘要】提供一种包含微粒材料的涂布研磨产品，微粒材料包含未烧制的生料研磨聚集体，所述聚集体具有基本类球形或环形的形状，所述聚集体由包含磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂的组合物形成。自由研磨产品、粘合研磨产品和微粒材料也包含聚集体。
【专利说明】包含聚集体的涂布研磨产品
[0001]本申请是申请日为2008年I月23日，申请号为200880002768.5，发明名称为“包
含聚集体的涂布研磨产品”的申请的分案申请。
发明领域
[0002]本发明一般涉及研磨微粒材料、结合了研磨微粒材料的研磨产品、以及对工件进行机加工的方法。
[0003]发明背景
[0004]研磨产品一般包含研磨微粒材料，或者由研磨微粒材料形成。这些研磨微粒材料可以用作自由研磨剂(例如以浆液形式)或用作固定研磨剂(通常为涂布研磨制品或粘结研磨制品)。各种工业中使用研磨产品对工件进行机加工，例如通过精研、磨光或抛光进行机加工。利用研磨制品进行机加工包括从光学工业、汽车漆修复工业、牙科应用至金属制造工业的广泛范围。在家庭应用中，消费者也通常用手进行机加工，或者用常用工具(例如轨道式抛光器(无规和固定轴)、带式砂磨机和振动式砂磨机)进行机加工。在这样的各例子中，使用研磨剂来去除本体材料和/或影响产品的表面特征(例如平面度、表面粗糙度)。
[0005]表面特征包括光泽度、质地纹理和均匀性。例如，金属组件的制造商使用研磨制品精细抛光表面，经常需要均匀平滑的表面。类似地，光学产品制造商需要研磨制品来生产无缺陷表面，以避免光线衍射和散射。因此，研磨制品的研磨表面经常会影响表面品质。
[0006]人们认为，例如通过化学合成途径或本体材料加工途径(例如熔融和粉碎)形成研磨颗粒是得到很好开发并且是成熟的现有技术。因此，对宏观结构的开发倾注了很多资源，例如在涂布研磨剂方面开发了工程设计的研磨产品，在粘合研磨剂方面开发了特定的三维结构以及配方。除了持续的努力之外，在该领域还持续要求改进的微粒材料。
[0007]微粒材料包括基本单相的无机材料，例如氧化铝、碳化硅、氧化硅、二氧化铈、以及更硬的高性能超级研磨晶粒(例如立方氮化硼和金刚石)。通过复合微粒材料的开发，获得了提高的甚至更为高级的研磨性质。这些材料包括形成聚集体(aggregate),聚集体可以通过浆液加工途径形成，该途径包括通过挥发或蒸发去除液体载剂，留下生料附聚体(greenagglomerate),随后高温处理(即烧制)形成可用的经过烧制的附聚体。
[0008]这些复合附聚体已经商用于各种研磨产品应用中。但是，工业中仍然需要更为改进的微粒材料，特别是可以提供加强的机加工性能的复合聚集体。
[0009]发明概述
[0010]根据一个实施方式，一种涂布研磨产品包括基材以及与其粘结的微粒材料，所述微粒材料包含未烧制的生料研磨聚集体，所述聚集体具有基本类球形或环形的形状，所述聚集体由包含磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂的组合物形成。
[0011]根据另一个实施方式，一种研磨浆液包含在悬浮液中提供的未烧结的生料研磨聚集体，所述聚集体具有基本类球形或环形的形状，所述聚集体包含磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂。
[0012]根据另一个实施方式，一种粘合研磨剂形式的固定研磨剂包含未烧制的生料研磨聚集体，用聚集体间粘结剂彼此固定就位，所述聚集体具有基本类球形或环形的形状，所述聚集体包含磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂。
[0013]根据另一个实施方式，一种形成研磨微粒材料的方法包括:形成包含液体载剂、磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂的浆液；喷雾干燥浆液形成包含磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂的未烧制的生料聚集体。而且，对聚集体进行分级，以用于研磨产品中。
[0014]根据另一个实施方式，一种对工件进行机加工的方法，其包括:提供具有初始表面粗糙度Rai的工件；用单一研磨产品研磨该工件，从工件上去除材料；该工件的最终表面粗糙度Raf不大于0.2Rai。
[0015]附图简要说明
[0016]通过参考附图，可以更好地理解本发明，而且其各特征和优点对本领域技术人员而目是显而易见的。
[0017]图1 一 3是显示根据本发明一个实施方式在基材上的涂层中的研磨聚集体的扫描电子显微镜的显微照片，所述聚集体包含组合的金刚石砂(grit)和氧化硅纳米颗粒。
[0018]图4-6是显示根据本发明另一个实施方式在基材上的涂层中的研磨聚集体的扫描电子显微镜的显微照片，所述聚集体包含组合的碳化硅砂和氧化硅纳米颗粒。
[0019]图7表示根据实施方式对实施例的热重分析(TGA)结果。
[0020]图8显示对根据实施方式的含金刚石聚集体进行合成后热处理的结果。
[0021]图9-16显示根据不同配方或工艺参数形成的不同聚集体。
[0022]各附图中使用相同的附图标记表示类似或相同的项目。
【具体实施方式】
[0023]根据一个实施方式，提供了特别适合于机加工操作的研磨聚集体，在机加工操作中进行研磨去除材料并且提高表面品质。可以通过基于浆液的处理形成研磨聚集体。在本文中，各实施方式可以利用喷雾干燥将包含聚集体的组成物质和液体载剂(例如水)的浆液混合在一起，形成液滴并且干燥。更具体地说，特定实施方式中组合有磨料(可以为微米颗粒形式)、粘结剂(可以为纳米颗粒形式)和液体载剂(可以是水，以便于处理和加工)。各实施方式进一步包括浆液中的增塑剂(也称为分散剂)，以促进磨料在由此形成的经过喷雾干燥的聚集体中的分散。
[0024]本文使用术语“微米颗粒”来表示平均粒度约为0.1-50微米，优选不小于0.2微米、0.5微米、或0.75微米，并且不大于约20微米、例如不大于10微米的颗粒。【具体实施方式】的平均粒度约为0.5-10微米。
[0025]本文使用术语“纳米颗粒”表示平均粒度约为5-150纳米，通常小于约100纳米、80纳米、60纳米、50纳米、或小于约40纳米的颗粒。纳米颗粒的特定平均粒度在约20-50纳米范围内。
[0026]本文使用术语“聚集体”表示由许多较小颗粒构成的颗粒，这些较小颗粒的组合方式使得较难通过施加压力或进行搅拌而将聚集颗粒分离或分解成较小颗粒。这与本文所用术语“附聚体”形成对比，“附聚体”表示由许多较小颗粒构成的颗粒，这些较小颗粒的组合方式使得能够通过施加压力或进行手动搅拌而较容易地分离附聚颗粒或者将其分解成较小颗粒。根据本实施方式，聚集体具有复合结构，其包含尺寸在微米颗粒范围的磨料砂和纳米颗粒粘结剂，所述纳米颗粒粘结剂提供嵌埋或容纳磨料的聚集体基质。如以下更具体描述的，根据各实施方式的聚集体具有明显的形态，其特征是，磨料均匀分布在纳米颗粒粘结剂中。
[0027]非常重要的是，根据各实施方式的聚集体为未烧制的生料状态。本文用作研磨产品或用于研磨产品中的聚集体在形成之后尚未进行会改变聚集体的微晶尺寸、晶粒尺寸、密度、抗张强度、杨氏模量等性质的明显热处理，例如煅烧、烧结或重结晶。这些热处理过程通常在陶瓷工处理时进行，从而提供适用的产品，但是本文中并不使用陶瓷工艺。这些热处理步骤通常在400°C以上、一般等于或高于500°C时进行。事实上，对于某些陶瓷物质，温度很容易就达到800-1200°C及以上。[0028]磨料颗粒的莫氏(Mohs)硬度一般大于约3，优选约为3-10。对于特殊应用，磨料颗粒的莫氏硬度不小于5、6、7、8或9。人们一般认为，磨料颗粒在研磨聚集体中作为主要活性磨光剂或抛光剂。合适研磨组合物的例子包括非金属的无机固体，例如碳化物、氧化物、氮化物和某些含碳材料。氧化物包括氧化硅(例如石英、方石英和玻璃状形式)，二氧化铈，氧化锆，氧化铝。碳化物和氮化物包括但并不限于碳化硅，铝，氮化硼(包括立方氮化硼)，碳化钛，氮化钛，氮化硅。含碳材料包括金刚石，其广意包括合成金刚石、类金刚石碳、以及相关含碳材料(例如富勒烯和聚集金刚石纳米棒)。各材料还可包括各种天然存在的开采矿物，例如石榴石、方石英、石英、刚玉、长石。本发明的一些实施方式利用金刚石、碳化硅、氧化铝和/或二氧化铈材料，已经发现金刚石非常有效。另外，本领域技术人员能够理解，可以使用具有所需硬度特征的其他各种组合物作为本发明研磨聚集体中的磨料颗粒。另外，在根据本发明的一些实施方式中，可以在同一聚集体中使用两种或更多种的不同磨料颗粒的混合物。
[0029]从以上描述中应当理解，各实施方式中可以使用多种磨料颗粒。在上述内容中，人们认为立方氮化硼和金刚石是“超级研磨”颗粒，已经广泛商用于专业化的机加工操作中，包括高度关键的抛光操作。而且，可以对磨料颗粒进行处理，从而在将单独的颗粒结合进聚集体中之前先在这些颗粒上形成冶金合金化(metallurgical)涂层。超级磨料特别适用于涂层。典型的冶金合金化涂层包括镍、钛、铜、银及其合金和混合物。
[0030]—般来说,磨料颗粒的尺寸在微米颗粒范围内。应当注意，磨料颗粒可以由较小颗粒的研磨聚集体(例如研磨聚集体纳米颗粒)形成，但是磨料更通常由微米颗粒范围内的单一颗粒形成。例如，可以将许多纳米尺寸的金刚石颗粒聚集在一起提供金刚石磨料的微米颗粒。磨料颗粒的尺寸可以根据所使用磨料颗粒的种类而变化。例如，在本发明的一些实施方式中，优选使用尺寸约为0.5-2微米、例如约I微米的金刚石磨料颗粒。在本发明的其他实施方式中，优选使用尺寸约为3-8微米的碳化硅磨料颗粒。在本发明其他的实施方式中，优选使用尺寸约为3-5微米的氧化铝磨料颗粒。
[0031]磨料颗粒一般可以构成聚集体的约0.1-85%。更优选所述聚集体包含约10-50%的磨料颗粒。
[0032]在根据本发明的一个实施方式中，可以使用单一尺寸的磨料颗粒形成研磨聚集体，可以根据所需抛光应用调整磨料颗粒的尺寸以及所形成聚集体的尺寸。在另一个实施方式中，可以组合使用两种或更多种不同尺寸的磨料颗粒的混合物，形成具有可归功于各磨料颗粒尺寸的有利特征的研磨聚集体。[0033]根据本发明的研磨聚集体还包含上述纳米颗粒粘结剂材料。所述纳米颗粒粘结剂一般形成连续的基质相，其具有粘结剂性质，其作用是使研磨聚集体内的磨料颗粒形成并固定在一起。在这方面，应当注意，虽然纳米颗粒粘结剂形成连续的基质相，但是其本身一般由单独可分辨的纳米颗粒组成，这些纳米颗粒密切接触、互锁，并且在某种程度上彼此原子键合。但是，由于这样形成的聚集体处于未烧制的生料状态，所以单独的纳米颗粒一般没有熔合在一起形成晶粒，这与烧结的陶瓷材料的情况不同。本文使用的关于纳米颗粒粘结剂的描述可延伸到一种或多种粘结剂物质。
[0034]虽然发明人相信磨料材料作为主要研磨剂发挥作用，但是在本发明聚集体的一些实施方式中，纳米颗粒材料也可以作为次要研磨剂发挥作用。通过改变以下参数，例如纳米颗粒粘结剂材料的组成、纳米颗粒粘结剂材料与磨料颗粒的相对浓度比率、以及磨料颗粒的尺寸，可以调节聚集体的尺寸和抛光特征。纳米颗粒粘结剂材料本身可以包含非常细小的陶瓷和含碳颗粒，例如液体胶体或悬浮液中的纳米尺寸的二氧化硅(称为胶态氧化硅)。纳米颗粒粘结剂材料还可以包括但并不限于胶态氧化铝、纳米尺寸的二氧化铈、纳米尺寸的金刚石及其混合物。在本发明的一些实施方式中，优选使用胶态氧化硅作为纳米颗粒粘结剂。例如，已经成功使用的市售纳米颗粒粘结剂包括胶态氧化硅溶液BINDZEL2040、BINDZIL2040 (来自于乔治亚州玛丽埃塔的伊卡化学公司(Eka ChemicalsInc.0f Marietta,Georgia))和NEXSIL20(来自于马萨诸塞州埃斯兰德的耐卡纳米技术公司(Nyacol Nano Technologies, Inc.0f Ashland, Massachusetts))。
[0035]在喷雾干燥混合物形成聚集体之前，所述混合物可以包含约0.1-80 %、优选约10-30% (湿基)的纳米颗粒粘结剂材料。在形成的研磨聚集体中，纳米颗粒粘结剂材料可以构成聚集体的约1_90%、优选约20-80%、最优选约50-75% (干重基准)。
[0036]用于形成研磨聚集体的浆液中还可有利地包含另一种主要作为增塑剂(也称为分散剂)的材料，用以促进磨料在这样形成的聚集体内的分散。由于所用的低加工温度，发明人相信，增塑剂保留在这样形成的聚集体中，已经通过热重分析(TGA)对残余物进行定量。增塑剂还有助于在喷雾干燥混合物时将磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂材料一起固定在聚集体中。
[0037]在这方面，图7显示对含SiC的聚集体和含金刚石的聚集体进行的TGA分析的结果，显示在250-约400°C去除了残余的增塑剂。值得注意的是，发现金刚石在高温烧尽。要注意，TGA分析仅作为表征工具进行，聚集体经历的升高的温度并非形成聚集体的工艺流程的一个部分。
[0038] 增塑剂包括有机和无机材料，包括表面活性剂和其他表面张力改进物质。一些【具体实施方式】使用有机物质，例如聚合物和单体。在一个示范性实施方式中，增塑剂是多元醇。例如，多元醇可以是单体多元醇或聚合物多元醇。示范性单体多元醇包括1，2-丙二醇、1，4_丙二醇、乙二醇、丙三醇、季戊四醇、糖醇(例如甘露醇、山梨醇、异麦芽酚(isomalt)或其任意组合)、或其任意组合。示范性聚合物多元醇包括聚乙二醇，聚丙二醇，聚(四亚甲基醚)二醇，聚环氧乙烷，聚环氧丙烷，丙三醇与环氧丙烷、环氧乙烷或其组合的反应产物，二醇与二羧酸或其衍生物的反应产物，天然油多元醇，或其任意组合。在一个例子中，多元醇可以是聚酯多元醇，例如二醇与二羧酸或其衍生物的反应产物。在另一个例子中，多元醇是聚醚多元醇，例如聚乙二醇、聚丙二醇、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、或者丙三醇与环氧丙烷或环氧乙烷的反应产物。具体地说，增塑剂包括聚乙二醇(PEG)。
[0039]增塑剂(具体是聚乙二醇)可以具有一定范围的分子量。合适的分子量范围约为10-3000，例如50-1000、50-500、或50-400。根据本发明的某些实施方式，已经发现PEG 200是特别合适的增塑剂。在喷雾干燥之前，混合物中增塑剂的浓度可以约为0.5-40%,优选约为 0.5-5%。
[0040]应当清楚，用于形成聚集体的组合物中主要包含磨料、纳米颗粒粘结剂，经常还包含增塑剂。这些物质在用于形成聚集体的组合物中的相对含量可以变化。聚集体中的相对固体含量应当反映用于形成聚集体的组合物中的固体含量，但是由于喷雾干燥过程中发生干燥/挥发，所以增塑剂的最终含量可能变化，不过TGA分析可以显示聚集体中的增塑剂保留。以组合物的总固体含量为基准计，该组合物可包含约0.1-85重量％的磨料颗粒，约0.1-80重量％的纳米颗粒粘结剂，以及约0.5-40重量％的增塑剂。在一些实施方式中，该组合物可包含约10-50重量％的磨料颗粒，约50-90重量％的纳米颗粒粘结剂，以及约
0.5-15重量％的增塑剂。【具体实施方式】包含约15-40重量％的磨料颗粒和约60-85重量％的纳米颗粒粘结剂。
[0041]该组合物中还可以包含挥发性液体，其作为载剂，使磨料颗粒、纳米颗粒粘结剂材料和增塑剂的混合物液体化或流体化，这样，该混合物可以流入喷雾干燥器中，喷雾形成细小的聚集体液滴，并且在该干燥器中干燥。挥发性液体载剂优选是去离子水，不过也可以使用在典型喷雾干燥温度下能够去除并且不会显著改变混合物组成的其他挥发性液体。液体化的混合物可以包含磨料颗粒、纳米颗粒粘结剂材料、增塑剂，余量是挥发性液体。浆液形式的组合物可以是水基的，以浆液的总重量为基准计，可以包含约7.5-15%的磨料颗粒、约
2.5-7.5%的纳米颗粒粘结剂材料、约0.5-1.5%的增塑剂。
[0042]在加工过程中，应当注意，在根据本发明的某些实施方式中，优选在将磨料颗粒加入混合物中之前，基本消除磨料颗粒中任何累积的静电荷。已经观察到，如果磨料颗粒基本没有累积的库仑电荷，则在喷雾干燥步骤中形成的聚集体的稳定性将明显提高。充分混合之后，在喷雾干燥器中加工包含磨料颗粒、纳米颗粒粘结剂材料和增塑剂的组分的液化混合物，以形成研磨聚集体。
[0043]可以使用各种喷雾干燥设备,包括旋转雾化器、单流体喷嘴雾化器和双流体喷嘴雾化器。对于具有较小磨料颗粒的混合物以及对于形成较小聚集体的情况，优选的喷雾干燥器是旋转雾化器。对于具有较大磨料颗粒(尤其是那些大于约80微米的磨料颗粒)的混合物以及对于形成较大聚集体(尤其是那些大于约90微米的聚集体)的情况，优选单流体喷嘴或双流体喷嘴雾化器。
[0044]喷雾干燥器设备通常包括至少两个材料收集点，一个点位于旋流中，一个点位于主干燥室的底部。根据本发明形成的聚集体可以在这两个位置收集；但是，已经观察到，从旋流中收集的聚集体一般尺寸较小、重量较轻，而从主干燥室收集的聚集体一般尺寸较大、重量较重。已经观察到，从干燥器旋流中收集的聚集体的尺寸一般约为5-25微米。另一方面，已经观察到，从主干燥室收集的聚集体的尺寸一般约为20-100微米。
[0045]要开始喷雾干燥，一般以恒定的速率将浆液泵入喷雾干燥设备中。然后浆液通过喷雾干燥器中的雾化器或喷雾器，形成基本类球形的液滴。这些液滴在通过雾化器时，被热空气涡流捕获，这时浆液的液体部分基本上瞬间蒸发，而浆液的固体部分形成聚集体。热空气蒸发浆液的液体部分，留下固体颗粒，这种热空气一般不超过400°C，例如不超过375°C、350°C或300°C。喷雾干燥通常在大于约80°C、例如大于约90°C的温度下进行。【具体实施方式】在约90-250°C的温度下进行。注意到在喷雾干燥器的高温部分内的驻留时间一般限制在几秒，例如0.5-10秒，这与典型陶瓷产品烧结、煅烧或烧制时的典型热处理驻留时间形成明显对比。
[0046]浆液进入热空气涡流中时，液体基本去除,该混合物形成包含众多聚集体的细粉末，各研磨聚集体基本呈类球形的形状。本文使用术语“类球形”表示聚集体具有球形形状、或基本为球形形状，包括椭球形和其他球形变化形式，这是喷雾干燥过程导致的结果。因此，类球形包括球形、椭球形、去顶球形和去顶椭球形，但是一般具有圆形而非块形结构。应当清楚的是，聚集体各自包含由纳米颗粒粘结剂材料粘结在一起的磨料颗粒以及未蒸发的任何残余增塑剂。喷雾干燥步骤后聚集体的最终水分含量一般约为1-3重量％。
[0047]根据本发明有利的是，不需要其他显著改变刚形成的未烧制的生坯喷雾干燥聚集体的组成或形态的进一步加工步骤来生产可用的研磨聚集体。事实上，根据本发明的某些实施方式，制造聚集体的方法基本仅由上述混合和喷雾干燥步骤组成，而且非常明显，避免了会影响聚集体形态的热处理步骤。尤其是，不进行将材料加热至极高温度(约500-100(TC或以上)的步骤来熔化、烧结或熔合混合物中的氧化硅或其他纳米颗粒粘结剂。因此，在根据本发明的某些实施方式中，制造聚集体的方法的所有步骤都在约400°C或以下的温度进行。
[0048]这与用聚集颗粒制造研磨粉末的传统方法形成对比，传统方法通常要求在约500-1000°C或以上的非常高的温度进行烧结步骤。
[0049]虽然发明人相信，所述聚集体不需要烧结或其他类似的高温处理，但是已经发现，所形成的聚集体是高度耐久性的。具体地说，已经观察到，聚集体一旦形成之后，就能耐受多种化学溶剂的溶解，这些溶剂包括甲乙酮(MEK)、异丙醇(IPA)和1，4_ 二烷。
[0050]形成之后，可以按照要求，在将聚集体施用于基材或用于抛光操作中之前，对聚集体进行分级，或者将聚集体分离成不同的尺寸范围。除了研磨聚集体之外，制得的粉末还可以包含一定量的小于所 需晶粒尺寸的材料。由所形成的聚集体组成的微粒材料的平均粒度一般约为10-150微米。通常，该材料的平均粒度不小于约20微米，例如不小于约25微米。平均粒度的上限由方法限制和具体最终应用确定，该材料的平均粒度一般不大于约100微米，例如不大于约90、80、或者甚至不大于70微米。在一些实施方式中，聚集体材料的平均粒度优选约为20-50微米。可以调节聚集体的尺寸和尺寸范围，调节将依据诸多因素，包括混合物的组成以及喷雾干燥器的进给速率。例如，已经使用旋转雾化喷雾干燥器成功地生产了尺寸约为10微米、20微米、35微米、40微米和45微米的研磨聚集体。这些聚集体包含约5-8微米的磨料颗粒。
[0051]放大观察时，这些聚集体一般为类球形的形状，表征为图4-6的扫描电子显微照片中看到的圆化是或球形。但是在一些情况下，可以观察到该聚集体在接近其中心处具有空隙，由此表现出图1-3的扫描电子显微照片中看到的更接近为环形或类圆环的形状。可以观察到磨料材料(例如金刚石磨粒)的单独的颗粒分散在聚集体的表面上及其内部之中，而单独的磨料颗粒在聚集体表面上团聚在一起的情况比较少。注意到图1-6显示了在树脂粘结剂体系中粘结在一起的分散的单独的聚集体。[0052]进一步研究研磨聚集体发现，某些实施方式由空心类球体组成。这些颗粒类似于厚壳网球，其壁厚tw为聚集体平均粒度的约0.08-0.4倍。可以改进工艺参数和组成参数，从而产生不同的壁厚，例如壁厚不小于聚集体平均粒度的约0.1,0.15倍。壁厚的上限可以是聚集体平均粒度的0.35,0.30,0.25或0.20倍左右。其他研究显示，比表面积(SSA)通常大于2平方米/克，例如大于10平方米/克或大于15平方米/克。观察到的最大SSA不超过150平方米/克，例如不超过100平方米/克。
[0053]形成研磨聚集体之后，可以将研磨聚集体适当分级以改进粒度分布，按现状使用研磨聚集体。虽然避免了过热处理之类的后合成工艺步骤，从而以未烧制的生料状态使用聚集体，但是可以用冶金合金化涂层涂布聚集体，涂布方式与涂布单独的磨粒的方式相同。冶金合金化涂层是镍、钛、铜、银、以及它们的合金和混合物。
[0054]生产之后，研磨聚集体可以直接使用作为松散或自由研磨粉末。在这方面，由聚集体形成的研磨粉末可以作为干粉末或作为用例如水的液体润湿的粉末使用，润湿之后形成浆液从而提高性能。还可以将研磨粉末结合在抛光膏或抛光凝胶中。可以有利地将由此生产的研磨粉末用于精制和/或抛光许多其他材料，例如用于半导体工业中的化学机械平面化(CMP)、各种材料的精细表面精制、以及天然和人造牙科材料的抛光。或者，可以将聚集体设置在固定研磨剂中，固定研磨剂广泛包括涂布研磨产品和粘结研磨产品。
[0055]但是在本发明的其他实施方式中，优选将研磨聚集体与树脂材料组合，树脂材料用于将聚集体粘附到基材表面上。将聚集体与树脂粘结材料组合的方法包括形成浆液，在该方法中，将聚集体、树脂和其他添加剂组合在一起并涂布到基材上，或者，在一个截然不同的工艺途径中，通过静电吸引或者简单地通过重力将聚集体放置在涂布有树脂的基材上(例如喷洒在基材上)。后一种方法是本领域皆知的，一般首先在基材上沉积“头胶涂层(make coat) ”，接着在头胶上施用聚集体，随后沉积“上浆涂层(size coat)”。任选可以在上浆涂层上沉积超级上浆涂层(supersize coat)。而且，可以在头胶和基材之间设置顺应性涂层。在另一个例子中，可以在基材上与头胶涂层相背的侧面上设置背涂层。
[0056]关于涂布基材的浆液，除了聚集体之外，该浆液中一般还包含溶剂和聚合物树脂材料，溶剂例如是水或有机溶剂。合适的聚合物树脂材料包括聚酯、环氧树脂、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚硅氧烷、硅酮、乙酸纤维素、硝化纤维素、天然橡胶、淀粉、虫胶及其混合物。最优选该树脂是聚酯树脂。浆液可另外包含其他成分，用以形成经过设计的粘结剂体系，从而将聚集体晶粒粘结在基材上。使用例如高剪切混合机彻底混合浆液组合物。
[0057]优选使用刮板展涂机将包含聚集体细粒的浆液施用于基材，形成涂层。或者，可以使用缝形模头、凹槽辊涂布或凹槽逆辊涂布方法施用浆液涂层。干燥之后，涂层厚度可以约为1-5密耳。以所需涂布速度在刮板展涂机下进给基材，在基材上施涂所需厚度的聚集体细粒浆液。涂布速度优选约为10-40英尺/分钟。
[0058]然后加热经过涂布的基材，使树脂固化，将聚集体细粒粘结至基材。一般来说，在固化过程中，将经过涂布的基材加热到约100°C至小于约250°C的温度。在本发明的某些实施方式中，优选在小于约200 V的温度下进行固化步骤。
[0059]树脂固化，且聚集体研磨细粒粘结至基材，可以将经过涂布的基材用于各种材料去除、精制和抛光应用中。[0060]在本发明的备选实施方式中，可以将研磨聚集体直接结合在基材中。例如，可以将聚集体与聚酯树脂混合，然后将聚集体与聚合物的这种混合物形成基材。
[0061 ] 在本发明的另一个备选实施方式中，可以将研磨聚集体施用于涂布有粘合剂的基材，然后密封。这种涂布技术类似于常规用于传统砂纸的技术，如上文所述。在该实施方式中，优选不将研磨聚集体混合到浆液。相反，优选将包含聚集体的研磨粉末进给至已经施用了粘合剂的基材上，然后是头胶，随后上浆涂层密封。任选该基材用顺应性涂层或背涂层进行预处理。
[0062]在本发明的备选实施方式中，可以通过电镀、静电、喷涂和粉末喷涂方法将研磨聚集体施用于基材或其他材料。
[0063]然后可以使用涂布有研磨剂的基材作为精研膜或微细精制膜，用于精制和/或抛光其他材料。可以用这种方式涂布的基材材料包括但并不限于聚酯、聚氨酯、聚丙烯、聚酰亚胺(例如来自杜邦(DuPont)的ΚΑΡΤ0Ν)、无纺材料、织造材料、纸张、以及金属(包括铜箔、铝箔和钢箔)。在本发明的某些实施方式中特别优选使用聚酯膜作为基材材料。在涂布之前，基材的合适厚度约为1-14密耳。
[0064]另外，还可以将研磨聚集体结合在粘合研磨剂中，例如金刚石磨轮和其他磨轮。还可以使用粘合研磨剂提供高牵引、不打滑材料，这些材料可例如用于梯子踏步。本文的粘合研磨剂通常是三维结构而非基本平面的涂布研磨剂结构，其包括三维的粘结材料基质，基质中嵌埋有聚集体。即，粘结材料固定了聚集体的彼此相对位置，并且作为附聚体间相(inter-agllomerate phase)存在。虽然粘合研磨剂可以使用多种粘结剂，例如树脂、玻璃和金属，但是某些粘结剂(例如玻璃和金属粘结材料)要求进行高温加工。因此，为了保持聚集体的生料结构，通常使用不需要高固化温度的树脂体系，或者可以使用光化辐射(例如UV)固化的树脂体系。
[0065]在根据本发明的一个实施方式中，可以使用研磨产品精制和抛光电信电缆，尤其是光纤电缆。光纤电缆能够以光脉冲形式以非常高的速度传递大量数据。为了使这些光脉冲能够在互连光纤电缆之间或在光纤电缆和连接的电子器件之间有效传递，必须干净地切割或劈开光纤连接器的末端，然后进行高度抛光，从而产生非常平滑的表面和适当的尖端几何形状。可以将根据本发明生产并且一般切割成圆盘或片状的研磨基材膜用于该目的，已经发现，这种膜能高度有效地抛光光纤连接器的末端。
[0066] 用于抛光光纤连接器时，优选使用由金刚石磨料和氧化硅纳米颗粒粘结剂形成的聚集体生产研磨基材膜。磨料颗粒的尺寸优选约为I微米，聚集体的总体粒度优选约为30-80微米。优选将这些聚集体粘结至聚酯膜基材。可以在光纤抛光机上对光纤连接器端部进行抛光。可以从明尼苏达州罗切斯特的杜蒙工程公司(Domaille Engineering ofRochester, Minnesota)获得合适的12连接器的抛光机,该抛光机可以使用本发明的研磨基材膜以例如约60转/分钟的速度和施加约8磅/平方英寸(绝对压力)(psi)的压力条件抛光光纤连接器。
[0067]在根据本发明的另一个实施方式中，可以使用研磨产品进行材料去除、精制和抛光硬金属表面例如钢。用于抛光金属表面时，优选使用由金刚石磨料和氧化硅纳米颗粒粘结剂形成的聚集体生产研磨基材膜。磨料颗粒的尺寸优选约为I微米，聚集体的总体粒度优选约为30-80微米。优选将这些聚集体粘结至聚酯膜基材。使用这种研磨产品时，可以例如使用Struers金属抛光机(来自俄亥俄州西湖的斯图公司(Struers, Inc.0f Westlake,Ohio))以600转/分钟的速度和施加15牛顿的压力条件对表面进行抛光。或者，还可以使用由碳化硅磨料和氧化硅形成的研磨聚集体抛光硬金属表面。
[0068]在本发明的另一个实施方式中，可以使用研磨产品进行材料去除、精制和抛光较软的金属表面例如紫铜或黄铜。用于抛光金属表面时，优选使用由金刚石磨料和氧化硅纳米颗粒粘结剂形成的聚集体生产研磨基材膜。磨料颗粒的尺寸优选约为3-5微米，聚集体的总体粒度优选约为30-80微米。优选将这些聚集体粘结至聚酯膜基材。使用这种研磨产品，可以例如使用Struers金属抛光机(来自俄亥俄州西湖的斯图公司(Struers, Inc.0fWestlake,Ohio))以150转/分钟的速度和施加45牛顿的作用力对表面进行抛光。或者，还可以使用由碳化硅磨料和氧化硅形成的研磨聚集体对软金属表面进行抛光。
[0069]在根据本发明的另一个实施方式中，可以使用研磨基材对涂布表面(例如涂漆表面)进行精制和抛光。具体地说，可以使用研磨基材膜摩擦或抛光涂漆的汽车表面。用于抛光涂漆的汽车表面时，优选使用由嵌埋在氧化硅纳米颗粒粘合剂中的碳化硅磨料形成的聚集体生产研磨基材膜。磨料颗粒的尺寸优选约为3-8微米，聚集体的总体粒度约为30-50微米。优选将这些聚集体粘结至聚酯膜基材。
[0070]其他实施方式可以具体包括牙科应用中的精制。如本文所述的研磨产品(例如含有未烧制的生料聚集体的涂布研磨剂)可以非常成功地用于精制牙齿和牙科假体。
[0071]通常以多步骤递增方法对如上所述的材料进行抛光。首先用较粗糙的研磨材料抛光表面，然后用较细磨料的研磨材料再次抛光。该方法可以重复多次，每次都使用更细磨料的研磨剂进行逐次再抛光，直到该表面已经抛光至所需平滑程度为止。这种多步骤抛光方法通常要求研磨剂晶粒与所去除划痕的尺寸在同一量级。某些抛光方案连续使用磨料更细的产品，随之产生的Ra(相对于研磨产品和工件的后机加工步骤)减小三分之一。即，一般限定连续使用减小三分之一的更细的产品(例如，从9微米磨料尺寸至6微米至3微米)，从而保证去除来自之前机加工步骤的缺陷。
[0072]但是与传统多步骤方法相反，令人非常惊奇和出乎意料地观察到，可以通过单步骤方法使用单一而非多种 研磨产品(例如根据本发明的涂布研磨产品)抛光多种工件，这些工件例如是光纤连接器、金属表面、涂漆的汽车表面和牙科假体。这个结果是令人非常惊奇和非常有利的。已经观察到，使用根据本发明的研磨基材时，可以只使用一种研磨剂进行整个抛光过程。这种做法导致显著缩短实现所需抛光平滑程度要求的时间，并且显著降低成本。
[0073]不受限于理论，发明人相信，这些优点来自于在本发明聚集体中观察到的独特性质。表面的平均粗糙度或Ra是表面总体起伏轮廓的变化程度的量度。粗糙度值较低一般表示该表面较平滑，在表面不同位置之间的总体高度变化较小。测量研磨材料的粗糙度值时，通常可以将观测到的粗糙度值与研磨颗粒的平均粒度关联。例如，使用传统金刚石磨料研磨剂时，金刚石磨料的尺寸和该研磨剂的预期粗糙度值一般如下:[0075]要将表面精制或抛光至所需的最终最大粗糙度(即，至所需的最终最小平滑程度)，通常必须使用具有相应最大粗糙度程度的研磨剂。
[0076]但是已经观察到，本发明的聚集体具有超过对具有可比尺寸的磨料颗粒通常预期的粗糙度值。因此，虽然典型的30微米金刚石磨料颗粒一般具有约2.5微米(如上所述)的粗糙度值，但是已经观察到，根据本发明由I微米金刚石磨料和氧化硅纳米颗粒粘结剂形成的30微米聚集体具有约5-6微米的粗糙度值。
[0077]甚至更令人惊奇的是，尽管粗糙度值如此高，已经观察到，这些相同的根据本发明的聚集体仍然可以用于表面的精细抛光。使用测得粗糙度值约为5-6微米的上述金刚石磨料和氧化硅的聚集体，可以获得相当于远低于I微米粗糙度值的经过精制的表面平滑度。要将表面抛光至如此平滑度，传统上需要粒度等于或小于约I微米的磨料颗粒。
[0078]更具体地说，根据许多实施方式的测试，已经发现，可以通过单一步骤、使用单一的研磨产品，对工件的初始表面粗糙度进行机加工和抛光，这些操作的性能远远超过传统的单一研磨产品的性能。例如，对于初始表面粗糙度为Rai的工件，本文的实施方式已经显示，对工件进行研磨之后，可以将初始表面粗糙度Rai减小至最终表面粗糙度Raf，而Raf不超过0.2Rai，例如不超过0.1Rai0以上通过使用单一产品减小表面粗糙度的描述值得注意，因为现有技术的研磨产品一般在使用单一产品减小表面粗糙度方面非常有限。事实上，测得的表面粗糙度减小至不超过0.5Rai;甚至不超过约0.0lRai,这说明本发明使表面粗糙度Ra的减小达到很明显的2个量级。
[0079]在本文各实施方式中，已经证明这种机加工效率常常可以使工件的Ra减小范围超过I个量级，虽然对其原因还没有完全理解，但是得到以下推理，即，对于通过互补的同步途径进行机加工，具有明显复合结构的未烧制的生料聚集体起到作用。例如，发明人相信，聚集体尺寸对减少大缺陷(例如去除工件中6-7微米的划痕)起到作用。同时，发明人相信，主要磨料对同步减少中等尺寸缺陷起到作用，使工件的Ra值进一步下降。而且，发明人相信，纳米颗粒粘结剂有助于对工件进行超精细抛光，使工件的Ra值下降至纳米范围，例如在特定工件上观测到为10-20纳米范围。
[0080]需要强调的是，聚集体的未烧制的生料状态有助于上述明显的机加工效率。通过使聚集体保持未烧制的生料状态，可以理解，虽然由互锁的(在某种程度上是原子键合在一起的)颗粒组成的纳米颗粒粘结剂保持了所需的纳米颗粒超精细抛光性质，但是这些性质会在较高温度热处理过程中遭受破坏。即，通过受控的工艺条件，尤其是防止聚集体以任意显著持续时间接触高温，能够保持聚集体的多功能性质。在本文中注意到，似乎不仅仅是温度、而且停留时间也是造成聚集体高温分解的原因。例如，在喷雾干燥过程中，包含形成聚集体的固体部分的液滴通常会接触升高的温度(例如高达约400°C)持续几秒，而传统的高温陶瓷工艺(例如烧结、煅烧等)的停留时间通常为约15分钟至几个小时的范围。因此，根据本实施方式的聚集体即使在接触升高的温度时保持其生坯状态也是可行的，只要这种升温限制在秒的量级内即可。利用较高温度进行喷雾干燥时也是这种情况。
[0081]还注意到，根据对比测试，在浆液组合物中结合增塑剂可能是高度有效的。更具体地说，在测试包含金刚石/胶态氧化硅的聚集体时，去除增塑剂具有明显的负面影响。增塑剂有助于保持磨料以悬浮液或浆液形式分散，并且在加工过程中稳定悬浮液。在喷雾干燥时，观察到磨料保持非常良好的分布。从浆液组合物中去除增塑剂时，制得的聚集体最初似乎没什么不同，具有进行处理所必需的原始强度(green strength)。但是,形成研磨产品时，其机加工结果很差，观察到聚集体失效现象。不希望受限于任何具体理论，发明人相信，通过保持磨料分散在浆液中并且均匀分布在聚集体中，增塑剂能够形成结构上更可靠的聚集体。相反，不含增塑剂的比较例具有局部的磨料团聚块，形成聚集体的强度减弱区域，在施加加工压力时会发生失效。
[0082]图8中很容易观察到聚集体的均匀分布，该图是进行上述TGA分析的例子，显示出金刚石磨料因为高温挥发而烧尽。图8中所示的空隙区域表示金刚石磨料位置。还注意到留下的材料，即经过热处理的纳米颗粒粘结剂，清楚地形成自支持的连续基质。当然，在图8中所示的高温形式中，粘结剂的微粒性质因为粒子生长和烧结而丧失。
[0083]进一步的优点是，由本发明的聚集体制造的研磨剂具有令人惊奇的耐久性。研磨剂通常会磨损，并且逐渐丧失其从正在抛光或精制的表面去除材料的有效性。但是已经观察到，结合了本发明聚集体的研磨剂具有与传统研磨材料相比明显提高的耐久性。用于对比应用时，已经观察到，结合了本发明聚集体的研磨剂保留其有效性的时间是传统研磨材料的两倍以上，在一些情况下高达20倍。
[0084]以下非限制性实施例中进一步详细说明了本发明的性质和优点。除非另有指明，否则，温度都以摄氏度表示，浓度都以研磨剂聚集体总干重为基准的重量百分数表示。
[0085]实施例1
[0086]按照以下方法生产包含金刚石磨料和氧化硅纳米颗粒的细研磨聚集体的粉末。将含水胶态氧化硅与平均粒度为1.1微米的金刚石磨料、聚乙二醇(PEG) 200增塑剂以及去离子水混合。所用硅溶胶是BINDZIL2040，来自乔治亚州玛丽埃塔的伊卡化学公司，使用被认为是含水胶态氧化硅溶液形式的硅溶胶，其约含40重量％的二氧化硅(SiO2)，氧化硅粒度约为20纳米，碱稳定pH约为10。各组分按照以下量混合:
[0087]
【权利要求】
1.一种研磨浆液，其包括: 提供在悬浮液中的未烧制的生料研磨聚集体，所述聚集体具有基本类球形或环形的形状，所述聚集体由包含平均粒度为0.1微米至50微米的磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂的组合物形成，所述纳米颗粒粘结剂包含平均粒度小于约IOOnm的颗粒， 其中所述纳米颗粒粘结剂形成连续基质相，所述磨料颗粒均匀分布在所述基质相中。
2.—种粘合的研磨产品,其包括: 未烧制的生料研磨聚集体，所述聚集体具有基本类球形或环形的形状，所述聚集体包含平均粒度为0.1微米至50微米的磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂,所述纳米颗粒粘结剂包含平均粒度小于约IOOnm的颗粒,其中所述纳米颗粒粘结剂形成连续基质相,所述磨料颗粒均匀分布在所述基质相中；以及 将聚集体彼此相对固定就位的聚集体间粘结材料。
3.一种形成研磨微粒材料的方法，其包括: 形成包含液体载剂、平均粒度为0.1微米至50微米的磨料颗粒和包含平均粒度小于约IOOnm的颗粒的纳米颗粒粘结剂的衆液；以及 喷雾干燥所述浆液以形成包含磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂的未烧制的生料聚集体，其中所述纳米颗粒粘结剂形成连续基质相，所述磨料颗粒均匀分布在所述基质相中；以及对所述聚集体进行分级以用于研磨产品。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述浆液进一步包含增塑剂。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述喷雾干燥在小于400°C的温度进行。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述喷雾干燥在小于350°C的温度进行。
7.如权利要求3所述的方法，进一步包括将所述聚集体粘附至基材以形成涂布研磨产品O
8.如权利要求3所述的方法，进一步包括将所述聚集体彼此粘附以形成粘合研磨产品O
9.如权利要求3所述的方法，进一步包括将所述聚集体配制在水性基质中以形成浆液。
10.一种对工件进行机加工的方法，其包括: 提供具有初始表面粗糙度Rai的工件； 用单一的研磨产品研磨工件以从工件去除材料，使所述工件具有最终表面粗糙度Raf且Raf不大于0.2Rai；使用所述单一的研磨产品而不使用其他研磨产品获得所述最终表面粗糙度，其中所述单一的研磨产品包括未烧制的生料研磨聚集体，所述聚集体具有基本类球形或环形的形状，所述聚集体包含平均粒度为0.1微米至50微米的磨料颗粒和纳米颗粒粘结剂，所述纳米颗粒粘结剂包含平均粒度小于约IOOnm的颗粒，以干重量为基准，所述纳米粘结剂占所述聚集体的50%至90%。
11.如权利要求10所述的方法，其中Raf不大于0.1Rai0
12.如权利要求11所述的方法，其中Raf不大于0.05RaiO
13.如权利要求12所述的方法，其中Raf不大于0.0lRai0
【文档编号】C09K3/14GK103468204SQ201310394922
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2008年1月23日 优先权日:2007年1月23日
【发明者】S·C·斯塔林 申请人:圣戈本磨料股份有限公司, 圣戈本磨料公司