JP2013515163A - スミアフリーの不織布複合材料研磨材 - Google Patents

Abstract

表面処理用物品には、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンの混合物との反応生成物を含むバインダーによって実質的に包み込まれた有機マトリックスが含まれる。その芳香族アミンは、４以上の官能価を有するポリメチレンポリアニリンを含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許仮出願第６１／２９０，６６９号（出願日、２００９年１２月２９日）の利益を主張するものである。上述の出願の教示のすべてを、参考として引用し本明細書に組み入れる。

不織布複合材料研磨材は、一般に、広い範囲の金属表面の研磨または仕上げ加工に採用されている。慣用されている不織布研磨材は、ほとんどの金属を研磨するのには適してはいるが、耐熱合金たとえばチタン系の合金の金属表面の上に、目に見える残留物を残す傾向がある。この残留物は、典型的には「スミア（ｓｍｅａｒ）」と呼ばれていて、その存在は、有害であると考えられている。存在するスミアの量は、典型的には、その金属を研磨するのに採用された不織布複合材料研磨材の密度に正比例する。

スミアは、主としてポリウレタン樹脂、場合によっては微量のナイロンからなっていることが確かめられている。ポリウレタン樹脂は、不織布研磨材において使用される一般的な結合接着剤であるが、それに対してナイロンは、複合材料研磨材のための基材として採用される繊維である。

スミアリングを抑制する目的で、外部潤滑剤、たとえばタルク、カオリン、金属ステアレート（たとえばステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、またはステアリン酸リチウム）およびテトラフルオロエチレン（たとえば粉体の形状）をポリウレタン接着剤に添加することが多い。しかしながら、これらの外部潤滑剤の量は、典型的には、スミアの存在を抑制するには効果に限度があり、随伴して起きる製品の脱落（ｓｈｅｄ）の結果として不織布複合材料研磨材の製品寿命を著しく短くする。

したがって、不織布複合材料研磨材に関連した上述の問題点を顕著に抑制するか、または無くしてしまう必要が存在している。

本発明は、一般的には、表面処理用物品、その表面処理用物品を形成させる方法、およびワークピースを研磨するのに使用する方法を目的としている。

一つの実施形態においては、本発明は、バインダーによって実質的に包み込まれた有機マトリックスを含む表面処理用物品である。そのバインダーには、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンの混合物との反応生成物が含まれる。その芳香族アミンには、４よりも高い官能価を有するポリメチレンポリアニリンが含まれる。

また別な実施形態においては、本発明は、表面処理用物品を形成させる方法である。その物品を形成させる方法には、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンの混合物とを組み合わせて、ここで、その芳香族アミンには４よりも高い官能価を有するポリメチレンポリアニリンを含み、それによりバインダー前駆体を形成させることが含まれる。そのバインダー前駆体を、研磨材粒子と組み合わせ、次いで、硬化させて、それにより表面処理用物品を形成させる。

また別な実施形態においては、ワークピースを研磨する方法には、ワークピースを、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンの混合物との反応生成物から形成されたバインダーによって実質的に包み込まれた有機マトリックスを含む表面処理用物品に適用することが含まれるが、ここで、その芳香族アミンには、４よりも高い官能価を有するポリメチレンポリアニリンが含まれる。

本発明は、多くの利点を有している。たとえば、本発明の表面処理用物品は、本質的にスミアフリーである。さらに、その表面処理用物品は、切断速度と脱落の間のバランスをとって、それによって表面処理用物品の製品寿命が顕著に延長される。その表面処理用物品は、改良された耐熱性を有していて、そのため、エンドユーザーが、表面処理用物品の早々な融解を経験するようなことはない。

ここで、本発明の特色と詳細を、添付の図面を参照しながらより詳しく説明し、特許請求項で指摘する。本発明の具体的な実施形態は、説明のために示したものであって、本発明を限定するものではないということは理解されたい。本発明の新規な特色は、本発明の範囲から外れることなく、各種の実施形態において採用することができる。

本発明は、一般的には、広い範囲の金属表面、たとえばチタン系合金を研磨および仕上げ加工するのに使用するための表面処理用物品を目的としている。本発明はさらに、本発明の表面処理用物品を形成させるための方法および使用するための方法も目的としている。

一つの実施形態においては、本発明は、バインダーによって実質的に包み込まれた有機マトリックスを含む表面処理用物品を目的としている。その有機マトリックス成分には、フェノキシ樹脂、抗酸化剤、レオロジー調節剤、可塑剤、および充填剤が含まれる。そのバインダーには、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンの混合物との反応生成物が含まれる。好適なブロックトポリウレタンプレポリマーの例には、以下のものからなる群より選択される少なくとも一つのメンバーが含まれる：トルエンジイソシアネートもしくはメチレンジイソシアネート、ポリブチルグリコールエーテルもしくはポリエステルポリオール、ポリカプロラクトン、およびメチルエチルケトオキシム。

好適な芳香族アミンとしては、表面処理用物品の当業者には公知のものが挙げられる。好適な芳香族アミンの例としては、以下の構造式の混合物を有する芳香族アミンが挙げられる：

および

ｎ＞２である場合、その化合物は、４よりも高い官能価を有すると考えられるが、その理由は、その化合物が、ポリウレタンプレポリマーと反応するであろう４個を超えるアミノ官能基を有しているからである。一つの実施形態においては、ｎは２よりも大である。また別な実施形態においては、ｎは、３、４、５、６、７、８、９または１０よりも大とすることができる。

好適なポリメチレンポリアニリンの例は、表面処理用物品の当業者には公知のもの、たとえば、次の構造式を有する、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ製の市販のポリメチレンポリアニリンである：
１．アンカミン（Ａｎｃａｍｉｎｅ）ＤＬ−５０は以下のものの混合物である：
５０％の

および５０％のポリメチレンポリアニリン

２．アンカミン（Ａｎｃａｍｉｎｅ）１４８２は以下のものの混合物である：
＜３６％の

＜２０％のポリメチレンポリアニリン

および４５％の１，３−フェニレンジアミン

３．アンカミン（Ａｎｃａｍｉｎｅ）Ｙは以下のものの混合物である：
＜４５％の

＜３０％のポリメチレンポリアニリン

＜２０％の３，４−ジアミノトルエン

＜１５％の２，３−ジアミノトルエン

＜１％の２，４−ジアミノトルエン

一つの実施形態においては、ブロックトポリウレタンプレポリマーの芳香族アミンに対する比率が、約６．５：１〜約１０．５：１の間の範囲である。ブロックトポリウレタンプレポリマーの芳香族アミンに対する比率が、約９．１：１〜約１０．１：１の間の範囲であれば好ましい。

有機マトリックスの好適な成分は、表面処理用物品の当業者には公知である。本発明の表面処理用物品に含ませるのに好適な有機マトリックス成分の例としては、フェノキシ樹脂、抗酸化剤、レオロジー調節剤、および可塑剤が挙げられる。典型的には、本発明の表面処理用物品における有機マトリックスのバインダーに対する比率は、約０．３４：１〜約０．４３：１の間の範囲である。

一つの実施形態においては、本発明のこの表面処理用物品には、少なくとも１種の潤滑剤をさらに含む。好適な潤滑剤の例としては、タルク、カオリン、金属ステアレート、およびテトラフルオロエチレン（たとえばテトラフルオロエチレン粉体）からなる群の少なくとも一つのメンバーが挙げられる。好適な金属ステアレートの例としては、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、およびステアリン酸リチウムからなる群より選択される少なくとも一つのメンバーが挙げられる。

本発明の表面処理用物品のバインダー中における潤滑剤の量は、一般的には、バインダーの約７重量％〜約１２重量％の間の範囲である。さらに詳しくは、その範囲を約１０％〜約１１％の間とすることができる。

また別な実施形態においては、本発明は、表面処理用物品を形成させるための方法である。その方法には、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンの混合物とを組み合わせ、ここで、その芳香族アミンには、４よりも高い官能価を有するポリメチレンポリアニリンを含み、それによって、バインダー前駆体を形成させる工程が含まれる。その方法で使用するのに好適なブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンとは、先に説明したものと同じである。

芳香族アミンは、純ＭＤＡとポリメチレンポリアニリンとの混合物として表される。高剪断ブレードを備えた工業的なミキサーを使用して、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンとの混合物を調製する。配合物において、上から下へと示した順序で添加する。その高剪断ブレードは、直径１６”で、１５０〜２００ＲＰＭで回転させる。最終的な混合物が均質となるよう、充分な時間をとる。

ブロックトポリウレタンプレポリマーの芳香族アミンに対する比率は先に説明した通りであり、バインダー前駆体の有機マトリックスに対する比率も同様である。

好適な方法、たとえば、撹拌下に配合物において示した順序でバインダー前駆体に対して添加して、バインダー前駆体を有機マトリックスと組み合わせる。

バインダー前駆体を好適な研磨材粒子と組み合わせて、硬化可能な研磨材スラリーを形成させる。好適な粒子の例としては、ＡＮＳＩ ６０〜ＡＮＳＩ ８００の間のグリットサイズの、炭化ケイ素、アルミナ酸化物、セラミック研磨材、研磨材凝集物が挙げられる。研磨材粒子のバインダー前駆体に対する重量比は、１．５：１〜２．５：１の範囲である。

また別な実施形態においては、その方法が、上述のような表面処理用物品を採用して研磨したワークピースを目的とする。

その表面処理用物品を、ユニタイズド研磨ホイールとして使用することができる。一つの実施形態においては、ユニファイドホイールディスクを不織布研磨シートから形成させるが、そのシートには、ポリマープレボンドによって、次いでバインダー前駆体および研磨材粒子を含む硬化可能な研磨材スラリーによって接着させた嵩高繊維ウェブを含む。それら不織布研磨シートを重ね合わせ、ユニタイズし、高温（たとえば約９０℃〜約１３０℃の間の範囲の温度）で加圧下に硬化させて、スラブを形成する。高温での特定の実施形態には、１２６．７℃の温度で２時間、または９８．９℃で１５時間の暴露が挙げられる。次いでそのスラブから、研磨工具に取り付けるためのセンター穴を有するユニファイドホイールディスクを切り出す。

その表面処理用物品を、コンボリュートホイールとしても使用することができる。一つの実施形態においては、コンボリュートホイールを不織布研磨シートから形成させるが、そのシートには、ポリマープレボンドによって、次いでバインダー前駆体および研磨材粒子を含む硬化可能な研磨材スラリーによって接着させた嵩高繊維ウェブを含む。そのシートは、中空のコアに取り付けられ、そのコアにらせん状に巻いて、巻き上げた円筒を形成させる。先に述べたように、高温で硬化させることによってコアを接着させ、その接着させた円筒の縁からコンボリュートディスクを切り出す。

実施例１
１５デニールの捲縮Ｎｙｌｏｎステープルからなる不織布基材を、ＤＯＡ（ドクトル・オット・アングライトナー・Ｇｅｓ．ｍ．ｂ．Ｈ・アンド・カンパニー・ＫＧ（Ｄｒ．Ｏｔｔｏ Ａｎｇｌｅｉｔｎｅｒ，Ｇｅｓ．ｍ．ｂ．Ｈ．＆Ｃｏ．ＫＧ）、Ａｕｓｔｒｉａ）によって販売されているような、エアレイドウェブ成形ラインで、約１２４．４ｇｓｍ（グラム／平方メートル）の重量で調製する。その不織布基材の両側に、アクリル系ラテックスを使用して、全乾燥重量４４．４ｇｓｍでスプレーする。次いで、その基材をオーブンに通して、２９０゜Ｆで約２．４分間かけてそのアクリル系バインダーを硬化させる。次いで、でその不織布基材を、４３．２×４３．２ｃｍの正方形のシートに切り出す。

先に述べたようにして、バインダー前駆体および研磨材スラリーを調製すると、それは２５℃で２，５００〜３，０００ｃｐｓの粘度を有している。ＭＩＢＫの溶媒を使用して、研磨材スラリーの粘度を調製することも可能である。

二本ロールコーターを使用して、研磨材スラリーを用いてその不織布基材に含浸させ、コーターニップの間にその正方形のシートを通過させる。コーターニップの圧力を調節して、研磨材スラリーの塗布量を約１９７ｇｓｍとする。

そのコーティングしたシートを、２枚の金属プレートの間で、互いに重ね合わせる。シートの枚数は、最終的な製品の密度から決める。次いで、そのスタックをオーブン中に１２６．７℃で２時間および９８．９℃で１５時間入れて、バインダー前駆体の硬化を完了させ、それにより硬化スラブを形成させる。次いでその硬化スラブから、センター穴を有するユニファイドホイールディスクを切り出す。

実施例２
所定のデニールの捲縮Ｎｙｌｏｎステープルからなる不織布基材を、ＤＯＡ（ドクトル・オット・アングライトナー・Ｇｅｓ．ｍ．ｂ．Ｈ・アンド・カンパニー・ＫＧ（Ｄｒ．Ｏｔｔｏ Ａｎｇｌｅｉｔｎｅｒ，Ｇｅｓ．ｍ．ｂ．Ｈ．＆Ｃｏ．ＫＧ）、Ａｕｓｔｒｉａ）によって販売されているような、エアレイドウェブ成形ラインで、所定の重量で調製する。その不織布基材の両面に、アクリル系ラテックスをスプレーする。次いで、その基材をオーブンに通して、２９０゜Ｆで約２．４分間かけてそのアクリル系バインダーを硬化させる。次いで、その不織布基材を巻き上げて、長さがおよそ１００ヤードのジャンボ（ｊｕｍｂｏ）とする。

不織布基材を使用して、コンボリュートログ（ｃｏｎｖｏｌｕｔｅ ｌｏｇ）を直接製造することもできるし、あるいは、プレサイズ（ｐｒｅ−ｓｉｚｅ）とするためのさらなる工程に送ってから、それを使用してコンボリュートログを製造する。

プレサイズ工程においては、二本ロールコーター中における浸漬および圧搾工程によって、その不織布基材にバインダー前駆体を含浸させる。次いでその含浸させた基材の両面に、重力ホッパーを使用して砥粒をコーティングする。砥粒コーティングの後に、フェノール樹脂ベースのスプレーコーティングを実施して、砥粒を基材に固定させる。次いで、それをオーブンに通して、３００゜Ｆで約１５分間かけてポリウレタンおよびフェノール樹脂を硬化させる。

二本ロールコーターを使用し、そのコーターニップに不織布またはプレサイズ基材を通すことによって、その不織布基材またはプレサイズにポリウレタン研磨材スラリーを含浸させる。コーターニップの圧力を調節して、特定の材料に対して、予め決められた研磨材スラリーの塗布になるようにする。次いでそのコーティングした基材をらせん状にマシンに巻き付けて、各種の直径および密度のコンボリュートログを形成させる。コンボリュートログの密度は、そのログの中に巻き付けられる材料の量によって調節することができる。次いで、そのコンボリュートをオーブン中に１２６．７℃で２時間および９８．９℃で１５時間入れて、バインダー前駆体の硬化を完了させる。

スミア試験
スミア試験１の手順
直径７．６２ｃｍのディスクを、１８，０００ｒｐｍで回転するポータブルエアグラインダー、Ｄｙｎａｂｒａｄｅから入手可能なモデル５２２５７に取り付ける。ディスクの周辺部における表面速度は、７１．８メートル／秒である。クランプ装置を用いて、厚みが０．１〜０．２５インチの、ステンレス鋼またはチタンの金属ワークピースを、ワークベンチに固定する。ワークピースの表面積を充分に大きくして、長さが少なくとも７インチの研磨パス（ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｐａｔｈ）が可能となるようにするべきである。スミア試験を実施する前に、ワークピースの上で、ほぼ６０秒間、前後に動かしながら研磨させて、ディスクのコンディショニングをさせておく。研磨の力は、通常のハンド研磨を模して、４〜６ ｌｂｆの範囲とする。金属ワークピースの上の、前回の試験で残っているスミア残留物がまったくないクリーンな領域を使用し、一つのスポットについて１０秒間ずつ研磨する。研磨の開始直後から、やや高い圧力をかけ、迅速に動かしながら、長さ３〜５インチのストロークを使用する。金属の異なった領域において、少なくとも５ストロークを実施する。ディスク材料の残留物が、暗色の材料フィルムの形態にあるワークピースに移行するようなことが少しでもあれば、スミアがあったものとして報告する。

スミア試験２の手順
直径１５．２４ｃｍのディスクに対して、Ｂａｌｄｏｒベンチグラインダーを、ディスク回転３，６００ｒｐｍで使用する。ディスクの周辺部における表面速度は、２８．７メートル／秒である。この場合においては、回転しているディスクにワークピースをあてる。スミア試験１の手順と同様にして、金属ワークピース片を６０秒間研磨することによって、ディスクの目直しがされるであろう。ワークピースのクリーンな領域を選択して、一つの領域で１０秒間研磨する。スミア試験を開始した後では、圧力一定で、長さ方向で３〜５インチの早いストロークを実施する。少なくとも５ストロークを実施してから、スミアリングを報告する。

均等物
本発明について、その好ましい実施形態を参照しながら、具体的に示し、説明してきたが、当業者であるならば、添付の特許請求項によって包含される本発明の範囲から外れることなく、形態および細部において各種の変更が可能であるということを理解することであろう。

Claims (30)

1. バインダーによって実質的に包み込まれた有機マトリックスを含む表面処理用物品であって、前記バインダーが、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンの混合物との反応生成物を含み、前記芳香族アミンが、４以上の官能価を有するポリメチレンポリアニリンを含む、表面処理用物品。
2. ブロックトポリウレタンプレポリマーの芳香族アミンに対する重量比が、約６．５：１〜約１０．５：１の間の範囲であり、好ましくは、ブロックトポリウレタンプレポリマーの芳香族アミンに対する比率が、約９．１：１〜約１０．１：１の間の範囲である、請求項１に記載の表面処理用物品。
3. 前記ブロックトポリウレタンプレポリマーが、メチルエチルケトオキシム、トルエンジイソシアネートもしくはメチレンジイソシアネート、ポリブチルグリコールエーテル、ポリエステルポリオール、またはポリカプロラクトンからなる群の少なくとも一つのメンバーを含む、請求項２に記載の表面処理用物品。
4. 前記ポリメチレンポリアニリンが、次式を有する少なくとも１種の化合物を含む、請求項３に記載の表面処理用物品。
   

   
5. 前記芳香族アミンが、次式から選択される少なくとも１種の化合物を含む、請求項４に記載の表面処理用物品。
   

   
6. 前記表面処理用物品が、フェノキシ樹脂、レオロジー調節剤、可塑剤、および抗酸化剤からなる群より選択される少なくとも１種の有機マトリックスを含む、請求項５に記載の表面処理用物品。
7. タルク、カオリン、金属ステアレート、およびテトラフルオロエチレン粉体からなる群の少なくとも１種の潤滑剤をさらに含む、請求項６に記載の表面処理用物品。
8. 前記金属ステアレートが、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、およびステアリン酸リチウムからなる群より選択される少なくとも一つのメンバーである、請求項７に記載の表面処理用物品。
9. 前記バインダー中の潤滑剤の量が、前記バインダーの約７重量％〜約１０重量％の間の範囲である、請求項８に記載の表面処理用物品。
10. 前記表面処理用物品が、ユニタイズド研磨ホイールまたはコンボリュートホイールである、請求項１に記載の表面処理用物品。
11. 前記表面処理用物品の有機マトリックスが、前記バインダーによって接着された嵩高繊維ウェブを含む不織布研磨シートを含む、請求項１０に記載の表面処理用物品。
12. 表面処理用物品を形成させる方法であって、
    ａ）ブロックトポリウレタンプレポリマーを芳香族アミンの混合物と組み合わせて、ここで、前記芳香族アミンが、少なくとも１種のポリメチレンポリアニリン、および４以上の官能価を有する少なくとも１種の芳香族アミンを含み、それによってバインダー前駆体を形成させる工程；
    ｂ）前記バインダー前駆体を有機マトリックスと組み合わせる工程；
    ｃ）前記バインダー前駆体および有機マトリックスを研磨材粒子と組み合わせる工程；および
    ｄ）前記バインダー前駆体を硬化させ、それによって前記表面処理用物品を形成させる工程、
    を含む方法。
13. ブロックトポリウレタンプレポリマーの芳香族アミンに対する重量比が、約９：１〜約１０：１の間の範囲である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ブロックトポリウレタンプレポリマーが、メチルエチルケトオキシム、トルエンジイソシアネート、およびブチルグリコールエーテルからなる群の少なくとも一つのメンバーを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ポリメチレンポリアニリンが、次式を有する少なくとも１種の化合物を含む、請求項１４に記載の方法。
    

    
16. 前記芳香族アミンが、次式から選択される少なくとも１種の化合物を含む、請求項１５に記載の方法。
    

    
17. タルク、カオリン、金属ステアレート、およびテトラフルオロエチレンからなる群の少なくとも１種の潤滑剤をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記金属ステアレートが、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、およびステアリン酸リチウムからなる群より選択される少なくとも一つのメンバーである、請求項１７に記載の方法。
19. 前記バインダー中の潤滑剤の量が、前記バインダーの約７重量％〜約１０重量％の間の範囲である、請求項１８に記載の方法。
20. ワークピースを研磨する方法であって、前記ワークピースに対して、ブロックトポリウレタンプレポリマーと芳香族アミンの混合物との反応生成物から形成されるバインダーによって実質的に包み込まれた有機マトリックスを含む表面処理用物品を適用する工程を含み、前記芳香族アミンが、少なくとも１種のポリメチレンポリアニリン、および４以上の官能価を有する少なくとも１種の芳香族アミンを含む、方法。
21. ブロックトポリウレタンプレポリマーの芳香族アミンに対する重量比が、約９：１〜約１０：１の間の範囲である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記ブロックトポリウレタンプレポリマーが、メチルエチルケトオキシム、トルエンジイソシアネート、およびブチルグリコールエーテルからなる群の少なくとも一つのメンバーを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記ポリメチレンポリアニリンが、次式を有する少なくとも１種の化合物を含む、請求項２２に記載の方法。
    

    
24. 前記芳香族アミンが、次式から選択される少なくとも１種の化合物を含む、請求項２３に記載の方法。
    

    
25. タルク、カオリン、金属ステアレート、およびテトラフルオロエチレンからなる群の少なくとも１種の潤滑剤をさらに含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記金属ステアレートが、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、およびステアリン酸リチウムからなる群より選択される少なくとも一つのメンバーである、請求項２５に記載の方法。
27. 前記バインダー中の潤滑剤の量が、前記バインダーの約７重量％〜約１０重量％の間の範囲である、請求項２６に記載の方法。
28. 前記有機マトリックスが、前記バインダーによって接着された嵩高繊維ウェブを含む１枚または複数の不織布研磨シートを含む、請求項１２に記載の方法。
29. 前記研磨シートの前記嵩高繊維ウェブを、ポリマープレボンドによって接着し、次いで前記バインダーを用いて接着し、そして前記不織布研磨シートを重ね合わせ、ユニタイズし、約９０℃〜約１３０℃の間の範囲の温度で加圧下に硬化させて、スラブを形成し、前記スラブから、センター穴を有するユニファイドホイールディスクを切り出す、請求項２８に記載の方法。
30. 前記研磨シートの前記嵩高繊維ウェブを、ポリマープレボンドによって接着し、次いで前記バインダーを用いて接着し、そして前記研磨シートを、中空のコアに取り付け、前記コアにらせん状に巻いて、巻き上げた円筒を形成し、そして前記コアを約９０℃〜約１３０℃の間の範囲の温度で硬化させることによって接着し、そしてコンボリュートディスクを、前記接着した円筒の端部から切り出す、請求項２８に記載の方法。