JP2004511646A - 凝集粒子を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
少なくとも放射線硬化性バインダーおよび固体粒状物を含む組成物から凝集粒子を製造するための方法。この方法は有孔基板に組成物を押込み、凝集前駆体粒子を形成し、次いでこれらが有孔基板から分離するステップを含む。次いで、粒子は照射され、回収される前に凝固された取扱可能な(handleable)凝集粒子を形成する。
Description
【0001】
発明の背景
本発明は、バインダーおよび固体粒状物を含む凝集粒子を製造するための方法に関する。本発明によって製造される凝集粒子は、例えば、研磨材、ルーフィング粒剤、ろ過製品、硬質被覆剤、ショットブラスト媒体、タンブリング媒体、ブレーキライニング、スリップ止めおよび耐摩耗被覆剤、合成骨、歯科用組成物、再帰反射性シート、および積層複合構造物などの製品において用いることができる。
【0002】
研磨材工業では、従来の被覆研磨物品は通常、バッキングに接着された砥粒の層からなっている。砥粒が摩耗すると、その結果得られる研磨物品は無効となる。また、被膜研磨物品のより高価な部品の1つであるバッキングは、それが摩滅してしまう前に処分しなければならない。
【0003】
被覆研磨物品の耐用年数を延ばすために、砥粒が十分に利用されるような方法でバッキング上に砥粒を分布させる多くの試みがなされてきた。被覆研磨物品の寿命を延ばすことによって、ベルトまたはディスクの変更の必要が少なくなり、時間が節約され、人件費が低下する。最上部の粒子の下に位置する粒子は用いられる可能性が低いため、バッキング上に砥粒の厚い層を配置するだけでは問題の解決とはならない。
【0004】
物品の寿命を延ばすような方法で被覆砥粒中に砥粒を分布させうるいくつかの方法が知られている。このような方法の1つは、被覆研磨物品に研磨凝集粒子を組み入れることを含む。研磨凝集粒子は、塊状物を形成するバインダーによって結合された砥粒からなる。ランダムな形状やサイズを有する研磨凝集粒子の使用により、被加工物の表面と接触する砥粒の量を予測可能に制御することが困難となる。このため、研磨凝集粒子を調製する経済的な方法を得ることが望ましいであろう。
【0005】
発明の概要
本発明は、少なくとも放射線硬化性バインダーおよび固体粒状物を含む組成物から凝集粒子を製造するための方法に関する。好ましい実施形態では、バインダーは放射線硬化性および重合性である。
【0006】
本発明の方法は、凝集前駆体粒子を形成し、それらを硬化することを含む。好ましい実施形態では、第1のステップは、バインダーおよび固体粒状物を有孔基板に押込み、凝集前駆体粒子を形成することを含む。次に、凝集前駆体粒子を有孔基板から分離し、放射線エネルギーで照射し、凝集粒子を得る。好ましい実施形態では、押込むステップ、分離するステップ、および照射するステップの方法は、垂直および連続的に空間的に配向され、連続的および持続的な方法で行われる。凝集粒子は照射ステップ後および回収される前に凝固されて取扱可能であることが好ましい。
【0007】
本発明のバインダー前駆体には熱および放射線硬化性バインダーが含まれる。好ましいバインダー前駆体はエポキシ樹脂、アクリルウレタン樹脂、アクリル化エポキシ樹脂、エチレン性不飽和樹脂、ペンダント不飽和カルボニル基を有するアミノプラスト樹脂、少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアヌレート誘導体、少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアネート誘導体、またはそれらの組合せを含む。好ましい固体粒状物は砥粒、充填材、帯電防止剤、強化粒状物、無機バインダー前駆体粒状物、潤滑剤、顔料、懸濁化剤、可塑性粒状物、またはそれらの組合せを含む。一実施形態では、固体粒状物は組成物の5重量%〜95重量%である。好ましい実施形態では、固体粒状物は組成物の40重量%〜95重量%である。
【0008】
バインダー前駆体および固体粒状物の組成物は、高い粘度を有することが好ましい。最も好ましい実施形態では、組成物は100%固体(すなわち、プロセス温度で非揮発性溶媒)であるバインダー前駆体から形成される。
【0009】
バインダー前駆体および/または固体粒状物を有孔基板に押込む方法は、押出し、ミリング、カレンダーリング、またはそれらの組合せを含む。好ましい実施形態では、押込む方法は、Quadro Engineering Incorporated.によって製造された粉砕機械によって提供される。
【0010】
一実施形態では、凝集前駆体粒子は、放射線源を含む第1の硬化ゾーンの中を通過させることによって照射される。好ましい放射線源は電子ビーム、紫外線、可視光線、レーザー光、またはそれらの組合せを含む。別の実施形態では、凝集粒子を第2の硬化ゾーンの中に通過させ、さらに硬化する。第2の硬化ゾーンにおける好ましいエネルギー源は熱、電子ビーム、紫外線、可視光線、レーザー光、マイクロ波、またはそれらの組合せを含む。
【0011】
好ましい実施形態では、凝集粒子は繊維状であり、約100〜約5000マイクロメートルの長さを有する。繊維状の凝集粒子が約200〜約1000マイクロメートルの長さを有することが最も好ましい。一実施形態では、凝集粒子は、第1の照射ステップ後または第2の硬化ゾーンに通過させた後のいずれかに粉砕される。粉砕の好ましい方法は、Quadro Engineering有限責任会社によって製造された粉砕機械によるものである。
【0012】
一実施形態では、凝集粒子の断面形状は円形、多角形、またはそれらの組合せである。断面形状は一定であることが好ましい。
【0013】
一実施形態では、凝集粒子は無機バインダー前駆体添加剤を含む。無機前駆体添加剤はガラス粉末、フリット、粘土、フラクシング鉱物、シリカゾル、またはそれらの組合せを含むことが好ましい。
【0014】
一実施形態では、凝集前駆体粒子は改質添加剤を含む。改質添加剤はカップリング剤、研削助剤、充填材、界面活性剤、またはそれらの組合せを含む。
【0015】
本発明の研磨凝集粒子は、従来の研磨物品(例えば、結合研磨材、被膜研磨材、および不織研磨材)の中に組み入れることができる。研磨物品は、本発明の研磨凝集粒子により、長い寿命、高い切削率、および良好な表面仕上を示した。
【0016】
詳細な説明
一般に、本発明は粒子を製造するための方法を含む。この方法は、バインダー前駆体および固体粒状物を含む組成物を、有孔基板に押込んで粒子を形成することを含む。粒子が有孔から分離し、または分離された後、バインダー前駆体の一部または全部が照射されてバインダー前駆体を硬化または凝固し、凝固された取扱可能なバインダーおよび凝集粒子を得る。
【0017】
図1は、本発明の方法によって製造された繊維状凝集粒子の好ましい非限定的な実施例を示す。
【0018】
図1は、「繊維状凝集粒子」の語によって意味されるものを示す。凝集粒子80そのものはバインダー82および複数の固体粒状物84を含む。複数の固体粒状物84が砥粒である場合は、ラフコーナー85が通常の被覆研磨材製造法において用いられるマーカーおよびサイズコートへの強力な結合の形成を可能にする。
【0019】
本明細書で用いる「繊維状」の語句は、凝集粒子が1以上のアスペクト比(アスペクト比=粒子の長さ(L)/粒子の幅(W))を有することを意味する。例えば、図1は、アスペクト比が1よりも大きい繊維状凝集粒子を示す。図1における凝集粒子の長さLは粒子の幅Wよりも大きい。
【0020】
本明細書で用いる「バインダー前駆体」の語句は、変形可能すなわち熱もしくは圧力またはその両方によって変形されるように製造でき、放射線エネルギー、熱エネルギーまたはその両方によって取扱可能とされうる材料を意味する。本明細書で用いる「凝固された取扱可能なバインダー」の語句は、バインダー前駆体の一部または全部が、形状の実質的な変化を実質的に起こさず、または受けない程度に重合され、または硬化されていることを意味する。「凝固された取扱可能なバインダー」の語句は、バインダー前駆体の一部または全部がつねに完全に重合されることを意味せず、バインダーの形状の実質的な変化をもたらすことなく、照射された後にそれらの回収を可能にするのに十分に重合または硬化されることを意味する。本明細書で用いる「バインダー」の語は、「凝固された取扱可能なバインダー」の語句と同義である。
【0021】
本明細書で用いる「無機バインダー前駆体」の語句は、凝集粒子中に存在する有機材料を焼尽するのに十分な温度で加熱すると、後に融合し、凝集粒子を結合する剛性の無機相を形成しうる粒状添加剤を指す。無機バインダー前駆体の例としては、ガラス粉末、フリット、粘土、フラクシング鉱物、シリカゾル、またはそれらの組合せが挙げられる。
【0022】
本明細書で用いる「無機凝結前駆体凝集粒子」の語句は、複数の固体粒子、放射線硬化性の重合性バインダー前駆体、および無機バインダー前駆体粒状添加剤を(含む(compromising))本発明の凝集粒子を指す。
【0023】
本明細書で用いる「放射線硬化性の重合性」の語句は、放射線エネルギーによって照射される重合の結果として凝固された取扱可能なバインダーが提供されうるバインダー前駆体の一部分を指す。
【0024】
本明細書で用いる「有孔基板」の語句は、1つまたは複数の開口部を有する材料であって、それによってバインダー前駆体および固体粒状物を含む組成物がその開口部またはそれらの開口部に押込まれる。この材料は、すべての背圧、摩擦加熱、または伝導性/対流性加熱に耐えるのに十分な結合性をも有するべきである。一般に、有孔基板としては、例えば、メッシュスクリーン(例えば、米国特許第5,090,968号に記載)、フィルムダイ、スピナレットダイ、ふるいウェブ(例えば、米国特許第4,393,021号に記載)またはスクリーン(例えば、米国特許第4,773,599号に記載)を含みうる。本発明の好ましい有孔基板は、直径1ミル(25マイクロメートル)〜500ミル(12.7mm)の幾何開口部を有する円錐形スクリーンを含む。本発明の最も好ましい有孔基板は、直径15ミル(0.38mm)〜250ミル(6.35mm)の円形開口部を有する円錐形スクリーンを含む。
【0025】
図3は、繊維状凝集粒子を製造する本発明の方法を行うために適した好ましい装置10を示す。装置10において、バインダー前駆体および固体粒状物を含む組成物12が重力によってホッパー14から、または手によって機械18の入力部16に供給され、繊維状凝集前駆体粒子20を形成する。繊維状凝集前駆体粒子20は粉砕スクリーン22から分離する。繊維状凝集前駆体粒子は、重力によって、硬化ゾーン24を通じて落下し、それはエネルギー源26に曝露され、バインダー前駆体を少なくとも部分的に硬化し、凝固された取扱可能なバインダーおよび繊維状凝集粒子を提供する。繊維状凝集粒子28は容器30に回収される。
【0026】
図3の機械18は、例えば、押出機、ミリング/粉砕機械、ペリタイザー、およびパンアグロメレータなど、どのような材料形成装置であってもよい。図4は、Quadro Engineering Incorporated.によって製造された粉砕機械、モデル#197であり、「QUADRO COMIL」の商品名で販売されているきわめて好ましい材料形成装置を示す。粉砕機械(「QUADRO COMIL」)40は、回転可能軸44に取り付けられたインペラ42を有する。軸44およびインペラ42は入力部48および出力部50を有するチャネル46に配置されている。インペラ42は、該インペラの縁と前記スクリーンのテーパ状壁部との間隙52が前記インペラが前記スクリーンに対して回転すると実質的に一定であるように成形加工され、取り付けられている。
【0027】
一般に、インペラ42の形状は、例えば、円形、扁平、または角形扁平であってよい。本発明で用いられる好ましいインペラ42の形状は円形であってよい。本発明で用いられる最も好ましいインペラ42の形状は矢じり状である。
【0028】
一般に間隙52の幅は、例えば、1〜200ミル(25マイクロメートル〜5.1mm)のサイズの範囲であってよい。本発明で用いられる最も好ましい間隙52の幅は5〜50ミル(0.13〜1.3mm)であってよい。
【0029】
インペラ42の回転速度を調節して製造条件を最適化することは、当業者には容易に理解されよう。本発明で用いられる最も好ましいインペラ42の回転速度は、50〜3500rpmであってよい。
【0030】
チャネル46は支持部54、および支持部内に保持されているスクリーン56も含み、前記入力部48から前記出力部50に通過するバインダー前駆体または凝固され取扱可能なバインダーがスクリーン56を通過するようになっている。スクリーン56は、截頭円錐状に形成されたテーパ状の開口を有する壁部58を有し、スクリーン56の広端60は開放しており、狭端62は少なくとも部分的に閉鎖している。ほとんどの用途において、狭端62は完全に閉鎖されていることが望ましい。スクリーンは成形加工された開口部64を有する。
【0031】
一般に、スクリーン開口部64の形状は、曲線状、円形、または、例えば、三角、正方形、および六角形を含めて多角形であってよい。本発明で用いられる好ましいスクリーン開口部64の形状は、円形または正方形であってよい。本発明で用いられる好ましいスクリーン開口部64の形状は、15〜250ミル(0.38〜6.35mm)のサイズの正方形または円形であってよい。
【0032】
図4から容易にわかるように、軸44の端66がチャネル46から突出している。軸44に端66には電源(図示せず)を容易に付着させ、軸44およびインペラ42を前記スクリーン56に対して回転させることができる。好ましくは、電源は可変電気モータである。しかし、電源は従来型であり、多くの他の電源が粉砕機械(「QUADRO COMIL」)40を作動させるために適切であろう。
【0033】
図3は、本発明の方法の分離ステップを示す。一般に、分離ステップは能動的または受動的でありうる。分離の受動的方法を図3に示す。受動的分離は、組成物が有孔基板に押込まれた後に、臨界長さに達し、スクリーン開口部から分離する形成された組成物の結果である。受動的分離は、例えば、以下の関数的な性質のものである:1)組成物の物理的および/または化学的特質(粘度を含めて)、2)組成物(有孔基板を含めて)に支障をきたすプロセス装置の物理的および化学的特性、および3)プロセス運用条件(組成物のフローレートを含む)。能動的分離の例は、例えば、組成物の流れの方向に対して垂直に移動するドクターブレードまたはエアナイフである。
【0034】
図3は、一般に、照射ステップを示す。照射ステップにおける放射線エネルギー源、第1の硬化ゾーン、または第2の硬化ゾーンは電子ビームエネルギー、紫外線、可視光線、マイクロ波、レーザー光、またはそれらの組合せを含む。
【0035】
好ましい実施形態では、紫外線が放射線源として用いられる。同じ実施形態では、紫外線源を含むチャンバ内に鏡が用いられ、凝集前駆体粒子に伝搬されるエネルギーを増強するように紫外線波を反射する。
【0036】
電離放射線としても知られる電子ビーム放射線は、約0.1〜約20Mradのエネルギーレベル、好ましくは約1〜約10Mradのエネルギーレベルで用いることができる。紫外線は、約200〜約400ナノメートルの範囲内、好ましくは約250〜400ナノメートルの範囲内の波長を有する放射線を指す。放射線量は約50〜約1000mJ/cm2、好ましくは約100mJ/cm2〜約400mJ/cm2の範囲でありうる。この量の線量の提供に適した光源の例は、約100〜約600ワット/インチ(39〜236ワット/cm)、好ましくは約300〜約600ワット/インチ(118〜236ワット/cm)を提供する。可視光線は、約400〜約800ナノメートルの範囲内、好ましくは約400〜約550ナノメートルの範囲の波長を有する非粒状放射線を指す。バインダー前駆体を十分に硬化するために必要とされる放射線エネルギーの量は、バインダー前駆体、第1の硬化ゾーンにおける滞留時間、固体粒状物の型、および、もしあれば、任意選択の改質添加剤の型に依存する。
【0037】
任意選択で、本発明によって製造される凝集粒子は第2の硬化ゾーンを通過させ、もしあれば、非硬化バインダー前駆体を硬化させ、第1の硬化ゾーン後に製造される繊維状凝集粒子とは異なる特性の繊維状凝集体を提供しうる。第2の照射ステップでは、バインダー前駆体は放射線または熱エネルギーによって硬化可能であることが好ましい。放射線エネルギー源は上述されている。熱エネルギー源としては、例えば、熱風衝突、赤外線、および加熱水が挙げられる。熱硬化の条件は約50℃〜約200℃の範囲であり、数分〜数百分の時間である。必要な実際の熱量はバインダー前駆体の化学的性質に大きく依存する。
【0038】
一実施形態では、本発明の繊維状凝集粒子は1〜30、好ましくは1〜15、最も好ましくは1〜5の範囲のアスペクト比を有する。
【0039】
一般に、放射エネルギーによる重合の結果として取扱可能性を提供しうるバインダー前駆体としては、例えば、アクリル化ウレタン、アクリル化エポキシ、エチレン性不飽和化合物、ペンダント不飽和カルボニル基を有するアミノプラスト誘導体、少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアネート誘導体、ビニルエーテル、エポキシ樹脂、およびそれらの組合せが挙げられる。アクリレートの語にはアクリレートおよびメタクリレートが含まれる。
【0040】
アクリル化ウレタンは、ヒドロキシ末端イソシアネート延伸ポリエステルまたはポリエーテルのジアクリレートエステルである。市販のアクリル化ウレタン樹脂の例としては、「UVITHANE 782」および「UVITHANE 783」の商品名で、両方ともMorton Thiokol Chemicalから市販され、「CMD 6600」、「CMD 8400」、および「CMD 8805」の商品名でRadcure Specialtiesから市販されているものが挙げられる。
【0041】
アクリル化エポキシは、ビスフェノールエポキシ樹脂(bisphenol an epoxy resin)のジアクリレートエステルなどエポキシ樹脂のジアクリレートエステルである。市販のアクリル化エポキシの例としては、「CMD 3500」、「CMD 3600」、および「CMD 3700」の商品名でRadcure Specialtiesから市販されているものが挙げられる。
【0042】
エチレン性不飽和化合物としては、炭素、水素、および酸素、任意選択で窒素またはハロゲン類の原子を含有するモノマーおよびポリマー化合物が挙げられる。酸素原子、窒素原子、またはその両方は一般にエーテル基、エステル基、ウレタン基、アミド基、および尿素基に存在する。エチレン性不飽和化合物は、好ましくは約4,000未満の分子量を有し、好ましくは脂肪族モノヒドロキシ基または脂肪族ポリヒドロキシ基を含有する化合物の反応から得られるエステル、およびアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸等などの不飽和カルボキシル酸である。アクリレートの代表的な例としては、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールメタクリレート、へキサンジオールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、トリメチルプロパントリアクリレート、グリセロールトリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールメタクリレート、およびペンタエリスリトールテトラアクリレートが挙げられる。他のエチレン性不飽和化合物としては、モノアリルエステル、ポリアリルエステル、およびポリメチルアリルエステルのほか、フタル酸ジアリル、アジピン酸ジアリル、およびN,N−ジアリルアジパミドなどのカルボン酸のアミド類が挙げられる。さらに、他のエチレン性不飽和化合物としては、スチレン、ジビニルベンゼン、およびビニルトルエンが挙げられる。他の窒素含有エチレン性不飽和化合物としては、トリス(2−アクリロイル−オキシエチル)イソシアヌレート、1,3,5−トリ(2−メチアクリルオキシエチル)−s−トリアジン、アクリルアミド、メチルアクリルアミド、N−メチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N−ビニルピロリドン、およびN−ビニルピペリドンが挙げられる。
【0043】
アミノプラスト樹脂はモノマーまたはオリゴマーでありうる。アミノプラスト樹脂は分子当たり少なくとも1つのペンダントa,b−不飽和カルボニル基を有する。これらのa,b−不飽和カルボニル基はアクリレート基、メタクリレート基、またはアクリルアミド基でありうる。このような樹脂の例としては、N−ヒドロキシメチル−アクリルアミド、N,N’−オキシジメチレンビスアクリルアミド、オルトおよびパラアクリルアミドメチル化フェノール、アクリルアミドメチル化フェノールノボラック、およびそれらの組合せが挙げられる。これらの材料はさらに米国特許第4,903,440号および同第5,236,472号に記載されている。
【0044】
少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有する有用なイソシアヌレート誘導体および少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアン酸誘導体は、さらに米国特許第4,652,274号に記載されている。好ましいイソシアヌレート材料は、トリス(ヒドロキシエチル)イソシアヌレートのトリアクリレートである。
【0045】
本発明に適したビニルエーテルの例としては、「VE 4010」、「VE 4015」、「VE 2010」、「VE 2020」、および「VE 4020」の商品名でAllied Signalから市販されているビニルエーテル官能化ウレタンオリゴマーが挙げられる。
【0046】
エポキシはオキシラン環を有し、カチオンメカニズムによる開環によって重合化される。有用なエポキシ樹脂としては、モノマーエポキシ樹脂およびポリマーエポキシ樹脂が挙げられる。これらの樹脂は、それらのバックボーンおよび置換基の性質の点で大きく異なることがある。例えば、バックボーンはエポキシ樹脂と通常付随したいずれかの型でありうるとともに、それらの置換基は室温でオキシラン環と反応性である活性水素原子を含まないいずれかの基でありうる。エポキシ樹脂の置換基の代表的な例としては、ハロゲン類、エステル基、エーテル基、スルホン酸基、シロキサン基、ニトロ基、およびリン酸基が挙げられる。本発明において有用な一部のエポキシ樹脂の例としては、2,2−ビス[4−(2,3−エポキシプロポキシ)フェニル]プロパン(ビスフェノールAのジグリシジルエーテル)のほか、「EPON 828」、「EPON 1004」、および「EPON 1001F」の商品名でShell Chemical Co.(Houston,テキサス州)から市販されている材料、「DER−331」、「DER−332」、および「DER−334」の商品名でDow ChemicalCo.(Freeport,テキサス州)から市販されている材料が挙げられる。他の適切なエポキシ樹脂としては、フェノールホルムアルデヒドノボラックのグリシジルエーテル(例えば、「DEN−431」および「DEN−428」の商品名でDow Chemical Co.から市販)が挙げられる。本発明において用いられるエポキシ樹脂は、適切な光開始剤(類)の添加によるカチオンメカニズムによって重合しうる。これらの樹脂は、米国特許第4,318,766号および同第4,751,138号にさらに記載されている。
【0047】
紫外線または可視光線が利用される場合は、光開始剤が混合物に含まれることが好ましい。紫外線または可視光線に曝露されると、光開始剤は光開始剤は遊離基源またはカチオン源を発生する。次いで、この遊離基源またはカチオン源はバインダー前駆体の重合を開始する。電子ビームエネルギーが利用されるときには光開始剤は任意選択である。
【0048】
紫外線に曝露されると遊離基源を発生する光開始剤の例としては、有機過酸化物、アゾ化合物、キノン、ベンゾフェノン、ニトロソ化合物、アシルハロゲン化物、ヒドラゾン、メルカプト化合物、ピリリウム化合物、トリアクリルイミダゾール、ビスイミダゾール、クロロトリアジン、ベンゾイン、ベンゾインエーテル、ベンジルケタール、チオキサントン、およびアセトフェノン誘導体、およびそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。可視光線に曝露されると遊離基源を発生する光開始剤の例は、米国特許第4,735,632号に記載されている。
【0049】
カチオン光開始剤は酸源を発生してエポキシ樹脂またはウレタンの重合を開始する。カチオン光開始剤としては、金属またはメタロイドのオニウムカチオンおよびハロゲン含有錯体アニオンを有する塩が挙げられる。他のカチオン光開始剤としては、金属またはメタロイドの有機金属錯体カチオンおよびハロゲン含有錯体を有する塩が挙げられる。これらの光開始剤は、米国特許第4,751,138号にさらに記載されている。別の例は、米国特許第4,985,340号;EP0306161およびEP0306162に記載されている有機金属塩およびオニウム塩である。さらに他のカチオン光開始剤としては、金属が周期群IVB、VB、VIB、VIIB、およびVIIIBの元素から選択される有機金属錯体のイオン性塩が挙げられる。
【0050】
本発明における固体粒状物は砥粒、可塑性粒状物、強化粒状物、無機バインダー前駆体粒状物、充填材、研磨助剤、繊維、潤滑剤、顔料、帯電防止剤、懸濁化剤、およびそれらの組合せを含む。
【0051】
一実施形態では、固体粒状物は複数の固体粒状物として砥粒を含む。硬化バインダー前駆体、すなわちバインダーは、砥粒を結合し、成形研磨凝集粒子を形成する働きがある。砥粒は通常、約0.5〜1500マイクロメートル、好ましくは約1〜約1300マイクロメートル、より好ましくは約1〜約800マイクロメートル、最も好ましくは約1〜約400マイクロメートルの平均粒径を有する。好ましい実施形態では、砥粒は少なくとも約8、より好ましくは9を超えるモース硬度を有する。このような砥粒の材料の例としては、溶融アルミニウム酸化物、セラミックアルミニウム酸化物、白色溶融アルミニウム酸化物、熱処理アルミニウム酸化物、シリカ、炭化ケイ素、緑色炭化ケイ素、アルミナジルコ二ア、ダイアモンド、セリア、立方晶窒化ホウ素、ガーネット、トリポリ、およびそれらの組合せが挙げられる。セラミックアルミニウム酸化物は、米国特許第4,314,827号;同第4,744,802号;同第4,623,364号;同第4,770,671号;同第4,881,951号;同第5,011,508号;同第5,213,591号に記載されているようなゾルゲル製法に従って製造されることが好ましい。セラミック研磨グリットは、αアルミナ、および任意選択で、金属酸化物改質剤を含む。マグネシア、ジルコニア、亜鉛酸化物、ニッケル酸化物、ハフニア、イットリア、シリカ、鉄酸化物、チタニア、ランタン酸化物、セリア、ネオジム酸化物、およびそれらの組合せなど金属酸化物改質剤を含む。セラミックアルミニウム酸化物は、任意選択でαアルミナ、鉄酸化物、鉄酸化物前駆体、チタニア、クロミア、またはそれらの組合せなどの造核剤をも含むことができる。セラミックアルミニウム酸化物は、米国特許第5,201,916号および同第5,090,968号に記載されているような形状を有することができる。
【0052】
研磨グリットは、表面被覆をも有することができる。表面被覆が研磨凝集粒子中の研磨グリットとバインダーとの接着を改善することができ、かつ/または研磨グリットの研磨特性を変更することができる。このような表面被覆は、米国特許第5,011,508号;同第1,910,444号;同第3,041,156号;同第5,009,675号;同第4,997,461号;同第5,213,591号;および同第5,042,991号に記載されている。研磨グリットは、その表面にシランカップリング剤などのカップリング剤をも含むことができる。本発明に適したカップリング剤の例としては、オルガノ−シラン、ジルコアルミネート、およびチタネートが挙げられる。帯電防止剤の例としては、黒鉛、カーボンブラック、伝導性ポリマー、湿潤剤、バナジウム酸化物等が挙げられる。これらの材料の量を調節して所望の特性を得ることができる。
【0053】
一実施形態では、固体粒状物は、単一型の研磨グリフト、2種類以上の型の砥粒、または少なくとも1種類の型の充填材料とともに少なくとも1種類の型の研磨グリフトを含む。充填材用の材料の例としては、炭酸カルシウム、ガラスバブル、ガラスビーズ、灰石、大理石、石膏、粘土、SiO2、Na2SiF6、氷晶石、有機バブル、有機ビーズ、および無機バインダー前駆体粒状物が挙げられる。
【0054】
研削助剤は多種多様な異なる材料を包含し、無機系または有機系でありうる。研削助剤の例としては、ワックス、有機ハライド、ハライド塩のほか、金属およびそれらのアロイが挙げられる。有機ハライド化合物は通常、研磨中に分解し、ハロゲン助剤またはガラス状ハライド化合物を放出する。このような材料の例としては、テトラクロロナフタレン、ペンタクロロナフタレン、およびポリ塩化ビニルのような塩素化ワックスが挙げられる。ハライド塩の例としては、塩化ナトリウム、カリ氷晶石、ナトリウム氷晶石、アンモニウム氷晶石、テトラフルオロ硼酸カリウム、テトラフルオロ硼酸ナトリウム、フッ化ケイ素、塩化カリウム、および塩化マグネシウムが挙げられる。金属の例としては、スズ、鉛、ビスマス、コバルト、アンチモン、カドミウム、鉄、およびチタンが挙げられる。他の研削助剤として、イオウ、有機イオウ化合物、黒鉛、および金属硫化物が挙げられる。異なる研削助剤の組合せを使用することも本発明の範囲内であり、場合によって、これは相乗効果を生じうる。研削助剤の上記の例は研削助剤を示す代表例であることが意味され、すべての研削助剤を包含することは意味されない。
【0055】
帯電防止剤としては、黒鉛、カーボンブラック、伝導性ポリマー粒子、またはそれらの組合せが挙げられる。
【0056】
本発明において用いられる組成物は、例えば、充填材、無機結合前駆体、および界面活性剤など任意選択の改質添加剤をさらに含むことができる。
【0057】
本発明に適した充填材の例としては、木材パルプ、蛭石およびこれらの組合せ、炭酸カルシウムなどの金属カーボネート、例えばチョーク、方解石、泥灰石、トラバーチン、大理石、および石灰岩、炭酸カルシウムマグネシウム、炭酸ナトリウム、炭酸マグネシウム;非晶質シリカ、石英、ガラスビーズ、ガラス粉末、ガラスバブル、およびガラス繊維などのシリカ;タルク、粘土(モンモリロン石)、長石、雲母、ケイ酸カルシウム、メタケイ酸カルシウム、アルミノケイ酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウムなどのケイ酸塩;硫酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸ナトリウム、硫酸アルミニウムナトリウム、硫酸アルミニウムなどの金属硫酸塩;石膏;蛭石;木粉;アルミニウム三水和物;カルシウム酸化物(石灰)、アルミニウム酸化物、チタンニ酸化物などの金属酸化物;および亜硫酸カルシウムなどの金属亜硫酸塩が挙げられる。
【0058】
本発明に適した無機バインダー前駆体の例としては、ガラス粉末、フリット、粘土、フラクシング鉱物、シリカゾル、またはそれらの組合せが挙げられる。
【0059】
凝集体粒子が砥粒を含有する場合は、繊維状凝集粒子が研磨中に分解可能であることが好ましい。バインダー前駆体、砥粒、および任意選択の研磨材の選択および量は、粒子の分解特性に影響を及ぼす。
【0060】
以下の実施例により本発明の特定の実施形態をさらに説明する。当業者は、本発明が実施例に記載された実施形態の修正および変更をも含むことや、例示的な実施例が請求された発明の範囲を限定しないことを理解するであろう。
【0061】
実施例
以下の略語が実施例では用いられている。実施例における部、パーセンテージ、割合等はすべて、特記しない限り重量による。
【0062】
__________________
AO:熱処理溶融アルミニウム酸化物研磨グリフト;Treibacher(オーストリア、Villach)から市販。
ASF:非晶質シリカ充填材、DeGussa Corp.から「OX−50」の商品名で市販。
AG321:ゾルゲル由来アルミナ系砥粒、Minnesota Mining and Manufacturing(St.Paul,ミネソタ州)から「CUBITRON 321」の商品名で市販。
CaCO3:炭酸カルシウム充填材、J.M.Huber Corp.(Quincy,イリノイ州)から市販。
CEO:約0.5マイクロメートルの平均粒径を有するセリア研磨粒子、Rhone Poulenc(Shelton,コネチカット州)から市販。
Cer:セラミック研磨鉱物CCPL、Treibacher(オーストリア、Villach)より市販。
CH:クメンヒドロペルオキシド、Aldrich Chemical Company(Inc Milwaukee,ウィスコンシン州)から市販。
CMSK:処理メタケイ酸カルシウム充填材、NYCO(Willsboro,ニューヨーク州)から「WOLLOSTOKUP」の商品名で市販。
CRY:氷晶石RTN、Tarconard Trading a/s(デンマーク、Avernakke Nyberg)から市販。
EAA:PETフィルムバッキング用エチレンアクリル酸共重合体プライマー。
KB1:2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタノン、Lamberti S.P.A.(Sartomer Co.経由)から「ESACURE KB 1」の商品名で市販。
KBF4:テトラフルオロ硼酸カリウムSPEC 102および104、Atotech USA,Inc.(Cleveland,オハイオ州)から市販。
PC:Pearless Clay #4、R.T.Vanderbilt Co.,Inc.(Bath,サウスキャロライナ州)から市販。
Perkadox:16S、ジ−(4−tert−ブチルシクロヘキシル)ぺロキシジ−カーボネート、AKZO Nobel Chemical,Inc.(Chicago,イリノイ州)から市販。
PET:5ミル(125ミクロン)厚ポリエステルフィルムバッキング。
PH2:2−ベンジル−2−N,N−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−1−ブタノン、Ciba Geigy Corp.から「IRGACURE 369」の商品名で市販。
PH3:2−フェニル−2,2−ジメトキシアセトフェノン、Ciba Geigy Corp.から「IRGACURE 651」の商品名で市販。
PRO:60/40/1 TMPTA/TATHEIC/KB1の混合物、Sartomer Co.から市販。
SCA:シランカップリング剤、3−メタクリルオキシプロピル−トリメトキシシラン、Union Carbideから「A−174」の商品名で市販。
SGP:アルミノ−ボロ−シリケートガラス粉末、−325メッシュ、Specialty Glass(Oldsmar,フロリダ州)から「SP1086」の商品名で市販。
SiC:炭化ケイ素研磨鉱物、Minnesota Mining and Manufacturing(St.Paul,ミネソタ州)から市販。
TATHEIC:トリス(ヒドロキシエチル)イソシアヌレートのトリアクリレート、Sartomer Co.から「SR368」の商品名で市販。
TMPTA:トリメチロルプロパントリアクリレート、Sartomer Co.から「SR351」の商品名で市販。
VAZO 52:2,2−アゾビス(2,4−ジメチルペンタンニトリル)、DuPont Co.(Wilmington,デラウェア州)から市販。
【0063】
凝集前駆体粒子スラリーを製造するための一般手順
バインダー前駆体および固体粒状物を含むスラリー組成物を形成するために、例えば高剪断混合、空気攪拌、またはタンブリングなどの従来の方法によって各成分を混合することができる。混合中に混合物に対して真空を用いて空気の取込みを最小限に抑えることができる。
【0064】
スラリー組成物は、固体粒状物、例えば砥粒、および、もしあれば、熱開始剤を完全に混合してプレミックスにすることによって調製される。プレミックスは、表1または表1A(下記)に示した成分を含むバインダー前駆体を含む。混合後、スラリーは冷蔵され、追加の工程ステップが行われる前に冷却される。スラリー組成物はきわめて厚く、セメント様のハンドリング特性を有する。表1および表1Aの割合は重量に基づく。
【0065】
【表1】表1.プレミックス#1の組成
【0066】
【表2】
表1A.プレミックス#2の組成
【0067】
凝集粒子を製造するための一般手順
好ましい実施形態では、スラリーは、Quadro Engineering有限責任会社によってモデル#197として製造され、「QUADRO COMIL」の商品名で販売されている粉砕機械の補助で凝集粒子に加工される。粉砕機械(「QUADRO COMIL」)は、インペラと固定スぺーサーを備えている。円形または正方形の穴の開口部を有する円錐形スクリーンを用いて所望の繊維状の形状を生成する。スラリーは、インペラが前もってセットされた速度(rpm)で回転している間に粉砕機械(「QUADRO COMIL」)のホッパーを通じて添加される。スラリーはインペラによって円錐形スクリーンの開口部に押込まれ、臨界長さに達すると、繊維状凝集前駆体粒子はスクリーンの外側から分離し、2個の600ワット「d」フュージョン光が備えられているUV硬化チャンバ(Fusion社によって設計され、組立てられたモデル#DRE410Q)を通じて重力によって落下する。繊維状凝集前駆体粒子は、UV放射線への曝露によって部分的に硬化され、固体の取扱可能な形に変換される。繊維状凝集粒子は、以下の実施例において所望の熱エネルギー、マイクロ波エネルギー、または追加のUVエネルギーへの曝露によって硬化しうる。
【0068】
凝集粒子を用いた被覆研磨物品を製造するための一般手順
本発明の凝集粒子を使用する研磨物品を、プレミックス(表1により製造)の12ミル(0.3mm)被覆を0.8ミル(20マイクロメートル)EAAプライムとともにPETの5ミル(0.13mm)フィルムに塗布することによって製造した。凝集粒子を被覆フィルム上に注入し、均一の被覆が達成されるまで被覆ウェブ上で凝集粒子をタンブリングした。過剰な粒子が落下するまで被覆ウェブを振盪させることによって過剰な凝集粒子を除去した。被覆試料を金属板にテープでくくり、30FPM(9.1m/分)での高出力に設定した600ワット「D」フュージョン光に3回通過させることによってUVおよび可視光線に曝露した。硬化試料を2インチ(5.1cm)のバー上で屈曲させた。次に、研磨物品をプレミックス(表1により製造)でサイズ被覆し、塗装用刷毛(paint bush)で塗布した。紙タオルに吸収することによって過剰なサイズを除去した。気流をかけてサイズコートをより均一に広げる。試料をUV光にさらに3回、30FPM(9.1m/分)で通過させ、次いで標準サイズの試料を硬化する。硬化研磨物品を再び2インチ(5.1cm)のバー上で屈曲させる。下記の試験手順のロッカードラム試験に従って試験用のサイズに試料を切削する。
【0069】
試験手順
ロッカードラム試験(Rocker Drum Test)
屈曲研磨物品を10インチ×2.5インチ(25.4cm×6.4cm)のシートに変換する。これらの試料を、小さな弧で前後に振動する(揺れる)試験機械の円柱状鋼ドラム上に設置した。一辺が3/16インチ(0.48cm)の正方形の1018炭素鋼被加工物を研磨物品上にレバーアーム配置で固定し、約8lb(3.6kg)の負荷を被加工物にかけた。研磨物品が前後に揺れると、被加工物は研磨され、3/16インチ×5.5インチ(0.48cm×14cm)の摩耗経路が研磨物品上に生成された。この摩耗経路には毎分約60ストローク存在した。圧縮気流(20psi、137kpsi)を被加工物との接触点で研磨物品上に方向づけ、摩耗経路からの研削くずや細片を除去した。1000サイクル(1サイクルが1前後運動)後に除去された鋼の量を間隔切削として記録し、総切削は試験のエンドポイントで除去された鋼の累積量とした。
【0070】
破砕試験(Crush Test)
約5グラムの凝集粒子をディキシーカップに配置し、手で破砕し、当初繊維として成形されていた場合は、長さを減少させる。破砕凝集粒子をガラス板上に注入する。長さが100ミル(2.5mm)未満の試料のみを破砕した。使用した破砕試験装置は、フラット圧縮器具を備えたChatillonモデルDPP−25フォースゲージであった。フォースゲージの読み値は0〜25ポンド(0〜11.3キログラム)である。フォースゲージのフラット圧縮足は破砕される凝集体砥粒上およびこれに接触する水平位置に保持され、凝集体砥粒が破損される(可聴音および/または感触)まで手で一定の力を加えた。粒子を破損するために必要な力を記録し、11個の他の試料で試験を繰り返した。表に示した破砕試験値は、実験用配合物の12個の粒子を破損する平均力である。
【0071】
実施例1〜5
実施例1の凝集粒子は、表1(上記)のプレミックス組成物900グラムを、CH2.2グラムおよびP−120 AO鉱物(固体粒子は砥粒)3450グラムと低剪断下に完全に混合することによって調製した。1601RPMで作動する小型の円形インペラとともに75ミル(1.9mm)で間隔をあけた45ミル(1.14mm)の円錐形スクリーンを備えた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によってスラリーを加工した。部分的に硬化した凝集粒子を1000ワットでマイクロ波オーブン中でさらに4分間硬化した。硬化凝集粒子は、それらを1回、おろし金型スクリーン(開口部サイズ94ミル(2.4mm))、0.05インチ(1.3mm)のスペーサ、および1601RPMでの逆カッター正方形インペラを備えた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)に通すことによって粉砕した。次いで、粉砕凝集粒子をロッカードラム試験用の研磨物品を製造するための手順に従って研磨物品にした。実施例1のロッカードラム切削結果を以下の表2に示す。
【0072】
実施例2〜5は、以下の変更点を除き実施例1と同じ手順によって製造した。すなわち、凝集粒子をマイクロ波オーブン中でさらに硬化せず、熱オーブン中で7時間230°F(110℃)で硬化した。実施例2は、125ミル(3.2mm)のおろし金型スクリーンに3回通過させることによって粉砕した。実施例3は、94ミル(2.4mm)のおろし金型スクリーンに2回通過させることによって粉砕した。実施例4は、79ミル(2mm)おろし金型スクリーンに1回通過させることによって粉砕した。実施例5は、62ミル(1.6mm)のおろし金型スクリーンに1回通過させることによって粉砕した。
【0073】
比較例Aは、VSM社(ドイツ、ハノーバー)から製品コードP−120 KK712で市販されている製品である。
【0074】
【表3】表2
【0075】
表2(上記)に示した乾燥ロッカードラム試験結果は、固体粒状物として砥粒を含む凝集粒子が本発明を用いて製造され、研磨物品において用いられると、それらにより同じ鉱物等級の研磨粒子を含んだ市販の被覆製品と同等である軟鋼での研削結果が得られることを示している。表2(上記)の結果は、粉砕ステップによって生じる凝集粒子のサイズが研削性能に対する影響を有することも示している。
【0076】
実施例6〜10
実施例6〜10の成形凝集粒子は、表1(上記)のプレミックス組成物630グラムを、CH1.8グラムおよびP−120 AO鉱物2415グラムと低剪断下に完全に混合することによって調製した。
【0077】
表3(上記)に示した様々なサイズおよび形状の円錐形スクリーンを備え、1601RPMで作動する小型の円形インペラとともに75ミル(1.9mm)で間隔をあけた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によってスラリーを加工した。部分的に硬化した凝集粒子を熱オーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。硬化凝集粒子は、それらを1回、開口部サイズ74ミル(1.9mm)のおろし金型スクリーン、0.05インチ(1.3mm)のスペーサ、および300RPMで作動する逆カッター正方形インペラを備えた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)に通すことによって粉砕した。次いで、粉砕凝集粒子を、ロッカードラム試験用の研磨物品を製造するための手順に従って研磨物品にした。実施例6〜10の乾燥ロッカードラム試験結果を以下の表3に示す。
【0078】
【表4】表3
【0079】
表3(上記)に示した乾燥ロッカードラム試験結果は、凝集粒子の単位断面積が粒子の寿命にわたって切削率に影響することを示している。また、性能の受け入れ可能なレベルが、正方形スクリーンによる凝集粒子の結果によって示された他の形状で達成できることも示している。顕微鏡で凝集粒子断面積を見ると、正方形スクリーンは正方形単位断面積の凝集粒子を作り、円形スクリーンは円形単位断面積の凝集粒子を作ったことがわかる。
【0080】
実施例11〜15
実施例11〜15は、実施例12〜15ではプリミックスの量を変更し、本発明の方法による凝集粒子の製造に対する鉱物負荷の影響を試験することを除き実施例6と同じに製造した。実施例6および11ではプレミックスを630グラム用いたが、実施例12では609グラム、実施例13では579グラム、実施例14では670グラム、実施例15では548グラム用いた。
【0081】
これらの実施例のために粉砕機械(「QUADRO COMIL」)で以下の変更を行った。350RPMで作動する125ミル(3.2mm)の大型の円形インペラブレードを用いて凝集粒子を製造した。結果を以下の表4に示す。
【0082】
【表5】表4
【0083】
粉砕機械(「QUADRO COMIL」)により実施例11〜15の加工が可能であったが、
鉱物添加は付着し、UVランプによって硬化された凝集粒子の量に影響を及ぼした。鉱物添加が最も低かった実施例14は、8〜10と同数の個々の凝集粒子が付着し、UV硬化ステップによって硬化された。比較すると、鉱物添加が最も高い実施例15は、付着し硬化する凝集粒子を有することはなかった。実施例11〜13は、付着し硬化された凝集粒子の量が異なり、通常約2個または3個であった。付着/硬化凝集粒子は、実施例14の場合を除ききわめて容易に分離された。表4(上記)に示した乾燥ロッカードラム試験結果も鉱物添加が試験期間にわたって切削率に影響を及ぼすことを示している。
【0084】
実施例1〜15の被覆物品は、すべてのUV硬化メイクおよびサイズシステムで製造された。
【0085】
実施例16〜20
実施例16〜20は、他の鉱物の型およびサイズが粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によって加工されうることを示すために行った。表5(下記)は、実施例16〜20の配合を示す。これらのスラリーを実施例1の手順に従って混合した。実施例18は追加のKBF4を364グラム、実施例20は追加のKBF4を165グラム配合に添加した。実施例16および18を7時間、230Fで熱硬化した。表5(下記)の実施例のすべては、1601RPMで作動する小型のインペラとともに45ミル(1.14mm)の円錐形スクリーンを用いた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によって容易に加工された。しかし、実施例17および20で生じた凝集粒子の一部はUV硬化後に付着した。改善法として、スラリーの粘度は、凝集粒子が固着しないように上方に調節する必要がある。研磨物品はロッカードラム試料を製造するための手順に従って製造され、乾燥ロッカードラム試験を用いて試験した。これらの結果を以下の表6に示す。
【0086】
【表6】表5
【0087】
【表7】表6
【0088】
実施例17は、きわめて小さな研磨鉱物、等級P−2000が本発明に記載された配合で加工できることを示している。実施例20は、きわめて大きな研磨鉱物が本発明に記載された配合で加工できることを示している。実施例18および19は、他の型の鉱物が本発明の配合で加工できることを示している。
【0089】
実施例18の研磨凝集粒子を用いて被覆研磨ベルトを製造した。使用したバッキングは、基本重量228g/m2を有する65/35ポリエステル/綿開放端綾織物(Millken & Co.(Lagrange,ジョージア州)によって供給)であり、染料被覆し、乾燥させた。次いで、この布帛をアクリルラテックス(B.F.Goodrich Corp.によって「HYCAR 2679」の商品名で供給)およびGP 387−D51フェノール樹脂(Georgia Pacific Co.によって供給)の溶液で飽和させ、38g/m2の85/15アクリル/フェノール乾燥被覆重量を得た。次いで綾織り側をフェノール樹脂(Ashland Co.によって「AFOFENE 72155」の商品名で供給)、#4粘土カオリン、およびニトリルラテックス(B.F.Goodrich Co.によって「HYCAR 1581」の商品名で供給)の溶液で被覆し、38g/m2の50/35/15フェノール/粘土/ニトリル乾燥被覆重量を得た。従来の炭酸カルシウム充填水性フェノールメイク樹脂のグレイン60個(3.9グラム)を塗布し、実施例18の凝集粒子のグレイン73個(4.7グラム)をメイク被覆バッキング上に滴下被覆した。これを30分間、175°F(80℃)および90分間、200°F(93℃)で予備硬化した。予備硬化被覆を、その中に分散したテトラフルオロ硼酸カリウム研削助剤を含む82%の固体水性エポキシ樹脂のグレイン110個(7.1グラム)でサイズ被覆した。サイズ被覆を60分間、175°F(80℃)および120分間、195°F(91℃)で硬化した。硬化製品を3/8インチ(9.5mm)ロッド上に完全に屈曲させた。標準のスプライシング法を用いて完全に屈曲した被覆研磨物品を3インチ×132インチ(7.6cm×3.35cm)のベルトに変換した。5ポンドと10ポンド(2.27キログラムと4.54キログラム)の両方の通常力で1,300RPMで作動する直径14インチ(35.6cm)、1:1の45度セレーション、90ショアA硬さのホイールを用いたロボットで1インチ×7インチ(2.5cm×17.8cm)のチタン被加工物を研削することによってベルトを試験した。ベルトを20分間試験し、60秒ごとの間隔で切削を記録した。制御ベルトは、3M社(St.Paul ミネソタ州)から「3M P−120 421A」の商品名で市販されているものであった。ロボット試験結果を以下の表7に示す。
【0090】
【表8】表7
表7.実施例18の被覆研磨ベルトと等級P−120の市販の従来型被覆研磨ベルトのチタン研削結果の比較。
【0091】
表7(上記)に示したロボット研削結果は、本発明の凝集粒子で製造されたベルトが2つの一般的な研削力で従来の研磨ベルトよりも多くチタンを除去することを示している。試験した作成物では、本発明の研磨物品の性能は通常の力が高い場合により優れていた(より多くのチタンを除去した)。
【0092】
研磨物品にされたこれまでの実施例のすべては、すべてUVメイクおよびサイズシステムで製造されていた。
【0093】
実施例21〜23
実施例21を以下のように製造した。すなわち、#60巻線型ロッドを用いたドローダウン装置(Paul N. Gardner Co.(Pompano Beach,フロリダ州)によって「ACCU−LAB」の商品名で供給)で50VXバッキングに重量比52:48の炭化カルシウム充填フェノールメイク樹脂の均一の被膜を塗布し、676g/m2の被膜重量を得た。50VXバッキングは35/19 20/28 100%綿綾織り2/1バッキング、基本重量390〜400g/m2と記載され、Vereingte Schmirgel und Maschinen Fabriken AG(ドイツ、ハノーバー)によって供給され;凝集粒子を湿潤メイク樹脂に注入し、前後に数回転がし、バッキング上に完全に添加され、均一に分布した凝集粒子の被膜を得た。過剰な凝集粒子を振るい落とし、被覆材料を180°F(82℃)で一夜、強制送風オーブン中で加熱した。次いで、重量比52:48の炭化カルシウム充填フェノールサイズ樹脂を塗装用刷毛により手で均一に塗布した。サイズ化試料を180°F(82℃)で1時間加熱して、200°F(93℃)で2時間硬化した後、220°F(104℃)で30分間、および245°F(118℃)で1時間硬化した。硬化後、被覆研磨試料を直径2インチ(5cm)のバー上に屈曲した。試料22は、#36巻線型ロッドを用いたことを除き実施例21に従って製造し、493g/m2のメイク樹脂被覆重量を得た。実施例23は、#52巻線型ロッドを用いたことを除き実施例21に従って製造し、メイク樹脂を塗布し、614g/m2の被覆重量を得た。
【0094】
実施例21〜23は、従来のフェノール系メイク樹脂およびサイズ樹脂を凝集粒子とともに用い、それらを布帛バッキングに結合して研磨物品を製造できることを示すために行った。凝集粒子は実施例19と同じものが製造された。乾燥ロッカードラム試験結果を表8に示す。表8の結果により、切削率と寿命の両方について比較例Aと有利に比較される。これらの結果は、一般的な研磨メイクおよびサイズ樹脂システムのほか、放射線硬化性メイクおよびサイズ樹脂システムの多くの組合せとともに使用できることを示している。
【0095】
【表9】表8
【0096】
実施例24〜27
本発明の多面性を示すために実施例24〜27を調製した。これらの実施例を、実施例11の製造に用いたものと同じ一般的な工程によって製造した。実施例24は表1Aのプレミックスを2160グラム、CHを6グラム、M5を28.8グラム、およびP−180 AOを6450グラム有し、速度1で5クォート(4.7リットル)のホーバート混合機中で混合した。実施例25は表1(上記)のプレミックスを680g、CHを1.8g、P−120 AOを2270グラムおよびPCを274グラム有した。実施例26は表1(上記)のプレミックスを680グラム、CHを1.8グラム、P120 AOを2590グラムおよびP−180緑色炭化ケイ素を457グラム有した。実施例27はTMPTAを1188グラム、KB1を12グラムおよび0.5マイクロメートルセリウム酸化物を5000グラム有した。実施例24〜27で製造された凝集粒子の破砕強度を以下の表9に示す。これらの実施例を、24インチ(61cm)マーキュリーで1時間、真空オーブン中でさらに硬化した実施例25および26を除き、6時間、350°F(177°)でさらに硬化した。表9(下記)は実施例24〜27の破砕強度を示す。
【0097】
【表10】表9
【0098】
実施例28〜31
実施例28は、別の型の機械を用いて組成物を有孔基板に押込み、本発明の凝集粒子を製造できることを示すために行った。実施例28の凝集粒子は、表1(上記)のプレミックス組成物2160グラムをCH6グラムおよびP−120 AO鉱物8280グラムと低剪断下に完全に混合することによって調製した。65ミル(1.65mm)の円形開口部およびスクリーンとワイパーブレードとの1/16インチ(1.6mm)間隙を備えたワイパーバーローターサイジングスクリーン機械によってスラリーを加工した。形成された凝集前駆体粒子をトレイ中に回収し、30FPMで600ワットのフュージョンDバルブランプで照射し、凝集粒子を得た。凝集粒子を熱オーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。硬化繊維の破砕強度は15.9ポンド(7.2キログラム)であった。
【0099】
実施例29および30は、他の熱開始剤を用いて、本発明によって熱オーブン中で製造された凝集粒子をさらに硬化しうることを示すために行った。スラリーの配合は、実施例28で用いたCH開始剤の代わりに実施例29ではVazo52を6グラム、実施例30ではPerkadox 16Sを6グラム用いたことを除き実施例28におけるものと同じであった。スラリーは、45ミル(1.14mm)の円形スクリーン、350RPMで作動するソリッドインペラ、カラー、および225ミル(5.7mm)のスペーサを用いた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によって加工した。照射後、凝集粒子を熱オーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。実施例29の破砕強度は15ポンド(6.8キログラム)であり、実施例30では11ポンド(5キログラム)であった。
【0100】
凝集粒子を195°F(91℃)の湯中で1時間さらに硬化したことを除き、実施例29の工程に従って実施例31を製造した。さらに硬化した凝集粒子の破砕強度は11ポンド(5キログラム)であった。この実施例は、他の熱エネルギー源を別の硬化ステップで使用できることを示している。
【0101】
実施例32および33
実施例32および33において無機凝結前駆体凝集粒子を製造した。等級#60AG321砥粒およびSGPガラス粉末を用いて「凝集前駆体粒子スラリーを製造するための一般手順(General procedure for making agglomerate precursor particle slurry)」に記載されているようにスラリーを調製した。スラリーの配合を以下の表10に示す。
【0102】
【表11】表10
【0103】
SGPおよびAG321をプラスチック容器内で手で予混合し、次いでTMPTA、KBI、およびTH1の樹脂混合物に緩徐に添加した。12クォート(11.36リットル)ホーバート混合機、モデルA120Tをフラットビータロータとともに用いた。混合機をSGP/AG321混合中に最低の速度設定で作動した。次いで、全成分を添加した後に速度を「中間」に上昇させ、混合を25分間継続した。最終の混合温度は約100°F(38℃)〜120°F(49℃)であった。
【0104】
無機凝結前駆体凝集粒子を「凝集粒子を製造するための一般手順」に記載されたように製造した。粉砕機械(「QUADRO COMIL」)には0.075インチ(1.9mm)の間隔で小型の円形インペラ、および0.062インチ(1.6mm)の円形、おろし金型の穴のある円錐形スクリーンを備え、駆動モータの速度を470rpmに設定した。無機凝結前駆体凝集粒子を本発明に従って製造した後、それらをアルミニウム皿に配置し、強制送風オーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。0.075インチ(1.9mm)スペーサおよび0.094インチ(2.39mm)おろし金スクリーンを用いた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)にさらに1回通過させることによって凝集前駆体凝集粒子を再サイズ化した。再サイズ化粒子をふるい分けし、#24メッシュスクリーン(−24メッシュ)を通過するサイズ画分を#24メッシュスクリーン(+24メッシュ)上に保持した画分から分離した。+24メッシュの粒子画分を回収し、破砕試験を用いて凝集前駆体凝集粒子の強度を測定した。
【0105】
実施例32の粒子の平均破砕強度は20.2lb(9.2キログラム)であった。実施例33の粒子の平均破砕強度は11.4lb(5.2キログラム)であった。
【0106】
実施例34および35
実施例34および35は、複数の固体粒状物が砥粒ではなく研削助剤粒状物である本発明の方法によって製造された凝集粒子の実施例である。研削助剤粒状物がCaCO3である実施例34のスラリーは、1700グラムのTMPTA、5800グラムのCaCO3、および6グラムのCHを低剪断下に20分間、完全に混合することによって製造された。研削助剤粒状物がKBF4である実施例35のスラリーは、1530グラムの表1(上記)のプレミックス、3グラムのCH、3186グラムのSpec102 KBF4、および8687グラムのSpec104 KBF4を低剪断下に20分間、完全に混合することによって製造された。
【0107】
粉砕機械(「QUADRO COMIL」)が1601RPMで作動する小型の円形インペラとともに0.075インチ(1.9mm)で間隔をあけた45ミル(1.14mm)の円錐形スクリーンを備えた「凝集粒子を製造するための一般手順」に従って凝集粒子を製造した。この方法によって製造された凝集粒子をオーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。実施例34および35で製造された硬化粒子の上記の破砕試験法による破砕強度を以下の表11に示す。
【0108】
【表12】表11
【0109】
表11の破砕強度データは、本発明の方法によって、他の応用例および工程において凝集粒子の使用が可能となる強度で非研磨凝集粒子が製造できることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法により製造された凝集粒子の概略側面立面図である。粒子は固体粒状物として砥粒を含有し、実質的に円形の断面を有する。
【図2】本発明により製造された凝集粒子の顕微鏡写真である。粒子は固体粒状物として砥粒を含有し、実質的に円形の断面を有する。
【図3】本発明の方法を示す概略側面図である。
【図4】粉砕機械であって、該機械の内部を露出するように切られた該機械の正面部分を示す斜視図である。
【図5】図4の粉砕機械において用いられるスクリーンの斜視図である。
発明の背景
本発明は、バインダーおよび固体粒状物を含む凝集粒子を製造するための方法に関する。本発明によって製造される凝集粒子は、例えば、研磨材、ルーフィング粒剤、ろ過製品、硬質被覆剤、ショットブラスト媒体、タンブリング媒体、ブレーキライニング、スリップ止めおよび耐摩耗被覆剤、合成骨、歯科用組成物、再帰反射性シート、および積層複合構造物などの製品において用いることができる。
【0002】
研磨材工業では、従来の被覆研磨物品は通常、バッキングに接着された砥粒の層からなっている。砥粒が摩耗すると、その結果得られる研磨物品は無効となる。また、被膜研磨物品のより高価な部品の1つであるバッキングは、それが摩滅してしまう前に処分しなければならない。
【0003】
被覆研磨物品の耐用年数を延ばすために、砥粒が十分に利用されるような方法でバッキング上に砥粒を分布させる多くの試みがなされてきた。被覆研磨物品の寿命を延ばすことによって、ベルトまたはディスクの変更の必要が少なくなり、時間が節約され、人件費が低下する。最上部の粒子の下に位置する粒子は用いられる可能性が低いため、バッキング上に砥粒の厚い層を配置するだけでは問題の解決とはならない。
【0004】
物品の寿命を延ばすような方法で被覆砥粒中に砥粒を分布させうるいくつかの方法が知られている。このような方法の1つは、被覆研磨物品に研磨凝集粒子を組み入れることを含む。研磨凝集粒子は、塊状物を形成するバインダーによって結合された砥粒からなる。ランダムな形状やサイズを有する研磨凝集粒子の使用により、被加工物の表面と接触する砥粒の量を予測可能に制御することが困難となる。このため、研磨凝集粒子を調製する経済的な方法を得ることが望ましいであろう。
【0005】
発明の概要
本発明は、少なくとも放射線硬化性バインダーおよび固体粒状物を含む組成物から凝集粒子を製造するための方法に関する。好ましい実施形態では、バインダーは放射線硬化性および重合性である。
【0006】
本発明の方法は、凝集前駆体粒子を形成し、それらを硬化することを含む。好ましい実施形態では、第1のステップは、バインダーおよび固体粒状物を有孔基板に押込み、凝集前駆体粒子を形成することを含む。次に、凝集前駆体粒子を有孔基板から分離し、放射線エネルギーで照射し、凝集粒子を得る。好ましい実施形態では、押込むステップ、分離するステップ、および照射するステップの方法は、垂直および連続的に空間的に配向され、連続的および持続的な方法で行われる。凝集粒子は照射ステップ後および回収される前に凝固されて取扱可能であることが好ましい。
【0007】
本発明のバインダー前駆体には熱および放射線硬化性バインダーが含まれる。好ましいバインダー前駆体はエポキシ樹脂、アクリルウレタン樹脂、アクリル化エポキシ樹脂、エチレン性不飽和樹脂、ペンダント不飽和カルボニル基を有するアミノプラスト樹脂、少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアヌレート誘導体、少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアネート誘導体、またはそれらの組合せを含む。好ましい固体粒状物は砥粒、充填材、帯電防止剤、強化粒状物、無機バインダー前駆体粒状物、潤滑剤、顔料、懸濁化剤、可塑性粒状物、またはそれらの組合せを含む。一実施形態では、固体粒状物は組成物の5重量%〜95重量%である。好ましい実施形態では、固体粒状物は組成物の40重量%〜95重量%である。
【0008】
バインダー前駆体および固体粒状物の組成物は、高い粘度を有することが好ましい。最も好ましい実施形態では、組成物は100%固体(すなわち、プロセス温度で非揮発性溶媒)であるバインダー前駆体から形成される。
【0009】
バインダー前駆体および/または固体粒状物を有孔基板に押込む方法は、押出し、ミリング、カレンダーリング、またはそれらの組合せを含む。好ましい実施形態では、押込む方法は、Quadro Engineering Incorporated.によって製造された粉砕機械によって提供される。
【0010】
一実施形態では、凝集前駆体粒子は、放射線源を含む第1の硬化ゾーンの中を通過させることによって照射される。好ましい放射線源は電子ビーム、紫外線、可視光線、レーザー光、またはそれらの組合せを含む。別の実施形態では、凝集粒子を第2の硬化ゾーンの中に通過させ、さらに硬化する。第2の硬化ゾーンにおける好ましいエネルギー源は熱、電子ビーム、紫外線、可視光線、レーザー光、マイクロ波、またはそれらの組合せを含む。
【0011】
好ましい実施形態では、凝集粒子は繊維状であり、約100〜約5000マイクロメートルの長さを有する。繊維状の凝集粒子が約200〜約1000マイクロメートルの長さを有することが最も好ましい。一実施形態では、凝集粒子は、第1の照射ステップ後または第2の硬化ゾーンに通過させた後のいずれかに粉砕される。粉砕の好ましい方法は、Quadro Engineering有限責任会社によって製造された粉砕機械によるものである。
【0012】
一実施形態では、凝集粒子の断面形状は円形、多角形、またはそれらの組合せである。断面形状は一定であることが好ましい。
【0013】
一実施形態では、凝集粒子は無機バインダー前駆体添加剤を含む。無機前駆体添加剤はガラス粉末、フリット、粘土、フラクシング鉱物、シリカゾル、またはそれらの組合せを含むことが好ましい。
【0014】
一実施形態では、凝集前駆体粒子は改質添加剤を含む。改質添加剤はカップリング剤、研削助剤、充填材、界面活性剤、またはそれらの組合せを含む。
【0015】
本発明の研磨凝集粒子は、従来の研磨物品(例えば、結合研磨材、被膜研磨材、および不織研磨材)の中に組み入れることができる。研磨物品は、本発明の研磨凝集粒子により、長い寿命、高い切削率、および良好な表面仕上を示した。
【0016】
詳細な説明
一般に、本発明は粒子を製造するための方法を含む。この方法は、バインダー前駆体および固体粒状物を含む組成物を、有孔基板に押込んで粒子を形成することを含む。粒子が有孔から分離し、または分離された後、バインダー前駆体の一部または全部が照射されてバインダー前駆体を硬化または凝固し、凝固された取扱可能なバインダーおよび凝集粒子を得る。
【0017】
図1は、本発明の方法によって製造された繊維状凝集粒子の好ましい非限定的な実施例を示す。
【0018】
図1は、「繊維状凝集粒子」の語によって意味されるものを示す。凝集粒子80そのものはバインダー82および複数の固体粒状物84を含む。複数の固体粒状物84が砥粒である場合は、ラフコーナー85が通常の被覆研磨材製造法において用いられるマーカーおよびサイズコートへの強力な結合の形成を可能にする。
【0019】
本明細書で用いる「繊維状」の語句は、凝集粒子が1以上のアスペクト比(アスペクト比=粒子の長さ(L)/粒子の幅(W))を有することを意味する。例えば、図1は、アスペクト比が1よりも大きい繊維状凝集粒子を示す。図1における凝集粒子の長さLは粒子の幅Wよりも大きい。
【0020】
本明細書で用いる「バインダー前駆体」の語句は、変形可能すなわち熱もしくは圧力またはその両方によって変形されるように製造でき、放射線エネルギー、熱エネルギーまたはその両方によって取扱可能とされうる材料を意味する。本明細書で用いる「凝固された取扱可能なバインダー」の語句は、バインダー前駆体の一部または全部が、形状の実質的な変化を実質的に起こさず、または受けない程度に重合され、または硬化されていることを意味する。「凝固された取扱可能なバインダー」の語句は、バインダー前駆体の一部または全部がつねに完全に重合されることを意味せず、バインダーの形状の実質的な変化をもたらすことなく、照射された後にそれらの回収を可能にするのに十分に重合または硬化されることを意味する。本明細書で用いる「バインダー」の語は、「凝固された取扱可能なバインダー」の語句と同義である。
【0021】
本明細書で用いる「無機バインダー前駆体」の語句は、凝集粒子中に存在する有機材料を焼尽するのに十分な温度で加熱すると、後に融合し、凝集粒子を結合する剛性の無機相を形成しうる粒状添加剤を指す。無機バインダー前駆体の例としては、ガラス粉末、フリット、粘土、フラクシング鉱物、シリカゾル、またはそれらの組合せが挙げられる。
【0022】
本明細書で用いる「無機凝結前駆体凝集粒子」の語句は、複数の固体粒子、放射線硬化性の重合性バインダー前駆体、および無機バインダー前駆体粒状添加剤を(含む(compromising))本発明の凝集粒子を指す。
【0023】
本明細書で用いる「放射線硬化性の重合性」の語句は、放射線エネルギーによって照射される重合の結果として凝固された取扱可能なバインダーが提供されうるバインダー前駆体の一部分を指す。
【0024】
本明細書で用いる「有孔基板」の語句は、1つまたは複数の開口部を有する材料であって、それによってバインダー前駆体および固体粒状物を含む組成物がその開口部またはそれらの開口部に押込まれる。この材料は、すべての背圧、摩擦加熱、または伝導性/対流性加熱に耐えるのに十分な結合性をも有するべきである。一般に、有孔基板としては、例えば、メッシュスクリーン(例えば、米国特許第5,090,968号に記載)、フィルムダイ、スピナレットダイ、ふるいウェブ(例えば、米国特許第4,393,021号に記載)またはスクリーン(例えば、米国特許第4,773,599号に記載)を含みうる。本発明の好ましい有孔基板は、直径1ミル(25マイクロメートル)〜500ミル(12.7mm)の幾何開口部を有する円錐形スクリーンを含む。本発明の最も好ましい有孔基板は、直径15ミル(0.38mm)〜250ミル(6.35mm)の円形開口部を有する円錐形スクリーンを含む。
【0025】
図3は、繊維状凝集粒子を製造する本発明の方法を行うために適した好ましい装置10を示す。装置10において、バインダー前駆体および固体粒状物を含む組成物12が重力によってホッパー14から、または手によって機械18の入力部16に供給され、繊維状凝集前駆体粒子20を形成する。繊維状凝集前駆体粒子20は粉砕スクリーン22から分離する。繊維状凝集前駆体粒子は、重力によって、硬化ゾーン24を通じて落下し、それはエネルギー源26に曝露され、バインダー前駆体を少なくとも部分的に硬化し、凝固された取扱可能なバインダーおよび繊維状凝集粒子を提供する。繊維状凝集粒子28は容器30に回収される。
【0026】
図3の機械18は、例えば、押出機、ミリング/粉砕機械、ペリタイザー、およびパンアグロメレータなど、どのような材料形成装置であってもよい。図4は、Quadro Engineering Incorporated.によって製造された粉砕機械、モデル#197であり、「QUADRO COMIL」の商品名で販売されているきわめて好ましい材料形成装置を示す。粉砕機械(「QUADRO COMIL」)40は、回転可能軸44に取り付けられたインペラ42を有する。軸44およびインペラ42は入力部48および出力部50を有するチャネル46に配置されている。インペラ42は、該インペラの縁と前記スクリーンのテーパ状壁部との間隙52が前記インペラが前記スクリーンに対して回転すると実質的に一定であるように成形加工され、取り付けられている。
【0027】
一般に、インペラ42の形状は、例えば、円形、扁平、または角形扁平であってよい。本発明で用いられる好ましいインペラ42の形状は円形であってよい。本発明で用いられる最も好ましいインペラ42の形状は矢じり状である。
【0028】
一般に間隙52の幅は、例えば、1〜200ミル(25マイクロメートル〜5.1mm)のサイズの範囲であってよい。本発明で用いられる最も好ましい間隙52の幅は5〜50ミル(0.13〜1.3mm)であってよい。
【0029】
インペラ42の回転速度を調節して製造条件を最適化することは、当業者には容易に理解されよう。本発明で用いられる最も好ましいインペラ42の回転速度は、50〜3500rpmであってよい。
【0030】
チャネル46は支持部54、および支持部内に保持されているスクリーン56も含み、前記入力部48から前記出力部50に通過するバインダー前駆体または凝固され取扱可能なバインダーがスクリーン56を通過するようになっている。スクリーン56は、截頭円錐状に形成されたテーパ状の開口を有する壁部58を有し、スクリーン56の広端60は開放しており、狭端62は少なくとも部分的に閉鎖している。ほとんどの用途において、狭端62は完全に閉鎖されていることが望ましい。スクリーンは成形加工された開口部64を有する。
【0031】
一般に、スクリーン開口部64の形状は、曲線状、円形、または、例えば、三角、正方形、および六角形を含めて多角形であってよい。本発明で用いられる好ましいスクリーン開口部64の形状は、円形または正方形であってよい。本発明で用いられる好ましいスクリーン開口部64の形状は、15〜250ミル(0.38〜6.35mm)のサイズの正方形または円形であってよい。
【0032】
図4から容易にわかるように、軸44の端66がチャネル46から突出している。軸44に端66には電源(図示せず)を容易に付着させ、軸44およびインペラ42を前記スクリーン56に対して回転させることができる。好ましくは、電源は可変電気モータである。しかし、電源は従来型であり、多くの他の電源が粉砕機械(「QUADRO COMIL」)40を作動させるために適切であろう。
【0033】
図3は、本発明の方法の分離ステップを示す。一般に、分離ステップは能動的または受動的でありうる。分離の受動的方法を図3に示す。受動的分離は、組成物が有孔基板に押込まれた後に、臨界長さに達し、スクリーン開口部から分離する形成された組成物の結果である。受動的分離は、例えば、以下の関数的な性質のものである:1)組成物の物理的および/または化学的特質(粘度を含めて)、2)組成物(有孔基板を含めて)に支障をきたすプロセス装置の物理的および化学的特性、および3)プロセス運用条件(組成物のフローレートを含む)。能動的分離の例は、例えば、組成物の流れの方向に対して垂直に移動するドクターブレードまたはエアナイフである。
【0034】
図3は、一般に、照射ステップを示す。照射ステップにおける放射線エネルギー源、第1の硬化ゾーン、または第2の硬化ゾーンは電子ビームエネルギー、紫外線、可視光線、マイクロ波、レーザー光、またはそれらの組合せを含む。
【0035】
好ましい実施形態では、紫外線が放射線源として用いられる。同じ実施形態では、紫外線源を含むチャンバ内に鏡が用いられ、凝集前駆体粒子に伝搬されるエネルギーを増強するように紫外線波を反射する。
【0036】
電離放射線としても知られる電子ビーム放射線は、約0.1〜約20Mradのエネルギーレベル、好ましくは約1〜約10Mradのエネルギーレベルで用いることができる。紫外線は、約200〜約400ナノメートルの範囲内、好ましくは約250〜400ナノメートルの範囲内の波長を有する放射線を指す。放射線量は約50〜約1000mJ/cm2、好ましくは約100mJ/cm2〜約400mJ/cm2の範囲でありうる。この量の線量の提供に適した光源の例は、約100〜約600ワット/インチ(39〜236ワット/cm)、好ましくは約300〜約600ワット/インチ(118〜236ワット/cm)を提供する。可視光線は、約400〜約800ナノメートルの範囲内、好ましくは約400〜約550ナノメートルの範囲の波長を有する非粒状放射線を指す。バインダー前駆体を十分に硬化するために必要とされる放射線エネルギーの量は、バインダー前駆体、第1の硬化ゾーンにおける滞留時間、固体粒状物の型、および、もしあれば、任意選択の改質添加剤の型に依存する。
【0037】
任意選択で、本発明によって製造される凝集粒子は第2の硬化ゾーンを通過させ、もしあれば、非硬化バインダー前駆体を硬化させ、第1の硬化ゾーン後に製造される繊維状凝集粒子とは異なる特性の繊維状凝集体を提供しうる。第2の照射ステップでは、バインダー前駆体は放射線または熱エネルギーによって硬化可能であることが好ましい。放射線エネルギー源は上述されている。熱エネルギー源としては、例えば、熱風衝突、赤外線、および加熱水が挙げられる。熱硬化の条件は約50℃〜約200℃の範囲であり、数分〜数百分の時間である。必要な実際の熱量はバインダー前駆体の化学的性質に大きく依存する。
【0038】
一実施形態では、本発明の繊維状凝集粒子は1〜30、好ましくは1〜15、最も好ましくは1〜5の範囲のアスペクト比を有する。
【0039】
一般に、放射エネルギーによる重合の結果として取扱可能性を提供しうるバインダー前駆体としては、例えば、アクリル化ウレタン、アクリル化エポキシ、エチレン性不飽和化合物、ペンダント不飽和カルボニル基を有するアミノプラスト誘導体、少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアネート誘導体、ビニルエーテル、エポキシ樹脂、およびそれらの組合せが挙げられる。アクリレートの語にはアクリレートおよびメタクリレートが含まれる。
【0040】
アクリル化ウレタンは、ヒドロキシ末端イソシアネート延伸ポリエステルまたはポリエーテルのジアクリレートエステルである。市販のアクリル化ウレタン樹脂の例としては、「UVITHANE 782」および「UVITHANE 783」の商品名で、両方ともMorton Thiokol Chemicalから市販され、「CMD 6600」、「CMD 8400」、および「CMD 8805」の商品名でRadcure Specialtiesから市販されているものが挙げられる。
【0041】
アクリル化エポキシは、ビスフェノールエポキシ樹脂(bisphenol an epoxy resin)のジアクリレートエステルなどエポキシ樹脂のジアクリレートエステルである。市販のアクリル化エポキシの例としては、「CMD 3500」、「CMD 3600」、および「CMD 3700」の商品名でRadcure Specialtiesから市販されているものが挙げられる。
【0042】
エチレン性不飽和化合物としては、炭素、水素、および酸素、任意選択で窒素またはハロゲン類の原子を含有するモノマーおよびポリマー化合物が挙げられる。酸素原子、窒素原子、またはその両方は一般にエーテル基、エステル基、ウレタン基、アミド基、および尿素基に存在する。エチレン性不飽和化合物は、好ましくは約4,000未満の分子量を有し、好ましくは脂肪族モノヒドロキシ基または脂肪族ポリヒドロキシ基を含有する化合物の反応から得られるエステル、およびアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸等などの不飽和カルボキシル酸である。アクリレートの代表的な例としては、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールメタクリレート、へキサンジオールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、トリメチルプロパントリアクリレート、グリセロールトリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールメタクリレート、およびペンタエリスリトールテトラアクリレートが挙げられる。他のエチレン性不飽和化合物としては、モノアリルエステル、ポリアリルエステル、およびポリメチルアリルエステルのほか、フタル酸ジアリル、アジピン酸ジアリル、およびN,N−ジアリルアジパミドなどのカルボン酸のアミド類が挙げられる。さらに、他のエチレン性不飽和化合物としては、スチレン、ジビニルベンゼン、およびビニルトルエンが挙げられる。他の窒素含有エチレン性不飽和化合物としては、トリス(2−アクリロイル−オキシエチル)イソシアヌレート、1,3,5−トリ(2−メチアクリルオキシエチル)−s−トリアジン、アクリルアミド、メチルアクリルアミド、N−メチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N−ビニルピロリドン、およびN−ビニルピペリドンが挙げられる。
【0043】
アミノプラスト樹脂はモノマーまたはオリゴマーでありうる。アミノプラスト樹脂は分子当たり少なくとも1つのペンダントa,b−不飽和カルボニル基を有する。これらのa,b−不飽和カルボニル基はアクリレート基、メタクリレート基、またはアクリルアミド基でありうる。このような樹脂の例としては、N−ヒドロキシメチル−アクリルアミド、N,N’−オキシジメチレンビスアクリルアミド、オルトおよびパラアクリルアミドメチル化フェノール、アクリルアミドメチル化フェノールノボラック、およびそれらの組合せが挙げられる。これらの材料はさらに米国特許第4,903,440号および同第5,236,472号に記載されている。
【0044】
少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有する有用なイソシアヌレート誘導体および少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアン酸誘導体は、さらに米国特許第4,652,274号に記載されている。好ましいイソシアヌレート材料は、トリス(ヒドロキシエチル)イソシアヌレートのトリアクリレートである。
【0045】
本発明に適したビニルエーテルの例としては、「VE 4010」、「VE 4015」、「VE 2010」、「VE 2020」、および「VE 4020」の商品名でAllied Signalから市販されているビニルエーテル官能化ウレタンオリゴマーが挙げられる。
【0046】
エポキシはオキシラン環を有し、カチオンメカニズムによる開環によって重合化される。有用なエポキシ樹脂としては、モノマーエポキシ樹脂およびポリマーエポキシ樹脂が挙げられる。これらの樹脂は、それらのバックボーンおよび置換基の性質の点で大きく異なることがある。例えば、バックボーンはエポキシ樹脂と通常付随したいずれかの型でありうるとともに、それらの置換基は室温でオキシラン環と反応性である活性水素原子を含まないいずれかの基でありうる。エポキシ樹脂の置換基の代表的な例としては、ハロゲン類、エステル基、エーテル基、スルホン酸基、シロキサン基、ニトロ基、およびリン酸基が挙げられる。本発明において有用な一部のエポキシ樹脂の例としては、2,2−ビス[4−(2,3−エポキシプロポキシ)フェニル]プロパン(ビスフェノールAのジグリシジルエーテル)のほか、「EPON 828」、「EPON 1004」、および「EPON 1001F」の商品名でShell Chemical Co.(Houston,テキサス州)から市販されている材料、「DER−331」、「DER−332」、および「DER−334」の商品名でDow ChemicalCo.(Freeport,テキサス州)から市販されている材料が挙げられる。他の適切なエポキシ樹脂としては、フェノールホルムアルデヒドノボラックのグリシジルエーテル(例えば、「DEN−431」および「DEN−428」の商品名でDow Chemical Co.から市販)が挙げられる。本発明において用いられるエポキシ樹脂は、適切な光開始剤(類)の添加によるカチオンメカニズムによって重合しうる。これらの樹脂は、米国特許第4,318,766号および同第4,751,138号にさらに記載されている。
【0047】
紫外線または可視光線が利用される場合は、光開始剤が混合物に含まれることが好ましい。紫外線または可視光線に曝露されると、光開始剤は光開始剤は遊離基源またはカチオン源を発生する。次いで、この遊離基源またはカチオン源はバインダー前駆体の重合を開始する。電子ビームエネルギーが利用されるときには光開始剤は任意選択である。
【0048】
紫外線に曝露されると遊離基源を発生する光開始剤の例としては、有機過酸化物、アゾ化合物、キノン、ベンゾフェノン、ニトロソ化合物、アシルハロゲン化物、ヒドラゾン、メルカプト化合物、ピリリウム化合物、トリアクリルイミダゾール、ビスイミダゾール、クロロトリアジン、ベンゾイン、ベンゾインエーテル、ベンジルケタール、チオキサントン、およびアセトフェノン誘導体、およびそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。可視光線に曝露されると遊離基源を発生する光開始剤の例は、米国特許第4,735,632号に記載されている。
【0049】
カチオン光開始剤は酸源を発生してエポキシ樹脂またはウレタンの重合を開始する。カチオン光開始剤としては、金属またはメタロイドのオニウムカチオンおよびハロゲン含有錯体アニオンを有する塩が挙げられる。他のカチオン光開始剤としては、金属またはメタロイドの有機金属錯体カチオンおよびハロゲン含有錯体を有する塩が挙げられる。これらの光開始剤は、米国特許第4,751,138号にさらに記載されている。別の例は、米国特許第4,985,340号;EP0306161およびEP0306162に記載されている有機金属塩およびオニウム塩である。さらに他のカチオン光開始剤としては、金属が周期群IVB、VB、VIB、VIIB、およびVIIIBの元素から選択される有機金属錯体のイオン性塩が挙げられる。
【0050】
本発明における固体粒状物は砥粒、可塑性粒状物、強化粒状物、無機バインダー前駆体粒状物、充填材、研磨助剤、繊維、潤滑剤、顔料、帯電防止剤、懸濁化剤、およびそれらの組合せを含む。
【0051】
一実施形態では、固体粒状物は複数の固体粒状物として砥粒を含む。硬化バインダー前駆体、すなわちバインダーは、砥粒を結合し、成形研磨凝集粒子を形成する働きがある。砥粒は通常、約0.5〜1500マイクロメートル、好ましくは約1〜約1300マイクロメートル、より好ましくは約1〜約800マイクロメートル、最も好ましくは約1〜約400マイクロメートルの平均粒径を有する。好ましい実施形態では、砥粒は少なくとも約8、より好ましくは9を超えるモース硬度を有する。このような砥粒の材料の例としては、溶融アルミニウム酸化物、セラミックアルミニウム酸化物、白色溶融アルミニウム酸化物、熱処理アルミニウム酸化物、シリカ、炭化ケイ素、緑色炭化ケイ素、アルミナジルコ二ア、ダイアモンド、セリア、立方晶窒化ホウ素、ガーネット、トリポリ、およびそれらの組合せが挙げられる。セラミックアルミニウム酸化物は、米国特許第4,314,827号;同第4,744,802号;同第4,623,364号;同第4,770,671号;同第4,881,951号;同第5,011,508号;同第5,213,591号に記載されているようなゾルゲル製法に従って製造されることが好ましい。セラミック研磨グリットは、αアルミナ、および任意選択で、金属酸化物改質剤を含む。マグネシア、ジルコニア、亜鉛酸化物、ニッケル酸化物、ハフニア、イットリア、シリカ、鉄酸化物、チタニア、ランタン酸化物、セリア、ネオジム酸化物、およびそれらの組合せなど金属酸化物改質剤を含む。セラミックアルミニウム酸化物は、任意選択でαアルミナ、鉄酸化物、鉄酸化物前駆体、チタニア、クロミア、またはそれらの組合せなどの造核剤をも含むことができる。セラミックアルミニウム酸化物は、米国特許第5,201,916号および同第5,090,968号に記載されているような形状を有することができる。
【0052】
研磨グリットは、表面被覆をも有することができる。表面被覆が研磨凝集粒子中の研磨グリットとバインダーとの接着を改善することができ、かつ/または研磨グリットの研磨特性を変更することができる。このような表面被覆は、米国特許第5,011,508号;同第1,910,444号;同第3,041,156号;同第5,009,675号;同第4,997,461号;同第5,213,591号;および同第5,042,991号に記載されている。研磨グリットは、その表面にシランカップリング剤などのカップリング剤をも含むことができる。本発明に適したカップリング剤の例としては、オルガノ−シラン、ジルコアルミネート、およびチタネートが挙げられる。帯電防止剤の例としては、黒鉛、カーボンブラック、伝導性ポリマー、湿潤剤、バナジウム酸化物等が挙げられる。これらの材料の量を調節して所望の特性を得ることができる。
【0053】
一実施形態では、固体粒状物は、単一型の研磨グリフト、2種類以上の型の砥粒、または少なくとも1種類の型の充填材料とともに少なくとも1種類の型の研磨グリフトを含む。充填材用の材料の例としては、炭酸カルシウム、ガラスバブル、ガラスビーズ、灰石、大理石、石膏、粘土、SiO2、Na2SiF6、氷晶石、有機バブル、有機ビーズ、および無機バインダー前駆体粒状物が挙げられる。
【0054】
研削助剤は多種多様な異なる材料を包含し、無機系または有機系でありうる。研削助剤の例としては、ワックス、有機ハライド、ハライド塩のほか、金属およびそれらのアロイが挙げられる。有機ハライド化合物は通常、研磨中に分解し、ハロゲン助剤またはガラス状ハライド化合物を放出する。このような材料の例としては、テトラクロロナフタレン、ペンタクロロナフタレン、およびポリ塩化ビニルのような塩素化ワックスが挙げられる。ハライド塩の例としては、塩化ナトリウム、カリ氷晶石、ナトリウム氷晶石、アンモニウム氷晶石、テトラフルオロ硼酸カリウム、テトラフルオロ硼酸ナトリウム、フッ化ケイ素、塩化カリウム、および塩化マグネシウムが挙げられる。金属の例としては、スズ、鉛、ビスマス、コバルト、アンチモン、カドミウム、鉄、およびチタンが挙げられる。他の研削助剤として、イオウ、有機イオウ化合物、黒鉛、および金属硫化物が挙げられる。異なる研削助剤の組合せを使用することも本発明の範囲内であり、場合によって、これは相乗効果を生じうる。研削助剤の上記の例は研削助剤を示す代表例であることが意味され、すべての研削助剤を包含することは意味されない。
【0055】
帯電防止剤としては、黒鉛、カーボンブラック、伝導性ポリマー粒子、またはそれらの組合せが挙げられる。
【0056】
本発明において用いられる組成物は、例えば、充填材、無機結合前駆体、および界面活性剤など任意選択の改質添加剤をさらに含むことができる。
【0057】
本発明に適した充填材の例としては、木材パルプ、蛭石およびこれらの組合せ、炭酸カルシウムなどの金属カーボネート、例えばチョーク、方解石、泥灰石、トラバーチン、大理石、および石灰岩、炭酸カルシウムマグネシウム、炭酸ナトリウム、炭酸マグネシウム;非晶質シリカ、石英、ガラスビーズ、ガラス粉末、ガラスバブル、およびガラス繊維などのシリカ;タルク、粘土(モンモリロン石)、長石、雲母、ケイ酸カルシウム、メタケイ酸カルシウム、アルミノケイ酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウムなどのケイ酸塩;硫酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸ナトリウム、硫酸アルミニウムナトリウム、硫酸アルミニウムなどの金属硫酸塩;石膏;蛭石;木粉;アルミニウム三水和物;カルシウム酸化物(石灰)、アルミニウム酸化物、チタンニ酸化物などの金属酸化物;および亜硫酸カルシウムなどの金属亜硫酸塩が挙げられる。
【0058】
本発明に適した無機バインダー前駆体の例としては、ガラス粉末、フリット、粘土、フラクシング鉱物、シリカゾル、またはそれらの組合せが挙げられる。
【0059】
凝集体粒子が砥粒を含有する場合は、繊維状凝集粒子が研磨中に分解可能であることが好ましい。バインダー前駆体、砥粒、および任意選択の研磨材の選択および量は、粒子の分解特性に影響を及ぼす。
【0060】
以下の実施例により本発明の特定の実施形態をさらに説明する。当業者は、本発明が実施例に記載された実施形態の修正および変更をも含むことや、例示的な実施例が請求された発明の範囲を限定しないことを理解するであろう。
【0061】
実施例
以下の略語が実施例では用いられている。実施例における部、パーセンテージ、割合等はすべて、特記しない限り重量による。
【0062】
__________________
AO:熱処理溶融アルミニウム酸化物研磨グリフト;Treibacher(オーストリア、Villach)から市販。
ASF:非晶質シリカ充填材、DeGussa Corp.から「OX−50」の商品名で市販。
AG321:ゾルゲル由来アルミナ系砥粒、Minnesota Mining and Manufacturing(St.Paul,ミネソタ州)から「CUBITRON 321」の商品名で市販。
CaCO3:炭酸カルシウム充填材、J.M.Huber Corp.(Quincy,イリノイ州)から市販。
CEO:約0.5マイクロメートルの平均粒径を有するセリア研磨粒子、Rhone Poulenc(Shelton,コネチカット州)から市販。
Cer:セラミック研磨鉱物CCPL、Treibacher(オーストリア、Villach)より市販。
CH:クメンヒドロペルオキシド、Aldrich Chemical Company(Inc Milwaukee,ウィスコンシン州)から市販。
CMSK:処理メタケイ酸カルシウム充填材、NYCO(Willsboro,ニューヨーク州)から「WOLLOSTOKUP」の商品名で市販。
CRY:氷晶石RTN、Tarconard Trading a/s(デンマーク、Avernakke Nyberg)から市販。
EAA:PETフィルムバッキング用エチレンアクリル酸共重合体プライマー。
KB1:2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタノン、Lamberti S.P.A.(Sartomer Co.経由)から「ESACURE KB 1」の商品名で市販。
KBF4:テトラフルオロ硼酸カリウムSPEC 102および104、Atotech USA,Inc.(Cleveland,オハイオ州)から市販。
PC:Pearless Clay #4、R.T.Vanderbilt Co.,Inc.(Bath,サウスキャロライナ州)から市販。
Perkadox:16S、ジ−(4−tert−ブチルシクロヘキシル)ぺロキシジ−カーボネート、AKZO Nobel Chemical,Inc.(Chicago,イリノイ州)から市販。
PET:5ミル(125ミクロン)厚ポリエステルフィルムバッキング。
PH2:2−ベンジル−2−N,N−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−1−ブタノン、Ciba Geigy Corp.から「IRGACURE 369」の商品名で市販。
PH3:2−フェニル−2,2−ジメトキシアセトフェノン、Ciba Geigy Corp.から「IRGACURE 651」の商品名で市販。
PRO:60/40/1 TMPTA/TATHEIC/KB1の混合物、Sartomer Co.から市販。
SCA:シランカップリング剤、3−メタクリルオキシプロピル−トリメトキシシラン、Union Carbideから「A−174」の商品名で市販。
SGP:アルミノ−ボロ−シリケートガラス粉末、−325メッシュ、Specialty Glass(Oldsmar,フロリダ州)から「SP1086」の商品名で市販。
SiC:炭化ケイ素研磨鉱物、Minnesota Mining and Manufacturing(St.Paul,ミネソタ州)から市販。
TATHEIC:トリス(ヒドロキシエチル)イソシアヌレートのトリアクリレート、Sartomer Co.から「SR368」の商品名で市販。
TMPTA:トリメチロルプロパントリアクリレート、Sartomer Co.から「SR351」の商品名で市販。
VAZO 52:2,2−アゾビス(2,4−ジメチルペンタンニトリル)、DuPont Co.(Wilmington,デラウェア州)から市販。
【0063】
凝集前駆体粒子スラリーを製造するための一般手順
バインダー前駆体および固体粒状物を含むスラリー組成物を形成するために、例えば高剪断混合、空気攪拌、またはタンブリングなどの従来の方法によって各成分を混合することができる。混合中に混合物に対して真空を用いて空気の取込みを最小限に抑えることができる。
【0064】
スラリー組成物は、固体粒状物、例えば砥粒、および、もしあれば、熱開始剤を完全に混合してプレミックスにすることによって調製される。プレミックスは、表1または表1A(下記)に示した成分を含むバインダー前駆体を含む。混合後、スラリーは冷蔵され、追加の工程ステップが行われる前に冷却される。スラリー組成物はきわめて厚く、セメント様のハンドリング特性を有する。表1および表1Aの割合は重量に基づく。
【0065】
【表1】表1.プレミックス#1の組成
【0066】
【表2】
表1A.プレミックス#2の組成
【0067】
凝集粒子を製造するための一般手順
好ましい実施形態では、スラリーは、Quadro Engineering有限責任会社によってモデル#197として製造され、「QUADRO COMIL」の商品名で販売されている粉砕機械の補助で凝集粒子に加工される。粉砕機械(「QUADRO COMIL」)は、インペラと固定スぺーサーを備えている。円形または正方形の穴の開口部を有する円錐形スクリーンを用いて所望の繊維状の形状を生成する。スラリーは、インペラが前もってセットされた速度(rpm)で回転している間に粉砕機械(「QUADRO COMIL」)のホッパーを通じて添加される。スラリーはインペラによって円錐形スクリーンの開口部に押込まれ、臨界長さに達すると、繊維状凝集前駆体粒子はスクリーンの外側から分離し、2個の600ワット「d」フュージョン光が備えられているUV硬化チャンバ(Fusion社によって設計され、組立てられたモデル#DRE410Q)を通じて重力によって落下する。繊維状凝集前駆体粒子は、UV放射線への曝露によって部分的に硬化され、固体の取扱可能な形に変換される。繊維状凝集粒子は、以下の実施例において所望の熱エネルギー、マイクロ波エネルギー、または追加のUVエネルギーへの曝露によって硬化しうる。
【0068】
凝集粒子を用いた被覆研磨物品を製造するための一般手順
本発明の凝集粒子を使用する研磨物品を、プレミックス(表1により製造)の12ミル(0.3mm)被覆を0.8ミル(20マイクロメートル)EAAプライムとともにPETの5ミル(0.13mm)フィルムに塗布することによって製造した。凝集粒子を被覆フィルム上に注入し、均一の被覆が達成されるまで被覆ウェブ上で凝集粒子をタンブリングした。過剰な粒子が落下するまで被覆ウェブを振盪させることによって過剰な凝集粒子を除去した。被覆試料を金属板にテープでくくり、30FPM(9.1m/分)での高出力に設定した600ワット「D」フュージョン光に3回通過させることによってUVおよび可視光線に曝露した。硬化試料を2インチ(5.1cm)のバー上で屈曲させた。次に、研磨物品をプレミックス(表1により製造)でサイズ被覆し、塗装用刷毛(paint bush)で塗布した。紙タオルに吸収することによって過剰なサイズを除去した。気流をかけてサイズコートをより均一に広げる。試料をUV光にさらに3回、30FPM(9.1m/分)で通過させ、次いで標準サイズの試料を硬化する。硬化研磨物品を再び2インチ(5.1cm)のバー上で屈曲させる。下記の試験手順のロッカードラム試験に従って試験用のサイズに試料を切削する。
【0069】
試験手順
ロッカードラム試験(Rocker Drum Test)
屈曲研磨物品を10インチ×2.5インチ(25.4cm×6.4cm)のシートに変換する。これらの試料を、小さな弧で前後に振動する(揺れる)試験機械の円柱状鋼ドラム上に設置した。一辺が3/16インチ(0.48cm)の正方形の1018炭素鋼被加工物を研磨物品上にレバーアーム配置で固定し、約8lb(3.6kg)の負荷を被加工物にかけた。研磨物品が前後に揺れると、被加工物は研磨され、3/16インチ×5.5インチ(0.48cm×14cm)の摩耗経路が研磨物品上に生成された。この摩耗経路には毎分約60ストローク存在した。圧縮気流(20psi、137kpsi)を被加工物との接触点で研磨物品上に方向づけ、摩耗経路からの研削くずや細片を除去した。1000サイクル(1サイクルが1前後運動)後に除去された鋼の量を間隔切削として記録し、総切削は試験のエンドポイントで除去された鋼の累積量とした。
【0070】
破砕試験(Crush Test)
約5グラムの凝集粒子をディキシーカップに配置し、手で破砕し、当初繊維として成形されていた場合は、長さを減少させる。破砕凝集粒子をガラス板上に注入する。長さが100ミル(2.5mm)未満の試料のみを破砕した。使用した破砕試験装置は、フラット圧縮器具を備えたChatillonモデルDPP−25フォースゲージであった。フォースゲージの読み値は0〜25ポンド(0〜11.3キログラム)である。フォースゲージのフラット圧縮足は破砕される凝集体砥粒上およびこれに接触する水平位置に保持され、凝集体砥粒が破損される(可聴音および/または感触)まで手で一定の力を加えた。粒子を破損するために必要な力を記録し、11個の他の試料で試験を繰り返した。表に示した破砕試験値は、実験用配合物の12個の粒子を破損する平均力である。
【0071】
実施例1〜5
実施例1の凝集粒子は、表1(上記)のプレミックス組成物900グラムを、CH2.2グラムおよびP−120 AO鉱物(固体粒子は砥粒)3450グラムと低剪断下に完全に混合することによって調製した。1601RPMで作動する小型の円形インペラとともに75ミル(1.9mm)で間隔をあけた45ミル(1.14mm)の円錐形スクリーンを備えた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によってスラリーを加工した。部分的に硬化した凝集粒子を1000ワットでマイクロ波オーブン中でさらに4分間硬化した。硬化凝集粒子は、それらを1回、おろし金型スクリーン(開口部サイズ94ミル(2.4mm))、0.05インチ(1.3mm)のスペーサ、および1601RPMでの逆カッター正方形インペラを備えた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)に通すことによって粉砕した。次いで、粉砕凝集粒子をロッカードラム試験用の研磨物品を製造するための手順に従って研磨物品にした。実施例1のロッカードラム切削結果を以下の表2に示す。
【0072】
実施例2〜5は、以下の変更点を除き実施例1と同じ手順によって製造した。すなわち、凝集粒子をマイクロ波オーブン中でさらに硬化せず、熱オーブン中で7時間230°F(110℃)で硬化した。実施例2は、125ミル(3.2mm)のおろし金型スクリーンに3回通過させることによって粉砕した。実施例3は、94ミル(2.4mm)のおろし金型スクリーンに2回通過させることによって粉砕した。実施例4は、79ミル(2mm)おろし金型スクリーンに1回通過させることによって粉砕した。実施例5は、62ミル(1.6mm)のおろし金型スクリーンに1回通過させることによって粉砕した。
【0073】
比較例Aは、VSM社(ドイツ、ハノーバー)から製品コードP−120 KK712で市販されている製品である。
【0074】
【表3】表2
【0075】
表2(上記)に示した乾燥ロッカードラム試験結果は、固体粒状物として砥粒を含む凝集粒子が本発明を用いて製造され、研磨物品において用いられると、それらにより同じ鉱物等級の研磨粒子を含んだ市販の被覆製品と同等である軟鋼での研削結果が得られることを示している。表2(上記)の結果は、粉砕ステップによって生じる凝集粒子のサイズが研削性能に対する影響を有することも示している。
【0076】
実施例6〜10
実施例6〜10の成形凝集粒子は、表1(上記)のプレミックス組成物630グラムを、CH1.8グラムおよびP−120 AO鉱物2415グラムと低剪断下に完全に混合することによって調製した。
【0077】
表3(上記)に示した様々なサイズおよび形状の円錐形スクリーンを備え、1601RPMで作動する小型の円形インペラとともに75ミル(1.9mm)で間隔をあけた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によってスラリーを加工した。部分的に硬化した凝集粒子を熱オーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。硬化凝集粒子は、それらを1回、開口部サイズ74ミル(1.9mm)のおろし金型スクリーン、0.05インチ(1.3mm)のスペーサ、および300RPMで作動する逆カッター正方形インペラを備えた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)に通すことによって粉砕した。次いで、粉砕凝集粒子を、ロッカードラム試験用の研磨物品を製造するための手順に従って研磨物品にした。実施例6〜10の乾燥ロッカードラム試験結果を以下の表3に示す。
【0078】
【表4】表3
【0079】
表3(上記)に示した乾燥ロッカードラム試験結果は、凝集粒子の単位断面積が粒子の寿命にわたって切削率に影響することを示している。また、性能の受け入れ可能なレベルが、正方形スクリーンによる凝集粒子の結果によって示された他の形状で達成できることも示している。顕微鏡で凝集粒子断面積を見ると、正方形スクリーンは正方形単位断面積の凝集粒子を作り、円形スクリーンは円形単位断面積の凝集粒子を作ったことがわかる。
【0080】
実施例11〜15
実施例11〜15は、実施例12〜15ではプリミックスの量を変更し、本発明の方法による凝集粒子の製造に対する鉱物負荷の影響を試験することを除き実施例6と同じに製造した。実施例6および11ではプレミックスを630グラム用いたが、実施例12では609グラム、実施例13では579グラム、実施例14では670グラム、実施例15では548グラム用いた。
【0081】
これらの実施例のために粉砕機械(「QUADRO COMIL」)で以下の変更を行った。350RPMで作動する125ミル(3.2mm)の大型の円形インペラブレードを用いて凝集粒子を製造した。結果を以下の表4に示す。
【0082】
【表5】表4
【0083】
粉砕機械(「QUADRO COMIL」)により実施例11〜15の加工が可能であったが、
鉱物添加は付着し、UVランプによって硬化された凝集粒子の量に影響を及ぼした。鉱物添加が最も低かった実施例14は、8〜10と同数の個々の凝集粒子が付着し、UV硬化ステップによって硬化された。比較すると、鉱物添加が最も高い実施例15は、付着し硬化する凝集粒子を有することはなかった。実施例11〜13は、付着し硬化された凝集粒子の量が異なり、通常約2個または3個であった。付着/硬化凝集粒子は、実施例14の場合を除ききわめて容易に分離された。表4(上記)に示した乾燥ロッカードラム試験結果も鉱物添加が試験期間にわたって切削率に影響を及ぼすことを示している。
【0084】
実施例1〜15の被覆物品は、すべてのUV硬化メイクおよびサイズシステムで製造された。
【0085】
実施例16〜20
実施例16〜20は、他の鉱物の型およびサイズが粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によって加工されうることを示すために行った。表5(下記)は、実施例16〜20の配合を示す。これらのスラリーを実施例1の手順に従って混合した。実施例18は追加のKBF4を364グラム、実施例20は追加のKBF4を165グラム配合に添加した。実施例16および18を7時間、230Fで熱硬化した。表5(下記)の実施例のすべては、1601RPMで作動する小型のインペラとともに45ミル(1.14mm)の円錐形スクリーンを用いた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によって容易に加工された。しかし、実施例17および20で生じた凝集粒子の一部はUV硬化後に付着した。改善法として、スラリーの粘度は、凝集粒子が固着しないように上方に調節する必要がある。研磨物品はロッカードラム試料を製造するための手順に従って製造され、乾燥ロッカードラム試験を用いて試験した。これらの結果を以下の表6に示す。
【0086】
【表6】表5
【0087】
【表7】表6
【0088】
実施例17は、きわめて小さな研磨鉱物、等級P−2000が本発明に記載された配合で加工できることを示している。実施例20は、きわめて大きな研磨鉱物が本発明に記載された配合で加工できることを示している。実施例18および19は、他の型の鉱物が本発明の配合で加工できることを示している。
【0089】
実施例18の研磨凝集粒子を用いて被覆研磨ベルトを製造した。使用したバッキングは、基本重量228g/m2を有する65/35ポリエステル/綿開放端綾織物(Millken & Co.(Lagrange,ジョージア州)によって供給)であり、染料被覆し、乾燥させた。次いで、この布帛をアクリルラテックス(B.F.Goodrich Corp.によって「HYCAR 2679」の商品名で供給)およびGP 387−D51フェノール樹脂(Georgia Pacific Co.によって供給)の溶液で飽和させ、38g/m2の85/15アクリル/フェノール乾燥被覆重量を得た。次いで綾織り側をフェノール樹脂(Ashland Co.によって「AFOFENE 72155」の商品名で供給)、#4粘土カオリン、およびニトリルラテックス(B.F.Goodrich Co.によって「HYCAR 1581」の商品名で供給)の溶液で被覆し、38g/m2の50/35/15フェノール/粘土/ニトリル乾燥被覆重量を得た。従来の炭酸カルシウム充填水性フェノールメイク樹脂のグレイン60個(3.9グラム)を塗布し、実施例18の凝集粒子のグレイン73個(4.7グラム)をメイク被覆バッキング上に滴下被覆した。これを30分間、175°F(80℃)および90分間、200°F(93℃)で予備硬化した。予備硬化被覆を、その中に分散したテトラフルオロ硼酸カリウム研削助剤を含む82%の固体水性エポキシ樹脂のグレイン110個(7.1グラム)でサイズ被覆した。サイズ被覆を60分間、175°F(80℃)および120分間、195°F(91℃)で硬化した。硬化製品を3/8インチ(9.5mm)ロッド上に完全に屈曲させた。標準のスプライシング法を用いて完全に屈曲した被覆研磨物品を3インチ×132インチ(7.6cm×3.35cm)のベルトに変換した。5ポンドと10ポンド(2.27キログラムと4.54キログラム)の両方の通常力で1,300RPMで作動する直径14インチ(35.6cm)、1:1の45度セレーション、90ショアA硬さのホイールを用いたロボットで1インチ×7インチ(2.5cm×17.8cm)のチタン被加工物を研削することによってベルトを試験した。ベルトを20分間試験し、60秒ごとの間隔で切削を記録した。制御ベルトは、3M社(St.Paul ミネソタ州)から「3M P−120 421A」の商品名で市販されているものであった。ロボット試験結果を以下の表7に示す。
【0090】
【表8】表7
表7.実施例18の被覆研磨ベルトと等級P−120の市販の従来型被覆研磨ベルトのチタン研削結果の比較。
【0091】
表7(上記)に示したロボット研削結果は、本発明の凝集粒子で製造されたベルトが2つの一般的な研削力で従来の研磨ベルトよりも多くチタンを除去することを示している。試験した作成物では、本発明の研磨物品の性能は通常の力が高い場合により優れていた(より多くのチタンを除去した)。
【0092】
研磨物品にされたこれまでの実施例のすべては、すべてUVメイクおよびサイズシステムで製造されていた。
【0093】
実施例21〜23
実施例21を以下のように製造した。すなわち、#60巻線型ロッドを用いたドローダウン装置(Paul N. Gardner Co.(Pompano Beach,フロリダ州)によって「ACCU−LAB」の商品名で供給)で50VXバッキングに重量比52:48の炭化カルシウム充填フェノールメイク樹脂の均一の被膜を塗布し、676g/m2の被膜重量を得た。50VXバッキングは35/19 20/28 100%綿綾織り2/1バッキング、基本重量390〜400g/m2と記載され、Vereingte Schmirgel und Maschinen Fabriken AG(ドイツ、ハノーバー)によって供給され;凝集粒子を湿潤メイク樹脂に注入し、前後に数回転がし、バッキング上に完全に添加され、均一に分布した凝集粒子の被膜を得た。過剰な凝集粒子を振るい落とし、被覆材料を180°F(82℃)で一夜、強制送風オーブン中で加熱した。次いで、重量比52:48の炭化カルシウム充填フェノールサイズ樹脂を塗装用刷毛により手で均一に塗布した。サイズ化試料を180°F(82℃)で1時間加熱して、200°F(93℃)で2時間硬化した後、220°F(104℃)で30分間、および245°F(118℃)で1時間硬化した。硬化後、被覆研磨試料を直径2インチ(5cm)のバー上に屈曲した。試料22は、#36巻線型ロッドを用いたことを除き実施例21に従って製造し、493g/m2のメイク樹脂被覆重量を得た。実施例23は、#52巻線型ロッドを用いたことを除き実施例21に従って製造し、メイク樹脂を塗布し、614g/m2の被覆重量を得た。
【0094】
実施例21〜23は、従来のフェノール系メイク樹脂およびサイズ樹脂を凝集粒子とともに用い、それらを布帛バッキングに結合して研磨物品を製造できることを示すために行った。凝集粒子は実施例19と同じものが製造された。乾燥ロッカードラム試験結果を表8に示す。表8の結果により、切削率と寿命の両方について比較例Aと有利に比較される。これらの結果は、一般的な研磨メイクおよびサイズ樹脂システムのほか、放射線硬化性メイクおよびサイズ樹脂システムの多くの組合せとともに使用できることを示している。
【0095】
【表9】表8
【0096】
実施例24〜27
本発明の多面性を示すために実施例24〜27を調製した。これらの実施例を、実施例11の製造に用いたものと同じ一般的な工程によって製造した。実施例24は表1Aのプレミックスを2160グラム、CHを6グラム、M5を28.8グラム、およびP−180 AOを6450グラム有し、速度1で5クォート(4.7リットル)のホーバート混合機中で混合した。実施例25は表1(上記)のプレミックスを680g、CHを1.8g、P−120 AOを2270グラムおよびPCを274グラム有した。実施例26は表1(上記)のプレミックスを680グラム、CHを1.8グラム、P120 AOを2590グラムおよびP−180緑色炭化ケイ素を457グラム有した。実施例27はTMPTAを1188グラム、KB1を12グラムおよび0.5マイクロメートルセリウム酸化物を5000グラム有した。実施例24〜27で製造された凝集粒子の破砕強度を以下の表9に示す。これらの実施例を、24インチ(61cm)マーキュリーで1時間、真空オーブン中でさらに硬化した実施例25および26を除き、6時間、350°F(177°)でさらに硬化した。表9(下記)は実施例24〜27の破砕強度を示す。
【0097】
【表10】表9
【0098】
実施例28〜31
実施例28は、別の型の機械を用いて組成物を有孔基板に押込み、本発明の凝集粒子を製造できることを示すために行った。実施例28の凝集粒子は、表1(上記)のプレミックス組成物2160グラムをCH6グラムおよびP−120 AO鉱物8280グラムと低剪断下に完全に混合することによって調製した。65ミル(1.65mm)の円形開口部およびスクリーンとワイパーブレードとの1/16インチ(1.6mm)間隙を備えたワイパーバーローターサイジングスクリーン機械によってスラリーを加工した。形成された凝集前駆体粒子をトレイ中に回収し、30FPMで600ワットのフュージョンDバルブランプで照射し、凝集粒子を得た。凝集粒子を熱オーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。硬化繊維の破砕強度は15.9ポンド(7.2キログラム)であった。
【0099】
実施例29および30は、他の熱開始剤を用いて、本発明によって熱オーブン中で製造された凝集粒子をさらに硬化しうることを示すために行った。スラリーの配合は、実施例28で用いたCH開始剤の代わりに実施例29ではVazo52を6グラム、実施例30ではPerkadox 16Sを6グラム用いたことを除き実施例28におけるものと同じであった。スラリーは、45ミル(1.14mm)の円形スクリーン、350RPMで作動するソリッドインペラ、カラー、および225ミル(5.7mm)のスペーサを用いた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)によって加工した。照射後、凝集粒子を熱オーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。実施例29の破砕強度は15ポンド(6.8キログラム)であり、実施例30では11ポンド(5キログラム)であった。
【0100】
凝集粒子を195°F(91℃)の湯中で1時間さらに硬化したことを除き、実施例29の工程に従って実施例31を製造した。さらに硬化した凝集粒子の破砕強度は11ポンド(5キログラム)であった。この実施例は、他の熱エネルギー源を別の硬化ステップで使用できることを示している。
【0101】
実施例32および33
実施例32および33において無機凝結前駆体凝集粒子を製造した。等級#60AG321砥粒およびSGPガラス粉末を用いて「凝集前駆体粒子スラリーを製造するための一般手順(General procedure for making agglomerate precursor particle slurry)」に記載されているようにスラリーを調製した。スラリーの配合を以下の表10に示す。
【0102】
【表11】表10
【0103】
SGPおよびAG321をプラスチック容器内で手で予混合し、次いでTMPTA、KBI、およびTH1の樹脂混合物に緩徐に添加した。12クォート(11.36リットル)ホーバート混合機、モデルA120Tをフラットビータロータとともに用いた。混合機をSGP/AG321混合中に最低の速度設定で作動した。次いで、全成分を添加した後に速度を「中間」に上昇させ、混合を25分間継続した。最終の混合温度は約100°F(38℃)〜120°F(49℃)であった。
【0104】
無機凝結前駆体凝集粒子を「凝集粒子を製造するための一般手順」に記載されたように製造した。粉砕機械(「QUADRO COMIL」)には0.075インチ(1.9mm)の間隔で小型の円形インペラ、および0.062インチ(1.6mm)の円形、おろし金型の穴のある円錐形スクリーンを備え、駆動モータの速度を470rpmに設定した。無機凝結前駆体凝集粒子を本発明に従って製造した後、それらをアルミニウム皿に配置し、強制送風オーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。0.075インチ(1.9mm)スペーサおよび0.094インチ(2.39mm)おろし金スクリーンを用いた粉砕機械(「QUADRO COMIL」)にさらに1回通過させることによって凝集前駆体凝集粒子を再サイズ化した。再サイズ化粒子をふるい分けし、#24メッシュスクリーン(−24メッシュ)を通過するサイズ画分を#24メッシュスクリーン(+24メッシュ)上に保持した画分から分離した。+24メッシュの粒子画分を回収し、破砕試験を用いて凝集前駆体凝集粒子の強度を測定した。
【0105】
実施例32の粒子の平均破砕強度は20.2lb(9.2キログラム)であった。実施例33の粒子の平均破砕強度は11.4lb(5.2キログラム)であった。
【0106】
実施例34および35
実施例34および35は、複数の固体粒状物が砥粒ではなく研削助剤粒状物である本発明の方法によって製造された凝集粒子の実施例である。研削助剤粒状物がCaCO3である実施例34のスラリーは、1700グラムのTMPTA、5800グラムのCaCO3、および6グラムのCHを低剪断下に20分間、完全に混合することによって製造された。研削助剤粒状物がKBF4である実施例35のスラリーは、1530グラムの表1(上記)のプレミックス、3グラムのCH、3186グラムのSpec102 KBF4、および8687グラムのSpec104 KBF4を低剪断下に20分間、完全に混合することによって製造された。
【0107】
粉砕機械(「QUADRO COMIL」)が1601RPMで作動する小型の円形インペラとともに0.075インチ(1.9mm)で間隔をあけた45ミル(1.14mm)の円錐形スクリーンを備えた「凝集粒子を製造するための一般手順」に従って凝集粒子を製造した。この方法によって製造された凝集粒子をオーブン中で6時間、350°F(177℃)でさらに硬化した。実施例34および35で製造された硬化粒子の上記の破砕試験法による破砕強度を以下の表11に示す。
【0108】
【表12】表11
【0109】
表11の破砕強度データは、本発明の方法によって、他の応用例および工程において凝集粒子の使用が可能となる強度で非研磨凝集粒子が製造できることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法により製造された凝集粒子の概略側面立面図である。粒子は固体粒状物として砥粒を含有し、実質的に円形の断面を有する。
【図2】本発明により製造された凝集粒子の顕微鏡写真である。粒子は固体粒状物として砥粒を含有し、実質的に円形の断面を有する。
【図3】本発明の方法を示す概略側面図である。
【図4】粉砕機械であって、該機械の内部を露出するように切られた該機械の正面部分を示す斜視図である。
【図5】図4の粉砕機械において用いられるスクリーンの斜視図である。
Claims (29)
- 凝集粒子を製造するための方法であって、
(a)放射線硬化性の重合性バインダー前駆体および複数の固体粒状物を含む組成物を有孔基板に押込み凝集前駆体粒子を形成させるステップと;
(b)前記有孔基板から前記凝集前駆体粒子を分離するステップと;
(c)前記凝集前駆体粒子を照射するステップであって、放射エネルギーが放射エネルギー源から前記凝集前駆体粒子へ伝搬され、少なくとも部分的に前記バインダー前駆体を硬化して凝集粒子を得るステップとを含む、方法。 - 前記凝集粒子が照射ステップ後に回収される、請求項1に記載の方法。
- 前記照射ステップが放射線源を含む第1の硬化ゾーンに前記凝集前駆体粒子を通すステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記凝集粒子を第2の硬化ゾーンに通過させ、エネルギーがエネルギー源から前記凝集粒子に伝搬され、前記凝集粒子をさらに硬化する、請求項1に記載の方法。
- 前記バインダー前駆体がエポキシ樹脂、アクリル化ウレタン樹脂、アクリル化エポキシ樹脂、エチレン性不飽和樹脂、ペンダント不飽和カルボニル基を有するアミノプラスト樹脂、少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアヌレート誘導体、少なくとも1つのペンダントアクリレート基を有するイソシアネート誘導体、またはそれらの組合せを含む、請求項1に記載の方法。
- 複数の固体粒状物が充填材、可塑性粒状物、強化粒状物、無機バインダー前駆体粒状物、帯電防止剤、潤滑剤、顔料、懸濁化剤、またはそれらの組合せを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記凝集粒子が繊維状であり、約10〜約1500マイクロメートルの長さを有する請求項1に記載の方法。
- 前記凝集粒子の長さが約20〜約800マイクロメートルである請求項7に記載の方法。
- 前記凝集粒子の長さが約50〜約400マイクロメートルである、請求項8に記載の方法。
- 前記凝集粒子が実質的に一定の断面形状を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記断面形状が円形、多角形、またはそれらの組合せを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記凝集前駆体粒子が改質添加剤をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記改質添加剤が、カップリング剤、研削助剤、充填材、無機バインダー前駆体、界面活性剤、またはそれらの組合せを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記有孔基板に組成物を押込み、前記凝集粒子を形成するステップが押出し、ミリング、またはカレンダリングを含む、請求項1に記載の方法。
- 放射線源が電子ビーム、紫外線、可視光線、レーザー光、またはそれらの組合せを含む、請求項1に記載の方法。
- 放射線源が電子ビーム、紫外線、可視光線、レーザー光、またはそれらの組合せを含む、請求項3に記載の方法。
- エネルギー源が電子ビーム、紫外線、可視光線、マイクロ波、レーザー光、熱、またはそれらの組合せを含む、請求項4に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)、および(c)が逐次かつ連続的に行われる、請求項1に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)、および(c)におけるプロセス部品が垂直および連続的に空間的に配向されている、請求項1に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)、および(c)が逐次かつ連続的に行われる、請求項19に記載の方法。
- 複数の固体粒状物が5〜95重量%の組成物を含む、請求項1に記載の方法。
- 複数の固体粒状物が40〜95重量%の組成物を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記組成物が100%固体である、請求項1に記載の方法。
- 粉砕ステップが照射ステップ後の凝集粒子で行われる、請求項1に記載の方法。
- 粉砕ステップが第2の硬化ゾーンを通過した後の凝集粒子で行われる、請求項4に記載の方法。
- 粉砕ステップがミリング、破砕、およびタンブリングの方法を含む、請求項24に記載の方法。
- 粉砕ステップがミリング、破砕、およびタンブリングの方法を含む請求項25に記載の方法。
- 請求項1に従って製造された凝集粒子。
- 請求項1に従って製造された無機凝結前駆体凝集粒子。
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