JP2014501183A - 研磨粒子およびその形成方法 - Google Patents

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Abstract

圧縮性材料を含むコアと、このコアの外面を覆っているバインダー材料を含む中間層と、この中間層を覆っている砥粒を含む外層とを含む研磨粒子を含む研磨用品。

Description

下記は、研磨粒子(abrasive particle)、具体的にはコルクを含む複合研磨粒子を対象とする。
研磨布紙(coated abrasive)および固定砥粒(bonded abrasive)などの研磨粒子は、例えばラップ仕上げ、研削、またはバフ研磨によって工作物を機械加工するために様々な産業で使用される。研磨粒子を利用する機械加工は、光学産業から、自動車塗料修復産業、金属加工産業までの幅広い産業範囲にわたる。これらの例のそれぞれで製造設備は研磨剤を使用して、バルク材料を除去するか、製品の表面特性に影響を与える。
表面特性には、光沢、肌理、および均質性が挙げられる。例えば、金属構成部品の製造業者は、表面の仕上げをし、艶出しするために研磨用品を使用し、多くの場合、均質で滑らかな表面を希望する。同様に光学機器の製造業者は、光の回折および散乱を防止するために欠陥のない表面を生成する研磨用品を望む。
製造業者はまた、ある種の用途に対しては高い切粉除去速度を有する研磨用品を望む。しかしながら多くの場合、除去速度と表面品質の間にはトレードオフが存在する。微細な結晶粒の研磨用品であればあるほど、一般に滑らかな表面を生成するが、切粉除去速度は低い。切粉除去速度が低いほど、生産の速度を遅くし、かつコストを増加させることにつながる。
ある種の市販の研磨剤は、不規則表面欠陥、例えば並みの切粉除去引掻き傷よりも深い引掻き傷を残す傾向がある。このような引掻き傷は、その研磨用品から分離する結晶粒によって引き起こされ、圧痕の原因になることがある。存在する場合、これらの引掻き傷は光を散乱させ、レンズの光学的明澄度を減少させ、あるいは装飾用金属細工品の曇りまたはかぶり仕上げ(foggy finish)を生じさせる。このような引掻き傷はまた、表面のはく離特性を減ずる核形成点または付着点を与える。
粒状研磨材には単相無機材料、例えばアルミナ、炭化ケイ素、シリカ、セリア、ならびに立方晶窒化ホウ素およびダイアモンドなどのより硬い高性能の超砥粒を挙げることができる。さらに業界は、一次凝集体などの複合粒子材料を開発した。これらは、未焼結の二次凝集体を残して揮発または蒸発させることによる液体担体の除去を含むスラリー処理経路と、続いて使用可能な焼成二次凝集体を形成するための高温処理(すなわち焼成)により形成することができる。
まだこの業界は、さらに一層改良された粒子材料、具体的には高い機械加工性能を提供することができる複合一次凝集体を求め続けている。
一態様によれば研磨用品は、圧縮性材料を含むコアと、そのコアの外面を覆っているシェル層とを含む複合研磨粒子を含む。そのシェル層は、コアの外面を覆っている中間層と、その中間層を覆っている砥粒を含む外層とを有し、その中間層の厚さは外層よりも小さい。
別の態様では研磨用品は、コルクを含むコアを有する研磨粒子と、そのコアの外面を覆っているバインダー材料を含む中間層と、その中間層を覆っている研磨粒子を含む外層とを含む。
さらに別の態様では研磨用品は、コアと、そのコアを覆っているシェル層とを含む複合研磨粒子を含む。そのコアは、圧縮性材料を含み、またそのシェル層は、そのコアを覆っている中間層と、その中間層を覆っている外層とを含む。この研磨粒子は、少なくとも約1:1のシェル層比(Wi:Wo)を有する。ただしWiは研磨粒子の全重量に対する中間層の重量パーセントであり、Woは研磨粒子の全重量に対する外層の重量パーセントである。
別の態様によれば研磨用品は、コルクを含むコアと、そのコアを覆い、バインダー材料に接合された砥粒を含むシェル層とを有する研磨粒子を含む。このバインダー材料は、フェノール樹脂、ユリアホルムアルデヒド、ウレタン、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、アクリル酸エステル、ポリビニル、タンパク質系材料、デンプン系材料、およびこれらの組合せからなる群から選択される材料を有する。
別の態様では研磨用品は、裏当てと、その裏当てに接合された複合研磨粒子とを有する研磨布紙を含み、その複合研磨粒子は、コルクを含むコアと、そのコアの外面を覆っているバインダー材料を含む中間層と、その中間層を覆っている砥粒を含む外層とを含む。
特定の一態様によれば研磨用品は、裏当てと、その裏当てに接合された複合研磨粒子とを含む研磨布紙を含み、その複合研磨粒子は、コルクを含むコアと、そのコアを覆っているシェル層と、その複合研磨粒子および裏当てを覆っている上引き接着剤層(size coat)とを含む。
一態様は、コルク粒子とバインダー材料を含む混合物を形成するステップと、砥粒を混合物に加えてコルク粒子を被覆するステップと、この混合物を乾燥して、コルク粒子を含むコアと、そのコアの外面を覆っている中間層と、その中間層を覆っている外層とを含む複合粒子を形成するステップとを含む複合研磨粒子の形成方法を含む。
さらに別の態様においては複合研磨粒子の形成方法は、コルク粒子と、バインダー材料と、砥粒とを含む混合物を形成するステップを含み、その混合物は、少なくとも約1:1の比(Wi:Wo)を含む。Wiは混合物の全重量に対するバインダー材料の重量パーセントであり、Woは混合物の全重量に対する砥粒の重量パーセントである。この方法はさらに、混合物を乾燥して、コルク粒子を含むコアと、そのコアを覆っているバインダー材料および砥粒を含むシェル層とを含む複合粒子を形成するステップを含む。
さらに別の態様において研磨布紙製品の形成方法は、裏当てを準備するステップと、コルクを含むコアと、そのコアを覆っている砥粒を含むシェル層とを含む複合砥粒をこの裏当て上に配置するステップと、この複合研磨粒子および裏当て上に上引き接着剤層を形成するステップとを含む。
さらに別の態様において研磨用品は、裏当てと、その裏当てに接合された複合研磨粒子とを含み、その複合研磨粒子は、圧縮性材料を含むコアと、そのコアを覆っているシェル層とを含む。
本発明の開示およびその幾多の特徴と利点は、添付図面を参照することによってより良く理解することができ、また当業者に明らかにすることができる。
実施形態に従って研磨粒子を形成するためのフローチャートを含む図である。 実施形態による研磨粒子の断面図を含む図である。 実施形態に従って研磨粒子を利用して研磨布紙を形成する方法を示すフローチャートを含む図である。 実施形態に従って形成される研磨布紙の断面図を含む図である。 研磨布紙の一部分の断面図を含む図である。 研磨布紙の一部分の断面図を含む図である。 実施形態に従って形成される複合研磨粒子の拡大画像を含む図である。 実施形態に従って形成される例示的試料と従来型試料との箇所に対する切削量(cut)(g/箇所)のグラフを含む図である。 実施形態に従って形成される例示的試料と従来型試料との箇所に対する摩耗量のグラフを含む図である。 実施形態に従って形成される例示的試料と従来型試料との箇所に対する切削量(g/箇所)のグラフを含む図である。 実施形態に従って形成される例示的試料と従来型試料との箇所に対する摩耗量のグラフを含む図である。
異なる図面中の同じ参照記号の使用は、類似または同一の部材を指す。
下記は、研磨粒子、より詳細には複合研磨粒子およびその複合研磨粒子を利用した研磨用品を対象とする。複合研磨粒子は複数成分を含むことができ、それらは一般にコア/シェル構造の形態で存在することができる。さらに下記は、研磨用品、具体的にはコア/シェル構造を有する研磨粒子を利用した単層研磨用品を含む研磨布紙製品を対象とする。本明細書中のこの研磨粒子を利用した研磨布紙製品は、研削およびバフ研磨の用途、特にガラス、ステンレス鋼、炭素鋼、およびチタンや、大理石、御影石、セラミックタイル、および木材などの傷つきやすい材料の研削およびバフ研磨を対象とする用途で使用するのに適していることもある。
図1は、実施形態に従って研磨粒子の形成方法を示すフローチャートを含む。図示のようにこの方法は、コルク粒子などの圧縮性材料と、バインダーとを含む混合物を形成することによってステップ101を開始することができる。本明細書中での圧縮性材料の引例には、曲げやすく、また力で、例えば研磨工程中に遭遇する力で圧縮することができる弾性材料を挙げることができる。特定の例では圧縮性材料にはコルク材料を挙げることができる。コルク材料には、コルクガシの木から入手できる天然に産出する植物系材料の引例を挙げることができる。とりわけコルク材料は、特定のレジリエンスおよび靱性を有するスポンジ状で多孔性の材料であることができる。さらにコルク材料は、特に高含量のスベリン、すなわち高疎水性の天然に産出する有機材料を有することができる。コルク材料は、ワインボトルの閉鎖および密閉のために利用される材料と同じものであることができる。このようなレジリエンスは、この材料を傷つきやすい材料のバフ研磨などの特定の研磨用途に適したものにすることができる。別法では合成のコルク材料もまた使用することができる。
この圧縮性材料は、研磨用途の間に使用される力の下でその材料の変形を容易にする本質的に曲げやすい性質の様々なレジリエンスを有することができる。さらにこの圧縮性材料は、特定の靱性、とりわけ酸化物、窒化物、ホウ化物、炭化物などのモノリシックな結晶粒を利用した典型的な研磨材と比較して高い靱性を有することができる。
ある実施形態によればコアは、少なくとも約0.01mmの平均粒径を有する粒子材料であることができる。他の例ではコアは、少なくとも約0.05mm、例えば少なくとも約0.1mm、少なくとも約0.25mm、またはさらには少なくとも約0.5の平均粒径を有することができる。さらにコアは、約10mm以下、例えば約5mm以下、約3mm以下、またはさらには約2mm以下の平均粒径を有することができる。下記の記述は、コアに使用するのに適した圧縮性材料の例示的形態としてコルク粒子を基準とするが、圧縮性材料から作られた他のコア粒子を使用することもできることも理解されるはずである。
バインダー材料はコルク粒子と共に混合物に加えられ、バインダー材料がコルク材料の外面を適切に覆うまで混合することができる。混合は、コルク粒子の外面に対するバインダー材料の完全な被覆を容易にするためにせん断作用を含むことができる。
バインダー材料は熱硬化性バインダー材料であることができる。別法ではバインダー材料は、放射線硬化性バインダー材料であることができる。一実施形態によればバインダー材料は、フェノール樹脂、ユリアホルムアルデヒド、ウレタン、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、アクリル酸エステル、ポリビニル、タンパク質系材料、デンプン系材料、およびこれらの組合せからなる群から選択されるポリマー材料を含むことができる。幾つかの例ではバインダー材料は、天然材料と合成材料の組合せを含むことができる。例えば特定の一実施形態ではバインダー材料は、変性ポリカルボン酸を用いたポリエステル樹脂と、多価アルコール架橋剤とを含み、約48%の固形物配合量を含むことができる。
別の特定の実施形態によればバインダー材料には、ポリ酢酸ビニル、アクリル酸エステル、デンプン、およびこれらの組合せを挙げることができる。例えばバインダーは、デンプンをグラフトした疎水性スチレンアクリル酸エステルを含むことができる。とりわけこのようなバインダーは、アクリル系ポリオールバインダーと比較して、より低温で硬化することができる。バインダーのある種の化学反応の場合、アクリル酸官能基を介して硬化させる架橋化学反応を用いて配合することができる。さらに反応性の疎水性添加剤をこの材料に加えることもできる。幾つかの好適な疎水性添加剤には、エポキシ化脂肪酸(ダイズ油、ブドウ種子油、亜麻仁油など)、ポリエチレンアクリル酸(Michem Prime,Michelman)、ステアリル化アクリル酸エステル(Aquesize 914,Solv)、乳化アスファルトまたはコールタール系樹脂、疎水性アクリル樹脂(Lubritan S P,Rohm and Haas)、およびマレイン酸変性PEまたはPPワックスが挙げられる。
さらに、デンプングラフトモノマー化学反応用の外部架橋剤には、ポリオール官能基を効率的に架橋させる試薬、例えばTACTトリアジン架橋剤(例えばCylink 2000,Cytec)、エポキシシラン(例えばCoat−O−1770,GE Silicones)、炭酸ジルコニウムアンモニウム(例えばEka AZC 5880LN,Eka)、グリオキサール(例えばEka RC5550,Eka)、水分散型ブロックイソシアナート(例えばAPI−BI792,Advanced Polymar Inc.)、水分散性エポキシ(例えばAPI−EC11,Advanced Polymar Inc.)、水分散性イソシアナート(Desmodur DA−L,Bayer)、およびポリアミドアミドエピクロロヒドリン樹脂(Kymene.RTM.557 H,Hercules)が挙げられる。
アクリル酸変性ポリ酢酸ビニルバインダー化学反応用の外部架橋剤には、カルボン酸官能基と反応する試薬、例えばカルボジイミド(例えばXR5580,Stahl)、アジリジン(例えばXama 7,Noveon)、水分散性エポキシおよびエポキシシラン、水分散型オキサゾリン(例えばAPR−500,Advanced Polymer Inc.)、およびポリアミドアミドエピクロロヒドリン樹脂(Kymene.RTM.557 H,Hercules)が挙げられる。
コルク粒子およびバインダーを含有する混合物を適切に形成した後に、この工程は、混合物に砥粒を加えることによってステップ102を続けることができる。ある実施形態によれば砥粒は、窒化物、炭化物、酸化物、ホウ化物、酸窒化物、酸ホウ化物、ダイアモンド、およびこれらの組合せなどの材料を含むことができる。幾つかの例では砥粒は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、溶融アルミナジルコニア、セリア、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、ざくろ石、ダイアモンド、ひうち石、金剛砂、およびこれらの混合物などの材料を含むことができる。より特定の例では砥粒は超砥粒材を含むことができる。一実施形態によれば砥粒は炭化ケイ素を含むことができ、またさらには炭化ケイ素から実質上なることもできる。
一般に砥粒は、約250ミクロン以下の平均粒径を有することができる。それにもかかわらず他の例では砥粒の平均粒径はもっと小さくてもよく、例えば約200ミクロン以下、約150ミクロン以下、約100ミクロン以下、約80ミクロン以下、約60ミクロン以下、またはさらには約50ミクロン以下であることができる。さらに、ある実施形態によれば砥粒は、少なくとも約0.01ミクロン、例えば少なくとも約0.05ミクロン、またはさらには少なくとも約0.1ミクロンの平均粒径を有することができる。砥粒は、上記で示したいずれかの最小値および最大値の間の範囲内にある平均粒径を有することができることは理解されるはずである。
特定の一方法では砥粒は、多峰性粒度分布の砥粒が混合物に加えられるように選択することができる。例えば、混合物に加えられる砥粒は、砥粒の一部が微細な平均粒径を有し、かつ砥粒の別の部分がこの微細な平均粒径材料よりも有意に大きなきめの粗い粒径を有するきめの粗い粒子であるような二峰性粒度分布の砥粒を含むことができる。とりわけその微細な材料ときめの粗い材料の間の平均粒径のサイズの差は、二峰性粒度分布を作り出すのに十分有意なものであることができる。
コア粒子、バインダー、砥粒、およびある量の液体担体を含有するこの混合物は、少量のコア粒子を含有することができる。例えば混合物は、混合物の全重量に対して約25重量%以下のコルク粒子を含むことができる。他の例ではコルク粒子の重量パーセントはより低く、例えば約18重量%以下、約15重量%以下、約12重量%以下、またはさらには約10重量%以下であることができる。幾つかの混合物は、存在するコルク粒子の量が、混合物の総重量の少なくとも約1重量%、例えば少なくとも約2重量%、少なくとも約3重量%、またはさらには少なくとも約4重量%であることができるように形成することができる。混合物は、上記で示したいずれかの最小および最大パーセンテージの間の範囲内にあるコルク粒子の量を含有することができることは理解されるはずである。
コルク粒子、バインダー、砥粒、および液体担体を含有するこの混合物は、少量のバインダーを含むことができる。例えば混合物は、混合物の総重量に対してバインダー材料を約40重量%以下含むことができる。他の実施形態では混合物は、混合物の全重量に対してバインダーを約30重量%以下、例えば約25重量%以下、またはさらには約20重量%以下含むことができる。さらにこの混合物を、それが混合物の総重量に対してバインダー材料を少なくとも約5重量%、例えば少なくとも約8重量%、またはさらには少なくとも約10重量%含有するように形成することができる。混合物は上記で示したいずれかの最小および最大パーセンテージの間の範囲内にあるバインダーの量を含有することができることは理解されるはずである。
さらにこの混合物を、砥粒が重量パーセントの単位で測定される大部分の含量で存在するように形成することもできる。例えば混合物を、それが混合物の総重量に対して砥粒を少なくとも50重量%含有するように形成することができる。他の実施形態では砥粒の量はもっと多く、例えば少なくとも約55重量%、約60重量%、約65重量%、またはさらには約70重量%であることができる。さらに混合物中の砥粒の量は、混合物の総重量に対して約95重量%以下、約90重量%以下、約85重量%以下、またはさらには約80重量%以下であることができる。
砥粒に加えて、充填剤粒子などの他の粒子もまた、コルク粒子の被覆のために混合物に加えることができる。幾つかの好適な充填材料には、黒鉛、カーボンブラックなどの帯電防止剤、燻蒸シリカなどの沈殿防止剤、ステアリン酸亜鉛などの目詰まり防止剤(anti−loading agent)、ワックスなどの滑剤、湿潤剤、染料、粘度調整剤、分散剤、泡消し剤、またはこれらの任意の組合せを挙げることができる。特定の充填材料には、珪灰石、二フッ化カルシウム、炭酸カルシウム、アルミニウム無水物(aluminum anhydride)、氷晶石、ホウフッ化カリウムなど機能充填剤を挙げることができる。
混合物は、特定の比率の成分を含有することができる。とりわけこの混合物中の成分の比率は、コルク粒子、バインダー、および砥粒のみを含有する混合物の重量を基準とすることができ、液体担体は必ずしも考慮に入れなくてもよい。ある実施形態によればその混合物は、それが少なくとも約1:1の比(Wb:Wag)を有するように形成することができる。ただしWbは、混合物の重量に対するバインダー材料の重量パーセントであり、またWagは、混合物の重量に対する砥粒の重量パーセントである。したがって他の実施形態ではバインダー材料の重量パーセント対砥粒の重量パーセントの比(Wb:Wag)は、少なくとも約1:1.5、例えば少なくとも約1:2、少なくとも約1:2.5、少なくとも約1:3、少なくとも約1:3.5、少なくとも約1:4、またはさらには少なくとも約1:5であることができる。特定の例では、バインダーの重量パーセント対砥粒の重量パーセントの比は、約1:20以下、例えば約1:18以下、約1:15以下、またはさらには約1:12以下であることができる。この比は、上記で示したいずれかの最小および最大比の間の範囲内にあることができることは理解されるはずである。このような比は、コルク粒子上の砥粒の付着量およびコアを覆っている材料層の厚さを含めて最終的に形成される研磨粒子の適切な特徴を確実にすることができる。
混合物のコルクの量に対する砥粒の量の間には特定の比が存在することができ、この場合、液体担体は混合物の総量の一部とみなされない。例えば混合物は少なくとも約2:1の比(Wag:Wc)を有することができる。ただしWcは、混合物の重量に対するコルク粒子の重量パーセントであり、またWagは、混合物の重量に対する砥粒の重量パーセントである。幾つかの混合物については、比(Wag:Wc)は、少なくとも約3:1、例えば少なくとも約4:1、少なくとも約5:1、少なくとも約6:1、少なくとも約7:1、少なくとも約8:1、少なくとも約10:1、少なくとも約12:1、少なくとも約14:1、少なくとも約18:1、またはさらには少なくとも約20:1であることができる。さらに特定の例では比(Wag:Wc)は、約40:1以下、例えば約30:1以下、またはさらには約25:1以下であることができる。この比は、上記で示したいずれかの最小および最大比の間の範囲内にあることができることは理解されるはずである。このような比は、コルク粒子上の砥粒の付着量およびコアを覆っている層の厚さを含めて最終的に形成される研磨粒子の適切な特徴を確実にすることができる。
さらに、混合物のコルクの量に対するバインダーの量の間には特定の比(Wb:Wc)が存在することができ、この場合、液体担体は混合物の総量の一部とみなされない。例えばこの比(Wb:Wc)は少なくとも約1:1の比であることができる。ただしWbは、混合物の重量に対するバインダー材料の重量パーセントであり、またWcは、混合物に対するコルクの重量パーセントである。したがって他の実施形態ではバインダー材料の重量パーセント対コルクの重量パーセントの比(Wb:Wc)は、少なくとも約1:1.5、例えば少なくとも約1:2、少なくとも約1:2.5、少なくとも約1:3、少なくとも約1:3.5、またはさらには少なくとも約1:4であることができる。特定の例では、バインダーの重量パーセント対コルクの重量パーセントの比は、約1:20以下、例えば約1:18以下、約1:15以下、約1:12以下、約1:10以下、またはさらには約1:8以下であることができる。この比は、上記で示したいずれかの最小および最大比の間の範囲内にあることができることは理解されるはずである。このような比は、コルク粒子上の砥粒の付着量およびコアを覆っている層の厚さを含めて最終的に形成される研磨粒子の適切な特徴を確実にすることができる。
特定の砥粒の場合、その比(Wb:Wc)は複合研磨粒子、とりわけ実質上単層の砥粒がコルク粒子の表面に接合されている複合研磨粒子の適切な形成を容易にするような範囲内であることができる。例えば、約0.5g/cm未満、具体的には0.1g/cmから0.4g/cmの間の疎充填密度(loose pack density)を有する砥粒の場合、その比(Wb:Wc)は、約1:1から約1:10の間の範囲内、例えば約1:1から約1:8の間の範囲内、約1:2から約1:8の間の範囲内、約1:3から約1:8の間の範囲内、約1:2から約1:6の間の範囲内、約1:3から約1:6の間の範囲内、またはさらには約1:3から約1:5の間の範囲内であることができる。
さらに、約0.5g/cm未満、特に0.1g/cmから0.4g/cmの間の疎充填密度を有する砥粒の場合、その混合物を、特定の比(Wag:Wc)を有するように形成することができる。ただしWcは、混合物の重量に対するコルク粒子の重量パーセントであり、またWagは、混合物の重量に対する砥粒の重量パーセントである。この比(Wag:Wc)は、複合研磨粒子、とりわけ実質上単層の砥粒がコルク粒子の表面に接合されている複合研磨粒子の適切な形成を容易にするような範囲内であることができる。比(Wag:Wc)は、約2:1から約10:1の間の範囲内、例えば約2.5:1から約8:1の間の範囲内、約3:1から約7:1の間の範囲内、約3.5:1から約6:1の間の範囲内、またはさらには約4:1から約6:1の間の範囲内であることができる。
特定の砥粒の場合、その比(Wb:Wc)は、複合研磨粒子、とりわけ実質上単層の砥粒がコルク粒子の表面に接合されている複合研磨粒子の適切な形成を容易にするような範囲内であることができる。例えば、約0.5g/cmを超える、具体的には0.6g/cm以上の疎充填密度を有する砥粒の場合、その比(Wb:Wc)は、約3:1から約1:3の間の範囲内、例えば約2:1から約1:2の間の範囲内、約1.5:1から約1:1.5の間の範囲内、またはさらには約1.2:1から約1:1.2の間の範囲内であることができる。
さらに、約0.5g/cmを超える、具体的には0.6g/cm以上の疎充填密度を有する砥粒の場合、その混合物を、特定の比(Wag:Wc)を有するように形成することができる。この比(Wag:Wc)は、複合研磨粒子、とりわけ実質上単層の砥粒がコルク粒子の表面に接合されている複合研磨粒子の適切な形成を容易にするような範囲内であることができる。一実施形態によれば、比(Wag:Wc)は、約5:1から約20:1の間の範囲内、例えば約6:1から約18:1の間の範囲内、約8:1から約15:1の間の範囲内、約10:1から約14:1の間の範囲内、またはさらには約11:1から約13:1の間の範囲内であることができる。
ステップ102で混合物に砥粒を加えた後に、この工程は、その混合物を硬化することによってステップ103を続けることができる。混合物の硬化には、例えば放射線の照射、熱硬化、または特定の反応物との接触を含めた当業界で知られている硬化方法を挙げることができることは理解されるはずである。この硬化工程は、バインダー材料の凝固および混合物からの液体の除去を助けることができる。一実施形態によれば、混合物を硬化する工程は、混合物を特定時間のあいだ高温にさらすステップを含むことができる。例えば混合物を少なくとも50℃、例えば少なくとも約75℃、少なくとも約100℃、または少なくとも約150℃の温度に少なくとも約20分間さらすことができる。他の例では、混合物を約300℃未満、例えば約250℃未満、またはさらには約200℃未満の温度にさらすことができる。温度は、上記で示したいずれかの最小および最大値の間の範囲内にあることができることは理解されるはずである。
混合物の硬化時間は、少なくとも約30分間であることができる。他の実施形態ではそれは、少なくとも約40分間、例えば少なくとも約50分間、少なくとも約60分間、またはさらにはもっと長くてもよい。一般には硬化の工程は、約4時間を超える長い時間は続けず、例えば約3時間以下、または約2時間以下である。
混合物をステップ103で適切に硬化した後に、さらなる処理を施すこともできる。例えば、望ましくないサイズの粒子を除去するために選別工程にかけることができる。粒子の選別のための適切な手段は、篩を用いて望ましい粒度分布の研磨粒子を集めることを含むことができることは理解されるはずである。
図2は、ある実施形態による研磨粒子の断面図を含む。図示のように研磨粒子200は、複数種の材料と層構造とを用いたコア/シェル構造を有する複合研磨粒子であることができる。研磨粒子200は、圧縮性材料(例えばコルク)を含むコア201と、そのコア201の外面を覆っているシェル層203とを含むことができる。ある実施形態によればコア201は、少なくとも約70体積%の圧縮性材料を含むことができる。他の実施形態ではコア201中の圧縮性材料の量はもっと多く、例えば少なくとも約80体積%、少なくとも約90体積%、少なくとも約95体積%であることができ、また幾つかの例ではコア201は、コルクなどの圧縮性材料から実質上なることもできる。
コア201およびシェル層203を含む研磨粒子200は、少なくとも約0.05mm、少なくとも約0.1mm、少なくとも約0.25mm、またはさらには少なくとも約0.5mmであることができる平均粒径を有することができる。さらに研磨粒子は、約20mm以下、例えば約15mm以下、約10mm以下、約8mm以下、約6mm以下、約5mm以下、約3mm以下、またはさらには約2mm以下の平均粒径を有することができる。
コア201はコルクから形成され、元の混合物中に含有されるコルク粒子の平均粒径のそれに似た平均粒径を有することができる。したがってコアは、少なくとも約0.01mm、例えば少なくとも約0.05mm、少なくとも約0.1mm、少なくとも約0.25mm、またはさらには少なくとも約0.5mmの平均粒径を有することができる。さらにコア201は、約10mm以下、例えば約5mm以下、約3mm以下、またはさらには約2mm以下の平均粒径を有することができる。
図2に示すようにシェル層203は、コア201を覆っている中間層204を含むことができる。中間層204は、コア201の外面と直接に接触していてもよい。より具体的には中間層204は、コア201の外面に直接に接合することができる。ある実施形態によれば中間層204は、バインダー材料を含むことができる。
さらにシェル層203は、中間層204を覆っている外層205を含むことができる。外層205は砥粒206を含むことができる。外層205は、中間層204に直接に接合することができる。より具体的には外層205は、中間層204中に埋め込まれた砥粒206を含むことができる。特定の例では外層205内の砥粒206の一部分が、コア201と直接に接触していてもよい。ある種の研磨粒子200の場合、その外層を、外層205の少なくとも一部分が、中間層204を覆いかつそれに接合している単層の砥粒206を含有するように形成することができる。実際、幾つかの例では研磨粒子200を、外層205の大部分が、中間層204に接合している実質上単層の砥粒206の輪郭を示すように形成することができる。
ある実施形態によれば外層205は、外層205を形成する砥粒206の平均厚さの約25倍以下の平均厚さを有することができる。他の例では外層205は、砥粒206の平均厚さの約18倍以下、例えば約15倍以下、約12倍以下、約10倍以下、約8倍以下、またはさらには約6倍以下の平均厚さを有することができる。実際に特定の一例では、研磨粒子200を、外層205が、個々の砥粒206の平均厚さとほぼ同じ平均厚さを有するように、したがって中間層204を覆いかつ接合している砥粒206の単層被膜を有する研磨粒子200の輪郭を示すように、また外層205の輪郭を示すように形成することができる。
さらに、特定の例では外層205は、砥粒206の平均厚さの少なくとも1.5倍、例えば砥粒206の平均厚さの少なくとも2倍、またはさらには少なくとも3倍の平均厚さを有することができる。
ある実施形態によれば外層205を、特定の空隙率を有するように形成することができる。例えば外層205は、外層205の総体積に対して少なくとも5体積%の空隙率を有することができる。他の例では外層は、外層205の総体積の少なくとも約10体積%、例えば少なくとも約15体積%、少なくとも約20体積%、またはさらには少なくとも約25体積%の空隙率を有することができる。さらに、外層205の空隙率を、それが外層205の総体積の約70体積%以下、例えば約60体積%以下、約55体積%以下、約50体積%以下、またはさらには約45体積%以下であるように制限することもできる。外層205の孔隙の体積は、上記で示したいずれかの最小および最大パーセンテージの間の範囲内にあることができる。
砥粒206は、上記で示した混合物に加えられた砥粒と同じ平均粒径を有することができることは理解されるはずである。さらに砥粒は、上記で示した混合物に加えられた砥粒と同じ材料組成を有することができる。
中間層204は、コア201の外面に直接に接合することができる。さらに中間層204は、外層205の砥粒206とコア201の接合を容易にするようにコアの外面に沿って配置することを優先することもできる。中間層204は、それが膜の形態でコア201の外面を覆っているように著しく小さい平均厚さを有することもできる。例えば中間層204は、コア201の平均粒径の約20%以下の平均厚さを有することができる。他の実施形態では中間層204は、コア201の平均粒径の約15%以下、例えば約12%以下、約10%以下、またはさらには約5%以下の平均厚さを有することができる。さらに中間層204を、それがコア201の平均粒径の少なくとも0.01、例えば少なくとも0.05%、またはさらには少なくとも0.1%の平均厚さを有するように形成することもできる。中間層204の平均厚さは、上記で示したいずれかの最小および最大パーセンテージの間の範囲内にあることができる。
とりわけ中間層204は、それが外層205中に含有される砥粒206の平均粒径よりも小さい平均厚さを有するように形成することができる。例えば中間層204は、それが砥粒206の平均粒径の約80%以下の平均厚さを有するように形成することができる。他の実施形態では中間層204はもっと薄く、それが外層205中に含有される砥粒206の平均粒径の約70%以下、例えば約60%以下、約50%以下、約40%以下、またはさらには約30%以下の平均厚さを有するようなものでもよい。さらに、ある実施形態によれば中間層204は、外層205中に含有される砥粒206の平均粒径の少なくとも0.01%、例えば少なくとも約0.05%、またはさらには少なくとも約0.1%の平均厚さを有することもできる。中間層204の平均厚さは、上記で示したいずれかの最小および最大パーセンテージの間の範囲内にあることができる。とりわけ、中間層204のこのような厚さは、中間層204を、コア201の外面を覆う材料の膜の形態であるようにすることができ、かつ砥粒206を中間層に接合させることができ、こうして適切な量の砥粒206を工作物の研磨位置に配置し、かつ外層205の外面における中間層材料の量をできるだけ少なくするような、粒子200の独特の構造を実現しやすくすることができる。
より特定の条件では中間層204を、それが約10ミクロン以下の平均厚さを有するように形成することもできる。他の実施形態では中間層204を、それが約8ミクロン以下、例えば約5ミクロン以下、約3ミクロン以下、約1ミクロン以下、またはさらには約0.1ミクロンの平均厚さを有するように形成することもできる。さらに中間層204を、平均厚さが少なくとも約0.01ミクロン、例えば少なくとも約0.02ミクロン、またはさらには少なくとも約0.05ミクロンであることができるように形成することもできる。中間層204は、上記で示したいずれかの最小値および最大値の間の範囲内にある平均厚さを有することができることは理解されるはずである。
中間層204は、その混合物のバインダー材料から作ることもできる。中間層204は、その初期混合物中で使用されるバインダーの大部分の含量を含有することができることは理解されるはずである。実際に中間層は、初期混合物中で与えられるバインダー材料の約90体積%以上、約95体積%以上を含むことができ、またはさらには実質上それからなることもできる。
ある実施形態によれば研磨粒子200を、それが特定のシェル層比(Wi:Wo)を有するように形成することができる。この比は、研磨粒子200の全重量に対する砥粒206を含む外層205の重量パーセントと比較した、研磨粒子200の全重量に対する中間層204の重量パーセントの比と定義する。とりわけ、シェル層比(Wi:Wo)は、少なくとも1:1の値を有することができる。他の例ではシェル層比は、少なくとも約1:1.5、例えば少なくとも約1:2、例えば少なくとも約1:2.5、少なくとも約1:3、少なくとも約1:3.5、少なくとも約1:4、またはさらには少なくとも約1:5であることができる。さらに研磨粒子200を、シェル層比(Wi:Wo)が、約1:20以下、例えば約1:18以下、約1:15以下、約1:12以下、約1:10以下、例えば約1:8以下、またはさらには約1:6以下であるように形成することができる。シェル層比は、上記で示したいずれかの最小および最大比の間の範囲内にあることができる。
研磨粒子200を、コアと比較した外層の重量パーセント間の適切な比(Wo:Wc)を有するように形成することができる。具体的には比(Wo:Wc)は、研磨粒子200の総重量に対するコア201を構成するコルクの重量パーセントと比較した、研磨粒子200の全重量に対する砥粒206を含む外層205の重量パーセントであることができる。したがって、ある実施形態によれば研磨粒子対コルクの比(Wo:Wc)は、少なくとも約5:1であることができる。他の実施形態ではこの比は、少なくとも8:1、例えば少なくとも10:1、少なくとも約12:1、少なくとも約15:1、少なくとも約18:1、またはさらには少なくとも約20:1であることができる。さらに、ある実施形態によれば、比(Wo:Wc)は、約40:1以下、例えば約30:1以下、またはさらには約25:1以下であることができる。比(Wo:Wc)は、上記で示したいずれかの最小および最大比の間の範囲内にあることができる。
さらに研磨粒子200は、研磨粒子200の総重量に対するコア201を構成するコルクの重量パーセントと比較した、研磨粒子200の総重量に対する中間層204の重量パーセントの特定の比(Wi:Wc)を有することができる。例えばこの比(Wi:Wc)は、少なくとも約1:1であることができる。他の実施形態では比(Wi:Wc)は、少なくとも約1:1.5、例えば少なくとも約1:2、少なくとも約1:2.5、少なくとも約1:3、少なくとも約1:3.5、またはさらには少なくとも約1:4であることができる。特定の例では比(Wi:Wc)は、約1:20以下、例えば約1:18以下、約1:15以下、約1:12以下、約1:10以下、またはさらには約1:8以下であることができる。比(Wi:Wc)は、上記で示したいずれかの最小および最大比の間の範囲内にあることができることは理解されるはずである。
図3は、ある実施形態に従って研磨布紙製品を形成する方法を提供するフローチャートを含む。とりわけこの研磨布紙製品は、本明細書中で述べる研磨粒子を取り込むことができる。この工程は、裏当てを準備することによってステップ301を開始することができる。ある実施形態によれば裏当ては、有機材料、無機材料、天然材料、合成材料、およびこれらの組合せなどの材料の群から選択することができる。裏当ては可撓性でも剛性でもよく、様々な材料から作ることができる。実例としての可撓性の裏当てには、ポリオレフィンフィルム(例えば、二軸配向ポリプロピレンを含めたポリプロピレン)、ポリエステルフィルム(例えば、ポリエチレンテレフタラート)、ポリアミドフィルム、またはセルロースエステルフィルムなどの高分子フィルム(例えば下塗したフィルム)、金属箔、メッシュ、発泡体(例えば、天然スポンジ材料またはポリウレタンフォーム)、布(例えば、ポリエステル、ナイロン、絹、綿、ポリコットン、またはレーヨンを含む繊維または糸から作られた布)、紙、バルカン紙、加硫ゴム、バルカン繊維、不織材料、これらの任意の組合せ、またはこれらの任意の処理バージョンが挙げられる。布裏当ては、織られていてもステッチボンドされていてもよい。例示的実施形態では裏当ては、熱可塑性フィルム、例えばポリエチレンテレフタラート(PET)フィルムを含む。具体的には裏当ては、単層ポリマーフィルム、例えば単層PETフィルムであることができる。実例としての剛性裏当てには、金属プレート、セラミックプレートなどが挙げられる。
一般に裏当ては、少なくとも約50ミクロン、例えば約60ミクロンを超える厚さを有することができる。例えば裏当ては、約75ミクロンを超え、約200ミクロン以下、あるいは約75ミクロンを超え、約150ミクロン以下の厚さを有することができる。
裏当て301を準備した後、この工程は、裏当てを覆う下引き接着剤層(make coat)を形成することによってステップ302を続けることができる。下引き接着剤層は、当業界で知られている適切な堆積技術を用いて裏当ての表面に塗布することができる。例えば適切な堆積技術には、吹付塗布、はけ塗り、ナイフ塗布(bladening)、印刷、浸漬、およびこれらの組合せを挙げることができる。下引き接着剤層は裏当てを覆うことができ、具体的には裏当ての表面に直接に接合することができる。裏当てと砥粒の間に配置されるような下引き接着剤層は、砥粒と裏当ての接合を手助けすることができる。
ある実施形態によれば下引き接着剤層は、有機材料、無機材料、およびそれらの組合せなどの材料を含むことができる。より具体的には下引き接着剤層は、1種類または複数種類の下引き接着剤バインダー材料を含むことができる。例えば好適な下引き接着剤バインダー材料には、単一ポリマーまたはポリマーのブレンドを挙げることができ、それらには1種類または複数種類の熱硬化性および/または熱可塑性ポリマー材料を挙げることができる。例えば下引き接着剤バインダー材料は、エポキシ、アクリル系ポリマー、またはこの組合せから形成することができる。下引き接着剤バインダー材料は、砥粒を研磨層と結合させるポリマーマトリックスを含むことができる。一般に下引き接着剤バインダー材料は、硬化性バインダー配合で形成される。そのポリマー成分の調製の場合、その下引き接着剤バインダー材料配合は、1種類または複数種類の反応成分またはポリマー成分を含むことができる。ポリマー成分には、モノマー分子、オリゴマー分子、ポリマー分子、またはこれらの組合せを挙げることができる。
下引き接着剤バインダー材料配合はさらに、分散性充填剤、溶媒、可塑剤、連鎖移動剤、触媒、安定剤、分散剤、硬化剤、反応媒体剤、または分散液の流動性に影響を与える薬品などの成分を含むことができる。上記成分に加えて、例えば黒鉛、カーボンブラックなどの帯電防止剤、燻蒸シリカなどの沈殿防止剤、ステアリン酸亜鉛などの目詰まり防止剤、ワックスなどの滑剤、湿潤剤、染料、充填剤、粘度調整剤、分散剤、泡消し剤、またはこれらの任意の組合せを含めた他の成分もまた、この下引き接着剤バインダー材料配合に加えることができる。充填剤には、珪灰石、二フッ化カルシウム、炭酸カルシウム、アルミニウム無水物、氷晶石、ホウフッ化カリウムなど機能充填剤を挙げることができる。特定の例では下引き接着剤層は、その下引き接着剤中に単一充填剤の珪灰石を含む。
さらに、下引き接着剤バインダー材料は、充填材料、例えばナノサイズ充填剤、またはナノサイズ充填剤とミクロンサイズ充填剤の組合せを含むことができる。特定の実施形態では下引き接着剤バインダー材料はコロイド状バインダーを含むことができ、硬化して下引き接着剤バインダー材料を形成するこの配合は、粒状充填剤を含むコロイド懸濁液である。別法ではまたはこれに加えて下引き接着剤バインダー材料は、ミクロン以下の粒状充填剤を含むナノ複合バインダーまたは塗料材料であることもできる。
下引き接着剤層は、研磨粒子と裏当ての間の接合を容易にする薄層であることができる。例えば下引き接着剤層は、複合研磨粒子の平均粒径の約80%以下の平均厚さを有することができる。他の例では下引き接着剤層の厚さはもっと薄くてもよく、例えばそれは複合研磨粒子の平均粒径の約70%以下、約60%以下、約50%以下、約40%以下、またはさらには約30%以下である。さらに下引き接着剤層は、研磨粒子の平均サイズの少なくとも約5%、少なくとも約10%、またはさらには少なくとも約15%である平均厚さを有することができる。下引き接着剤層は、上記で示したいずれかの最小および最大値の間の範囲内にある平均厚さを有することができることは理解されるはずである。
ステップ302で下引き接着剤層を適切に形成した後、この工程は、その下引き接着剤層に砥粒を塗布することによってステップ303を続けることができる。砥粒は、例えば静電塗装、滴下塗装(drop coating)、または機械的プロジェクションを含めた様々な技術を用いて下引き接着剤層の表面に塗布してそれらを裏当てと結合させることができる。他の実施形態では、ステップ302および303の工程を、下引き接着剤層と砥粒から混合物が作られるように結合し、混合物の作製後にそれを適切な技術を用いて裏当ての上に塗布することもできる。
研磨粒子に本明細書中で述べる研磨粒子を含めることができることは理解されるはずである。とりわけこの研磨粒子は、コルク材料を含むコアと、そのコアの外面を覆っている中間層を含むシェル層と、その中間層を覆っている外層とを含む複合粒子である。とりわけ外層は、研磨粒子の研磨特性を助ける砥粒を含むことができる。
さらに、この研磨用品中に組み込まれる研磨粒子は、研磨粗粒(例えば、窒化物、炭化物、酸化物、酸炭化物、酸ホウ化物、ダイアモンドのモノリシックな研磨粒子、およびこれらの組合せ)と、本明細書中の実施形態の研磨粒子との混合物を含むことができることは理解されるはずである。
下引き接着剤層内の与えられる粒子の一部は研磨粒子であることができ、またそれら粒子の別の中身は充填剤粒子であることができる。この充填剤粒子は、研磨粒子と同一構造を有することができ、コルク材料を含むコアと、中間層を含むシェル層と、その中間層を覆っている充填材料を含む外層とを含む。特定の例では充填材料は炭酸カルシウムであることができる。別の特定の例では充填材料は珪灰石であることができる。下引き接着剤層は、研磨粒子と充填剤粒子のブレンドを含むこともできる。
裏当て上に下引き接着剤層および研磨粒子を堆積させた後に、その下引き接着剤層を硬化または少なくとも部分的に硬化させることができる。硬化は、例えば熱の利用、放射線の利用、化学反応物の利用、およびこれらの組合せを含めて当業界で使用される適切な技術を含むことができる。
研磨粒子を下引き接着剤層に適切に塗布した後に、この工程は、上引き接着剤層の塗布によってステップ304を続けることができる。ステップ304における上引き接着剤層の形成は、幾つかの工程中で任意選択的であることができ、その研磨布紙の所望の用途により決まる。上引き接着剤層の塗布は、それが研磨粒子および下引き接着剤層を覆って研磨粒子を裏当ておよび下引き接着剤層に固定させるような材料を堆積させることを含むことができる。ある実施形態によればその上引き接着剤層には、有機材料、無機材料、およびその組合せを挙げることができる。とりわけ上引き接着剤層に使用される適切な材料としては、下引き接着剤層に使用される上記と同じ材料を挙げることができる。すなわち一実施形態によれば、上引き接着剤層は、下引き接着剤バインダー材料を形成するのに適した材料のいずれかから形成することができる上引き接着剤バインダー材料から形成することができる。より特定の実施形態では上引き接着剤バインダー材料は、下引き接着剤バインダー材料に使用されるものと同じ化学組成であることができる。
ある実施形態によれば上引き接着剤層は、複合研磨粒子の平均粒径よりも小さい平均厚さを有することができる。さらに上引き接着剤層は、下引き接着剤層の平均厚さよりも大きい平均厚さを有することもできる。幾つかの他の例では上引き接着剤層は、下引き接着剤層の平均厚さと同じ平均厚さを有することもできる。さらに別の実施形態では上引き接着剤層は、下引き接着剤層の平均厚さよりも小さい平均厚さを有することもできる。
ある実施形態によれば上引き接着剤層は充填材料を含むことができる。充填材料としては、バインダー材料における充填剤の記述に関して上記で示した材料を挙げることができる。さらに幾つかの例示的実施形態では上引き接着剤層の充填材料としては、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸窒化物、酸ホウ化物、ダイアモンド、およびこれらの組合せを含めた小粒の研磨材を挙げることができる。幾つかの例ではこの充填剤としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、溶融アルミナジルコニア、セリア、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、ざくろ石、ダイアモンド、ひうち石、金剛砂、およびこれらの混合物などの材料を挙げることができる。より特定の例では充填材料として超砥粒材を挙げることができる。
とりわけ砥粒の形態の充填材料は、本明細書中で述べたコア/シェル層構造を有する複合研磨粒子の平均粒径よりも著しく小さい平均粒径を有することができる。実際にこの充填材料は、複合研磨粒子の平均粒径の約50%以下の平均粒径を有することができる。他の例では充填材料は、複合研磨粒子の平均粒径の約40%以下、約30%以下、約10%以下、約1%以下、またはさらには約0.1%以下の平均粒径を有することができる。さらに、充填材料は一般には複合材料でなく、むしろ単一組成材料のモノリシックな結晶粒である。例えば上引き接着剤層の砥粒は、複合研磨粒子200の外層205に使用される砥粒206と似ていても、同一でも、また異なっていてもよい。
幾つかの方法については別の材料の被膜、例えば超上引き接着剤層(supersize coat)を上引き接着剤層上に堆積させることもできる。したがって超上引き接着剤層は、研磨布紙の研磨作用を助けるような充填材料、例えば砥粒を含むことができる。超上引き接着剤層は、上引き接着剤層と同時にまたは別々に硬化させることができる。
上引き接着剤層の塗布は、上引き接着剤層中に含有されているポリマー材料の硬化および架橋を助けるようなある種の条件にその上引き接着剤層をさらす硬化工程、または少なくとも部分硬化工程をさらに含むことができる。硬化は、例えば熱の利用、放射線の利用、化学反応物の利用、およびこれらの組合せを含めて当業界で使用される適切な技術を含むことができる。
図4は、本明細書中の実施形態に従って形成される研磨布紙の一部分の断面図を含む。図示のように研磨布紙400は、裏当て401を含む。さらに下引き接着剤層402が裏当て401を覆っている。さらに図示のように研磨布紙400を、複合研磨粒子403が、下引き接着剤層に直接に接合され、かつ裏当て401に固定されるように形成することができる。さらに図示のように研磨布紙400は、複合研磨粒子403を覆っている上引き接着剤層404を含むことができる。
図5は、Saint−Gobain AbrasivesからNorton W442として市販されている、コルク粒子を含む研磨布紙製品の断面図を含む。図示のように研磨布紙製品500は、裏当て501を含むことができる。下引き接着剤層502は、裏当て501の外側の主要面を覆っている。さらに研磨布紙製品500は、下引き接着剤層内に含有され、かつ裏当て501に接合されたコルク粒子503を含む。さらに研磨布紙製品500は、複合研磨粒子503を覆っている上引き接着剤層504と、下引き接着剤層502と、裏当て501とを含む。とりわけ、研磨布紙製品500の構造は、図4の研磨布紙製品において実例で示したようなコルク粒子503を囲繞するのとは対照的に、上引き接着剤層504の上面に配置されている研磨粒子506を含む。図示のように研磨布紙製品500は、充填材料505を含有する上引き接着剤層504を含むことができる。充填材料は、研磨布紙製品500の研磨能力の向上を助けるために砥粒などの微細粒子を含むことができる。
図6は、3Mから464 Wとして市販されている、コルク粒子を含む研磨布紙製品の断面図を含む。図示のように研磨布紙製品600は、裏当て601を含むことができる。下引き接着剤層602は、裏当て601の外側の主要面を覆っている。さらに研磨布紙製品600は、下引き接着剤層内に含有され、かつ裏当て601に接合されたコルク粒子603を含む。さらに研磨布紙製品600は、複合研磨粒子603を覆っている上引き接着剤層604と、下引き接着剤層602と、裏当て601とを含む。とりわけ、研磨布紙製品600の構造は、図4の研磨布紙製品において実例で示したようなコルク粒子603を囲繞するのとは対照的に、上引き接着剤層604の上面に配置された研磨粒子606を含む。
実施例1
配合物にコルクおよびバインダー材料を加え、その混合物をせん断することによって、複合研磨粒子の第一の試料(試料1)を形成する。コルクの表面をバインダーで湿らすのに十分な時間の後に砥粒を加え、コルク粒子が砥粒で覆われるまで混合を続ける。この複合粒子を約180℃で1時間処理して水を除去し、バインダー材料を硬化する。この得られた複合粒子を篩にかけることにより選別して所望の粒度分布を選ぶ。下記表1は、試料1の一回分として処理する配合表を提供する。図7は、試料1の複合研磨粒子の写真を含む。とりわけ、粒子は、コルク粒子を含むコア701と、そのコルク粒子に接合している砥粒を含むシェル層702とを含む複合的性質を明確に示している。
Figure 2014501183
実施例2
コルク粒子と、Degree+40樹脂から作られたバインダー材料とを4重量%の架橋剤と一緒に、バインダーがコルク粒子の表面を十分に覆うまで混合することによって、複合研磨粒子の第二の試料(試料2)を形成する(Degree+27と呼ぶ)(37%固形物)。Degree+40は、デンプンをグラフトしたスチレンアクリル酸樹脂である。この混合物に砥粒を加え、コルク粒子が砥粒で覆われるまで混合を続ける。この複合粒子を約180℃で1時間処理して水を除去し、バインダー材料を硬化する。この得られた複合粒子を篩にかけることにより選別して所望の粒度分布を選ぶ。下記表2は、試料2の一回分として処理する配合表を提供する。
Figure 2014501183
実施例3
コルク粒子および実施例1で使用したものと同じバインダー材料を、バインダーがコルク粒子の表面を十分に覆うまで混合することによって、複合研磨粒子の第三の試料(試料3)を形成する(37%固形物)。この混合物に砥粒を加え、コルク粒子が砥粒で覆われるまで混合を続ける。この複合粒子を約180℃で1時間処理して水を除去し、バインダー材料を硬化する。この得られた複合粒子を篩にかけることにより選別して所望の粒度分布を選ぶ。下記表3は、試料3の一回分として処理する配合表を提供する。
Figure 2014501183
実施例4
コルク粒子および実施例1と同じバインダー材料を、バインダーがコルク粒子の表面を十分に覆うまで混合することによって、複合研磨粒子の第四の試料(試料4)を形成する(37%固形物)。この混合物に砥粒を加え、コルク粒子が砥粒で覆われるまで混合を続ける。この複合粒子を約180℃で1時間処理して水を除去し、バインダー材料を硬化する。この得られた複合粒子を篩にかけることにより選別して所望の粒度分布を選ぶ。下記表4は、試料4の一回分として処理する配合表を提供する。
Figure 2014501183
実施例5
図4に示す実施例2の複合粒子を使用して研磨布紙製品を形成する。Schenectady International Corporationから市販されているフェノールホルムアルデヒド樹脂材料を含む下引き接着剤を、Milliken Textured Yarnsから市販されているポリエステルの裏当て上に二本ロール直接法によって塗布する。重力式コーティング手順を用いて試料2の複合研磨粒子を下引き接着剤層上に配列する。この下引き接着剤層を、オーブン中で180F〜240Fで1.5時間硬化させる。最後に上引き接着剤をこの研磨粒子および下引き接着剤層上に堆積させる。上引き接着剤は、Schenectady International CorporationからHRJ15993として市販されているフェノールホルムアルデヒド樹脂材料である。
実施例6
実施例4の複合粒子を使用して研磨布紙製品を形成する。Schenectady International Corporationから市販されているフェノール樹脂材料を含む下引き接着剤を、Milliken Textured Yarnsから市販されているポリエステルの裏当て上にロール塗りする。重力式コーティング手順を用いて実施例4の複合研磨粒子を下引き接着剤層上に配列する。最後に上引き接着剤層をこの研磨粒子および下引き接着剤層上に堆積させる。上引き接着剤は、Schenectady InternationalからHRJ15993として市販されているフェノール樹脂材料から作られる混合物である。この上引き接着剤層は、砥粒で被覆したコルク粒子を作製する際に使用したものと同じ種類の砥粒を取り込んでいる。
実施例7
実施例2の複合粒子を使用して研磨布紙製品を形成する。Schenectady International Corporationから市販されているフェノールホルムアルデヒド樹脂材料を含む下引き接着剤を、Milliken Textured Yarnsから市販されているポリエステルの裏当て上に二本ロール直接法によって塗布する。重力式コーティング手順を用いて試料2の複合研磨粒子を下引き接着剤層上に配列する。この下引き接着剤層を、オーブン中で180F〜240Fで1.5時間硬化させる。最後に上引き接着剤をこの研磨粒子および下引き接着剤層上に堆積させる。上引き接着剤は、Schenectady International CorporationからHRJ15993として市販されているフェノールホルムアルデヒド樹脂材料である。
比較研削試験を、実施例7(すなわち実例としての試料)と、コルク粒子を含有する従来の研磨布紙製品(W442と称され、Saint−Gobain Abrasivesから市販されており、図5に示す)の間で行った。研削試験は、Loeser Grinding Machine上で30ポンドの加えられる力の下での3インチ×98インチのベルト研削盤(belt size)を用いた湿式センタレス研削試験である。工作物は、304ステンレス鋼である。試験は、40箇所の研削と、材料除去率、磨耗量、および表面仕上げの測定とを含む。
図8Aは、具体例としての試料および従来型試料の箇所に対する切削量(g/箇所)のグラフを含む。図示のように、実施例に従って作製した具体例としての試料は、切削量の有意に高度な一致をはっきり示している。とりわけ箇所ごとの切削量は、具体例としての試料の場合、研削作業全体を通じて維持される。比較すると従来型試料は、異なる箇所間で実効切削量の有意に大きな変動をはっきり示した。
図8Bは、具体例としての試料および従来型試料の箇所に対する摩耗量のグラフを含む。図示のように、具体例としての試料は、試験した各箇所について従来型試料と比較して有意に少ない摩耗量を示した。さらに試験完了後の具体例としての試料の総摩耗量は、従来型試料と比べて有意に少なかった。
実施例8
実施例3の複合粒子を使用して研磨布紙製品を形成する。Schenectady International Corporationから市販されているフェノールホルムアルデヒド樹脂材料を含む下引き接着剤を、Milliken Textured Yarnsから市販されているポリエステルの裏当て上に二本ロール直接法によって塗布する。重力式コーティング手順を用いて試料2の複合研磨粒子を下引き接着剤層上に配列する。この下引き接着剤層を、オーブン中で180F〜240Fで1.5時間硬化させる。最後に上引き接着剤をこの研磨粒子および下引き接着剤層上に堆積させる。上引き接着剤は、Schenectady International CorporationからHRJ15993として市販されているフェノールホルムアルデヒド樹脂材料である。
比較研削試験を、実施例8(すなわち実例としての試料)と、コルク粒子を含有する従来の研磨布紙製品(464と称され、3Mから市販されており、図6に示す)の間で行った。研削試験は、Loeser Grinding Machine上で30ポンドの加えられる力の下での3インチ×98インチのベルト研削盤を用いた湿式センタレス研削試験である。工作物は304ステンレス鋼である。試験は、40箇所の研削と、材料除去率、磨耗量、および表面仕上げの測定とを含む。
図9Aは、具体例としての試料および従来型試料の箇所に対する切削量(g/箇所)のグラフを含む。図示のように、実施例に従って作製した具体例としての試料は、切削量の有意に高度な一致をはっきり示している。とりわけ箇所ごとの切削量は、具体例としての試料の場合、研削作業全体を通じて維持される。比較すると従来型試料は、異なる箇所間で実効切削量の有意に大きな変動をはっきり示し、とりわけ単に数回の作業後に切削速度の有意な減退に陥った。
図9Bは、具体例としての試料および従来型試料の箇所に対する摩耗量のグラフを含む。図示のように、具体例としての試料は、各研削作業について従来型試料と比較して有意に少ない摩耗量を示した。さらに試験完了後の具体例としての試料の全摩耗量は、従来型試料と比べて有意に少なかった。実際に試験終了時の総摩耗量は、3M研磨剤の場合、具体例としての研磨剤と比較して約2倍であった。
上述は、現状技術からの脱却を示す複合研磨粒子と、そのような研磨粒子を利用した研磨布紙製品とを対象にする。とりわけ、この研磨粒子の形成方法は、特定の特徴を有する複合研磨粒子の形成を容易にする特定の制御変数および比率を有する特定の方法で達成される。例えばこの研磨粒子の形成方法は、添加剤の重量パーセント、添加剤の比率、バインダー材料、砥粒材料、砥粒サイズ、コルクサイズ、および複合研磨粒子の形成を容易にする硬化手順を含めた処理の特徴の組合せを含む。この複合研磨粒子は、例えばコア/シェル構造、コアの材料、コア粒子のサイズ、中間層と砥粒を覆っている層とを含めた複数構成要素を有するシェル層、中間層の厚さ、コアおよび砥粒のサイズに対する中間層の厚さの比、砥粒の特定の疎充填密度、および他のこのような特徴を含めた、従来の研磨粒子の性能の特色に等しいまたはそれを超える性能の特色を有する新規な砥粒の形成を容易にする特徴の組合せを有する。
上述において特定の実施形態および幾つかの成分の結合に関する言及は例示的なものである。対になっているまたは結合している成分に関する言及は、分かるとおり本明細書中で考察した方法の実施のために、上記成分間の直接の結合、あるいは1種類または複数種類の介在成分を介しての間接的な結合のどちらかの開示を意図していることは理解されるはずである。したがって上記で開示した内容は例示とみなすべきであり、限定するものではなく、別添の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲に入るそのようなすべての修正形態、拡張形態、および他の実施形態を包含することを意図している。したがって法律によって認められる最大限の範囲について本発明の範囲は別添の特許請求の範囲およびその均等物の最も広い許容可能な解釈によって決められるべきであり、上記の詳細な説明によって定められるものでも限定されるものでもない。
本開示は、それが特許請求の範囲の適用範囲または意味を解釈または限定するために使用されないという前提で提示される。さらに上記開示においてその様々な特徴は、本開示を簡素化する目的で一つのグループにまとめる場合もあり、また単一の実施形態で記述する場合もある。本開示は、本明細書中の実施形態が特許請求の範囲中で与えられる特徴を限定するという意図を反映するものと解釈されるべきではなく、またさらに本発明の内容を記述するために本明細書中で記述した特徴のいずれかを一緒にする場合もある。さらに本発明の内容は、決して開示した実施形態のいずれかの特徴の全てを対象とするわけではない。

Claims (56)

  1. 圧縮性材料を含むコアと、
    前記コアの外面を覆っているバインダー材料を含む中間層と、
    前記中間層を覆っている砥粒を含む外層と
    を含む研磨粒子を含む研磨用品。
  2. コルク材料を含むコアと、
    前記コアの外面を覆っているシェル層と
    を含む複合研磨粒子を含む研磨用品であって、前記シェル層が、
    前記コアの外面を覆っている中間層と、
    前記中間層を覆っている砥粒を含む外層と
    を含み、前記中間層が前記外層よりも小さい厚さを有する、
    研磨用品。
  3. コアと前記コアを覆っているシェル層とを含む複合研磨粒子を含む研磨用品であって、
    前記コアが圧縮性材料を含み、また前記シェル層が、前記コアを覆っている中間層と、前記中間層を覆っている砥粒を含む外層とを含み、かつ
    前記研磨粒子が、少なくとも約1:1のシェル層比(Wi:Wo)を含み、ただしWiが前記研磨粒子の全重量に対する前記中間層の重量パーセントであり、またWoが前記研磨粒子の全重量に対する前記外層の重量パーセントである、研磨用品。
  4. 前記コアが、少なくとも約75体積%の圧縮性材料を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  5. 前記コアがコルクから実質上なる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  6. 前記コアが、少なくとも約0.01mm、かつ約10mm以下の平均粒径を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  7. 前記砥粒が、窒化物、炭化物、酸化物、ホウ化物、酸窒化物、酸ホウ化物、ダイアモンド、およびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  8. 前記砥粒が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、溶融アルミナジルコニア、セリア、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、ざくろ石、ダイアモンド、ひうち石、金剛砂、およびこれらの混合物からなる群から選択される材料を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  9. 前記砥粒が超砥粒材を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  10. 前記砥粒が炭化ケイ素から実質上なる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  11. 前記砥粒が、約250ミクロン以下、かつ少なくとも約0.01ミクロンの平均粒径を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  12. 前記砥粒が、少なくとも微細な結晶粒材料ときめの粗い結晶粒材料とを含む多峰性粒度分布の砥粒から選択され、前記微細な結晶粒材料の平均粒径が、前記きめの粗い結晶粒材料の平均粒径よりも小さい、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  13. 前記外層が前記中間層に直接に接合される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  14. 前記外層の前記砥粒が前記中間層中に埋め込まれる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  15. 前記外層の前記砥粒の一部分が前記コアと直接に接している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  16. 前記外層の一部分が、前記中間層に接合した単層の砥粒を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  17. 前記外層の大部分が、前記中間層に接合した単層の砥粒の輪郭を示す、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  18. 前記外層が、前記砥粒の平均厚さの約25倍以下、かつ少なくとも約1.5倍の平均厚さを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  19. 前記外層が、前記砥粒の平均厚さとほぼ同じ平均厚さを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  20. 前記外層が、前記外層の総体積の少なくとも約5体積%、かつ約70体積%以下の空隙率を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  21. 前記中間層が、前記コアの外面に直接に接合している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  22. 前記中間層が、前記コアの平均粒径の少なくとも約0.01%、かつ約20%以下の平均厚さを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  23. 前記中間層が、前記砥粒の平均粒径よりも小さい平均厚さを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  24. 前記中間層が、前記砥粒の前記平均粒径の少なくとも約0.01%、かつ約80%以下の平均厚さを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  25. 前記中間層が、約10ミクロン以下、かつ少なくとも約0.1ミクロンの平均厚さを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  26. 前記中間層が、フェノール樹脂、ユリアホルムアルデヒド、ウレタン、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、アクリル酸エステル、ポリビニル、タンパク質系材料、デンプン系材料、およびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  27. 前記外層が、珪灰石および炭酸カルシウムのうちの一方を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  28. 前記複合研磨粒子が、少なくとも約1:1.5のシェル層比(Wi:Wo)を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  29. 前記複合研磨粒子が、1:10以下のシェル層比(Wi:Wo)を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  30. 前記研磨粒子が、少なくとも約2:1の研磨粒子:コアの比(Wag:Wc)を含み、ただしWagは前記研磨粒子の全重量に対する前記砥粒の重量パーセントであり、またWcは前記研磨粒子の全重量に対する前記コアの重量パーセントである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  31. 前記砥粒:コアの比(Wag:Wc)が少なくとも約3:1である、請求項30に記載の研磨用品。
  32. 前記砥粒:コアの比(Wag:Wc)が少なくとも約10:1である、請求項30に記載の研磨用品。
  33. 前記砥粒:コアの比(Wag:Wc)が少なくとも約20:1である、請求項30に記載の研磨用品。
  34. 前記研磨粒子が、約40:1以下の研磨粒子:コアの比(Wag:Wc)を含み、ただしWagは前記研磨粒子の全重量に対する前記砥粒の重量パーセントであり、またWcは前記研磨粒子の全重量に対する前記コアの重量パーセントである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨用品。
  35. コルクを含むコアと、
    バインダー材料に接合した砥粒を含む前記コアを覆っているシェル層と
    を含む研磨粒子を含む研磨用品であって、前記バインダー材料が、フェノール樹脂、ユリアホルムアルデヒド、ウレタン、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、アクリル酸エステル、ポリビニル、タンパク質系材料、デンプン系材料、およびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、研磨用品。
  36. 裏当てと、
    前記裏当てに接合した複合研磨粒子と
    を含む研磨布紙製品を含む研磨用品であって、前記複合研磨粒子が、コルクを含むコアと、前記コアの外面を覆っているバインダー材料を含む中間層と、前記中間層を覆っている砥粒を含む外層とを含む、研磨用品。
  37. 前記裏当てが、有機材料、無機材料、天然材料、合成材料、およびこれらの組合せからなる材料の群から選択される材料を含む、請求項36に記載の研磨用品。
  38. 前記裏当てが、紙、ポリマーフィルム、布、綿、ポリコットン、レーヨン、ポリエステル、ポリナイロン、加硫ゴム、バルカン繊維、金属箔、およびこれらの組合せからなる材料の群から選択される材料を含む、請求項36に記載の研磨用品。
  39. 前記裏当てを覆っている下引き接着剤層をさらに含む、請求項36に記載の研磨用品。
  40. 前記複合研磨粒子が、前記下引き接着剤層に接合される、請求項36に記載の研磨用品。
  41. 前記下引き接着剤層が、前記裏当てと前記複合研磨粒子との間に配置される、請求項40に記載の研磨用品。
  42. 前記下引き接着剤層が、有機材料、無機材料、およびこれらの組合せからなる材料の群から選択される材料を含む、請求項36に記載の研磨用品。
  43. 前記下引き接着剤層が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリアホルムアルデヒドフェノール樹脂、アミノプラスト樹脂およびメラミン−ホルムアルデヒド樹脂、ウレタン樹脂、アクリル酸エステル樹脂、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリシロキサン、シリコーン、酢酸セルロース、ニトロセルロース、天然ゴム、デンプン、セラック、獣皮膠、およびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項36に記載の研磨用品。
  44. 前記複合研磨粒子と前記裏当てとを覆っている上引き接着剤層をさらに含む、請求項36に記載の研磨用品。
  45. 前記上引き接着剤層が、下引き接着剤層上に横たわる、請求項44に記載の研磨用品。
  46. 前記上引き接着剤層が、有機材料、無機材料、およびこれらの組合せからなる材料の群から選択される材料を含む、請求項44に記載の研磨用品。
  47. 前記上引き接着剤層が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリアホルムアルデヒドフェノール樹脂、アミノプラスト樹脂およびメラミン−ホルムアルデヒド樹脂、ウレタン樹脂、アクリル酸エステル樹脂、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリシロキサン、シリコーン、酢酸セルロース、ニトロセルロース、天然ゴム、デンプン、セラック、獣皮膠、およびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項44に記載の研磨用品。
  48. 前記上引き接着剤層が、前記複合研磨粒子とは異なる砥粒を含む、請求項44に記載の研磨用品。
  49. 前記砥粒が前記上引き接着剤層中に埋め込まれる、請求項44に記載の研磨用品。
  50. 前記砥粒が前記上引き接着剤層から突き出ている、請求項49に記載の研磨用品。
  51. 前記上引き接着剤層の前記砥粒が、窒化物、炭化物、酸化物、ホウ化物、酸窒化物、酸ホウ化物、ダイアモンド、およびこれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項49に記載の研磨用品。
  52. 裏当てと、
    前記裏当てに接合した複合研磨粒子と、
    前記複合研磨粒子および前記裏当てを覆っている上引き接着剤層と
    を含む研磨布紙製品を含む研磨用品であって、前記複合研磨粒子が、コルクを含むコアと、前記コアを覆っているシェル層とを含む、研磨用品。
  53. 複合研磨粒子の形成方法であって、
    コルク粒子およびバインダー材料を含む混合物を形成するステップと、
    混合物に砥粒を加えて、前記コルク粒子を被覆するステップと、
    前記混合物を乾燥して、前記コルク粒子を含むコアと、前記コアの外面を覆っている中間層と、前記中間層を覆っている外層とを含む複合粒子を形成するステップと
    を含む、方法。
  54. 複合研磨粒子の形成方法であって、
    コルク粒子と、バインダー材料と、砥粒とを含む混合物を形成するステップ、と、
    前記混合物を乾燥して、前記コルク粒子を含むコアと、前記バインダー材料および前記砥粒を含む前記コアを覆っているシェル層とを含む複合粒子を形成するステップと
    を含み、前記混合物が、少なくとも約1:1の比(Wi:Wo)を含み、ただしWiは前記混合物の全重量に対する前記バインダー材料の重量パーセントであり、またWoは前記混合物の全重量に対する前記砥粒の重量パーセントである、方法。
  55. 裏当てを準備するステップと、
    前記裏当て上に複合研磨粒子を配置するステップと、
    前記複合研磨粒子および前記裏当て上に上引き接着剤層を形成するステップと
    を含み、前記複合砥粒が、コルクを含むコアと、前記コアを覆っている砥粒を含むシェル層とを含む、研磨布紙製品の形成方法。
  56. 裏当てと、
    前記裏当てに接合した複合研磨粒子と
    を含み、前記複合研磨粒子が、圧縮性材料を含むコアと、前記コアを覆っているシェル層とを含む、研磨用品。
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