CN103189163B

CN103189163B - 回旋砂轮及制造方法

Info

Publication number: CN103189163B
Application number: CN201180053286.4A
Authority: CN
Inventors: 迪安·S·霍姆斯
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: EP2640553A4; EP2640553B1; WO2012068082A1; JP2014500154A; JP5871942B2; US20130225054A1; US9079294B2; EP2640553A1; CN103189163A

Abstract

本发明公开了一种自螺旋形地卷绕的非织造磨料幅材形成的回旋砂轮。所述非织造磨料幅材包含底胶层和磨料粒子，所述磨料粒子的维氏压痕硬度为至少16Gpa、且韧度为至少3.0Mpa？m^1/2。在所述底胶层和磨料粒子上方施加包含酚醛树脂的第一复胶层。在所述第一复胶层上方施加包含聚氨酯预聚物的第二复胶层。

Description

回旋砂轮及制造方法

背景技术

通过绕芯螺旋形地卷绕非织造研磨幅材并然后固化粘结剂以将螺旋形地卷绕的层彼此粘附来制造回旋砂轮。回旋砂轮可用于修整不同类型的工件，如建筑商的硬件和管件固定装置。

发明内容

通常，用来制造回旋砂轮的磨粒为常规的较低成本的材料如棕刚玉。虽然通常已知高级磨粒如源自溶胶-凝胶的α氧化铝在涂覆的磨料制品或粘结的磨料制品中提供改进的切割性能，但高级磨粒在非织造磨料制品中的使用尚未被制造商采纳。不使用此类磨粒的主要原因在于，在使用高级磨粒时，切割性能未得到增强；然而，回旋砂轮的成本显著增加。因此，由于与使用棕刚玉的较低成本的回旋砂轮相比制造成本更高但性能一样，故使用高级磨粒的回旋砂轮在商业上不可行。

本发明人已发现，通过在制造回旋砂轮时使用两种不同的复胶层，使用高级磨粒的回旋砂轮的性能得到显著提高。因使用高级磨粒而提高的性能远使得增加的成本合理化，让回旋砂轮将为最终客户提供显著的价值主张。

具体地讲，本发明人已发现，通过在非织造研磨幅材上方施加包含酚醛树脂的第一复胶层、然后部分地固化酚醛树脂、再施加包含聚氨酯树脂的第二复胶层，高级磨粒在回旋砂轮中的性能优势将展现出来。据信，固化的酚醛树脂复胶层将增强磨粒的保持，从而提高回旋磨料制品的修整性能。在施加聚氨酯树脂后，螺旋形地卷绕非织造磨料制品并固化以形成回旋磨料制品。

因此，在一个实施例中，本发明涉及一种回旋砂轮，所述回旋砂轮包含螺旋形地卷绕的非织造磨料幅材，所述非织造磨料幅材包含：底胶层和磨料粒子，所述磨料粒子的维氏压痕硬度为至少16GPa、且韧度为至少3.0Mpam^1/2；底胶层和磨料粒子上方的包含酚醛树脂的第一复胶层；和第一复胶层上方的包含聚氨酯的第二复胶层。

在另一个实施例中，本发明涉及一种制造回旋砂轮的方法，所述方法包括以下步骤：向非织造幅材的第一主表面施加底胶层；向底胶层施加磨料粒子，所述磨料粒子的维氏压痕硬度为至少16Gpa、且韧度为至少3.0Mpam^1/2；在底胶层和磨料粒子上方施加包含酚醛树脂的第一复胶层；部分地固化至少第一复胶层以制得非织造磨料幅材；在固化的第一复胶层上方施加包含聚氨酯预聚物树脂的第二复胶层；将具有第二复胶层的非织造磨料幅材螺旋形地卷绕成卷；固化第一复胶层和第二复胶层以形成回旋砂轮。

附图说明

本领域普通技术人员应当了解，本发明的讨论仅是针对示例性实施例的描述，其并不旨在限制本发明的更广泛的方面，其更广泛的方面体现在示例性构造中。

在说明书和附图中重复使用的参考标号旨在表示本发明相同或类似的特征或元件。

图1和1A示出了一种非织造磨料制品，其具有施加于非织造磨料制品的包含酚醛树脂的固化的第一复胶层和施加于第一复胶层上方的包含聚氨酯的第二复胶层。

图2示出了一种回旋磨料制品。

定义

如本文所用，词语“包含”、“具有”和“包括”是法律上等同的并且是开放型的。因此，除了列举的元件、功能、步骤或限制之外，还可以有其他未列举的元件、功能、步骤或限制。

具体实施方式

参考图1和1A，示出了非织造磨料制品10。所述非织造磨料制品包含非织造幅材14，非织造幅材14具有第一主表面16和第二主表面18。在许多实施例中，非织造幅材是膨松、开放、低密度的纤维幅材。向第一或第二主表面（16、18）或两个表面二者施加包含可固化树脂的底胶层或第一树脂层20。然后在施加底胶层20后或者与施加底胶层20同时，施加磨料粒子22。在底胶层20和磨料粒子22上方施加包含酚醛树脂的第一复胶层24。其后，或部分地一起固化底胶层20和第一复胶层24直至树脂不再湿且发粘，或通过单独施加并加热每个层而依次部分地固化，然后施加包含聚氨酯的第二复胶层26。

通过绕芯构件（例如，管或棒形芯构件）在张力下卷绕图1的非织造磨料制品使得非织造层被压缩，而将包含部分地固化的第一复胶层24和未固化的第二复胶层26的非织造磨料制品制成回旋砂轮。然后固化第二复胶层26，从而彼此粘结回旋砂轮的螺旋形缠绕物。图2示出了一种示例性回旋砂轮200，其中非织造磨料制品210绕芯构件230螺旋形地卷绕并固定到芯构件230上，并且第二复胶层26已经固化。如果需要，在使用之前可以例如使用磨料领域已知的方法打磨回旋砂轮，以去除表面不平整的地方。

在卷绕过程中压缩经浸渍的非织造幅材的层时，通常压缩所述层以形成块，所述块的密度为非织造层在其未被压缩状态下的密度的1至20倍。然后通常使所述块在高温（例如，135℃）下经受间歇式热固化（例如，2至20小时），这通常取决于聚氨酯第二复胶层和块的大小。

适用于回旋磨料制品中的非织造幅材是磨料领域中已知的。通常，非织造幅材包含缠结的纤维幅材。纤维可以包括连续纤维、短纤维或者其组合。例如，纤维幅材可包含长度为至少约20毫米（mm）、至少约30mm或至少约40mm以及小于约110mm、小于约85mm或小于约65mm的短纤维，但也可使用更短和更长的纤维（例如，连续长丝）。纤维的细度或线密度可以为至少约1.7分特（dtex，即，克/10000米）、至少约6dtex，或至少约17dtex，以及小于约560dtext、小于约280dtex，或小于约120dtex，尽管也可以使用具有更小和/或更大线密度的纤维。可以使用具有不同线性密度的纤维的混合物，例如，根据用途生产磨料制品将会导致特别优选的表面光洁度。如果使用的是纺粘非织造物，则长丝可以为大得多的直径，例如，直径高达2mm或更大。

可例如通过常规的气流成网、梳理、缝编、纺粘、湿法成网和/或熔喷程序制成非织造幅材。可使用例如可以商品名“RANDOWEBBER”自纽约马其顿的兰多机械公司（RandoMachineCompany,Macedon,NewYork）商购获得的设备制备气流成网纤维非织造幅材。

通常选择这样的非织造幅材：所述非织造幅材与粘附粘结剂和磨料粒子相容、同时与制品的其他组分组合地加工，并且通常可承受加工条件（例如，温度）如施加和固化粘结剂组合物的过程中采用的那些。可以选择纤维，使其影响磨料制品的特性，例如，柔韧性、弹性、耐用性或保质期、研磨性和光洁度特性。可适用的纤维的例子包括天然纤维、合成纤维以及天然和/或合成纤维的混合物。合成纤维的例子包括利用聚酯（如，聚对苯二甲酸乙二醇酯）、尼龙（如，六亚甲基己二酰胺、聚己内酰胺）、聚丙烯、丙烯腈（例如，丙烯酸类树脂）、人造丝、醋酸纤维素、聚偏二氯乙烯-氯乙烯共聚物以及氯乙烯-丙烯腈共聚物制备的那些。合适的天然纤维的例子包括棉花、羊毛、黄麻和大麻。纤维可以是天然的材料或从（例如）衣服碎料、地毯制备、纤维制备或纺织物加工中回收的再循环材料或废料。纤维可以是均匀的或可以是复合材料，如，双组分纤维（例如，共纺的皮/芯型纤维）。所述纤维可以是拉伸的和卷曲的，并且也可以是连续长丝，例如通过挤出法形成的那些。也可以使用纤维组合。

在浸渍以底胶层之前，在任何涂覆（例如，涂覆底胶层或任选的预粘合树脂）之前所测得，非织造幅材的每单位面积重量（即，基重）通常为至少约50克每平方米（gsm）、至少约100gsm或至少约200gsm；和/或小于约400gsm、小于约350gsm或小于约300gsm，但也可使用更大和更小的基重。此外，在浸渍以底胶层之前，纤维幅材的厚度通常为至少约5mm、至少约6mm或至少约10mm；和/或小于约200mm、小于约75mm或小于约30mm，但也可使用更大和更小的厚度。

关于非织造磨料制品、回旋砂轮及它们的制造方法的更多细节可见于例如美国专利号2,958,593（Hoover等人）、4,486,200（Heyer等人）、5,591,239（Larson等人）、5,919,549（Van等人）、6,017,831（Beardsley等人）；美国专利申请公开2006/0041065A1（Barber,Jr.）和美国专利申请公开2008/0127572A1（Ludwig）。

很多情况下，可用的是在涂覆底胶层之前向非织造幅材施加预粘合树脂。预粘合树脂用于例如在处理过程中帮助保持非织造幅材的完整性，并且还可促进底胶层与非织造幅材的粘合。预粘合树脂的例子包括酚醛树脂、氨基甲酸酯树脂、皮胶、丙烯酸类树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、环氧树脂以及它们的组合。通常将以此方式使用的预粘合树脂的量调节为符合在纤维的交叉点处将纤维粘合在一起的最小量。在一些实施例中，通过在施加底胶层之前用时3.4分钟穿过345℉下的隧道式炉来固化预粘合树脂。在非织造幅材包含可热粘合的纤维的情况下，非织造幅材的热粘合也可有助于在加工过程中保持幅材的完整性。

可用的磨料粒子的例子包括平均维氏压痕硬度为至少16、至少17、至少18或至少19Gpa的任何高级磨料粒子。维氏压痕硬度可如授予Monroe的标题为“AbrasiveGrain（磨粒）”的美国专利5,593,467中第23列第39-48行处所述进行测试。此外，磨料粒子的平均韧度为至少3.0、至少3.2、至少3.5、至少3.8或至少4.0Mpam1/2。平均韧度按论文Lawn和Fuller,“EquilibriumPenny-likeCracksinIndentionFracture（压痕断裂中的平衡便士样裂纹）”,JournalofMaterialScience（材料科学杂志），第10卷，(1975)，第2016-24页中给出的测试程序进行测量，所述论文以引用方式并入本文中。

可用的高级磨料粒子包括金刚石磨料粒子、立方氮化硼磨料粒子和源自溶胶-凝胶制备方法的α氧化铝磨料粒子以及它们的混合物。该磨粒可以是（例如）单独的粒子、聚集体、复合粒子以及它们的混合物的形式。可使用高级磨料粒子与常规磨料粒子的共混物；但共混物的至少15%、至少30%、至少50%、至少70%或至少90%应为高级磨料粒子。在一些实施例中，回旋砂轮中使用的磨料粒子100%为高级磨料粒子。

磨粒可以（例如）具有至少约0.1微米、至少约1微米或至少约10微米以及小于约2000微米、小于约1300微米或至少约1000微米的平均直径，尽管也可以使用更大和更小的磨粒。

例如，磨粒可以具有磨粒行业指定的标称牌号。此类磨料行业认可的级配标准包括称为美国国家标准协会(AmericanNationalStandardsInstitute,Inc.，ANSI)标准、欧洲研磨产品制造商联合会(FederationofEuropeanProducersofAbrasiveProducts，FEPA)标准以及日本行业标准(JapeneseIndustrialStandards,JIS)标准。示例性的ANSI牌号名称（即，规定的标称牌号）包括：ANSI4、ANSI6、ANSI8、ANSI16、ANSI24、ANSI36、ANSI40、ANSI50、ANSI60、ANSI80、ANSI100、ANSI120、ANSI150、ANSI180、ANSI220、ANSI240、ANSI280、ANSI320、ANSI360、ANSI400和ANSI600。示例性的FEPA牌号名称包括P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、600、P800、P1000、以及P1200。示例性的JIS牌号名称包括HS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10000。

通常，磨料粒子的涂覆重量可取决于例如所用的具体的可固化底胶层、用于施加磨料粒子的工艺以及磨料粒子的粒度。例如，非织造幅材上磨料粒子的涂覆重量（任何压缩之前）可为至少200克每平方米（g/m）、至少600g/m或至少800g/m；和/或小于2000g/m、小于约1600g/m或小于约1200g/m，但也可使用更大或更小的涂覆重量。

可用的底胶层树脂的例子包括碱催化并且甲醛与苯酚的摩尔比大于或等于1:1、通常在约1.5:1至约3:1范围内的甲阶酚醛树脂。第一复胶层24包含甲阶酚醛树脂。市售甲阶酚醛树脂的例子包括以商品名“Durez”自住友林业株式会社（SumitomoBakeliteCo.）、以商品名“Durite”自瀚森化工公司（HexionSpecialtyCo.）和以商品名“Prefere”自阿克林加拿大公司（ArclinCanadaCo.）已知的那些。通常，第一复胶层的涂覆重量为磨料粒子涂覆重量的至少6%、为磨料粒子涂覆重量的至少10%或为磨料粒子重量的至少14%；和/或小于磨料粒子涂覆重量的28%或小于磨料粒子涂覆重量的约20%。在施加第二复胶层26之前，第一复胶层24经部分地固化直至涂层不再发粘。在一个实施例中，第一复胶层的部分固化通过使经涂覆的非织造幅材用时2.7分钟穿过121℃（250℉）下的隧道式炉实现。

第二复胶层26在固化后包含聚氨酯树脂。可用的聚氨酯预聚物树脂含有介于4.0%至8.0%之间的游离异氰酸酯含量并用二胺固化剂固化。市售预聚物聚氨酯树脂的例子有以商品名“Adiprene”自科聚亚公司（ChemturaCorp.）以及以商品名“Desmodur”自拜耳材料科技公司（BayerMaterialsScience）已知的那些。

通常，在将非织造磨料幅材卷绕成卷之前干燥或部分地固化第二复胶层26。在一个实施例中，这通过使经涂覆的幅材用时2.7分钟穿过41℃（105℉）下的隧道式炉来完成。在绕芯螺旋形地卷绕非织造磨料幅材之后将第二复胶层26完全固化。在一个实施例中，螺旋形地卷绕的幅材的固化通过牵引热空气从螺旋形地卷绕的经涂覆非织造幅材的一个轴端穿过螺旋形地卷绕的经涂覆非织造幅材并从相对的轴端出去来进行。通过使用介于82℃（180℉）和92℃（200℉）之间的热空气6小时、然后提高温度至113℃（235℉）保持另外9小时来实现固化。

实例

本发明的目的和优势通过下面的非限制性实例进一步说明。这些实例中所提到的具体材料及其量以及其他条件和细节，均不应被解释为对本发明的不当限制。除非另外指明，否则实例以及说明书其余部分中的所有份数、百分数、比率等均按重量计。

实例1和比较例A-C

制备实例1和比较例A-C以证实本发明的在施加聚氨酯第二复胶层之前具有高级磨粒和固化的酚醛树脂第一复胶层的回旋砂轮的有效性。实例1和比较例A-C的非织造磨料幅材用表1和表2中标示的材料以表3中所示的顺序制备。将所得带有部分地干燥但尚未固化的第二复胶层26的非织造磨料幅材绕直径8.57cm（3.375英寸）、壁厚0.476cm（0.1875英寸）、带有未固化的粘合剂的玻璃纤维圆柱形芯的圆周缠绕。将经涂覆非织造幅材的螺旋形缠绕物绕芯卷绕，卷绕在张力下进行并使用压力辊促使每个缠绕物在适当的位置上直至缠绕的非织造磨料幅材和芯（后文称为“块”）的外径为大约17.8cm（7.0英寸）。然后将块置于间歇式炉中并如表3中所述固化第二复胶层26。将块安装到车床上并用金刚石尖头车刀将块的外径减小至大约16.5cm（6.5英寸）。然后用垂直于芯的轴的金刚石锯切割该块，以形成若干直径大约16.5cm（6.5英寸）、宽大约2.5cm（1.0英寸）、具有7.6cm（3.0英寸）中心孔的回旋砂轮。所得磨料制品（排除玻璃纤维芯之外）的材料密度介于0.61g/cm³（0.22lb/in³）和0.73g/cm³（0.26lb/in³）之间。

材料

表1

研磨效率试验

按研磨效率试验测试本发明的回旋砂轮与比较例的回旋砂轮。用外径为7.6cm（3.0英寸）、内径为3.17cm（1.25英寸）的法兰将砂轮安装在直径3.17cm（1.25英寸）的从动轴上。对于每种待试非织造磨料组合物，制备两个试样。针对11英寸（28cm）×2英寸（5cm）×0.056英寸（1.4mm）穿孔碳钢筛板工件（孔径5/32英寸（0.40cm），在7/32英寸（0.56cm）上）评价每个试样的研磨性，该板工件以中心交错排列方式位于1008冷轧钢上，该1008冷轧钢的库存型号为401，得自伊利诺斯州芝加哥的哈灵顿&金公司（Harrington&KingCompany,Chicago,Ill）。使试样于5500ft/min（1676m/min）下旋转并在5磅每线性英寸（875牛顿每延米）的力下抵靠该工件前进。单次测试试验包括使试样贴靠板工件15秒、然后将板工件从试样处收回10秒这样的15个循环。安装新的板工件并重复所述单次测试试验四次，每次试验使用新的板工件。记录试样及五个板工件的测试前重量和测试后重量。按如下计算砂轮的总切削量，该量指示出轮的猛烈性：

使用效率%来指示砂轮的性能并按如下计算：

给定相似的总切削水平，较大的效率%指示性能较好的砂轮。

涂层组合物

表2

如表3中实例1中可见，当采用高级磨料粒子（陶瓷α氧化铝）和部分地固化的酚醛树脂作为第一复胶层来制造回旋砂轮时，回旋砂轮的效率%为40.1%，与此相比，用常规棕刚玉粒子而无酚醛树脂第一复胶层而制造的比较例C的效率为27.2%。回旋砂轮的性能取得令人惊奇的提高。比较例A表明，当使用陶瓷α氧化铝磨料粒子而无部分地固化的酚醛树脂第一复胶层时得到性能与比较例C几乎相同的回旋砂轮（29.8%对27.2%）。比较例B表明，与常规棕刚玉矿物组合地使用部分地固化的酚醛树脂第一复胶层得到性能不如比较例C的回旋砂轮（22.3%对27.2%）。因此，部分地固化的酚醛树脂第一复胶层显著地提高α氧化铝高级磨粒的性能并且实际上降低常规棕刚玉磨粒的性能。

在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本领域普通技术人员可以实践本发明的其他修改形式和变型形式，本发明的精神和范围在附随的权利要求书中有更具体地示出。应当理解，多种实施例的方面可以整体地或部分地与多种实施例的其他方面互换或结合。以上获得专利证书的专利申请中所有引用的参考文献、专利或专利申请的全文通过一致的方式以引用方式并入本文中。在并入的参考文献部分与本专利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发明而给定的前述说明不应理解为是对本发明的范围的限制，本发明的范围由权利要求书及其所有等同形式所限定。

Claims

1.一种回旋砂轮，所述回旋砂轮包含螺旋形地卷绕的非织造磨料幅材，所述非织造磨料幅材包含：底胶层和磨料粒子，所述磨料粒子的维氏压痕硬度为至少16Gpa、且韧度为至少3.0Mpam^1/2；在所述底胶层和磨料粒子上方的包含酚醛树脂的第一复胶层；和在所述第一复胶层上方的包含聚氨酯的第二复胶层。

2.根据权利要求1所述的回旋砂轮，其中所述磨料粒子包含陶瓷α氧化铝。

3.一种制造回旋砂轮的方法，所述方法包括以下步骤：

向非织造幅材的第一主表面施加底胶层；

向所述底胶层施加磨料粒子，所述磨料粒子的维氏压痕硬度为至少16Gpa、且韧度为至少3.0Mpam^1/2；

在所述底胶层和磨料粒子上方施加包含酚醛树脂的第一复胶层；

部分地固化至少所述第一复胶层以制得非织造磨料幅材；

在所述固化的第一复胶层上方施加包含聚氨酯预聚物树脂的第二复胶层；

将具有所述第二复胶层的所述非织造磨料幅材螺旋形地卷绕成卷；和

固化所述第一复胶层和所述第二复胶层以形成所述回旋砂轮。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在向所述非织造幅材施加底胶层之前，向所述非织造幅材施加预粘合涂层，并且在施加所述底胶层之前固化所述预粘合涂层。

5.根据权利要求3所述的方法，其中在向所述底胶层施加磨料粒子后，在施加所述第一复胶层之前部分地固化所述底胶层。

6.根据权利要求3所述的方法，其中在向所述非织造磨料幅材施加所述第二复胶层后，在螺旋形地卷绕所述非织造磨料幅材之前部分地固化所述第二复胶层。