DE69302681T2

DE69302681T2 - Faserschleifkörper die schleifmittel gefüllte thermoplastische elastomere enthalten, herstellungsverfahren, gegenstände die solche körper enthalten

Info

Publication number: DE69302681T2
Application number: DE69302681T
Authority: DE
Inventors: Loren Barber; Richard Hardwick; Duane Hayes; Richard Pihl; Dennis Welygan; Ronald Zemke
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2013-02-12
Also published as: JP3676804B2; EP0632756B1; BR9306096A; US5837179A; AU3664793A; ZA931200B; US5443906A; ATE138006T1; WO1993018891A1; ES2087725T3; NO943443D0; JPH07504853A; DE69302681D1; TW307801B; US5427595A; US5491025A; MX9301241A; NO943443L; KR950700810A; AU663575B2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Schleiffilamente, die mindestens einen Schichtbestandteil umfassen, der ein mit Schleifmitteln gefülltes thermoplastisches Elastomer umfaßt.

Stand der Technik

Mit Schleifmitteln gefüllte Nylonfasem wurden in den späten 1950er Jahren als Alternative zu natürlichen Schleiffilamenten entwickelt. Etwa zu dieser Zeit wurde ein Extrudierverfahren zur einheitlichen Dispersion von Schleifteilchen in einer Nylonmatrix in Form eines Filaments entwickelt (U.S. Patente Nrs. 3,522,342 und 3,947,169). Ein Überblick über Schleiffilamente aus Nylon wird durch J.H. Watts, "Abrasive Monofilaments - Critical Factors that Affect Brush Tool Performance", in Society of Manufacturing Engineers Technical Paper, 1988, einer schriftlich niedergelegten Fassung eines Vortrags des Verfassers bei der WESTEC-Konferenz vom 21.-24. März 1988 gegeben. Wie von Watts erklärt, werden neue Schleifteilchen freigelegt, wenn die Filamente dieses Typs abgenutzt sind. Ein Bürstenwerkzeug aus Schleiffilamenten, das unter Verwendung einer Vielzahl dieser Filamente hergestellt wurde, regeneriert sich deshalb während der Verwendung. Einige Vorteile der Schleiffilamente aus Nylon sind ihre Sicherheit, die Sauberkeit, die Geschwindigkeit des Schleifens, niedere Kosten, eine überlegene Regelung des Radius und der Oberflächenbeschaffenheit, Anpassungsfähigkeit und die Einfachheit der Ausführung.
Eine wesentliche Eigenschaft von Nylon und von anderen thermoplastischen Materialien ist ihr "memory-Effekt". Bei eineni Bürstenfilament wird das auf dem Fachgebiet als "Biegerückstellung" bezeichnet oder die Neigung eines gebogenen Filaments in seine ursprüngliche Haltung zurückzukehren. Die Biegerückstellung beträgt für Nylon ml allgemeinen über 90%, d.h. das Filament kehrt nach dem Biegen zu etwa 90% in seine ursprüngliche Haltung zurück.
Nach einer gewissen Zeit des Einsatzes, z.B. in einem Bürstenwerkzeug, werden die meisten mit Schleifmitteln gefüllten polymeren Filamente eine festgelegte Form annehmen, und wenn sich die Filamente des Bürstenwerkzeugs nicht erholen, wird das Bürstenwerkzeug weich und verliert seine Wirksamkeit. Die Biegeruckstellung wird durch den Filamentdurchmesser, die Entspannungszeit, die Verformung, die Biegezeit und die Umgebungsbedingungen bestimmt. Unter den bisher hergestellten synthetischen Filamenten bietet Nylon nach einer Verformung, die über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wurde, die beste Biegerückstellung.
Die Erfinder haben nun gefünden, daß die verschiedenen mit Schleifmitteln gefüllten Nylonfilamente, obwohl sie für viele Zwecke genügen, durch ihre Eigenschaften Beschränkungen unterliegen, so daß ihre Verwendung als Schleiffilamente nicht als optimal bezeichnet werden kann. Mit Schleifmitteln gefüllte Nylonfilamente besitzen eine begrenzte Steifigkeit und sie können ihre Steifigkeit verlieren, wenn die Filamenttemperatur in die Nähe von 70ºC kommt, deshalb sind sie nicht zum Entfernen starker Beläge oder Graten geeignet, wobei erhöhte Filamenttemperaturen entfaltet werden. Zur Erhaltung der Filamentsteifigkeit ist die Temperaturbeständigkeit entscheidend. Erhöhte Temperaturen beeinflussen im allgemeinen alle mit Schleifmitteln gefüllte Nylonfilamente in ähnlicher Weise: die Steifigkeit, die durch den Biegemodul (Tangente) gemessen wird, nimmt ab, wenn die Temperatur steigt. Die Erzeugung von Wärme ist beim Abgraten mit langen Filamenten normalerweise kein Problem, wenn die Geschwindigkeiten des Bürstenwerkzeugs niedrig sind. Bei kurzen, gestutzten, Leistungsbürsten kann der Druck des Werkzeugs auf das Werkstück und/oder eine hohe Geschwindigkeit in einer trockenen Umgebung an den Filamentspitzen hohe Temperaturen erzeugen.
Eine weitere Beschränkung für die mit Schleifmitteln gefüllten Nylonfilamente besteht darin, daß Feuchtigkeit aus jeder möglichen Quelle eine beträchtliche Einwirkung auf die Leistung von Bürstenwerkzeugen haben kann, die mit Schleifmitteln gefüllte Nylonfilamente enthalten. Die Feuchtigkeit beeinflußt die Steifigkeit der Filamente und dadurch die Aggressivität des Werkzeugs. Nylon 6,12 behält die Steifigkeit besser als alle anderen Nylonmaterialien und ist bei hoher Feuchtigkeit oder wenn es mit Ölen oder Lösungsmitteln gesättigt ist oder in Gegenwart von Wasser 2-3 mal steifer als andere Nylontypen.
In den meisten mit Schleifmitteln gefüllten polymeren Filamenten neigt die Zugfestigkeit und die Beständigkeit gegen die Biegeermüdung, wegen der ungenügenden Bindung des Schleifinittels und des Polymers, zur Abnahme, wenn der Grad der Schleifmittelbeladung ansteigt. Der Biegemodul für ein Filament kann einfach als die Beständigkeit gegenüber Biegen definiert werden. Das ist ein inhärentes Merkmal des Polymers, das für das Schleiffilament verwendet wird. Der Biegemodul ist im allgemeinen von dem Filamentdurchmesser unabhängig, und da der Biegemodul einer Klasse von Schleiffilamenten, die aus dem gleichen Polymer hergestellt sind, gleich sein wird, sind die Hauptmerkmale, die die Steifigkeit der Filamente beeinflussen, der Durchmesser und die Länge des Filaments.
Das Abtragevermögen des Schleifmittels aus mit Schleifmitteln gefüllten Nylonfilamenten besitzt das ausgeprägte Merkmal, daß am Anfang des Arbeitsvorganges eine relativ gute Abtragung erfolgt und daß sich danach innerhalb etwa 1 Stunde ein deutlicher Abfall der Abtragungswirkung zeigt. Die Fig. 7 zeigt die Abnahme der Abtragungsfähigkeit von mit Schleifmitteln gefüllten Nylonfilamenten, die mit einem typischen Schleifmittel aus Aluminiumoxid gefüllt sind, wobei die Filamente an einer Nabe befestigt sind, dabei eine Bürste erzeugt wird, und die Nabe auf eine Weise rotierte, daß die Filamente gegen ein stationäres Werkstück treffen. Die Fig. 7 stellt den auf einer kalt gewalzten (1018)-Stahlplatte erhaltenen Abtrag bei einer konstanten Last von 1,36 kg als Funktion der Zeit dar. Die Apparatur wird typischerweise so entworfen, daß die Bürstenwirkung im entgegengesetzten Sinne erfolgen kann, wobei die Schleifwirkung auf den ursprünglichen Wirkungsgrad zurückgeführt wird. Wenn die Bürste "abgerichtet" wird, zum Beispiel durch Arbeiten der Bürste gegen ein Drahtgitter, kann eine abrupte Erhöhung des Abtrags erzielt werden. In Fig. 7 wird das nach 2 Stunden 15 Minuten gezeigt.
Ein weiteres Problem, das mit Schleifmitteln gefüllten Nylonfilamenten verknüpft ist, ist ihre schlechte Beständigkeit gegen die Biegeermüdung. Die Filamente können bei ausgedehnten Arbeitszeiten in der Nähe der Befestigung an der Nabe brechen, was für den Verwender ein lästiges Problem darstellt und eine verminderte Verwendungszeit und einen schlechteren wirtschaftlichen Wert der Bürste ergibt.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einigen der vorstehend erwähnten Problemen bei den mit Schleifmitteln gefüllten Nylonfilamenten und anderen Filamenten und sie schlägt ein Schleiffilament vor, das ein thermoplastisches Elastomer mit darin dispergierten und haftenden Schleifteilchen umfaßt.
Die Ausführungsformen der Schleiffilamente innerhalb der Erfindung, die erste und zweite Bestandteile besitzen, wie es nachstehend mehr im einzelnen beschrieben wird, können Schleifteilchen in einem oder mehreren länglichen Filamentbestandteilen besitzen. Diese Schleiffilamente sind strukturell von Verbundschleiffilamenten zu unterscheiden, die einen "vorher erzeugten" Kern umfassen, der mindestens teilweise mit einer Beschichtung aus einem mit Schleifmitteln gefüllten thermoplastischen Elastomer beschichtet ist. In den letzteren besitzen der vorher erzeugte Kern und die Beschichtung ausgeprägt unterschiedliche mechanische Eigenschaften, wie z.B. Zugfestigkeit. Die Zugfestigkeit kann in Verbundschleiffilamenten wegen der Zugfestigkeit des vorher erzeugten Kerns wesentlich höher sein.
Die experimentellen Arbeiten mit den Schleiffilamenten und ihre Herstellung haben eine lange Vorgeschichte. Der Stand der Technik wird durch die U.S. Patente Nrs. 2,328,998; 2,643,945; 2,793,478; 2,920,947; 3,146,560; 3,260,582; 3,522,342; 3,547,608; 4,172,440, 4,507,361; 4,627,950; 4,585,464; 4,866,888; 5,068,142; und 5,082,720 wiedergegeben.
Weitere Patente von Interesse schließen die U.S. Patente Nrs. 2,643,945; 3,669,850; 3,696,563; 3,854,898; und 4,097,246 sowie die französische Patentanmeldung Nr.2,624,773 und die europäische Patentanmeldung 0 282 243 ein.
Es sollte hierbei klar sein, daß der Anmelder nicht behauptet, daß er als erster Schleitkörner in ein Kunststoff- oder harzartiges Filament eingearbeitet hat. Es sollte aber auch klar sein, daß zwischen einer Kern-Hülle-Anordnung und einem vorher erzeugten Kern, der mit einem Kunststoffmaterial beschichtet ist, das mit Schleifkörnern gefüllt ist, ein Unterschied besteht. Die vorliegende Erfindung betrifft Schleiffilamente, umfassend mindestens einen länglichen Filamentbestandteil, der mit Schleifmitteln gefüllte thermoplastische elastomere Zusammensetzungen umfaßt, die die unerwartete Eigenschaft besitzen, daß sie, verglichen mit bisher bekannten Schleiffilamenten, eine viel stärkere Schleifwirkung (Gewicht des abgetragenen Werkstücks pro Gewicht des Filamentverlustes) besitzen und die Beständigkeit gegen die Biegeermüdung um ein vielfaches höher ist. Dabei wurden sehr viel stärkere Schleifwirkungen beobachtet, als es erwartet werden konnte.
Die thermoplastischen Elastomere sind in Thermoplatic Elastomers, A Comprehensive Review, herausgegeben von N.R. Legge, G. Holden und H.E. Schroeder, Hanser Publishers, New York, 1987 (nachstehend als "Legge et al." bezeichnet) definiert und in einem Überblick besprochen. Thermoplastische Elastomere (wie sie von Legge et al. definiert und hier verwendet werden) sind im allgemeinen das Umsetzungsprodukt eines polyfunktionellen Monomers mit einem niederen Äquivalentgewicht und eines polyfunktionellen Monomers mit einem hohen Äquivalentgewicht, wobei das polyfunktionelle Monomer mit niederem Äquivalentgewicht bei der Polymerisation ein hartes Segment erzeugen kann (und in Verbindung mit anderen harten Segmenten harte kristalline Bereiche oder Domänen erzeugen kann) und das polyfunktionelle Monomer mit hohem Äquivalentgewicht bei der Polymerisation weiche, biegsame Ketten erzeugen kann, die die harten Bereiche oder Domänen verbinden. Dieser Materialtyp wurde zur Verwendung in Schleiffilamenten nicht vorgeschlagen.
Die "thermoplastischen Elastomere" unterscheiden sich von "Thermoplasten" und "Elastomeren" (ein Gattungsname für Substanzen, die dem natürlichen Kautschuk nachgeahmt sind, da sie sich unter Spannung strecken, eine hohe Zugfestigkeit besitzen, sich schnell zusammenziehen und im wesentlichen ihre ursprünglichen Dimensionen wiederherstellen) dadurch, daß thermoplastische Elastomere beim Erhitzen über die Schmeiztemperatur der harten Bereiche eine homogene Schmelze erzeugen, die durch thermoplastische Verfahren (verschieden von Elastomeren), wie Spritzgießen, Extrusion, Blasformen und dergleichen, verarbeitet werden kann. Das anschließende Kühlen führt wieder zur Abtrennung von harten und weichen Bereichen, wobei ein Material erhalten wird, das elastomere Eigenschaften besitzt, was jedoch nicht bei Thermoplasten eintritt.
Im Handel erhältliche thermoplastische Elastomere schließen thermoplastische Segmentpolyesterelastomere, thermoplastische Segmentpolyurethanelastomere, thermoplastische Segmentpolyamidelastomere, Mischungen von thermoplastischen Elastomeren und thermoplastischen Polymeren und ionomere thermoplastische Elastomere ein.
Der Ausdruck "thermoplastisches Segmentelastomer", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Untergruppe von thermoplastischen Elastomeren, die auf Polymeren basieren, die das Umsetzungsprodukt eines polyfunktionellen Monomers mit hohem Äquivalentgewicht und eines polyfunktionellen Monomers mit niederem Äquivalentgewicht sind.
Der Ausdruck "ionomere thermoplastische Elastomere" bezieht sich auf eine Untergruppe von thermoplastischen Elastomeren auf Basis von ionischen Polymeren (Ionomeren). Ionomere thermoplastische Elastomere bestehen aus zwei oder mehreren biegsamen polymeren Ketten, die an einer Vielzahl von Stellungen durch ionische Vereinigungen oder Cluster zusammengebunden sind. Die Ionomere werden typischerweise durch Copolymerisation eines Monomers mit funktioneller Gruppe mit einem olefinisch ungesättigten Monomer oder durch direkte Funktionalisierung eines vorher erzeugten Polymers hergestellt. Ionomere mit einer funktionellen Carboxygruppe werden durch direkte Copolymerisation von Acrylsäure oder Methacrylsäure mit Ethylen, Styrol und ähnlichen Comonomeren durch Copolymerisation durch freie Radikale erhalten. Das erhaltene Copolymer ist im allgemeinen als freie Säure erhältlich, die mit Metallhydroxiden, Metallacetaten und ähnlichen Salzen auf einen gewünschten Grad neutralisiert werden kann.
Die Vorteile der thermoplastischen Elastomere, eingeschlossen die Leichtigkeit der Verarbeitung, kombiniert mit Hartgummimerkmalen, haben einige unerwartete Schleifmittelbindungen und Abtrageigenschaften ergeben. Die Filamente, die unter Verwendung von mindestens einem Schichtbestandteil hergestellt wurden, die ein mit Schleifmitteln gefülltes thermoplastisches Elastomer umfassen, liefern viel höhere Leistungen des Anfangsabtrags, behalten ihre stärkere Abtragfähigkeit, wenn einmal ein Gleichgewichtszustand erzielt wurde, und weisen eine viel höhere Biegeerholung auf als mit Schleifmitteln gefüllte Nylonfilamente.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung überwindet oder vermindert viele Probleme, die mit vorher bekannten Schleiffilamenten verbunden sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schleiffilament vorgeschlagen, das ein gehärtetes organisches, polymeres Material umfaßt, das ein thermoplastisches Elastomer und darin haftende Schleifteilchen umfaßt.
Ein bevorzugter Satz von Ausführungsformen von Schleiffilamenten schließt einen ersten länglichen Filamentbestandteil ein, der über seine Länge eine zusammenhängede Oberfläche besitzt und ein erstes gehärtetes, organisches, polymeres Material einschließt. In diesen Ausführungsformen schließt das Schleiffilament außerdem einen zweiten länglichen Filamentbestandteil ein, der an den ersten länglichen Filamentbestandteil angrenzt, und ein zweites gehärtetes, organisches, polymeres Material einschließt, der sich mit dem ersten länglichen Filamentbestandteil in einem durch Verschmelzen haftenden Kontakt entlang der zusammenhängenden Oberfläche befindet. Das zweite gehärtete, organische, polymere Material kann gleich oder verschieden wie das erste gehärtete, organische, polymere Material sein. Mindestens eines der ersten und zweiten gehärteten, organischen, polymeren Materialien schließt ein thermoplastisches Elastomer ein, das darin befestigte Schleifteilchen besitzt.
Schleiffilamente der Erfindung weisen eine längere Verwendungsdauer gegenüber vorher bekannten mit Schleifmitteln geflillten Nylonhiatuenten auf Verfahren zur Herstellung der Schleiffilamente, Gegenstände, die die Schleiffilamente einschließen und Verfahren zum Abschleifen von Oberflächen unter Verwendung der Schleifgegenstände werden auch beschrieben.
Der Ausdruck "gehärtet", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den physikalischen Zustand des organischen polymeren Materials, wenn seine Temperatur unter der Schmelztemperatur der hier verwendeten thermoplastischen Polymere ist und unter der Schmelz- oder Dissoziationstemperatur der harten Bereiche (thermoplastische Segmentelastomere) oder ionischen Cluster (ionomere thermoplastische Elastomere) liegt, wie er durch die Standardversuche, z.B. American Society of Testing Materials (ASTM) Test D 2117 bestimmt wird. Der Ausdruck kann auch verwendet werden, um die Härte (Shore D- Skala) bei Raumtemperatur (d.h. etwa 10 bis etwa 40ºC) bei den hier verwendeten thermoplastischen Elastomeren zu beschreiben. Es wird bevorzugt, daß die Härte, entsprechend dem Shore D-Härtemesser, der in der Erfindung verwendeten thermoplastischen Elastomeren bei Raumtemperatur mindestens etwa 30, stärker bevorzugt von etwa 30 bis etwa 90, bestimmt nach ASTM D790, beträgt Der Ausdruck "gehärtet" schließt nicht die physikalische und / oder chemische Behandlung des Gemisches bestehend aus thermoplastischem Elastomer / Schleifteilchen zur Erhöhung seiner Härte ein.
Der Ausdruck "Schleiffilament", wie er hier verwendet wird, bedeutet eine Struktur, wobei ein gehärtetes, organisches, polymeres Material mindestens teilweise mit Schleifteilchen gefüllt ist. In den Ausführungsformen, die die ersten und zweiten länglichen Filamentbestandteile einschließen, kann das Verhältnis der Querschnittsfläche des gehärteten, organischen, polymeren Materials, das Schleifteilchen einschließt, zur Querschnittsfläche des Restbereiches des Filaments über einen weiten Bereich verschieden sein.
Wenn das Schleiffilament der Erfindung eine Struktur mit einem Kern und einer Hülle besitzt, und wenn nur entweder der Kern oder die Hülle Schleifteilchen darin enthält, liegt das Verhältnis der Querschnittsflächen des Teils des Filaments, der Schleifteilchen besitzt, zu dem, der keine Schleifteilchen besitzt im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 20:1, vorzugsweise von etwa 1:1 bis etwa 10:1, stärker bevorzugt von etwa 1:1 bis etwa 4:1, wobei die Querschnitte durch eine Ebene senkrecht zu der Hauptachse des Schleiffilaments definiert sind. Die Querschnittsfläche der Hülle beträgt gegenüber der des Schleiffilaments vorzugsweise etwa 40% oder mehr. Die Schleiffilamente können jede gewünschte Länge besitzen und sie können natürlich einen runden, ovalen, quadratischen, dreieckigen, rechteckigen, polygonalen oder multilobalen (wie trilobalen, tetralobalen oder dergleichen) Querschnitt haben.
Thermoplastische Segmentelastomere sind vorzugsweise das Reaktionsprodukt einer Kondensation eines polyfunktionellen Monomers mit hohem Äquivalentgewicht mit einer durchschnittlichen Funktionalität von mindestens 2 und einem Äquivalentgewicht von mindestens etwa 350 und einem polyfunktionellen Monomer mit niederem Äquivalentgewicht mit einer durchschnittlichen Funktionalität von mindestens etwa 2 und einem Äquivalentgewicht von kleiner als etwa 300. Das polyfunktionelle Monomer mit hohem Äquivalentgewicht kann bei der Polymerisation ein weiches Segment erzeugen und das polyfünktionelle Monomer mit niederem Äquivalentgewicht kann bei der Polymerisation ein hartes Segment erzeugen. In der vorliegenden Erfindung verwendbare thermoplastische Segmentelastomere schließen thermoplastische Elastomere (TPE) aus Polyester, TPE aus Polyurethan und TPE aus Polyamid und TPE-Blockcopolymere aus Silikonelastomer / Polyimid mit polyfunktionellen Monomeren mit niederen und hohen Äquivalentgewichten ein, die geeigneterweise ausgewählt werden, wobei das entsprechende TPE erzeugt wird.
Die thermoplastischen Segmentelastomere schließen vorzugsweise "Kettenverlängerer" ein, Verbindungen mit niederem Molekulargewicht (typischerweise mit einem Äquivalentgewicht von kleiner als 300), die eine Funktionalität von etwa 2 bis 8 aktiven Wasserstoffatomen besitzen, die im Fachgebiet der TPE bekannt sind. Besonders bevorzugte Beispiele schließen Ethylendiamin und 1,4-Butandiol ein.
Der Ausdruck "thermoplastisches Polymer" oder "TP", wie er hier verwendet wird, besitzt eine Definition, die stärker eingeschränkt ist, als die allgemeine Definition, und bedeutet "ein Material, das bei Anwendung von Druck oder Wärme erweicht oder fließt". Es ist natürlich verständlich, daß TPE der allgemeinen Definition von TP entspricht, da die thermoplastischen Elastomeren auch bei der Anwendung von Druck und Wärme fließen. Es ist deshalb nötig, bei der Definition von "thermoplastisch" für die Zwecke der vorliegenden Erfindung genauer zu verfahren. Der Ausdruck "thermoplastisch", wie er hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das bei Anwendung von Druck und Wärme fließt, aber das, unterhalb seiner Schmeiztemperatur, nicht die elastischen Eigenschaften eines Elastomers besitzt.
Mischungen von TPE und thermoplastischen (TP) Materialien sind auch von der Erfindung umfaßt, und sie ermoglichen auch eine größere Flexibilität beim Anpassen von mechanischen Eigenschaften der Schleiffilamente der Erfindung.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein Schleifgegenstand, der mindestens ein Schleiffilament der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, umfaßt, das vorzugsweise an ein Substrat, z.B. eine Nabe, die mit einer hohen Umdrehungszahl rotiert, montiert ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schleiffilaments des Typs mit einem Kern und einer Hülle im Rahmen der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte einschließt:
(a) Schmelzen eines ersten organischen, polymeren Materials, umfassend ein thermoplastisches Elastomer und Zugabe von Schleifteilchen dazu;
(b) Schmelzen eines zweiten organischen, polymeren Materials, wobei das zweite organische Polymer aus thermoplastischen Elastomeren, thermoplastischen Polymeren und Gemischen davon ausgewählt ist;
(c) gleichzeitiges Pressen der ersten und zweiten geschmolzenen organischen Materialien durch verschiedene erste und zweite Gänge in der gleichen Düse, wobei die verschiedenen Gänge die ersten und zweiten geschmolzenen, organischen, polymeren Materialien in die Form von ersten und zweiten länglichen Filamentbestandteilen zwingen, die sich entlang einer zusammenhängenden Oberfläche des ersten Bestandteils in einem durch Verschmelzen haftenden Kontakt befinden und auf diese Weise eine Vorstufe eines Schleiffilaments erzeugen; und
(d) Abkühlen der Vorstufe des Schleiffilaments auf eine Temperatur, die ausreicht, die ersten und zweiten geschmolzenen, organischen, polymeren Materialien zu härten, und wobei auf diese Weise das Schleiffilament erzeugt wird.
Es werden die Verfahren bevorzugt, bei denen das TPE des ersten (und zweiten, wenn ein TPE angewendet wird) Bestandteils aus Segmenten besteht und bei denen ein Extruder verwendet wird, um die ersten und zweiten organischen, polymeren Materialien zu schmelzen. Der Ausdruck "geschmolzen", wie er hier verwendet wird, bedeutet, daß die organischen, polymeren Materialien auf eine Temperatur erhitzt werden, die mindestens über der Schmelztemperatur des weichen Segments für die TPE, und stärker bevorzugt über der Dissoziationstemperatur der harten Bereiche oder Ionenduster der TPE oder über der Schmelztemperatur der TP, liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1-5 zeigen jeweils eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer von fünf Kern-Hülle-Ausführungsformen von Schleiffilamenten der Erfindung, wobei bei jeder Ausführungsform ein Teil der Hülle entfernt ist, um den Kern zeigen zu können;
die Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Bürstenwerkzeugs (in diesem Fall eines rotierenden Bürstenwerkzeugs), das Schleiffilamente der Erfindung einschließt;
die Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die das von einem Werkstück abgetragene Gewicht in Gramm (im Fachgebiet auch als "Abtrag" bezeichnet) als Funktion der Zeit für ein rotierendes Bürstenwerkzeug mit einer Vielzahl von mit Schleifmitteln gefüllten Nylonfilamenten des Standes der Technik angibt;
die Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Düse zur Filamentextrusion, die zur Herstellung von Ausführungsformen der Schleiffilamente mit einem Kern und einer Hülle der Erfindung verwendet wird;
die Fig. 9 ist ein Grundriß der in Fig. 8 gezeigten Düse; und
Fig. 10 ist ein Querschnitt der Düse, die in den Figuren 8 und 9 gezeigt ist, der entlang der Linie 10-10 der Figuren 8 und 9 verläuft.

I. Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen Ausführungsformen von Schleiffilamenten mit einem Kern und einer Hülle

Fünf Ausführungsformen mit einem Kern und einer Hülle 10, 20, 30, 40 und 50 von Schleiffilamenten gemäß der vorliegenden Erfindung sind in vergrößerten perspektivischen Ansichten in den Figuren 1-5 veranschaulicht, wobei es deutlich gemacht ist, daß in jeder Ausführungsform ein Teil der Hülle entfernt wurde, um die entsprechenden Kerne zu zeigen. Es ist auch verständlich, daß der Kern oder die Hülle (oder beide), die die Schleifteilchen enthalten, nur einen Abschnitt oder einen Teil des Kerns oder der Hülle auf diese Weise gefüllt haben können.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 besitzt ein Schleiffilament 10 einen ersten länglichen Filamentbestandteil in Form eines Kerns 12, einschließend ein TPE 14 und die Schleifteilchen 16. Das TPE 14 des Kerns aus einem länglichen Filamentbestandteil 12 besitzt darin dispergiert und darin festhaftend eine Vielzahl von Schleifteilchen 16, z.B. Schleifteilchen aus Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid.
Fig. 2 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform von Schleiflilamenten 20, wobei der erste längliche Filamentbestandteil in Form eines Kerns 12a vorliegt, der aus dem ersten TPE 14a erzeugt wurde, und die Hülle wird aus einem zweiten TPE 18a und den Schleifieilchen 16a erzeugt. In dieser Ausführungsform schließt nur die Hülle Schleifteilchen ein.
Die Fig. 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform 30 eines Schleiffilaments mit einem Kern und einer Hülle, der ein erstes TPE 14b und ein zweites TPE 18b besitzt, und wobei sowohl der Kern als auch die Hülle Schleifteilchen 16b beziehungsweise 17 einschließen. Die Schleifteilchen 16b und 17 können natürlich im Typ, der Teilchengröße, der Verteilung der Teilchengröße und der Verteilung innerhalb des Kerns und der Hülle gleich oder verschieden sein.
Die Figuren 4 und 5 stellen die Ausführungsformen 40 und 50 von Schleiffilamenten mit einem Kern und einer Hülle dar, die zwei verschiedene TPE oder ein TPE und eine TPE/TP-Mischung als erste und zweite Bestandteile verwenden. Das Filament der Ausführungsform 40 schließt in dem Kernbestandteil 12c ein erstes TPE 14c und Schleifteilchen 16c und ein zweites TPE oder eine Mischung TPE/TP als Bestandteil der Hülle 18c ein. Die Ausführungsform 50 der Fig. 5 ist die Umkehrung der Ausführungsform 40, wobei der Kern 12d aus einem TPE oder einer Mischung von TPE/TP 14d gebildet wird, und die Hülle umfaßt ein zweites TPE 18d und Schleifteilchen 16d.
Die Durchmesser des Kerns für die Schleiffilamente der vorliegenden Erfindung, die Kern-Hülle Strukturen sind, für Schleiffilamente, die in typischen mit der Hand bedienten Werkzeugen verwendet werden, betragen vorzugsweise mindestens etwa 0,1 mm, während die Schleiffilamente selbst vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von etwa 1,0 mm bis etwa 2,0 mm besitzen.
Die Schleiffilamente der Erfindung mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 1, mm bis etwa 2,0 mm besitzen eine Grenzbruchfestigkeit (gemessen unter Verwendung eines Standardzugmessers, der unter der Handelsbezeichnung "Sintech" bekannt ist, gemäß dem bei den Testverfahren beschriebenen Test) von mindestens etwa 0,5 kg (nicht gestreckt), vorzugsweise mindestens etwa 1,0 kg (nicht gestreckt); eine 50%ige Festigkeit gegen den Ermüdungsbruch von mindestens etwa 15 Minuten (gemäß dem bei den Testverfahren beschriebenen Test); und eine Schleifwirksamikeit (Gewicht des Abtrags von dem Werkstück pro Gewicht des Faserverlustes) auf einer kalt gewalzten (1018)-Stahlplatte von mindestens etwa 2. Wie es den nachstehenden Beispielen entnommen werden kann, kann die Abstimmung der Vorzüge vom Werkstück abhängig sein.

Thermoplastische Elastomere

Thermoplastische Segmentelastomere, die in Schleiffilamenten der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, umfassen im allgemeinen und vorzugsweise das Umsetzungsprodukt eines polyfunktionellen Monomers mit hohem Äquivalentgewicht mit einer Funktionalität von mindestens etwa 2 und einem Äquivalentgewicht von mindestens etwa 350, das geeignet ist, bei der Polymerisation ein weiches Segment zu erzeugen, und eines polyfunktionellen Monomers mit relativ niedrigem Äquivalentgewicht mit einer Funktionalität von höchstens etwas 2 und einem Äquivalentgewicht von höchstens etwa 300, das geeignet ist, bei der Polymerisation ein hartes Segment zu erzeugen.
In thermoplastischen Segmentelastomeren werden typischerweise Kettenverlängerer verwendet, wobei die Größe des harten Segments und der harten Domäne erhöht wird und deshalb ein Mechanismus bereitgestellt wird, der die physikalischen Eigenschaften des erhaltenen thermoplastischen Segmentelastomers verändert. Die für die thermoplastischen Segmentelastomeren der vorliegenden Erfindung verwendbaren Kettenverlängerer besitzen vorzugsweise eine Funktionalität mit aktivem Wasserstoff im Bereich von etwa 2 bis 8, vorzugsweise von 2 bis 4, und stärker bevorzugt von etwa 2 bis 3, und ein Äquivalentgewicht von kleiner als etwa 300, stärker bevorzugt von kleiner als etwa 200. Gut geeignete Kettenverlängerer sind die linearen Glykole, wie Ethylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol und Hydrochinon-bis(2-hydroxyethyl)ether.
In den Schleiffilamenten der vorliegenden Erfindung verwendbare thermoplastische Segmentelastomere umfassen vorzugsweise Segmentpolyester-TPE, Segmentpolyurethan- TPE und Segmentpolyamid-TPE. Die polyfunktionellen Monomere mit niederem und mit hohem Äquivalentgewicht werden verschieden ausgewählt, wobei eines der vorstehenden thermoplastischen Segmentelastomere hergestellt wird. Wenn das TPE zum Beispiel einen Segmentpolyester, wie die Segment-Copoly(etherester) umfaßt, sind die polyfunktionellen Nionomere mit niederem und hohem Äquivalentgewicht vorzugsweise Poly(tetramethylenterephthalat) beziehungsweise Poly(tetramethylenoxid). Wenn das TPE ein Segmentpolyurethan umfaßt, ist das polyfunktionelle Monomer mit niederem Äquivalentgewicht vorzugsweise ein polyfunktionelles Isocyanat und das polyfunktionelle Monomer mit hohem Äquivalentgewicht vorzugsweise ein polyfunktionelles Amin.
Der Anteil des polyfunktionellen Monomers mit niederem Äquivalentgewicht in Gewichtsprozent vom Gesamtgewicht der Monomeren, die sich unter Herstellung von thermoplastischen Segmentelastomeren umsetzen, liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 20 bis etwa 60%, stärker bevorzugt im Bereich von etwa 20 bis etwa 40%.
Zur Erzeugung von ionomeren TPE verwendbare Ionomere umfassen typischerweise und vorzugsweise das Umsetzungsprodukt eines Monomers mit funktionellen Gruppen mit einem olefinisch ungesättigten Monomer oder sie umfassen ein vorher erzeugtes polyfunktionalisiertes Polymer. Bei den Ausdrücken "ionomere TPE" und "Ionomere" sind Anionomere, Kationomere und Zwitterionomere eingeschlossen.
Für Schleiffilamente der Erfindung verwendbare TPE (Segment und Ionomere) besitzen vorzugsweise mit dem Shore D-Härtemesser gemessene Härtewerte im Bereich von etwa 30 bis etwa 90, stärker bevorzugt im Bereich von etwa 50 bis etwa 80.
Die mechanischen Eigenschaften der thermoplastischen Segmentelastomere (wie die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung) sind von mehreren Faktoren abhängig. Der Anteil der harten Segmente in den Polymeren, die die TPE erzeugen, ihre chemische Zusammensetzung, ihre Molekulargewichtsverteilung, das Herstellungsverfahren und die thermische Behandlung der TPE beeinflussen alle das Ausmaß der Erzeugung von harten Domänen. Die Erhöhung des Anteils des polyfunktionellen Monomers mit niederem Äquivalentgewicht neigt dazu, die Härte und den Modul des erhaltenen TPE zu erhöhen, während die Grenzdehnung abnimmt.
Die obere Verwendungstemperatur der thermoplastischen Segmentelastomere ist von dem Erweichungs- oder Schmelzpunkt der polyfunktionellen Monomere mit niederem Äquivalentgewicht, die die harten Segmente umfassen, abhängig. Für das Altern während eines längeren Zeitraums ist die Stabilität der polyfunktionellen Monomere mit hohem Äquivalentgewicht, die das weiche Segment umfassen, auch wichtig. Bei erhöhten Temperaturen und bei einem niedrigeren Prozentanteil von harten Segmenten, die zu den harten Domänen beitragen können, werden der Biegemodul und die Zugfestigkeit des TPE im allgemeinen vermindert.
Bevorzugte TPE mit den vorstehenden Eigenschaften, die in der Erfindung verwendbar sind, schließen die TPE ein, die aus Segmentpolyestern, wiedergegeben durch die allgemeine Formel 1
und Gemischen davon erzeugt werden, wobei:
d und e ganze Zahlen im Bereich von etwa 2 bis etwa 6 bedeuten, und wobei d und e gleich oder verschieden sein können, aber um nicht mehr als 1 ganze Zahl verschieden sind; und
x und y ganze Zahlen sind, die so ausgewählt sind, daß der erhaltene TPE aus Segmentpolyester eine Härte, gemessen mit dem Shore D-Härtemesser, im Bereich von etwa 30 bis etwa 90 besitzt.
Das gesamte Molekulargewicht (Zahlenmittel) der Segmentpolyester der allgemeinen Formel 1 liegt im Bereich von etwa 20000 bis etwa 30000; x liegt im Bereich von etwa 110 bis etwa 125; und y liegt im Bereich von etwa 30 bis etwa 115, stärker bevorzugt von etwa 5 bis etwa 70.
Bevorzugte Ionomere, die zur Erzeugung von ionomeren TPE verwendet werden, die in der Erfindung verwendbar sind, umfassen das Umsetzungsprodukt der Copolymerisation eines Monomers mit funktionellen Gruppen und eines olefinisch ungesättigten Monomers, wobei die Ionomeren durch die allgemeine Formel II wiedergegeben werden
und Gemischen davon, wobei
R¹, R² und R³, die gleich oder verschieden sein können, aus einem Wasserstoffatom, einem Alkylrest, einem substituierten Alkylrest, einem Arylrest und einem substituierten Arylrest ausgewählt sind;
m und n ganze Zahlen bedeuten, die gleich oder verschieden sein können, die so ausgewählt sind, daß der Gewichtsprozentanteil des funktionalisierten Monomers im Bereich von etwa 3 bis etwa 25 Gew.-% des Gesamtgewichts des Ionomers liegt, und so, daß das erhaltene ionomere TPE eine Härte, gemessen mit dem Shore D-Härtemesser, im Bereich von etwa 30 bis etwa 90 aufweist;
D eine funktionelle Gruppe, ausgewählt aus COO und SO&sub3; ist; und
M aus Na, Zn, K, Li, Mg, Sr und Pb ausgewählt ist.
Besonders bevorzugt sind die Ionomere, wiedergegeben durch die allgemeine Formel II, wobei R¹ = R² = R³ = CH&sub3; und D = COO sind. Ein besonders bevorzugtes Ionomer besitzt die Bedeutungen R¹ = CH&sub3;, D = COO und M = Na, wobei ein derartiges Ionomer im Handel erhältlich ist, zum Beispiel ist es unter der Handelsbezeichnung "Surlyn 8550" (Dupont) bekannt.
Die Werte von m und n werden normalerweise von den Herstellern nicht angegeben, sie werden aber so ausgewählt, daß die erhaltenen ionomeren TPE mit einer Härte, gemessen mit dem Shore D-Härtemesser, bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 30 bis etwa 90 vorliegen. Alternativ kann m und n so gekennzeichnet werden, daß die geschmolzenen ionomeren TPE mit einer Fließgeschwindigkeit (früher im Fachgebiet als "Schmelzindex" bezeichnet) im Bereich von etwa 1 g/10 min bis etwa 10 g/10 min (gemäß dem ASTM-Test D1238-86, Bedingung 190/2.16, früher D1238-79, Bedingung E) bereitgestellt werden. Der Test schließt, kurz gesagt, das Einbringen einer Probe in die Ausbohrung eines vertikalen, erhitzten Zylinders, der auf dem Boden der Bohrung mit einer Öffnung ausgestattet ist, ein. Dann wird ein gewogener Bolzen in die Zylinderbohrung gelegt und die Menge des geschmolzenen Polymers in Gramm, das den Zylinder durch die Öffnung über einen Zeitraum von 10 Minuten verläßt, aufgezeichnet.
Das funktionalisierte Monomer kann aus Acrylsäure, Methacrylsäure, Vinylacetat und dergleichen und Copolymeren davon ausgewählt werden, wobei Acrylsäure und Methacrylsäure besonders bevorzugt sind.
Das olefinische Monomer kann aus Ethylen, Propylen, Butadien, Styrol und dergleichen und Copolymeren davon ausgewählt werden, wobei Ethylen, wegen der Erhältlichkeit und der relativ niederen Kosten, das olefinische Monomer der Wahl ist.
Das funktionalisierte Monomer und das olefinische Monomer werden typischerweise und vorzugsweise direkt unter Verwendung von freien Radikalen copolymerisiert, diese Verfahren sind im Fachgebiet gut bekannt und brauchen hier keine weitere Erklärung.
Besonders bevorzugte Segmentpolyamide, die zur Herstellung der in der Erfindung verwendbaren Segmentpolyamid-TPE verwendbar sind, sind die Segmentpolyamide, wiedergegeben durch die allgemeine Formel III
und Gemische davon, wobei
PA = ein difunktionelles Polyamid mit einem Äquivalentgewicht von kleiner als etwa 300;
PE = ein Dihydroxypolyetherblock mit einem Äquivalentgewicht von mindestens 350, der Polymere, ausgewählt aus Dihydroxypolyoxyethylen, Dihydroxypolyoxypropylen und Dihydroxypolyoxytetramethylen umfaßt; und
z = eine ganze Zahl, die so ausgewählt ist, daß sie das erhaltene Segmentpolyamid- TPE mit einer Härte, gemessen mit dem Shore D-Härtemesser, im Bereich von etwa 30 bis etwa 90 bereitstellt.
Segmentpolyamide der Formel III sind im Handel erhältlich. Es sind das z.B. die unter der Handelsbezeichnung "Pebax" bekannten Produkte, die von Atochem Group of Elf Aquitaine erhältlich sind, wobei die Ausführungen mit der Härte 63 und 70, gemessen mit dem Shore D-Härtemesser, in der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt sind.
Obwohl die Werte für z geschütztes Eigentum der Hersteller sind und die Polymere der allgemeinen Formel III nach der Härte gekennzeichnet werden können, können sie alternativ nach ihrer Fließgeschwindigkeit (wie vorstehend beschrieben) gekennzeichnet werden, wobei Werte im Bereich von etwa 1 g/10 min bis etwa 10 g/10 min bevorzugt sind (ASTM 1238-86, 190/2.16)
Besonders bevorzugte Segmentpolyurethane, die zur Herstellung von Polyurethan- TPE verwendbar sind, die in der Erfindung verwendet werden können, sind die Segmentpolyurethane wiedergegeben durch die allgemeine Formel IV
und Gemische davon, wobei:
Polyol = ein Polyesterpolyol oder Polyetherpolyol mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht im Bereich von etwa 600 bis etwa 4000; und
t = eine ganze Zahl, die so ausgewählt ist, daß das erhaltene Segmentpolyurethan- TPE mit einer Härte, gemessen mit dem Shore D-Härtemesser, im Bereich von etwa 30 bis etwa 90 bereitgestellt wird.
Der Wert von "t" wird relativ zum Molekulargewicht des Polyols ausgewählt, um einen Bereich der Molekulargewichte zu erhalten; typischerweise und vorzugsweise liegt das Zahlenmittel des Molekulargewichts von Segmentpolyurethanen, wiedergegeben durch die allgemeine Formel IV, im Bereich von etwa 35000 bis etwa 45000.
Die Segmentpolyurethane können im allgemeinen durch Zusammenmischen der ersten und zweiten polyfunktionellen Monomere und des Kettenverlängerers bei Temperaturen über etwa 80ºC hergestellt werden. Das Verhältnis von funktionellen Isocyanatgruppen zu mit Isocyanat reaktiven Gruppen liegt im Bereich von etwa 0,96 bis etwa 1,1. Werte unterhalb von etwa 0,96 ergeben Polymere mit einem ungenügenden Molekulargewicht, während über etwa 1,1 die thermoplastische Verarbeitung, wegen der vielen Vernetzungsreaktionen, schwierig wird.
Wie vorher erwähnt, haben sich auch Mischungen von TPE mit anderen Polymeren, wie die Mischungen von Polyurethan 1 Acrylnitril-Butadien-Styrol, bekannt unter der Handelsbezeichnung "Prevail", mit den Sorten 3050, 3100 und 3150, alle von Dow Chemical, als nützlich erwiesen. Die Sorte 3050 besitzt eine Fließgeschwindigkeit (ASTM-1238-86, 230/2.16) von 26 g/10 min und eine Shore D-Härte von etwa 62.
Blockcopolymere, einschließlich der elastomeren Copolymere von Silikonen und Polyimiden, die von Fachleuten auf dem Gebiet der Kunststoffverarbeitung als TPE angesehen werden, können auch in den Schleiffilamenten der Erfindung verwendbar sein. Im Handel erhältliche elastomere Copolymere aus thermoplastischen Silikonen und Polyimiden schließen die unter der Handelsbezeichnung "Siltem STM-1500" von GE Silicones bekannten Produkte ein.
Jedes der Polymere der Formeln I-IV, wie vorstehend angegeben, wird nun mehr im einzelnen besprochen.

Segmentpolyester

Wie vorstehend angegeben, basieren die polyfunktionellen Monomere mit niederem und hohem Äquivalentgewicht, wenn das TPE auf einem Segmentpolyester, z.B. dem Segmentcopoly(etherester), wie in Formel 1 angegeben, basiert, vorzugsweise auf Poly(tetramethylenterephthalat), das bei der Polymerisation das harte Segment erzeugt und Poly(tetramethylenoxid), das bei der Polymerisation das weiche Segment erzeugt. Der Poly(ether)-Bestandteil des Copoly(etheresters) stammt vorzugsweise aus α-Hydro-ω-hydroxyoligo(tetramethylenoxid) mit einem Zahlenmittel des Molekulargewichts im Bereich von etwa 1000 bis etwa 2000. Der Copoly(ester)-Bestandteil des Copoly(etheresters) basiert vorzugsweise auf Poly(tetramethylenterephthalat), das bei der Polymerisation harte Segmente mit durchschnittlichen Molekulargewichten im Bereich von etwa 600 bis etwa 3000 erzeugt. Das Molekulargewicht der Copoly(etherester) Polyester der Formel I liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 20000 bis etwa 40000.

Ionomere

Ionomere, die sich wie ionomere TPE verhalten und deshalb in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, wie die Ionomere, die unter der Handelsbezeichnung "SURLYN" (Formel II) bekannt sind, werden vorzugsweise durch Copolymerisation eines funktionalisierten Monomers und eines olefinisch ungesättigten Monomers oder durch direkte Funktionalisierung eines vorher erzeugten Polymers, wie vorstehend erwähnt, hergestellt. Zur Erzeugung von ionomeren TPE zur Verwendung in gehärteten Zusammensetzungen in Schleiffilamenten der Erfindung werden Ionomere der Formel II besonders bevorzugt. Die großen Mengen von handelsüblichen Ethylen 1 Methacrylsäure-Copolymeren, die zum Beispiel zwischen etwa 5 und etwa 20 Gew.-% des Methacrylsäurebestandteils enthalten, machen diese Ionomeren für die vorliegende Erfindung besonders nützlich.
In Formel II wird M typischerweise und vorzugsweise aus Natrium (Na) und Zink (Zn) ausgewählt, obwohl Ionomere, die Kalium (K), Lithium (Li), Magnesium (Mg), Strontium (Sr) und Blei (Pb) verwenden, auch im Bereich der Formel II eingeschlossen sind.

Segmentpolyamide

Polyamide der Formel III, die zur Erzeugung von TPE aus Segmentpolyamiden verwendbar sind, die in der Erfindung verwendet werden, werden typischerweise als Blockpolyetheramide (oder "PEPA") beschrieben, wobei die letzteren durch die Polykondensationsreaktion von Dihydroxypolyetherblöcken und auf Säure basierenden dicarboxylhaltigen Polyarnidblöcken in geschmolzenem Zustand, wie in Formel III gezeigt (wobei PA "Polyamid" bedeutet und PE "Polyether" bedeutet) erhalten werden. Dicarboxylhaltige Polyamidblöcke können durch die Umsetzung von Polyamidvorstufen mit einem Dicarbonsäurekettenbegrenzungsmittel hergestellt werden. Die Umsetzung wird vorzugsweise bei hoher Temperatur (vorzugsweise höher als 230ºC) und vorzugsweise unter Druck (bis zu 2,5 MPa) durchgeführt. Das Molekulargewicht des Polyamidblocks wird typischerweise durch die Menge des Kettenbegrenzers gesteuert.
Die Polyamidvorstufe kann aus Aminosauren, wie Aminoundecansäure und Aminododekansäure; Lactamen wie Caprolactam, Lauryllactam und dergleichen; Dicarbonsäuren (wie Adipinsäure, Azelainsäure, Dodecansäure und dergleichen); und Diaminen (wie Hexamethylendiamin, Dodecamethylendiamin und dergleichen) ausgewählt werden.
Die Dihydroxypolyetherblöcke können aus Polyethervorstufen durch eine der beiden verschiedenen Umsetzungen hergestellt werden: eine ionische Polymerisation von Ethylenoxid und Propylenoxid, wobei Dihydroxypolyoxyethylen- und Dihydroxypolyoxypropylenpolyethervorstufen erzeugt werden; oder eine kationische Polymerisation von Tetrahydrofuran zur Herstellung von Dihydroxypolyoxytetramethylenpolyethervorstufen.
Die Blockpolyetheramide werden dann durch Blockcopolymerisation der Polyamidvorstufen und Dihydroxypolyethervorstufen hergestellt. Die Blockcopolymerisation ist eine Polyesterifizierung, die typischerweise bei hoher Temperatur (vorzugsweise im Bereich von 230 bis 280ºC) im Vakuum (10 bis 1400 Pa) und unter Verwendung eines geeigneten Katalysators, wie Ti(OR)&sub4;, wobei R einen kurzkettigen Alkylrest bedeutet, durchgeführt wird Es ist im allgemeinen auch nötig, während der Polymerisation Additive, wie ein Antioxidationsmittel und 1 oder einen optischen Aufheller, zuzusetzen.
Die Struktur der erhaltenen Blockpolyetheramide umfaßt gerade, regelmäßige Ketten von starren Segmentpolyamiden und biegsamen Segmentpolyethern. Da Segmentpolyamide und Segmentpolyether nicht mischbar sind, stellen Blockpolyetheramide, wie die durch die Formel III wiedergegebenen Substanzen, eine "zweiphasige" Struktur dar, wobei jedes Segment dem Polymer seine eigenen Eigenschaften einbringt.

Segmentpolyurethane

TPE aus Segmentpolyurethanen, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, werden vorzugsweise aus Segmentpolyurethanen der Formel IV erzeugt, die ein polyfunktionelles Monomer mit hohem Äquivalentgewicht und ein polyfunktionelles Monomer mit niederem Äquivalentgewicht, wie vorstehend beschrieben, umfassen, und auch einen Kettenverlängerer mit niederem Molekulargewicht einschließen können, wie es auch vorstehend beschrieben ist. In thermoplastischen Polyurethanelastomeren wird das harte Segment durch Zugabe eines Kettenverlängerers, zum Beispiel 1,4-Butandiol, zu einem Diisocyanat, zum Beispiel 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), erzeugt. Das weiche Segment besteht aus langen, biegsamen, polymeren Polyether- oder Polyesterketten, die zwei oder mehr harte Segmente verbinden. Die bei niederen Temperaturen schmelzenden weichen Segmente sind bei Raumtemperatur mit den polaren, bei hoher Temperatur schmelzenden, harten Segmenten nicht kompatibel, was zu einer Mikrophasentrennung führt.
Polyurethane, die zur Erzeugung von thermoplastischen Elastomeren aus Segmentpolyurethanen verwendbar sind, werden im allgemeinen aus langkettigen Polyolen mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht im Bereich von 600 bis 4000 (polyfunktionelles Monomer mit hohem Äquivalentgewicht), Kettenverlängerern mit einem Molekulargewicht im Bereich von etwa 60 bis etwa 400 und Polyisocyanaten (polyfunktionelles Monomer mit niederem Äquivalentgewicht) hergestellt. Bevorzugte langkettige Polyole sind Polyester mit Hydroxyendgruppen und Polyether mit Hydroxyendgruppen.
Ein bevorzugter Polyester mit einer Hydroxyendgruppe wird aus Adipinsäure und einem Überschuß eines Glykols, wie Ethylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, Neopentylglykol oder Gemischen dieser Diole hergestellt.
Langkettige Polyetherpolyole, die zur Herstellung der Polyurethane der Formel IV verwendbar sind, die zur Herstellung von thermoplastischen Elastomeren aus Segmentpolyurethanen verwendbar sind, die für Schleiffilamente der Erfindung verwendet werden können, bestehen vorzugsweise aus zwei Klassen: den Poly(oxypropylen)glykolen und den Poly(oxytetramethylen)glykolen. Die erstgenannten Glykole können durch die durch Basen katalysierte Addition von Propylenoxid und/oder Ethylenoxid zu bifunktionellen Initiatoren, zum Beispiel Propylenglykol oder Wasser, hergestellt werden, während die letzteren durch kationische Polymerisation von Tetrahydrofüran hergestellt werden können. Die Funktionalität dieser beiden Klassen von Polyethern beträgt etwa 2. Die gemischten Polyether von Tetrahydrofuran und Ethylen- oder Propylenoxid können in den thermoplastischen Polyurethanelastomeren auch wirkungsvoll als weiches Segment verwendet werden.
Im Gegensatz zu anderen Polyurethanen sind für die Herstellung von thermoplastischen Polyurethanelastomeren nur einige wenige Polyisocyanate geeignet. Das am stärksten bevorzugte verwendbare Polyisocyanat ist das vorstehend erwähnte MDI. Weitere Polyisocyanate schließen Hexamethylendiisocyanat (HDI), 1-Isocyanato-3-isocyanatomethyl- 3,5,5-trimethylcyclohexan (IPDI); 2,4- und 2,6-Toluoldiisocyanat (TDI); 1,4-Benzoldiisocyanat und trans-Cyclohexan-1,4-diisocyanat ein.

Schleifteilchen

Schleifteilchen werden vorzugsweise innerhalb der gehärteten TPE-Beschichtung dispergiert und befestigt. In den Schleiffilamenten der vorliegenden Erfindung verwendbare Schleifteilchen können einzelne Schleifkörner oder Agglomerate von einzelnen Schleifteilchen sein. Geeignete agglomerierte Schleifteilchen sind in den US. Patenten Nrs. 4,652,275 und 4,799,939 beschrieben. Die Schleifteilchen können aus jedem bekannten Schleifmaterial bestehen, das üblicherweise im Fachgebiet der Schleifmittel verwendet wird. Die Schleifteilchen besitzen vorzugsweise eine Härte von größer als etwa 7 Mohs, am stärksten bevorzugt größer als etwa 9 Mohs. Beispiele für geeignete Schleifteilchen schließen Einzelschleifteilchen aus Siliciumcarbid (einschließlich feuerfest beschichtete Schleifteilchen aus Siliciumcarbid), Schmelz-Aluminiumoxid, hitzebehandeltem Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkonoxid, kubischem Bornitrid, Granat, Bimsstein, Sand, Schmirgel, Glimmer, Korund, Diamant, Borcarbid, Schmelz-Aluminiumoxid, gesintertem Aluminiumoxid, keramischem Material auf Basis von α-Aluminiumoxid ein.
Die Schleifteilchen liegen vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 60 Gew.-% (bezogen auf (den) (die) Filamentbestandteil(e), der (die) Schleifteilchen enthält (enthalten)), stärker bevorzugt im Bereich von etwa 25 bis etwa 50 Gew.-%, vor.
Um höhere Beladungen mit Schleifteilchen zu erhalten, kann es, abhängig von den angewendeten TPE und/oder TP, notwendig sein, die Schleifteilchen vor dem Einmischen in die Polymerschmelze mit einem Kupplungsmittel zu beschichten. Alternativ wird das Kupplungsmittel in Form eines Granulats, das von etwa 10 bis etwa 30 Gew.-% Kupplungsmittel und von etwa 70 bis 90 Gew.-% eines TPE enthält, zu der Polymerschmelze zugegeben.
Kupplungsmittel, deren Verwendbarkeit festgestellt wurde und die deshalb zur Verwendung in der Erfindung bevorzugt sind, sind die Neopentyl(diallyl)oxytitanate, wie Neopentyl(diallyl)oxy,tri(m-amino)phenyltitanat und Neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)phosphatotitanat.
Die Größe der Schleifteilchen, die in die Schleiffilamente der Erfindung eingebracht werden, hängt von der beabsichtigten Verwendung der Filamente ab. Für Anwendungen, die einen Abtrag oder eine rauhe Oberflächenbeschaffenheit benötigen, werden größere Schleifteilchen bevorzugt, während für Oberflächenanwendungen kleinere Schleiffeilchen bevorzugt sind. Der durchschnittliche Durchmesser der Schleifteilchen ist vorzugsweise nicht größer als 1/2 des Durchmessers des Schleiffilaments, stärker bevorzugt nicht größer als 1/3 des Durchmessers des Schleiffilaments.

Schleifgegenstände

Schleiffilamente der Erfindung können in eine breite Vielfalt von Bürsten, entweder zusammengeballt, wobei eine offene, voluminöse Schleifeinlage erzeugt wird, oder an verschiedene Substrate geheftet, eingebracht werden.
Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Bürstenrads 60 der Erfindung mit einer Vielzahl von Schleiffilamenten 61, die verleimt oder auf eine andere Weise an eine polymere Nabe 62 befestigt sind, die Verfahren der Befestigung sind im Fachgebiet gut bekannt.
In den nachstehenden Beispielen wurde eine Metallnabe angewendet, diese Konstruktion wird unter dem Punkt "Konstruktion der Testbürste" erläutert.
Zur Herstellung einer polymeren Nabe wird typischerweise eine Düse hergestellt, so daß die Schleiffilamente in Form von Schleifbürsten angewendet werden können, wie in der Fig. 6 der vorliegenden Erfindung gezeigt wird. Es wird eine runde Grundplatte mit einem in der Mitte gebohrten Loch mit 3,18 cm Durchmesser hergestellt, das so angepaßt wird, daß ein festes zylindrisches Kernstück mit einem außeren Durchmesser von etwas kleiner als 3,18 cm eingesetzt werden kann. Auf eine Oberfläche der Grundplatte werden maschinell Einschnitte eingekerbt, wobei ein radiales Muster erzeugt wird, so daß darin dünne Metallzwischenstücke eingesetzt werden können. Die Einschnitte dehnen sich, angefangen an einem Punkt von etwa 5 cm von dem durchbohrten zentralen Loch zu dem Rand der Platte radial aus. Dann kann an der Oberfläche der Grundplatte ein geeigneter Zylinder (200 mm i.D.) befestigt werden, bei dem die Einkerbungen so angeordnet sind, daß das Loch in der Grundplatte und der Zylinder konzentrisch sind.
Die Zwischenstücke können dann in die Einkerbungen gelegt, das feste zylindrische Kernstück in das gebohrte Loch eingesetzt werden und eine Vielzahl von Schleiffilamenten mit einer Länge, die gleich der der Einkerbung plus etwa 5 cm beträgt, in die Zwischenräume, die zwischen den Zwischenstücken gelassen sind, in einer Linie angeordnet werden. Die Zwischenstücke ermöglichen es, die Schleiffilamente mit einer vorher bestimmten Länge einheitlich und dicht radial zu verteilen. Die Schleiffilamente, die auf das durchbohrte Loch gerichtet sind, können dann mit einem Klammerring, der über die Filamentenden angebracht ist, fest zusammengehalten werden.
Dann wird ein polymerer Nabenabguß durch Gießen eines flüssigen Epoxid- oder eines anderen Harzes in den mittleren Hohlraum, der zwischen dem festen, zylindrischen mittleren Kernstück und dem Klammerring erzeugt wurde, erzeugt. In der gleichzeitig hängigen Patentanmeldung des Anmelders wurde das Epoxidharz aus zwei Komponenten, bekannt unter der Handelsbezeichnung "DP-420" von 3M, als verwendbar festgestellt. Wenn das Harz vollständig gehärtet ist, kann die Bürste von der Vorrichtung entfernt und dann geprüft werden.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Schleifbürsten, bei denen die Schleiffilamente der Erfindung angewendet werden, wird unter Verwendung einer üblichen Bürstenherstellungsvorrichtung mit einer "Auskehlung" durchgeführt.
Die Schleiffilamente der vorliegenden Erfindung können in Bürsten verschiedener Typen und für eine große Vielzahl von Verwendungen, wie zum Reinigen, Abgraten, Strahlen, Verleihen von dekorativen Oberflächen auf Metall-, Kunststoff- oder Glassubstraten und ähnliche Verwendungen, eingearbeitet werden. Die Bürstentypen schließen Bürstenräder, zylinderförmige Bürsten (wie Reinigungsbürsten für gedruckte Schaltungen), Bürsten für Kleinschleifgeräte, Bürsten zum Fußbodenreinigen, trichterförmige Bürsten, mit Spitzen versehene Bürsten, mit konischer Spitze versehene trichterförmige Bürsten, trichterförmige Bürsten mit kreisförmig konischer Spitze, trichterförmige Bürsten mit einem Überzug und Bürsten mit variabel gestutzter Spitze, Bürsten mit umhüllter Spitze, Bürsten mit eingezogener Bindung, verschiedene Formen von Rohrbürsten, Spulenfederbürsten, Bürsten zum Reinigen von Abzügen, Schornstein- und Rohrleitungsbürsten und dergleichen ein. Die Filamente in diesen Bürsten können natürlich die gleiche oder eine verschiedene Konstruktion, Konfiguration, Länge usw. besitzen.
Zwei besonders bevorzugte Verwendungen der Bürsten, die die Filamente der Erfindung anwenden, sind die Reinigung der Platte einer gedruckten Schaltung und die Stahlplattenreinigung.

Verfahren zur Herstellung der Schleiffilamente

Die folgenden Absätze erläutern die Verfahren zur Herstellung der Schleiffilamente mit einer Kern-Hülle-Konstruktion der Erfindung. Ausführungsformen, die ein TPE und darin befestigte Schleifteilchen umfassen, können unter Verwendung der gleichen Ausrüstung hergestellt werden, jedoch wird die "Hülle" nicht zu der Faserstruktur zugegeben.
Die Schleiffilamente mit einer Kern-Hülle-Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung wurden durch ein Extrusionsverfahren hergestellt, das die Verwendung von mindestens zwei Extrudern einschließt, wobei der Auslaß eines jeden Extruders mit einer Düse verbunden ist, wie sie perspektivisch in Fig. 3 gezeigt ist. Ein erstes geschmolzenes, organisches, polymeres Material, das ein TPE oder ein TP umfaßt und geeignet ist, einen Filamentbestandteil (oder eine Mischung von TPE und TP) zu erzeugen, und ein zweites geschmolzenes, organisches, polymeres Material, das ein TPE oder TP umfaßt, das geeignet ist, einen zweiten länglichen Filamentbestandteil zu erzeugen, werden gleichzeitig durch bestimmte erste und zweite Gänge in die gleiche Düse extrudiert. Die getrennten Gänge zwingen als eines oder mehrere Extrudate aus der Düse die ersten und zweiten geschmolzenen, organischen, polymeren Materialien in die Form der ersten und zweiten länglichen Filamentbestandteile und in einen durch Verschmelzen haftenden Kontakt entlang einer zusammenhängenden Oberfläche des ersten Bestandteils.
Zu mindestens einem der ersten und zweiten geschmolzenen, organischen, polymeren Materalien werden Schleifteilchen, gegebenenfalls zusammen mit Kupplungsmitteln, Füllstoffen, Pigmenten und dergleichen, an der Zulaufseite der Düse zugegeben. Von dem(n) Extrudat(en) werden ein oder mehrere Vorstufen der Schleiffilamente durch Kühlen des (der) Extrudat(s)(e) (vorzugsweise durch Abschrecken in einem kühlenden Wasserbad oder einem Strom von fließendem Wasser) auf eine Temperatur, die genügt, die ersten und zweiten geschmolzenen, organischen, polymeren Materialien zu härten, erzeugt. Die Vorstufen der Schleiffilamente werden dann typischerweise durch Wickelanlagen, die im Fachgebiet bekannt sind, auf geeignete Kerne gewickelt, wo sie, bis zum Schneiden zu einzelnen Schleiffilamenten, gelassen werden.
Nach dem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung wird eine Düse, wie die, die in den Figuren 8-10 gezeigt ist, an den Auslaß von mindestens zwei Extrudern angebracht, wobei ein Extruder die bevorzugte Technik darstellt, um die organischen polymeren Materialien zu schmelzen und die Schleifteilchen darin einzumischen. Für jedes TPE sind die Temperaturzonen des Extruders und die Temperatur der Düse vorzugsweise auf die Temperaturen eingestellt, die für jedes TPE im Handel empfohlen wird (siehe Tabelle A), wobei die hauptsächliche Begrenzung die Schmelz- oder Dissoziationstemperatur der harten Domänen oder der Ionenduster des TPE ist. Bevorzugte Extruderzonen- und Düsetemperaturen sind in Tabelle A angegeben.
Besonders auf die Figuren 8-10 bezogen veranschaulicht die Fig. 8 in der Perspektive eine Düse, die zur Herstellung von Schleiffilamenten mit einer Kern-Hülle-Struktur der Erfindung, gemäß dem vorstehenden Verfahren, verwendet werden kann, während Fig. 9 einen Grundriß darstellt. Eine Anschlußplatte 81 wird über Schrauben 91a und 91b an die erste Stufenplatte 82 festgemacht, die wiederum zu den zweiten und dritten Stufenplatten 83 und 84 über Bolzen 90a und 90b verbunden ist. Durch eine Rohrleitung 85 kann das geschmolzene organische Material aus einem ersten Extruder und durch die mit 87 bezeichneten Kerngänge in die Düse fließen. Durch eine zweite Rohrleitung 86 kann ein zweites geschmolzenes organisches Material durch die Gänge 88 fließen und auf diese Weise in den Extrudaten 89 Hüllen erzeugen. Wenn Schleiffilamente der Erfindung ohne Hülle gewünscht werden, darf kein geschmolzenes organisches Material durch die Rohrleitung 86 in die Düse eintreten.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 10 werden Verschlußschrauben 92a und 92b bereitgestellt, wobei der Fluß des geschmolzenen organischen Materials in Rohreinsatzstücke 93a und 93b (Fig. 10) geleitet wird. Die Einsatzstücke 93a und 93b, die einen gegebenen inneren Durchmesser oder eine gegebene Form besitzen, können leicht entfernt werden und durch andere Einsatzstücke ausgetauscht werden, wobei die Form und die Größe des Kerns in Ausführungsformen mit einem Kern und einer Hülle geregelt werden. Auf ähnliche Weise werden Einsatzstücke 94a und 94b bereitgestellt, um die Dicke der Hülle der Extrudate zu regeln, die aus der Düse, aus den Austrittsöffnungen 95a und 95b, austreten.
Die Abweichungen der strukturellen Einzelheiten der Düsen, wie die der veranschaulichten Düse, können verschieden sein. Es können, zum Beispiel, aus einer einzelnen Düse mehr als zwei Extrudate hergestellt werden und in einer Mehrzweckanordnung kann eine Vielzahl von Düsen angewendet werden. Tabelle A¹: Extruderzone und Temperaturen der Düse,ºC
¹ Meßwerte von Legge et al.
² "1" entspricht der ersten erhitzten Zone, während sich "4" auf die Zone bezieht, die sich vor der Düse befindet.
³ Die tiefere Temperatur für niedrigere Härtegrade, die höhere Temperatur für höhere Härtegrade.
&sup4; Die höhere Temperatur in der Nähe der Zone 4, die tiefere Temperatur in der Nähe des Auslasses der Düse.
Die Vorstufen der Schleiffilamente können bei Streckverhältnissen bis zu etwa 5:1 ausgerichtet werden, wobei die Zugfestigkeit der erhaltenen Schleiffilamente der Erfindung erhöht wird; wenn das jedoch zu drastisch erfolgt, wird die Schleifwirksamkeit der Schleiffilamente (siehe Beispiele 29, 47, 49, 51 und 53) vermindert, das ist deshalb nicht bevorzugt.
Wenn die Vorstufe des Schleiffilaments gehärtet ist, kann sie gegebenenfalls mit einer Beschichtung versehen werden (z.B. mit einer Kunststoffbeschichtung), die aus ästhetischen Gründen, zur Lagerung und andere Zwecke aufgetragen wird.
Es sollte weiterhin verständlich sein, daß die Schleiffilamente und Schleifteilchen Füllstoffe, Gleitmittel und Schleifhilfsstoffe in Anteilen enthalten können, wie sie typischerweise im Fachgebiet der Schleifmittel verwendet werden.

Beispiele

Die nachstehenden Beispiele sind zur Erläuterung der Erfindung gegeben und sie sind nicht als Einschränkungen der Erfindung anzusehen. In allen Beispielen sind alle Teile und Prozentanteile, wenn es nicht anders angegeben wird, mit dem Gewicht angegeben. "P" bezieht sich auf in der Hitze behandelte Schleifteilchen, wenn es in Verbindung mit einer Kennzeichnung der Schleifteilchen verwendet wird, während sich die "Sorte" der Schleifteilchen auf die durch das Grinding Wheel Institute (ANSI ASC B74. 18-1984) gebrauchte Kennzeichnung bezieht. Die Bezeichnung "CRS" bezieht sich auf "kaltgewalzten Stahl", während "ein Al&sub2;O&sub3;-cer" auf keramische Schleifteilchen bezieht, die auf α-Aluminiumoxid basieren. Die abgeschliffene Menge des Werkstücks und die Werte des gesamten Gewichtsverlusts der Faser schließen nicht die anfänglichen 30 Minuten der Einlaufperiode ein.

Testverfahren

Beständigkeit gegen den Ermüdungsbruch

Dieser Test wurde zur Beurteilung des Ermüdungsbruchs von Schleiffilamenten verwendet, wobei die erhaltenen Ergebnisse dazu verwendet werden können, die relative Verwendungsdauer einer Bürste einzuschätzen, die aus den Schleiffilamenten der Erfindung hergestellt wurde. Das verwendete Testverfahren wurde in Technical Bulletin Nr 6, "Fatigue Resistance and Some of the Factors That Affect Flex Life of Brush Filling Materials", Februar 1978 von Dupont, Plastic Products and Resins Department, Code # E- 19743 veröffentlicht und beschrieben. Das Testverfahren wurde exakt eingehalten, mit der Ausnahme, daß die Filamenthaltevorrichtung an dem Tester auf vier Spannvorrichtungen verändert wurde, wobei jede so eingestellt werden konnte, daß ein Schleiffilament fest erfaßt wurde. In diesem Test wurden die vier Spannvorrichtungen an eine Antriebswelle befestigt, wobei jede dazu verwendet wurde, ein einzelnes Schleiffilament oder ein Kontrollfilament zu befestigen. Die Spannvorrichtungen wurden um 90º voneinander getrennt montiert, wobei jede in einem Abstand von 50 mm von dem Mittelpunkt der Antriebswelle angeordnet wurde. Die Antriebswelle lief mit 500 rpm. Entsprechend dem Testverfahren wurde der Abstand zur Einwirkung zwischen den Filamenten und der Schlagleiste, abhängig von dem Filamentdurchmesser, eingestellt. Bei einem Filament mit einem Durchmesser von 1,02 mm war der Abstand zur Einwirkung 12,22 mm, für ein 1,14 mm Filament 13,21 mm; für ein 1,27 mm Filament 16,51 mm; und für ein 1,40 mm Filament wurde der Abstand zur Einwirkung auf 18,16 mm eingestellt. Nach dem Befestigen von vier identischen Testfilamenten an die Antriebswelle wurde die Antriebswelle in Rotation versetzt und es wurde die notwendige Zeit registriert nach der 50% der Filamente brechen. Dieser Wert ist für die Beispiele 1-57 und die Vergleichsbeispiele A-F in Tabelle 7 angegeben.

Konstruktion der Testbürste

Die Schleiffilamente der Erfindung wurden verwendet, um Schleilbürsten der Erfindung durch Befestigen eines Endes der Schleiffilamente an eine maschinell hergestellte zweiteilige Nabe aus Aluminiumguß zu erzeugen.
Das eine Teil der maschinell hergestellten Nabe aus Gußaluminium bestand aus einer 5 mm dicken Aluminiumscheibe mit einem Loch von 32 mm in der Mitte, einem äußeren Durchmesser von 102 mm und es hatte am Rand eine erhöhte quadratische Querschnittsfläche, die 4 mm erhöht war.
Das zweite Teil der Nabe aus Gußaluminium wurde maschinell aus einer 19 mm dicken Scheibe aus Gußaluminium hergestellt, es besaß auch in der Mitte ein Loch von 32 mm mit einem äußeren Durchmesser von 102 mm. Das zweite Teil der Nabe aus Gußaluminium wurde maschinell auf eine Dicke von 5 mm bearbeitet, ausgenommen davon waren drei erhöhte kreisförmige Oberflächen auf einer Seite der Scheibe, wobei jede konzentrisch zu dem Loch in der Mitte angeordnet war: eine äußere, eine dazwischenliegende und eine innere erhöhte kreisförmige Oberfläche, wobei alle drei erhöhten kreisförmigen Oberflächen parallel zu den Hauptoberflächen der Scheibe lagen. Die äußere erhöhte kreisförmige Oberfläche hatte einen quadratischen Querschnitt von 4 mm x 4 mm und einen äußeren Kantendurchmesser von 102 mm. Die dazwischenliegende erhöhte kreisförmige Oberfläche hatte einen äußeren Kantendurchmesser von 73 mm und einen inneren Kantendurchmesser von 68 mm, und sie war um 13 mm über der Hauptoberfläche der Scheibe erhöht.
Der durch eine der Hauptoberflächen der Scheibe erzeugte Kreisring und die dazwischenliegende erhöhte Oberfläche wurden maschinell hergestellt, wobei acht gleich große und räumlich gleich angeordnete Löcher, die sich radial durch den Kreisring ausdehnten, hergestellt wurden, jede Bohrung hatte einen Durchmesser von 9 mm und der Zwischenraum zwischen angrenzenden Bohrungen betrug etwa 3 mm. Diese Bohrungen ergaben die Löcher, in die die Schleiffilamente anschließend eingebracht wurden. Die erhöhte, innere, kreisförmige Oberfläche besaß einen inneren Kantendurchmesser von 32 mm, wobei beim Verbinden der beiden Teile der Nabe das Loch in der Mitte der Nabe erhalten wurde. Der äußere Rand der inneren erhöhten Oberfläche besaß einen Durchmesser (gemessen vom Mittelpunkt der Nabe) von 44 mm und war 13 mm über der Hauptoberfläche der Scheibe erhöht.
Die erhöhte innere Oberfläche und die dazwischen liegende erhöhte Oberfläche der zweiten Scheibe der Nabe ergab die Fläche, auf die das erste Teil der Nabe gelegt wurde. Die erhöhten quadratischen Querschnittsflächen des ersten und zweiten Teils der Nabe lagen entgegengesetzt zueinander.
Die Spitzen von etwa 500 bis 2000 Schleiffilamenten, jede etwa 83 mm lang, wurden in jede der acht Bohrungen gelegt. In jede Bohrung wurde eine genügende Anzahl von Filamenten eingesetzt, um jedes Loch im wesentlichen auszufüllen. Über die Filamentspitzen, die aus der Bohrung herausragten, wurde eine flüssige Zusammensetzung eines Klebers aus einem Expoxidharz mit zwei Komponenten (Kombination des Epoxids "Epi- Rez" WD-5 10 von Rhöne-Poulenc mit dem Amin "Jeffamine" D-230, erhältlich von Texaco Chemical Company, Bellaire, Texas) aufgetragen. Das erste Teil der maschinell hergestellten Aluminiumnabe wurde mit vier Schrauben mit einem Durchmesser von 4 mm durch vier Löcher, die sich in gleichem Abstand von 42 mm von der Mitte der maschinell hergestellten Aluminiumnabe befanden, an das zweite Teil festgeschraubt. Dadurch breiteten sich die Schleiffilamente mit einer erhaltenen gestutzen Filamentlänge von etwa 50 mm leicht fächerförmig aus. Nachdem die Bürsten aus Schleiffilamenten etwa 24 Stunden bei Raumtemperatur liegengelassen wurden (etwa 25ºC, um die Härtung des Epoxidharzes zu ermöglichen), waren sie für die anschließenden Auswertungen fertiggestellt. Die Bürsten besaßen in der Mitte ein Loch von 32 mm und einen äußeren Durchmesser von etwa 200 mm.

Schleifteste an der flachen Platte

Für jedes der 57 Beispiele von Schleiffilamenten und für die Vergleichsbeispiele A-F wurden Bürsten aus Schleiffilamenten, wie vorstehend beschrieben, hergestellt, die Bürsten wurden gewogen und einzeln an eine Welle montiert, die mit einem 2,24 Kw (3 hp) Motor verbunden war, der mit 1750 rpm lief (1018 CRS)-Stahlplatten, 100 mm im Quadrat und etwa 6 mm dick, wurden gewogen und dann mit jeder Bürste mit einer Kraft von 13,3 Pa in Kontakt gebracht. Die Testbürsten und die Stahlplatten wurden nach Intervallen von 15 Minuten wieder gewogen, wobei der Gewichtsverlust der Stahlplatten und der Gewichtsverlust der Testbürsten bestimmt wurde. Nach 8 Testperioden (120 Minuten) wurden die Versuche beendet und der gesamte Schliff (Gewichtsverlust der Stahlplatte) berechnet. Der Wert wurde durch 2 dividiert, wobei der durchschnittliche Schliff jeder Bürste in Gramm pro Stunde erhalten wurde. Die Wirksamkeit (η) der Bürsten wurde durch Dividieren des gesamten Gewichtsverlustes der Platte durch den gesamten Gewichtsverlust der Schleiffilamente berechnet. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2-6 angegeben.

Zugfestigkeit der Schleiffilamente

Die Zugfestigkeit der Schleiffilamente der Erfindung wurde durch Messen der notwendigen Kraft bis zum Bruch eines 100 mm langen Schleiffilaments, der an jedem Ende durch eine von zwei Klemmbacken eines Standard Zugtesters (bekannt unter der Handelsbezeichnung "Sintech 2") befestigt ist, ausgewertet, wobei die Klemmbacken am Anfang in einem Abstand von 25 mm voneinander angebracht waren und dann mit einer Geschwindigkeit von 50 mm pro Minute weiter getrennt wurden. Die notwendige Kraft zum Brechen jedes Filaments wurde notiert und in Tabelle 7 in Kilogramm der notwendigen Kraft angegeben.

Extrusion der Schleiffilamente

57 Schleiffilamente gemäß der vorliegenden Erfindung wurden nach dem Schmelzextrusionsverfahren hergestellt. Es wurde jeweils ein Zweischneckenextruder, der mit zwei zusammen rotierenden Schnecken mit 30 mm Durchmesser und einem Verhältnis von L/D von 30:1 (Modell ZSK-30 von Werner-Pfleiderer) ausgerüstet war, mit einem zweiten Extruder mit einer Schnecke (von C.W. Brabender, mit einem Zylinderdurchmesser von 1,78 cm, einem Verhältnis von L/D von 30:1) angewendet. Die angewendeten thermoplastischen Elastomere wurden zuerst durch den Zweischneckenextruder geschmolzen (unter Verwendung von Zonen- und Düsentemperaturen für jedes TPE entsprechend der vorstehenden Tabelle A) und danach wurden durch eine Zuführungsöffnung des Extruderzylinders kontrollierbar Schleifteilchen zugegeben.
Die verwendete Extrusionsdüse war ähnlich der in den Fig. 8-10 gezeigten Düse, sie war aber so ausgerüstet, daß sie 4 Extrudate statt 2, wie in den Figuren gezeigt, bereitstellte. Nach dem Austritt aus der Extrusionsdüse wurden die Extrudate gekühlt, indem die Extrudate durch einen Wasserstrom geleitet wurden, der sich etwa 150 mm entfernt von den Austrittsöffnungen befand, und danach wurden die Vorstufen der Schleiffilamente auf die gleiche Aufwickelrolle gewickelt (es können auch verschiedene Aufwickelrollen verwendet werden). Anschließend wurden die Schleiffilamente von der Rolle geschnitten. Es ist wichtig festzustellen, daß keine der nach dem vorstehenden Verfahren hergestellten beschichteten Filamente vor dem Ansammeln auf der Rolle, dem folgenden Schneiden zu Filamenten und der Herstellung von Bürstenwerkzeugen eine Ausrichtung nötig hatte, obwohl einige Vorstufen der Schleiffilamente bei einem Streckverhältnis von 3:1 gerichtet wurden, wobei die Schleifleistung mit nicht gestreckten Proben verglichen wurde. (Ein Streckverhältnis von 3:1 bedeutet, daß die Endlange etwa dem dreifachen der ursprünglichen Länge entsprach).
Die angewendeten thermoplastischen Elastomere sowie einige ihrer physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 1 angegeben. Die Tabellen 2-6 geben das in jedem Filamentbeispiel verwendete TPE, den Typ der Schleifteilchen, die Größe usw. zusammen mit den Werten des Schleiftests an. Die Tabelle 7 gibt die mechanischen Eigenschaften (Bruchfestigkeit, Ermüdungsbruchfestigkeit) der Kontrollfilamente und der Schleiffilamente der Erfindung an. Der Gehalt der Schleifteilchen in jedem Filament wurde unter Verwendung einer Standard-Abbrenntechnik bestimmt.
Zum Vergleich mit den Beispielen 1-57 wurden vier mit Schleifmitteln gefüllte Nylonkontrollfilamente A-F verwendet. Die Zusammensetzung der Kontrollfilamente ist in den Tabellen angegeben. Die Filamente A-D der Vergleichsbeispiele waren von Dupont (unter der Handelsbezeichnung "TYNEX") im Handel erhältlich. Die Filamente E und F der Vergleichsbeispiele wurden durch die Erfinder der vorliegenden Anmeldung hergestellt. Tabelle 1 Tabelle 1 (1800 RPM)
¹ Der Anteil in Gew.-% des Schleifmittels (% des Kerngewichts) betrug:
Beispiel 1 = etwa 35:
Beispiel 2 = 30;
Beispiel 3 = 45
Beispiel 4 = 16;
Beispiele 5-7 = 30;
Beispiel 8 = 45;
Beispiele A, B, C = 30.
Die Querschnittsfläche des Schleifmittelbestandteils (% des Gesamten) betrug:
Beispiel 1 etwa 70-80%;
Beispiele 2, 3 80-90%;
Beispiel 4 70-80%;
Beispiele 5-7 70-80%;
Beispiel 8 80-90%;
Beispiele A-C 100%.
² Dieser Kern schloß 0.2 Gew.-% (des Kerngewichts) des Kupplungsmittels Neopentyl(diallyl)oxy,tri(dioctyl)phosphatotitanat ein.
Dieser Kern schloß 0.2 Gew.-% (des Kerngewichts) des Kupplungsmittels Neopentyl(diallyl)oxy,tri(m-amino)phenyltitanat ein. Tabelle 3 (1800 RPM)
¹ der Anteil in Gew.-% des Schleifmittels % des Kerngewichts) betrug:
Beispiel 9 = 38;
Beispiele 10-12 = 44;
Beispiele 13-20 = 35;
Prozentgehalt der Querschnittsfläche des Kerns zur gesamten Querschnittsfläche:
Beispiel 9 70-80%;
Beispiele 10-14 80-90%;
Beispiele 15-16 80-90%;
Beispiel 17 80-90%;
Beispiel 18 80-90%;
Beispiel 19 80-90%;
Beispiel 20 80-90%. Tabelle 4 (1800 RPM)
² Mit einem Streckverhältnis von 3:1 gestreckt Tabelle 4 - Fortsetzung
¹ Der Anteil des Schleifmittels in Gew-% in der Schleifmittelschicht (% des gesamten Gewichts der Schicht) betrug.
Beispiele 21-22 = 35
Beispiel 23 = 50
Beispiel 24 = 30
Beispiel 25 = 40
Beispiele 26-27 = 30
Beispiele 28-29 = 25
Beispiele 30-32 = 35
Beispiel 33 = 55
Beispiel 34 = 25
Beispiel 35 = 30
Beispiel 36 = 25
Beispiel 37 = 30
Beispiel 38 = 35
Beispiel 39 = 40
Beispiele 40-42 = 30
Beispiele 43-45 = 35 Tabelle 5 (1800 RPM)
* Mit einem Streckverhältnis von 3:1 gestreckt (gezogen)
¹ Der Anteil des Schleifmittels in Gew.-% beträgt in jedem Fall etwa 30-40 Gew.-% der Hülle Tabelle 6 (4200 RPM)
Beispiel, Gew.-% des Schleifmittels:
Beispiel 56 = 25-30
Beispiel 57 = 35-40
Beispiel 58 = 35-40
Beispiel 59 = 35-40 Tabelle 7 Tabelle 7 - Fortsetzung
¹ Der Ermüdungsbeständigkeit, Zeit in der 50% der Filamente brechen (der Test ist vorstehend bei "Testverfahren" beschreiben);
"> " bedeutet "größer als", "< " bedeutet "kleiner als".
* mit einem Streckverhältnis von 3:1 gestreckt

Besprechung der Ergebnisse

Wirksamkeit

Die Bürsten, die die Schleiffilamente der Erfindung enthielten, waren mit Ausnahme der Beispiele 11, 14, 18, 21, 26, 27, 29, 32, 39, 47-49, 51 und 53, im allgemeinen wirksamer als Bürsten, die Kontrollfilamente angewendet hatten. Die Beispiele, die die stärkste Wirksamkeit der Kontrollen (η = 2,46 für das Kontrollfilament D) nicht überschritten, können folgendermaßen erklärt werden.
Die Bürsten, die die Filamente der Beispiele 11 und 14 enthielten, verwendeten viel kleinere Schleifteilchen, als das bei dem Kontrollfilament D (P180 Al&sub2;O&sub3; gegenüber 80 SiC) der Fall war.
Die Bürste, die die Filamente des Beispiels 18 besaß, die eine Hülle aus Polypropylen und einen Kern mit einem thermoplastischen Elastomer aus Polyester mit 120 SiC verwendete, war, obwohl sie nicht so wirksam wie eine Bürste mit dem Kontrollfilament D war, wirksamer als Bürsten, die die Kontrollfilamente A-C anwendeten.
Die Bürsten, die Filamente des Beispiels 21 enthielten, zeigten wegen der Gegenwart des thermoplastischen Elastomers aus Polyester "Hytrel 8238" ein Absplittern des Kerns. Die Bürste mit Filamenten des Beispiels 26 verwendete Schleifteilchen aus SiC der Sorte 180, die dazu neigen, weniger aggressiv zu sein. Die Bürste, die Filamente des Beispiels 27 verwendete, verwendete eine weichere Sorte des thermoplatischen Elastomers aus Polyester ("Hytrel 5526"), sie hat aber die Kontrollfilamente A, B und C in der Wirkung noch übertroffen.
Die Bürsten, die Filamente der Beispiele 29, 47, 49, 51 und 53 enthalten, die alle mit einem Streckverhältnis von 3:1 gestreckt waren, zeigten eine niedrigere Schleifwirkung.
Die Bürste, die die Filamente des Beispiels 32 enthielt, besaß nur 545 Filamente. Ahnlich hatte die Bürste mit Filamenten des Beispiels 39 die kleinste Filamentanzahl der Bürsten der Beispiele 36-39, alle anderen Beschaffenheiten waren gleich.
Die Bürste, die die Filamente des Beispiels 48 enthielt, hatte etwa 36% weniger Filamente als das Kontrollbeispiel D.

Mechanische Eigenschaften

Die als Beispiele angegebenen Schleiffilamente der Erfindung besaßen eine bessere Beständigkeit gegenüber der Biegeermüdung als die Kontrollen (die Kontrolle C hatte 50% Filamentbruch nach 16 Minuten). Ausnahmen waren die Beispiele 9, 13, 14, 18, 21, 23, 33- 35, 39 und 41. Diese Filamentbeispiele hatten alle eine höhere Beladung mit Schleifteilchen als die Kontrollfilamente.
Die Bruchkraft war für gestreckte Filamente (Beispiele 29, 47, 49, 51 und 53) der Erfindung viel höher, aber die Werte für die Wirksamkeit waren für diese Filamente wesentlich niedriger, so daß das Strecken der Filamente nicht bevorzugt ist, wenn eine optimale Schleifwirkung gewünscht wird. Zwischen der Zugfestigkeit (Bruchkraft / Filamentdurchmesser) und der Schleifwirkung muß ein Gleichgewicht gefünden werden, das gemäß den vorstehenden Lehren ohne zu großes Experimentieren ermittelt werden kann.
Verschiedene Modifizierungen und Abänderungen der Erfindung werden den Fachleuten im Fachgebiet deutlich werden, ohne daß dadurch von dem Schutzbereich und der Absicht der Erfindung abgewichen wird, und es sollte verständlich sein, daß die vorliegende Erfindung nicht unzulässig auf die hier erläuterten Ausführungsformen eingeschränkt wird.

Claims

1. Schleiffilament, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleiffilament die Merkmale besitzt:

(a) einen ersten länglichen Filamentbestandteil, der eine über seine Länge zusammenhängende Oberfläche besitzt und ein erstes gehärtetes, organisches, polymeres Material darstellt; und

(b) einen zweiten länglichen Filamentbestandteil, der an den ersten länglichen Filamentbestandteil angrenzt und der ein zweites gehärtetes, organisches, polymeres Material darstellt, das sich mit dem ersten länglichen Filamentbestandteil in einem durch Verschmelzen haftenden Kontakt entlang der zusammenhängenden Oberfläche befindet, wobei das zweite gehärtete, organische, polymere Material gleich dem ersten gehärteten, organischen, polymeren Material oder verschieden davon ist, wobei mindestens eines der ersten und zweiten gehärteten, organischen, polymeren Materialien ein thermoplastisches Elastomer ist, das darin dispergierte und befestigte Schleifteilchen besitzt.

2. Schleiffilament nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomer aus thermoplastischen Segmentelastomeren und ionomeren thermoplastischen Elastomeren ausgewählt ist.

3. Schleiffilament nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß das erste gehärtete, organische, polymere Material ein Kupplungsmittel einschließt.

4. Schleiffilament nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß das zweite gehärtete, organische, polymere Material ein Kupplungsmittel einschließt.

5. Mindestens ein Schleiffilament einschließender Schleifgegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleiffilamente die Merkmale besitzen:

(b) einen zweiten länglichen Filamentbestandteil, der an den ersten länglichen Filamentbestandteil angrenzt und der ein zweites gehärtetes, organisches, polymeres Material darstellt, das sich mit dem ersten länglichen Filamentbestandteil entlang der zusammenhängenden Oberfläche in einem durch Verschmelzen haftenden Kontakt befindet, wobei der zweite längliche Filamentbestandteil ein zweites gehärtetes, organisches, polymeres Material umfaßt, und das zweite gehärtete, organische, polymere Material gleich dem ersten gehärteten, organischen, polymeren Material oder verschieden davon ist,

wobei mindestens eines der ersten und zweiten gehärteten, organischen, polymeren Materialien ein thermoplastisches Elastomer ist, das darin befestigte Schleifteilchen besitzt.

6. Schleifgegenstand nach Anspruch 5, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomer aus thermoplastischen Segmentelastomeren und ionomeren thermoplastischen Elastomeren ausgewählt ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Schleiffilaments, wobei das Schleiffilament ein erster länglicher Filamentbestandteil mit einer über seine Länge zusammenhängenden Oberfläche, der ein erstes gehärtetes, organisches, polymeres Material darstellt, und ein zweiter länglicher Filamentbestandteil ist, der an den ersten länglichen Filamentbestandteil angrenzt, ein zweites gehärtetes, organisches, polymeres Material darstellt, das sich mit dem ersten länglichen Filamentbestandteil entlang der zusammenhängenden Oberfläche in einem durch Verschmelzen haftenden Kontakt befindet, und wobei das zweite gehärtete, organische, polymere Material gleich dem ersten gehärteten, organischen, polymeren Material oder verschieden davon ist, und mindestens eines der ersten und zweiten gehärteten, organischen, polymeren Materialien ein thermoplastisches Elastomer darstellt, das darin dispergierte und befestigte Schleifteilchen besitzt, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:

(a) Schmelzen eines ersten organischen polymeren Materials, das ein thermoplastisches Elastomer darstellt, und Zugabe von Schleifteilchen dazu;

(b) Schmelzen eines zweiten organischen, polymeren Materials, wobei das zweite organische Polymer aus thermoplastischen Elastomeren, thermoplastischen Polymeren und Gemischen davon ausgewählt ist;

(c) gleichzeitiges Verpressen der ersten und zweiten geschmolzenen organischen Materialien über verschiedene erste und zweite Gänge in die gleiche Düse, wobei die verschiedenen Gänge die ersten und zweiten geschmolzenen, organischen, polymeren Materialien in die Form von ersten und zweiten länglichen Filamentbestandteilen pressen, die sich entlang einer zusammenhängenden Oberfläche des ersten Bestandteils in einem durch Verschmelzen haftenden Kontakt befinden und somit Erzeugen einer Vorstufe eines Schleiffilaments; und

(d) Abkühlen der Vorstufe des Schleiffilaments auf eine Temperatur, die ausreicht, die ersten und zweiten geschmolzenen, organischen, polymeren Materialien zu härten, und somit Erzeugen der Schleiffilamente auf diese Weise.

8. Verfahren nach Anspruch 7, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bestandteil des Schleiffilaments einen Kern umfaßt und der zweite Bestandteil des Schleiffilamentes eine Hülle umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomer aus thermoplastischen Segmentelastomeren und ionomeren thermoplastischen Elastomeren ausgewählt ist.

10. Schleiffilament nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, daß es extrudiert und nicht ausgerichtet wird.