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Elastische Schleifmaterialien auf Basis von Polyurethan-
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harnstoffgelen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung
betrifft Schleifmaterialien aus einem wasserhaltigen Polyurethanharnstoff-Gel (Hydrogel)
und 20-80 Gew.-$ Schleifmitteln sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung durch Umsetzung
von NCO-Prepolymeren aus ç 30 Gew.-% oxyethylengruppenhaltigen Polyoxyalkylenethern
und überschüssigen Polyisocyanaten und Gelbildung durch Umsetzung mit wäßrigen,
gegebenenfalls diaminhaltigen Aufschlämmungen der Schleifmittel.
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Schleifmaterialien auf Basis Polyurethan sind bekannt.
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So werden Schleifmittel in massives Polyurethanelastomer direkt bei
der Herstellung homogen eingearbeitet, S. z.B. GB-PS 1 285 174, US-PS 4 150 955
und DE-A 2 328 878, oder massives Polyurethan wird einseitig mit Schleifmitteln
beschichtet, s. z.B.
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US-PS 4 128 972 und FR-PS 2 145 354.
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Diese bisher bekannten Schleifmateralien haben den Nachteil, daß sie
zum Schleifen von stark konturierten Oberflächen eine zu geringe Weichheit bei gleichzeitig
erforderlicher hoher Elastizität aufweisen, um einen stets guten Kontakt zum Werkstück
zu halten.
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Außerdem besitzen diese Schleifmaterialien eine zu geringe Hydrophilie
für das Verfahren des Naßschleifens.
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Weiterhin ist bekannt, in Wasser aufgeschlämmte Schleifmittel durch
Carboxymethylzellulose zu binden. In der DE-A 2 291 341 wird die Vermischung von
z.B. Korund oder Zirkondioxid-Aluminiumoxid mit wäßriger Carboxymethylcellulose-Lösung
und die nachfolgende Granulierung der erhaltenen Gelmasse beschrieben. Derartige
Gelmassen besitzen für das Naßschleifverfahren eine zu geringe Strukturfestigkeit,
so daß diese Schleifmittel enthaltenden Gele nur in Form von Granulaten verwendet
werden können.
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Es wurde nun gefunden, daß man Schleifmaterialien auf Basis von Schleifmittel
enthaltender Polyurethanharnstoff-Gele erhält, die weichelastisch sind und eine
hohe Strukturstabilität auch unter den Bedingungen eines Naßschleifvorganges aufweisen,
wenn man wäßrige Aufschlämmungen von Schleifmitteln mit Isocyanatgruppen enthaltenden
Prepolymeren, gegebenenfalls in Gegenwart von Di- oder Polyaminen als Kettenverlängerungsmittel,
vermischt.
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Die Erfindung betrifft daher Schleifmaterialien auf Basis Schleifmittel
enthaltender Polyurethanharnstoff-Gele; die Schleifmaterialien sind dadurch gekennzeichnet,
daß sie Schleifmittel enthalten, die in feindispergierter Form in konvalent vernetzte
Polyurethanharnstoff-Gele eingebettet sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Schleifmaterialien
auf Basis von Schleifmittel enthaltenden Polyurethanharnstoff-Gelen, das Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, daß man wäßrige, gegebenenfalls Polyamin enthaltende
Aufschlämmungen von Schleifmitteln mit Isocyanatendgruppen aufweisenden Prepolymeren
vermischt. Die Verwendung von Wasser als alleinigem Kettenverlängerungsmittel ist
bevorzugt.
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Die in den erfindungsgemäßen Schleifmitteln enthaltenen kovalent vernetzten
Polyurethanharnstoff-Gele sind durch Umsetzung von NCO-Prepolymeren bzw. -Semiprepolymeren
mit Wasser, in dem sich gegebenenfalls Di- oder Polyamine als Kettenverlängerungsmittel
bzw. Vernetzer befinden, erhältlich. Derartige Gele sind z.B. in der DE-A 2 347
299 und in der DE-A 2 521 277 beschrieben, ebenso die auch im erfindungsgemäßen
Verfahren einsetzbaren Ausgangsstoffe. Die Prepolymere und Semiprepolymere weisen
Isocyanatendgruppen auf und werden in an sich bekannter Weise durch Umsetzung von
Polyethern, die mindestens 30 Gew.-% -CH2.CH2.O-Einheiten ("Ethylenoxid-Einheiten")
enthalten, mit einer überschüssigen Menge an Di- und/oder Polyisocyanat hergestellt.
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Bei dieser Umsetzung wird die Menge an Di- und/oder Polyisocyanat
vorzugsweise so bemessen, daß das NCO/OH-Verhältnis in Abhängigkeit von den gewünschten
Eigenschaften des herzustellenden Prepolymer-Typs 2 bis 10 beträgt. Der Gehalt des
Prepolymers bzw. Semiprepolymers an Isocyanatgruppen beträgt vorteilhaft 2 bis 10
Gew.-a, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 3,5 bis 4,5 Gew.-%, bezogen
auf das Gewicht des Prepolymers bzw. Semiprepolymers.
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Ausgangsmaterial für die NCO-Prepolymere bzw. Semiprepolymere sind
mindestens zwei aktive Wasserstoffatome aufweisende Polyoxyalkylenether mit einem
Molekulargewicht von 500 bis 10 000, vorzugsweise 2000 bis 8000, die mindestens
30 Gew.-% an Ethylenoxidgruppen in Form von Oxyethylengruppen iÕ.CH2;CH2 f, bezogen
auf das Gewicht des Polyethers, neben vorzugsweise Oxypropylengruppen enthalten.
Derartige Polyether werden durch Umsetzung von Verbindungen mit reaktionsfähigen
Wasserstoffatomen, z.B. Di- oder Polyalkoholen, Di-oder Polyphenolen, aliphatischen
oder aromatischen Di- oder Polyaminen, mit Ethylenoxid und gegebenenfalls Alkylenoxiden
wie Propylenoxid, Butylenoxid, Styroloxid, Epichlorhydrin oder Gemischen dieser
Alkylenoxide hergestellt.
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Bevorzugt sind mehr als zweifunktionelle Polyether, z.B. trifunktionelle
Ether, da sie kovalent vernetzte PU-Gele ergeben.
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Weitere Ausgangsverbindungen für die NCO-Prepolymere bzw. Semiprepolymere
sind aliphatische, cycloaliphatische, araliphatische, aromatische oder heterocyclische
Polyisocyanate, wie sie z.B. von W. Siefken, Liebigs Annalen der Chemie, Band 562,
Seiten 75-136, beschrieben werden.
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Als Polyisocyanate kommen beispielsweise die in den DE-A 2 347 299
und 2 521 277 beschriebenen Polyisocyanate in Betracht. Beispiele sind die Toluylendiisocyanate,
die Diphenylmethan-diisocyanate in Form ihrer 4,4'- und/oder 2,4'- und/oder 2,2-'-Isomeren,
ferner
Gemische der Diphenylmethandiisocyanate mit ihren drei- und höherkernigen Homologen
und Isomeren. Geeignet sind auch die üblichen Abwandlungsprodukte dieser Toluylen-
bzw. Diphenylmethan-di- und -poly-isocyanate durch Allophanatisierung, Biuretisierung,
Dimerisierung, Trimerisierung, Carbodiimidisierung oder Umsetzung mit stöchiometrisch
unterschüssigen Mengen an di-und/oder polyfunktionellen Verbindungen wie Wasser
und Di- oder Polyolen.
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Ganz besonders bevorzugt sind die Toluylendiisocyanate als 2,4- oder
2,6-Isomere oder ihre Isomerengemische.
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Aliphatische-oder cycloaliphatische Di- und Polyisocyanate können
eingesetzt werden, z.B. Hexamethylen-1,6-diisocyanat, Isophorondiisocyanat, biuretisiertes
Hexamethylendiisocyanat oder Dicyclohexylmethandiisocyanate in ihren Stellungs-
und/oder Stereoisomeren oder deren Gemischen.
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Die Menge der bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifmaterialien
einzusetzenden NCO-Prepolymere (entsprechend dem Polyurethanharnstoff-Feststoff)
beträgt 5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 25 Gew.-%j besonders bevorzugt 15 bis
20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtreaktionsgemisch zur Herstellung der Schleifmaterialien.
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Das bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifmaterialien mitzuverwendende
Wasser erfüllt neben seiner Funktion als Dispersionsmittel für die Schleifmittel
und für die Prepolymere bzw. Semiprepolymere zusätzlich auch die Rolle des Reaktionspartners
für die Iso-
cyanatgruppen aufweisenden Prepolymere. Der Gehalt
an Wasser beträgt 20 bis 75 Gew.-%, vorzugsweise 25 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt
30 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Schleifmaterials bei der Herstellung.
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Als niedermolekulare Kettenverlängerungsmittel bzw. Vernetzer können
gegebenenfalls auch Di- und/oder Polyamine mitverwendet werden. Beispiele für solche
aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Di- oder Polyamine sind: Ethylendiamin,
Hexamethylendiamin, Diethylentriamin, Hydrazin, Guanidincarbonat, N,N' -Diisopropylhexamethylendiamin,
1, 3-Bis-aminomethyl-benzol, N,N' -Bis-(3-aminopropyl)-ethylendiamin, N,N' -Bis-
(2-aminopropyl)-ethylendiamin, N,N' -Bis- (2-aminoethyl) -ethylendiamin, 4,4'-Diamino-diphenylmethan,
4,4'-Dimethylamino-3,3'-dimethyl-diphenylmethan, 2,4' -Diaminodiphenyl-methan, sowie
2,4- bzw. 2, 6-Diaminotoluol.
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Der Gehalt an Di- bzw. Polyaminen beträgt 0,2 bis 5 %, bevorzugt 1
bis 4 %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Schleifmaterials.
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Als Schleifmittel kommen erfindungsgemäß die in Schleifmaterialien
üblicherweise enthaltenen abrasiven Partikel in feinpulveriger Form in Frage, wie
z.B. Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Ceroxid, Wolframdioxid, Borcarbid, Siliciumcarbid,
Carborundum, Korund, Asbestpulver oder Diamantpulver. Die Schleifmittel können einzeln
oder in Abmischungen eingesetzt werden. Der Gehalt der in den erfindungsgemäßen
Schleifmaterialien enthaltenen Schleifmittel beträgt 20 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise
30 bis 70
Gew.-%, besonders bevorzugt 40 bis 60 Gew.-%, bezogen
auf das Gesamtgewicht des Schleifmaterials.
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Als Zusatzstoffe können die in Schleifmaterialien üblicherweise mitverwendeten
Stoffe eingesetzt werden, wie z.B. Graphit, Mikroglaskugeln oder Glimmer. Weiterhin
können als Zusatzmittel Latices auf verschiedenster Basis wie z.B. Acrylat-, Kautschuk-
oder Polyesterbasis, bei der Herstellung zugefügt werden. Auch Farbstoffe, Farbpigmente,
Kurzfasern organischer oder anorganischer Basis, Fungizide sowie oberflächenaktive
Substanzen können den Schleifmaterialien bei der Herstellung- inkorporiert werden.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifmaterialien kann auf
verschiedene Weise erfolgen. Man kann z.B. alle Komponenten, d.h. die gelbildende
Substanz, Vernetzungsmittel, Wasser und Schleifmittel auf einmal zusammengeben und
intensiv vermischen. Man kann aber auch die Komponenten nacheinander zusammengeben.
Bei der mehrstufigen Arbeitsweise wird das NCO-Prepolymer bzw. Semiprepolymer zunächst
mit einem Teil des Wassers vermischt; dann wird in diese Mischung das mit dem restlichen
Wasser angefeuchtete Schleifmittel eingerührt. Gemäß einer technisch besonders vorteilhaften
Variante dieses Mehrstufenverfahrens wird die gelbildende Substanz zunächst intensiv
mit Wasser vermischt und dann das trockene Schleifmittel zugemischt.
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Bei diesen Verfahrensweise kann die Förderung, Dosierung und Mischung
der Einzelkomponenten oder Komponen-
tengemisch mit den für den
Fachmann an sich bekannten Vorrichtungen erfolgen. Die Förderung und Dosierung des
pulverigen Schleifmittels ist z.B. mit einer geeigneten Schnecke möglich. Die anschließende
Zumischung des Schleifmittels zum reaktiven, gelbildenden Gemisch wird z.B. in einer
Rührwerksmischkammer durchgeführt.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifmaterialien kann kontinuierlich
oder diskontinuierlich vorgenommen werden. Die Arbeitsweise hängt von der Form ab,
die man den erfindungsgemäßen Schleifmitteln geben möchte. Wenn man z.B. Blöcke
oder Stangen herstellen will, die dann in Scheiben zerschnitten werden sollen, ist
vorzugsweise die diskontinuierliche Arbeitsweise durchzuführen.
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Sollen die erfindungsgemäßen Schleifmittel jedoch z.B.
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in dünnen Stücken geeigneter Abmessungen hergestellt werden, dann
ist die kontinuierliche Verfahrensweise vorteilhafter. In diesem Fall produziert
man zunächst eine endlose Bandware, die anschließend in einzelne Stücke, z.B. Platten
oder Folien, zerteilt wird. Bei dieser Verfahrensweise kann das reaktionsfähige
schleifmittelhaltige Gelgemisch auch, bevor es durch die Reaktion erstarrt, gesprüht
oder gerakelt werden. Hierbei kann das reaktionsfähige Gemisch auf die verschiedenartigen
Materialien auf Basis von natürlichen odersynthetischen Rohstoffen aufgebracht werden,
z.B. auf Folien, Matten, Vliese, Gewirke, Gestricke, Gewebe oder Schaumfolien.
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Die erfindungsgemäßen Schleifmaterialien können in den verschiedensten
Formen, z.B. als Granulat, Platte,
Folie, Block oder Band, eingesetzt
werden. Die Anwendung geschieht nach den in der Schleiftechnik üblichen Methoden.
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So kann z.B. ein Schleifmaterialträger mit einer dünnen Platte aus
dem erfindungsgemäßen Schleifmaterial bestückt werden. Wenn das erfindungsgemäße
Schleifmaterial auf ein geeignetes elastisches Substrat, wie Gewebe, -Gestricke,
aufgebracht worden ist, so kann es als Material zum Schleifen von Hand verwendet
werden, insbesondere zum Schleifen von stark konturierten Flächen.
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Die Anwendungsbereiche für die erfindungsgemäßen Schleifmaterialien
sind vielfältig. Sie können z.B. zum Glasschleifen wie Brillengläser, zum Metallschleifen,
wie Reparatur von Autokarosserien oder Kunststoffschleifen sowie im Hobbybereich
Anwendung finden.
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Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung. Bei den
in den Beispielen angegebenen Teilen handelt es sich um Gewichtsteile, sofern nicht
anders angegeben ist.
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Beispiel 1 In 35 Teilen entmineralisiertem Wasser von +70C werden
15 Teile des NCO-Prepolymers A, dessen Herstellung nachstehend beschrieben ist,
durch intensives Rühren innerhalb von 30 Sekunden dispergiert. Der Reaktionsmischung
werden 50 Teile von feinpulverigem Ceroxid auf einmal zugefügt und innerhalb von
weiteren 30 Sekunden mit der Mischung intensiv verrührt. Die Reaktionsmischung wird
anschließend in eine offene kreisrunde Form (Durchmesser 10 cm) gegossen. 130 Sekunden
nach Beginn der Vermischung der Reaktionskomponenten erfolgte die Gelbildung. Nach
weiteren 10 Minuten wird das in Form einer elastischen Platte anfallende Schleifmaterial
(Durchmesser 10 cm, Stärke 15 mm) der Form entnommen und mittels einer Spaltmaschine
in Scheiben mit 2 mm Stärke zerschnitten. Die erhaltene Schleifscheibe ist zum Polieren
von Glasflächen geeignet.
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Das verwendete NCO-Prepolymer A wurde wie folgt erhalten: Eine Mischung
aus 159 Teilen Toluylendiisocyanat (80 % 2,4- und 20 % 2,6-Isomeres) und 1200 Teilen
eines trifunktionellen Polyethers, der durch Anlagerung von 60 Gew.-% Ethylenoxid
und 40 Gew.-% Propylenoxid an Glycerzin erhalten worden ist und eine Hydroxylzahl
von 28 besitzt, wird unter Rühren innerhalb von 30 Minuten auf 800C erwärmt. Bei
dieser Temperatur wird die Reaktionsmischung weitere 3 Stunden gerührt und dann
auf Raumtemperatur abgekühlt. Das erhaltene Prepolymer hat
einen
Isocyanatgehalt von 3,7 % und eine Viskosität von 9500 mPa.s bei 250C.
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Beispiel 2 In 35 Teilen entmineralisiertem Wasser von +50C werden
15 Teile des Prepolymers B, dessen Herstellung nachstehend beschrieben ist, durch
intensives Rühren innerhalb von 15 Sekunden dispergiert. Dieser Reaktionsmischung
werden 50 Teile Korundpulver auf einmal zugefügt und innerhalb von weiteren 15 Sekunden
mit der Mischung intensiv verrührt. Die Reaktionsmischung wird anschließend in eine
offene Form (Grundfläche: 21x21cm) gegossen. 130 Sekunden nach Beginn der Vermischung
der Reaktionskomponenten erfolgte die Gelbildung. Nach weiteren 5 Minuten wird das
in Form einer elastischen Gelfolie anfallende Schleifmaterial (Abmessungen: 21x21x0,2
cm) der Form entnommen. Diese Gelfolie ist z.B. zum Schleifen von Metall geeignet.
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Das verwendete NCO-Prepolymer B wurde wie folgt erhalten: Eine Mischung
aus 256 Teilen Toluylendiisocyanat (80 Gew.-% 2,4- und 20 Gew.-% 2,6-Isomeres) und
2000 Teilen eines Polyethers, der durch Anlagerung von 40 Gew.-$ Ethylenoxid und
60 Gew.-% Propylenoxid an Glycerin erhalten worden ist und eine Hydroxylzahl von
21 besitzt, wird unter Rühren innerhalb von 30 Minuten auf 800C erwärmt. Bei dieser
Temperatur wird die Reaktionsmischung weitere 3 Stunden gerührt und dann
auf
Raumtemperatur abgekühlt. Das erhaltene Prepolymer weist einen Isocyanatgruppengehalt
von 4 Gew.-% und eine Viskosität von 6200 mPa.s bei 250C auf.
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Beispiel 3 In 35 Teilen eines wäßrigen Latices auf Basis von Nitrilkautschuk
werden 15 Teile des Prepolymers C, dessen Herstellung nachstehend beschrieben ist,
durch intensives Rühren innerhalb von 15 Sekunden dispergiert.
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Dieser Reaktionsmischung werden 50 Teile Ceroxid-Pulver auf einmal
zugefügt und innerhalb von weiteren 15 Sekunden mit der Mischung verrührt. Die Reaktionsmischung
wird anschließend in eine offene Form (Grundfläche: 21:21 cm) gegossen. Innerhalb
von 5-Minuten nach Beginn der Vermischung der Reaktionskomponenten erfolgt die Gelbildung.
Nach weiteren 10 Minuten wird das in Form einer elastischen Gelfolie anfallende
Schleifmaterial (Abmessungen: 21x21x0,2 cm) der Form entnommen.
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Das verwendete Prepolymer C war wie folgt erhalten worden: 865 Teile
eines Polyethers, der durch Anlagerung von 60 Gew.-% Ethylenoxid und 40 Gew.-* Propylenoxid
an Glycerin erhalten worden ist und eine Hydroxylzahl von 28 aufweist, werden mit
135 Teilen 1,6-Hexamethylendiisocyanat homogen vermischt und auf 105°C erwärmt.
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Die Reaktionsmischung wird bei dieser Temperatur 7 Stunden gerührt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Danach wird 0,1 Gew.-% Benzoylchlorid zugefügt und homogen verrührt.
Das erhaltene Prepolymer weist einen Isocyanatgruppengehalt von 5,1 Gew.-% und eine
Viskosität (bei 230C) von 7400 mPa.s auf.