CN109863220B - 功能性磨料颗粒、磨料制品及其制备方法 - Google Patents

功能性磨料颗粒、磨料制品及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功能性磨料颗粒，所述功能性磨料颗粒包含陶瓷体，所述陶瓷体具有至少一个从其中延伸穿过的孔。功能性材料至少部分地设置在所述孔内。功能性材料包含粘结剂和功能性颗粒，所述功能性颗粒为可磁化的、金属的、或两者。本发明还公开了制备功能性磨料颗粒的方法和包含所述功能性磨料颗粒的磨料制品。

Description

功能性磨料颗粒、磨料制品及其制备方法
技术领域
本公开广泛地涉及磨料颗粒、磨料制品及其制备方法。
背景技术
各种类型的磨料制品在本领域中是已知的。例如，经涂覆的磨料制品通常具有通过树脂粘结剂材料粘附到背衬上的磨料颗粒。示例包括砂纸和结构化磨料，其具有粘附到背衬上的精确成形的磨料复合物。磨料复合物通常包括磨料颗粒和树脂粘结剂。
粘结的磨料颗粒包含保持在第一粘结剂中的磨料颗粒，该粘结剂基质可以是树脂状或玻璃质的。示例包括磨石、截止轮、偏离砂轮、珩磨和磨刀石。
例如，磨料制品(诸如经涂覆的磨料制品和粘结的磨料制品)中磨料颗粒的精确放置和取向多年来一直是人们持续关注的焦点。
例如，已经使用诸如磨料颗粒的静电涂覆之类的技术制造经涂覆的磨料制品，以使粉碎的磨料颗粒与垂直于背衬的纵向轴线对准。同样地，已经通过美国专利申请公布2013/0344786A1(凯佩特(Keipert))中公开的机械方法对成形磨料颗粒进行了对准。
在专利文献中已经描述了粘结磨料制品中磨料颗粒的精确放置和取向。例如，美国专利1,930,788(巴克纳(Buckner))描述了使用磁通量来定向在粘结的磨料制品中具有薄铁粉涂层的磨料颗粒。同样地，英国(GB)专利396,231(巴克纳(Buckner))描述了使用磁场来定向具有薄的铁或钢粉涂层的磨料颗粒，以使磨料颗粒定向在粘结的磨料制品中。使用这种技术，磨料颗粒在粘结轮中径向取向。
美国专利申请公布2008/0289262A1(Gao)公开了用于制造均匀分布、阵列图案和优选取向的磨料颗粒的设备。使用电流形成磁场，使得针状软磁金属棒吸收或释放镀有软磁材料的磨料颗粒。
发明内容
本发明人已经发现，可使用电磁场来操纵具有磁性和/或金属材料的功能性磨料颗粒，磁性和/或金属材料设置在延伸穿过根据本公开的颗粒的相应孔内。
在一个方面，本公开提供一种功能性磨料颗粒，所述功能性磨料颗粒包含陶瓷体和功能性材料，所述陶瓷体具有至少一个从其中延伸穿过的孔，所述功能性材料至少部分地设置在至少一个孔内，其中功能性材料包括保持多个功能性颗粒的第一粘结剂，所述多个功能性颗粒为可磁化的、金属的、或它们的组合。
在另一方面，本公开提供了根据本公开的多个磨料颗粒。
在又一方面，本公开提供了一种包含多个磨料颗粒的磨料制品，其中所述磨料颗粒中的至少大部分磨料颗粒包含保持在第二粘结剂中的根据本公开的功能性磨料颗粒。
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(其可包括硅)制成的各种硬、脆、耐热和耐腐蚀材料中的任何一种。
除非另有说明，术语“导电”是指导电的(例如，在导体的水平处)。
术语“亚铁磁性的”是指表现出亚铁磁性的材料。亚铁磁性是一种发生在固体中的永久磁性，其中与单个原子相关的磁场本身自发地对准、一些平行或沿相同方向(如以铁磁性)，而另一些通常是反平行的、或者在相反的方向上配对(如以反铁磁性)。亚铁磁性材料单晶的磁行为可归因于平行对准；这些原子在反平行布置中的稀释效应使这些材料的磁强度通常小于纯铁磁固体如金属铁的磁强度。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准在称为居里点的温度之上完全被破坏，这是每种亚铁磁性材料的特征。当材料的温度低于居里点时，亚铁磁性就会恢复。
术语“铁磁性的”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他材料。与其他物质相比，铁磁性材料容易被磁化，并且在强磁场中，磁化接近称为饱和度的明确限制。当施加场然后移除场时，磁化不会返回其原始值。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时，该温度对于每种物质通常是不同的，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。
术语“磁场”是指不是由任何天文体(例如，地球或太阳)产生的磁场。通常，在本公开的实践中使用的磁场在可磁化磨料颗粒被定向的区域中具有至少约10高斯(1mT)，优选至少约100高斯(10mT)的磁场强度。
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”是指在其制备过程中在某些点上有意成形(例如，挤出、模切、模塑、丝网印刷)的陶瓷体，使得所得陶瓷体是非随机形状的。如本文使用的术语“成形陶瓷体”不包括通过机械压碎或研磨操作获得的陶瓷体。
术语“精确成形的陶瓷体”是指一种陶瓷体，其中陶瓷体的至少一部分具有从用于形成前体精确成形的陶瓷体的模具腔复制的预定形状，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磨料颗粒的模具腔。
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”是指物体的垂直于其长度和宽度的最长尺寸。
术语“纵横比”是指物体的长度/厚度比。
术语“基本上”是指在所述属性的35％内(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，更优选在5％之内)。
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是根据本公开的示例性功能性磨料颗粒100的示意性俯视图。
图1A是示例性功能性磨料颗粒100沿线1A-1A截取的示意性截面图。
图2是根据本公开的示例性可磁化磨料颗粒200的示意性俯视图。
图2A是示例性可磁化磨料颗粒200沿线2A-2A截取的示意性截面图。
图3是根据本发明的示例性粘结砂轮300的透视图。
图4是根据本公开的示例性涂覆磨料制品400的侧视图。
图5是根据本公开的示例性涂覆磨料制品500的侧视图。
图6A是根据本公开的示例性非织造磨料制品600的透视图。
图6B为在图6A中的区域6B的放大视图。
图7是根据实施例1制备的功能性磨料颗粒的数字显微照片。
图8是根据实施例2制备的功能性磨料颗粒的数字显微照片。
图9是根据实施例3制备的功能性磨料颗粒的数字显微照片。
图10是根据实施例4制备的功能性磨料颗粒的数字显微照片。
图11是根据比较例A制备的磨料颗粒的数字显微照片。
图12是根据实施例5制备的功能性磨料颗粒的数字显微照片。
图13是根据实施例6制备的功能性磨料颗粒的数字显微照片。
图14是根据实施例7制备的功能性磨料颗粒的数字显微照片。
图15是根据比较例B制备的功能性磨料颗粒的数字显微照片。
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
现在参照图1和图1A，功能性磨料颗粒100包含精确成形的陶瓷体110(显示为三角形片状物)和设置在孔115内的功能性材料120。功能性材料120优选地包括保持在第一粘结剂130中的功能性颗粒125。陶瓷体110具有两个相对的主表面160、162，它们通过三个侧表面140a、140b、140c彼此连接。孔115延伸穿过陶瓷体110并在第一主表面160与第二主表面162之间延伸。功能性材料120设置在孔115内。
在第二种构造中，如图2和图2A所示，功能性磨料颗粒200包含精确成形的陶瓷体110和功能性材料220。功能性材料220优选地包括保持在第一粘结剂130中的功能性颗粒125。陶瓷体110具有两个相对的主表面160、162，它们通过三个侧表面140a、140b、140c彼此连接。孔115延伸穿过陶瓷体110并在第一主表面160与第二主表面162之间延伸。功能性材料220设置在孔115内并且还作为主表面162上的部分涂层延伸。
有用的功能性材料包括可磁化材料和/或金属材料(例如，其具有足够的导电性以用于感应加热、微波加热和/或静电涂覆)。在某些情况下，功能性材料可以是可磁化的和金属的。
功能性材料可包含第一粘结剂中的功能性颗粒。合适的粘结剂可以是玻璃质或有机的，例如，如下文对第一粘结剂130所述。第一粘结剂可例如选自上文列出的那些玻璃质粘结剂和有机粘结剂。陶瓷体可为任何陶瓷材料(优选陶瓷研磨材料)，例如，选自下文列出的陶瓷(即，不包括金刚石)磨料材料。功能性材料可通过任何合适的方法例如挤出、刷涂、喷嘴涂覆和粉末涂覆设置在陶瓷体上。单独的功能性磨料颗粒可具有功能性材料，其具有不同的覆盖程度和/或覆盖位置。涂覆后可存在于功能性磨料颗粒的一个或多个外表面上的过量功能性材料可任选地通过机械搅拌除去，任选地加入研磨介质。
功能性材料的第一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。
玻璃态玻璃质粘结剂可由包含不同金属氧化物的混合物的玻璃质粘结剂前体制成。这些金属氧化物玻璃质粘结剂的示例包括二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁、二氧化钛、氧化镁、氧化钠、氧化钾、氧化锂、氧化锰、氧化硼、氧化磷等。玻璃质粘结剂的具体示例包括基于重量计的，例如，47.61％的SiO2、16.65％的Al2O3、0.38％的Fe2O3、0.35％的TiO2、1.58％的CaO、0.10％的MgO、9.63％的Na2O、2.86％的K2O、1.77％的Li2O、19.03％的B2O3、0.02％的MnO2和0.22％的P2O5；以及63％的SiO2、12％的Al2O3、1.2％的CaO、6.3％的Na2O、7.5％的K2O和10％的B2O3。玻璃质粘结剂的其他示例包括基于摩尔比的3.77％的SiO2、0.58％的Al2O3、0.01％的Fe2O3、0.03％的TiO2、0.21％的CaO、0.25％的MgO、0.47％的Na2O和0.07％的K2O。
在制造过程中，粉末形式的玻璃质粘结剂前体可与临时粘结剂混合，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。
玻璃质粘结剂前体还可由玻璃料形成，例如从约1％至100％的任何数量的玻璃料，但通常是20％至100％的玻璃料。玻璃料粘结剂中使用的常见材料的一些示例包括长石、硼砂、石英、苏打灰、氧化锌、白垩粉、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。这些材料通常作为粉末混合在一起，焙烧以熔融该混合物，并且然后冷却。冷却的混合物被粉碎并筛分至非常细的粉末，以便随后用作玻璃质粘结剂前体。这些玻璃料粘结剂前体的成熟温度取决于它的化学性质，但是该温度可在约600℃至约1800℃之间的任何温度范围内。
可用作磨料颗粒中第一粘结剂的另外的无机粘结剂(例如陶瓷粘结剂)描述于美国专利6,790,126(Wood等人)中。
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树脂和可辐射固化树脂，这些树脂可例如通过热和/或暴露于辐射而被固化。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、丙烯酸类树脂(例如，具有侧链α,β-不饱和基团的氨基塑料树脂、丙烯酸酯化的聚氨酯、丙烯酸酯化的环氧树脂、丙烯酸酯化的异氰脲酸酯)、丙烯酸类单体/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。诸如热引发剂、催化剂、光引发剂、硬化剂等的固化剂可加入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/烧结可使用本领域已知的技术在例如窑炉或管式炉中进行。用于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加热或利用红外辐射和/或光化辐射(例如，在光引发固化的情况下)。
可使用的有用磨料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,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。适合用作陶瓷体的溶胶-凝胶衍生的粉碎的陶瓷颗粒的示例可见于例如美国专利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)和见于美国公开专利申请2009/0165394A1(Culler等人)和2009/0169816A1(Erickson等人)中。
陶瓷体可以是成形的(例如，精确成形的)或无规的(例如，压碎的)。成形的磨料颗粒和精确成形的陶瓷体可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(Re35,570))、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，陶瓷体为精确成形的(即，陶瓷体具有的形状至少部分地由用于制备它们的生产工具中的腔的形状决定)。
陶瓷体的示例性形状包括压碎的金字塔(例如，3-、4-、5-或6-面金字塔)、截棱锥(例如，3-、4-、5-或6-面截棱锥)、锥体、截头锥体、杆(例如，圆柱形、蠕虫状)和棱镜(例如，3-、4-、5-或6-面棱镜)。
关于此类磨料颗粒及其制备方法的详细信息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，和见于美国专利申请公布2012/0227333(Adefris等人)、2013/0040537(Schwabel等人)和2013/0125477(Adefris)中。
示例性可磁化功能性颗粒可包含至少一种可磁化材料，例如：铁；钴；镍；作为各种等级的镍铁导磁合金(Permalloy)销售的各种镍和铁合金；作为Fernico、Kovar、FerNiCo I或FerNiCo II销售的各种铁、镍和钴合金；作为各种等级的Alnico销售的铁、铝、镍、钴、有时还有铜和/或钛的各种合金；作为铁硅铝合金(Sendust)销售的铁、硅和铝的合金(通常按重量计约85:9:6)；Heusler合金(例如，Cu2MnSn)；锰铋(也称为Bismanol)；稀土可磁化材料，如钆、镝、钬、氧化铕，钕、铁和硼的合金(如Nd2Fe14B)，以及钐和钴的合金(如SmCo5)；MnSb；MnOFe2O3；Y3Fe5O12；CrO2；MnAs；铁氧体类，如铁氧体、磁铁矿；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。在一些优选的实施方案中，可磁化颗粒包含选自铁、镍和钴的至少一种金属、两种或更多种这样的金属的合金、或者至少一种这样的金属与选自磷和锰的至少一种元素的合金。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、15wt.％至26wt.％的镍、5wt.％至24wt.％钴、高达6wt.％铜、高达1wt.％钛的合金，其中加起来为100wt％的材料的余量为铁。
有用的金属功能性颗粒可包括任何金属(即，元素金属或其合金)材料，不包括元素周期表第1族和第2族的基本上纯的元素。优选的金属包括铁、钴、镍、铝、银、金、铂、钯、铬、钨、锡、铋、铅、铜、钽、任何前述含碳的合金(例如钢和不锈钢)、硅和/或磷、以及它们的组合。
优选地，功能性材料主要设置在延伸通过每个功能性磨料颗粒的孔内。例如，对于单独的功能性颗粒，至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、或甚至所有功能性材料可设置在延伸穿过陶瓷体的一个或多个孔中。
至少一个孔，优选一个孔延伸穿过功能性磨料颗粒，尽管在某些情况下可能期望多个孔(例如，2个、3个或4个孔或更多个孔)。
功能性颗粒可具有任何尺寸，尽管优选地比通过平均颗粒直径判断的陶瓷体小得多，优选地小4至2000倍，更优选地小100至2000倍，甚至更优选地小500至2000倍，但是也可使用其他尺寸。在该实施方案中，功能性颗粒可具有6或更低(例如，5或更低、或4或更低)的莫氏硬度，但这不是必需的。
根据本公开的功能性磨料颗粒可根据磨料行业认可的规定标称等级独立地定尺寸。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(欧洲磨料制造者联盟)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、ANSI70、ANSI 80、ANSI 90、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI280、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JIS10000。
或者，可利用符合ASTM E-11“Standard Specification for Wire Cloth andSieves for Testing Purposes(用于测试目的的筛布和筛的标准规格)”的美国标准试验筛将功能性磨料颗粒分级成标称筛分等级。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，其意指功能性磨料颗粒可通过符合18目筛的ASTM E-11规范的试验筛，并且保持在符合20目筛的ASTM E-11规范的试验筛上。在一个实施方案中，功能性磨料颗粒具有这样的颗粒尺寸：使得大多数颗粒通过18目试验筛并且可保持在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，功能性磨料制品可具有下列标称筛选等级：-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。
根据本公开的功能性磨料颗粒可例如通过将功能性材料前体施加到陶瓷体上来制备。功能性材料前体可作为液体载剂中的分散体或浆液提供。分散体或浆料载体可通过例如将其组分(例如，功能性颗粒、可选的粘结剂前体和液体载体)简单混合来制备。示例性的液体载体包括水、醇(例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇单甲醚)、醚(例如甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚)、以及它们的组合。分散体或浆料可含有其他组分，例如分散剂、表面活性剂、脱模剂、着色剂、消泡剂和流变改性剂。通常，在涂覆到陶瓷体上之后，干燥功能性材料前体以除去大部分或全部液体载体，尽管这不是必需的。如果使用可固化的粘结剂前体，则通常遵循固化步骤(例如，加热和/或暴露于光化辐射)以提供功能性材料。
为了生产磨料制品，在固化粘结剂(例如，玻璃质或有机)前体以产生磨料制品之前，可任选地使用产生磁场的磁体或电磁体来放置和/或定向功能性磨料颗粒。在功能性磨料颗粒固定在粘结剂中的适当位置或在整个粘结剂上连续固定之前，磁场可基本上均匀，或者可以是不均匀的，或甚至有效地分离成不连续的部分。通常，磁场的取向被配置成根据预定取向实现功能性磨料颗粒的对准。
磁场配置和用于产生它们的设备的示例描述于美国专利申请公布2008/0289262A1(Gao)和美国专利2,370,636(Carlton)、2,857,879(Johnson)、3,625,666(James)、4,008,055(Phaal)、5,181,939(Neff)和英国专利(G.B.)1 477 767(伊甸园工程有限公司(Edenville Engineering Works Limited))。
在一些实施方案中，可使用磁场将功能性磨料颗粒推到涂覆磨料制品的制造层前体(即制造层的粘结剂前体)上，同时保持相对于水平背衬的垂直或倾斜取向。在使制造层前体至少部分固化之后，将功能性磨料颗粒固定在它们的放置和取向上。可选地或另外地，可使用强磁场的存在或不存在来将功能性磨料颗粒选择性地放置在制造层前体上。除了磁场作用于浆料内的功能性颗粒之外，可使用类似的方法制造浆料涂覆的磨料制品。上述方法也可在非织造背衬上进行以制造非织造磨料制品。
同样地，在粘结磨料制品的情况下，功能性磨料颗粒可在相应的粘结剂前体内定位和/或取向，然后将其压制和固化。
功能性磨料颗粒可以松散的形式(例如，自由流动或在浆料中)使用，或者它们可结合到各种磨料制品(例如，经涂覆的磨料制品、粘结的磨料制品、非织造磨料制品和/或研磨刷)中。
功能性磨料颗粒可用于例如构造磨料制品，包括例如带涂层磨料制品(例如，常规的带底胶和复胶涂层磨料制品、带浆液涂层磨料制品和结构化磨料制品)、磨料刷、非织造磨料制品，以及粘结的磨料制品(例如砂轮、珩磨和磨刀石)。
例如，图3示出了根据本公开的一个实施方案的类型为27的中央凹陷砂轮300的示例性实施方案(即粘结磨料制品的实施方案)。中心孔312用于将类型为27的中心下凹砂轮300附着到例如动力驱动工具。类型为27的中央凹陷砂轮300包含保持在粘结剂325中的根据本发明的成形陶瓷磨料颗粒320。合适的粘结剂325的示例包括：有机粘结剂，例如环氧树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂、氨基塑料粘结剂和丙烯酸类树脂粘结剂；以及无机粘结剂，例如玻璃质粘结剂。
关于根据本公开的粘结磨料制品的制造的进一步细节可见于例如美国专利4,800,685(Haynes等人)、4,898,597(Hay等人)、4,933,373(Moren)和5,282,875(Wood等人)中。
在涂覆磨料制品的一个示例性实施方案中，磨料涂层可包括底胶层、复胶层和功能性磨料颗粒。参照图4，示例性的涂覆磨料制品400具有背衬420和磨料层430。磨料层430包括根据本公开的功能性磨料颗粒440，功能性磨料颗粒440通过底胶层450和复胶层460固定于背衬420，底胶层和复胶层各自包含相应的粘结剂(例如环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、氨基塑料树脂、或丙烯酸类树脂)，该粘结剂可相同或不同。示例性背衬包括织造、针织或非织造织物，任选地用饱和剂、预胶层或粘结层中的一种或多种处理。
在涂覆磨料制品的另一个示例性实施方案中，磨料涂层可包含含有可固化粘结剂前体的固化浆料和根据本公开的功能性磨料颗粒。参照图5，示例性的涂覆磨料制品500具有背衬520和磨料层530。磨料层530包括功能性磨料颗粒540和粘结剂545(例如环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、氨基塑料树脂、丙烯酸类树脂)。
关于根据本公开的涂覆磨料制品的制造的进一步细节可见于例如美国专利4,314,827(Leitheiser等人)、4,652,275(Bloecher等人)、4,734,104(Broberg)、4,751,137(Tumey等人)、5,137,542(Buchanan等人)、5,152,917(Pieper等人)、5,417,726(Stout)等人、5,573,619(Benedict等人)、5,942,015(Culler等人)和6,261,682(Law)中。
非织造磨料制品通常包括多孔的(例如膨松有弹性的开放多孔的)聚合物长丝结构，该结构具有通过粘结剂粘结到其上的磨料颗粒。图6A和图6B示出了根据本发明的非织造磨料制品的示例性实施方案。非织造磨料制品600包含由用粘结剂620(例如环氧树脂、聚氨树脂、酚醛树脂、氨基塑料树脂、丙烯酸类树脂)浸渍过的缠结长丝610形成的膨松有弹性的开放低密度纤维幅材。根据本公开的功能性磨料颗粒640在长丝610的暴露表面上分散在整个纤维幅材600中。粘结剂620涂覆长丝610的多个部分并形成小珠650，小珠可环绕单根长丝或成束长丝，附着于长丝的表面和/或聚集在接触长丝的交叉处，从而在整个非织造磨料制品上形成研磨点。
关于根据本公开的非织造磨料制品的进一步细节可见于例如美国专利2,958,593(Hoover等人)、4,018,575(Davis等人)、4,227,350(Fitzer)、4,331,453(Dau等人)、4,609,380(Barnett等人)、4,991,362(Heyer等人)、5,554,068(Carr等人)、5,712,210(Windisch等人)、5,591,239(Edblom等人)、5,681,361(Sanders)、5,858,140(Berger等人)、5,928,070(Lux)、6,017,831(Beardsley等人)、6,207,246(Moren等人)和6,302,930(Lux)中。
根据本公开的磨料制品可用于研磨工件。研磨的方法涵盖了荒磨(即高压高切削量)到打磨(例如，用涂覆磨料带打磨医用植入物)，其中后者通常用更细粒级的磨料颗粒制成。一种此类方法包括以下步骤：使磨料制品(例如，涂覆磨料制品、非织造磨料制品或粘结磨料制品)与工件的表面摩擦接触，并使磨料制品或工件中的至少一者相对于另一者移动，以研磨表面的至少一部分。
工件材料的示例包括金属、金属合金、异金属合金、陶瓷、玻璃、木材、仿木材料、复合材料、涂漆表面、塑料、增强塑料、石材和/或它们的组合。工件可以是平坦的或具有与之关联的形状或轮廓。示例性工件包括金属部件、塑料部件、颗粒板、凸轮轴、曲柄轴、家具和涡轮叶片。研磨过程中所施用的力通常在约1千克至约100千克的范围内。
根据本公开的磨料制品可以手工使用和/或与机器联合使用。进行研磨时，使磨料制品和工件中的至少一者相对于另一者移动。可在湿润或干燥条件下进行研磨。用于润湿研磨的示例性液体包括水、含有常规防锈化合物的水、润滑剂、油、肥皂和切削液。液体还可包含例如消泡剂、脱脂剂。
本公开的选择实施方案
在第一实施方案中，本公开提供一种功能性磨料颗粒，所述功能性磨料颗粒包含陶瓷体和功能性材料，所述陶瓷体具有至少一个从其中延伸穿过的孔，所述功能性材料至少部分地设置在至少一个孔内，其中功能性材料包括保持多个功能性颗粒的第一粘结剂，所述多个功能性颗粒为可磁化的、金属的、或它们的组合。
在第二实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案的功能性磨料颗粒，其中陶瓷体包括成形陶瓷体。
在第三实施方案中，本公开提供了根据第二实施方案的功能性磨料颗粒，其中成形陶瓷体包括精确成形的陶瓷体。
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的功能性磨料颗粒，其中陶瓷体包括片状物，所述片状物具有通过多个侧面而彼此连接的相对的第一主面和第二主面，并且其中所述至少一个孔中的每一个孔从第一主面延伸到第二主面。
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的功能性磨料颗粒，其中功能性材料完全填充至少一个孔。
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的功能性磨料颗粒，其中功能性颗粒为可磁化的。
在第七实施方案中，本公开提供了根据第六实施方案的功能性磨料颗粒，其中功能性颗粒包含铁、硅和铝的合金。
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的功能性磨料颗粒，其中功能性颗粒为金属的。
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的功能性磨料颗粒，其中第一粘结剂包含有机粘结剂。
在第十实施方案中，本公开提供了多个根据第一实施方案至第九实施方案中任一项的功能性磨料颗粒。
在第十一实施方案中，本公开提供了一种磨料制品，所述磨料制品包含保持在第二粘结剂中的多个磨料颗粒，其中所述磨料颗粒中的至少大部分(例如，至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、或甚至至少99％)磨料颗粒包含根据第一实施方案至第九实施方案中任一项的功能性磨料颗粒。
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磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结砂轮。
在第十三实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案的磨料制品，其中磨料制品包括经涂覆的磨料制品，其中经涂覆的磨料制品包括设置在背衬上的磨料层，并且其中磨料层包括第二粘结剂和多个磨料颗粒。
在第十四实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案的磨料制品，其中磨料制品包括非织造磨料，其中非织造磨料包括非织造纤维幅材，所述非织造纤维幅材具有设置在其至少一部分上的磨料层，并且其中磨料层包括粘结剂材料和多个磨料颗粒。
在第十五实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案至第十四实施方案中任一项的磨料制品，其中所述功能性磨料颗粒中的大多数功能性磨料颗粒彼此平行对准。
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。
实施例中使用的材料缩写描述于下表1中。
表1
Figure GDA0002823395310000141
Figure GDA0002823395310000151
实施例1
如下对SAP1进行预处理：将SAP1(约50克)加入到约100克含有0.2％REP的水溶液中。在溶液中浸泡2分钟后，用过滤器从溶液中除去SAP1，在120℃下干燥2分钟，然后在150℃下固化1分钟。
在机械搅拌下将IO(2克)与0.5克SIL和0.1克4％CCS水溶液预混合2分钟。将经预处理的成形磨料粒(50克)加入预混合物中，并将所得混合物搅拌5分钟。然后用主加热枪(得自威斯康星州拉辛市Master Appliance公司(Master Appliance Corp.，Racine，Wisconsin)的型号HG-201A)将混合物滚筒干燥约20分钟。
每个所得的可磁化磨料颗粒含有可磁化的芯，如图7所示。
实施例2
如下对SAP1进行预处理：将SAP1(约50克)加入到约100克含有0.2％REP的水溶液中。在溶液中浸泡2分钟后，用过滤器从溶液中除去SAP1，在120℃下干燥2分钟，然后在150℃下固化1分钟。
将PR1(5克)和IO(5克)在塑料容器中混合，加入100克5％CB水溶液，并用机械混合器(作为IKA EUROSTAR POWER CONTROL-VISC STIRRER得自德国的Ika Werke GmbH&Co.KG，Staufen公司(IKA-Werke GmbH&Co.KG,Staufen,Germany))搅拌混合物20分钟，以获得均匀的分散体。将经预处理的成形磨料粒(50克)加入分散体中，并将所得混合物搅拌5分钟。从容器中移除冗余溶液。将磨料粒在23℃下干燥2小时，然后在80℃下干燥1分钟。用自来水冲洗磨料粒2分钟，然后在80℃下干燥1分钟并在100℃下干燥1分钟。
每个所得的可磁化磨料颗粒含有可磁化的芯和导电的芯。所得的可磁化磨料颗粒示于图8中。
实施例3
如下对SAP1进行预处理：将SAP1(约50克)加入到约100克含有0.2％REP的水溶液中。在溶液中浸泡2分钟后，用过滤器从溶液中除去SAP1，在120℃下干燥2分钟，然后在150℃下固化1分钟。
将锡粉(5克，99.8％，得自威斯康星州密尔沃基市奥尔德里奇化工公司(AldrichChemical，Milwaukee，Wisconsin))粉末和PR1(5克)粉末在塑料容器中混合，用机械混合器(实施例2中所述)搅拌20分钟以得到均匀的粉末混合物。将经预处理的成形磨料粒(500克)加入粉末混合物中，并将所得混合物搅拌5分钟。通过标准48目筛(得自美国俄亥俄州Mentor的W.S.Tyler公司(W.S.Tyler，Inc.，Mentor，Ohio))回收磨料粒。将磨料粒在100℃的烘箱中加热1分钟。用自来水冲洗磨料粒2分钟，然后在80℃下干燥1分钟并在100℃下干燥1分钟。
所得的导电磨料颗粒示于图9中。
实施例4
重复实施例3中一般描述的步骤，不同之处在于用5克铜粉(得自威斯康星州密尔沃基市奥尔德里奇化工公司(Aldrich Chemical，Milwaukee，Wisconsin))代替5克锡粉。
所得的导电磨料颗粒示于图10中。
比较例A
重复实施例2中一般描述的步骤，不同之处在于使用未处理的磨料颗粒(即，SAP1从未进行预处理)。
所得的可磁化磨料颗粒示于图11中。每个可磁化磨料颗粒的整个表面覆盖有可磁化涂层和导电涂层。
实施例5
在机械搅拌下将IO(2克)与0.5克PR2预混合2分钟。使用细尖针来沉积足够的这种混合物以填充SAP1颗粒中心的孔。然后将颗粒在烘箱中在100℃下加热90分钟并冷却至23℃。每个所得的可磁化磨料颗粒含有可磁化的芯，如图12所示。
实施例6
在机械搅拌下将SEN(2克)与0.5克PR2预混合2分钟。使用细尖针来沉积足够的这种混合物以填充SAP1颗粒中心的孔。然后将颗粒在烘箱中在100℃下加热90分钟并冷却至23℃。每个所得的可磁化磨料颗粒含有可磁化的芯，如图13所示。
将分别由实施例5和实施例6制成的可磁化磨料颗粒置于薄铝板上并保持在6英寸(15.2cm)直径乘2英寸(5.1cm)厚度的永久性钕磁铁的中心上(平均磁场为0.6特斯拉)，磁铁相对侧的北极和南极由其厚度隔开。颗粒的起始距离是距磁体表面30英寸(76.2cm)。然后以0.5英寸/秒(1.27cm/秒)的速率降低铝板，直到可磁化磨料颗粒直立取向。通过使用从俄勒冈州的密尔沃基的F.W.贝尔(F.W.Bell,Milwaukie,Oregon)获得的5170高斯/特斯拉计，测量取向时刻的磁场强度作为实现取向的最小磁场强度。对于由实施例5制备的可磁化磨料颗粒，实现取向的最小磁场强度测量为0.060特斯拉。对于由实施例6制备的可磁化磨料颗粒，实现取向的最小磁场强度测量为0.023特斯拉。
实施例7
使Y-重量聚酯缎纹织物(331克/平方米，得自乔治亚州的拉格朗日的米利肯公司(Milliken&Company,LaGrange,Georgia))的2.5英寸(6.35cm)直径的圆形背衬涂有100g/m2的底胶树脂，其由52.05份的甲阶酚醛树脂(作为GP 8339R-23155B得自佐治亚州亚特兰大的乔治亚太平洋化工公司(Georgia Pacific Chemicals,Atlanta,Georgia))、45.45份的偏硅酸钙(作为400WOLLASTOCOAT得自纽约州威尔斯博罗市NYCO矿业公司(NYCOMinerals Inc.，Willsboro，New York))和2.5份的碳酸钙(作为HUBERCARB Q325得自佐治亚州亚特兰大市Huber Carbonates公司(Huber Carbonates,LLC,Atlanta,Georgia))组成。将经涂覆的背衬置于6英寸(15.2cm)×3英寸(7.62cm)×0.5英寸(1.27cm)稀土磁体(作为NEODYMIUM MAGNET N42得自德克萨斯州普莱诺的Applied Magnets(Applied Magnets,Plano,Texas))的6英寸(15.2cm)×3英寸(7.62cm)表面上，磁铁相对侧的北极和南极由其厚度隔开。放置涂覆的背衬，其中树脂涂覆的表面朝上并且未涂覆的表面面向磁体。将55克具有可磁化芯的磨料颗粒(根据实施例1制备)滴涂到背衬的树脂涂覆的表面上。将磨料制品在92℃下固化1小时，然后在102℃下固化9小时。
所得的可磁化制品示于图14中。
比较例B
重复实施例7中一般描述的步骤，不同之处在于滴涂SAP1(没有任何填充的芯)而不是具有可磁化芯的磨料颗粒。
所得的可磁化磨料制品示于图15中。
颗粒测试
将由实施例3制成的颗粒放置在钢板(10英寸(25.1cm)宽×10英寸(25.1cm)长×0.125英寸(0.318cm)厚度)上，该板保持距水平面上的另一个相同的钢板0.5英寸(1.27cm)的固定间隙。将双面胶带(作为442KW得自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,Minnesota))施加到上板的整个表面上。通过得自纽约Valhalla的DEL(DEL，Valhalla，New York)的型号RUI 875A HV电源在钢板两端施加电压。电压从1千伏开始并缓慢增加，直到颗粒跳起并附着在上板上的胶带上。将颗粒跳跃所需的电压记录为所需的最小电压。然后对20个颗粒重复该程序。对于由实施例4制备的颗粒和SAP2重复整个过程。表2报道了所需的平均最低电压。
表2
所需的最低电压(千伏)
实施例4 8.5
实施例3 10.5
SAP2 13.2
将7克由实施例3制成的颗粒置于45ml容量的陶瓷坩埚中。将坩埚放入微波炉(作为MODEL WMC30516AS得自密歇根州本顿港惠而浦公司(Whirlpool Company,BentonHarbor,Michigan))。将样品在高功率(1200瓦)下运行60秒。通过红外温度计(作为MODELOS730K得自康涅狄格州的诺沃克的欧米茄工程公司(Omega Engineering,Norwalk,Connecticut))在微波处理之前和之后测量温度。对由实施例4制成的颗粒和SAP2颗粒重复该相同的过程。结果示于表3中。
表3
Figure GDA0002823395310000191
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 (15)

1.一种功能性磨料颗粒，所述功能性磨料颗粒包含陶瓷体和功能性材料，所述陶瓷体具有至少一个从其中延伸穿过的孔，所述功能性材料至少部分地设置在所述至少一个孔内，其中所述功能性材料包括保持多个功能性颗粒的第一粘结剂，所述多个功能性颗粒为可磁化的、金属的、或它们的组合。
2.根据权利要求1所述的功能性磨料颗粒，其中所述陶瓷体包括成形陶瓷体。
3.根据权利要求2所述的功能性磨料颗粒，其中所述成形陶瓷体包括精确成形的陶瓷体。
4.根据权利要求1所述的功能性磨料颗粒，其中所述陶瓷体包括片状物，所述片状物具有通过多个侧面而彼此连接的相对的第一主面和第二主面，并且其中所述至少一个孔中的每一个孔从所述第一主面延伸到所述第二主面。
5.根据权利要求4所述的功能性磨料颗粒，其中所述功能性材料完全填充所述至少一个孔。
6.根据权利要求1所述的功能性磨料颗粒，其中所述功能性颗粒为可磁化的。
7.根据权利要求6所述的功能性磨料颗粒，其中所述功能性颗粒包含铁、硅和铝的合金。
8.根据权利要求1所述的功能性磨料颗粒，其中所述功能性颗粒为金属的。
9.根据权利要求1所述的功能性磨料颗粒，其中所述第一粘结剂包括有机粘结剂。
10.多个根据权利要求1所述的功能性磨料颗粒。
11.一种磨料制品，所述磨料制品包含保持在第二粘结剂中的多个磨料颗粒，其中所述磨料颗粒中的至少大部分磨料颗粒包含根据权利要求1所述的功能性磨料颗粒。
12.根据权利要求11所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结砂轮。
13.根据权利要求11所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括经涂覆的磨料制品，其中所述经涂覆的磨料制品包括设置在背衬上的磨料层，并且其中所述磨料层包括所述第二粘结剂和所述多个磨料颗粒。
14.根据权利要求11所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括非织造磨料，其中所述非织造磨料包括非织造纤维幅材，所述非织造纤维幅材具有设置在其至少一部分上的磨料层，并且其中所述磨料层包括所述粘结剂材料和所述多个磨料颗粒。
15.根据权利要求11所述的磨料制品，其中所述功能性磨料颗粒中的大多数功能性磨料颗粒彼此平行对准。
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