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Hintegrgrund der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Ablagerung von abrasiven Materialien
durch ein elektrostatisches Verfahren und besonders auf Gemische,
die solch ein Verfahren außerordentlich
erleichtern.
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In
der Herstellung beschichteter Schleifmittel durch ein Verfahren,
in dem ein Schleifkorn auf einem nicht ausgehärteten oder teilweise ausgehärteten Bindemittelmaterial
abgeschieden wird, umfasst das gebräuchlichste Ablagerungsverfahren
elektrostatische Ablagerung, bei der das Korn unter Einfluss eines
elektrostatischen Feldes nach oben in Kontakt mit dem Bindemittel übertragen
wird. Dieses wird gewöhnlich
als UP-Verfahren (für
upward projection) bezeichnet. Das Korn wird von einem Füllschacht
auf ein sich bewegendes Band zugeführt, das durch eine Ablagerungsstelle
geführt
wird, die durch eine geladene Platte bestimmt ist, die angeordnet
ist unterhalb des sich bewegenden Bandes und direkt gegenüber und
parallel zu einer geerdeten, über
dem sich bewegenden Band angeordneten, Platte. Das Substrat, auf
dem das Korn abgeschieden werden soll, folgt einem Weg parallel
und über
dem sich bewegenden Band während
sich beide durch die Ablagerungsstelle bewegen. Das elektrostatische
Feld zwischen der geladenen Platte und der geerdeten Platte bewirkt, dass
das Korn nach oben gegen die nach unten gerichtete Oberfläche des
Substrats übertragen
wird, wo es auf einem darauf gestrichenen nicht ausgehärteten oder
teilweise ausgehärteten
Bindemittel, anhaftet. Wenn eine gleichmäßige Partikelgröße bereitgestellt
wird, führt
dies gewöhnlich
zu einer sehr gleichmäßigen Ablagerung
des Korns. Wenn das Korn jedoch eine Tendenz zum Klumpen hat oder wenn
der Strom zur Oberfläche
von der es übertragen
wird uneinheitlich ist, kann die Gleichmäßigkeit der Ablagerung schwer
beeinträchtigt
werden. Dieses Problem ist besonders schwerwiegend, wenn sehr feine
Partikelgrößen beteiligt
sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt Mittel bereit, um den freien Strom
der Partikel, die elektrostatisch abgeschieden werden sollen, zu
begünstigen,
sogar wenn ihre Größe extrem
klein ist. Die Erfindung kann in Beschickungseinrichtungen für ein UP-Schleifkorn-
Ablagerungsverfahren benutzt werden, oder sie kann verwendet werden,
um ein Funktionspulver umfassend Schleifkörner auf der Oberfläche eines Gemisches,
das Schleifkörner
enthält,
die in einem aushärtbaren
Bindemittel, in einem Prozess wie er zum Beispiel in USP 5,833,724
beschrieben ist, verteilt sind.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein elektrostatisch übertragbares
Pulvergemisch umfassend Schleifpartikel mit einer Korngröße kleiner
als 36 µm (320
grit) und Kieselsäurepulver
in einer Menge, die ausreicht um den spezifischen Volumenwiderstand und
den Flächenwiderstand
der Schleifmittelpartikel um mindestens 50%, aber auf nicht mehr
als einen Flächenwiderstand
von 1014 Ohm/Quadrat und/oder einen spezifischen
Volumenwiderstand von 1014 Ohm·cm zu
erhöhen.
Vorzugsweise sind diese maximalen Widerstandswerte kleiner als 1012 Ohm/Quadrat bzw. Ohm·cm.
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Die
Oberflächen-
und spezifischen Volumenwiderstände
werden gemessen unter Verwendung von ASTM D4496, was das Standardtestverfahren zum
Messen des "Gleichstrom-Widerstands
des Wirkleitwerts mäßig leitender
Materialien" ist
und ASTM D2557, was das Standardtestverfahren zum Messen des "Gleichstrom-Widerstands
von isolierenden Materialien" ist.
Wird gemäß der Erfindung
ein akzeptables Niveau eines der Parameter (Volumen- und Oberflächenwiderstände) erreicht,
wird unterstellt, dass der andere ebenfalls ein akzeptables Niveau
erzielt hat, so dass die Messung allein eines Parameters unter praktischen
Bedingungen ausreichend ist.
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Es
wurde herausgefunden, dass die Widerstandswerte in Beziehung zum
Fließverhalten
des Pulvers gesetzt werden können,
sodass das betrachtete Pulver leichter an UP-Ablagerung in Anwendungen
mit beschichteten Schleifmitteln angepasst werden kann. Zu hohe
oder zu niedrige Widerstände
sind jedoch beide unerwünscht.
Es ist deshalb notwendig den Widerstand zu regeln, um optimale Ergebnisse sicherzustellen.
Zugabe von Kieselsäurepulver
bewirkt ein Ansteigen des Widerstandes der Schleifpartikel, ein
zu großer
Widerstand schafft jedoch Probleme bei der Übertragbarkeit. Es ist deshalb
wichtig den Widerstand zu regeln, sodass die optimale Leistung erreicht
wird. Eine hervorragende Eigenschaft der Pulvergemische der Erfindung,
mit denen dies erreicht wird, ist, dass sie elektrostatisch übertragbar sind
und ein verbessertes Fließverhalten
haben.
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Die
gewünschten
Widerstandswerte werden durch Zugabe eines geeigneten Kieselsäurepulver-Additivs erhalten,
dessen Menge je nach Additiv variiert. Im allgemeinen ist es jedoch
möglich,
die Eigenschaften der Vorgabe-Widerstände für die Pulver der Erfindung
durch Zugabe von 0,02 bis 5 Gew.-%, basierend
auf dem Gewicht des Gemisches sicherzustellen. Die bevorzugte Kieselsäuremenge
geht von 0,05 bis 3%, sowie von 0,1 bis 2%, basierend auf dem Gewicht
des Gemisches.
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Das
Kieselsäurepulver
hat vorzugsweise eine Partikelgröße, die
nicht größer als
die der Schleifpartikel ist.
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Die
Kieselsäure
kann ein jegliches der erhältlichen
pulvrigen Kieselsäureprodukte
sein, wie z. B. Fällungskieselsäure oder
pyrogene Kieselsäure. Während Kieselsäure von
Natur aus etwas widerstandsfähig
gegen aufladungsbedingtes Klumpen ist, haben einige Kieselsäuren wie
pyrogene Kieselsäure hochporöse Partikelstrukturen,
die zu übermässigen Oberflächen führen, und
mit solchen Kieselsäuren kann
manchmal eine Tendenz zur Klumpenbildung angetroffen werden. Wo
solche Probleme mit pyrogener Kieselsäure angetroffen werden, kann
sie nach Behandlung mit mit einem Additiv, wie z. B. Hexamethyldisilazan,
wirksam verwendet werden, um die Hydrophobie der Kieselsäureoberfläche zu erhöhen und die
Tendenz zum Agglomerieren zu vermindern. So eine Behandlung wird
häufig
von kommerziellen Anbietern pyrogener Kieselsäure angewandt. Selbst wenn
etwas Agglomeration des kommerziellen pyrogenen Kieselsäurepulvers
auftritt, sind die beteiligten Kräfte sehr abgeschwächt und
können
leicht durch Scherbeanspruchung abgebaut werden.
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Geeignete
Kieselsäuren,
die mit Vorteil genutzt werden können,
umfassen: FG-SP FLOW-GARD® mit einer Partikelgröße von 25 µm und einer
BET-Oberfläche
von 220 m2/g; FG-AB mit einer Partikelgröße von 20 µm und einer
BET-Oberfläche
von 130 m2/g; HI-SIL® T-600
mit einer Partikelgröße von 2,0 µm und einer
BET-Oberfläche
von 170 m2/g; und HI-SIL® T-152
mit einer Partikelgröße von 1,4 µm und einer
BET-Oberfläche
von 150 m2/g (Alle diese sind von der PPG-
Corporation erhältlich);
und CAB-O-SIL® TS-530,
welches eine Partikelgröße von 0,2 µm, eine
Oberfläche
von 220 m2/g hat und eine Oberflächenbehandlung
mit Hexamethyldisilazan erhalten hat. Dieses Produkt ist von der
Cabot Corporation erhältlich.
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Die
Schleifpartikel werden aus der Gruppe ausgewählt, die umfasst Schmelz- oder
gesintertes Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, kubisches Bornitrid, Diamant
und Schmelzaluminiumoxid/-zirkonium. Die gebräuchlichsten Schleifmittel basieren
jedoch auf Aluminiumoxid oder Siliziumcarbid. Die Größe der Schleifpartikel,
die verwendet wird, entspricht 36 µm (320 grit) oder feiner,
aber das Problem wird gewöhnlich
mit größtem Schwierigkeitsgrad
bei Korngrößen von
P 600 oder feiner angetroffen. Dies entspricht durchschnittlichen
Partikelgrößen von
etwa 25,8 µm und
feiner.
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Die
Mischung kann, zusätzlich
zu den Schleifpartikeln und dem Kieselsäurepulver auch umfassen, funktionelle
Additive, die spezifische Eigenschaften auf das Schleifprodukt übertragen,
wie z. B. Oberflächenfeuchtigkeit,
antistatische Eigenschaften, verbesserte Schleiffähigkeiten
usw.. Solche Additive sind zusammen mit und in inniger Mischung
mit den Schleifpartikeln enthalten. Diese haben auch vorzugsweise
Partikelgrößen, die
gleich oder kleiner als die Schleifpartikel sind mit denen sie vermischt
sind. Die Menge funktioneller Additive, die vorhanden sein können, kann
z. B. von 5 bis 75% und vorzugsweise von 25 bis 60 Prozent und in
der am meisten bevorzugten Weise von 30 bis 50 Prozent des Gesamtgewichts
von Schleifmittel plus Additiv.
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Die
Schleifpulver haben zur Erfindung passende Widerstandsniveaus, und
man findet ebenfalls, dass die Schleifpulver der Erfindung im allgemeinen
viel weniger anfällig
für Veränderungen
der Feuchtigkeit in der Atmosphäre
oder auf dem Korn sind. Bei einigen Körnern, vor allem Aluminiumoxid basierten
Körnern,
beeinflusst die relative Feuchtigkeit, die die UP-Ablagerungsvorrichtung
umgibt die Effektivität,
mit der die Schleifpartikel übertragen
werden, ganz erheblich. Die Schleifmittelpulver der Erfindung sind
jedoch wesentlich widerstandsfähiger
gegen Feuchtigkeitsveränderungen,
dadurch stellen Sie einen erheblichen Zusatznutzen beim Gebrauch der
Erfindung bereit.
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Die
Erfindung umfasst deshalb des weiteren ein Verfahren für die UP-Ablagerung
einer Mischung, mit Schleifpartikeln mit einer Korngröße kleiner
als 36 µm
(320 grit) und vorzugsweise 23,6 µm (400 grit) und einem Kieselsäurepulver
in einer ausreichenden Menge, um den Oberflächenwiderstand und den spezifischen
Volumenwiderstand der Schleifpartikel um mindestens 50% aber auf
keinen höheren
Oberflächenwiderstand
als 1014 und vorzugsweise keinen höheren als
1012 Ohm/Quadrat und/oder keinen höheren spezifischen
Volumenwiderstand als 1014 und vorzugsweise
keinen höheren
als 1012 Ohm·cm zu erhöhen.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur UP-Ablagerung einer Schleifmittelmischung,
die Vereinigen der Schleifmittel von 0,02 bis 5 Gew.-%, basierend
auf dem Mischungsgewicht, mit einer Kieselsäure, die eine Partikelgröße nicht
größer als
die der Schleifpartikel hat, umfasst.
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Wenn
man sich auf die Schleifpartikel bezieht, wird die Größe in Begriffen
eines CAMI-Siebverfahrens
ausgedrückt,
welches eine durchschnittliche Partikelgröße definiert, die mit einer
speziellen µm-Zahl übereinstimmt.
Wenn man sich auf auf Kieselsäure
oder andere pulvrige Additive bezieht, wird die Partikelgröße in µm ausgedrückt und
bezieht sich auf eine durchschnittliche Partikelvolumengröße, wie sie
z. B. mit einem Horiba-Partikelgrößen-Messgerät bestimmt wird.
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Zeichnungen
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1 ist
eine Perspektivsche Skizze einer Test-Lagerungsvorrichtung, wie
sie verwendet wird, um die Additive zu bewerten.
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2 ist
eine Kurve, die die Korn-Durchflussrate in der Durchfluss-Evaluations-Vorrichtung, die
in Beispiel 1 verwendet wird, in drei Reihen mit speziellen Bedingungen
darstellt.
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3 ist
ein Balkendiagramm, das Durchflussverbesserungen, als Ergebnis der
Verwendung von Mischungen gemäß der Erfindung,
zeigt.
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4 ist
ein Balkendiagramm dass die in Beispiel 2 erhaltenen Schleifergebnisse
darstellt.
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5 ist
eine Kurve, die die Wirkung zusätzlicher
Gewichtskraft darstellt, auf Grund spezifischen Volumenwiderstandes
des resultierenden Schleifpulvers für drei unterschiedliche Aluminiumoxid-Schleifkörner unter
zwei unterschiedlichen Bedingungen relativer Luftfeuchtigkeit.
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6 stellt
die Daten aus 5 in Form eines Balkendiagramms
dar.
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7 und 8.
sind den 5 und 6 ähnlich,
mit dem Unterschied, dass sich die gesammelten Daten auf Siliziumkarbid-Schleifkörner beziehen.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
Erfindung wird nun durch Bewerten der Eigenschaften einer Anzahl
Mischungen und der Schleifleistung eines beschichteten Schleifmittels, das
eine dieser Mischungen umfasst, erläutert. Die Beispiele dienen
deshalb Demonstrationszwecken und implizieren unter keinen Umständen eine
wesentliche Einschränkung
der Erfindung oder ihres Anwendungsbereiches.
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Beispiel 1
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Um
die Fließeigenschaften
der Mischungen gemäß der vorliegenden
Erfindung nachzuweisen, wurde eine Testvorrichtung wie in 1 dargestellt aufgebaut.
Der Apparat umfasst einen Füllschacht 1, 1,
angepasst, um Körner
an die äußere Oberfläche einer
Walze 2 zuzuführen,
die mit einer regelbaren Geschwindigkeit um eine Achse parallel
zur Füllschachtachse
rotiert, wobei der Spalt 3 zwischen dem Füllschacht
und der Walzenoberfläche
einstellbar ist. Das Korn passiert ein Sieb 4 und fällt in einen Tiegel 5.
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Im
Betrieb der obigen Testvorrichtung wurde Pulver in den Füllschacht
geschüttet,
der Spalt zwischen dem Schacht und der Trommel wurde festgelegt
und die Trommel wurde mit einer vorgegebenen Drehzahl gedreht. Die
Korn-Durchflussrate, in Gramm pro Korn, das im Tiegel pro 15-sekündiger Periode
abgelagert wurde, wurde gemessen. Dies wurde bei einer Anzahl von
Spaltseinstellungen, Trommelgeschwindigkeiten und Pulvermischungen wiederholt.
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Das
Pulver, das durch das System rann, umfasste P 1200 grit Aluminiumoxid-Partikel
in einem 2:1 Gewichtsverhältnis
mit Kaliumflouroborat und mit variierenden Mengen einer Fällungskieselsäure erhältlich bei
PPG Corporation unter dem Markenzeichen FLOW-GARD® AB.
Beide, die Kieselsäure
und die Schleifpartikel haben eine Durchschnittsgröße von ungefähr 20 µm. Abhängig von
der Menge der zugefügten
Kieselsäure
schwankte der Oberflächenwiderstand
der Mischungen zwischen ungefähr
109 und ungefähr 1011 Ohm/Quadrat
und die Volumenwiderstände
zwischen ungefähr
109 und ungefähr 1011 Ohm·cm. Die
Kornmenge, die in einem Sammeltigel in einer 15-sekündigen Periode
abgelagert wurde, wurde bei drei unterschiedliche Einstellungen
für den Spalt
zwischen dem Füllschacht
und der Walzenoberfläche
gemessen. Die Ergebnisse sind in einer Grafik in 2 dargestellt.
Wie zu sehen ist, zeigen die Ergebnisse für dieses System, daß der Maximaldurchfluß, ungeachtet
des Spaltes, bei einer Konzentration des Kieselsäureadditivs von etwa 1% erreicht wird.
Die Wiederholung mit einer anderen Walzengeschwindigkeit führte zum
selben Ergebnis.
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Eine ähnliche
Reihe von Tests mit derselben Testvorrichtung wurde, um die Verbesserung
zu bewerten, mit denselben Komponenten, jedoch mit einer konstanten
Walzengeschwindigkeit von 40 inches/min (ungefähr 1 Meter/min) und drei verschiedenen
Spaltseinstellungen von 0,03'', 0,04'' und 0,06''(0,76
mm, 1,02 mm bzw. 1,52 mm) ausgeführt. Jede
Mischung entsprechend der Erfindung umfaßte 2 Gew.-%, derselben Kieselsäure, gemischt
mit demselben P1200 Aluminiumoxid und Kaliumflouroborat-Partikeln.
Jede wurde in Abhängigkeit
von der gleichen Zusammensetzung, aber ohne die Kieselsäure verglichen
und vor der Ausführung
des Tests, wurde die Pulvermischung bei 37,8 °C (100F) drei Wochen lang gelagert,
um die beste Rieselfähigkeit zu
gewährleisten.
Keine solcher Trocknungs-Vorsorgemaßnahmen wurden bei den der
Erfindung entsprechenden Produkten angewandt.
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Die
Ergebnisse sind in 3 dargestellt, in welcher die
prozentuale Verbesserung (bezeichnet als Gramm des Pulvers, das
in einer 15 sekündigen Periode
abgelagert wird) über
die kieselsäurefreie Mischung
unter den gleichen Bedingungen in Form eines Balkendiagramms gezeigt
ist. Die Länge
der Balken zeigt die prozentuale Verbesserung über das kieselsäurefreie
Produkt. Ein Fehlerbalken auf jedem Balken zeigt den Grad der Schwankungen
in den Ergebnissen, die in diesem Diagramm zusammengefaßt sind.
Wie erwartet werden konnte, ist die dargestellte Verbesserung dort
kleiner, wo der Spalt größer ist,
da der breitere Spalt einigen der agglomerierten Partikel ermöglicht durchzufallen.
Das ist nach wie vor bedeutsam.
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Bewertungen
von Aluminiumoxid-Partikel-Größen, größer als
P 1200, aber mit den anderen Parametern konstant gehalten, zeigten
eine deutliche Verbesserung zur P 1000 Aluminiumoxid-Partikel-Größe, aber
unter diesem Niveau waren die Testbedingungen nicht empfindlich
genug, um eine klare Verbesserung anzuzeigen. Zusätzlich wird
das Problem der Partikel-Agglomeration, wie oben gezeigt, weniger
akut mit Anwachsen der Partikelgröße. Um solche größeren Partikel-Größen zu untersuchen, wurde
ein Trichter mit einer Ausflussöffnung
mit einem Durchmesser von 0,1''(2,54 Millimetern)
verwendet, um Durchflußraten
zu bewerten. Dabei wurde herausgefunden daß, dort wo der Durchfluß behindert
ist, die Zugabe von 2% Kieselsäure
nützlich für das Ansteigen
der Durchflußrate
von Aluminiumoxid mit 36 µm
(320 grit) und kleineren Partikelgrößen war.
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Beispiel 2
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In
diesem Beispiel wurde die Schleifleistung eines beschichteten Schleifmittels
mit einer technisierten Oberfläche,
mit und ohne Kieselsäureadditiv, bewertet.
Das beschichtete Schleifmittel-Substrat wurde
durch Ablagerung einer Mischung erhalten, umfassend ein Aluminiumoxid-Schleifkorn,
in UV-verträglichem
Acrylharzbindemittel verteilt, und dann wurde auf der Oberfläche der
abgelagerten Mischung eine Schicht eines Pulvers, umfassend ein 2:1
Gewichtsverhältnis
von P 1200 Aluminiumoxid-Schleifpartikel
und Kaliumflouroborat-Partikeln aufgebracht. Ein sich wiederholendes
Muster wurde auf die Mischung geprägt und die Kunstharz-Bindemittel-Komponente
wurde ausgehärtet.
Drei Proben wurden vorbereitet, die identisch waren mit der Ausnahme,
daß die
Puderschicht, die auf der nicht ausgehärteten Oberfläche abgelagert
war, bei zweien der Schleif-/Kunstharzbindemittel-Mischungen kieselsäurehaltig
war und bei der dritten nicht.
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Die
Muster wurden dann auf ihre Schleifleistung an einem Ring aus rostfreiem
Stahl 304 mit einem Druck von 110,3 kPa (16psi) (auf der Rückseite des
beschichteten Schleifmittels durch ein Matchless-B Kontaktrad aufgebracht)
und einer Relativgeschwindigkeit von 2540 cm/s (5000sfpm) getestet.
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Die
erste Mischung entsprechend der Erfindung umfaßte eine Fällungskieselsäure mit
einer BET-Oberfläche von
170 m2/g und eine durchschnittliche Partikelgröße von ungefähr 2 µm in einer
Menge von 0,08 Gew.-%, basierend auf dem Pulvergewicht. Die zweite
enthielt 0,25 Gew.-%, basierend auf dem Pulvergewicht der 20 µm Kieselsäure, die
in Beispiel 1 verwendet wurde. Die dritte enthielt keine Kieselsäure.
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Die
Ergebnisse des Schleiftests sind in 4 gezeigt.
Wie zu sehen ist, ist die Wirkung der Beimischung von Kieselsäure auf
die Schleifergebnisse sehr gering und kann bei sehr niedrigen Konzentrationen
sogar günstig
sein.
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Beispiel 3
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In
diesem Beispiel ist das Ziel, die Auswirkung der Zugabe eines Kieselsäureadditivs
auf den Widerstand des daraus entstehenden Schleifmittelpulvers
zu zeigen. In allen Fällen
war das Additiv Fällungskieselsäurepulver
mit einer Hexamethyldisilazan-Behandlung. Diese Kieselsäure ist
erhältlich
von Cabot Corporation unter der Bezeichnung „TS 530".
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Zwei
Reihen von Tests wurden durchgeführt. Die
erste wurde mit Aluminiumoxid-Schleifpulver, erhältlich von Treibacher AG unter
den Bezeichnungen:
BFRPL P600 (FEPA P-Körnung mit 25,8 µm durchschnittliche
Partikelgröße);
FRPL
P800 (21,8 µm
durchschnittliche Partikelgröße); und
FRPL
P1500 (12,6 µm
durchschnittliche Partikelgröße).
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Die
zweite Reihe der Tests wurden durchgeführt mit Kieselsäurecarbid-Schleifpulver,
erhältlich von
Saint-Gobain Industrial Ceramics Inc. unter den Bezeichnungen:
E299
400 (ANSI Körnung
22,1 µm);
E299
600 (ANSI Körnung
14,5 µm);
und
E599 P1500 (FEPA P-Körnung,
12,6 µm).
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In
jedem Fall wurden Kieselsäurepulveradditive
in etlichen Levels zugegeben, und der spezifische Volumenwiderstand
wurde bei relativen Luftfeuchtigkeitslevels von 20% bis 50% gemessen.
Die Ergebnisse der Bewertungen sind in den 5 bis 8 gezeigt.
In den 5 und 7 ist die Schwankung des Widerstandes,
in Abhängigkeit
von der prozentualen Zugabe von Additiven, für die Aluminiumoxid- bzw. Kieselsäurekarbidkörner beobachtet. 6 und 8 zeigen
die Daten der 5 bzw. 7, in Form
von Balkendiagrammen, als einen Vergleich mit der Widerstandmessung
für das
Korn bei Abwesenheit eines jeglichen Modifikators. Um dies zu tun,
wird der Widerstandswert, der in dem Diagramm angezeigt wird, geteilt
durch den Widerstand des identischen, nicht modifizierten, Schleifkornes
bei der gleichen relativen Luftfeuchtigkeit. Dies zeigt die dramatische
Verbesserung des Widerstandes, durch Zugabe von ziemlich kleinen
Mengen der Kieselsäureadditive
wesentlich klarer.