CN102165029B - 经涂布的固体颗粒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面处理固体颗粒的方法，来改善固体颗粒在静电场中的可加工性和减少加工所述固体颗粒过程中产生的粉尘。

Description

经涂布的固体颗粒
本发明涉及一种经涂布的固体颗粒，其选自下组：刚玉、电熔刚玉、烧结刚玉、锆石刚玉、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚石和/或它们的混合物，所述经涂布的固体颗粒具有经物理涂覆的涂层形式的表面处理。
这类固体颗粒例如以不同粒度以结合(gebundener)和松散形式用作研磨过程中的磨粒，利用所述固体颗粒可以加工所有已知材料。一般来说，在使用磨粒时要区别所谓结合磨料和基底上的磨料或柔性磨料，对于所谓结合磨料应理解为研磨盘、研磨石和研磨笔，其中磨粒与陶瓷物质或合成树脂形成相应的研磨体并随后通过热处理来硬化；而对于基底上的磨料或柔性磨料，磨粒借助于粘合剂(通常是合成树脂)固定在基底(纸或亚麻布)上，用这种方式得到研磨纸或研磨带。
在制备基底上的磨料的过程中，磨粒涂覆在基底上，例如纸或带上，目前通常在所谓分散设备中进行，在此过程中所述磨粒尽可能均匀分布地涂覆在传送带上，将磨粒输送到静电场中，所述静电场通过在两个互相以一定距离布置的电极之间施加直流电压来形成。同时，在静电场中于具有磨粒的传送带上方，胶粘基底以反方向、以一定距离并与传送带平行地经由辊运行，使得经涂布的那侧朝向传送带方向。在静电场中，松散地位于传送带上的磨粒现在受到激发并以反电极方向加速，使得所述磨粒相对于布置在反电极前的胶粘基底跳起并粘着在所述的胶粘基底上。在此应努力得到尽可能致密且均匀覆盖的研磨带或研磨纸。
在这种制备方法中经常出现的问题是，所述磨粒然后不均匀地分布在基底上，或者分散密度太低。这些问题可以部分得到解决，即通过增加电压，或者改变传送带和胶粘基底之间的距离或电极之间的距离。然而，这些也只是暂时性的解决方法，因为外部条件，例如空气湿度对磨粒的分散性能有很大的影响。虽然实现了在某种程度上在分散设备内设置恒定的气候，然而大多数情况下出于生产技术原因不可行，所述磨粒通常放置在纸袋中在气候上完全不同的条件下经过较长时期的运输和储存，在合理的时间内也完全适应了所述气候。
在这方面还可以确定的是，特别是磨粒的表面电导率对磨粒在静电场中的可加工性有影响，并且有利的是，在磨粒表面上积聚水，由此改善表面电导率。在EP 0 304 616B1中描述了一种基于氧化铝的经表面处理的磨粒，利用吸湿性和/或疏水性物质涂布，由此应在磨粒的表面上形成了永久性的湿膜，它提供了充分的表面湿度并可以在静电场中均匀地加工。
在EP 0 856 037B1中描述了一种基于氧化铝的磨粒，在其表面上具有由干墨(Tonerdehydrat)和硅酸钠组成的外壳。在这种情况下得到的磨粒，其在静电场中的可加工性很大程度地独立于分别与时间和地点相关的气候行为(空气湿度)。
然而，为了改善分散能力对磨粒所做的表面处理也存在风险，即在磨粒表面上积聚过多水分和例如使磨粒的流动性变差，由此阻碍了磨粒在传送带上的理想的均匀分布。然而，传送带上的不规律分布自动导致研磨带上的不均匀分布和由此导致产品恶化。过高的水分含量还可能对磨粒粘结到合成树脂基质中产生不利影响。
过去研究了对磨粒进行表面处理来改善分散能力，并使所述表面处理最小化到如此程度，使得磨粒的流动性或在合成树脂基质中的粘结不因过强的处理受到损害。必要时通过改变场条件(距离、电压)来解决关于静电场中磨粒的可激发性的问题。
磨粒静电分散时，特别是在制备研磨带时的另一个问题在于，在分散设备中填充磨粒时粉尘的产生。在此，通常将磨粒从25kg的袋子倾倒入敞口漏斗中，这时附着在磨粒上的粉尘在漏斗上方扬起尘雾，这对操作所述设备的工作人员造成很大的健康上的负担。通过在漏斗开口区域安装抽吸装置来解决这个问题的尝试不太成功，因为要有效地吸除粉尘，所述抽吸装置必须位于相对靠近漏斗开口的位置，这会妨碍对漏斗的填充。
为人员装备相应的保护设施，例如口罩、防尘面具等，也只是部分有效，因为附着在磨粒上的粉尘量通常相对大，从而很难做到充分保护。此外，这类保护措施对造成了工作的额外负担并且不是所期望的。
附着在磨粒上的粉尘来源于生产过程中对磨粒的粉碎。在此过程中产生大量的细粉尘，尽管它们决大部分被吸除，但是还有相当大的量仍保持附着在磨粒上，之后例如在倒空磨粒袋的时候释放。
另外还存在的问题是要得到符合下列条件的磨粒，一方面显示出在静电场中理想的分散性能和在合成树脂基质中最佳的粘结，另一方面不由粉尘对在分散设备的人员造成负担。
此外，要求，为达到上述目标不必费用过高的额外处理，因为磨粒是批量产物，必须要成本合算地生产。因此不考虑例如只是简单地额外清洗磨粒来除去粉尘和随后干燥作为选择方式，因为这种操作需要相对长的时间和相对多的人力耗费，由此明显增加了磨粒的制造成本。
所述问题通过具有权利要求1的技术特征的固体颗粒得以解决，所述固体颗粒选自下组：刚玉、电熔刚玉、烧结刚玉、锆石刚玉、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚石和/或它们的混合物。本发明的有利的实施方案是从属权利要求的主题。
本发明的主题还有用于制备经表面处理的固体颗粒的方法，以及所述固体颗粒用于制备在基底上的磨料的用途，还有在耐磨损表面涂层中的用途。
在寻找上述问题的解决方法的过程中发现，可以由此得到非常适合在静电场中加工的固体颗粒，即用多元醇的水溶液以物理方式涂覆涂层进行表面处理。在此过程中少量多元醇就足够了并且用0.001至最多5重量％的多元醇进行处理，就已经足以得到最佳效果。在本发明的优选实施方案中，使用基于未经处理的所述固体颗粒计为约0.01至约1.0重量％的多元醇。
作为适合的多元醇考虑具有两个至最多6个碳原子的线型或分支的多元醇。在本发明意义上特别优选的多元醇是短链多元醇，例如乙二醇、丙二醇、丁二醇和甘油。
所述表面处理可以是简单的，其中将所述固体颗粒置于混合器中，随后在混合期间喷洒至少一种多元醇的水溶液。水溶液中很少比例的多元醇就已经足以达到效果，从而多元醇∶水的优选用量比例优选2∶1至约1∶40。在此应提到，用未稀释的乙二醇的实验示出，还可以使用纯的多元醇来改善分散能力，然后，实现与固体颗粒的理想的均匀混合经常是个问题。
在本发明的一个有利的实施方案中，水性涂层溶液额外包含用水稀释的水玻璃，水玻璃的量有利地基于未经处理的磨粒计为0.001至2.0重量％。
另一有利的实施方案中设计为，事先用有机硅烷作为增附剂处理所述固体颗粒。用有机硅烷进行处理改善了固体颗粒在合成树脂基质中粘结的强度，但是这种处理同时也恶化了固体颗粒的分散性能。利用常规的亲水性或吸湿性物质进行额外处理来改善分散能力可以进一步抵消这种恶化，然而却又进一步损害了结合强度，特别是湿强度。现在令人惊奇地发现，为了改善结合而用有机硅烷处理的固体颗粒的分散性能通过随后用多元醇水溶液处理可以持续得到改善，而之后不会对结合造成损害。明显地，在封闭型交联时通过缩聚协调了多元醇与合成树脂的结合。
适合用于改善结合的硅烷是具有通式(RO)3-Si-(CH2)n-X的有机硅烷，其中R是选自甲基、乙基、异丙基和甲氧基甲基的有机残基，n是0至12的整数，X是选自乙烯基、丙烯酰基、甲基丙烯酰基和/或胺的官能团。
对于上述应用优选的硅烷选自3-氨基丙基-三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，其中有机硅烷的量基于未经处理的固体颗粒计优选为0.01至2.0重量％，并且增附剂同样优选以经稀释的水溶液来使用。
通过用含多元醇的水溶液进行表面处理，得到了一种固体颗粒，它可以在制备基底上的磨料的常规分散设备中出色加工。因为经处理的磨粒具有出色的分散性能，可以保持很低的处理量，从而避免关于流动能力的问题并保证磨粒在分散设备的传送带上均匀地分布。同时通过表面处理使细粉尘持续结合在表面上，从而保证了在无健康风险的条件下在常规分散设备中的加工。与未经处理的磨粒相比以这种方式可以将粉尘浓度降低至少80％。
然而，根据本发明处理的固体颗粒的用途不限于磨料，而对平均粒径为约3μm至约60μm的用在耐磨损表面中的微粒的实验显示出，如果事先进行根据本发明的处理，这类粒子同样可以出色地进行静电加工。虽然含有耐磨损颗粒的纸或膜的静电涂层还没有普遍实行，但可以预计所述方法将有越来越广泛的应用。
下面依据实施例详细地说明本发明，由于相应测量结果的可提供性，所以仅描述了在磨料中的用途，然而并不限于此。因此，例如可以将用细粒子ZWSK180(平均粒子直径为70μm)和ZWSK 220(平均粒子直径为约60μm)(见实施例1至5，比较例1至4)所得的结果可以毫无问题地转用到上述用于耐磨损层的微粒上。
实施例1(白刚玉，ZWSK 180)
将一吨(Tonne)电熔刚玉(白刚玉，ZWSK 180，TreibacherSchleifmittel AG)置于强制混合器中并且在那里于连续混合下喷洒2升于蒸馏水中20％的氨基丙基三乙氧基硅烷溶液。完全添加所述溶液之后继续实施约30分钟的混合过程。随后将如此涂布的磨粒在继续混合下喷洒500毫升甘油在1.5升水中的溶液。在这种情况下添加混合过程的溶液之后，还继续实施约30分钟的混合过程，从而使整个混合过程达到约1.5小时。之后将如此获得的磨粒混合物借助带式干燥器在80℃下干燥。
比较例1(白刚玉，ZWSK 180)
仍然用一吨电熔刚玉(白刚玉，ZWSK 180，Treibacher SchleifmittelAG)。然而，在这种情况下仅用2升20％的3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行处理。随后将如此获得的磨粒混合物再次借助带式干燥器在80℃下干燥。
实施例2(白刚玉，ZWSK 180)
与实施例1类似地实施本实验。但是，使用3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷作为有机硅烷和乙二醇作为多元醇。
实施例3(白刚玉，ZWSK 220)
与实施例1类似地实施本实验，其中由细粒子ZWSK 220代替ZWSK180。
比较例2(白刚玉，ZWSK 220)
与比较例1类似地进行比较例2，其中使用细粒子ZWSK 220代替ZWSK180。
实施例4(白刚玉，ZWSK 220)
与实施例2类似地进行实施例4，但在此也使用细粒子ZWSK 220。
比较例3
与实施例1类似地处理1吨ZWSK 180，但是在第二个涂布步骤中，用2升20％的水玻璃溶液进行标准处理以代替多元醇处理。
比较例4
与比较例3类似，但是使用1吨ZWSK 220。
实施例5
与实施例3类似地对1吨白刚玉(Alodur ZWSK 220，TreibacherSchleifmittel)进行硅烷处理，并随后与4kg纯的乙二醇混合。
实施例6(分散实验)
对在电磁场中的分散能力的测量借助于简单的测量仪器来进行，所述测量仪器由金属底板，也就是所谓的支撑板，和平行布置于其上的金属盖板构成。在直径为5cm的所述金属底板上尽可能均匀地分布5g待测量的磨粒。然后在金属底板和直径是底板直径五倍的盖板之间，通过施加直流电压产生强度为4.2kV/cm2的静电场。在此过程中位于支撑板上的磨粒受到激发并向着盖板方向跳起，然后从盖板弹回，大部分磨粒由于这两块金属板不同的尺寸比例和单个粒子不同的碰撞角度不能再回落到支撑板上。激发持续时间为5秒钟，并测量支撑板上剩余的残留物。残留物的份额越小，则磨粒的分散性能越好。实施例1至5以及比较例1至4的分散实验结果总结在下表1中。
表1
  磨粒  处理  扩散能力＝残留物(g)   粒破裂(％)
  Alodur ZWSK 180  未处理   1.0   约40
 比较例1   5.0   约10
 比较例3   1.1   约60
 实施例1   1.2   约15
 实施例2   0.9   约10
  Alodur ZWSK 220  未处理   1.7   约50
 比较例2   4.9   约10
 比较例4   1.6   约65
 实施例3   1.4   约20
 实施例4   1.1   约15
 实施例5   1.2   约20
上表列出的分散结果表明，用于改善就细粒子，例如粒子180或220而言的分散能力的处理本身是不必要的，因为所述粒子由于单个粒子较小的重量，不经过处理就已经可以出色地在静电场中进行加工。为了展示这一点，测量未经处理的Alodur ZWSK 180和未经处理的Alodur ZWSK220来进行比较，可以看到，至少约70％至约80％的单个粒子被激发。通过用硅烷处理来改善在合成树脂基质中的结合，分散能力降至几乎为零，如从比较例1和2中可以得出。通过随后用含多元醇的水溶液进行处理可以进一步弥补分散能力的恶化。比较例3和4示出，利用水玻璃进行标准处理虽然也重新恢复了分散能力，但是在比较用的研磨实验中表明，不再保证在合成树脂基质中的结合。
为此用表1中列出的磨粒制造研磨带，在苛性碱水溶液中进行搁置时效处理(ausgelagert)并随后干燥。之后利用如此预处理的带进行研磨操作用于结合测验，其中用中等压力加工不锈钢-整块材料(Vollmaterial)。经研磨使用之后对相应的研磨带进行显微镜评价，并记录研磨带在研磨所使用的区域没有粒子破碎的百分面积比。选择上述在苛性碱中搁置时效处理的激烈条件，以更强烈突出结合强度，尤其是湿强度方面的区别。
比较例1和2虽然示出良好的结合，然而所述硅烷化的磨粒只可能非常困难地进行静电加工，结果是，相应的研磨带的构成极其不均匀且在实践条件下被认为是废品。
实施例5表现出良好的分散能力和良好的结合，然而，在这种情况下必须使用相对大量的多元醇来达到可接受的充分混合。
实施例7(锆石刚玉实验系列)
分别将不同粒度(P24和P40)的1吨锆石刚玉(Alodur ZK40，Treibacher Schleifmittel AG)置于强力混合器中，在连续混合下用不同的溶液处理。在此使用下列处理溶液的标准处理来改善分散能力：纯水玻璃溶液(1.5升水+500毫升40％的水玻璃)、含有水玻璃和甘油的根据本发明的混合物(1.5升水+250毫升40％的水玻璃+250毫升甘油)、含有水玻璃和乙二醇的根据本发明的混合物(1.5升水+250毫升40％的水玻璃+250毫升乙二醇)、和乙二醇水溶液(1.5升水+500毫升乙二醇)。
对于该实验应注意到，粗糙的、具有起伏表面的粒子的粘结强度不是主要问题，而主要的问题是分散能力本身和由此出现的粉尘产生。
检验经处理的磨粒的粉尘指数和分散能力。
分散能力的测量
对较粗糙粒子在电磁场中的分散能力的测量借助于测量仪器来进行，所述测量仪器由金属底板作为阳极和与其平行布置的高度可调的金属板作为阴极构成。所述阴极装配有抽吸装置，用于背面固定具有限定的基面的胶粘基底。通过称量所述基底来测定接通直流电压时在时间单位内粘着在胶粘基底上的磨粒的量，之后以分散密度(g/m2)来表达分散能力。
粉尘指数的测定
用于测定粉末或颗粒的粉尘含量的测量方法基于光衰减原则。将试样经由下降管置入测量系统中，经由与粉尘浓度成正比的光衰减测量其在光源(激光)和检测器之间所产生的尘雾，并以粉尘指数表示。使用Anatec Deutschland GmbH公司名为DustMon L的测量仪器测量粉尘。测量时间为30秒，分别对100g试样进行测量。测定粉尘指数，它由测量开始时的最大值和中断测量之前的最终值的和构成。
表2
检验P24至P120的锆石刚玉的所有常规粒度，确定的是，所有粒子原则上行为相同，由此可以选择P24和P40的粒子代表性地作为实施例。测量过程中对于相同的粒度分别保持相同的分散条件(电压、距离、激发时间)。
表2中列出的结果示出，未经处理的锆石刚玉磨粒(编号7.1和7.6)的分散性能弱，同时产生粉尘多。用水玻璃溶液进行标准处理的锆石刚玉磨粒(编号7.2和7.7)可以将分散密度增加超过一倍并且已经明显减少粉尘的产生。然而，约为5的粉尘指数在实践中还是对接触人员有很大负担。然而非常令人惊奇的是，用根据本发明的含多元醇和含水玻璃的处理的锆石刚玉磨粒(编号7.3、7.4、7.8和7.9)将分散密度再次增加了一倍。在所有根据本发明处理的情况中，粉尘的产生降至粉尘指数低于1，在实践中这意味着可实现几乎没有粉尘的作业。有趣的是，用多元醇(乙二醇)而不额外使用水玻璃的处理(编号7.5和7.10)在分散性能方面有些差。然而，在这种情况下可能在基质中的结合更好，但是在本实验范围内没有进行测试。
依据附图1至3光学上说明了根据本发明的处理对分散性能的作用。其中：
图1示出利用未经处理的磨粒的分散实验的光学(摄像)评价，
图2示出按标准处理的磨粒的分散实验的光学(摄像)评价，和
图3示出根据本发明处理的磨粒的分散实验的光学(摄像)评价。
图1是未经处理的锆石刚玉磨粒(Alodur ZK 40 P24分散实验中)所使用的胶粘基底在静电场中进行分散实验之后的摄像图，对应实验编号7.1。分散图上非常空，不满足对这类研磨带的常规生产要求。
图2示出利用标准处理的和对应实验编号7.2的锆石刚玉磨粒的分散图。视觉上明显可以看出相比未经处理的磨粒分散密度更高。
图3中示出根据实验7.3进行根据本发明的处理的锆石刚玉磨粒的分散图。可以看出固体颗粒非常致密地涂展在基底上。这样好的分散性能以及与此相关地几乎完全抑制了粉尘的产生，根据本发明的磨粒可以以理想方式在静电场中进行加工，特别是给制备基底上相应的磨料的制造商带来了巨大的生产优势。
在上述发明的范围内将进行很多其它的实验，其中特别是多元醇和/或水玻璃的水溶液浓度和处理量在说明书中给出的范围内变化。这些在此没有详细列出的实验主要是表明，所述浓度可以在宽范围内变化，而不相对于现有技术会在分散能力和粉尘产生方面丧失所述的积极效果。

Claims (13)

1.一种选自下组的具有改善的可分散性的固体颗粒：刚玉、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚石和/或它们的混合物，所述固体颗粒具有经物理涂覆的涂层形式的表面处理，所述涂层包含至少一种多元醇，其特征在于，所述多元醇的量基于未经处理的固体颗粒计为0.001至0.4重量％，其中所述多元醇是具有2至6个碳原子的线型多元醇。
2.根据权利要求1的固体颗粒，其特征在于，所述刚玉是电熔刚玉、烧结刚玉或锆石刚玉。
3.根据权利要求1或2的固体颗粒，其特征在于，所述多元醇选自乙二醇、丙二醇、丁二醇和甘油。
4.根据权利要求1或2的固体颗粒，其特征在于，所述涂层额外包含水玻璃。
5.根据权利要求4的固体颗粒，其特征在于，所述水玻璃的量基于未经处理的所述固体颗粒计为0.001至2.0重量％。
6.根据权利要求1或2的固体颗粒，其特征在于，所述涂层额外包含通式为(RO)3-Si-(CH2)n-X的硅烷，其中R是选自甲基、乙基、异丙基和甲氧基甲基的有机残基，n是0至12的整数，X是选自乙烯基、丙烯酰基、甲基丙烯酰基和/或胺的官能团。
7.根据权利要求6的固体颗粒，其特征在于，所述硅烷选自3-氨基丙基-三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷。
8.根据权利要求6的固体颗粒，其特征在于，所述有机硅烷的量基于未经处理的固体颗粒计为0.01至2.0重量％。
9.用于制备根据权利要求1至8中任一项的固体颗粒的方法，其特征在于，将所述固体颗粒置于强力混合器中，随后在连续混合下喷洒多元醇的水溶液。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，多元醇∶水的用量比例为2∶1至1∶40。
11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，所述多元醇的水溶液包含基于未经处理的所述固体颗粒计为0.001至2.0重量％的水玻璃。
12.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，所述固体颗粒在用多元醇的水溶液处理之前经过用0.01至2.0重量％的有机硅烷处理。
13.根据权利1至8中任一项的固体颗粒用于制备基底上磨料的用途。
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