CN109843509A - 结构化磨料制品及其制备方法 - Google Patents

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CN109843509A CN201780065265.1A CN201780065265A CN109843509A CN 109843509 A CN109843509 A CN 109843509A CN 201780065265 A CN201780065265 A CN 201780065265A CN 109843509 A CN109843509 A CN 109843509A
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约瑟夫·B·埃克尔
阿龙·K·尼纳贝尔
斯科特·W·彼得森
文森特·R·扬森
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Abstract

本发明提供了一种结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括多个成形的磨料复合物，所述磨料复合物设置在背衬的主表面上并且固定到所述背衬的所述主表面上。所述成形的磨料复合物包含保留在有机粘结剂中的可磁化磨料颗粒。在各自的基础上，所述可磁化磨料颗粒中的每一个具有陶瓷体，所述陶瓷体在其至少一部分上设置有可磁化层。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

结构化磨料制品及其制备方法
技术领域
本公开广义地涉及涂覆的磨料制品及其制备和使用方法。
背景技术
结构化磨料制品是特定类型的涂覆的磨料制品，其具有固定到背衬的主表面上的多个成形的磨料复合物。每个成形的磨料复合物具有与背衬接触的底表面和从背衬向外延伸的远侧端部。成形的磨料复合物包含分散在包括粘结剂(有机或玻璃质)的粘结剂基质中的磨料颗粒。成形的磨料复合物通常排列成阵列。在结构化磨料制品的一种常见配置中，成形的磨料复合物是锥体(例如，3个、4个或6个侧面)、截棱锥体(例如，3个、4个或6个侧面)、棱镜(例如，3个、4个或6个侧面)。
根据应用，成形的磨料复合物的尺寸可非常小(例如，用于汽车清漆涂层)或非常大(例如，原料去除)。
磨料复合物形状的变化已被用作控制研磨性能的一种方法；例如，如美国专利8,425,278(Culler等人)和7,410,413(Koehnle等人)中所公开的。
仍然需要控制(例如，改善)结构化磨料制品的研磨性能的方法。
发明内容
有利地，本发明人已经发现了一种将磨料颗粒取向在成形的磨料颗粒的成形的磨料复合物内的方法，该方法可以改善研磨性能。使用可磁化磨料颗粒实现这种对齐，可磁化磨料颗粒在结构化磨料制品的制造期间通过磁场对齐。
在一个方面，本发明提供了一种结构化磨料制品，其包括设置在背衬主表面上并且固定到其上的多个成形的磨料复合物，其中成形的磨料复合物包括保留在有机粘结剂中的可磁化磨料颗粒，其中，在各自的基础上，可磁化磨料颗粒中的每一个具有陶瓷体，该陶瓷体在其至少一部分上设置有磁性层。在一些实施方案中，大部分可磁化磨料颗粒基本上垂直于背衬的主表面对齐。
在另一个方面，本发明提供一种制备结构化磨料制品的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供具有模具表面的生产工具，该模具表面限定多个精确成形的腔体；
b)用包含分散在可固化有机粘结剂前体材料中的可磁化磨料颗粒的浆料填充至少大部分精确成形的腔体，其中，在各自的基础上，可磁化磨料颗粒各自包括陶瓷体，该陶瓷体具有设置在其至少一部分上的磁性层，其中可磁化磨料颗粒的平均长宽比为至少3；
c)在将浆料设置在至少大部分精确成形的腔体内时，使背衬的主表面与生产工具的模具表面接触；
d)使用磁场使可磁化磨料颗粒取向；
e)使可固化有机粘结剂前体材料至少部分地固化，以形成设置在背衬的主表面上的成形的磨料复合物；以及
f)将成形的磨料复合物与生产工具分离。
在另一个方面，本发明提供一种制备结构化磨料制品的方法，该方法包括以下步骤：
a)使背衬的主表面与可延展组合物接触，该可延展组合物包含分散在可固化有机粘结剂前体中的可磁化磨料颗粒，其中，在各自的基础上，可磁化磨料颗粒各自包括陶瓷体，该陶瓷体具有设置在其至少一部分上的磁性层，其中可磁化磨料颗粒的平均长宽比为至少3；
b)使用磁场使可磁化磨料颗粒取向；
c)使可固化有机粘结剂前体至少部分地固化，以形成设置在背衬的主表面上的成形的磨料复合物。
如本文所用：
术语“陶瓷”是指由至少一种与氧、碳、氮或硫结合的金属元素(可包括硅)制成的各种硬、脆、耐热和耐腐蚀材料中的任何一种。例如，陶瓷可以是结晶的或多晶的。
术语“亚铁磁性”是指表现出亚铁磁性的材料。亚铁磁性是发生在固体中的一种永久磁性，其中与单个原子相关的磁场自身自发地对齐，一些是平行的或沿相同方向(如铁磁性)，而另一些通常是反平行的，或者在相反的方向上配对(如反铁磁性)。亚铁磁材料单晶的磁性行为可归因于平行对齐；这些原子在反平行排列中的稀释效应使这些材料的磁场强度通常小于纯铁磁固体如金属铁的磁场强度。亚铁磁性主要发生在称为铁氧体的磁性氧化物中。产生亚铁磁性的自发对齐在称为居里点的温度之上完全被破坏，这是每种亚铁磁材料的特征。当材料的温度低于居里点时，亚铁磁性复原。
术语“铁磁性”是指表现出铁磁性的材料。铁磁性是一种物理现象，其中某些不带电的材料强烈地吸引其它材料。与其它物质相比，铁磁材料容易被磁化，并且在强磁场中，磁化接近称为饱和的明确限制。当场被施加然后移除时，磁化不返回其原始值。这种现象称为滞后现象。当被加热到称为居里点的某个温度(其对于每种物质通常是不同的时)，铁磁性材料失去其特性并且不再是磁性的；然而，它们在冷却时再次变成铁磁性的。
除非另有说明，否则术语“磁性”和“磁化”是指在20℃下是铁磁性或亚铁磁性的，或者能够制成铁磁性或亚铁磁性的。优选地，根据本公开的可磁化层要么具有要么可以通过暴露于施加的磁场而具有至少0.001电磁单位(emu)(更优选至少0.005emu、更优选0.01emu、高达包括0.1emu)，但是这不是必需的。
术语“磁场”是指不是由任何一个或多个天体(例如，地球或太阳)产生的磁场。一般来讲，在本公开的实践中使用的磁场在可磁化磨料颗粒的区域中具有的磁场强度为至少约10高斯(1mT)(优选至少约100高斯(10mT)，并且更优选至少约1000高斯(0.1T))。
术语“可磁化”是指能够被磁化或已经处于磁化状态。
术语“成形陶瓷体”是指在其制备期间在某些点处有意成形(例如，挤出、模切、模塑、丝网印刷)的陶瓷体，由此使得所得陶瓷体是非随机形状的。本文使用的术语“成形陶瓷体”不包括通过机械粉碎或研磨操作获得的陶瓷体。
术语“成形的磨料复合物”是指在其制备期间在某些时刻已经有意成形(例如挤出、模切、模塑、丝网印刷)的磨料复合物，由此使得所得的成形的磨料复合物是非随机成形的。本文所用的术语“成形的磨料复合物”不包括通过机械粉碎或研磨操作获得的成形的磨料复合物。
术语“精确成形的陶瓷体”是指陶瓷体，其中陶瓷体的至少一部分具有预定的形状，该预定的形状从用于形成前体精确成形的陶瓷体的模腔复制，该前体精确成形的陶瓷体被烧结以形成精确成形的陶瓷体。精确成形的陶瓷体将通常具有预定的几何形状，该几何形状基本上复制了用于形成成形的磨料颗粒的模腔。
术语“精确成形的磨料复合物”是指通过以下方法形成的成形的磨料复合物，其中成形的磨料复合物通过在从模具中取出之前使位于模具中的腔体中的浆料至少部分地固化而形成，由此使得所得的磨料复合物基本上复制腔体的表面光洁度和/或形状。
术语“长度”是指物体的最长尺寸。
术语“宽度”是指物体的垂直于其长度的最长尺寸。
术语“厚度”是指物体的最长尺寸，其垂直于其长度和宽度两者。
术语“长宽比”是指物体的长度/厚度比。
术语“基本上不含”意指基于所涉及的物体的总重量计含有少于5重量％(例如，小于4重量％、3重量％、2重量％、1重量％、0.1重量％、或甚至小于0.01重量％，或甚至完全不含)。
术语“基本上”是指所述属性的35％(优选在30％之内、更优选在25％之内、更优选在20％之内、更优选在10％之内并且更优选在5％之内)。
后缀“(s)”表示修改后的单词可以是单数或复数。
在考虑具体实施方式以及所附权利要求书时，将进一步理解本公开的特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的示例性结构化磨料制品100的示意性透视图。
图2是根据本发明的示例性成形的磨料复合物240的示意性顶视图。
图2A是沿线2A-2A截取的可磁化磨料颗粒240的示意性横截面侧视图。
图3是示例性可磁化磨料颗粒340的示意性顶视图。
图3A是可磁化磨料颗粒340的示意性侧视图。
图4是根据实施例1制备的成形的磨料复合物的数字显微图。
图5是根据比较例A生产的成形的磨料复合物的数字显微图。
在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。应当理解，本领域的技术人员可以设计出许多落入本公开原理的范围内及符合本公开原理的实质的其它修改形式和实施方案。附图可不按比例绘制。
具体实施方式
现在参考图1，结构化磨料制品100包括多个精确成形的锥体磨料复合物135，其设置在背衬110的第一主表面125上并固定到其上。成形的磨料复合物135包含保留在有机粘结剂140中的可磁化磨料颗粒150。可磁化磨料颗粒150中的每一个具有陶瓷体(未示出)，在其至少一部分上设置有可磁化层。关于示例性可磁化磨料颗粒的视图，参见图2和图2A以及图3和图3A。可磁化磨料颗粒150基本上垂直于背衬110的第一主表面125对齐。任选的附接层155通过任选的粘合剂层170固定到背衬110的与第一主表面125相对的第二主表面127上。
现在参考图2和图2A，示例性可磁化磨料颗粒240具有陶瓷体260，其具有设置在陶瓷体上并覆盖陶瓷体的可磁化层270，从而封闭陶瓷体。
现在参考图3，可磁化磨料颗粒340包括精确成形的陶瓷体360和可磁化层370。精确成形的陶瓷体360具有两个相对的主表面362、364，它们通过三个侧表面330a、330b、330c彼此连接。可磁化层370设置在精确成形的陶瓷体360的主表面362上。在这种配置中，可磁化层可以任选地稍微延伸到精确成形的陶瓷体310的其他表面(例如，330a、330b和/或330c)上，但是不延伸以覆盖成形陶瓷体的大部分任何其他表面。
可用于本公开的实践的可磁化磨料颗粒具有陶瓷体，该陶瓷体具有设置在其至少一部分上的可磁化层，其中可磁化磨料颗粒的平均长宽比(即长度与厚度比)为至少3。在一些实施方案中，可磁化层覆盖陶瓷体，从而封闭陶瓷体。在陶瓷体成形(也包括精确成形)的实施方案中，磨料层可以设置在陶瓷体的主表面或侧壁上，并且任选地靠近陶瓷体的主表面或侧壁。
有利地，这种类型的可磁化磨料颗粒可以优先与磁场力线对齐，从而导致磁性层(并且优选还有可磁化磨料颗粒)的至少基本上平行取向。
另选地，使用从北向南对齐的两个间隔开的磁体，有可能在磁体之间提供均匀的磁场，从而允许所有可磁化磨料颗粒的平行取向。
可磁化层可以是整体可磁化材料(例如，蒸汽涂覆的可磁化金属)，或者它可以包括粘结剂基质中的可磁化颗粒。合适的粘结剂可以是玻璃质或有机的，例如，如下文对粘结剂基质所述。例如，粘结剂基质可以选自上文列出的那些玻璃质和有机粘结剂。陶瓷体可以是任何陶瓷材料(优选为陶瓷研磨材料)，例如选自下文列出的陶瓷(即，不包括金刚石)研磨材料。可磁化层可以通过任何合适的方法诸如例如浸涂、喷涂、涂漆和粉末涂覆设置在陶瓷体上。单独的可磁化磨料颗粒可具有可磁化层，其具有不同的覆盖程度和/或覆盖位置。
在可磁化层中使用的示例性可用的可磁化材料可包括：铁；钴；镍；以各种等级的Permalloy市售的各种镍和铁的合金；以Fernico、Kovar、FerNiCo I或FerNiCo II市售的各种铁、镍和钴的合金；以各种等级的Alnico市售的铁、铝、镍、钴并且有时还有铜和/或钛的各种合金；以Sendust alloy市售的铁、硅和铝的合金(通常约85:9:6重量比)；Heusler合金(例如，Cu2MnSn)；锰铋(也称为Bismanol)；稀土可磁化材料诸如钆、镝、钬、氧化铕、钕、铁和硼的合金(例如Nd2Fe14B)以及钐和钴的合金(例如SmCo5)；MnSb；MnOFe2O3；Y3Fe5O12；CrO2；MnAs；铁氧体诸如铁氧体、磁铁矿等；锌铁氧体；镍铁氧体；钴铁氧体、镁铁氧体、钡铁氧体和锶铁氧体；钇铁石榴石；以及前述的组合，但不限于这些。在一些优选的实施方案中，可磁化材料包含选自铁、镍和钴的至少一种金属、两种或更多种此类金属的合金或至少一种此类金属与至少一种选自磷和锰的元素的合金。在一些优选的实施方案中，可磁化材料是含有8重量％至12重量％(wt.％)铝、15重量％至26重量％铝、5重量％至24重量％钴、高达6重量％铜、高达1重量％钛的合金，其中添加高达100重量％的材料余量是铁。
在一些实施方案中，可以使用气相沉积技术诸如例如包括磁控溅射的物理气相沉积(PVD)沉积可磁化层。各种颗粒的PVD金属化公开在例如美国专利4,612,242(Vesley)和7,727,931(Brey等人)中。通常可以这种通用方式制备金属可磁化层。
在一些实施方案中，可磁化层包括保留可磁化颗粒的粘结剂。粘结剂可以是无机的(例如，玻璃质的)或基于有机树脂的，并且通常由相应的粘结剂前体形成。
玻璃质粘结剂可由包含一种或多种原料的混合物或组合的前体组合物制备，该原料在加热至高温时熔融和/或熔融以形成整体的玻璃质粘结剂基质。玻璃质粘结剂可以例如由玻璃料形成。玻璃料是在用作用于形成可磁化附聚磨料颗粒的玻璃质粘结剂的玻璃质粘结剂前体组合物之前已经预烧制的组合物。
如本文所用，术语“玻璃料”是材料的通用术语，该材料通过充分共混包含一种或多种玻璃料形成组分的混合物，然后将混合物加热(也称为预烧制)到至少高到足以将其熔化的温度；冷却所得的玻璃并将其压碎。然后可将压碎的材料筛分至非常细的粉末。
用于玻璃质粘结剂的合适玻璃和用于制备玻璃质粘结剂的玻璃料的示例包括石英玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃及其它们的组合。二氧化硅玻璃通常由100重量％的二氧化硅构成。在一些实施方案中，玻璃质粘结剂是包含金属氧化物或准金属氧化物的玻璃，例如氧化铝、氧化硅、氧化硼、氧化镁、氧化钠、氧化锰、氧化锌、氧化钙、氧化钡、氧化锂、氧化钾、氧化钛、可以表征为颜料的金属氧化物(例如，氧化钴、氧化铬和氧化铁)以及它们的混合物。
基于玻璃质粘结剂和/或玻璃质粘结剂前体的总重量，玻璃质粘结剂和/或玻璃质粘结剂前体的合适范围的示例包括：25重量％至90重量％、优选35重量％至85重量％的SiO2；0至40重量％、优选0至30重量％的B2O3；0至40重量％、优选5重量％至30重量％的Al2O3；0至5重量％、优选0至3重量％的Fe2O3；0至5重量％、优选0至3％重量的TiO2；0至20重量％、优选0至10重量％的CaO；0至20重量％、优选1重量％至10重量％的MgO；0至20重量％、优选0至10重量％的K2O；0至25重量％、优选0至15重量％的Na2O；0至20重量％、优选0至12重量％的Li2O；0至10重量％、优选0至3重量％的ZnO；0至10重量％、优选0至3重量％的BaO；0至5重量％、优选0至3重量％的金属氧化物(例如CoO、Cr2O3或其它颜料)。
可用于形成玻璃质粘结剂的玻璃料还可含有玻璃料粘结剂(例如，长石、硼砂、石英、苏打灰、氧化锌、白垩、三氧化锑、二氧化钛、氟硅酸钠、燧石、冰晶石、硼酸以及它们的组合)和其它矿物(例如，粘土、高岭土、硅灰石、石灰石、白云石、白垩以及它们的组合)。
可磁化磨料颗粒中的玻璃质粘结剂可以例如基于所需的热膨胀系数(CTE)来选择。一般来讲，玻璃质粘结剂和磨料颗粒具有相似的CTE是可用的，例如彼此的±100％、50％、40％、25％或20％。熔凝氧化铝的CTE通常为约8×10-6/开尔文(K)。玻璃质粘结剂可被选择成具有的CTE为在4×10-6/K至16×10-6/K的范围内。用于制备合适的玻璃质粘结剂的玻璃料的示例例如以F245从俄亥俄州卡罗尔顿的辐深陶瓷(Fusion Ceramics,Carrollton,Ohio)商购获得。
在制造期间，粉末形式的玻璃质粘结剂前体可以与临时粘结剂混合，临时粘结剂通常是有机粘结剂(例如淀粉、蔗糖、甘露糖醇)，其在烧制玻璃质粘结剂前体期间烧尽。
有机粘结剂(例如，交联的有机聚合物)通常通过固化(即交联)树脂状有机粘结剂前体来制备。合适的有机粘结剂前体的示例包括可热固化的树脂和可辐射固化的树脂，其可以例如通过热和/或通过暴露于辐射来固化。示例性有机粘结剂前体包括胶、酚醛树脂、氨基塑料树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂(例如，具有α、β-不饱和基团侧链的氨基塑料树脂、丙烯酸酯化的氨基甲酸酯、丙烯酸酯化的环氧树脂、丙烯酸酯化的异氰脲酸酯)、丙烯酸单体/低聚物树脂、环氧树脂(包括双马来酰亚胺和芴改性的环氧树脂)、异氰脲酸酯树脂、它们的组合。固化剂诸如热引发剂、催化剂、光引发剂、硬化剂等可以添加到有机粘结剂前体中，通常根据所选择的树脂体系选择并以有效量加入。
玻璃质粘结剂的烧制/烧结可以使用本领域已知的技术在例如窑炉或管式炉中进行。固化有机粘结剂前体的条件可包括使用本领域已知的技术在烘箱中或用红外辐射和/或光化辐射(例如，在光引发固化的情况下)加热。
可用作陶瓷体的可用的研磨材料包括例如熔融氧化铝、热处理氧化铝、白色熔融氧化铝、陶瓷氧化铝材料诸如可从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company of St.Paul,Minnesota)以3M CERAMIC ABRASIVE GRAIN商购获得的那些、黑色碳化硅、绿色碳化硅、二硼化钛、碳化硼、碳化钨、碳化钛、立方氮化硼、石榴石、熔融氧化铝氧化锆、溶胶凝胶衍生陶瓷(例如掺杂氧化铬、二氧化铈、氧化锆、二氧化钛、二氧化硅和/或氧化锡的氧化铝陶瓷)、二氧化硅(例如，石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)、长石或燧石。溶胶-凝胶衍生的粉碎的陶瓷颗粒的示例可见于美国专利4,314,827(Leitheiser等人)、4,623,364(Cottringer等人)、4,744,802(Schwabel)、4,770,671(Monroe等人)和4,881,951(Monroe等人)中。
关于制备适合的陶瓷体或用作陶瓷体的溶胶-凝胶衍生的陶瓷颗粒的方法的进一步细节可见于例如美国专利No.4,314,827(Leitheiser)、5,152,917(Pieper等人)、5,213,591(Celikkaya等人)、5,435,816(Spurgeon等人)、5,672,097(Hoopman等人)、5,946,991(Hoopman等人)、5,975,987(Hoopman)等人和6,129,540(Hoopman等人)中并且见于美国公开专利申请2009/0165394 A1(Culler等人)和2009/0169816 A1(Erickson等人)中。
陶瓷体可以是成形的(例如，精确成形的)或随机的(例如，粉碎的)。成形的磨料颗粒和精确成形的陶瓷体可以通过使用溶胶凝胶技术的模塑方法来制备，如美国专利5,201,916(Berg)、5,366,523(Rowenhorst(Re 35,570))和5,984,988(Berg)中所述。美国专利8,034,137(Erickson等人)描述了已形成特定形状的氧化铝颗粒，然后将其粉碎以形成碎片，该碎片保持其初始形状特征结构的一部分。在一些实施方案中，陶瓷体是精确成形的(即，陶瓷体具有至少部分地由用于制备它们的生产工具中的腔的形状确定的形状)。
陶瓷体的示例性形状包括压碎的金字塔(例如，3-面、4-面、5-面或6-面金字塔)、截棱锥体(例如，3-面、4-面、5-面或6-面截棱锥体)、锥体、截头锥体、杆(例如，圆柱形、蠕虫状)和棱镜(例如，3-面、4-面、5-面或6-面棱镜)。
关于此类陶瓷体的细节及其制备方法可见于例如美国专利8,142,531(Adefris等人)、8,142,891(Culler等人)和8,142,532(Erickson等人)中，和美国专利申请公布2012/0227333(Adefris等人)、2013/0040537(Schwabel等人)和2013/0125477(Adefris)中。
根据本公开的可磁化磨料颗粒和/或陶瓷体可以根据磨料行业认可的规定标称等级被独立地按尺寸分类。示例性磨料行业公认的分级标准包括由ANSI(美国国家标准学会)、FEPA(欧洲研磨产品制造商联合会)和JIS(日本工业标准)颁布的那些标准。ANSI等级标号(即规定的标称等级)包括例如：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI 24、ANSI 36、ANSI 46、ANSI 54、ANSI 60、ANSI 70、ANSI 80、ANSI 90、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI 600。FEPA等级标号包括F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12、F14、F16、F18、F20、F22、F24、F30、F36、F40、F46、F54、F60、F70、F80、F90、F100、F120、F150、F180、F220、F230、F240、F280、F320、F360、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200、F1500和F2000。JIS等级标号包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10,000。
另选地，可磁化磨料颗粒可利用符合ASTM E-11“Standard Specification forWire Cloth and Sieves for Testing Purposes(用于测试目的的筛布和筛的标准规格)”的U.S.A.Standard Test Sieves(美国标准试验筛)被分级为标称筛选等级。ASTME-11规定了测试筛的设计和构造需求，该测试筛使用安装在框架中的织造筛布的介质根据指定的粒度对材料进行分类。典型名称可以表示为-18+20，其意指可磁化磨料颗粒可通过符合18目筛的ASTM E-11规范的试验筛，并且保留在符合20目筛的ASTME-11规范的试验筛上。在一个实施方案中，粉碎磨料颗粒具有这样的颗粒尺寸：由此使得大部分颗粒通过18目试验筛并且可保留在20目、25目、30目、35目、40目、45目或50目试验筛上。在各种实施方案中，粉碎的磨料颗粒可具有以下的标称筛选等级：-18+20、-20/+25、-25+30、-30+35、-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。另选地，可使用诸如-90+100的定制目尺寸。
可用的背衬的示例包括薄膜、泡沫(开孔或闭孔)、纸、箔和织物。背衬可以是例如包括热塑性聚合物的热塑性薄膜，该薄膜可以包含各种添加剂。合适的添加剂的示例包括着色剂、加工助剂、增强纤维、热稳定剂、紫外线稳定剂和抗氧化剂。可用的填料的示例包括粘土、碳酸钙、玻璃珠、滑石粉、黏土、云母、木屑和炭黑。背衬可以是复合膜，例如具有两个或更多个分立层的共挤薄膜。
适合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(如聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚酰胺(如尼龙-6和尼龙-6,6)、聚酰亚胺、聚碳酸酯以及它们的组合物和共混物。
通常，背衬的平均厚度为在至少1密耳(25微米)至100密耳(2.5mm)的范围内，但也可以采用该范围以外的厚度。
磨料层包括成形的磨料复合物，每个包含分散在有机粘结剂中的可磁化磨料颗粒。结构化磨料层可以是连续的或不连续的层，例如，它可以具有不含成形的磨料复合物的区域。
通常，根据预定的图案或阵列将成形的磨料复合物布置在背衬上，但这不是必需的。成形的磨料复合物可以具有基本上相同的形状和/或尺寸，或为各种形状和/或尺寸的磨料复合物的混合物。通常，磨料层中的基本上所有成形的磨料复合物具有相同的尺寸和形状，允许制造公差(例如，相对于一些成形的磨料复合物的缺失部分或可存在的多余材料)，但是不同的形状和尺寸也是可允许的。
在优选的实施方案中，成形的磨料复合物是“精确成形的磨料复合物”，但这不是必需的。这意指精确成形的磨料复合物由相对光滑的经表面处理的侧面所限定，该侧面由界限清楚、具有明显端点长度的截然不同的边缘加以界定和接合，这些端点由不同侧面的交线所限定。术语“界定”和“边界”指限制和限定每种精确成形的磨料复合物的实际三维形状的每种复合物的暴露的表面和边缘。当在扫描电子显微镜下观察磨料制品的横截面时，可容易地看见和辨别这些边界。这些边界将一个精确成形的磨料复合物与其他精确成形的磨料复合物分开并区分，即使这些复合物在其底表面处沿公共边相互邻接也不例外。通过比较，在没有精确形状的成形的磨料复合物中，边界和边缘不是界限分明的(例如，在磨料复合物在其固化完成之前下陷的情况下)。
磨料层包括成形的磨料复合物，优选包括至少一些精确成形的磨料复合物，但这不是必需的。各个成形的磨料复合物可以具有相同的尺寸和/或形状，但是它们可以是不同的。在一些实施方案中，它们可具有不同的尺寸和/或形状。
在一些实施方案中，磨料层中的成形的磨料复合物基本上(即，由于制造缺陷而不是形状)由成形的磨料复合物组成。如本文所用，术语“制造缺陷”是指成形的磨料复合物的表面形状中的无意凹陷、气隙或气泡，其通常在位置和/或尺寸上从一个成形的磨料复合物变化到下一个。通过观察磨料制品中许多成形的磨料复合物的整体形状和图案，当比较磨料层中的各个成形的磨料复合物时，成形的磨料复合物缺陷是容易辨别的。
成形的(包括精确成形的)磨料复合物可以是任何三维形状，其导致磨料层的暴露表面上的凸起特征部或凹陷部中的至少一个。可用的形状包括例如立方体、棱镜形、锥体(例如，三角锥形、正方形锥形或六角锥形)、截棱锥体(例如，三角形、正方形或六边形截棱锥体)、圆锥形和截头圆锥形。也可以使用不同形状和/或尺寸的磨料复合物的组合。结构化磨料的磨料层可以是连续的或不连续的。
成形的磨料复合物可包括紧密堆积的阵列；然而，分离成形的磨料复合物以控制结构化磨料制品的承载面积可以是有用的。如本文所用，术语“承载面积”(以百分比表示)是指所有成形的磨料复合物的所有底表面的组合面积除以背衬的第一表面的总面积。通常，承载面积为在10％至100％的范围内、更通常在15％至60％的范围内、更通常在20％至50％的范围内，但这不是必需的。例如，通过在各个成形的磨料复合物之间或在成形的磨料复合物的紧密堆积阵列之间包括通道，可以实现的承载面积为小于100％。
对于精加工应用，成形的磨料复合物的高度通常为大于或等于1微米且小于或等于20密耳(510微米)；例如，小于15密耳(380微米)、10密耳(250微米)、5密耳(130微米)、2密耳(50微米)或甚至小于1密耳(25微米)，但是也可以使用更大和更小的高度。
对于精加工应用，磨料层中的成形的磨料复合物的面密度典型地在这样的范围内：从每平方英寸至少1000个、10000个或甚至至少20000个成形磨料复合物(例如，每平方厘米至少150个、1500个或甚至310个成形磨料复合物)高达(并且包括)每平方英寸50000个、70000个或甚至多达100000个成形磨料复合物(每平方厘米7800个、11000个或甚至多达15000个成形磨料复合物)，但也可以采用密度更大或更小的成形磨料复合物。
在适于精加工的实施方案中，可磁化磨料颗粒优选具有的平均颗粒尺寸为小于或等于120微米，但是也可使用该范围之外的平均颗粒尺寸。对于修复和精加工应用，可磁化磨料颗粒的有用的磨料颗粒尺寸和任选的稀释剂不可磁化磨料颗粒(如果存在的话)的平均颗粒尺寸通常为在至少0.01微米、1微米、3微米或甚至5微米高达(并且包括)35微米、100微米、250微米、500微米或甚至多达1500微米的范围内。
可磁化磨料颗粒分散在有机粘结剂中，该粘结剂可以是热塑性的和/或交联的。这通常通过在合适的固化剂(例如光引发剂、热固化剂和/或催化剂)存在的情况下将磨料颗粒分散在粘结剂前体中来实现。
可磁化磨料颗粒可与任选的不可磁化磨料颗粒(例如，相当于上文讨论的陶瓷体、粉碎磨料颗粒和/或金刚石)和/或填料颗粒组合。
用于成形的磨料复合物的合适的有机粘结剂可以与可用于上文所述的可磁化层的有机粘结剂相同或不同。可用于磨料复合物的适合的有机粘结剂的示例包括酚醛、氨基塑料、氨基甲酸酯、环氧树脂、丙烯酸树脂、氰酸酯、异氰脲酸酯、胶水以及它们的组合。
成形的磨料复合材料可以在磨料制品的生产期间“原位”生产，或者另选地，成形的磨料复合颗粒可以在第一操作中生产并在第二操作中粘附到背衬。成形的磨料复合物通常包含约20重量％至40重量％的粘结剂、约20重量％至60重量％的磨料颗粒、约10重量％至40重量％的水不溶性金属硅酸盐颗粒和约0.01重量％至2.5重量％的偶联剂，然而也可以使用其它量。更优选地，磨料复合物基本上由约30重量％至35重量％的粘结剂、约35重量％至50重量％的磨料颗粒、约15重量％至30重量％的水不溶性金属硅酸盐颗粒和约1重量％至2重量％的偶联剂组成。
通常，有机粘结剂通过交联(例如，至少部分固化和/或聚合)有机粘结剂前体来制备。用于成形磨料复合物的合适的有机粘结剂前体可以与可用于上文所述的可磁化层的有机粘结剂前体相同或不同。在结构化磨料制品的制造期间，有机粘结剂前体可以暴露于能量源，该能量源有助于引发有机粘结剂前体的聚合(通常包括交联)。能量源的示例包括热能和辐射能，其包括电子束、紫外光和可见光。在电子束能量源的情况下，不一定需要固化剂，因为电子束本身产生自由基。
在该聚合过程之后，将有机粘结剂前体转化为固化的有机粘结剂。另选地，对于热塑性有机粘结剂前体，在磨料制品的制造期间，将热塑性有机粘结剂前体冷却至导致有机粘结剂前体固化的程度。在粘结剂前体凝固时，形成磨料复合物。
存在两类主要的可聚合树脂，其可优选包括在有机粘结剂前体、可缩聚树脂和可加成聚合树脂中。由于加成聚合树脂通过暴露在辐射能下容易进行固化，因而较为有利。加成聚合的树脂可以例如通过阳离子机理或自由基机理聚合。根据所使用的能源和粘结剂前体化学性质，固化剂、引发剂或催化剂可用于帮助引发聚合。
典型的粘结剂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。
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为大于或等于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为小于1:1。可商购获得的酚醛树脂的示例包括下述已知商品名的那些：“DUREZ”和“VARCUM”，得自德克萨斯州达拉斯的西方化学公司(Occidental Chemicals Corp.,Dallas,Texas)；“RESINOX”，得自密苏里州圣路易斯的孟山都公司(Monsanto Co.,Saint Louis,Missouri)；以及“AEROFENE”和“AROTAP”，得自俄亥俄州都柏林的亚什兰专用化学品公司(Ashland Specialty Chemical Co.,Dublin,Ohio)。
(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CMD 6600、CMD 8400和CMD 8805得自新泽西州西帕特森的氰特工业公司(Cytec Industries,West Paterson,New Jersey)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CMD 3500、CMD3600和CMD 3700得自氰特工业公司(Cytec Industries)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化合物和聚合物化合物两者。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的分子量为低于约4,000克/摩尔，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。烯键式不饱和可自由基聚合化合物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和季戊四醇四硬脂酸酯。其它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。这些材料在美国专利4,903,440和5,236,472(均授予Kirk等人)中进一步描述。
具有至少一个丙烯酸基支链的异氰脲酸酯衍生物和具有至少一个丙烯酸基支链的异氰酸酯衍生物在美国专利4,652,274(Boettcher等人)中被进一步描述。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。可用的环氧树脂的示例包括2,2-双[4-(2,3-环氧丙氧基)-苯丙烷](双酚的二缩水甘油醚)和下述材料：EPON 828、EPON 1004和EPON 1001F，得自俄亥俄州哥伦布的迈图特种化学品公司(Momentive SpecialtyChemicals,Columbus,Ohio)；以及DER-331、DER-332和DER-334，得自密歇根州米德兰的陶氏化学公司(Dow Chemical Co.,Midland,Michigan)。其它合适的环氧树脂包括苯酚甲醛酚醛清漆的缩水甘油醚，其以商品名DEN-431、DEN-428购自陶氏化学公司(Dow ChemicalCo.)。
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它固化剂(例如，胺硬化剂和胍)。
其它阳离子固化剂包括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，所述固化剂在美国专利4,751,138(Tumey等人)中进一步描述。另一个示例是有机金属盐和鎓盐，其在下述文献中有所描述：美国专利4,985,340(Palazzotto等人)、美国专利5,086,086(Beardsley等人)和美国专利5,376,428(Palazzotto等人)。其它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第IVB、VB、VIB、VIIB和VIIIB族元素。
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。
当暴露在光化学电磁辐射中时,产生自由基源的化合物通常称为光引发剂。光引发剂的示例包括：苯偶姻及其衍生物诸如α-甲基苯偶姻；α苯基苯；α烯丙基苯偶姻；α-benzylbenzoin；苯偶姻醚，诸如苯偶酰二甲基缩酮(可以IRGACURE 651从纽约州塔里敦的汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemicals,Tarrytown,NY)商购获得)、苯偶姻甲基醚、苯偶姻乙基醚、苯偶姻正丁基醚；苯乙酮及其衍生物，诸如，2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(可以DAROCUR 1173得自汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemicals))和1-羟基环己基苯基酮(可以IRGACURE 184得自汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemicals))；2-甲基-1-[4-(甲硫基)苯基]-2-(4-吗啉基)-1-丙酮(可以IRGACURE 907得自汽巴精化公司(CibaSpecialty Chemicals))；2-苄基-2-(二甲基氨基)-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮(可以IRGACURE 369得自汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemicals))；其它可用的光引发剂包括例如：新戊偶姻乙醚、茴香偶姻乙醚、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(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CGI 784DC得自汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemicals))；卤代硝基苯(例如4-溴甲基硝基苯)、单-和双-酰基膦(例如，均以商品名IRGACURE 1700、IRGACURE 1800、IRGACURE1850和DAROCUR 4265来自汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemicals))。可使用光引发剂的组合。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。
为了促进上述粘结剂和磨料颗粒之间的联接，可以在磨料颗粒和有机粘结剂前体的浆料中包含硅烷偶联剂；通常，含量为约0.01重量％至5重量％、更典型地量为约0.01重量％至3重量％、更典型地量为约0.01重量％至1重量％，虽然也可使用其它量，例如取决于磨料颗粒的尺寸。合适的硅烷偶联剂包括例如甲基丙烯酰氧基丙基硅烷、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-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷和γ-巯基丙基三甲氧基硅烷(例如，分别以商品名A-174、A-151、A-172、A-186、A-187和A-189购自康涅狄格州格林威治的维特克公司(Witco Corp.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(United Chemical Industries,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混合物。
有机粘结剂前体可任选地含有添加剂诸如着色剂、助磨剂、填料、润湿剂、分散剂、光稳定剂和抗氧化剂。
通过粘结剂前体可任选地包含在磨料层中的助磨剂包括多种不同的材料，其包括有机化合物和无机化合物两者。作为助磨剂有效的化合物样品包括蜡、有机卤化物、卤化物盐、金属和金属合金。作为助磨剂有效的特定蜡具体但非排它地包括卤代蜡四氯萘和五氯萘。其它有效的助磨剂包括卤化热塑性塑料、磺化热塑性塑料、蜡、卤化蜡、磺化蜡及它们的混合物。作为助磨剂有效的其它有机材料包括但不限于聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯。通常作为助磨剂有效的卤化物盐的示例包括氯化钠、钾冰晶石、钠冰晶石、铵冰晶石、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾和氯化镁。用作助磨剂的卤化物盐通常具有的平均粒度为小于100微米，小于25微米的颗粒是优选的。通常作为助磨剂有效的金属的示例包括锑、铋、镉、钴、铁、铅、锡和钛。其它常用的助磨剂包括硫、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。也可以使用这些助磨剂的组合。
任选的超大尺寸(如果存在的话)设置在磨料层的至少一部分上。例如，超大尺寸可以仅设置在成形的磨料复合物上(例如，在它们的顶表面上)，但是它也可以设置在通道上。超级化合物的示例包括选自由以下项构成的组的一种或多种化合物：辅助助磨剂诸如碱金属四氟硼酸盐、脂肪酸金属盐(例如硬脂酸锌或硬脂酸钙)和磷酸酯(例如磷酸二氢钾)、磷酸酯、脲-甲醛树脂、矿物油、交联硅烷、交联硅氧烷和/或含氟化合物的盐；纤维材料；抗静电剂；润滑剂；表面活性剂；颜料；染料；偶联剂；增塑剂：抗增塑剂；剥离剂；悬浮剂；流变改性剂；固化剂；以及它们的混合物。辅助助磨剂优选选自由以下项构成的组：氯化钠、六氟化铝钾、六氟化铝钠、六氟化铝铵、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾、氯化镁以及它们的混合物。
在一些实施方案中，一种或多种脂肪酸金属盐(例如硬脂酸锌)可以有用地包括在超大尺寸中。
结构化磨料制品可任选地包括附接界面层诸如例如固定到背衬上的钩状薄膜、环状织物或压敏粘合剂，其在使用期间将结构化磨料制品固定到工具或支持垫上。
可用的压敏粘合剂(PSA)包括例如热熔PSA、溶剂基PSA和基于胶乳的PSA。压敏粘合剂可广泛商购获得；例如，来自3M公司(3M Company)。PSA层(如果存在的话)可以任何合适的技术涂覆到背衬上，该技术包括例如喷涂、刮涂和挤出涂覆。在一些实施方案中，剥离衬垫可以设置在压敏层上以在使用前保护它。隔离衬垫的示例包括聚烯烃薄膜和硅化纸。
通过形成磨料颗粒的浆料，该磨料颗粒包含可磁化磨料颗粒和任选的不可磁化磨料颗粒以及上述粘结剂树脂的可凝固或可聚合前体(即粘结剂前体)，使浆料与背衬(或者如果存在的话，任选的粘合剂层)接触，使用外部磁场使可磁化磨料颗粒至少部分地取向，并且以这样的方式使粘结剂前体至少部分地固化(例如，通过暴露于能量源)，由此使得所得到的结构化磨料制品具有固定到背衬上的多个成形的磨料复合物，可制备根据本公开的结构化磨料制品。能量源的示例包括热能和辐射能(包括电子束、紫外光和可见光)。
磁场可以由一个或多个永磁体(例如，稀土磁体)和/或电磁体提供。通常，有机粘结剂前体的粘度和固化前在磁场中的停留时间足以允许可磁化磨料颗粒至少部分地与磁力线对齐。在优选实施方案中，取向发生在两个磁体之间，其中磁力之间的磁力线是均匀的。在优选的实施方案中，有机粘结剂前体的至少一些固化发生在成形的磨料复合物前体仍处于该磁场区域中以便固定取向时；然而，可以在对齐磁场之外部分或完全地进行固化。通常，可磁化颗粒将倾向于与它们的可磁化层对齐，所述可磁化层基本上与所施加的磁力线纵向对齐。
在一个实施方案中，在有机粘结剂前体中包含可磁化磨料颗粒和任选的不可磁化磨料颗粒的磨料颗粒的浆料可以直接涂覆到在其中具有成形的腔体(优选地，腔体由以锐角相交的平面表面形成)的生产工具上，并且与背衬接触(或者如果存在的话，任选的粘合剂层)，或者涂覆在背衬上并且与生产工具接触。然后通过施加的磁场对可磁化磨料颗粒进行取向(在其他实施方案中，取向可以在使背衬与浆料/模具表面接触之前)，并且使其至少部分地固化以形成设置在背衬的主表面上并仍然在生产工具的模具表面的腔体内的成形磨料复合物。在该实施例中，当浆料在生产工具腔体内时，它通常固化(例如，至少部分地固化)。最后，将成形的磨料复合物与生产工具分离，从而提供根据本发明的结构化磨料制品。
生产工具可以是带、薄板、连续的薄板或幅材、涂布辊(诸如轮转凹版辊)、安装在涂布辊上的套筒或模具。生产工具可以由金属(例如镍)、金属合金或塑料构成。金属生产工具可以采用任何常规的技术进行加工，诸如(例如)雕刻、抛光、电铸或金刚石车削。热塑性工具可以由金属母模工具复制而成。母模工具将具有生产工具所需的反向图案。母模工具可以与生产工具相同的方式制成。母版工具优选地由金属(如镍)经金刚石车削而成。可将热塑性片状材料连同母模工具一起加热，由此使得通过将二者压制在一起而在热塑性材料上压印出母模工具图案。也可以将热塑性材料挤出或浇注到母模工具上，然后再挤压。冷却热塑性材料以使其硬化，从而制得生产工具。热塑性生产工具材料的实例包括聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯以及它们的组合。如果使用热塑性生产工具，则通常应当小心，不要产生可以导致热塑性生产工具变形的过度热量。
生产工具还可以包括脱模涂层，以允许磨料制品更容易从生产工具上脱离。用于金属工具的这类剥离涂层的实例包括硬质碳化物、氮化物或硼化物涂层。用于热塑性工具的剥离涂层的实例包括有机硅和含氟化合物涂层。
有关具有精确成形的磨料复合物的结构化磨料制品的制备方法的附加细节可见于例如下述文献中：美国专利5,152,917(Pieper等人)、美国专利5,435,816(Spurgeon等人)、美国专利5,672,097(Hoopman)、美国专利5,681,217(Hoopman等人)、美国专利5,454,844(Hibbard等人)、美国专利5,851,247(Stoetzel等人)和美国专利6,139,594(Kincaid等人)。
在另一个实施例中，可以通过图案化的方式(例如，通过丝网印刷或凹版印刷)将含有粘结剂前体和磨粒的浆料沉积在背衬上，并且部分地聚合，以使得至少所涂布的浆料的表面呈塑性但不流动。然后，在部分聚合的浆料制剂上压印出图案，随后对其进行进一步的固化(例如，通过暴露在能量源中)以形成附连到背衬的多种成形的磨料复合物。有关该方法及其相关方法的另外细节在例如下述文献中有所描述：美国专利5,833,724(Wei等人)、5,863,306(Wei等人)、5,908,476(Nishio等人)、6,048,375(Yang等人)、6,293,980(Wei等人)、7,491,251(Welygan等人)和美国专利申请公布2001/0041511(Lack等人)。
根据本公开的结构化磨料制品可以固定到支承结构上，诸如例如固定到工具诸如圆板摆动式砂光机上的支持垫。任选的附接界面层可以是例如：粘合剂(例如，压敏粘合剂)层；双面胶带；套环织物，其用于钩环附件(如用于与其上固定有钩状结构的支持垫或支撑垫配合使用)；钩状结构，其用于钩环附件(如用于与其上固定有套环织物的支持垫或支撑垫配合使用)；或互相啮合的附接中间层(如蘑菇状互锁紧固件，其被设计用于与支持垫或支撑垫上的蘑菇状互锁紧固件相啮合)。关于此类附接界面层的进一步细节可见于例如下述文献：美国专利5,152,917(Pieper等人)、5,254,194(Ott)、5,454,844(Hibbard等人)、5,681,217(Hoopman等人)和美国专利申请公布2003/0143938(Braunschweig等人)和2003/0022604(Annen等人)。
同样，背衬的第二主表面可具有多个从其上凸起的整体地形成的吊钩，例如，在美国专利5,672,186(Chesley等人)中有所描述。这些吊钩将使结构化磨料制品和其上附连有套环织物的支持垫之间形成接合。
根据本公开的结构化磨料制品可以任何形状(例如，薄板、带状或圆盘)设置，并且可具有任何整体尺寸。压印的结构化磨盘可以具有任何直径，但其直径典型地为在0.5厘米至15.2厘米的范围内。结构化磨料制品中可以具有狭槽或狭缝，并且还可以具有穿孔。
根据本公开的结构化磨料制品通常可用于研磨工件，尤其是那些其上具有硬化聚合物层的工件。工件可包括任何材料并可具有任何形式。工件材料的示例包括金属、金属合金、异金属合金、陶瓷、涂漆的表面、塑料、聚合物涂层、石头、多晶硅、木材、大理石以及它们的组合。工件的示例包括模制和/或成形的制品(例如光学透镜、汽车车身面板、船壳、柜台和水槽)、晶片、薄板和块状体。
在研磨操作期间，润滑流体可与结构化磨料制品结合使用。示例包括水中的油、水和表面活性剂溶液(例如，水中的阴离子或非离子表面活性剂溶液)。
本公开的精选实施方案
在第一实施方案中，本公开提供了一种结构化磨料制品，其包括设置在背衬主表面上并且固定到其上的多个成形的磨料复合物，其中成形的磨料复合物包括保留在有机粘结剂中的可磁化磨料颗粒，其中，在各自的基础上，可磁化磨料颗粒中的每一个具有陶瓷体，该陶瓷体在其至少一部分上设置有可磁化层。
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结构化磨料制品，其中大部分可磁化磨料颗粒基本上垂直于背衬的主表面对齐。
在第三实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案或第二实施方案所述的结构化磨料制品，其中每个可磁化层基本上完全封闭相应的陶瓷体。
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结构化磨料制品，其中每个可磁化层基本上不完全封闭相应的陶瓷体。
在第五实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第四实施方案中任一项所述的结构化磨料制品，其中陶瓷体包含α氧化铝。
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结构化磨料制品，其中陶瓷体是精确成形的陶瓷体。
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结构化磨料制品，其中成形的磨料复合物包含精确成形的磨料复合物。
在第八实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第七实施方案中任一项所述的结构化磨料制品，其中成形的磨料复合物是锥体的。
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结构化磨料制品，其中成形的磨料复合物是紧密堆积的。
在第十实施方案中，本公开提供根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的结构化磨料制品，其中可磁化磨料颗粒具有的平均长宽比为至少3。
在第十一实施方案中，本公开提供了一种制备结构化磨料制品的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供具有模具表面的生产工具，该模具表面限定多个精确成形的腔体；
b)用包含分散在可固化有机粘结剂前体材料中的可磁化磨料颗粒的浆料填充至少大部分所述精确成形的腔体，其中，在各自的基础上，可磁化磨料颗粒各自包括陶瓷体，其具有设置在其至少一部分上的可磁化层，其中可磁化磨料颗粒的平均长宽比为至少3；
c)在将浆料设置在至少大部分精确成形的腔体内时，使背衬的主表面与生产工具的模具表面接触；
d)使用磁场使可磁化磨料颗粒取向；
e)使可固化有机粘结剂前体材料至少部分地固化，以形成设置在背衬的主表面上的成形的磨料复合物；以及
f)将成形的磨料复合物与生产工具分离。
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方法，其中步骤d)和e)同时执行。
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方法，其中步骤d)和e)依次执行。
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方法，其中可磁化磨料颗粒包括陶瓷体，其具有外表面，该外表面具有设置在其至少一部分上的可磁化层。
在第十五实施方案中，本公开提供了一种制备结构化磨料制品的方法，该方法包括以下步骤：
a)使背衬的主表面与可延展组合物接触，可延展组合物包含分散在可固化有机粘结剂前体中的可磁化磨料颗粒，其中，在各自的基础上，可磁化磨料颗粒各自包括陶瓷体，其具有设置在其至少一部分上的可磁化层，其中可磁化磨料颗粒的平均长宽比为至少3；
b)使用磁场使可磁化磨料颗粒取向；
c)使可固化有机粘结剂前体至少部分地固化，以形成设置在背衬的主表面上的成形的磨料复合物；
在第十六实施方案中，本公开提供了根据第十五实施方案所述的方法，其中步骤a)和b)同时执行。
在第十七实施方案中，本公开提供了根据第十五实施方案所述的方法，其中步骤b)和c)同时执行。
在第十八实施方案中，本公开提供了根据第十五实施方案所述的方法，其中步骤a)和b)依次执行。
在第十九实施方案中，本公开提供了根据第十五实施方案所述的方法，其中步骤b)和c)依次执行。
在第二十实施方案中，本公开提供了根据第十五实施方案至第十九实施方案中任一项所述的方法，其中陶瓷体是精确成形的陶瓷体。
通过以下非限制性实施例，进一步示出了本公开的目的和优点，但在这些实施例中引用的具体材料及其量以及其它条件和细节不应当视为对本公开的不当限制。
实施例
除非另有说明，否则实施例及本说明书的其余部分中的所有份数、百分比、比等均以重量计。
除非另外说明，否则所有其它试剂均得自或购自精细化学品供应商诸如密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Company,St.Louis,Missouri)，或者可通过已知的方法合成。
实施例中使用的材料描述于下表1中。
表1
可磁化磨料颗粒的制备
使用物理气相沉积和磁控溅射，用304不锈钢涂覆SAP，304不锈钢溅射靶(由Barbee等人在Barbee et al.in Thin Solid Films,1979,vol.63,pp.143-150(固体薄膜，1979年，第63卷，第143-150页)中所述)沉积为磁性铁素体中心立方体形式。用于制备304不锈钢薄膜涂覆的磨料颗粒(即可磁化磨料颗粒)的设备公开在美国专利8,698,394(McCutcheon等人)中。将550克SAP置于颗粒搅拌器中，该搅拌器公开在美国专利7,727,931(Brey等人，第13栏，第60行)中。到搅拌器壁的叶片端部间隙距离为1.7mm。在1.0千瓦下在10毫托(1.33帕斯卡)的氩溅射气压下物理气相沉积到SAP上进行4小时。涂覆的SAP的密度为3.937克/立方厘米(未涂覆的SAP的密度为3.914克/立方厘米)。涂覆磨料颗粒中金属涂层的重量百分比为0.58％，并且涂层厚度为60纳米。
实施例1
使用机械混合器在24℃下将下述各项均匀分散1小时来制备磨料浆料：16.6份TMPTA、7.12份TATHEIC、0.84份SCA、0.24份PI、0.84份SIL、16.4份KBF4和58份涂覆的SAP(即可磁化磨料颗粒)。将所得浆料涂覆到具有锥形腔体的图案化聚丙烯工具中，其根据美国专利5,435,816(Spurgeon等人)的公开内容的第8列第41行到第10列第20行进行制备。图案化的聚丙烯工具的图案是四面锥体30密耳(1.02mm)高x90的阵列。5密耳(2.30mm)方形基座，其在特征部之间具有的着陆面积为16密耳(0.41mm)，并且特征部密度为64个特征部/平方英寸(9.92个特征部/平方厘米)。
浆料被填充到工具中，同时坐置在6英寸(15.2cm)直径×2英寸(5.1cm)厚的永磁钕磁体的表面上，其平均磁场为0.6特斯拉。乙烯丙烯酸涂底漆的聚酯薄膜(0.1mm厚，作为MAON70M从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,Saint Paul,Minnesota)获得)被放置在模具腔体的顶部上，并用塑料刮刀弄平滑，以在薄膜和树脂之间获得紧密接触和润湿。使样品经受最大强度为390纳米的UV光5分钟以固化。然后从磁体表面取出样品，并且从模具中取出固化样品。从固化的磨料制品的顶部(即，与背衬相对)拍摄光学显微镜照片(如图4所示)。该样品具有直立的95-100％的可磁化磨料颗粒。
实施例2
重复上述实施例1中所述的步骤，不同的是浆料被填充到工具中而不经受磁场的影响。从固化的磨料制品的顶部(即，与背衬相对)拍摄光学显微镜照片(如图5所示)。这证实该样品具有随机分布的颗粒取向。
比较例A
使用机械混合器在24℃下将下述各项均匀分散1小时来制备磨料浆料：16.6份TMPTA、7.12份TATHEIC、0.84份SCA、0.24份PI、0.84份SIL、16.4份KBF4和58份未涂覆的裸露的SAP。将所得浆料涂覆到实施方案1中使用的聚丙烯工具中。乙烯丙烯酸涂底漆的聚酯薄膜(0.1mm厚，作为MAON70M从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,Saint Paul,Minnesota)获得)被放置在模具腔体的顶部上，并用塑料刮刀弄平滑，以在薄膜和树脂之间获得紧密接触和润湿。使样品经受390纳米波长的UV光5分钟以固化。然后从工具中取出固化的样品。
性能测试
将得自实施例1和2以及比较例A的磨料制品转变成长度为6.0cm×15.2cm的薄片，并且使用如美国专利5,700,302(Stoetzel等人)的实施例中所述的“Rocker Drum Test(摇杆鼓测试)”进行测试。将这些样品安装在测试机的圆柱形钢鼓上，该圆柱形钢鼓以小弧度往复地振荡摇动，从而形成1.3cm×10.1cm磨损路径。摇杆鼓沿着磨损路径以每分钟大约60个循环(即，一个循环是一个来回运动)的速率振荡。磨料样品研磨了1.3cm×1.3cm×15.2cm的1018型碳钢工件，该工件相对于磨料样品保持静止。使用带有重物的杠杆臂将3.6千克的载荷施加到工件上。每100个循环测量工件的重量，以确定磨料每100个循环除去的材料量。总切削量被测量为在测试结束时的以克为单位的累积质量损失。性能结果记录在下面的表2中。
表2
以上获得专利证书的申请中所有引用的参考文献、专利和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公开而给出的前述说明不应理解为是对本公开范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式限定。

Claims (20)

1.一种结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括设置在背衬的主表面上并且固定到其上的多个成形的磨料复合物，其中所述成形的磨料复合物包括保留在有机粘结剂中的可磁化磨料颗粒，其中，在各自的基础上，所述可磁化磨料颗粒中的每一个具有陶瓷体，所述陶瓷体在其至少一部分上设置有可磁化层。
2.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中大部分所述可磁化磨料颗粒基本上垂直于所述背衬的所述主表面对齐。
3.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中每个可磁化层基本上完全封闭相应的所述陶瓷体。
4.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中每个可磁化层基本上不完全封闭相应的所述陶瓷体。
5.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述陶瓷体包含α氧化铝。
6.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述陶瓷体是精确成形的陶瓷体。
7.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述成形的磨料复合物包括精确成形的磨料复合物。
8.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述成形的磨料复合物是锥体的。
9.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述成形的磨料复合物是紧密堆积的。
10.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述可磁化磨料颗粒具有的平均长宽比为至少3。
11.一种制备结构化磨料制品的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供具有模具表面的生产工具，所述模具表面限定多个精确成形的腔体；
b)用包含分散在可固化有机粘结剂前体材料中的可磁化磨料颗粒的浆料填充至少大部分所述精确成形的腔体，其中，在各自的基础上，所述可磁化磨料颗粒各自包括陶瓷体，所述陶瓷体具有设置在其至少一部分上的可磁化层，其中所述可磁化磨料颗粒的平均长宽比为至少3；
c)在将所述浆料设置在至少大部分所述精确成形的腔体内时，使背衬的主表面与所述生产工具的所述模具表面接触；
d)使用磁场使所述可磁化磨料颗粒取向；
e)使所述可固化有机粘结剂前体材料至少部分地固化，以形成设置在所述背衬的所述主表面上的成形的磨料复合物；以及
f)将所述成形的磨料复合物与所述生产工具分离。
12.根据权利要求11所述的方法，其中步骤d)和e)同时进行。
13.根据权利要求11所述的方法，其中步骤d)和e)依次进行。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述可磁化磨料颗粒包括陶瓷体，所述陶瓷体具有外表面，所述外表面具有设置在其至少一部分上的可磁化层。
15.一种制备结构化磨料制品的方法，所述方法包括以下步骤：
a)使背衬的主表面与可延展组合物接触，所述可延展组合物包含分散在可固化有机粘结剂前体中的可磁化磨料颗粒，其中，在各自的基础上，所述可磁化磨料颗粒各自包括陶瓷体，所述陶瓷体具有设置在其至少一部分上的可磁化层，其中所述可磁化磨料颗粒的平均长宽比为至少3；
b)使用磁场使所述可磁化磨料颗粒取向；
c)使所述可固化有机粘结剂前体至少部分地固化，以形成设置在所述背衬的所述主表面上的成形的磨料复合物。
16.根据权利要求15所述的方法，其中步骤a)和步骤b)同时进行。
17.根据权利要求15所述的方法，其中步骤b)和c)同时进行。
18.根据权利要求15所述的方法，其中步骤a)和b)依次进行。
19.根据权利要求15所述的方法，其中步骤b)和c)依次进行。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述陶瓷体是精确成形的陶瓷体。
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