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CN109070314B - 可固化组合物、磨料制品及其制备方法 - Google Patents

可固化组合物、磨料制品及其制备方法 Download PDF

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CN109070314B CN201780027803.8A CN201780027803A CN109070314B CN 109070314 B CN109070314 B CN 109070314B CN 201780027803 A CN201780027803 A CN 201780027803A CN 109070314 B CN109070314 B CN 109070314B
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

本发明公开了包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒的可固化组合物。所述异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的所述反应产物组成。本发明还公开了磨料制品以及使用所述异氰酸酯官能化的磨粒制备所述磨料制品的方法。

Description

可固化组合物、磨料制品及其制备方法
技术领域
本公开广义上涉及磨料制品及其制备方法和材料。
背景技术
磨料制品通常包括保持在粘结剂材料中的磨粒。普通类的研磨剂包括金属粘结剂(即，粘结剂材料为金属)、玻璃质粘结剂(即，粘结剂材料是玻璃质的)和树脂粘结剂(即，粘结剂材料为固化的有机树脂)。
粘结磨料制品具有被保持在粘结剂(在本领域中也被称为粘结基质或粘结剂材料)中的磨粒，该粘结剂将它们作为成形物质粘结在一起。典型的粘结磨具的示例包括砂轮、磨石、磨刀石和切割轮。粘结剂可为有机树脂(树脂粘结剂)、陶瓷或玻璃态材料(玻璃质粘结剂)或金属(金属粘结剂)。
切割轮通常为用于普通切割操作的相对较薄的轮。轮的直径通常为约1厘米至约200厘米，并且厚度为数毫米至数厘米(对于较大直径的轮而言，具有更大的厚度)。它们可以约1000转/分钟至50000转/分钟的速度操作，并用于诸如将聚合物、复合金属或玻璃切割成例如标称长度的操作。切割轮也被称为“工业切割锯片”，并且在一些环境诸如铸造厂中被称为“劈锯”。顾名思义，切割轮用于通过研磨穿过物品而切割该物品，该物品诸如例如为金属棒。
对于粘结磨料制品，诸如切割速率和耐久性的特性是重要的。例如，就可商购获得的切割轮而言，切割性能在相对较短的使用后可能会下降超过一半。仍然需要新的树脂粘结磨具，其在相同的性能水平下具有改善的研磨特性和/或降低的成本。
发明内容
在一个方面，本公开提供了一种可固化组合物，该可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒，其中异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。本公开还提供了至少部分固化的可固化组合物，其通过至少部分地固化可固化组合物来制备。
可固化组合物可用于例如制造磨料制品。
因此，本公开还提供了一种制造磨料制品的方法，该方法包括至少部分地固化可固化组合物，其中可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒，其中异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。
在另一方面，本公开提供了一种磨料制品，该磨料制品包含保留在粘结剂中的磨粒，其中粘结剂包含固化的可固化组合物，其中可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒，并且其中异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。
有利地，与未添加异氰酸酯官能化的有机硅烷而制备的对应磨料制品相比，根据本公开制备的磨料制品可呈现出改善的研磨性能。
如本文所用，术语“异氰酸酯官能化的磨粒”意指至少一种异氰酸酯基团直接或间接地(即，通过一个或多个另外的共价键合的原子)共价键合到磨粒。
如本文所用，术语“酚醛树脂”是指通过至少一种酚(例如，苯酚、间苯二酚、间甲酚、3,5-二甲苯酚、叔丁基苯酚和/或对苯基苯酚)与至少一种醛(例如，甲醛、乙醛、三氯乙醛、丁醛、糠醛和/或丙烯醛)反应获得的合成热固性树脂。
在考虑具体实施方式以及所附权利要求书时，将进一步理解本公开的特征和优点。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施方案的示例性粘结磨轮100的示意透视图；和
图2是沿线2-2截取的图1所示的示例性粘结磨轮100的示意横截面侧视图。
在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。应当理解，本领域的技术人员可以设计出许多落入本公开原理的范围内及符合本公开原理的实质的其它修改形式和实施方案。附图可不按比例绘制。
具体实施方式
根据本公开的可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒。异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。
可用的酚醛树脂可包括线型酚醛树脂和甲阶酚醛树脂。线型酚醛树脂的特征在于被酸催化并且甲醛与酚的比率小于1，通常介于0.5:1和0.8:1之间。甲阶酚醛树脂的特征在于被碱催化并且甲醛与酚的比率大于或等于一，通常为1:1至3:1。
任选地，但通常地，可固化组合物还包含一种或多种催化剂和/或固化剂，以引发和/或加速固化过程(例如，热催化剂、硬化剂、交联剂、光催化剂、热引发剂和/或光引发剂)。适用于固化酚醛树脂的示例性酸性催化剂包括硫酸、盐酸、磷酸、草酸和对甲苯磺酸。适用于固化酚醛树脂的碱性催化剂包括氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化钾、氢氧化钙、有机胺或碳酸钠。
酚醛树脂是公知的，并且可容易地从商业来源获得。可商购获得的线性酚醛树脂的示例包括：以商品名DUREZ和VARCUM由住友電木北美公司/密歇根州诺维的杜雷兹公司(Sumitomo Bakelite North America,Inc./Durez Corp.of Novi,Michigan)销售的那些；或以商品名BAKELITE、CELLOBOND、RUTAPHEN或DURITE由俄亥俄州哥伦比亚的瀚森化工公司(Hexion Specialty Chemicals,Inc.of Columbus,Ohio)销售的那些。可用于实施本公开的可商购获得的甲阶酚醛树脂的示例包括以商品名VARCUM由杜雷兹公司(DurezCorporation)销售的那些；以商品名AEROFENE由美国佛罗里达州巴托的阿施兰德化学公司(Ashland Chemical Co.,Bartow,Florida)销售的那些；以商品名PHENOLITE由韩国首尔的江南化学有限公司(Kangnam Chemical Company Ltd.,Seoul,South Korea)销售的那些；以及由乔治亚州亚特兰大的乔治亚太平洋股份有限公司(Georgia-Pacific,Atlanta,Georgia)销售的甲阶酚醛树脂。关于合适的酚醛树脂的另外细节可见于例如美国专利No.5,591,239(Larson等人)和No.5,178,646(Barber,Jr.等人)。
其他添加剂诸如填料、增稠剂、增韧剂、助磨剂、颜料、纤维、增粘剂、润滑剂、润湿剂、表面活性剂、消泡剂、染料、增塑剂、悬浮剂、杀菌剂、杀真菌剂、助磨剂和抗静电剂也可包含在可固化组合物中。可固化组合物还可包含非异氰酸酯官能化的磨粒；然而，这通常是不期望的。
异氰酸酯改性磨粒可通过化学改性具有含异氰酸根合基团的有机硅烷的磨粒的表面来制备。优选地，异氰酸酯官能化的有机硅烷由下式表示
O＝C＝N–Z–SiY3
Z表示具有1至6个碳原子的亚烷基基团(例如，亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚丁基、亚戊基、亚己基)，并且其可为直链、支链或环状的。每个Y独立地表示可水解的基团。
如本文所用，术语“可水解基团”表示可水解的基团，这意味着它可与水反应以提供硅烷醇基团(Si OH基团)，所述硅烷醇基团可进一步与磨粒表面上的基团(例如羟基)反应。水解和缩合反应可自发地发生并且/或者可在存在水解/缩合催化剂的情况下发生。可水解基团的示例包括卤素基团(诸如，氯、溴、碘或氟)、烷氧基基团(-OR'，其中R'表示烷基基团，该烷基基团优选地包含1至6个、更优选地包含1至4个碳原子，并且可任选地由一个或多个卤素原子取代)、酰氧基基团(-O-(C＝O)-R”，其中R”如针对R'所定义)、芳氧基基团(-OR”'，其中R”'表示芳基部分，该芳基部分优选地包含6至12、更优选地包含6至10个碳原子，并且可任选地由一个或多个取代基取代，该取代基独立地选自卤素以及可任选地由一个或多个卤素原子取代的C1-C4烷基基团)。在上述化学式中，R'、R”和R”'可包括支链结构。
在一些实施方案中，优选的可水解基团Y包括甲氧基和乙氧基基团。具体地讲，优选的异氰酸酯官能化的有机硅烷包括3-异氰酸根合丙基三甲氧基硅烷、3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷、2-异氰酸基乙基三甲氧基硅烷和2-异氰酸根合乙基三乙氧基硅烷。
应添加到磨粒的含异氰酸根合基团的有机硅烷(其可用作偶联剂)的量通常将取决于其对磨粒表面积的覆盖程度。优选地，应以实现对磨粒表面的单层覆盖的水平添加有机硅烷；然而，这不是必需的。在一些实施方案中，基于磨粒和含异氰酸根合基团的有机硅烷的总重量，应添加到磨粒的含异氰酸根合基团的有机硅烷的量小于或等于0.005重量％，优选小于或等于0.003重量％，并且更优选小于或等于0.002重量％。
一般来讲，磨粒应具有优选通过甲硅烷基部分(例如，通过水解)与异氰酸酯官能化的有机硅烷反应的表面。
可用的磨粒包括例如以下的粉碎颗粒：熔融氧化铝、经热处理的氧化铝、白色熔融氧化铝、陶瓷氧化铝材料(诸如可以商品名3M CERAMIC ABRASIVE GRAIN从美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,Minnesota)商购获得的那些)、黑色碳化硅、绿色碳化硅、二硼化钛、碳化硼、碳化钨、碳化钛、金刚石、立方晶型氮化硼、石榴石、熔融氧化铝氧化锆、溶胶-凝胶法衍生的磨粒、氧化铁、氧化铬(chromia)、二氧化铈、氧化锆、二氧化钛、硅酸盐、氧化锡、二氧化硅(诸如，石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)、硅酸盐(诸如，滑石、粘土(例如，蒙脱石)、长石、云母、硅酸钙、偏硅酸钙、铝硅酸钠、硅酸钠)、燧石或金刚砂。溶胶-凝胶衍生的粉碎的磨粒的示例可见于美国专利No.4,314,827(Leitheiser等人)、No.4,623,364(Cottringer等人)、No.4,744,802(Schwabel)、No.4,770,671(Monroe等人)和No.4,881,951(Monroe等人)。还设想磨粒可包括玻璃质研磨凝聚物，诸如，美国专利No.7,887,608(Schwabel等人)中描述的那些。
关于制备溶胶-凝胶法衍生的磨粒的方法的更多详细细节可见于例如美国专利No.4,314,827(Leitheiser)、No.5,152,917(Pieper等人)、No.5,213,591(Celikkaya等人)、5,435,816(Spurgeon等人)；No.5,672,097(Hoopman等人)、5,946,991(Hoopman等人)；No.5,975,987(Hoopman等人)、和No.6,129,540(Hoopman等人)中，以及美国公开专利申请No.2009/0165394A1(Culler等人)和No.2009/0169816A1(Erickson等人)中。
磨粒可成形(即，具有由其制造方法赋予的非随机形状)。例如，可使用如美国专利No.5,201,916(Berg)、No.5,366,523(Rowenhorst(Re35,570))和No.5,984,988(Berg)中所述的溶胶-凝胶技术通过模制工艺来制备成形磨粒。美国专利No.8,034,137(Erickson等人)描述了已形成特定形状的氧化铝磨粒，然后将其粉碎以形成碎片，该碎片保持其初始形状特征结构的一部分。在一些实施方案中，成形的α氧化铝颗粒为精确成形颗粒(即，颗粒具有的形状至少部分地由用于制备它们的生产工具中的腔的形状决定)。关于此类磨粒及其制备方法的详细信息可见于例如美国专利No.8,142,531(Adefris等人)、No.8,142,891(Culler等人)、和No.8,142,532(Erickson等人)中，以及美国专利申请公布No.2012/0227333(Adefris等人)、No.2013/0040537(Schwabel等人)和No.2013/0125477(Adefris)中。
合适的磨粒可根据磨料行业公认的规定标称等级被独立地按尺寸分类。示例性磨料行业公认的分级标准包括由ANSI(美国国家标准学会)、FEPA(欧洲磨料制造者联盟)和JIS(日本工业标准)颁布的那些标准。ANSI等级标号(即规定的标称等级)包括例如：ANSI4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI 24、ANSI 36、ANSI 46、ANSI 54、ANSI 60、ANSI 70、ANSI80、ANSI 90、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400、和ANSI 600。FEPA等级标号包括F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12、F14、F16、F16、F20、F22、F24、F30、F36、F40、F46、F54、F60、F70、F80、F90、F100、F120、F150、F180、F220、F230、F240、F280、F320、F360、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200、F1500和F2000。JIS等级标号包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10,000。
另选地，磨粒可使用符合ASTM E-11“针对测试目的的筛布和筛的标准规格”(Standard Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes)的美国标准测试筛被分级为标称筛选等级。ASTME-11规定了测试筛的设计和构造需求，该测试筛使用安装在框架中的织造筛布的介质根据指定的粒度对材料进行分类。典型名称可以表示为-18+20，其意指粉碎磨料颗粒可通过符合18目筛的ASTM E-11规范的试验筛，并且保留在符合20目筛的ASTM E-11规范的试验筛上。在一个实施方案中，粉碎磨料颗粒具有这样的颗粒尺寸：使得大部分颗粒通过18目试验筛并且可保留在20目、25目、30目、35目、40目、45目或50目试验筛上。在各种实施方案中，粉碎的磨粒可具有以下的标称筛选等级：-18+20、-20/+25、-25+30、-30+35、-35+40、-40+45、-45+50、-50+60、-60+70、-70/+80、-80+100、-100+120、-120+140、-140+170、-170+200、-200+230、-230+270、-270+325、-325+400、-400+450、-450+500或-500+635。另选地，可使用诸如-90+100的定制目尺寸。
异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应优选在以下条件下进行：使得可水解基团通过水解去除且然后在其表面处与磨粒缩合，以形成1个、2个或优选的3个共价键，从而将异氰酸根合(即，O＝C＝N–)基团牢牢地锚固到磨粒。进行此类反应的条件是本领域技术人员所熟知的。在一些情况下，简单的混合可能已经足够。优选地，异氰酸酯官能化的有机硅烷以一定的量与磨粒结合，该量足以使得磨粒的整个表面基本上通过与异氰酸酯官能化的有机硅烷反应而改性，但这不是必需的。例如，在每100重量份磨粒中，以0.01重量份至3重量份，优选地0.1重量份至0.3重量份的量使用异氰酸酯官能化的有机硅烷，但也可使用在该范围之外的量。
基于固化组合物的总重量(例如，在粘结磨具中)，可固化组合物通常包含5重量％至30重量％、更通常包含10重量％至25重量％以及更通常包含15重量％至24重量％的酚醛树脂，但也可使用其他的量。
根据本公开的可固化组合物可被固化，并且可被包含在各种磨料制品诸如粘结磨料制品中。
现在参见图1，根据本发明的一个实施方案的示例性树脂粘结磨具切割轮100具有中心孔112，该中心孔用于将切割轮100附接到例如动力驱动工具(未示出)。切割轮100包括磨粒(例如，根据本公开的成形和/或粉碎的磨粒，该磨粒用异氰酸酯官能化的有机硅烷进行表面处理且随后与酚醛树脂反应)和酚醛粘结剂材料25。
现在参考图2，切割轮100包含磨粒(例如，成形和/或粉碎的磨粒)30和酚醛粘结剂材料25。切割轮100具有任选的第一稀松布115和任选的第二稀松布116，它们设置在切割轮100的相对的主表面上。
根据本公开的粘结磨料制品(例如，砂轮和切割轮)通常通过模制工艺制成。在模制期间，可固化组合物与磨粒混合。在一些情况下，首先将液体介质(树脂或溶剂)施加到磨粒以打湿其外表面，并且然后将被打湿的颗粒与粉末状介质混合。根据本公开的粘结磨料制品(例如，磨轮)可通过压缩模制、注塑、传递模制等制成。模制可通过热压或冷压或者本领域技术人员已知的任何合适的方式来完成。
催化剂和/或引发剂可包含在可固化组合物中。通常，施加热以促进可固化组合物的固化；然而，也可使用其他能量源(例如，微波辐射、紫外光、可见光)。所使用的特定固化剂和量对于本领域的技术人员将是显而易见的。
固化温度和压力将随可固化组合物和磨料制品设计而变化。合适条件的选择在本领域的普通技术人员的能力范围内。针对酚醛粘结剂的示例性条件可包括：在室温下，每4英寸直径施加约20吨(244kg/cm2)的压力，然后通过加热使温度高达约185℃，并持续足以使可固化组合物固化的时间。
在一些实施方案中，基于粘结磨料制品的总重量，根据本公开的粘结磨料制品包括约10重量％至65重量％的磨料制品，通常包括30重量％至60重量％的磨料制品，并且更通常包括40重量％至60重量％的磨料制品。根据本公开的粘结磨料制品(或任何其他磨料制品)中含有的磨粒中优选至少50重量％、更优选至少80重量％以及更优选至少95重量％或者甚至所有均来源于异氰酸酯改性磨粒，该异氰酸酯改性磨粒在固化期间与酚醛树脂反应，并因此共价键合到固化酚醛粘结剂基质。
在一些实施方案中，根据本公开的粘结磨料制品含有另外的助磨剂，诸如聚四氟乙烯颗粒、冰晶石、氯化钠、FeS2(二硫化铁)或KBF4；助磨剂的量通常为1重量％至25重量％、更通常10重量％至20重量％，但要受其它组分所要满足的重量范围要求的限制。添加助磨剂以改善切割轮的切削特征，通常通过降低切割界面的温度来改善切割轮的切削特征。助磨剂可为助磨剂颗粒的单一颗粒或凝聚物的形式。精确成形助磨剂颗粒的示例在美国专利公布2002/0026752A1(Culler等人)中提出。
在一些实施方案中，可固化组合物(和/或对应的固化组合物)含有诸如以商品名“SANTICIZER 154增塑剂”购自美国伊利诺伊州芝加哥的美国尤尼威尔有限公司(UNIVARUSA,Inc.,Chicago,Illinois)的增塑剂。
在一些实施方案中，可固化组合物(和/或对应的固化组合物)含有填料颗粒，其受限于其他组分的重量范围要求。可添加填料颗粒来占据空间和/或提供多孔性。多孔性使得树脂粘结磨料制品能够以剥落的方式使用，或者磨损磨粒以暴露出新的或崭新的磨粒。根据本公开的粘结磨料制品(例如，轮)具有任何范围的孔隙度；例如，约1体积％至50体积％，通常1体积％至40体积％。填料的示例包括气泡和小珠(例如，玻璃、陶瓷、粘土、聚合物、金属)、软木、石膏、大理石、石灰岩、硅酸铝以及它们的组合。
为了制造粘结磨料制品(例如，轮)，可固化混合物在室温下被压制到模具中(例如，以每4英寸直径施加20吨(244kg/cm2)的压力)。然后，通过在高达约185℃的温度下加热足够长的时间以使可固化酚醛树脂固化，从而使模制的轮固化。
根据本公开的粘结磨料制品可用于例如切割轮和磨具行业中类型为27(例如，美国国家标准学会的标准ANSI B7.1-2000(2000)的1.4.14章节)的中心下凹磨削轮。
切割轮厚度通常为0.80毫米(mm)至16mm，更通常1mm至8mm，并且通常具有介于2.5cm和100cm(40英寸)之间、更通常介于约7cm和13cm之间的直径，但是也可使用其它尺寸(例如，直径大至100cm的轮是已知的)。可使用任选的中心孔来将切割轮附接到动力驱动工具。如果存在的话，中心孔直径通常为0.5cm至2.5cm，但也可使用其它尺寸。可强化任选的中心孔；例如，通过金属凸缘来强化。另选地，可将机械紧固件轴向固定至切割轮的一个表面。示例包括螺杆、螺母、Tinnerman螺母和卡口固定杆。
任选地，根据本公开的粘结磨料制品，尤其是切割轮，可进一步包括强化树脂粘结磨轮的稀松布和/或背衬；例如，设置在树脂粘结磨轮的一个或两个主表面上，或设置在树脂粘结磨轮内。示例包括纸、聚合物膜、金属箔、硫化纤维、合成纤维和/或天然纤维非织造物(例如，高级开孔非织造合成纤维网和熔纺稀松布)、合成和/或天然纤维针织物、合成纤维和/或天然纤维织造物(例如，织造玻璃织物/稀松布、织造聚酯织物、其经处理的型式、以及它们的组合)。合适的多孔强化稀松布的示例包括可例如熔纺、熔喷、湿法成网或空气成网的多孔玻璃纤维稀松布和多孔聚合物稀松布(例如，包含聚烯烃、聚酰胺、聚酯、醋酸纤维素、聚酰亚胺和/或聚氨酯)。在一些情况下，期望在粘结介质内包括强化短纤维，使得纤维均匀地分散在整个切割轮上。
本文所述的各种强化构件(例如，稀松布和背衬)的孔隙度和基重的选择在磨料领域的技术人员的能力范围内，并且通常取决于预期用途。
根据本公开的粘结磨料制品可用于(例如)研磨工件。例如，可将它们成形为砂轮或切割轮，该砂轮或切割轮表现出良好的磨削特性，同时保持可避免对工件造成热损坏的相对较低的工作温度。
切割轮可用在任何直角磨削工具上，该磨削工具诸如例如购自英格索兰(Ingersoll-Rand)、索士(Sioux)、米沃奇(Milwaukee)和Dotco的那些。该工具可为电动的或气动的，其速度通常为约1000RPM至50000RPM。
在使用期间，树脂粘结磨轮可用于干磨或湿磨。在湿磨时，该轮与水、基于油的润滑剂或基于水的润滑剂结合使用。根据本公开的粘结磨料制品特别可用于各种工件材料上，诸如，碳钢薄板或棒料和更奇特的金属(例如，不锈钢或钛)或较软的黑色金属(例如，软钢、低合金钢或铸铁)。
根据本公开的可固化组合物也可被固化，并且例如可被包含在磨料制品诸如带涂层磨料制品和非织造磨料制品中。
关于带涂层磨料制品的制造的细节可见于例如美国专利No.4,734,104(Broberg)、4,737,163(Larkey)、No.5,203,884(Buchanan等人)、5,417,726(Stout等人)、5,496,386(Broberg等人)、5,609,706(Benedict等人)、5,520,711(Helmin)、No.5,954,844(Law等人)、5,961,674(Gagliardi等人)、4,751,138(Bange等人)、5,766,277(DeVoe等人)、和No.6,228,133(Thurber等人)中。
关于非织造磨料制品及其制造方法的更多细节可见于例如美国专利No.2,958,593(Hoover等人)、4,991,362(Heyer等人)、5,554,068(Carr等人)、No.5,712,210(Windisch等人)、No.5,591,239(Larson等人)、5,681,361(Sanders)、5,858,140(Berger等人)、5,928,070(Lux)、No.6,017,831(Beardsley等人)、6,207,246(Moren等人)以及6,302,930(Lux)中。
通过以下非限制性实施例，进一步示出了本公开的目的和优点，但在这些实施例中引用的具体材料及其量以及其它条件和细节不应视为对本公开的不当限制。
本公开的选择实施方案
在第一实施方案中，本公开提供了一种可固化组合物，该可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒，其中异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。
在第二实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案所述的可固化组合物，其中磨粒包括α氧化铝。
在第三实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案或第二实施方案所述的可固化组合物，其中异氰酸酯官能化的有机硅烷由下式表示：O＝C＝N–Z–SiY3，其中Z表示具有1至6个碳原子的亚烷基基团，并且每个Y独立地表示可水解的基团。
在第四实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第三实施方案中任一者所述的可固化组合物，其中至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷包括至少一种3-异氰酸根合丙基三烷氧基硅烷。
在第五实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第四实施方案中任一者所述的可固化组合物，其中至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷包括3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷和3-异氰酸根合丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
在第六实施方案中，本公开提供了一种制造磨料制品的方法，该方法包括至少部分地固化可固化组合物，其中可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒，其中异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。
在第七实施方案中，本公开提供了根据第六实施方案所述的制造磨料制品的方法，其中磨粒包括α氧化铝。
在第八实施方案中，本公开提供了根据第六实施方案或第七实施方案所述的制造磨料制品的方法，其中异氰酸酯官能化的有机硅烷由下式表示：O＝C＝N–Z–SiY3，其中Z表示具有1至6个碳原子的亚烷基基团，并且每个Y独立地表示可水解的基团。
在第九实施方案中，本公开提供了根据第六实施方案至第八实施方案中任一者所述的制造磨料制品的方法，其中至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷包括至少一种3-异氰酸根合丙基三烷氧基硅烷。
在第十实施方案中，本公开提供了根据第六实施方案至第九实施方案中任一者所述的制造磨料制品的方法，其中至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷包括3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷和3-异氰酸根合丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
在第十一实施方案中，本公开提供了一种磨料制品，该磨料制品包含保留在粘结剂中的磨粒，其中粘结剂包含固化的可固化组合物，其中可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒，并且其中异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。
在第十二实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结的磨料制品。
在第十三实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案或第十二实施方案所述的磨料制品，其中粘结磨料制品包括粘结磨轮。
在第十四实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案至第十三实施方案中任一者所述的磨料制品，其中磨料制品包含α氧化铝。
在第十五实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案至第十四实施方案中任一者所述的磨料制品，其中至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷包括3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷和3-异氰酸根合丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
在第十六实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案至第十四实施方案中任一者所述的磨料制品，其中异氰酸酯官能化的有机硅烷由下式表示：O＝C＝N–Z–SiY3，其中Z表示具有1至6个碳原子的亚烷基基团，并且每个Y独立地表示可水解的基团。
通过以下非限制性实施例，进一步示出了本公开的目的和优点，但在这些实施例中引用的具体材料及其量以及其它条件和细节不应视为对本公开的不当限制。
实施例
除非另有说明，否则实施例及本说明书的其余部分中的所有份数、百分比、比等均以重量计。在这些实施例中，克缩写为“g”，并且除非另外指明，否则wt％意指基于总重量计的重量百分比。
下表1列出了实施例中使用的各种材料。
表1
Figure BDA0001853811860000131
Figure BDA0001853811860000141
磨粒SAP的制备
根据美国专利No.8,142,531(Adefris等人)的实施例1的公开内容，通过在等边三角形聚丙烯模具腔中模制氧化铝溶胶-凝胶来制备实施例中的精确成形的α氧化铝磨粒SAP。此外，SAP具有精细的(约0.5微米)氧化铝颗粒(HYDRAL COAT 5，得自宾夕法尼亚州匹兹堡市的安迈铝业(Almatis,Pittsburgh,Pennsylvania))的涂层，该颗粒涂层根据美国专利No.5,213,591(Celikkaya等人)的方法施加。
增粘剂制备
AP1
以每100份APTES中1份CAT1的量，将硅烷缩合催化剂CAT1掺入APTES中。添加TOL并充分混合，以形成5重量％的固溶体。
AP2
以每100份BTESPA中1份CAT1的量，将硅烷缩合催化剂CAT1掺入BTESPA中，以用于快速固化。添加TOL并充分混合，以形成5重量％的固溶体。
AP3
以每100份TESPIS中1份CAT1的量，将硅烷缩合催化剂CAT1掺入TESPIS中。添加TOL并充分混合，以形成5重量％的固溶体。
AP4
以每100份TESPIS中1份CAT1的量，将硅烷缩合催化剂CAT1掺入TESPIS中。添加ACE并充分混合，以形成5重量％的固溶体。
实施例1
使用金刚石切割器将激光切割的氧化铝基板AlOxSub切割成两半，以制得具有57.15cm×114.3cm×1.0cm(2.25英寸×4.50英寸×0.040英寸)的尺寸的基板。用天平称量切割的氧化铝基板(精确到0.01g)，得到重量A。用刷子清洁称重后的基板，并且使用Mayer棒式涂布机(RDS36线尺寸涂布机)将增粘剂AP1施加到其表面上，以形成82.3μm深的湿厚度层。将增粘剂处理过的氧化铝基板在65℃的对流烘箱中干燥30分钟。
在1000mL的烧杯中，测量100g的SAP。在摇动烧杯的同时，使用喷涂机(伊利诺伊州煤城的Prevail)将制备的增粘剂溶液AP1均匀地施加在颗粒表面上，以防止不均匀地涂覆以及颗粒凝结。喷涂足够的AP1溶液，以形成0.1g重量％APTES的涂层。在施加所有的涂覆溶液时，均持续摇动烧杯以实现均匀涂覆，直到颗粒干燥。当从视觉上看颗粒已干燥时，将其在65℃的烘箱中进一步干燥30分钟。
使用前，将RP在室温下平衡至少20分钟，以降低其在9℃储存条件下的粘度。用Mayer棒式涂布机将未稀释的RP施加到AP1处理过的AlOxSub上。使用RDS36线尺寸涂布机，其形成82.3μm的RP湿厚度。
将AP1处理过的SAP(12g)放置在改性的铝称重盘中，并且通过轻轻地敲击铝盘而将其均匀地喷洒在涂覆有RP和AP1的AlOxSub上。通过改变敲击速度以及铝盘的握持角度来调整喷洒的速度和量。在烘箱中，将制备的样品在70℃下固化1小时至2小时，随后在100℃下固化1小时至2小时，随后在140℃下固化1小时至2小时，随后在188℃下固化22小时至26小时。然后，将制备的样品在100℃下冷却1小时，随后在50℃下冷却1小时至2小时。
制备两种样品，以用于摩擦测试。
实施例2
重复实施例1，不同之处在于用AP1处理SAP，以形成0.3重量％APTES的涂层。
实施例3
重复实施例1，不同之处在于用AP2涂覆AlOxSub，并且用AP2处理SAP，以形成0.3重量％BTESPA的涂层。
实施例4
重复实施例1，不同之处在于用AP3涂覆AlOxSub，并且用AP3处理SAP，以形成0.1重量％TESPIS的涂层。
实施例5
重复实施例4，不同之处在于用AP3处理SAP，以形成0.3重量％TESPIS的涂层。
比较例A
重复实施例1，不同之处在于未将增粘剂施加到AlOxSub，并且未将增粘剂涂覆到SAP上。
通过下述的摩擦测试方法来分析来自实施例1至实施例5以及比较例A的两种样品，分析结果记录于表2和表3中。
摩擦测试方法
通过用一块相对柔软的橡胶垫摩擦样品表面，去除SAP中完全未结合到或非常弱地结合到基板上的任何部分。在预摩擦之后，通过吹空气充分地清洁样品，以去除任何残留的松散颗粒。在预摩擦完成时，用天平称量各样品(精确到0.01g)，并记录为重量B
重量B＝AlOxSub+RP+结合的SAP
重量B＝重量A+RP+结合的SAP
然后，将预摩擦的基板放置在铝托盘中，并且将去离子(DI)水倒在样品上，以将其浸泡。用于浸泡的DI水的量足以完全浸没样品。浸泡过程在室温下持续24小时。24小时后，将样品从水中取出，并且通过用纸巾轻擦样品来干燥湿样品，然后用空气枪对样品吹气至少1分钟。
使氧化铝刀片(AlOxSub，切割成57.15cm×114.3cm×1.0cm(2.25英寸×4.50英寸×0.040英寸)相对于样品成45度角度并沿样品的长度向下摩擦。将施加到刀片的重量保持恒定在2250g±250g。在摩擦过程中，弱结合的颗粒与样品分离。在用氧化铝刀片完成两遍摩擦之后，用刷子仔细地清洁样品表面以去除分离的/松散的颗粒，并将此时样品的重量记录为重量C。将摩擦和清洁过程再次重复两遍(共计四遍摩擦)，并将此时的样品重量记录为重量D。将摩擦和清洁过程再次重复两遍(共计六遍摩擦)，并将此时的样品重量记录为重量E。将摩擦和清洁过程再次重复两遍(共计八遍摩擦)，并将此时的样品重量记录为重量F。将摩擦和清洁过程再次重复两遍(共计十遍摩擦)，并将此时的样品重量记录为重量G。
用于实施例1至实施例5以及比较例A的重量A至重量G记录于表2中。
表3记录了作为实施例1至实施例5以及比较例A的摩擦的函数的颗粒重量保留百分比。颗粒重量保留百分比通过下式计算：
Figure BDA0001853811860000171
表2
Figure BDA0001853811860000172
表3
Figure BDA0001853811860000173
与单独的氨基官能化的硅烷处理相比，具有异氰酸酯官能化的硅烷的实施例4和实施例5在无机氧化铝颗粒与有机酚醛树脂之间具有更好的粘附性。更高的颗粒保留率证明了这一点。
实施例6
在烧杯中，放置100g的SAP。然后，在摇动烧杯的同时，使用喷涂机(伊利诺伊州煤城的Prevail)将2.0g的制备的增粘剂溶液AP4均匀地施加在颗粒表面上，以防止不均匀地涂覆以及颗粒凝结。一旦喷涂工艺完成，则将烧杯在室温下连续搅拌直至涂覆的颗粒表面变干。当从视觉上看颗粒已干燥时，将其在65℃的烘箱中进一步干燥30分钟。在切割轮制备之前，将制备的颗粒保存在塑料袋或玻璃广口瓶中。重复该过程六次，以产生600g的涂覆有0.1重量％TESPIS的SAP。
将RP(60g)添加到600g的涂覆有0.1重量％AP4的SAP，并且将该组合物在厨宝商业混合器(KitchenAid Commercial mixer)(型号KSM C50S)中以速度1混合7分钟。然后将该混合物与340g的PP合并并且再混合7分钟。在第二混合步骤的中间，向混合物中添加5mLPO。
比较例B
重复实施例6，不同之处在于所用的磨粒为未经任何处理的600g SAP。
实施例7
重复实施例6，不同之处在于用AP4涂覆磨粒，以形成0.3重量％TESPIS的涂层。
磨粒的制备
将实施例6至实施例7以及比较例B的混合物在环境条件下放置20小时。随后，通过12目筛网(+12/pan)筛选各混合物，以去除凝聚物。SCRIM2的直径为125mm的圆盘放置在直径为125mm的模具腔的底部。模具具有23mm的内径。将来自实施例1的填充混合物(27.5g)铺展在SCRIM2的顶部。然后将SCRIM1放置在填充混合物顶部，并将小直径的实验标签放置在稀松布顶部。将来自波兰亚斯沃镇(
Figure BDA0001853811860000181
Poland)的Lumet PPUH的28mm×22.45mm×1.2mm的金属凸缘放置在每个标签顶部。关闭模具，并且在室温下以30吨的按压载荷(244.5kg/cm2)压制稀松布-填充-稀松布夹层3秒。每种混合物制成六个轮。压制之后，从模具中取出切割轮前体，并将其放置在铝板与PTFE薄板之间的堆叠上，以便在固化过程中保持形状。然后以30小时固化周期在堆叠中固化轮：2小时升至75℃、2小时升至90℃、5小时升至110℃、3小时升至135℃、3小时升至188℃、在188℃下保持13小时，然后2小时冷却至60℃。轮的最终厚度为大约0.053英寸(1.35mm)。
切割试验方法
固定一块40英寸(101.6cm)长、1/8英寸(3.2mm)厚的不锈钢薄板，其主表面相对于水平方向倾斜35度角。沿倾斜薄板的向下倾斜的顶部表面固定导轨。将DeWalt D28114型4.5英寸(11.4厘米)/5英寸(12.7厘米)切割轮角度研磨机固定到导轨上，使得工具在重力作用下被沿向下路径导引。
将用于评价的切割轮安装在该工具上，使得当切割轮工具被释放以在重力下沿轨道向下移位时，切割轮遇到不锈钢薄板的整个厚度。启动切割轮工具以使切割轮以10000rpm旋转，释放工具以使其开始下降，并且在60秒(一分钟切割)之后测量不锈钢薄板中所得切割的长度。在切割试验之前和之后测量切割轮的尺寸以确定磨损。将来自实施例6至实施例7以及比较例B的三个切割轮原样进行测试，并且还在90％RH和90℉(32℃)环境室中老化10天且然后在50℃下调理2小时之后进行测试。
一分钟切割被测量为切割轮一分钟内在不锈钢薄板上研磨的距离。磨损率是随轮切割时间而变的轮体积的损失。工程性能，是切割长度乘以轮厚度再除以轮质量的变化。实施例6至实施例7以及比较例B的切割测试结果记录于下表4中。
Figure BDA0001853811860000201
以上获得专利证书的申请中所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文以引用方式并入本文中。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求书保护的本公开而给出的前述说明不应理解为是对本公开范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式限定。

Claims (10)

1.一种制造磨料制品的方法，所述方法包括至少部分地固化可固化组合物，其中所述可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒，其中所述异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述磨粒包括α氧化铝。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述异氰酸酯官能化的有机硅烷由下式表示：O＝C＝N–Z–SiY3，其中Z表示具有1至6个碳原子的亚烷基基团，并且每个Y独立地表示可水解的基团。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷包括至少一种3-异氰酸根合丙基三烷氧基硅烷。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷包括3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷和3-异氰酸根合丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
6.一种磨料制品，所述磨料制品包含保留在粘结剂中的磨粒，其中所述粘结剂包含固化的可固化组合物，其中所述可固化组合物包含酚醛树脂和异氰酸酯官能化的磨粒，并且其中所述异氰酸酯官能化的磨粒由至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷与磨粒的反应产物组成。
7.根据权利要求6所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结磨料制品。
8.根据权利要求6所述的磨料制品，其中所述粘结磨料制品包括粘结磨轮。
9.根据权利要求6所述的磨料制品，其中所述磨粒包括α氧化铝。
10.根据权利要求6所述的磨料制品，其中所述至少一种异氰酸酯官能化的有机硅烷包括3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷和3-异氰酸根合丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
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