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CN100357063C - 磨料及其形成方法 - Google Patents

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CN100357063C
CN100357063C CNB018217567A CN01821756A CN100357063C CN 100357063 C CN100357063 C CN 100357063C CN B018217567 A CNB018217567 A CN B018217567A CN 01821756 A CN01821756 A CN 01821756A CN 100357063 C CN100357063 C CN 100357063C
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Abstract

在一磨具上施加基本上由无机防附剂组成的覆胶涂层，所述无机防附剂选自金属硅酸盐、二氧化硅、金属碳酸盐、和金属硫酸盐。所述金属硅酸盐可以选自硅酸镁、硅酸铝钾、硅酸铝和硅酸钙。在一个实施方案中，硅酸镁包括滑石，硅酸铝钾包括云母，硅酸铝包括粘土，硅酸钙包括硅灰石。二氧化硅可以选自熔凝二氧化硅、热解法二氧化硅和沉淀无定形二氧化硅。所述金属碳酸盐可以包括碳酸钙。所述金属硫酸盐可以包括水合硫酸钙或者无水硫酸钙。

Description

磨料及其形成方法
发明背景
涂覆磨具常用于研磨各种基材，所述基材可以包括软质的、难以研磨的材料，如涂漆的表面。当研磨这些软质材料时，涂覆磨具不能发挥其最大的潜力，这是由于过早的附着(loading)。附着是磨屑的聚结现象，它堵塞着磨粒之间的空隙，这样就妨碍了磨具继续有效地研磨工件的基材或表面。磨具工业处理这个问题的方法是使用某些化学化合物，如金属脂肪酸盐(即硬脂酸锌、硬脂酸钙)，作为覆胶涂层施加上去，或结合到胶结涂层中，后者通常称为第一胶结涂层。这种施加硬脂酸盐的办法能提供足够的磨削量和防附性能。但是，金属硬脂酸盐在工件表面留下表面能低的残留物，这可能会潜在地导致一些后处理问题，例如在以后工件的上漆过程中产生上漆缺陷。
通过测量被研磨基材上的水接触角可以测量这种低表面能材料的污染。处理这个问题的典型办法是使用溶剂拭纸来清洁被研磨表面，确保最好能除去所有的低表面能污染物，或者用未硬脂酸化的磨具来进行研磨。
发明概述
最好是取消用溶剂拭纸来清洁被研磨表面的步骤，因为这个步骤在上漆工艺中会消耗宝贵的时间和金钱。而未硬脂酸化的磨具通常使用寿命不长。
在一个实施方案中，在磨具例如涂覆磨具或复合磨具上施加一层基本上由无机防附剂(anti-loading agent)组成的覆胶结涂层，所述无机防附剂选自金属硅酸盐、二氧化硅、金属碳酸盐和金属硫酸盐。
所述覆胶涂层基本上由无机防附添加剂组成，这意味着此层不包含具有有机组分的添加剂，如代表性的常规防附添加剂，包括有机酸的金属盐、有机磷酸盐、有机硅酸盐、有机硼酸盐等。但是它不排除含有固化粘合剂组分，它是施涂无机附着剂的介质。
所述金属硅酸盐可以选自硅酸镁、硅酸铝钾、硅酸铝和硅酸钙。在一个实施方案中，硅酸镁包括滑石，硅酸铝钾包括云母，硅酸铝包括粘土，硅酸钙包括硅灰石。二氧化硅可以选自熔凝硅石、热解法二氧化硅和沉淀无定形二氧化硅。所述金属碳酸盐可以包括碳酸钙。所述金属硫酸盐可以包括水合硫酸钙或者无水硫酸钙。
所述防附剂的莫氏硬度值约小于7，较好约小于3。所述防附剂的平均粒径约小于30微米，较好是在约1-20微米的范围内。防附剂这么小的颗粒能和来自被研磨表面如上漆金属表面的磨屑结合，用来防止涂覆磨具的表面上磨屑显著的团聚附着。即是说，防附剂颗粒具有这样一种小粒度，使得在使用涂覆磨具研磨上漆表面而产生磨屑时，防附剂颗粒释放出来，与这种磨屑颗粒结合，从而抑制磨屑颗粒的团聚。
在另一实施方案中，防附剂主要集中在覆胶涂层中。例如，其浓度可以至少是覆胶涂层的10体积％，较好是60体积％。
防附剂较好分散在粘合剂，例如热塑性或热固性树脂中，例如，所述热塑性树脂可以包括胶乳，所述热固性树脂可以选自脲甲醛、酚醛树脂、环氧树脂、氨基甲酸乙酯和可辐照固化的树脂体系。
本发明还提供一种磨具，如涂覆或复合磨具，它包括具有第一表面的背衬、置于背衬层第一表面上的含有许多磨粒磨料层、和基本上由无机防附剂组成的置于磨料层上的薄层。在一个实施方案中，防附剂沉积在固化的胶结涂层上。
本发明也提供用来形成磨具如涂覆或复合磨具的方法，所述方法包括将许多磨粒附着在背衬层的第一表面上，并在这些磨粒上沉积基本上由防附剂组成的层。
附图简要说明
从以下本发明一些优选实施方案更具体的说明，可以清楚了解本发明上述目的和其它目的、特征和优点。附图并不一定合乎尺寸比例，只是旨在说明本发明的原理。
该附图显示固体、液体和水蒸气之间所给出的接触角θ。
发明详细说明
涂覆磨具通常是这样的制品，它是在支撑背衬上附着有许多磨粒，它可以用来研磨或以其他方式磨损某种物体的表面。
涂覆磨具的支撑背衬可以是刚性的，但通常是柔韧的，通常是一段材料，如纸张、布、纤维垫片、聚合物薄膜、硫化纤维，或者这些材料的混合物等。在有些用途中，支撑背衬先制成疏松纤维的集合体，往其中加入磨粒和粘合剂材料，但是也可以不加入粘合剂，这样就得到含有磨粒的磨具带材。若不存在附着性粘合剂的话，对此疏松纤维和磨料的集合体可以压实，而在当存在粘合剂时，对其固化或以其他方式定形，获得涂覆磨具。
磨粒通常可以是任何能研磨工件的材料，它一般包括砂、燧石、金刚砂、金属氧化物(如氧化铝、氧化铝-氧化锆、陶瓷氧化铝、金刚石、碳化硅、石榴石、红铁粉、紫红氧化铁粉等)。磨粒通常应具有锐利的边缘以便能起到研磨作用，但是这种锐利边缘的质量和数量取决于用途。磨粒可以包埋在或者混入在支撑背衬中，但是更通常是用合适的粘合剂材料将其附着在支撑背衬上。磨粒可以以特定的图案或纹路施加或混入在背衬中，或者随机分布在背衬上。通常，要采取仔细的措施来确保涂覆上的磨粒形成固定的纹路，在一层或多层中具有合适磨粒切割边缘的分布。
粘合剂材料通常是任何方便的材料，它能将磨粒附着在支撑背衬上，并且不会对研磨过程产生不利影响。典型的粘合剂材料包括酚醛树脂、皮胶、清漆、环氧树脂、丙烯酸酯、多官能丙烯酸酯、脲甲醛树脂、三官能氨基甲酸乙酯、聚氨酯树脂、天然漆、搪瓷材料以及任何其它各种能使磨粒稳定附着在支撑背衬上的材料。通常，要仔细选择粘合剂材料，为预期要研磨的表面提供涂覆磨具的最大效率。要仔细选择粘合剂材料，它要能防止由于过热而软化或/或燃烧，并能提供足够的附着性。
磨粒可以用喷涂或其它方法涂覆上粘合剂材料，沉积在支撑背衬上或其周围，或者支撑背衬可以先用粘合剂材料涂覆，然后在其上沉积磨粒。在已有技术中已知有许多种支撑背衬、粒状材料、粘合剂材料、将磨粒置于支撑背衬上的手段、附着磨粒的手段等，都可视为在本发明的范围内使用。
通常在制造常规涂覆磨具中，在背衬(可以进行了或者未进行预处理)上先施涂一层粘合剂树脂的初始结合涂层，趁树脂是很粘时，将磨粒施加到初始结合涂层上，然后固化所述粘合剂，将磨粒固定在位。将基本上包含粘合剂树脂、或可还有填料、研磨剂等的胶结涂层施涂到磨粒上并固化。胶结涂层的主要作用是将磨粒锚定在位，并在磨粒的研磨能力耗尽之前，使之可以研磨工件，而不会从涂覆磨粒结构上剥落下来。在有些情况下，又将覆胶涂层沉积在胶结涂层上。这一层的作用是将添加剂置于涂覆磨粒的表面上，提供特定的性能，如高的研磨能力、表面润滑、抗静电性能，或者在本发明中提供防附性能。所述覆胶涂层通常但并不一定要起到将磨粒固定在涂覆磨具上的作用。
添加剂可以以在粘合剂(随后将进行固化)中的分散体形式，或者以在液体(以后可进行简单干燥除去让添加剂留在表面上中的分散液形式施加。在一个实施方案中，所述粘合剂包括热塑性或热固性树脂。例如，热塑性树脂可以包括胶乳，热固性树脂可以选自脲甲醛、酚醛树脂、环氧树脂、氨基甲酸乙酯和可辐照固化的树脂体系。至于某些添加剂，可以获得对表面的附着力，而不需要分散介质。
本发明中，施涂在胶结涂层上的防附剂可以选自金属硅酸盐、二氧化硅、金属碳酸盐和金属硫酸盐。金属硅酸盐可以选自硅酸镁、硅酸铝钾、硅酸铝和硅酸钙。在一个实施方案中，硅酸镁包括滑石，硅酸铝钾包括云母，硅酸铝包括粘土，硅酸钙包括硅灰石。二氧化硅可以选自熔凝硅石、热解法二氧化硅和沉淀无定形二氧化硅。金属碳酸盐可以包括碳酸钙。金属硫酸盐可以包括水合硫酸钙或者无水硫酸钙。
在本发明中，无机防附剂在使用过程中看来能释放细颗粒，将研磨过程形成的细磨屑颗粒，包覆起来，防止它们团聚形成会产生麻烦的较大颗粒，这些较大颗粒会留在涂覆磨具表面上(称为“附着”)，降低其研磨效率。因此，用防附剂可以降低涂覆磨具的附着现象，而不会导致使用常规硬脂酸化防附层引起的一些问题。如前所述，在常规硬脂酸化纺附层中，有了硬脂酸盐这样添加剂；低活化能就会在研磨表面上形成能量低材料细涂层，使得随后的表面上漆或抛光变得很困难，除非是将这种涂层除去。
在一个实施方案中，本发明的防附剂相对较软，例如，其莫氏硬度值约小于7，较好约小于3。在一个实施方案中，防附剂的平均粒径约小于30微米，较好在约1-20微米范围内，因为更细粒径的材料能更好地作为防附剂。
可以认为，防附剂能提供防附着性能的一个机理就是防止磨屑颗粒相互附着，由此降低其聚结作用。在研磨过程中会产生细粒磨屑，当没有无机防附剂时，这些磨屑往往会形成球粒或大的磨屑，堵在磨粒之间，妨碍有效的研磨作用，并降低所述涂覆磨具的使用寿命。可以肉眼观察到来自用硬脂酸化和非硬脂酸化磨具进行研磨产生的磨屑外观上的差异。
在本发明中，在覆胶薄层的被研磨表面中防附剂的浓度大于约10体积％，较好大于约60％。这确保防附剂的量足够，能有效形成细粒，防止磨屑团聚。
防附剂可以用于其他磨具，如复合(非织造)磨具。
实施例1：不同中值粒径的水合硅酸镁(滑石)
在本实施例和以下实施例中，使用标准的常规涂覆磨具。其背衬材料为A-重量纸，初始结合涂层和胶结涂层包含脲甲醛粘合剂。在每种情况下，磨粒都是P320氧化铝。还将包含防附添加剂的覆胶涂层施涂到这种已有初始结合涂层，磨粒层和胶结涂层的涂覆磨具上。在一个情况下，为进行对照在覆胶涂层中不加入附附添加剂。在第二种情况下，施涂含有硬脂酸锌的覆胶涂层，在其它三个情况下，所涂覆的覆胶涂层中有不同粒径的水合硅酸镁(滑石)。防附添加剂作为胶乳和水中的分散液进行施涂。
然后，在一个双行程磨床上，使用上述涂覆磨具以相互间隔2分钟，接触6次的方式研磨一块丙烯酸树脂板。研磨是以4.5千克(10磅)负载下用12.7厘米(5英寸)涂覆磨具圆盘来进行。记录12分钟总研磨时间后的磨削量，研磨性能以对照磨削量的百分数表示。还测量了平均表面粗糙度Ra(粗糙度的算术平均值)。在下表1中记录所述结果，表明滑石和更常使用的硬脂酸锌一样有效。
表1
防附材料 无 硬脂酸锌   水合硅酸镁(滑石)   水合硅酸镁(滑石)   水合硅酸镁(滑石)
项目   对照     硬脂酸锌   Vertal 1500   Supreme HT   Arctic Mist
防附剂介质粒径   N/A     5.6微米   15微米   7微米   1.9微米
干涂层重量(g/m2)   N/A     14.80   -13.32   -13.32   -13.32
填料(防附剂)，体积％   N/A     90   81   81   81
粘合剂，体积％   N/A     9.05   11   11   11
磨削量(％对照)   100％     136％   121％   134％   137％
表面磨光，Ra(μm)   0.46     0.41   0.46   0.46   0.46
Vertal 1500、Supreme HT和Arctic Mist是从Luzenac america Inc.购得的滑石。
实施例2：不同粒径的Supreme HT即水合硅酸镁(滑石)
下表说明了对于磨粒粒径为P80、P180和P320(分别为表2、表3和表4)的氧化铝涂覆磨具，使用Supreme HT滑石和硬脂酸锌作为防附剂，以及不用防附剂的对照这三种情况的研磨性能比较。所述结果显示，与对照比较，加入本发明防附剂时磨削量更高，尤其在磨粒粒径更细时。
表2
       P80     对照 Witco硬脂酸锌分散液 Supreme HT滑石
干涂层重量(g/m2)     N/A     14.80     -13.32
填料(防附剂)体积％     N/A     90     81
粘合剂体积％     N/A     9.05     11
累积磨削量(g)     21.61     24.43     22.54
磨削量，％对照     100％     113％     104％
Ra(μm)     1.88     1.96     2.05
表3
      P180     对照 Witco硬脂酸锌分散液 Supreme HT滑石
干涂层重量(g/m2)     N/A     14.80     -13.32
填料体积％(防附剂)     N/A     90     81
粘合剂体积％     N/A     9.05     11
累积磨削量(g)     15.87     23.5     19.76
磨削量，％对照     100％     148％     125％
Ra(μm)     0.84     0.89     0.89
表4
    P320     对照 Witco硬脂酸锌分散液 Supreme HT滑石
干涂层重量(g/m2)     N/A     14.80     -13.32
填料体积％(防附剂)     N/A     90     81
粘合剂体积％     N/A     9.05     11
累积磨削量(g)     7.75     13.51     12.93
磨削量，％对照     100％     174％     167％
Ra(μm)     0.46     0.41     0.43
实施例3：无定形二氧化硅、硅酸钙(硅灰石)、硅酸铝(粘土)、硅酸铝钾(云 母)
使用标准P320磨粒粒径A-重量纸质氧化铝常规涂覆磨具。往这种基体涂覆磨具施涂包含无定形二氧化硅、硅酸钙(硅灰石)、硅酸铝(粘土)或硅酸铝钾(云母)的防附添加剂的覆胶涂层。在下表5中列出的研磨结果表明，与对照相比，加有本发明防附剂的磨削量较高。
表5
  防附材料   N/A   无定形二氧化硅     硅酸钙 无水硅酸铝(粘土)   水合硅酸铝(粘土)   水合硅酸铝钾(云母)
  项目   对照   MN-23     硅灰石 Optiwhite   Burgess17   mica 325
  干涂层重量(g/m2)   N/A   4.44     51.80 7.40   16.28   2.96
  填料(防附剂)体积％   N/A   81     83 80   79   79
  粘合剂，体积％   N/A   12     10 12   12   12
  磨削量，％对照   100％   161％     113％ 179％   113％   149％
  表面粗糙度Ra(μm)   0.61   0.51     0.43 0.53   0.61   0.38
MN-23是从Eagle Pitcher购得的无定形二氧化硅。
硅灰石325是从NYCO Minerals，Inc.购得的硅酸钙。
Optiwhite是从Burgess Pigment Company购得的滑石。
Burgess17是从Burgess Pigment Company购得的滑石。
Mica 325是从Ogleby Norton Specialty Minerals购得的云母。
实施例4：硫酸钙(无水的和水合的)
使用标准P320磨料粒径A-重量纸质氧化铝常规涂覆磨具。往这种基体涂覆磨具施涂包含硫酸钙(无水和水合)的防附添加剂的覆胶涂层。在下表6中列出的研磨结果表明与对照相比，加有本发明防附剂的切削较高。
表6
防附材料   无水硫酸钙   水合硫酸钙
项目   对照   SNOW WHITE   TERRA ALBA
干涂层重量(g/m2)   N/A   34.04   29.60
填料(防附剂)体积％   N/A   76   82
粘合剂体积％   N/A   14   9
磨削量％对照   100％   153％   141％
表面粗糙度Ra(μm)   0.51   0.41   0.43
SNOW WHITE是从United States Gypsum Company购得的无水硫酸钙。
TERRA ALBA是从United States Gypsum Company购得的水合硫酸钙。
实施例5：研磨之后研磨上漆板料的水接触角
用具有实施例1-4所述覆胶涂层的P320磨料粒径涂覆磨具对上了漆的板。进行研磨。各涂覆磨具使用相同的研磨步骤。然后，将一滴水滴在刚刚研磨过的各板上和未进行研磨的板上，记录下附图所示的接触角(θ)。接触角是液体表面和固体平面之间在接触直线位置的角度。接触角越高，表明润湿程度越小。表7中所示的结果清晰地表明，用本发明涂覆磨具研磨过的板的接触角和使用不含防附剂的涂覆磨具研磨过的板基本相同或较小。所述具有常规硬脂酸锌防附剂的涂覆磨具明显沉积了低表面能的残留物，其存在由很高的水接触角。结果，施加到这种表面上的漆不容易润湿这种表面，会导致表面缺陷的形成。
表7
防附材料 N/A 硬脂酸锌 水合硅酸镁(滑石)   水合硅酸铝钾(云母) 硅酸钙   无水硫酸钙
项目 对照 硬脂酸锌 Supreme HT mica 325 硅灰石   SNOWWHITE
干涂层重量(g/m2) N/a 14.80 -7.40-17.76   2.96 51.80   34.04
填料(防附剂)，体积％ N/a 90 81   79 83   76
粘合剂，体积％ N/a 9.05 11   12 10   14
水接触角(度) 115 140 114   119 86   107
在未进行研磨的板上水接触角为69度。
虽然结合了一些优选实施方案已经具体显示和说明了本发明，但是本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明附带权利要求书所包括的范围的条件下可以作出各种形式上和细节上的改变。

Claims (28)

1.一种磨料，所述磨料具有覆胶涂层，所述覆胶涂层由以下物质组成：
(a)热塑性或热固性树脂；和
(b)无机防附剂，所述无机防附剂选自金属硅酸盐、二氧化硅、金属碳酸盐、和金属硫酸盐。
2.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述金属硅酸盐选自硅酸镁、硅酸铝钾、硅酸铝和硅酸钙。
3.权利要求2所述的磨料，其特征在于所述硅酸镁包括滑石。
4.权利要求2所述的磨料，其特征在于所述硅酸铝钾包括云母。
5.权利要求2所述的磨料，其特征在于所述硅酸铝包括粘土。
6.权利要求2所述的磨料，其特征在于所述硅酸钙包括硅灰石。
7.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述二氧化硅选自熔凝硅石、热解法二氧化硅和沉淀无定形二氧化硅。
8.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述金属碳酸盐包括碳酸钙。
9.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述金属硫酸盐包括水合硫酸钙或者无水硫酸钙。
10.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述防附剂的莫氏硬度值小于7。
11.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述防附剂的平均粒径小于30微米。
12.权利要求11所述的磨料，其特征在于所述防附剂的平均粒径在1-20微米的范围内。
13.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述防附剂集中在覆胶涂层中。
14.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述防附剂至少为覆胶薄层的10体积％。
15.权利要求14所述的磨料，其特征在于所述防附剂至少为覆胶薄层的60体积％。
16.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述磨具选自涂覆磨具和复合磨具。
17.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述热塑性树脂包括胶乳。
18.权利要求1所述的磨料，其特征在于所述热固性树脂选自脲甲醛、酚醛树脂、环氧树脂、氨基甲酸乙酯和可辐照固化的树脂体系。
19.一种磨具，所述磨具包括：
(a)具有第一表面的背衬层；
(b)置于所述背衬层第一表面上的含有许多磨粒的磨粒层；
(c)置于磨粒层上由热塑性树脂或热固性树脂与无机防附剂组成的层。
20.权利要求19所述的磨具，其特征在于所述无机防附剂选自金属硅酸盐、二氧化硅、金属碳酸盐和金属硫酸盐。
21.权利要求20所述的磨具，其特征在于所述金属硅酸盐选自硅酸镁、硅酸铝钾、硅酸铝和硅酸钙。
22.权利要求19所述的磨具，其特征在于所述防附剂的平均粒径小于30微米。
23.形成磨料的方法，所述方法包括：
(a)将许多磨粒附着在背衬层的第一表面上；并
(b)在磨粒上沉积由以下物质组成的层：
(i)  热塑性或热固性树脂；和
(ii)无机防附剂，所述无机防附剂选自金属硅酸盐、二氧化硅、金属
碳酸盐和金属硫酸盐。
24.权利要求23所述的方法，其特征在于所述金属硅酸盐选自硅酸镁、硅酸铝钾、硅酸铝和硅酸钙。
25.权利要求24所述的方法，其特征在于所述硅酸镁包括滑石。
26.权利要求23所述的方法，其特征在于所述方法还包括在沉积出该层的步骤(b)以前，将包含热塑性或热固性树脂的中间层沉积在磨料上的步骤。
27.权利要求23所述的方法，其特征在于所述方法还包括形成磨料的被研磨表面，使其上面为所述防附剂的步骤。
28.权利要求23所述的方法，其特征在于所述方法还包括将所述防附剂分散在热塑性或热固性树脂中的步骤。
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