ES2261236T3 - Formulaciones para disposicion electrostatica. - Google Patents
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Abstract
Una formulación en polvo proyectable electrostáticamente que comprende partículas de abrasivo seleccionadas entre el grupo compuesto por alúmina fundida o sinterizada, carburo de silicio, nitruro de boro cúbico, diamante y alúmina fundida/zirconia, con un tamaño de grano menor de 36 micrómetros (320 grit) y polvo de sílice en una cantidad suficiente para aumentar la resistividad volumétrica y la resistividad superficial de las partículas de abrasivo en al menos un cincuenta por ciento pero no hasta un valor mayor que una resistividad superficial de 1014 ohms/cuadrado y/o una resistividad volumétrica de 1014 ohms.cm.
Description
Formulaciones para deposición
electrostática.
Esta invención se refiere a la deposición de
materiales abrasivos mediante una técnica electrostática y, en
particular, a formulaciones que facilitan en gran medida dicha
técnica.
En la producción de abrasivos recubiertos
mediante un proceso en el que un grano abrasivo se deposita sobre
un material aglutinante no curado o parcialmente curado, la técnica
de deposición más habitual implica la deposición electrostática en
la que el grano se proyecta hacia arriba bajo la influencia de un
campo electrostático en contacto con el aglutinante. Estos procesos
se describen normalmente como procesos UP (proyección hacia
arriba). El grano se suministra desde una tolva a una cinta móvil
que se hace pasar a través de una localización de deposición,
definida por una placa cargada localizada por debajo de la cinta
móvil y directamente opuesta y paralela a una placa conectada a
tierra localizada por encima de la cinta móvil. El sustrato sobre el
que se va a depositar el grano sigue una trayectoria paralela a y
por encima de la cinta móvil según pasan ambos a lo largo de la
localización de deposición. El campo electrostático entre la placa
cargada y la placa conectada a tierra hace que el grano se proyecte
hacia arriba hacia la superficie que mira hacia abajo del sustrato,
donde se adhiere a un aglutinante no curado o parcialmente curado
que lo recubre. Siempre que el tamaño de partículas sea uniforme,
normalmente se obtiene una deposición muy uniforme del grano. Sin
embargo, si el grano tiene tendencia a formar agregados o si el
flujo hacia la superficie desde la que se proyecta es irregular, la
uniformidad de la deposición puede verse perjudicada gravemente.
Este problema es particularmente grave cuando están implicados
tamaños de partícula muy finos.
La presente invención proporciona medios para
promover el flujo libre de las partículas que se van a depositar
electrostáticamente, incluso cuando su tamaño es extremadamente
pequeño. La invención puede usarse en los mecanismos de suministro
para un proceso de deposición UP de granos abrasivos o puede usarse
para depositar un polvo funcional que comprende granos abrasivos
sobre la superficie de una formulación que comprende granos
abrasivos dispersos dentro de un aglutinante curable, en un proceso
tal como el descrito, por ejemplo, en el documento USP
5.833.724.
La presente invención proporciona una
formulación en polvo proyectable electrostáticamente que comprende
partículas de abrasivo con un tamaño de grano menor de 36
micrómetros (320 grit) y polvo de sílice en una cantidad suficiente
para elevar la resistividad volumétrica y la resistividad
superficial de las partículas de abrasivo en al menos un cincuenta
por ciento, pero no más de una resistividad superficial de 10^{4}
ohms/cuadrado y/o una resistividad volumétrica de 10^{14}
ohms.cm. Preferiblemente, estos valores máximos de resistividad son
menores de 10^{12} ohms/cuadrado y ohms.cm respectivamente.
Las resistividades superficial y volumétrica se
miden usando ASTM D4496 que es el método de ensayo estándar para
medir la "Resistencia DC de Conductancia de Materiales
Moderadamente Conductores" y ASTM D2557, que es el método de
ensayo estándar para medir la "Resistencia DC de Materiales
Aislantes". Conseguir un nivel aceptable de acuerdo con la
invención en uno de los parámetros (resistividades volumétrica y
superficial), implicará que se ha obtenido también un nivel
aceptable en el otro, de manera que cualquier parámetro en solitario
es suficiente en términos prácticos.
Se ha descubierto que los valores de
resistividad pueden correlacionarse con la fluidez del polvo, de
manera que el polvo tratado se adapta más fácilmente a la deposición
UP en aplicaciones de abrasivo recubierto. Sin embargo, son
igualmente indeseables las resistividades que son demasiado bajas o
demasiado altas. Por lo tanto, es necesario controlar la
resistividad para asegurar resultados óptimos. La adición de un
polvo de sílice es eficaz para aumentar la resistividad de las
partículas de abrasivo aunque una resistividad demasiado grande
crea problemas de proyectabilidad. Por lo tanto, es importante
controlar la resistividad de manera que se consiga el rendimiento
óptimo. Una característica sobresaliente de las formulaciones en
polvo de la invención en las que se consigue esto es que son
proyectables electrostáticamente y tienen mejor fluidez.
Los valores de resistividad deseados se obtienen
añadiendo a las partículas de abrasivo un aditivo de polvo de sílice
adecuado cuya cantidad variará con el aditivo. En general, sin
embargo, es posible asegurar propiedades de resistividad diana para
los polvos de la invención mediante la adición de un 0,02 a un 5% en
peso con respecto al peso de la formulación. La cantidad preferida
de sílice es del 0,05 al 3%, tal como del 0,1 al 2%, con respecto
al peso de la formulación.
El polvo de sílice preferiblemente tiene un
tamaño de partículas que no es mayor que el de las partículas de
abrasivo.
La sílice puede ser cualquiera de los productos
de polvo de sílice disponibles tales como sílice pirogénica o
precipitada. Aunque la sílice es inherentemente algo resistente a la
formación de agregados debido a la carga, algunas sílices tales
como la sílice pirogénica tienen estructuras de partícula muy
porosas que conducen a superficies específicas exageradas y con
dichas sílices en ocasiones se encuentra una tendencia a formar
agregados. Cuando se encuentran tales problemas con la sílice
pirogénica, puede usarse eficazmente después del tratamiento con un
aditivo tal como hexametildisilazano para aumentar la hidrofobia de
la superficie de la sílice y minimizar la tendencia a formar
aglomerados. Dicho tratamiento se usa frecuentemente por los
proveedores comerciales de sílice pirogénica. Incluso aunque ocurra
algo de aglomeración del polvo de sílice pirogénica comercial, las
fuerzas implicadas están más atenuadas y pueden disiparse fácilmente
mediante tensión de cizalla.
Las sílices adecuadas que pueden usarse
ventajosamente incluyen:
FG-SP FLOW-GARD®
con un tamaño de partículas de 25 micrómetros y una superficie
específica BET de 220 m^{2}/g;
FG-AB con un tamaño de
partículas de 20 micrómetros y una superficie específica BET de 130
m^{2}/g;
HI-SIL® T-600
con un tamaño de partículas de 2,0 micrómetros y una superficie
específica BET de 170 m^{2}/g;
HI-SIL® T-152
con un tamaño de partículas de 1,4 micrómetros y una superficie
específica BET de 150 m^{2}/g;
(todos estos están disponibles en PPG
Corporation); y
CAB-O-SIL®
TS-530 con un tamaño de partículas de 0,2
micrómetros y una superficie específica BET de 220 m^{2}/g, y que
se ha sometido a un tratamiento superficial de hexametildisilazano.
Este producto está disponible en Cabot Corporation.
Las partículas de abrasivo se seleccionan a
partir del grupo compuesto por alúmina fundida o sinterizada,
carburo de silicio, nitruro de boro cúbico, diamante o alúmina
fundida/zirconia. Los abrasivos usados más habitualmente se basan,
sin embargo, en alúmina o carburo de silicio. El tamaño de la
partícula abrasiva que se usa corresponde a 36 micrómetros (320
grit) o puede ser más fino, aunque normalmente surgen problemas con
mayor gravedad a tamaños de grano de P600 y más finos. Esto
corresponde a tamaños medios de partícula de aproximadamente 25,8
micrómetros y más finos.
La formulación puede comprender también, además
de las partículas de abrasivo y el polvo de sílice, aditivos
funcionales que confieren propiedades específicas al producto
abrasivo tales como lubricación de la superficie, propiedades
anti-estáticas, mejores capacidades de esmerilado y
similares. Dichos aditivos se incluyen junto con y mezclados
íntimamente con las partículas de abrasivo. Éstas también tienen
tamaños de partícula preferiblemente iguales a o menores que la
partícula abrasiva con la que están mezclados. La cantidad de
aditivo funcional que puede estar presente puede ser, por ejemplo,
del 5 al 75%, preferiblemente del 25 al 60% y más preferiblemente
aún del 30 al 50% del peso total de abrasivo más aditivo.
Aparte de tener niveles de resistividad
consistentes con la invención, se ha descubierto también que los
polvos abrasivos de la invención en general son mucho menos
susceptibles a las variaciones de humedad en la atmósfera o en el
grano. Con algunos granos, a destacar los granos basados en alúmina,
la humedad relativa que rodea al aparato de deposición UP afecta
muy significativamente a la eficacia con la que se proyectan las
partículas de abrasivo. Las partículas de abrasivo en polvo de la
invención, sin embargo, son mucho más resistentes a las variaciones
de humedad, proporcionando de esta manera un beneficio extra
significativo a partir de la práctica de la invención.
La invención comprende, por lo tanto, un proceso
para la deposición UP de una formulación que comprende partículas
de abrasivo que tienen un tamaño de grano menor de 36 micrómetros
(320) y, más preferiblemente, 23,6 micrómetros (400), arena y polvo
de sílice en una cantidad suficiente para aumentar la resistividad
superficial y la resistividad volumétrica de las partículas de
abrasivo en al menos un cincuenta por ciento, pero no hasta un valor
mayor de una resistividad superficial de 10^{14}, y
preferiblemente no mayor de 10^{12}, ohms/cuadrado y/o una
resistividad volumétrica no mayor de 10^{4} y preferiblemente no
mayor de 10^{12} ohms.cm.
La invención comprende también un proceso para
la deposición UP de dicha formulación de abrasivo, que comprende
incorporar con las partículas de abrasivo del 0,02 al 5% en peso con
respecto al peso de la formulación de una sílice con un tamaño de
partículas que no es mayor que el de las partículas de abrasivo.
Cuando se hace referencia a las partículas de
abrasivo, el tamaño se expresa en términos de un proceso de
clasificación CAMI que define un tamaño medio de partícula que
corresponde a un número específico de micrómetros. Cuando se hace
referencia a sílice u otros aditivos en polvo, el tamaño de
partículas se expresa en micrómetros y se refiere a un tamaño medio
de partícula en volumen, como se determina por ejemplo, mediante un
analizador del tamaño de partículas Horiba.
La Figura 1 es un esquema en perspectiva de un
aparato de lecho de ensayo usado para evaluar los aditivos.
La Figura 2 es un gráfico que muestra el caudal
de grano en el aparato de evaluación de flujo usado en el Ejemplo 1
a tres conjuntos de condiciones especificadas.
La Figura 3 es un gráfico de barras que indica
mejoras de flujo como resultado del uso de formulaciones de acuerdo
con la invención.
La Figura 4 es un gráfico de barras que muestra
los resultados de esmerilado obtenidos en el Ejemplo 2.
La Figura 5 es un gráfico que muestra el efecto
del peso del aditivo sobre la resistividad volumétrica del polvo
abrasivo resultante para tres granos abrasivos de óxido de aluminio
diferentes en dos condiciones de humedad relativa diferentes.
La Figura 6 presenta los datos de la Figura 5 en
forma de gráfico de barras.
Las Figuras 7 y 8 son similares a las Figuras 5
y 6 con la diferencia de que los datos recogidos se refieren a un
grano abrasivo de carburo de silicio.
La invención se ilustra ahora evaluando las
propiedades de diversas formulaciones y el rendimiento abrasivo de
un abrasivo recubierto que incorpora una de dichas formulaciones.
Por lo tanto, los Ejemplos tienen propósitos ilustrativos y no
implican ninguna limitación esencial sobre la invención o el alcance
de su utilidad en todas las circunstancias.
Para demostrar las propiedades de flujo de las
formulaciones de acuerdo con la presente invención, se construyó un
aparato de ensayo como se muestra en la Figura 1. El aparato está
compuesto por una tolva, 1, adaptada para suministrar grano sobre la
superficie externa de un rodillo, 2, que gira a una velocidad
controlable alrededor de un eje paralelo al eje de la tolva,
pudiendo controlarse el hueco, 3, entre la tolva y la superficie
del rodillo. El grano pasa sobre una tela metálica, 4, y cae en un
depósito, 5.
Durante el funcionamiento del aparato de ensayo
anterior, se suministró polvo a la tolva, se fijó el hueco entre la
ranura y el tambor y se hizo girar el tambor a una velocidad dada.
Se midió el caudal de grano, en gramos de grano depositados en el
depósito durante un periodo de 15 segundos. Esto se repitió para
distintos ajustes del hueco, velocidades del tambor y composiciones
de polvo.
El polvo atravesó el sistema compuesto por
partículas de óxido de aluminio de grano P1200 en una proporción 2:1
en partes en peso con fluoroborato potásico y con cantidades
variables de sílice precipitada disponible en PPG Corporation con
la marca comercial FLOW-GARDES® AB. Tanto la sílice
como las partículas de abrasivo tienen un tamaño medio de partículas
de aproximadamente 20 micrómetros. Dependiendo de la cantidad de
sílice añadida, la resistividad superficial de las formulaciones
varió de aproximadamente 10^{9} a aproximadamente 10^{11}
ohms/cuadrado y las resistividades volumétricas de aproximadamente
10^{9} a aproximadamente 10^{11} ohms.cm. La cantidad de grano
depositado en un depósito de recogida en un periodo de 15 segundos
se midió en tres ajustes diferentes para el hueco entre la tolva y
la superficie del rodillo. Los resultados se presentan en forma
gráfica en la Figura 2. Como se observará, los resultados para este
sistema indican que se consigue un flujo máximo a una concentración
del aditivo de sílice de aproximadamente un 1% independientemente
del hueco. La repetición a una velocidad de rodillo diferente dio
el mismo resultado.
Se realizó una serie de ensayos similares usando
el mismo equipo de ensayo para evaluar la mejora obtenida con los
mismos componentes, pero usando una velocidad constante del rodillo
de 40 pulgadas/min, (aproximadamente 1 metro/min) y tres ajustes
diferentes de hueco de 0,03'', 0,04'' y 0,06'' (0,76 mm, 1,02 mm y
1,52 mm, respectivamente). Cada formulación de acuerdo con la
invención estaba compuesta por un 2% en peso de la misma sílice
mezclada con las mismas partículas P1200 de alúmina y fluoroborato
potásico. Cada una se comparó con las mismas composiciones pero sin
la sílice y, antes de realizar el ensayo, la mezcla de polvo se
había almacenado a 37,8ºC (100ºF) durante tres semanas para asegurar
las propiedades óptimas de fluidez. No se tomaron tales precauciones
de secado con los productos de acuerdo con la invención.
Los resultados se muestran en la Figura 3 en la
que se muestra el porcentaje de mejora (en términos de gramos de
polvo depositado en un periodo de 15 segundos) sobre la composición
sin sílice en las mismas condiciones, en forma de gráfico de
barras. La longitud de la barra indica el porcentaje de mejora
respecto al producto que no contiene sílice. Una barra de error
sobre cada barra indica el grado de variabilidad en los resultados
que se resumen en el diagrama. Como era de esperar, cuando el hueco
es mayor la mejora mostrada es menor, porque un hueco más amplio
permite el paso a su través de algunas de las partículas
aglomeradas. Sin embargo, la mejora sigue siendo
significativa.
significativa.
Las evaluaciones de los tamaños de partícula de
alúmina mayores de P 1200 pero manteniendo constantes los otros
parámetros mostraron una mejora significativa a un tamaño de
partículas de alúmina P1000, pero por debajo de este nivel las
condiciones de ensayo no fueron suficientemente sensibles para
mostrar una mejora clara. Además, como se ha indicado
anteriormente, el problema de la aglomeración de partículas se hace
menos agudo cuando aumenta el tamaño de partículas. Para examinar
dichos tamaños de partículas mayores, se usó en embudo con un
orificio de salida de 0,1'' (2,54 mm) de diámetro para evaluar
caudales. Se descubrió que cuando el flujo está impedido, la adición
de un 2% de sílice era eficaz para aumentar el caudal de alúmina con
tamaños de partícula de 36 micrómetros (320 grit) y menores.
En este Ejemplo, se evaluó el rendimiento de
esmerilado de un abrasivo recubierto con una superficie sometida a
estudio técnico con y sin el aditivo de sílice: el sustrato abrasivo
recubierto se obtuvo depositando una formulación que comprendía un
grano abrasivo de alúmina disperso en una resina aglutinante de
acrilato curable por UV y aplicando después a la superficie de la
formulación depositada una capa de un polvo que comprendía una
proporción en peso 2:1 de partículas de abrasivo de alúmina P 1200 y
partículas de fluoroborato potásico. Se labró un patrón de
repetición sobre la formulación y el componente aglutinante de la
resina se curó. Se prepararon tres muestras que eran idénticas
excepto porque la capa de polvo depositada sobre la superficie no
curada de dos de las formulaciones de abrasivo/resina aglutinante
contenían sílice y la tercera no tenía.
Las muestras se ensayaron después para el
rendimiento abrasivo en un anillo de acero inoxidable 304 con una
presión de 110,3 kPa (16 psi), (aplicada al reverso del abrasivo
aplicado como un recubrimiento usando una rueda de contacto
a-Matchless-B), y una velocidad de
movimiento relativo de 2.540 cm/s (5000 sfpm).
La primera formulación de acuerdo con la
invención estaba compuesta por sílice precipitada con una superficie
específica BET de 170 m^{2}/g y un tamaño medio de partículas de
aproximadamente 2 micrómetros en una cantidad del 0,08% en peso con
respecto al peso del polvo. La segunda contenía un 0,25% en peso,
con respecto al peso de polvo de la sílice de 20 micrómetros usada
en el Ejemplo 1. La tercera no contenía sílice.
Los resultados del ensayo de esmerilado se
muestran en la Figura 4. Como se observará, el efecto de los
resultados de esmerilado de la incorporación de sílice es muy
pequeño y a concentraciones muy bajas incluso puede ser
beneficioso.
En este Ejemplo, el objetivo es mostrar el
impacto de la adición de un aditivo de sílice sobre la resistividad
del polvo de grano abrasivo resultante. En todos los casos, el
aditivo era un polvo de sílice pirogénica con un tratamiento de
hexametildisilazano. Esta sílice está disponible en Cabot
Corporation con la denominación "TS 530".
Se realizaron dos grupos de experimentos. El
primero se realizó sobre polvos abrasivos de óxido de aluminio
disponibles en Treibacher AG con las denominaciones:
BFRPL P600 (graduación FEPA P con tamaño medio
de partículas de 25,8 micrómetros);
FRPL P800 (tamaño medio de partículas 21,8
micrómetros); y
FRLP P1500 (tamaño medio de partículas 12,6
micrómetros).
El segundo conjunto de ensayos se realizó sobre
polvos abrasivos de carburo de silicio disponibles en
Saint-Gobain Industrial Ceramics Inc. con las
denominaciones:
E299 400 (graduación ANSI 22,1 micrómetros);
E299 600 (graduación ANSI 14,5 micrómetros);
y
E599 P1500 (graduación FEPA P, 12,6
micrómetros).
En cada caso, a los polvos se les añadió polvo
de sílice a un número de niveles y la resistividad volumétrica se
midió a niveles de humedad relativa del 20% y del 50%. Los
resultados de las evaluaciones se muestran en las Figuras
5-8. En las Figuras 5 y 7 se sigue la trayectoria de
la variación de resistividad con el porcentaje de aditivo para los
granos de óxido de aluminio y carburo de silicio, respectivamente.
Las Figuras 6 y 8 presentan los datos de las Figuras 5 y 7,
respectivamente, en forma de un gráfico de barras como una
comparación con la medida de resistividad para el grano en ausencia
de cualquier modificador. Para hacer esto, el valor de resistividad
presentado en el gráfico se divide por la resistividad del grano
abrasivo idéntico no modificado a la misma humedad relativa. Esto
muestra más claramente la mejora drástica en resistividad después de
la adición de cantidades relativamente moderadas del aditivo de
sílice.
Claims (12)
1. Una formulación en polvo proyectable
electrostáticamente que comprende partículas de abrasivo
seleccionadas entre el grupo compuesto por alúmina fundida o
sinterizada, carburo de silicio, nitruro de boro cúbico, diamante y
alúmina fundida/zirconia, con un tamaño de grano menor de 36
micrómetros (320 grit) y polvo de sílice en una cantidad suficiente
para aumentar la resistividad volumétrica y la resistividad
superficial de las partículas de abrasivo en al menos un cincuenta
por ciento pero no hasta un valor mayor que una resistividad
superficial de 10^{14} ohms/cuadrado y/o una resistividad
volumétrica de 10^{14} ohms.cm.
2. Una formulación en polvo de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que los valores de resistividad superficial
y volumétrica son menores de 10^{12} ohms/cuadrado y 10^{12}
ohms.cm, respectivamente.
3. Una formulación en polvo de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que la cantidad de polvo de sílice añadido
representa del 0,02 al 5% en peso de la formulación en polvo.
4. Una formulación en polvo de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que la sílice se selecciona entre el grupo
compuesto por sílice precipitada; sílice pirogénica; sílice
pirogénica tratada para proporcionar las partículas de sílice con
una superficie hidrófoba; y mezclas de los mismos.
5. Una formulación en polvo de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el tamaño de las partículas de sílice no
es mayor que el de las partículas de abrasivo.
6. Una formulación en polvo de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que las partículas de abrasivo tienen un
grano de 25,8 micrómetros (P600) y menores.
7. Un proceso para la preparación de un abrasivo
recubierto que comprende una etapa en la que una formulación en
polvo se deposita electrostáticamente sobre un sustrato y la
formulación comprende partículas de abrasivo seleccionadas entre el
grupo compuesto por alúmina fundida o sinterizada, carburo de
silicio, nitruro de boro cúbico, diamante y alúmina fundida/zirconia
que tiene un tamaño de partículas menor de 36 micrómetros (320
grit) y un polvo de sílice en cantidades suficientes para aumentar
la resistividad volumétrica y la resistividad superficial de las
partículas de abrasivo en al menos un cincuenta por ciento pero no
hasta un valor mayor que una resistividad superficial de 10^{14}
ohms/cuadrado y/o una resistividad volumétrica de 10^{14}
ohms.cm.
8. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
7, en el que los valores de resistividad superficial y volumétrica
de la formulación en polvo son menores de 10^{12} ohms/cuadrado y
10^{12} ohms.cm, respectivamente.
9. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
7, en el que la cantidad de polvo de sílice añadido representa del
0,02 al 5% en peso del peso total de la formulación.
10. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
7, en el que la sílice se selecciona entre el grupo compuesto por
sílice precipitada; sílice pirogénica; sílice pirogénica tratada
para proporcionar partículas de sílice con una superficie
hidrófoba; y mezclas de los mismos.
11. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
7, en el que las partículas de sílice tienen un tamaño medio que no
es mayor que el de las partículas de abrasivo.
12. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
7, en el que las partículas de abrasivo tienen un tamaño que no es
mayor de 25,8 micrómetros (P600 grit).
Applications Claiming Priority (4)
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| US414687 | 1989-09-29 | ||
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Publications (1)
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| ES00959611T Expired - Lifetime ES2261236T3 (es) | 1999-10-07 | 2000-08-30 | Formulaciones para disposicion electrostatica. |
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