CN101687309B - 具有覆盖层的结构化磨料及其制备和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括其上固定有形貌结构化磨料层的背衬。所述形貌结构化磨料层包括精确成形的磨料复合物。包含莫氏硬度等级为至少4的磨蚀粒子和水溶性聚合物的固体覆盖层被设置在所述形貌结构化磨料层的至少一部分上。本发明还公开了所述结构化磨料制品的制备和使用方法。

Description

具有覆盖层的结构化磨料及其制备和使用方法
背景技术
一类通常称为“结构化磨料制品”的磨料制品已在市场上销售多年，用于在表面整理中使用。结构化磨料制品具有固定至背衬的形貌结构化磨料层，并且常与任选含有表面活性剂的液体(例如水)结合使用。形貌结构化磨料层具有多种成形的磨料复合物(通常具有微小尺寸)，每种磨料复合物均使磨料粒子分散在粘结剂中。在许多情况下，成形的磨料复合物(例如)按照各种几何形状(例如锥形)精确成形。此类结构化磨料制品的例子包括由3M公司(St.Paul，MN)以商品名“TRIZACT”出售的那些磨料制品，并且这些磨料制品在汽车行业中用于消除基于氨基甲酸酯、丙烯酸酯或硅酸盐的汽车透明涂层(例如以商品名“466LA-3M TRIZACTFINESSE-IT FILM”获得)的缺陷。
结构化磨料制品常与安装在工具(例如圆盘砂光机或偏心砂光机)上的支撑垫联合使用。在此类应用中，结构化磨料制品通常具有使其在使用过程中固定至支撑垫上的附连中间层(例如钩状薄膜、环状织物或粘合剂)。
已知许多结构化磨料制品在初次使用时缺乏有力的切削，但随着继续使用，则会观察到切削有所改善。由于磨料粒子掩埋在磨料复合物主体内的粘结剂中，并且不能用于研磨，所以才会出现这种情况。本领域中用于解决较低初始切削问题的一项技术是在结构化磨料制品初次使用前，使用另一种涂覆磨料制品如砂纸来研磨结构化磨料制品的磨料表面。
目前产品的切削性能很容易受工件涂层材料类型的影响，这些材料可以基于各种技术，例如聚氨酯涂层、丙烯酸酯涂层、粉末涂层，或甚至用纳米粒子强化的基于硅酸盐的硬涂层。
发明内容
在一个方面，本发明提供了结构化磨料制品，该制品包括：
具有第一和第二相对主表面的背衬；
固定至背衬的形貌结构化磨料层，该形貌结构化磨料层包括精确成形的磨料复合物，其中该精确成形的磨料复合物包含位于交联的聚合物粘结剂中的磨料粒子，并且其中该磨料粒子具有D50；以及
设置在形貌结构化磨料层的至少一部分上的固体覆盖层，该固体覆盖层包含莫氏硬度等级为至少4的磨蚀粒子和水溶性聚合物，其中该磨蚀粒子的D50小于或等于磨料粒子的D50。
在一些实施例中，水溶性聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚环氧烷烃、甲基乙烯基醚和马来酸酐的共聚物、纤维素聚合物、瓜耳胶或丙烯酸类聚合物中的至少一种。在一些实施例中，背衬包括薄膜背衬。在一些实施例中，磨蚀粒子包含碳化硅或氧化铝中的至少一种。在一些实施例中，磨蚀粒子的莫氏硬度小于至少一部分磨料粒子的莫氏硬度。在一些实施例中，固体覆盖层为连续的。在一些实施例中，精确成形的磨料复合物相对于背衬的高度在10至525微米的范围内。在一些实施例中，结构化磨料制品还包括固定至背衬的第二主表面的附连中间层。在一些实施例中，交联的聚合物粘结剂包含至少一种选自由以下物质组成的组的组分：丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、氰酸酯树脂、异氰尿酸酯树脂、氨基塑料树脂、以及它们的组合。在一些实施例中，磨料粒子选自由以下物质组成的组：氧化铝、熔融氧化铝、热处理过的氧化铝、陶瓷氧化铝、碳化硅、绿色碳化硅、氧化铝-氧化锆、二氧化铈、氧化铁、石榴石、金刚石、立方氮化硼、以及它们的组合。在一些实施例中，磨料粒子的D50在0.01至200微米的范围内。
根据本发明的结构化磨料制品可用于(例如)研磨工件。在另一方面，本发明提供了研磨工件的方法，该方法包括：
在存在水的情况下，将根据本发明的结构化磨料制品的形貌结构化磨料层的至少一部分与工件进行摩擦接触；以及
将工件或形貌结构化磨料层中的至少一者相对于另一者移动，以便对工件表面的至少一部分进行研磨。
在又一方面，本发明提供了制作结构化磨料制品的方法，该方法包括：
提供结构化磨料制品，该结构化磨料制品包括：
具有第一和第二相对主表面的背衬；和
固定至背衬的形貌结构化磨料层，该形貌结构化磨料层包括精确成
形的磨料复合物，其中该精确成形的磨料复合物包含位于交联
的聚合物粘结剂中的磨料粒子，并且其中该磨料粒子具有D50；
以及
将固体覆盖层设置在形貌结构化磨料层的至少一部分上，该固体覆盖层包括莫氏硬度等级为至少4的磨蚀粒子和水溶性聚合物，其中该磨蚀粒子的D50小于或等于磨料粒子的D50。
在一些实施例中，该方法还包括将附连中间层固定至背衬的第二主表面上。
在一些实施例中，设置该固体覆盖层包括：将液体混合物涂覆至形貌结构化磨料层的至少一部分上，该液体混合物包含磨蚀粒子、水溶性聚合物和液体载体；以及移除足量的该液体载体以得到固体覆盖层。
在这些实施例的一些中，涂覆液体混合物包括辊涂或喷涂中的至少一种。
有利地是，与没有该固体覆盖层的对应结构化磨料制品相比，根据本发明的具有覆盖层的结构化磨料制品在甚至很薄的涂层水平下也表现出改善的初始切削，这有效地免除了在使用前采取单独调整步骤的需要。
此外，已经发现具有根据本发明的覆盖层的结构化磨料制品可以用于对粉末透明涂层进行表面整理，这在以前用没有固体覆盖层的对应结构化磨料制品是无法实现的。
如本文所用，
关于粒子的术语“D50”是指基于体积的中值粒度；即在中值粒度处，50体积％的粒子具有相同或更小的粒度；
术语“聚合物”是指许多天然和合成化合物中的任意一种，这些化合物的分子量为至少1000克/摩尔，并且具有重复的连接单元，每个单元为相对较轻和较简单的分子；并且
用于描述磨料复合物的术语“精确成形”是指具有由表面相对光滑的侧面限定的形状的磨料复合物，这些侧面通过精确限定的锐边来界定和接合，这些锐边的长度不同并且具有由各侧面相交所限定的不同端点。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例详细描述的具有覆盖层的示例性结构化磨料的示意性横截面侧视图；
图2为用于比较例A的聚丙烯模具的数字显微图；
图3为用于实例1中的结构化磨料制品在涂覆任何覆盖层之前的数字显微图；并且
图4为根据实例1制作的具有固体覆盖层的结构化磨料制品的数字显微图。
具体实施方式
现在参见图1，示例性结构化磨料制品100包括分别具有相对的第一主表面112和第二主表面114的背衬110，以及固定至背衬110的形貌结构化磨料层120。形貌结构化磨料层120包括精确成形的磨料复合物130。精确成形的磨料复合物130包括位于交联的聚合物粘结剂150中的磨料粒子140。固体覆盖层160设置在形貌结构化磨料层120的至少一部分上。同体覆盖层160包括莫氏硬度等级为至少4的磨蚀粒子170和水溶性聚合物180。磨蚀粒子170的D50小于或等于磨料粒子140的D50。可选的附连中间层190固定在背衬110的第二主表面114上。
合适的背衬包括(例如)聚合物膜(包括带底漆的聚合物膜)、布、纸、多孔和非多孔的聚合物泡沫、硫化纤维、纤维强化的热塑性背衬、熔纺或熔喷而成的非织造材料、它们的经处理的形式(例如经过防水处理的形式)、以及它们的组合。用于聚合物膜的合适的热塑性聚合物包括(例如)聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)、聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚酰胺(例如尼龙-6和尼龙-6，6)、聚酰亚胺、聚碳酸酯、它们的共混物、以及它们的组合。通常，背衬的至少一个主表面是光滑的(例如用作第一主表面)。该背衬可以包含多种添加剂。合适的添加剂的例子包括着色剂、加工助剂、增强纤维、热稳定剂、紫外线稳定剂和抗氧化剂。可用的填料的例子包括粘土、碳酸钙、玻璃珠、滑石、粘土、云母、木屑和炭黑。
背衬可以具有任何厚度，但是一般应该足够厚以提供内聚完整性，并且应该足够薄以提供一定程度的柔韧性，但是根据需要背衬也可以为刚性的。背衬可以包括其上具有一种或多种处理物(例如背胶层、亚胶层、预上胶层、粘结层、底漆层和/或浸渍剂层)的处理过的背衬。背衬可包括复合膜，例如具有两个或更多个不连续层的复合薄膜。背衬的第二主表面可以包括防滑涂层或摩擦涂层。此类涂层的例子包括分散于粘合剂中的无机颗粒(例如碳酸钙或石英)。
将形貌结构化磨料层固定至背衬使得其在预期使用过程中不会与背衬分离。通常，该形貌结构化磨料层直接与背衬接触，并且在交联的聚合物粘结剂的固化过程中固定，但是也可以通过其他方式使其固定至背衬，例如通过粘合剂层(例如热熔粘合剂层)。
该精确成形的磨料复合物可以具有任何精确的形状，但是通常包括锥形磨料复合物、截锥形磨料复合物、棱柱形磨料复合物、圆顶形磨料复合物或它们的混合物。术语“锥形磨料复合物”是指形状为棱锥的磨料复合物，棱锥是指多边形底面和三角形侧面在公共点(顶点)相交的立体图形。合适的精确成形的磨料复合物的例子包括三边锥形、四边锥形、五边锥形和六边锥形磨料复合物、截锥形磨料复合物、棱柱形磨料复合物和圆顶形磨料复合物。另外可以使用不同形状的精确成形的磨料复合物和/或不同高度的精确成形的磨料复合物的组合。例如，锥形精确成形的磨料复合物中可以散布较低高度的截锥形精确成形的磨料复合物。精确成形的磨料复合物可以为规则的(所有边相等)或不规则的。
精确成形的磨料复合物限定了形貌结构化磨料层并且通常以密集的排列(例如阵列)进行布置，其中相邻的精确成形的磨料复合物在它们的各自底面彼此接触，但是允许至少一些相邻的精确成形的磨料复合物之间存在间距。在形貌结构化磨料层中可以存在缝隙(例如条纹)。
虽然精确成形的磨料复合物相对于背衬的高度可高可低，但是通常在至少10微米至600微米的范围内。更典型地，精确成形的磨料复合物相对于背衬的高度在10微米至525微米的范围内，或甚至在10微米至100微米的范围内。
就精细整理应用而言，形貌结构化磨料层中精确成形的磨料复合物的面密度通常在至少1,000、10,000或甚至至少20,000个磨料复合物/平方英寸(例如至少150、1,500或甚至7,800个磨料复合物/平方厘米)的范围内，最多并包括50,000、70,000或甚至多达100,000个磨料复合物/平方英寸(最多并包括7,800、11,000或甚至多达15,000个磨料复合物/平方厘米)，但是可以使用更高或更低密度的磨料复合物。
磨料领域中已知的任何磨料粒子均可以包括在磨料复合物内。可用的磨料粒子的例子包括氧化铝、熔融氧化铝、热处理过的氧化铝(包括棕色氧化铝、热处理过的氧化铝和白色氧化铝)、陶瓷氧化铝、碳化硅、绿色碳化硅、氧化铝-氧化锆、氧化铬、二氧化铈、氧化铁、石榴石、金刚石、立方氮化硼、以及它们的组合。就修复和整理应用而言，可用的磨料粒度通常在至少0.01、0.1、1、3或甚至5微米的范围内，最大并包括35、50、100或甚至200微米，但是也可以使用此范围之外的粒度。在一些实施例中，磨料粒子的D50在至少0.01、0.1、1、3或甚至5微米的范围内，最大并包括35、50、100或甚至200微米，但是也可以使用此范围之外的D50值。
磨料粒子可以粘合在一起(通过除粘结剂之外的物质粘合)以形成(例如)美国专利No.4,311,489(Kressner)；以及4,652,275和4,799,939(均授予Bloecher等人)中所描述的聚集体。
磨料粒子上可以具有表面处理物。在某些情况下，表面处理物可以增加与粘结剂的粘附力，改变磨料粒子的研磨特性等。表面处理物的例子包括偶联剂、卤化物盐、金属氧化物(包括二氧化硅)、耐高温金属氮化物、以及耐高温金属碳化物。
磨料复合物(无论是锥形还是截锥形)还可以包括稀疏粒子，该稀疏粒子通常具有与磨料粒子数量级相同的粒度。此类稀疏粒子的例子包括石膏、大理石、石灰石、燧石、二氧化硅、玻璃泡、玻璃珠和硅酸铝。
磨料粒子分散于粘结剂中而形成磨料复合物。交联的聚合物粘结剂一般由对应的固化性粘结剂前体形成。在结构化磨料制品的制造过程中，该固化性粘结剂前体暴露于辅助固化过程的能源下。能源的例子包括热能和辐射能，辐射能包括电子束、紫外光和可见光。
在固化过程中，固化性粘结剂前体通过形成交联聚合物材料而转化成硬化粘结剂。在足以使固化性粘结剂前体发生硬化的固化(其不需要是完全固化)后，磨料复合物形成。
存在两种主要类型的热固性树脂：缩合固化性树脂和加成聚合树脂。加成聚合树脂是有利的，因为这种树脂暴露于辐射能时易于固化。加成聚合树脂可通过阳离子机理或自由基机理进行聚合。根据所用的能源和粘结剂前体的化学性质，固化剂、引发剂或催化剂有时优选能够辅助引发聚合反应。
典型的粘结剂前体的例子包括酚醛树脂、脲醛树脂、氨基塑料树脂、氨基甲酸酯树脂、三聚氰胺甲醛树脂、氰酸酯树脂、异氰脲酸酯树脂、丙烯酸酯树脂(例如丙烯酸酯改性聚氨酯、丙烯酸改性环氧树脂、烯键式不饱和化合物、具有α，β-不饱和羰基侧基的氨基塑料衍生物、具有至少一个丙烯酸侧基的异氰脲酸酯衍生物、以及具有至少一个丙烯酸侧基的异氰酸酯衍生物)乙烯基醚、环氧树脂、以及它们的组合。如本文所用，术语“丙烯酸酯”涵盖丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
酚醛树脂适用于本发明，并且具有良好的热特性、实用性、以及相对较低的成本并且易于处理。酚醛树脂有两种类型：甲阶酚醛树脂和线型酚醛树脂。甲阶酚醛树脂中甲醛与酚的摩尔比大于或等于1.0∶1.0，通常为约1.5∶1.0至3.0∶1.0。线型树脂中甲醛与酚的摩尔比小于1.0∶1.0。市售的酚醛树脂的例子包括以下列商品名为人们所知的那些树脂：得自Occidental Chemicals Corp.(Dallas，Texas)的“DUREZ”和“VARCUM”；得自Monsanto Co.(Saint Louis，Missouri)的“RESINOX”；以及得自Ashland Specialty Chemical Co.(Dublin，Ohioand)的“AEROFENE”和“AROTAP”。
丙烯酸酯改性聚氨酯通常为羟基封端的NCO延伸的聚酯或聚醚的二丙烯酸酯(尽管它们具有或多或少的丙烯酸酯官能度)。市售的丙烯酸酯改性聚氨酯的例子包括以商品名“UVITHANE 782”得自Morton ThiokolChemi cal和以商品“CMD 6600”、“CMD 8400”以及“CMD 8805”得自UCB Radcure(Smyrna，Georgia)的那些丙烯酸酯改性聚氨酯。
丙烯酸改性环氧树脂为环氧树脂的二丙烯酸酯，例如双酚A环氧树脂的二丙烯酸酯。市售的丙烯酸改性环氧树脂的例子包括以商品名“CMD3500”、“CMD 3600”和“CMD 3700”得自UCB Radcure的那些丙烯酸改性环氧树脂。
烯键式不饱和树脂包括含有碳原子、氢原子和氧原子以及可选的氮和卤素的单体和聚合的化合物。氧原子或氮原子或两者通常存在于醚、酯、聚氨酯、酰胺和脲基中。烯键式不饱和化合物优选具有低于约4,000克/摩尔的分子量，并且优选是由含有脂族单羟基基团或脂族多羟基基团的化合物与不饱和羧酸(如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、异巴豆酸和马来酸等)反应生成的酯。丙烯酸酯树脂的代表性例子包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯苯乙烯、二乙烯基苯、乙烯基甲苯、二丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸己二醇酯、二丙烯酸三乙二醇酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、甘油三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇甲基丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯。其他烯键式不饱和树脂包括单烯丙基、聚烯丙基和聚甲基烯丙基酯和羧酸的酰胺，例如二烯丙基邻苯二甲酸酯、二烯丙基己二酸酯和N，N-二烯丙基己二酰二胺。其他的含氮化合物包括三(2-丙烯酰氧基乙基)异氰脲酸酯、1，3，5-三(2-甲基丙烯酰氧基乙基)-s-三嗪、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基哌啶酮。
氨基塑料树脂的每个分子或低聚体中至少有一个侧链α，β-不饱和羰基。这些不饱和羰基可为丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或丙烯酰胺型基团。此类材料的例子包括N-羟甲基丙烯酰胺、N，N’-氧基二亚甲基双丙烯酰胺、邻位丙烯酰胺甲基化苯酚和对位丙烯酰胺甲基化苯酚、丙烯酰胺甲基化线型酚醛树脂、以及它们的组合。这些材料进一步描述于美国专利No.4,903,440和No.5,236,472(均授予Kirk等人)中。
具有至少一个丙烯酸酯侧基的异氰脲酸酯衍生物和具有至少一个丙烯酸酯侧基的异氰酸酯衍生物进一步描述于美国专利No.4,652,274(Boettcher等人)中。一种异氰脲酸酯材料的例子为三(羟乙基)异氰脲酸酯的三丙烯酸酯。
环氧树脂具有一个或多个环氧乙烷环并且通过开环来聚合。此类环氧树脂包括环氧树脂单体和环氧树脂低聚物。可用的环氧树脂的例子包括2，2-双[4-(2，3-环氧丙氧基)-苯基丙烷](双酚的二缩水甘油醚)，以及可以商品名“EPON 828”、“EPON 1004”和“EPON 1001F”得自Resolution Performance Products(Houston，TX)的材料，以及可以商品名“DER-331”、“DER-332”和“DER-334”得自Dow Chemical Co.(Midland，MI)的材料。其他合适的环氧树脂包括可以商品名“DEN-431”和“DEN-428”从Dow Chemical Co.商购获得的线型酚醛树脂的缩水甘油醚。
本发明的环氧树脂可通过添加合适阳离子固化剂的阳离子机理来聚合。阳离子固化剂产生酸源以引发环氧树脂的聚合反应。这些阳离子固化剂可以包括具有鎓阳离子以及金属或准金属的含卤素络合物阴离子的盐。
其他阳离子固化剂包括进一步描述于美国专利No.4,751,138(Tumey等人)中的具有有机金属络合物阳离子以及金属或准金属的含卤素络合物阴离子的盐。另一个例子为有机金属盐，并且鎓盐已在美国专利No.4,985,340(Palazzotto等人)、5,086,086(Brown-Wensley等人)和5,376,428(Palazzotto等人)中有所描述。其他阳离子固化剂包括描述于美国专利No.5,385,954(Palazzotto等人)中的有机金属络合物的离子盐，其中该金属选自周期表中IVB族、VB族、VIB族、VIIB族和VIIIB族的元素。
对于自由基固化性树脂而言，在某些情况下优选磨料浆液还包含自由基固化剂。然而就电子束能源而言，由于电子束自身产生自由基，因此并不一定需要固化剂。
自由基热引发剂的例子包括过氧化物，例如过氧化苯甲酰、偶氮化合物、二苯甲酮和苯醌。就紫外线或可见光能源而言，此固化剂有时称为光引发剂。在暴露于紫外光时可产生自由基源的引发剂的例子包括(但不限于)选自由下列组成的组的那些引发剂：有机过氧化物、偶氮化合物、苯醌、二苯甲酮、亚硝基化合物、酰卤、腙、巯基化合物、吡喃鎓化合物、三丙烯酰基咪唑、双咪唑、氯烷基三嗪、安息香醚、联苯酰缩酮、噻吨酮和苯乙酮衍生物、以及它们的混合物。美国专利No.4,735,632(Oxman等人)中描述了暴露于可见光辐射时可产生自由基源的引发剂的例子。与可见光一起使用的一种合适的引发剂可以商品名“IRGACURE 369”得自CibaSpecialty Chemicals(Tarrytown，NY)。
通过制备包含磨料粒子、固化性粘结剂前体和添加于精确成形的磨料复合物中的任何附加成分的浆液，并且将该浆液推入生产工具来制备形貌结构化磨料层，该生产工具具有与所需形貌结构化磨料层互补的形状和排列的精确成形的空腔表面。然后通常在浆液存在于生产工具的空腔中时，使其充分固化以便硬化和固定至背衬。之后使连接了形貌结构化磨料层的背衬与生产工具分离，从而形成结构化磨料制品。此时或稍后可以完成粘结剂的附加固化(例如后固化)。
该生产工具可以为束带、薄板、连续式薄板或幅材、诸如轮转凹辊之类的涂布辊、安装在涂布辊上的套筒或模具。该生产工具可以由金属(例如镍)、金属合金或塑料构成。金属生产工具可以通过诸如雕刻、抛光、电铸或金刚石车削之类的任何常规技术加工而成。
热塑性模具可以由金属母模复制而成。母模将具有生产工具所需的反向图案。母模可以按照与生产工具相同的方式制得。母模优选由诸如镍之类的金属制得，并且用金刚石进行车削。热塑性片状材料可以加热，并且可以任选与母模一起加热以通过将两者压在一起使该热塑性材料压印上母模的图案。还可以将热塑性材料挤出或浇注到母模上，然后对其施压。将热塑性材料冷却以便硬化，从而制得生产工具。优选的热塑性生产工具材料的例子包括聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯以及它们的组合。如果利用热塑性生产工具，则务必注意不要产生过量的热，因为过量的热会使热塑性生产工具变形。
生产工具还可以包括脱模涂层，以使得磨料制品更容易从生产工具上脱离。此类金属的脱模涂层的例子包括硬质碳化物涂层、氮化物涂层或硼化物涂层。热塑性材料的脱模涂层的例子包括硅树脂和含氟化合物。
有关具有固定至背衬的精确成形的磨料复合物的形貌结构化磨料制品以及它们的制造方法的详细信息可见于(例如)美国专利No.5,152,917(Pieper等人)、5,435,816(Spurgeon等人)、5,672,097(Hoopman)、5,681,217(Hoopman等人)、5,454,844(Hibbard等人)、5,851,247(Stoetzel等人)、6,139,594(Kincaid等人)；以及共同待审的共同转让的美国专利No.11/380,444(Woo等人)。
厚度均匀或不均匀并且连续或不连续的固体覆盖层可设置在形貌结构化磨料层的至少一部分上。例如，固体覆盖层可以根据连续或不连续的图案设置在形貌结构化磨料层上。更通常而言，该固体覆盖层基本上设置在形貌结构化磨料层的整个外表面(即磨料表面)上。
固体覆盖层包括磨蚀粒子和水溶性聚合物。
磨蚀粒子可以包含任何已知的磨料，例如本文关于磨料粒子所述的那些磨料，但是前提是这些磨蚀粒子的莫氏硬度等级为至少4(例如至少约4.8的莫氏硬度等级)，这使它们能够研磨交联的聚合物粘结剂并且使磨料复合物的磨料粒子暴露。例如，磨蚀粒子可以包含碳化硅或氧化铝中的至少一种。
由于较大的粒子会造成工件上不期望的表面划痕，因此磨蚀粒子的D50小于或等于磨料粒子的D50。相似地，磨蚀粒子的莫氏硬度可以比至少一部分磨料粒子，或甚至全部磨料粒子的莫氏硬度更小，这通常减轻了磨蚀粒子相对于磨料粒子而言对工件研磨的影响。
水溶性聚合物可以为任何这样的聚合物或聚合物的混合物，其溶于水并且在通常的环境和/或包装条件下硬化，有利的是在环境温度或稍高于环境温度(例如25℃和/或40℃)的条件下硬化。合适的水溶性聚合物的例子包括：聚乙烯醇(例如分子量相对较低和/或水解度低于约95％的那些聚乙烯醇)、聚乙烯基吡咯烷酮、聚环氧烷烃(例如聚环氧乙烷蜡和聚环氧丙烷蜡)、甲基乙烯基醚和马来酸酐的共聚物、纤维素聚合物、瓜耳胶、丙烯酸类聚合物、以及它们的组合。
只要有足够的水溶性聚合物使磨蚀粒子保持干燥状态，那么磨蚀粒子和水溶性聚合物可以任何体积比存在(例如磨蚀粒子与磨蚀粒子和水溶性聚合物之和的体积比为5至75％)。
覆盖层可以具有任何涂层重量，但通常在3.2至16克/平方米(0.05至0.25克/24平方英寸)范围内的涂层重量会使性能和成本具有良好的平衡。
通常将覆盖层作为液体载体中磨蚀粒子的分散体设置在形貌结构化磨料层的最外表面上，水溶性聚合物溶于该液体分散体中，然后进行干燥步骤(例如在烘箱中干燥)以除去足够的液体载体来使覆盖层硬化，但是也可以使用其他方法。该液体载体通常为含水的液体载体，例如水或水和一种或多种可混溶挥发性有机溶剂(例如甲醇、乙醇、异丙醇和/或丙酮)的混合物。覆盖层可以作为连续层或不连续层涂覆到形貌结构化磨料层，该覆盖层可以为均一的或不均一的、图案化的或其他形式的。其中溶解有水溶性聚合物的液体载体中的磨蚀粒子的分散体的涂覆方法包括(例如)辊涂和喷涂。
背衬的背表面(即与形貌结构化磨料层相对的背衬侧面)可以根据常规操作印刷相关信息以显示(例如)产品识别码、等级编号和/或制造商的信息。作为另外一种选择或除此之外，如果磨料复合物具有足够的半透明度，使得印迹透过该磨料复合物清晰可见，则背衬的前表面可以印刷相同类型的信息。
根据本发明的结构化磨料制品可以任选具有固定至背衬第二主表面的附连中间层，以便于将结构化磨料制品固定至支撑片或支撑垫，该支撑片或支撑垫固定至(例如)偏心砂光机等工具。该任选的附连中间层可以为粘合剂(例如压敏粘合剂)层或双面胶带。
任选的附连中间层可适于与固定到支撑片或支撑垫上的一种或多种互补元件共同使用，以便正常工作。例如，可任选的附连中间层可以包括用于钩环附件的套环织物(例如，用于与其上固定有钩状结构的支撑垫或支撑片配合使用)、用于钩环附件的钩状结构(例如，用于与其上固定有套环织物的支撑垫或支撑片配合使用)或互相啮合的附连中间层(例如，蘑菇状互锁扣件，其被设计用于与支撑垫或支撑片上的蘑菇状互锁扣件相啮合)。有关此类附连中间层的详细信息可见于(例如)美国专利No.4,609,581(Ott)、5,152,917(Pieper等人)、No.5,254,194(Ott)、5,454,844(Hibbard等人)、5,672,097(Hoopman)、5,681,217(Hoopman等人)，以及美国专利申请公开No.2003/0143938(Braunschweig等人)和2003/0022604(Annen等人)。
同样，背衬的第二主表面可以具有多个从其上凸起的一体形成的钩，例如美国专利No.5,672,186(Chesley等人)中所述。然后这些钩将使结构化磨料制品与固定有套环织物的支撑片接合。
根据本发明的结构化磨料制品可以为任何形状，例如圆形(例如圆盘)、椭圆形或矩形(例如薄板)，并且可以具有扇形边，这取决于可与其结合使用的任何支撑片的具体形状，或者它们可以为环形带的形式。结构化磨料制品中可以具有狭槽或狭缝，或可以具有穿孔(例如穿孔圆盘)。
根据本发明的结构化磨料制品一般用于研磨工件，尤其是其上具有硬化聚合物层(例如汽车涂料或透明涂层)的那些工件。
工件可以包括任何材料并且可以具有任何形式。这些材料的例子包括金属、金属合金、异金属合金、陶瓷、涂漆面、塑料、聚合物涂层、石材、多晶硅、木材、大理石以及它们的组合。工件的例子包括模制和/或成形的制品(例如光学透镜、汽车车身板件、船壳、柜台和水槽)、晶片、薄板以及块状体。
根据本发明的结构化磨料制品通常用于修复和/或打磨聚合物涂层，例如机动车辆涂料和透明涂层(例如汽车透明涂层)，这些聚合物涂层的例子包括：聚丙烯酸-多元醇-多异氰酸酯组合物(例如美国专利No.5,286,782(Lamb等人)中所述)；羟基官能化丙烯酸-多元醇-多异氰酸酯组合物(例如美国专利No.5,354,797(Anderson等人)中所述)；多异氰酸酯-碳酸酯-三聚氰胺组合物(例如美国专利No.6,544,593(Nagata等人)中所述)；以及高固体份聚硅氧烷组合物(例如美国专利No.6,428,898(Barsotti等人)中所述)。
根据应用，研磨界面处的力的范围为约0.1千克(kg)至1000kg以上。一般来讲，研磨界面处的力的范围在1kg至500kg之间。另外，根据应用，研磨过程中可以使用液体。该液体可以为水和/或有机化合物。典型的有机化合物的例子包括润滑剂、油、乳化有机化合物、切削液、表面活性剂(例如皂、有机硫酸盐、磺酸盐、有机膦酸酯、有机磷酸酯)、以及它们的组合。这些液体还可以包含其他添加剂，例如消泡剂、脱脂剂、缓蚀剂以及它们的组合。在使用根据本发明的结构化磨料制品时，有利的是在研磨过程中使用包含至少一些水的液体来润湿研磨界面。
根据本发明的结构化磨料制品可以与(例如)围绕大致垂直于结构化磨料层的中心轴旋转的旋转工具一起使用，或与具有随机轨道的工具(例如偏心砂光机)一起使用，并且可以在使用过程中在研磨界面处摆动。在某些情况下，这种摆动可以在正在研磨的工件上产生更加精细的表面。
本发明的目的和优点可进一步由以下非限制性实例来说明，但是这些实例中所叙述的具体物质及其用量以及其他条件和细节不应被不当地解释为是对本发明的限制。
实例
除非另有说明，否则在实例以及说明书其他部分中的所有的份数、百分数、比率等均按重量计。
在下列实例中使用了以下缩写：
ACR1    2-丙烯酸苯氧乙酯，以商品名“SR339”从Sartomer公司(Exton，Pennsylvania)商购获得；
ACR2    三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，以商品名“SR351”从Sartomer公司商购获得；
BIN1    聚乙烯醇，88％水解，标称分子量为31,000克/摩尔，以商品名“MOWIOL 4-88”从Kuraray Co.Ltd.(New York，NY)商购获得；
BIN2    聚乙烯基吡咯烷酮，标称分子量为9,500克/摩尔，以商品名“PVPK-15”得自ISP Technologies(Wayne，NJ)；
BIN3    聚乙烯醇，88％水解，标称分子量为127,000克/摩尔，以商品名“MOWIOL 40-88”从Kuraray Co.Ltd.商购获得；
BIN4    自交联型丙烯酸乳液，固体份为44.5％至45.5％，以商品名“RHOPLEXHA-12”从Rohm&Haas Co.(Philadelphia，PA)商购获得；
BIN5    苯乙烯-丁二烯共聚物胶乳，固体份为49％至51％，以商品名“STYRONAL NX 4680”从BASF(Florham Park，NJ)商购获得；
BIN6    由38.2份三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(得自Aldrich Chemical Co.(Milwaukee，WI))、59.8份丙烯酸苯氧乙酯(得自AldrichChemicalCo.)、2.0份酰基膦氧化物光引发剂组成的紫外线固化性树脂预混合物，以商品名“LUCERIN TPO-L”从BASF Corporation(Florham Park，NJ)商购获得；
CPA1    γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，以商品名“SILQUEST A-174”从OSiSpecialties，Inc.(Danbury，CT)商购获得；
DSP1    100％活性聚合物分散剂，以商品名“SOLPLUS D520”从LubrizolCorp.(Wickliffe，OH)商购获得；
MIN1    绿色碳化硅矿物颗粒，D50＝3.0微米，以商品名“GC 4000 GREENSILICON CARBIDE”从Fujimi Corporation(Elmhurst，IL)商购获得；
MIN2    氧化铝矿物颗粒，D50＝2.0微米，以商品名“WA 6000”从FujimiCorporation(Elmhurst，IL)商购获得；
MIN3    氧化铝矿物颗粒，D50＝1.23微米，以商品名“WA 8000”从FujimiCorporation(Elmhurst，IL)商购获得；
MIN4    偏硅酸钙矿物颗粒，D50＝3.5微米，以商品名“NYAD M1250”(硅灰石)从Nyco Minerals(Willsboro，NY)商购获得；
MIN5    碳酸钙矿物颗粒，D50＝12至13微米，得自J.M.Huber Corp(Edison，NJ)；
MIN6    滑石粉矿物颗粒，D50＝8至9微米，以商品名“MISTRON 353”从Luzenac North America(Greenwood Village，CO)商购获得；
MIN7    绿色碳化硅矿物，D50＝4.0+/-0.5微米，以商品名“GC 3000GREEN SILICON CARBIDE”从Fujimi Corporation(Elmhurst，IL)商购获得；
SURF1    1，4-二(2-乙基己基)磺基琥珀酸钠，以商品名“TRITON GR-5M”从Dow Chemical公司(Mi dland，MI)商购获得；
THK1    阴离子增稠剂，以商品名“ACRYSOL ASE 60”从Rohm and Haas Co.(Philadelphia，PA)商购获得；以及
TP1    汽车透明涂层测试板件，以商品名“PPG 9911”从PPG Industries(Alison Park PA)商购获得。
UV1    酰基膦氧化物，以商品名“LUCERIN TPO-L”从BASF Corporation(Florham Park，New Jersey)商购获得。
比较例A
按以下步骤制备以重量份定义的磨料浆液：用实验室空气搅拌器将13.2份ACR1、20.0份ACR2、0.5份DSP1、2.0份CPA1、1.1份UVI1和63.2份MIN7在20℃下均匀分散大约15分钟。通过刮涂将浆液涂覆至12英寸(30.5厘米)宽的微复制型聚丙烯模具上，该模具具有均匀分布、密堆积、34度交替螺旋切削的11×11行的锥形阵列，该锥形阵列的底宽为3.3密耳×3.3密耳(83.8微米×83.8微米)，深度为2.5密耳(63.5微米)，这些锥形阵列由3×3行的截短至深度为0.83密尔(21微米)的相同锥形阵列分开，如美国申请No.11/380,444(Woo等人)的图2中所示。通常根据美国专利No.5,975,987(Hoopman等人)的工序由对应的母辊来制备该模具。然后将填充了浆液的聚丙烯模具置于12英寸(30.5厘米)宽的带乙烯-丙烯酸底漆的聚酯膜(该膜的厚度为3.71密尔(94.2微米)，以商品名“MA370M”得自3M公司)上，使其通过压料辊(辊隙压力为90磅/平方英寸(psi)(620.5千帕(kPa))，得到10英寸(25.4cm)宽的幅材)，并用紫外线(UV)灯(“D”型灯泡，得自Fusion Systems Inc.(Gaithersburg，Maryland))以600瓦特/英寸(236瓦特/厘米)进行照射，同时以30英尺/分钟(fpm)(9.14米/分钟)的速度移动该幅材。使聚丙烯模具与带乙烯-丙烯酸底漆的聚酯膜分离，从而形成图3所示的粘附于带乙烯-丙烯酸底漆的聚酯膜上的完全固化的精确成形的磨料层。将压敏粘合剂(可以商品名“3M SCOTCH BRAND 442KW”从3M公司商购获得)层合至该膜的背面(与形貌结构化磨料层相对)。然后从磨料上冲切直径在0.75英寸(1.91厘米)至1.25英寸(3.18厘米)范围内的各种尺寸的圆盘。
实例1
用表1中记录的材料和量按照如下工序制备矿物分散体(按体积份(pbv)计)。制备20重量％的BIN1水溶液。将足够的MIN1矿物加入此溶液以获得20％的矿物含量(按干燥覆盖层的总体积计)。通过加入pH值为约9的THK1将该分散体的粘度调至2至3帕斯卡-秒范围内的剪切粘度。
通过辊涂将该矿物分散体涂覆至比较例A中制备的12英寸(30.5厘米)宽的结构化磨料制品(SA1)上。将被涂覆的结构化磨料在150°F(65.6℃)下干燥10分钟。图4示出具有固体覆盖层的所得结构化磨料。
实例2-3和比较例B-D
根据实例1中描述的方法制备实例2-3和比较例B-D，不同的是用不同的聚合物(如表1中所示)来制备矿物分散体。
实例4-6和比较例E-F
根据实例1中描述的方法制备实例4-6和比较例E-F，不同的是矿物分散体中使用不同的矿物(如表1中所示)。
实例7-11
根据实例1中描述的方法制备实例7-11，不同的是矿物分散体中使用不同的矿物浓度(如表1中所示)。
比较例G
根据实例1中描述的方法制备比较例G，不同的是矿物分散体中不使用粘结剂(如表1中所示)。
比较例H
根据比较例G中描述的方法制备比较例H，不同的是将1重量％的SURF1加入矿物分散体(如表1中所示)。
比较例I
根据实例1中描述的方法制备比较例I，不同的是矿物分散体中不使用粘结剂和矿物，并且将1重量％的SURF1加入矿物分散体(如表1中所示)。
手动去除颗粒的评价
评价实例1和比较例A在不会同时发生周围桔皮流平的情况下除去汽车透明涂层测试板件TP1中的粉尘颗粒(去除颗粒)的能力。用肉眼识别固化透明涂层(TP1)中的粉尘颗粒，并用水轻轻地对其进行喷洒。将待评价的结构化磨料制品的1.25英寸(3.18厘米)标本(如表1中所示)附接到支撑垫(直径为1.25英寸(31.8毫米)，肖氏00硬度为40至60，并且可以商品名“3M FINESSE-IT STIKIT BACKUP PAD，PART No.02345”从3M公司(St.Paul，MN)商购获得的乙烯面支撑垫)，然后将该支撑垫附接到型号为“57502”、得自Dynabrade，Inc.(Clarence，NY)的气动偏心轨道式砂光机上。用90磅/平方英寸(620kPa)的空气管压力将测试板件上给定的粉尘颗粒(外径＜1毫米)以3秒的研磨间隔进行研磨，同时利用模具的重量使磨料制品的中心产生向下的力。在每次研磨间隔后，用异丙醇擦净测试板件(TP1)。记录粉尘颗粒处经研磨的测试板件的目视检查。结果记录于表1(下文)中。
Figure G2008800238262D00181
Figure G2008800238262D00191
本文所述的专利、专利申请和出版物据此如单独并入一样全文以引用方式并入本文中。
在不偏离本发明的范围和实质的情况下，本领域技术人员可以对本发明进行各种修改和更改，应该理解的是，不应将本发明不当地局限于本文中给出的示例性实施例。

Claims (20)

1.一种结构化磨料制品，包括：
具有第一和第二相对主表面的背衬；
固定至所述背衬的形貌结构化磨料层，所述形貌结构化磨料层包括精确成形的磨料复合物，其中所述精确成形的磨料复合物包括在交联的聚合物粘结剂中的磨料粒子，并且其中所述磨料粒子具有D50；以及
设置在所述形貌结构化磨料层的至少一部分上的固体覆盖层，所述固体覆盖层包括莫氏硬度等级为至少4的磨蚀粒子和水溶性聚合物，其中所述磨蚀粒子的D50小于或等于所述磨料粒子的D50，并且其中所述磨蚀粒子的体积与所述磨蚀粒子和所述水溶性聚合物的总体积之比为5％至75％。
2.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述水溶性聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧烷烃、甲基乙烯基醚和马来酸酐的共聚物、纤维素聚合物、瓜耳胶或丙烯酸类聚合物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述水溶性聚合物包括聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述背衬包括薄膜背衬。
5.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述磨蚀粒子包含碳化硅或氧化铝中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述磨蚀粒子的莫氏硬度小于至少一部分所述磨料粒子的莫氏硬度。
7.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述固体覆盖层为连续的。
8.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述精确成形的磨料复合物相对于所述背衬的高度在10至525微米的范围内。
9.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，还包括固定至所述背衬的所述第二主表面的附连中间层。
10.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述交联的聚合物粘结剂包含至少一种选自由以下物质组成的组的组分：丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、氰酸酯树脂、异氰尿酸酯树脂、氨基塑料树脂、以及它们的组合。
11.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述磨料粒子选自由以下物质组成的组：氧化铝、熔融氧化铝、热处理过的氧化铝、陶瓷氧化铝、碳化硅、绿色碳化硅、氧化铝-氧化锆、二氧化铈、氧化铁、石榴石、金刚石、立方氮化硼、以及它们的组合。
12.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述磨料粒子的D50在0.01至200微米的范围内。
13.一种研磨工件的方法，所述方法包括：
在存在水的情况下，将根据权利要求1所述的结构化磨料制品的所述形貌结构化磨料层的至少一部分与工件摩擦接触；以及
使所述工件或所述形貌结构化磨料层中的至少一者相对于另一者移动，以便对所述工件表面的至少一部分进行研磨。
14.一种制备结构化磨料制品的方法，所述方法包括：
提供结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括：
具有第一和第二相对主表面的背衬；
固定至所述背衬的形貌结构化磨料层，所述形貌结构化磨料层包括精确成形的磨料复合物，其中所述精确成形的磨料复合物包含在交联的聚合物粘结剂中的磨料粒子，并且其中所述磨料粒子具有D50；以及
将固体覆盖层设置在所述形貌结构化磨料层的至少一部分上，所述固体覆盖层包括莫氏硬度等级为至少4的磨蚀粒子和水溶性聚合物，其中所述磨蚀粒子的D50小于或等于所述磨料粒子的D50，并且其中所述磨蚀粒子的体积与所述磨蚀粒子和所述水溶性聚合物的总体积之比为5％至75％。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述设置所述固体覆盖层包括：
将液体混合物涂覆至所述形貌结构化磨料层的至少一部分上，所述液体混合物包含所述磨蚀粒子、水溶性聚合物和液体载体；以及
移除足量的所述液体载体以得到所述固体覆盖层。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述水溶性聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧烷烃、甲基乙烯基醚和马来酸酐的共聚物、纤维素聚合物、瓜耳胶或丙烯酸类聚合物中的至少一种。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述水溶性聚合物包括聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述磨蚀粒子的莫氏硬度小于至少一部分所述磨料粒子的莫氏硬度。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述精确成形的磨料复合物相对于所述背衬的高度在10至525微米的范围内。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括将附连中间层固定至所述背衬的所述第二主表面。
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