CN105813808A - 砾岩磨料颗粒、含有砾岩磨料颗粒的磨料制品及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备砾岩磨料颗粒的方法，所述方法包括：在第一玻璃质粘结剂中提供包括矿物颗粒的团聚物磨料颗粒；将所述团聚物磨料颗粒与第二玻璃质粘结剂材料前体混合以形成前体砾岩磨料颗粒；以及加热所述前体砾岩磨料颗粒以将所述第二玻璃质粘结剂材料前体转化成与所述第一玻璃质粘结剂不同的第二玻璃质粘结剂，从而形成所述砾岩磨料颗粒。所述第一玻璃质粘结剂与所述第二玻璃质粘结剂的不同之处在于以下各项中的至少一项：i)元素组成，或ii)固有物理特性；并且其中所述砾岩磨料颗粒可穿过具有一毫米开孔的试验筛。本发明还公开了可通过所述方法制备的砾岩磨料颗粒，以及包含所述砾岩磨料颗粒的磨料制品。

Description

砾岩磨料颗粒、含有砾岩磨料颗粒的磨料制品及其制备方法

技术领域

本公开广义地涉及磨料颗粒、制备磨料颗粒的方法以及磨料制品。

背景技术

已在本领域中报道了玻璃质粘结团聚物磨料颗粒。例如，参见美国专利6,551,366(D'Souza等人)、6,521,004(Culler等人)、6,790,126(Wood等人)、6,913,824(Culler等人)，和7,887,608(Schwabel等人)。

类似地，已在本领域中报道了玻璃质粘结聚集体磨料颗粒。例如，参见美国专利2,216,728(Benner等人)、7,399,330(Schwabel等人)、6,620,214(McArdle等人)，和6,881,483(McArdle等人)。

如上文所应用的术语“团聚物”和“聚集体”或多或少地可互换使用，并且一般来讲，所有上述磨料颗粒均包括通过玻璃质粘结剂材料彼此粘结的矿物颗粒。

磨料团聚物/聚集体颗粒例如在抛光浆料中以及在结构化磨料制品中可用，以在晶片(硅)研磨和蓝宝石抛光中使用。结构化磨料制品为具有固定至背衬主表面的磨料层的涂覆磨料制品。磨料层包含粘结剂材料中的磨料颗粒的成形磨料复合物。

仍然需要在某些研磨应用中具有改善的磨料特性的玻璃质粘结磨料颗粒。

发明内容

在一个方面，本公开提供了制备砾岩磨料颗粒的方法，该方法包括：

在第一玻璃质粘结剂材料中提供包括矿物颗粒的团聚物磨料颗粒；

将团聚物磨料颗粒与第二玻璃质粘结剂材料前体混合以形成前体砾岩磨料颗粒；以及

加热前体砾岩磨料颗粒以将第二玻璃质粘结剂材料前体转化成与第一玻璃质粘结剂材料不同的第二玻璃质粘结剂材料，从而形成砾岩磨料颗粒，其中第一玻璃质粘结剂材料与第二玻璃质粘结剂材料的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

在另一方面，本公开提供了根据制备砾岩磨料颗粒的前述方法制备的砾岩磨料颗粒。

在又一方面，本公开提供了包括团聚物磨料颗粒的砾岩磨料颗粒，该团聚物磨料颗粒包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂材料，其中该团聚物磨料颗粒通过第二玻璃质粘结剂材料粘结在一起，并且其中第一玻璃质粘结剂材料与第二玻璃质粘结剂材料的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

在又一方面，本公开提供了包括保留在粘结剂基质中的砾岩磨料颗粒的磨料制品，其中该砾岩磨料颗粒包括团聚物磨料颗粒，该团聚物磨料颗粒包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂材料，其中该团聚物磨料颗粒通过第二玻璃质粘结剂材料粘结在一起，并且其中第一玻璃质粘结剂材料与第二玻璃质粘结剂材料的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

在一些实施方案中，磨料制品包括结构化磨料制品，该结构化磨料制品包括固定到背衬主表面的磨料层，其中该磨料层包含成形磨料复合物，并且其中所述成形磨料复合物中的至少一些包括保留在粘结剂基质中的砾岩磨料颗粒。

有利地，当包括在根据本公开的结构化磨料制品中时，砾岩磨料颗粒与其包含的对应磨料团聚物和/或聚集体颗粒相比通常表现出改善的磨料性能(例如，切割速率)。

如本文所用，

术语“具有一毫米开孔的试验筛”是指这样的试验筛，其符合ASTME11-13“织造金属丝试验筛布及试验筛标准规范”(StandardSpecificationforWovenWireTestingsieveClothandTestingsieves)，在侧面上具有一毫米的基本上正方形筛孔；

术语“磨料颗粒”是指莫氏硬度为至少8、优选地为至少9的颗粒；

术语“支承面积比”是指研磨表面总接触面积(即，成形磨料复合物的远端)与结构化磨料制品的磨料层的总面积的比率；

术语“粘结剂材料”是指形成连续基质的材料，颗粒通过该连续基质保持在一起；

术语“砾岩磨料颗粒”是指这样的磨料颗粒，其包括通过粘结剂材料彼此粘结的团聚物磨料颗粒和/或聚集体磨料颗粒；

术语“球状体形”包括球体以及形状像球体但不完全是圆形的主体，例如，通过使椭圆形围绕其轴线中的一条旋转而生成的椭球体；

术语“超硬磨料”是共同或单独地指金刚石和/或立方氮化硼；并且

术语“玻璃质粘结剂材料”是指可包含额外组分诸如填料颗粒的玻璃态粘结剂材料(例如，玻璃或玻璃-陶瓷)。

在考虑具体实施方式以及所附权利要求书之后，将进一步理解本公开的特征和优点。

附图说明

图1为根据本公开的砾岩磨料颗粒的示意性透视图；

图2为根据本公开的结构化磨料制品200的示意性剖面侧视图；

图3为沿着图4中的平面2-2截取的结构化磨料制品300的示意性剖面侧视图；

图4为根据本公开的示例性结构化磨料制品300的俯视图；并且

图5为在实施例13中制备的砾岩磨料颗粒的扫描电子显微图。

在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开相同或类似的特征或元件。应当理解，本领域的技术人员可设计出落入本公开原理的范围和实质内的许多其他修改形式和实施方案。附图可能未按比例绘制。

具体实施方式

现在参见图1，砾岩磨料颗粒100包括团聚物颗粒110。团聚物颗粒110包括通过第一玻璃质粘结剂材料130粘结在一起的矿物颗粒120。团聚物颗粒110通过第二玻璃质粘结剂材料140粘结在一起。

现在将更详细地讨论团聚物磨料颗粒及其制造方法。在一种示例性方法中，将矿物颗粒、玻璃粉的第一浆料和液体载体中的第一临时有机粘结剂喷雾干燥以形成团聚物磨料前体颗粒。然后优选地在存在第二矿物颗粒的情况下加热磨料前体颗粒以防止磨料前体颗粒彼此熔融，以形成通常呈基本上球形形式的团聚物磨料颗粒。在加热期间，第一临时有机粘结剂被烧掉，并且玻璃粉形成保留矿物颗粒的玻璃质(即，玻璃态)粘结剂材料。这样的程序的细节可见于例如美国专利6,551,366(D'Souza等人)中。

合适的矿物颗粒的莫氏硬度优选地为至少约5。矿物颗粒包括第一矿物颗粒和任选的第二矿物颗粒。

在一些实施方案中，第一矿物颗粒的莫氏硬度可高达至少6、7、8、9、或甚至10。莫氏硬度为至少约5的示例性矿物颗粒包括金刚石颗粒、碳化硅颗粒、氧化铝颗粒、氧化锆颗粒、改性陶瓷氧化铝颗粒、立方氮化硼(CBN)颗粒、碳化钛颗粒、氮化钛颗粒、氧化铈颗粒、二氧化硅颗粒、以及它们的组合。优选地至少一部分、更优选地以重量计大部分、以及更优选地所有团聚物矿物颗粒选自金刚石颗粒、碳化硅颗粒、氧化铝颗粒、氧化锆颗粒、改性陶瓷氧化铝颗粒、立方氮化硼颗粒、碳化钛颗粒、氮化钛颗粒、氧化铈颗粒、二氧化硅颗粒、以及它们的组合。

第一矿物颗粒的颗粒尺寸可改变。第一矿物颗粒平均尺寸(即，最大尺寸)未被特别限制，并且基于最终用途应用中的所需切削速率和表面光洁度来选择。随后，矿物颗粒平均尺寸可从约0.01微米变为约0.1mm。通常，第一矿物颗粒平均尺寸(即，最大尺寸)在约0.01微米至约100微米、优选地约0.05微米至约50微米、更优选地约0.1微米至约25微米、以及甚至更优选地约0.1至15微米的范围内。第一矿物颗粒的平均颗粒尺寸可相对于其中包含第一矿物颗粒的多个团聚物矿物颗粒的平均颗粒尺寸改变。通常，第一矿物颗粒的平均颗粒尺寸为团聚物矿物颗粒的平均颗粒尺寸的约0.5％至约50％、优选地为约1％至约40％、并且更优选地为约2％至约20％。

玻璃粉在喷雾干燥之后的加热期间至少部分地熔融，并且主要用于将第一矿物颗粒粘结在一起。可使用不同类型的玻璃粉，包括例如选自二氧化硅玻璃粉、硅酸盐玻璃粉、硼硅酸盐玻璃粉、以及它们的组合的玻璃粉。二氧化硅玻璃粉通常由100重量％的二氧化硅构成。基于玻璃粉的总重量计，示例性硅酸盐玻璃粉组合物包括约70重量％至约80重量％的二氧化硅、约10重量％至约20重量％的氧化钠、约5重量％至约10重量％的氧化钙、约0.5重量％至约1重量％的氧化铝、约2重量％至约5重量％的氧化镁、以及约0.5重量％至约1重量％的氧化钾。基于玻璃粉的总重量计，另一种示例性硅酸盐玻璃粉组合物包括约73重量％的二氧化硅、约16重量％的氧化钠、约5重量％的氧化钙、约1重量％的氧化铝、约4重量％的氧化镁、以及约1重量％的氧化钾。基于玻璃粉的总重量计，示例性硼硅酸盐玻璃粉组合物包括约50重量％至约80重量％的二氧化硅、约10重量％至约30重量％的氧化硼、约1重量％至约2重量％的氧化铝、约0重量％至约10重量％的氧化镁、约0重量％至约3重量％的氧化锌、约0重量％至约2重量％的氧化钙、约1重量％至约5重量％的氧化钠、约0重量％至约2重量％的氧化钾、以及约0重量％至约2重量％的氧化锂。基于玻璃粉的总重量计，另一种示例性硼硅酸盐玻璃粉组合物包括约52重量％的二氧化硅、约27重量％的氧化硼、约9重量％的氧化铝、约8重量％的氧化镁、约2重量％的氧化锌、约1重量％的氧化钙、约1重量％的氧化钠、约1重量％的氧化钾、以及约1重量％的氧化锂。另一种示例性氧化铝-硼硅酸盐玻璃粉组合物包括玻璃粉，该玻璃粉具有约63.6重量％SiO₂、约18重量％B₂O₃、约8.5重量％Al₂O₃、约2.8重量％BaO、1.1重量％CaO、2.1重量％Na₂O、2.9重量％K₂O、1.0重量％Li₂O的组成，可以“SP1086”得自佛罗里达州奥德马尔的特种玻璃公司(SpecialtyGlass,Inc.,Oldsmar,Florida)。

用于制造玻璃-陶瓷的玻璃粉可选自铝硅酸镁、铝硅酸锂、铝硅酸锌、铝硅酸钙、以及它们的组合。可在上文列出的系统内形成玻璃的已知晶体陶瓷相包括：堇青石(2MgO.2Al₂O₃.5SiO₂)、钙铝黄长石(2CaO.Al₂O₃.SiO₂)、钙长石(2CaO.Al₂O₃.2SiO₂)、锌黄长石(2CaO.ZnO.2SiO₂)、镁黄长石(2CaO.MgO.2SiO₂)、锂辉石(2Li₂O.Al₂O₃.4SiO₂)、硅锌矿(2ZnO.SiO₂)、和锌尖晶石(ZnO.Al₂O₃)。用于制造玻璃-陶瓷的玻璃粉可包括成核剂。已知成核剂促进玻璃-陶瓷中晶体陶瓷相的形成。

用于形成玻璃-陶瓷的某些玻璃的热处理在本领域中是熟知的。对于多种玻璃而言，用于使玻璃-陶瓷成核并生长的加热条件是已知的。作为另外一种选择，本领域的技术人员可使用本领域已知的技术通过玻璃的时间温度转变(TTT)研究确定合适的条件。

通常，玻璃陶瓷强度高于用于形成它们的玻璃的强度。因此，可通过例如玻璃转变成晶体陶瓷相的程度来调整第一玻璃质粘结剂的强度。作为另外一种选择或除此之外，第一玻璃质粘结剂的强度还可以受到例如产生的成核位点数的影响，这继而可用于影响晶相的晶体数目并继而影响晶体尺寸。

用于第一浆料中的玻璃粉的尺寸可改变。玻璃粉的平均颗粒尺寸未被特别地限制，并且基于第一矿物颗粒的颗粒尺寸来选择。通常，玻璃粉的平均颗粒尺寸为第一矿物颗粒的平均颗粒尺寸的约1至约200％、优选地为约10至约100％、并且更优选地为约15至约50％。通常，玻璃粉的平均颗粒尺寸在约0.01微米至约100微米、优选地约0.05微米至约50微米、以及更优选地约0.1微米至约25微米的范围内。玻璃粉的平均颗粒尺寸相对于莫氏硬度为至少约5的第一矿物颗粒平均颗粒尺寸可改变。通常，第一浆料中的玻璃粉与第一矿物颗粒的重量比在约10:90至约90:10的范围内。玻璃粉颗粒的形状也可改变。通常，玻璃粉颗粒的形状不规则。

基于第一浆料的总重量计，第一浆料通常包含约5重量％至约75重量％、优选地为约10重量％至约50重量％、并且更优选地为约20重量％至约30重量％的玻璃粉。基于相应团聚物磨料颗粒的总重量计，根据本公开的方法制备的团聚物矿物颗粒通常包含约1重量％至约90重量％、优选地为约10重量％至约80重量％、并且更优选地为约40重量％至约60重量％的玻璃粘结材料。

合适的液体载体的示例包括水和非水性有机溶剂。可用的非水性溶剂的示例包括醇诸如乙醇和异丙醇、以及酮诸如甲基乙基酮。通常，所使用的液体载体为水。液体载体用于分散和/或溶解粘结剂材料，分散玻璃粉和第一矿物颗粒，以及影响第一浆料特性，诸如固体含量和粘度。通常，基于第一浆料的总重量计，第一浆料包含约20重量％至约80重量％的液体载体，优选地为约40重量％至约60重量％，并且更优选地为约30重量％至约50重量％。

优选地，存在于第一浆料中的溶剂可溶性粘结剂材料和/或溶剂可分散性粘结剂材料选自水溶性粘结剂材料、水可分散性粘结剂材料，以及它们的组合，因为水是优选的液体载体。粘结剂材料优选地在喷雾干燥过程期间将玻璃粉和第一矿物颗粒粘结在一起。可用的水溶性粘结剂材料的示例包括但不限于选自甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠和聚乙烯醇的那些。可用的水可分散性粘结剂材料的示例包括但不限于蜡。

包含在第一浆料中的溶剂可溶性和/或溶剂可分散性粘结剂材料的量可改变。通常，基于第一浆料的总重量计，第一浆料包含约0.5重量％至约40重量％的溶剂可溶性和/或溶剂可分散性粘结剂材料，优选地为约3重量％至约30重量％，并且更优选地为约5重量％至约15重量％。

在加热(其在喷雾干燥前体团聚物磨料前体颗粒的形成之后)期间，溶剂可溶性和/或溶剂可分散性粘结剂材料优选地至少部分地热解，更优选地基本上热解(即，大于约50重量％，优选地至少约75重量％，更优选地至少约90重量％的溶剂可溶性和/或溶剂可分散性粘结剂材料被热解)，并且更优选地完全热解。因此，基于团聚物磨料前体颗粒的总重量计，团聚物磨料前体颗粒通常包含约0重量％至约40重量％溶剂可溶性和/或溶剂可分散性粘结剂材料，优选地为约0重量％至约30重量％，更优选地为约0重量％至约5重量％，并且更优选地为约0重量％。

第一浆料可任选还包括一种或多种添加剂，包括但不限于选自填料、成孔剂、表面活性剂和硅烷偶联剂的那些。可包括足够量的添加剂以实现所需结果。

合适的填料的示例包括选自以下所述物质：金属碳酸盐(例如，碳酸钙、方解石、石灰石、碳酸钠和碳酸镁)、硅酸盐(例如，滑石、粘土、长石、云母、硅酸钙、硅酸钠和无水硅酸钾)、金属硫酸盐(例如，硫酸钙、硫酸钠、硫酸铝钠和硫酸铝)、盐(例如，氯化钠、钠冰晶石、钾冰晶石和氯化镁)、石膏、蛭石、木粉、炭黑、硫、石墨和金属硫化物，以及它们的组合。

合适的成孔剂的示例包括但不限于选自酚醛颗粒、聚氨酯泡沫颗粒、苯乙烯颗粒和氧化铝颗粒的那些。

合适的表面活性剂的示例包括但不限于选自以下所述物质：阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性表面活性剂，以及它们的组合。可用的具体表面活性剂的示例包括但不限于非离子表面活性剂乙氧基化壬基酚、阴离子表面活性剂硬脂酸钠和二异丙基萘磺酸钠，以及阳离子表面活性剂十二烷基三甲基氯化铵。通常，基于第一浆料的总重量计，第一浆料包含约0重量％至约5重量％表面活性剂(如果包括)，优选地为约0.1重量％至约2重量％，并且更优选地为约0.2重量％至约1重量％。

第一浆料的粘度可改变。然而，如果粘度过高，则可能发生喷雾干燥器头的污染。如果第一浆料的粘度过低，则可能产生多个中空前体团聚物磨料颗粒，这不是优选的。优选地至少一部分、更优选地大部分、以及更优选地全部的多个团聚物磨料前体颗粒以及多个最终团聚物磨料颗粒基本上为实心的，但它们可能在其中具有空隙，从而改变它们的密度。

第一浆料的固体含量可改变。然而，如果固体含量过高，则可能发生喷雾干燥器头的污染。如果第一浆料的固体含量过低，则可形成多个中空团聚物磨料前体颗粒，这不是优选的。通常，基于第一浆料的总重量计，第一浆料的固体负载在约1重量％至约50重量％、优选地约10重量％至约40重量％、以及更优选地约20重量％至约35重量％的范围内。

基于第一浆料的总重量计，用于制备团聚物磨料颗粒的第一浆料通常包含约5重量％至约75重量％的第一矿物颗粒、优选地为约10重量％至约50重量％、并且更优选地为约20重量％至约30重量％。

合适的喷雾干燥器可商购获得。可用的可商购获得的喷雾干燥器的示例为可以MOBILMINOR得自丹麦的GEA工程技术公司(GEAProcessEngineering,Denmark)的喷雾干燥器。

在喷雾干燥过程期间，第一浆料通常通过雾化头泵送，其中该第一浆料形成为团聚物磨料前体颗粒，该颗粒随后在干燥室中通过加热(任选地在减小的压力下)干燥。

喷雾干燥器可例如利用旋转轮雾化器、单流体雾化器头或双流体雾化器头。许多不同的头设计可得自多个供应商(例如，GEA工程技术公司)。喷雾干燥器可任选地采用超声波振动作为雾化过程的一部分。干燥的团聚物磨料前体颗粒尺寸可根据例如处理参数和第一浆料特性而改变。增加通过流体雾化器头的流体压力、超声波振动的频率、和/或旋转轮雾化器的旋转速率的步骤通常导致较小尺寸的团聚物磨料前体颗粒的形成。类似地，减小第一浆料的粘度和表面张力通常导致团聚物磨料前体颗粒尺寸的减小，因为这将减少第一浆料的固体含量。相反，例如减小通过流体雾化器头的流体压力、降低超声波振动的频率、减小旋转轮的旋转速率、增加第一浆料粘度、增加第一浆料表面张力、增加固体负载以及/或者增加进料速率的步骤通常导致较大的团聚物磨料前体颗粒的形成。

通常，一旦团聚物磨料前体颗粒形成并且夹带在空气中，该颗粒就通常在其被干燥的略微降低压力下经过加热/干燥室。喷雾干燥器的入口和出口温度优选地足够高以驱除通常存在于团聚物磨料前体颗粒中的液体载体(例如，水和/或有机溶剂)，从而使团聚物磨料前体颗粒最小化或防止团聚物磨料前体颗粒累积在喷雾干燥室中以及/或者从其管道导出。

喷雾干燥器入口温度影响例如干燥速率，并且最终影响团聚物磨料前体颗粒的形态。如果入口温度过低，则可能存在团聚物磨料前体颗粒的不完全干燥。如果入口温度过低，则可能存在例如多种畸形、非球形干燥的团聚物磨料前体颗粒、加热之前的溶剂可分散性和/或溶剂可溶性粘结剂材料的过早部分热解、以及/或者雾化头的污染。优选地，喷雾干燥器的入口温度在约90℃至约400℃、更优选地约90℃至约300℃、以及更优选地约90℃至约250℃的范围内。

如果出口温度过低，则团聚物磨料前体颗粒可能不会充分干燥。如果出口温度过高，则可能产生严重畸形的团聚物磨料前体颗粒。较低入口温度、较快进料速率和/或较低固体负载第一浆料可促成较低出口温度。优选地，出口温度在约40℃至约250℃、更优选地约40℃至150℃、以及更优选地约40℃至约120℃的范围内。

喷雾干燥团聚物磨料前体颗粒的形状通常主要取决于干燥速率。迅速干燥可能产生畸形、中空或环形形状的团聚物磨料前体颗粒。较慢干燥速率通常产生球形形状的团聚物磨料前体颗粒。如果需要球形团聚物磨料前体颗粒，则较低入口温度(约90℃至约250℃)和出口温度(约40℃至约120℃)通常为优选的，因为此类温度往往导致较慢的干燥，从而允许团聚物磨料前体颗粒在干燥之前以球形形状稳定。

在干燥之后，团聚物磨料前体颗粒通常以连续移动的空气流从干燥室移除，该空气流用袋滤室型过滤器和/或重力辅助的旋风装置收集，并且移除以用于后续处理。

任选地，多个团聚物磨料前体颗粒中的至少一部分可与第二矿物颗粒混合，然后通常加热至足以至少部分地熔融玻璃粉的温度。第二矿物颗粒优选地用于防止团聚物磨料颗粒在玻璃粉的玻璃化期间熔融在一起。如果使用，第二矿物颗粒优选地具有大于加热期间采用的最高温度的软化点或熔点或分解温度。可用的第二矿物颗粒优选且通常具有大于玻璃粉的软化点的软化点(对于玻璃材料等而言)或熔点(对于晶体材料等而言)或分解温度，其中应当理解，并非所有的材料均具有熔点、软化点或分解温度中的每一者。对于的确具有熔点、软化点或分解温度中的两者或更多者的材料而言，应当理解，熔点、软化点或分解温度中的较低者大于玻璃粉的软化点。可用的第二矿物颗粒的示例包括但不限于金属氧化物(例如，氧化铝和无定形熔融二氧化硅)、金属氮化物(例如，氮化硅)和石墨，以及上文对于第一矿物颗粒列出的材料。

如果存在，第二矿物颗粒的平均颗粒尺寸通常在团聚物磨料前体颗粒的平均颗粒尺寸的约1％至约50％、优选地为约2％至约20％、并且更优选地为约5％至约10％的范围内。通常，基于第二矿物颗粒和团聚物磨料前体颗粒的总重量计，将约1重量％至约75重量％、优选地为约5重量％至约50重量％、并且更优选地为约10重量％至约30重量％的第二矿物颗粒与团聚物磨料前体颗粒混合。

如果需要，第二矿物颗粒、或其至少显著部分可通常通过例如筛分、沉降或滗析在加热之后从多个团聚物矿物颗粒分离。

第二矿物颗粒的硬度可改变。通常，如果不打算在加热之后将第二矿物颗粒从团聚物矿物颗粒分离，则应当选择硬度小于第一矿物颗粒的第二矿物颗粒，使得磨料制品的磨料质量将主要归因于第一矿物颗粒。如果要将第二矿物颗粒从团聚物矿物颗粒移除，则第二矿物颗粒的硬度应当为不相关。但是对于任一种情况，都应当如此前所述来适当地选择熔点、分解温度和/或软化点。

将喷雾干燥团聚物磨料前体颗粒(以及如果存在，任选第二矿物颗粒)加热到至少一种温度，使得玻璃粉至少部分地熔融以提供各自由通过玻璃粘结剂材料粘结在一起的第一矿物颗粒构成的多个团聚物矿物颗粒。这样的加热通常在加热炉中完成。合适的加热炉可例如从宾夕法尼亚州匹兹堡飞世尔科技公司(FisherScientific,Pittsburgh,Pennsylvania)商购获得。喷雾干燥团聚物磨料前体颗粒通常被加热到至少部分地热解、优选地完全热解溶剂可分散性和/或溶剂可溶性粘结剂材料，以及至少部分地熔融(包括甚至完全熔融)玻璃粉以提供团聚物矿物颗粒。用于加热的温度优选地选择为足够高以允许溶剂可溶性和/或溶剂可分散性粘结剂的部分至完全热解以及玻璃粉的部分至完全熔融，但不会高到引起所有团聚物矿物颗粒完全熔融而使得固体物质形成，或引起第一矿物颗粒的显著破裂(例如，氧化)。

加热可在单个阶段中或在多个阶段中进行。加热最通常为两阶段过程。对于两阶段过程，团聚物磨料前体颗粒通常被加热至并且保持在一定温度下，该温度高到足以至少部分地热解溶剂可分散性和/或溶剂可溶性粘结剂，但是不高到足以至少部分地熔融玻璃粉。该第一阶段通常在约50℃至约600℃、更典型地约75℃至约500℃范围内的温度下进行。加热的后续第二阶段通常在适于至少部分地熔融玻璃粉的温度下进行。该第二阶段通常在约400℃至约1200℃、更典型地约500℃至约850℃范围内的温度下进行。对于单个阶段过程，团聚物磨料前体颗粒通常被加热至并且保持在一定温度下，该温度适于至少部分地热解溶剂可分散性和/或溶剂可溶性粘结剂以及至少部分地熔融玻璃粉。团聚物矿物颗粒被保持在其下持续单个阶段过程的温度通常在约400℃至约1200℃、更典型地约500℃至约850℃的范围内。对于单个阶段过程或多个阶段过程中的任一者，温度通常逐渐增加至所需温度。通常，加热持续约500至约1500分钟，更典型地约700至约1000分钟，不管采用一个阶段过程还是多个阶段过程。

加热温度的选择可取决于多个因素，包括例如玻璃粉的软化点、矿物颗粒在前体团聚物磨料颗粒中的温度稳定性、以及加热后所需的团聚物矿物颗粒的最终孔隙度和强度。加热长度的选择可取决于多个因素，包括但不限于存在于团聚物磨料前体颗粒中的溶剂可分散性和/或溶剂可溶性粘结剂的量、以及加热后所需的团聚物磨料颗粒的最终强度和孔隙度。

加热温度应大于玻璃粉的软化点以便使得玻璃粉至少部分地熔融。优选地，加热温度小于第一矿物颗粒的软化点、或熔点、或分解温度中的至少一者，以低者为准。如果包括第二矿物颗粒，则加热温度优选地小于第二矿物颗粒的软化点、或熔点、或分解温度中的至少一者，以低者为准。溶剂可分散性和/或溶剂可溶性粘结剂的量越大，加热时间通常越长。通常，团聚物磨料颗粒所需的强度越大，加热时间越长。通常，所得团聚物磨料颗粒所需的孔隙度越大，加热时间越短。

如果存在于团聚物磨料前体颗粒中的第一矿物颗粒易受氧化，则加热优选地在非氧化气氛(诸如真空、氮、或氩)中进行。

团聚物磨料颗粒可具有精细级(即，小颗粒尺寸)。通常，根据本公开的方法制备的团聚物磨料颗粒的平均颗粒尺寸在约1微米至约500微米、更典型地约1至约400微米、甚至更典型地约40至约400微米、以及最典型地约40微米至约200微米的范围内，但并非必须如此。

团聚物磨料颗粒可为多孔或无孔的。如通过扫描电子显微镜所观察，孔隙度通常为约0体积％至约60体积％、更典型地为约0体积％至约25体积％。

在一个实施方案中，本公开的方法还包括：在加热之后，对多个团聚物磨料颗粒进行分级以提供具有磨料行业认可的规定标称等级的团聚物磨料颗粒，该规定标称等级具有从细到粗范围内的颗粒尺寸分布。

优选地至少一部分、更优选地以重量计大部分、以及更优选地全部的根据本公开的方法制备的团聚物磨料颗粒基本上为球形的(即，球状体)。球形团聚物磨料颗粒更易于处理并且通常提供更均匀的磨料特性。然而，其他形状(诸如椭球体和不规则形状的圆形)团聚物磨料颗粒对于其预期目的也可为令人满意的。优选地至少一部分、更优选地以重量计大部分、以及更优选地全部的根据本公开的方法制备的多个团聚物磨料颗粒基本上为实心的，但它们可包含空隙。通常，根据本公开的方法制备的团聚物磨料颗粒是自由流动的。

通常，基于相应团聚物磨料颗粒的总重量计，团聚物磨料颗粒各自包含约1重量％至约90重量％、优选地为约10重量％至约80重量％，并且更优选地为约40重量％至约60重量％的莫氏硬度为至少约5的第一矿物颗粒。

为了形成砾岩磨料颗粒，将团聚物磨料颗粒通过第二玻璃质粘结剂粘结在一起。这通过其中第二浆料包含团聚物磨料颗粒、玻璃粉、第二粘结剂材料、以及分散于液体载体中的任选填料的过程来实现。将第二浆料涂覆到生产工具上，该生产工具具有成形的(优选地“精确成形的”)腔，从而填充所述腔。涂覆的第二浆料至少部分地干燥，从而产生砾岩磨料前体颗粒，该砾岩磨料前体颗粒从生产工具分离并且在足以使玻璃粉至少部分地熔融/玻璃化以及形成砾岩磨料前体颗粒的温度下加热足够的时间。在该过程期间，模具腔的形状中的一些通常保留，但是一些丢失。在优选的实施方案中，模具腔是立方体。现在将更详细地讨论该过程。

砾岩磨料颗粒可为例如成形的(包括精确成形的)或不规则成形的。“精确成形的砾岩磨料颗粒”是指具有与模具腔相反的模制形状的砾岩磨料颗粒，砾岩磨料颗粒成形到所述模具腔中。砾岩磨料颗粒已从模具移除之后，形状由砾岩磨料颗粒保留。在另一个实施方案中，精确或不规则成形的砾岩磨料颗粒为球形的，诸如固化的液滴。在使用磨料制品之前，砾岩磨料颗粒优选地基本上不含突出远远超过砾岩磨料颗粒的暴露表面的团聚物磨料颗粒，但并非必须如此。通过使用模制技术制备精确成形的砾岩磨料颗粒的示例性方法在美国专利5,152,917(Pieper等人)和5,975,988(Christianson)中有所描述，这两个专利均以引用方式并入本文。“不规则成形的磨料复合物”是指具有不精确的或不规则形状的磨料复合物。例如通过粉碎较大颗粒以形成不规则成形的磨料复合物而形成形状。

砾岩磨料颗粒通常包含约10重量％至90重量％的团聚物磨料颗粒以及90重量％至10重量％的第二玻璃质粘结剂，但并非必须如此。通常，砾岩磨料颗粒包含约15重量％至85重量％的团聚物磨料颗粒以及85重量％至15重量％的第二玻璃质粘结剂。

第二粘结剂将团聚物磨料颗粒保持在一起。团聚物磨料颗粒和第二玻璃质粘结剂形成砾岩磨料颗粒。

用作第二玻璃质粘结剂的合适的玻璃质粘结剂包括提出用作第一粘结剂的那些。在一些实施方案中，第一玻璃质粘结剂和第二玻璃质粘结剂是相同的，而在其他实施方案中，它们相对于元素组成和/或元素组成、或固有物理特性(例如，密度、结晶度、断裂力学、易碎性和/或硬度)是不同的。例如，第二玻璃质粘结剂比第一玻璃质粘结剂不易碎。

砾岩磨料颗粒可通常通过以下方式制备：将第二临时有机粘结剂、第二粘结剂材料前体、团聚物磨料颗粒、任选填料颗粒、和足够量的液体载体(例如，水和/或有机溶剂，通常为水)混合在一起，以促进模制成分。所得混合物为可模制的第二浆料。将该第二浆料放置到合适的模具中进行干燥，并且将其至少部分地硬化。此后，将砾岩磨料前体颗粒从模具移除。砾岩磨料前体颗粒然后通过例如烧制或烧结砾岩磨料前体颗粒而转化成砾岩磨料颗粒，例如如制备上述团聚物磨料颗粒中所述。烧制或烧结可在存在第二矿物颗粒的情况下进行，以防止磨料前体颗粒彼此熔融，例如如制备上述团聚物磨料颗粒中所述。本公开的磨料制品的砾岩磨料颗粒可以并且通常为多孔的(例如，作为第二临时有机粘结剂烧尽的结果)，并且优选地具有可测量的孔隙度。如本文所用，术语“多孔的”可用于描述砾岩磨料颗粒的结构中的任一者或两者，其特征在于具有在团聚物磨料颗粒中分布在整个砾岩磨料颗粒上的孔或空隙。

通常，砾岩磨料颗粒的孔隙度占据砾岩磨料颗粒体积的至少约4％，但在一些实施方案中，可能期望具有接近0％的孔隙度。作为另外一种选择或除此之外，孔占据不超过砾岩磨料颗粒体积的约70％。通常，孔占据体积的约5％至60％，优选地为约6％至50％。多孔第二粘结剂可通过已知技术形成，例如通过受控烧制基质前体或通过在基质前体中包括成孔剂，诸如玻璃泡。具有高水平的复合物内孔隙度的砾岩磨料颗粒通常需要具有高机械强度的第二粘结剂。

砾岩磨料颗粒还可包含其他添加剂，诸如填料、助磨剂、颜料、增粘剂、切割助剂，以及其他加工材料。这些添加剂可定位在复合物的孔内，提供为团聚物磨料颗粒上的涂层，或分散在整个第二粘结剂上。

用于制备可在本公开的磨料制品中使用的砾岩磨料颗粒的方法包括例如混合包含第二粘结剂材料前体、团聚物磨料颗粒和第二临时有机粘结剂的原料。第二粘结剂材料前体将转化成第二粘结剂。第二临时有机粘结剂允许混合物更易于成形并且在进一步加工期间保留该形状；通常，第二临时有机粘结剂在制备砾岩磨料颗粒的最终步骤期间牺牲(例如，烧掉)。任选地，可使用其他添加剂和加工助剂，例如无机填料、助磨剂和/或液体介质。

这些原料可通过产生均匀混合物的任何常规技术混合在一起。优选地，团聚物磨料颗粒用第二临时有机粘结剂在机械混合装置(诸如行星式搅拌机)中彻底混合。然后将粘结剂材料前体加入到所得混合物并且共混直到得到均匀混合物，该共混通常持续10至30分钟。对于较细团聚物磨料颗粒，用于混合磨料颗粒和粘结剂材料前体的优选方法可为在以每秒大约47,000至50,000次循环振动的超声波清洁器的帮助下使用超声波浴约20至30分钟的典型周期。

然后将所得第二浆料成形并且加工以形成砾岩磨料前体颗粒。混合物可通过例如模制、挤出和冲切成形。混合物可另选地通过例如以下方式成形：使其穿过滤网，或使用轮转凹版辊将其涂覆到具有成形腔的生产工具上。通常将存在一些与第二临时有机粘结剂的损失相关联的收缩，当确定砾岩磨料颗粒的所需形状和尺寸时应考虑到该收缩。成形过程可以间歇工艺或以连续方式完成。用于使砾岩磨料颗粒成形的一种优选的技术为将已混合并且形成为均匀混合物的原料放置到柔性模具中。例如，如果要形成呈截棱锥形状的砾岩磨料颗粒，则模具将印有该形状。柔性模具可为允许砾岩磨料前体颗粒容易释放的任何模具，例如有机硅或聚丙烯模具。另外，模具可包含脱模剂以有助于干燥复合物的移除。然后将包含混合物的模具放置于烘箱中并且加热到至少部分地移除任何液体。温度取决于可使用的第二临时有机粘结剂，并且通常介于35℃至200℃、优选地70℃至150℃之间。然后将至少部分地干燥或硬化的混合物从模具移除。还可以完全破坏、即完全烧掉模具以释放复合物。

砾岩磨料颗粒可包括无机颗粒的涂层以增加表面积并且还使砾岩磨料颗粒在其制造期间的彼此聚集程度最小化。实现该涂层的一种方法是在砾岩磨料前体颗粒成形(例如，从模具移除)之后将其与无机颗粒混合以便将无机颗粒施加到砾岩磨料前体颗粒。也可加入少量的载液或第二临时有机粘结剂(例如，基于砾岩磨料前体颗粒的重量计，以在5重量％至15重量％、优选地6重量％至12重量％范围内的量)，以有助于将无机颗粒固定到砾岩磨料前体颗粒的表面。

然后加热砾岩磨料前体颗粒以烧掉用于制备砾岩磨料前体的任何有机材料(例如，第二临时有机粘结剂)，并且使第二玻璃质粘结剂熔化或玻璃化；这可单独进行或作为一个连续的步骤进行。选择用于烧掉有机材料的加热温度和速率，以避免过量气泡，过量气泡在砾岩磨料颗粒中可导致不理想大小的孔，并且通常取决于包括第二临时有机粘结剂的任选成分的化学性质。通常，用于烧掉有机材料的温度在约100℃至600℃、优选地200℃至500℃的范围内，但更高的温度也是可用的。用于使无机粘结剂熔化或玻璃化的温度通常在600℃至1150℃之间、优选地在600℃至950℃之间的范围内。在一些方法中，粘结剂可能无法完全玻璃化或硬化；相反，仅有部分的玻璃化或硬化可以完成。在一些实施方案中，砾岩磨料前体颗粒在第二温度下加热，该第二温度比用于形成团聚物磨料颗粒温度的最高加热温度低至少15℃。

然后可对所得砾岩磨料颗粒进行热加工以优化粘结特性。热加工包括在300℃至1,000℃、优选地350℃至900℃、以及更优选地400℃至800℃范围内的温度下加热。

砾岩磨料颗粒可穿过具有一毫米开孔的试验筛。通常，砾岩磨料颗粒具有相对较小的最大颗粒尺寸；例如，小于约10mm、5mm、2mm、1mm、200微米、100微米、50微米、20微米，或甚至小于10微米，但是也可使用其他尺寸。

在一些实施例中，砾岩磨料颗粒(以及可选地，任何额外的常规粉碎的磨料颗粒)根据磨料行业认可的规定标称等级来调整大小。示例性磨料行业认可的分级标准包括由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。这种行业公认的分级标准包括例如：ANSI120、ANSI150、ANSI180、ANSI220、ANSI240、ANSI280、ANSI320、ANSI360、ANSI400、和ANSI600；FEPAP40、FEPAP50、FEPAP60、FEPAP80、FEPAP100、FEPAP120、FEPAP150、FEPAP180、FEPAP220、FEPAP320、FEPAP400、FEPAP500、FEPAP600、FEPAP800、FEPAP1000、和FEPAP1200；以及JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000、和JIS10000。

术语“磨料行业认可的规定标称等级”还包括磨料行业认可的规定标称筛选等级。例如，规定的标称筛选等级可使用符合ASTME11-13“用于测试目的的筛布和筛网的标准规范(StandardSpecificationforWireClothandSievesforTestingPurposes)”的美国标准测试筛。典型标号可以表示为-18+20，意指颗粒通过符合ASTME11-13规范的18号筛的试验筛，并且保留在符合ASTME11-13规范的20号筛的试验筛上。

在一个实施例中，砾岩磨料颗粒具有的颗粒尺寸使得：至少90％的颗粒通过18目试验筛，并且可以保留在20目、25目、30目、35目、40目、45目或50目试验筛上。在各种实施例中，砾岩磨料颗粒可具有的标称筛选等级包括：-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。

根据本公开制备的砾岩磨料颗粒可掺入到各种磨料制品中，诸如涂覆磨料、粘结磨料(包括玻璃化和树脂状磨轮)、非织造磨料、和磨料刷。磨料制品通常包括根据本公开制备的砾岩磨料颗粒和粘结剂材料。

通常，磨料制品包括根据本公开的砾岩磨料颗粒，其通过粘结剂基质固定在磨料制品内。制造磨料制品的方法是本领域技术人员熟知的。此外，根据本公开的方法制备的砾岩磨料颗粒可用于磨料应用中，该磨料应用使用研磨化合物(例如，抛光化合物)的浆料、研磨介质、喷丸介质、振动研磨介质等。

示例性涂覆磨料制品包括设置在背衬主表面上并且固定至其的磨料层。磨料层可包括底胶层(也称为“底胶”)、部分嵌入在底胶层内的砾岩磨料颗粒、以及设置在底胶层和砾岩磨料颗粒的至少一部分(优选地为全部)上的复胶层(也称为“复胶”)。

作为另外一种选择，磨料层可包括在其中分散有砾岩磨料颗粒的粘结剂基质前体的浆料层(也称为“浆料涂层”)。所谓的浆料层是对制备此类涂覆磨料的一种常用方法的参考，其中可固化粘结剂基质前体和砾岩磨料颗粒的浆料设置在背衬上并且至少部分地固化。在一些实施方案中，浆料沉积到形成于生产工具表面中的腔中，使得在与背衬接触、可固化粘结剂基质前体的至少部分固化、以及从工具分离时，所得磨料层根据腔的图案结构化。此类涂覆磨料通常被称为“结构化磨料制品”。

现在参见图2，示例性结构化磨料制品200具有粘结到背衬212的多个磨料颗粒，该背衬具有第一侧212a和相对第二侧212b。磨料层214存在于背衬212的第一侧212a上。磨料层214包括多个成形磨料复合物218，其包括分布(例如，分散)在粘结剂基质216中的砾岩磨料颗粒215。成形磨料复合物218通过与其形状相关联的一个或多个边界分离，从而产生一定程度上与另一个相邻的磨料复合物218分离的一个磨料复合物218，其中背衬212的截面在成形磨料复合物之间可见。对具有精确成形的磨料复合物的结构化磨料制品的最早参考之一为美国专利5,152,917(Pieper等人)。随后有许多其他参考文献。

现在参见图3，示出示例性结构化磨料制品300。结构化磨料制品300包括具有多个成形磨料复合物318的磨料层314，该成形磨料复合物附接到背衬312，从而形成结构化磨料制品。背衬312具有根据本公开的砾岩磨料颗粒315的基本上连续层，该砾岩磨料颗粒分布(例如，分散)在粘结剂基质316中，从而形成多个成形磨料复合物318，使得背衬312在相邻成形磨料复合物318之间的谷中不再可见。结构化磨料制品300通过粘合剂层322在增强层320的第一侧320a上附接到任选增强层320、或背衬312。在一些实施方案中，任选的附接粘合剂层324存在于增强层320的第二侧320b上以将结构化磨料制品300附接到磨削或抛光机的压板。任选可移除剥离衬件326可设置在任选粘合剂层324上。代替用于将结构化磨料制品300附接到磨削工具的粘合剂界面层324，可使用例如其他附接系统，诸如钩环紧固件或机械紧固件。

现在参见图4，示出结构化磨料制品300的俯视图。结构化磨料制品300可呈如图所示的研磨盘形式，或其他常见转化形式，诸如环形带。各自包括六边形柱的多个成形磨料复合物318通过网络谷区328从相邻成形磨料复合物分离。网络谷区328允许磨削润滑剂易于输送到成形磨料复合物中的每者，并且允许磨削残余物(切屑)输送离开成形磨料复合物的工作表面。另选的成形磨料复合物形状包括例如具有平坦顶部的柱(例如，圆柱形柱、金刚石柱、三角形柱、矩形柱、正方形柱)、锥形结构(例如，锥、圆顶帐篷形状的结构、具有3至6个侧面的棱锥和截棱锥，以及它们的组合)。

成形磨料复合物的间距可从约0.3个成形磨料复合物/线性厘米变为约100个成形磨料复合物/线性厘米，或从约0.4变为约20个成形磨料复合物/线性厘米，或从约0.5变为10个成形磨料复合物/线性厘米，或从约0.6变为3.0个成形磨料复合物/线性厘米。在磨料制品的一个方面，存在至少约2个成形磨料复合物/cm²或至少约5个成形磨料复合物/cm²。在本发明的另外的实施方案中，成形磨料复合物的面积间距在约1至约200个成形磨料复合物/cm²、或约2至约10个成形磨料复合物/cm²的范围内。

如从相邻成形磨料复合物之间的谷的顶部到成形磨料复合物的顶部测量的磨料复合物的高度在整个磨料制品300上是恒定的，但是可能具有不同高度的成形磨料复合物。成形磨料复合物的高度值可为约10微米至约25,000微米(2.5cm)、或约25微米至约15,000微米、或约100微米至约10,000微米、或约500微米至约4,000微米。

在各种实施方案中，支承面积比可介于约20％至约80％之间、或介于约20％至约70％之间、或介于约50％至约70％之间。表示为百分比的支承面积比是成形磨料复合物318的远端319的总面积与包括网络谷区328的面积的磨料制品的总面积的比率。如图3所示，在一些实施方案中，具有锥形边缘(例如，截棱锥结构)的成形磨料复合物将具有改变的支承面积比，因为使用了磨料制品并且成形磨料复合物的与工件接触的远端被磨掉。根据应用或工件，较大或较小的支承面积比可能是所需的，这取决于磨料等级、工件材料、单元负载压力、以及所需切割速率和光洁度。

可用的背衬包括已知可用于磨料制品中的那些，诸如聚合物膜、包括处理过的布的布、纸、泡沫、非织造物、它们的处理过或涂底漆的型式，以及它们的组合。示例包括聚酯膜、聚烯烃膜(例如，聚乙烯和聚丙烯膜)、聚酰胺膜、聚酰亚胺膜等。薄背衬可使用例如用于支撑的另一个层(诸如较厚膜或聚碳酸酯片)增强。另外，磨料制品可附接到基部或片材或直接附接到抛光装置或通过任何已知途径来加工，例如包括压敏粘合剂的粘合剂是可用的。

背衬的功能是用于提供对成形磨料复合物的支撑。背衬应能够在粘结剂基质前体暴露于固化条件之后粘附到粘结剂基质，并且为坚固且耐久的，使得所得磨料制品是耐用的。另外，背衬应具有足够的柔性以使得在本发明方法中使用的制品可适形于工件中的表面轮廓、半径以及不规则性。

如上所述，背衬可为聚合物膜、纸、硫化纤维、模制或浇铸弹性体、处理过的非织造背衬、或处理过的布。聚合物膜的示例包括聚酯膜、共聚酯膜、聚酰亚胺膜、聚酰胺膜等。包括纸的非织造物可用热固性或热塑性材料饱和以提供必要的特性。上述背衬材料中的任一种还可包括添加剂，诸如填料、纤维、染料、颜料、润湿剂、偶联剂、增塑剂等。在一个实施方案中，背衬为约0.05mm至约5mm厚。

任选的增强层可用于向结构化磨料制品赋予附加刚度、回弹力、形状稳定性和/或平坦度。增强层可用于在形状转化过程(诸如激光切割或水射流切割)期间使磨料制品稳定。期望的是，增强层包括塑料，诸如聚碳酸酯或丙烯酸树脂、金属、玻璃、复合膜、或陶瓷。在一个实施方案中，任选的增强层在厚度上基本上为均匀的。通常，由于磨削压板具有可使仅具有背衬层的磨料制品变形的划痕或凿痕，所以需要增强层来减小或消除变形。

为了在结构化磨料制品中使用，包括单独矿物颗粒(诸如金刚石颗粒)的砾岩磨料颗粒的平均尺寸优选地在约1微米至约1000微米的范围内。通常，如果砾岩磨料颗粒内的单独矿物颗粒为约15微米或更大，则整体团聚物通常为约100至约1000微米、或约100至约400微米、或约210至约360微米。然而，当单独矿物颗粒的平均尺寸为约15微米或更小时，整体团聚物通常为约20微米至约450微米、或约40微米至约400微米、或约70微米至约300微米。

砾岩磨料颗粒在磨料层中的优选量取决于整体结构化磨料制品构造和其中其使用的过程。砾岩磨料颗粒可包含约1重量％至30重量％、优选地2重量％至20重量％、更优选地3重量％至15重量％的磨料层。

磨料制品可任选地包括稀释的颗粒。这些稀释颗粒的颗粒尺寸可与磨料颗粒具有相同的数量级。此类稀释剂颗粒的示例包括石膏、大理石、石灰石、燧石、二氧化硅、玻璃泡、玻璃珠、硅酸铝，以及它们的组合。

砾岩磨料颗粒用粘结剂基质粘附以形成成形磨料复合物。粘结剂基质可为无机的，或更优选地为有机的，优选地包括交联的有机聚合物，并且衍生自粘结剂基质前体。在制造涂覆的/结构化磨料制品期间，粘结剂基质前体暴露于能量源，该能量源有助于引发粘结剂基质前体的聚合或固化。能量源的示例包括热能和辐射能，辐射能包括电子束、紫外光和可见光。在该聚合过程期间，粘结剂基质前体聚合或固化，并转化为凝固粘结剂。在粘结剂基质前体凝固之后，形成粘结剂材料的基质。

粘结剂基质可由可固化(经由诸如紫外光或热量的能量)有机材料形成。示例包括氨基树脂、烷基化脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂和烷基化苯并胍胺-甲醛树脂；丙烯酸酯树脂(包括丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯)，诸如丙烯酸乙烯基酯、丙烯酸酯化环氧树脂、丙烯酸酯化聚氨酯、丙烯酸酯化聚酯、丙烯酸酯化丙烯酸树脂、丙烯酸酯化聚醚、乙烯基醚、丙烯酸酯化油和丙烯酸酯化有机硅；醇酸树脂，诸如氨基甲酸酯醇酸树脂、聚酯树脂、反应性氨基甲酸乙酯树脂；酚醛树脂，诸如甲阶酚醛树脂和线型酚醛树脂、酚醛/胶乳树脂；环氧树脂，诸如双酚环氧树脂、异氰酸酯、异氰脲酸酯；聚硅氧烷树脂(包括烷基烷氧基硅烷树脂)、反应性乙烯基树脂、和酚醛树脂(甲阶酚醛树脂和线型酚醛树脂)。所述树脂可作为单体、低聚物、聚合物或它们的组合而提供。

粘结剂基质前体可为缩合可固化树脂、加成可聚合树脂、自由基可固化树脂、和/或此类树脂的组合和共混物。一种粘结剂基质前体为通过自由基机制聚合的树脂或树脂混合物。通过将粘结剂基质前体连同合适的催化剂暴露于能量源(诸如热能或辐射能)来引发聚合过程。辐射能的示例包括电子束、紫外光或可见光。

合适的粘结剂基质前体的示例包括酚醛树脂、脲醛树脂、氨基塑料树脂、氨基甲酸乙酯树脂、三聚氰胺甲醛树脂、氰酸酯树脂、异氰脲酸酯树脂、(甲基)丙烯酸酯树脂(例如，(甲基)丙烯酸酯化聚氨酯、(甲基)丙烯酸酯化环氧树脂、烯键式不饱和自由基可聚合化合物、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酯侧基的异氰脲酸酯衍生物、以及具有至少一个丙烯酸酯侧基的异氰酸酯衍生物)、乙烯基醚、环氧树脂，以及它们的混合物和组合。如本文所用，术语“(甲基)丙烯酰基”涵盖丙烯酰基或甲基丙烯酰基。烯键式不饱和单体或低聚物、或者(甲基)丙烯酸酯单体或低聚物可为单官能、双官能、三官能或四官能、或甚至更高官能。

酚醛树脂具有良好的热特性、可得性和相对较低的成本，而且易于处理。酚醛树脂有两种类型：可溶酚醛树脂和线型酚醛树脂。可溶酚醛树脂中甲醛与酚的摩尔比大于或等于1:1，通常在1.5:1.0至3.0:1.0的范围内。线型酚醛树脂中甲醛与酚的摩尔比小于1:1。可商购获得的酚醛树脂的示例包括：以商品名DUREZ和VARCUM得自德克萨斯州达拉斯的西方化学公司(OccidentalChemicalsCorp.,Dallas,Texas)的酚醛树脂；以商品名RESINOX得自密苏里州圣路易斯的孟山都公司(MonsantoCo.,SaintLouis,Missouri)的酚醛树脂；以及以商品名AEROFENE和AROTAP得自俄亥俄州都柏林的亚仕兰特种化学品公司(AshlandSpecialtyChemicalCo.,Dublin,Ohio)的酚醛树脂。

(甲基)丙烯酸酯化聚氨酯包括羟基封端的NCO扩链的聚酯或聚醚的二(甲基)丙烯酸酯。可商购获得的丙烯酸酯化聚氨酯的示例包括可以CMD6600、CMD8400和CMD8805得自新泽西州西帕特森的氰特工业公司(CytecIndustries,WestPaterson,NewJersey)的那些。

(甲基)丙烯酸酯化环氧树脂包括环氧树脂的二(甲基)丙烯酸酯，诸如双酚A环氧树脂的二丙烯酸酯。可商购获得的丙烯酸酯化环氧树脂的示例包括可以CMD3500、CMD3600和CMD3700得自氰特工业公司(CytecIndustries)的那些。

烯键式不饱和自由基可聚合化合物包括含有碳原子、氢原子和氧原子以及任选氮和卤素的单体和聚合物化合物。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。烯键式不饱和自由基可聚合化合物通常具有低于约4,000克/摩尔的分子量，并且通常为由含有单个脂族羟基基团或多个脂族羟基基团的化合物与不饱和羧酸(诸如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、异巴豆酸和马来酸等)反应制成的酯。(甲基)丙烯酸酯树脂的代表性示例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、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇甲基丙烯酸酯、己二醇二丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、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、四丙烯酸季戊四醇酯和季戊四醇四硬脂酸酯。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。而其他含氮化合物包括三(2-丙烯酰-氧乙基)异氰脲酸酯、1,3,5-三(2-甲基丙烯酰氧乙基)均三嗪、丙烯酰胺、正-甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、正-乙烯基吡咯烷酮和正-乙烯基哌啶酮。

可用的氨基塑料树脂的每个分子或每个低聚物具有至少一个α,β-不饱和羰基侧基基团。这些不饱和的羰基基团可以是丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或丙烯酰胺型基团。此类材料的示例包括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及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4,903,440和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4,652,274(Boettcher等人)中。一种异氰脲酸酯材料的示例为三(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基基团，并且可以通过环氧基基团的开环反应聚合。此类环氧树脂包括单体环氧树脂和低聚环氧树脂。可用环氧树脂的示例包括：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EPON828、EPON1004和EPON1001F得自俄亥俄州哥伦布的迈图特殊化学品公司(MomentiveSpecialtyChemicals,Columbus,Ohio)的材料；以及可以DER-331、DER-332和DER-334得自密歇根州米德兰市陶氏化学公司(DowChemicalCo.,Midland,Michigan)的材料。其他合适的环氧树脂包括可以DEN-431和DEN-428从陶氏化学公司(DowChemicalCo.)商购获得的线型酚醛树脂的缩水甘油醚。

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。这些阳离子固化剂可包括具有鎓阳离子的盐和包含金属或准金属的络合物阴离子的卤素。还可使用用于环氧树脂和酚醛树脂的其他固化剂(例如，胺硬化剂和胍)。

其他阳离子固化剂包括进一步描述于美国专利4,751,138(Tumey等人)中的具有有机金属络合物阳离子的盐和包含金属或准金属的络合物阴离子的卤素。其他示例包括有机金属盐和鎓盐，如在美国专利4,985,340(Palazzotto等人)、5,086,086(Brown-Wensley等人)和5,376,428(Palazzotto等人)中所述。另外的阳离子固化剂包括有机金属络合物的离子型盐，其中金属选自在美国专利5,385,954(Palazzotto等人)中描述的元素周期表中IVB、VB、VIB、VIIB和VIIIB族的元素。

自由基可聚合烯键式不饱和化合物在暴露于通过自由基热引发剂和/或光引发剂的分解而形成的自由基时、或通过暴露于微粒(电子束)或高能辐射(γ射线)而聚合。在暴露于光化电磁辐射(例如，紫外线或可见光电磁辐射)的情况下，产生自由基源的化合物通常称为光引发剂。

自由基热引发剂的示例包括过氧化物，例如，过氧化苯甲酰和偶氮化合物。

光引发剂的示例包括：安息香及其衍生物，例如α-甲基安息香；α-苯基安息香；α-烷基安息香；α-苄基安息香；安息香醚例如安息香双甲醚(例如，可以IRGACURE651从纽约州达里镇汽巴精化公司(CibaSpecialtyChemicals，Tarrytown，N.Y.)商购获得)、安息香甲醚、安息香乙醚、安息香正丁基醚；苯乙酮及其衍生物，例如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(例如，以DAROCUR1173得自汽巴精化公司)和1-羟基环己基苯基甲酮(例如，以IRGACURE184得自汽巴精化公司)；2-甲基-1-[4-(甲基硫代)苯基]-2-(4-吗啉基)-1-丙酮(例如，以IRGACURE907得自汽巴精化公司)；2-苯基-2-(二甲氨基)-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮(例如，以IRGACURE369得自汽巴精化公司)。其他可用的光引发剂包括：例如新戊偶姻(pivaloin)乙醚、茴香偶姻(anisoin)乙醚、蒽醌(例如，蒽醌、2-乙基蒽醌、1-氯蒽醌、1,4-二甲基蒽醌、1-甲氧基蒽醌或苯并蒽醌)、卤代甲基三嗪、二苯甲酮及其衍生物，碘鎓盐和锍盐、钛络合物，诸如双(亚η5-2,4-环戊二烯-1-基)-双[2,6-二氟-3-(1H-吡咯-1-基)苯基]钛(例如，以CGI784DC得自汽巴精化公司)；卤代硝基苯(例如，4-溴甲基硝基苯)、一酰基膦和二酰基膦(例如，以IRGACURE1700、IRGACURE1800、IRGACURE1850、DAROCUR4263和DAROCUR4265全部得自汽巴精化公司)，以及2,4,6-三甲基苯甲酰基氧化二苯基膦(可以LUCIRINTPO得自北卡罗来纳州夏洛特的巴斯夫公司(BASFCorporation,Charlotte,NorthCarolina))。可使用光引发剂的组合。

通常，基于粘结剂材料前体的重量计，固化剂(例如，自由基引发剂(光或热)或阳离子固化催化剂)以0.1重量％至10重量％、优选地2重量％至4重量％的量使用，但也可使用其他量。另外，优选的是在加入任何微粒材料(例如磨料颗粒和/或填料颗粒)之前将引发剂均匀地分散或溶解在粘结剂基质前体中。可与光引发剂一起使用一种或多种光谱敏化剂(例如，染料)，例如，以便提高光引发剂对具体光化辐射源的灵敏度。合适的敏化剂的示例包括噻吨酮和9,10-蒽醌。通常，基于粘结剂材料前体的重量计，光敏剂的量可从约0.01重量％变为10重量％、更优选地从0.25重量％变为4.0重量％。光敏剂的示例包括可以QUANTICUREITX、QUANTICUREQTX、QUANTICUREPTX、QUANTICUREEPD得自纽约州纽约市的比德索耶公司(BiddleSawyerCorp.,NewYork,NewYork)的那些。

为了促成上述粘合剂和磨料颗粒之间的缔合桥，可以在磨料颗粒和粘合剂前体的浆料中加入硅烷偶联剂，添加数量通常在约0.01重量％至5重量％之间、更典型地在约0.01重量％至3重量％之间、更典型地在约0.01重量％至1重量％之间，但也可以采用例如根据磨料颗粒粒度确定的其他数量。合适的硅烷偶联剂的示例包括例如甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、3,4-环氧环己基甲基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷(例如，分别以商品名A-174、A-151、A-172、A-186、A-187和A-189得自康涅狄格州格林威治的维特克公司(WitcoCorp.ofGreenwich,Connecticut))、烯丙基三乙氧基硅烷、二烯丙基二氯硅烷、二乙烯基二乙氧基硅烷和间、对-苯乙烯基乙基三甲氧基硅烷(例如，分别以商品名A0564、D4050、D6205和S1588从宾夕法尼亚州布里斯托尔的联合化学工业公司(UnitedChemicalIndustries,Bristol,Pennsylvania)商购获得)、二甲基二乙氧基硅烷、二羟基二苯基硅烷、三乙氧基硅烷、三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷醇、3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、甲基三乙氧硅烷、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、乙基三乙氧基硅烷、戊基三乙氧基硅烷、乙基三氯硅烷、戊基三氯硅烷、苯基三氯硅烷、苯基三乙氧基硅烷、甲基三氯硅烷、甲基二氯硅烷、二甲基二氯硅烷、二甲基二乙氧基硅烷，以及它们的组合。

粘结剂基质前体可任选地包含添加剂，诸如着色剂、助磨剂、填料、粘度改性剂、润湿剂、分散剂、光稳定剂，以及抗氧化剂。

磨料层还可任选地包括填料颗粒。填料的平均颗粒尺寸通常在0.1微米至50微米、典型地1微米至30微米的范围内。可用于本发明的填料的示例包括金属碳酸盐(诸如碳酸钙-白垩、方解石、泥灰岩、石灰华、大理石、石灰石；碳酸钙镁、碳酸钠、和碳酸镁)、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-蒙脱石；长石、云母、硅酸钙、偏硅酸钙、铝硅酸钠、硅酸钠、硅酸锂、以及含水和无水硅酸钾)、金属硫酸盐(诸如硫酸钙、硫酸钡、硫酸钠、硫酸铝钠、硫酸铝)、石膏、蛭石、木粉、三水合铝、炭黑、金属氧化物(诸如氧化钙-石灰、氧化铝、氧化锡-例如二氧化锡、二氧化钛)、和金属亚硫酸盐(诸如亚硫酸钙)、热塑性颗粒(诸如聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚酯、聚乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚丙烯、乙缩醛聚合物、聚氨酯、尼龙颗粒)、以及热固性颗粒(诸如酚醛泡、酚醛珠、聚氨酯泡沫颗粒)。该填料还可为盐，诸如卤化物盐。卤化物盐的示例包括氯化钠、钾冰晶石、钠冰晶石、氯化铵、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、四氟化硅、氯化钾和氯化镁。金属填料的示例包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁和钛。其他杂类填料包括硫、有机硫化合物、石墨、和金属硫化物。

在一些实施方案中，粘结剂基质具有高耐热性。例如，固化粘结剂基质的玻璃化转变温度(T_g)可为至少150℃、至少160℃、至少175℃、或甚至至少200℃。

磨料层和/或背衬可包含添加剂，诸如磨料颗粒表面改性添加剂、助磨剂、偶联剂、填料、膨胀剂、纤维、成孔剂、抗静电剂、固化剂、悬浮剂、光敏剂、润滑剂、润湿剂、表面活性剂、颜料、染料紫外线稳定剂，以及抗氧化剂。通常选择这些材料的量以提供所需的特性。

磨料层可包括成孔剂。孔可为构造所需的，其中需要快速团聚或涂层破裂。成孔剂的示例包括牺牲的有机材料，例如，可用于占据团聚物或磨料涂层中的体积，并且然后通过例如燃烧或溶解移除的有机材料。牺牲成孔剂的示例为苯乙烯球和糊精粉末。孔也可通过永久成孔剂(诸如玻璃或氧化铝中空珠或气泡)、或通过发泡的无机材料形成。

悬浮剂的示例为表面积小于150平方米/克的无定形二氧化硅颗粒，其可以OX-50从新泽西州里奇菲尔德公园的德固赛公司(DeGussaCorp.,RidgefieldPark,NewJersey)商购获得。加入悬浮剂可能降低磨料浆料的总体粘度。悬浮剂的用途进一步描述于美国专利5,368,619(Palazzotto等人)中。

磨料制品可根据公知方法制造。结构化磨料制品可通过描述于美国专利5,152,917(Pieper等人)、5,435,816(Spurgeon等人)、5,437,754(Calhoun)、5,454,844(Hibbard等人)、和5,304,223(Pieper等人)中的方法制造。

制备具有三维磨料复合物与任选尺寸的涂层的可用磨料颗粒(其中所述复合物包括固定于底胶中的磨料团聚物)的另一种可用的方法描述于美国专利6,217,413(Christianson)中。

用根据本公开的砾岩磨料颗粒进行研磨的方法在从荒磨(即，高压高切削)到抛光(例如，用带涂层磨带抛光医用植入物)的范围内，其中抛光通常用更精细等级(例如，小于ANSI220并且更精细)的磨料颗粒来完成。磨料团聚物颗粒还可用于精密研磨应用，诸如用玻璃化粘结轮磨削凸轮轴。用于特定研磨应用的砾岩磨料颗粒(以及包括这样的团聚物磨料颗粒的矿物颗粒)的尺寸对于本领域内的技术人员将是显而易见的。

用根据本公开的砾岩磨料颗粒进行的研磨可以干法或湿法完成。对于湿法研磨，可以轻雾到完全水流的形式引入或提供液体。常用液体的示例包括例如水、水溶性油、有机润滑剂和乳液。这些液体可以用来减少与研磨相关的热和/或作为润滑剂使用。液体可含有微量添加剂，诸如杀菌剂、消泡剂等。液体可包括敷料颗粒(即，能够研磨磨料复合物和/或砾岩磨料颗粒的表面并使其破裂的颗粒)，从而使新鲜矿物颗粒暴露。本领域中已知的标准修整技术也可用于修整磨料制品。

因此，本公开进一步提供了使用砾岩磨料颗粒的抛光方法，其中砾岩磨料颗粒通过调节由浆料提供或提供于固定磨料制品中的颗粒来调节，使得调节颗粒能够修整磨料复合物内的砾岩磨料颗粒。使用调节颗粒来调节磨料团聚物的调节方法的示例公开于美国专利7,494,519(Fletcher等人)中。通常，调节颗粒不显著地修改工件的表面，而当工件和固定磨料制品彼此摩擦接触并且彼此抵靠相对移动时，固定磨料制品中的矿物颗粒的确修改工件的表面。在一些实施方案中，调节颗粒的平均颗粒尺寸在磨料复合物中的砾岩磨料颗粒内的矿物颗粒的平均颗粒尺寸的约25％至约200％的范围内，优选地为矿物颗粒的平均颗粒尺寸的约50％至约150％。

固定磨料制品中的矿物颗粒可具有能够研磨工件的第一硬度，而调节颗粒具有低于矿物颗粒的硬度的第二硬度。调节颗粒的硬度优选地被选择为使得调节颗粒可研磨第一玻璃质粘结剂、第二玻璃质粘结剂以及磨料复合物的粘结剂基质中的至少一者。调节颗粒将对工件具有很小的影响(如果有的话)。例如，典型的精研过程可花费若干分钟到若干小时以抛光工件，但是如果抛光最终发生，单独(第二硬度的)调节颗粒将花费至少若干天、若干周或若干月来抛光类似工件。调节颗粒可提供为固定磨料制品的一部分或提供为单独浆料(即，在工件的抛光期间包括在分配在固定磨料制品和工件之间的界面处的液体中)。

砾岩磨料颗粒和含有这种颗粒的磨料制品可用于研磨工件，诸如铝金属、碳钢、低碳钢、工具钢、不锈钢、硬化钢、钛、玻璃、陶瓷、木材、类木材材料、涂料、涂漆表面、带有机涂层的表面等。研磨期间所施加的力通常为在约1千克至约100千克的范围内。

本公开的精选实施方案

在第一实施方案中，本公开提供了制备砾岩磨料颗粒的方法，该方法包括：

在第一玻璃质粘结剂中提供包括矿物颗粒的团聚物磨料颗粒；

将团聚物磨料颗粒与第二玻璃质粘结剂材料前体混合以形成前体砾岩磨料颗粒；以及

加热前体砾岩磨料颗粒以将第二玻璃质粘结剂材料前体转化成与第一玻璃质粘结剂不同的第二玻璃质粘结剂，从而形成砾岩磨料颗粒，其中第一玻璃质粘结剂与第二玻璃质粘结剂的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

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制备砾岩磨料颗粒的方法，其中第一玻璃质粘结剂和第二玻璃质粘结剂具有相同的元素组成。

在第三实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中第一玻璃质粘结剂和第二玻璃质粘结剂具有不同的元素组成。

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项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中矿物颗粒包括金刚石颗粒。

在第五实施方案中，本公开提供了根据第四实施方案所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中矿物颗粒具有0.1微米至15微米的中值尺寸，并且团聚物磨料颗粒具有40微米至400微米的中值尺寸，包括端值在内。

在第六实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第五实施方案中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中团聚物磨料颗粒为球状体形。

在第七实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第六实施方案中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述提供团聚物磨料颗粒包括：

形成包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂材料前体的前体团聚物磨料颗粒；以及

在第一最高温度下加热前体团聚物磨料颗粒以形成团聚物磨料颗粒，

其中前体砾岩磨料颗粒在比第一最高温度低至少15摄氏度的第二最高温度下加热。

在第八实施方案中，本公开提供了根据第七实施方案所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述形成包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂材料前体的前体团聚物磨料颗粒包括：

将包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂材料前体的组合物设置在多个模具腔中以形成前体团聚物磨料颗粒。

在第九实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第八实施方案中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，还包括对砾岩磨料颗粒分级以符合磨料行业规定的标称等级。

在第十实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中第二玻璃质粘结剂比第一玻璃质粘结剂不易碎。

在第十一实施方案中，本公开提供了包括团聚物磨料颗粒的砾岩磨料颗粒，该团聚物磨料颗粒包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂，其中该团聚物磨料颗粒通过第二玻璃质粘结剂粘结在一起，并且其中第一玻璃质粘结剂与第二玻璃质粘结剂的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

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砾岩磨料颗粒，其中第一玻璃质粘结剂和第二玻璃质粘结剂具有相同的元素组成。

在第十三实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案所述的砾岩磨料颗粒，其中第一玻璃质粘结剂和第二玻璃质粘结剂具有不同的元素组成。

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项所述的砾岩磨料颗粒，其中矿物颗粒包括金刚石颗粒。

在第十五实施方案中，本公开提供了根据第十四实施方案所述的砾岩磨料颗粒，其中金刚石颗粒具有0.1微米至15微米的中值尺寸，并且团聚物磨料颗粒中值尺寸为40微米至400微米，包括端值在内。

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十五实施方案中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中团聚物磨料颗粒为球状体形。

在第十七实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案至第十六实施方案中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中矿物颗粒符合磨料行业规定的标称等级。

在第十八实施方案中，本公开提供了根据第十三实施方案至第十七实施方案中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中第二玻璃质粘结剂比第一玻璃质粘结剂不易碎。

在第十九实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案至第十八实施方案中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中砾岩磨料颗粒的中值尺寸为团聚物磨料颗粒的中值尺寸的至少2.5倍。

在第二十实施方案中，本公开提供了包括保留在粘结剂材料中的砾岩磨料颗粒的磨料制品，其中该砾岩磨料颗粒包括团聚物磨料颗粒，该团聚物磨料颗粒包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂，其中该团聚物磨料颗粒通过第二玻璃质粘结剂粘结在一起，并且其中第一玻璃质粘结剂与第二玻璃质粘结剂的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

在第二十一实施方案中，本公开提供了根据第二十实施方案所述的磨料制品，其中磨料制品包括结构化磨料制品，该结构化磨料制品包括固定到背衬主表面的磨料层，其中该磨料层包含成形磨料复合物，并且其中所述成形磨料复合物中的至少一些包括保留在粘结剂材料中的砾岩磨料颗粒。

在第二十二实施方案中，本公开提供了根据第二十实施方案或第二十一实施方案所述的磨料制品，其中磨料层具有介于约20％至约70％之间的支承面积比。

在第二十三实施方案中，本公开提供了根据第二十实施方案至第二十二实施方案中任一项所述的磨料制品，其中矿物颗粒包括金刚石颗粒。

在第二十四实施方案中，本公开提供了根据第二十三实施方案所述的磨料制品，其中金刚石颗粒具有0.1微米至15微米的中值尺寸，并且团聚物磨料颗粒中值尺寸为40微米至400微米，包括端值在内。

在第二十五实施方案中，本公开提供了根据第二十实施方案至第二十四实施方案中任一项所述的磨料制品，其中砾岩磨料颗粒的中值尺寸为团聚物磨料颗粒的中值尺寸的至少2.5倍。

在第二十六实施方案中，本公开提供了根据第二十实施方案至第二十四实施方案中任一项所述的磨料制品，其中第二玻璃质粘结剂比第一玻璃质粘结剂不易碎。

本发明的目的和优点将通过下面的非限制性实施例进一步说明，但是这些实施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视为对本发明的不当限制。

实施例

除非另外指明，否则在实施例及本说明书的其余部分中的所有份数、百分数、比率等均按重量计。

实施例中使用的材料

测试方法与制备程序

抛光测试方法

抛光使用可得自马萨诸塞州比勒利卡的布鲁克公司(BrukerCorporation,Billerica,Massachusetts)的CETRCP-4抛光机进行。然后将双面压敏粘合剂胶带(可以3M双面涂覆带442PC(3MDOUBLECOATEDTAPE442PC)得自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3MCompanySt.Paul,Minnesota))的片材层合到结构化磨料垫(例如，实施例1a，特征相反)的侧面。将子垫(50密耳(0.13mm)厚的聚碳酸酯片)通过442PC带层合到结构化磨料垫。然后将具有聚碳酸酯子垫的73/8英寸(187mm)直径的结构化磨料垫从层合物冲切。使用双面胶带将具有子垫的垫安装到CP-4的压板。将具有各自直径为约3英寸(7.62cm)的三个凹坑的黄铜载体安装到CP-4的上驱动轴。将三个3英寸(7.62cm)直径的C平面蓝宝石晶片(可得自马萨诸塞州塞勒姆的GT水晶系统公司(GTCrystalSystemsLLC,Salem,Massachusetts))放置在载体凹坑中。载体孔的直径略微大于蓝宝石晶片的直径，从而允许晶片在载体孔中自由旋转。在抛光期间，压板以120rpm旋转，抛光机机头以121rpm旋转并且所施加的压力为6psi(13.8kPa)。将具有重量％的PWA-5的润滑剂(CHALLENGE543HT的5重量％溶液，可得自康涅狄格州贝塞尔的IntersurfaceDynamics公司(IntersurfaceDynamicsInc.,Bethel,Connecticut))以约20ml/min的速率在整个抛光测试中流动到垫的中心上。在一些情况下，PWA-5用于代替比较例CE-A的PWA-5。使用三个晶片进行抛光30分钟。将三个晶片在每个固定磨料垫上抛光。使用测量的重量损失以基于3.97g/cm³的晶片密度来测定移除的材料的量。以微米/分钟为单位记录的切除速率为三个晶片在30分钟的抛光间隔内的平均厚度减小的速率。

喷雾干燥的团聚物1(SDA-1)的制备

根据美国专利6,551,366(D’Souza等人)中公开的通用程序制备磨料团聚物。

按下述方式，使用喷雾干燥技术，由水性分散体制备喷雾干燥的团聚物。通过使用具有Cowles叶片的空气搅拌机搅拌来将1.8克Standex230溶解在约40.0克的去离子水中。接着，将约23.3克的研磨GF加入到溶液中。GF在使用前已被研磨成约2.5微米的中值颗粒尺寸。将约34.9克的MCD-1金刚石加入到溶液中，产生约60:40(重量/重量)金刚石/玻璃粉比率。在将以上所有组分都添加到一起后，使用空气搅拌机将溶液搅拌额外30分钟。

然后在离心雾化器(得自丹麦的GEA工程技术股份公司(GEAProcessEngineeringA/S,Denmark)的MOBILEMINER2000)中使溶液雾化。雾化轮以20000rpm运行。将浆液以设定为4的泵速度流速泵送到旋转轮入口中。空气在150℃下供应至雾化室中并用于在液滴形成时对液滴进行干燥，从而制备喷雾干燥的前体磨料团聚物。喷雾干燥器的出口温度从90℃变为95℃。

然后通过以下方式对前体磨料团聚物进行玻璃化：与40重量％的PWA-3混合，将前体团聚物/PWA-3粉末混合物放置在耐火退火箱(可得自伊利诺斯州佩卡托尼卡的易普森陶瓷公司(IpsenCeramicsofIpsenInc.,Pecatonica,Ill.))中，以及在加热炉中于空气中加热，形成磨料团聚物。PWA-3用作脱模剂来防止前体磨料团聚物颗粒在玻璃化过程期间聚集在一起。用于玻璃化过程的加热方案如下：以2℃/min温度斜升至400℃，在400℃下退火1小时，以2℃/min温度斜升至720℃，在720℃下退火1小时，并且以2℃/min温度斜升至35℃。将前体磨料团聚物的临时有机粘结剂Standex230在玻璃化步骤期间烧掉。

在玻璃化之后，将磨料团聚物/PWA-3粉末筛过106微米网筛。使用扫描电子显微镜检查筛选的磨料团聚物。通过光学显微镜观察磨料团聚物以将尺寸设定在约20微米至约80微米的范围内，其中平均尺寸为约50微米。团聚物磨料颗粒主要是球形的形状。

使用以下程序，用去离子水洗涤磨料团聚物/PWA-3粉末以移除附接到团聚物表面的PWA-3颗粒并且使PWA-3颗粒松散。将约200g的后筛团聚物/PWA-3粉末混合物放置在具有约2,000ml去离子水的不锈容器中。将容器放置在设定为47kHz频率的超声波浴(得自伊利诺斯州芝加哥的科尔帕默仪器公司(Cole-PalmerInstrumentCo.,Chicago,Ill.)的型号8852)中，并且使用常规搅拌机混合浆料5分钟。在混合之后，将容器从超声波浴移除并且允许其静置5分钟。在该时间期间，将磨料团聚物沉淀到容器底部，同时将大部分的PWA-3颗粒保持悬浮在液体中。小心地滗析液体以移除悬浮在水中的PWA-3颗粒。洗涤过程重复至少额外3次。在该过程之后，将具有磨料团聚物的容器在120℃下放置在烘箱中3小时以蒸发水并干燥磨料团聚物，从而制备SDA-1。

喷雾干燥的团聚物2(SDA-2)的制备

SDA-2类似于SDA-1制备，不同的是前体团聚物/PWA-3粉末混合物在765℃下玻璃化，而不是720℃。

喷雾干燥的团聚物3(SDA-3)的制备

SDA-3类似于SDA-1制备，不同的是前体团聚物/PWA-3粉末混合物在830℃下玻璃化，而不是720℃。

喷雾干燥的团聚物4(SDA-4)的制备

SDA-4类似于SDA-1制备，不同的是研磨GF的量为26.2，所使用的MCD-1金刚石的量为32.0g，并且前体团聚物/PWA-3粉末混合物在820℃下玻璃化，而不是720℃。

喷雾干燥的团聚物5(SDA-5)的制备

SDA-5类似于SDA-1制备，不同的是所使用的研磨GF的量为34.9并且所使用的MCD-1金刚石的量为23.3g。

喷雾干燥的团聚物6(SDA-6)的制备

SDA-6类似于SDA-1制备，不同的是所使用的研磨GF的量为34.9，所使用的MCD-1金刚石的量为23.3g，并且前体团聚物/PWA-3粉末混合物在765℃下玻璃化，而不是720℃。

喷雾干燥的团聚物7(SDA-7)的制备

SDA-7类似于SDA-1制备，不同的是所使用的研磨GF的量为34.9，所使用的MCD-1金刚石的量为23.3g，并且前体团聚物/PWA-3粉末混合物在830℃下玻璃化，而不是720℃。

实施例1

作为磨料颗粒SDA-1的砾岩磨料颗粒如下制备。通过使用具有Cowles叶片的空气搅拌机搅拌来将Standex230(36.4重量份)溶解在63.6重量份去离子水中。在单独的容器中，将61.5g的Standex230溶液、55.40g的研磨GF和83.1g的SDA-1用标准螺旋桨叶片彻底混合五分钟，然后在超声波浴中搅拌30分钟，从而形成浆料。GF在使用前已被研磨成约2.5微米的中值颗粒尺寸。将浆料涂覆到纹理化聚丙烯模具的片材中，纹理呈腔的阵列，并且通过刮浆刀移除过量浆料。将聚丙烯工具的腔截顶，正方棱锥具有180微米的深度，基部具有250微米乘以250微米的尺寸，并且远端具有150微米乘以150微米的尺寸。腔在正方形栅格阵列中，其中间距(即，腔之间的中心到中心距离)为375微米。形成腔的横向侧以减小的宽度朝向远端渐缩，使得砾岩磨料颗粒易于从模具移除。纹理化聚丙烯模具通过压印工艺形成，其中使来自具有所需聚丙烯片材的反纹理的金属母模工具的纹理形成至聚丙烯中。母模工具的棱锥阵列是通过金属的常规金刚石车削工艺而制成。依据常规压印技术在接近聚丙烯的熔融温度下通过母模工具进行聚丙烯片材的压印。

当在模具的腔中时，浆料在室温下干燥一小时，然后在75℃下在烘箱中另外干燥一小时。通过使用超声波驱动杆(型号902R,得自康涅狄格州丹伯里的必能信超声仪器公司(BransonUltrasonicInstruments,Danbury,Connecticut))将干燥的前体(即，预烧制)砾岩磨料颗粒从模具移除。

将干燥的前体砾岩磨料颗粒通过以下方式玻璃化：基于前体砾岩磨料颗粒的重量计，与7重量％的Hy-AlOx混合；将砾岩磨料颗粒/Hy-AlOx粉末混合物放置在耐火退火箱(可得自伊利诺斯州佩卡托尼卡的易普森陶瓷公司(IpsenCeramicsofIpsenInc.,Pecatonica,Ill.))中并在加热炉中于空气中加热，从而形成砾岩磨料颗粒。用于玻璃化过程的加热方案如下：以2℃/min温度斜升至400℃，在400℃下退火2小时，以2℃/min温度斜升至750℃，在750℃下退火1小时，并且以2℃/min温度斜升至室温。将前体磨料团聚物的临时有机粘结剂Standex230在玻璃化步骤期间烧掉。在烧制过程之后，将团聚物磨料颗粒筛过150微米和250微米网筛以移除尺寸为250微米以及更大的团聚物并且移除颗粒尺寸在150微米以下的Hy-AlOx颗粒，从而制备砾岩磨料颗粒。

实施例2-18

实施例2-18类似于实施例1制备，不同的是砾岩磨料颗粒中的喷雾干燥的团聚物颗粒的重量百分比(基于砾岩磨料颗粒中的约138.5g的喷雾干燥的团聚物和研磨玻璃粉的总重量计)和玻璃化温度(即，成形砾岩磨料颗粒的一小时最大退火温度)如表1(下表)中所记录而调整。

表1

图5示出实施例13中制备的砾岩磨料颗粒。

包括砾岩磨料颗粒的结构化磨料制品如美国专利5,152,917(Pieper等人)中一般所述来制备，如下文进一步描述。

实施例1A

结构化磨料垫使用实施例1的砾岩磨料颗粒通过以下程序制备。将28.0g的SR368D、1.0g的OX50、0.3g的IRG819、0.3g的VAZO52、1.2g的SP32000、0.7g的A174、57.6g的W400和10.9g的实施例1的砾岩磨料颗粒混合在一起以提供树脂基浆料。将树脂基浆料涂覆到纹理化聚丙烯模具的片材中，纹理呈腔的阵列。聚丙烯工具的腔为矩形立方体形状的，其深度为800微米，在腔的底部处尺寸为2.36mm×2.36mm,并且腔开口尺寸为2.8mm×2.8mm。腔在间距(即，腔之间的中心到中心距离)为4.0mm的正方形栅格阵列中。纹理化丙烯模具通过类似于对于实施例1所述的压印工艺制备。树脂基浆料的涂层宽度为10英寸(25.4cm)。使用施加到聚酯膜背衬上的橡胶辊将5密尔(0.127mm)厚的聚酯膜背衬的片材手动层合到树脂基浆料涂层，使得浆料润湿聚酯膜背衬的表面。然后将树脂基浆料涂层通过以下方式穿过背衬固化：在两个紫外灯、以400瓦/英寸(157.5瓦/cm)产生的中压汞灯泡(可得自印第安纳州莱巴嫩的美国超能公司(AmericanUltraCompany,Lebanon,Indiana))下将涂层、模具和背衬以约30英尺/分钟(9.1米/分钟)的速度传递。将粘附到聚酯膜背衬的固化浆料从模具移除，留下附接到背衬的立方体形的特征。将具有特征的背衬在常规空气中在90℃下通过烘箱进一步后固化12小时，从而形成结构化磨料垫。

实施例2A–实施例18A

结构化磨料垫根据对于实施例1a所述的程序制备，不同的是固定磨料垫配方中的砾岩磨料颗粒的量被调整为按表1的最后一列产生固定磨料垫中的砾岩磨料颗粒的百分比。

比较例A(CE-A)

CE-A为可以3M677XAELTRIZACTDIAMONDTILE(6微米金刚石)得自明尼苏达州圣保罗3M公司(3MCompany,St.Paul,Minnesota)的固定磨料垫。

对应于实施例1a至18a的结构化磨料垫对于根据上述抛光测试方法的研磨性能进行评价。结果记录于表2(下表)中。

表2

以上获得专利证书的专利申请中所有引证的参考文献、专利或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专利申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述具体实施方式中的信息为准。为了使本领域的技术人员能够实现受权利要求书保护的本公开而给定的前述说明，不应理解为对本公开的范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式限定。

Claims (26)

1.一种制备砾岩磨料颗粒的方法，所述方法包括：

在第一玻璃质粘结剂中提供包括矿物颗粒的团聚物磨料颗粒；

将所述团聚物磨料颗粒与第二玻璃质粘结剂材料前体混合以形成前体砾岩磨料颗粒；以及

加热所述前体砾岩磨料颗粒以将所述第二玻璃质粘结剂材料前体转化成与所述第一玻璃质粘结剂不同的第二玻璃质粘结剂，从而形成所述砾岩磨料颗粒，其中所述第一玻璃质粘结剂与所述第二玻璃质粘结剂的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

2.根据权利要求1所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述第一玻璃质粘结剂和所述第二玻璃质粘结剂具有相同的元素组成。

3.根据权利要求1所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述第一玻璃质粘结剂和所述第二玻璃质粘结剂具有不同的元素组成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述矿物颗粒包括金刚石颗粒。

5.根据权利要求4所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述矿物颗粒具有0.1微米至15微米的中值尺寸，并且所述团聚物磨料颗粒具有40微米至400微米的中值尺寸，包括端值在内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述团聚物磨料颗粒为球状体形。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述提供团聚物磨料颗粒包括：

形成包括所述矿物颗粒和所述第一玻璃质粘结剂材料前体的前体团聚物磨料颗粒；以及

在第一最高温度下加热所述前体团聚物磨料颗粒以形成所述团聚物磨料颗粒，

其中所述前体砾岩磨料颗粒在比所述第一最高温度低至少15摄氏度的第二最高温度下加热。

8.根据权利要求7所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述形成包括所述矿物颗粒和所述第一玻璃质粘结剂材料前体的前体团聚物磨料颗粒包括：

将包括所述矿物颗粒和所述第一玻璃质粘结剂材料前体的组合物设置在多个模具腔中以形成所述前体团聚物磨料颗粒。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，还包括对所述砾岩磨料颗粒分级以符合磨料行业规定的标称等级。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的制备砾岩磨料颗粒的方法，其中所述第二玻璃质粘结剂比所述第一玻璃质粘结剂不易碎。

11.一种包括团聚物磨料颗粒的砾岩磨料颗粒，所述团聚物磨料颗粒包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂，其中所述团聚物磨料颗粒通过第二玻璃质粘结剂粘结在一起，并且其中所述第一玻璃质粘结剂与所述第二玻璃质粘结剂的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

12.根据权利要求11所述的砾岩磨料颗粒，其中所述第一玻璃质粘结剂和所述第二玻璃质粘结剂具有相同的元素组成。

13.根据权利要求11所述的砾岩磨料颗粒，其中所述第一玻璃质粘结剂和所述第二玻璃质粘结剂具有不同的元素组成。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中所述矿物颗粒包括金刚石颗粒。

15.根据权利要求14所述的砾岩磨料颗粒，其中所述金刚石颗粒具有0.1微米至15微米的中值尺寸，并且所述团聚物磨料颗粒的中值尺寸为40微米至400微米，包括端值在内。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中所述团聚物磨料颗粒为球状体形。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中所述矿物颗粒符合磨料行业规定的标称等级。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中所述第二玻璃质粘结剂比所述第一玻璃质粘结剂不易碎。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的砾岩磨料颗粒，其中所述砾岩磨料颗粒的所述中值尺寸为所述团聚物磨料颗粒的所述中值尺寸的至少2.5倍。

20.一种包括保留在粘结剂材料中的砾岩磨料颗粒的磨料制品，其中所述砾岩磨料颗粒包括团聚物磨料颗粒，所述团聚物磨料颗粒包括矿物颗粒和第一玻璃质粘结剂，其中所述团聚物磨料颗粒通过第二玻璃质粘结剂粘结在一起，并且其中所述第一玻璃质粘结剂与所述第二玻璃质粘结剂的不同之处在于以下各项中的至少一项：

i)元素组成，或

ii)固有物理特性。

21.根据权利要求20所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括固定到背衬的主表面的磨料层，其中所述磨料层包含成形磨料复合物，并且其中所述成形磨料复合物中的至少一些包括保留在所述粘结剂材料中的所述砾岩磨料颗粒。

22.根据权利要求20或21所述的磨料制品，其中所述磨料层具有介于约20％至约70％之间的支承面积比。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的磨料制品，其中所述矿物颗粒包括金刚石颗粒。

24.根据权利要求23所述的磨料制品，其中所述金刚石颗粒具有0.1微米至15微米的中值尺寸，并且所述团聚物磨料颗粒的中值尺寸为40微米至400微米，包括端值在内。

25.根据权利要求20至24中任一项所述的磨料制品，其中所述砾岩磨料颗粒的所述中值尺寸为所述团聚物磨料颗粒的所述中值尺寸的至少2.5倍。

26.根据权利要求20至25中任一项所述的磨料制品，其中所述第二玻璃质粘结剂比所述第一玻璃质粘结剂不易碎。