JP2020519468A - 研磨物品中の四面体研磨粒子 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2017年5月12日に出願された米国仮特許出願第62/505,280号、発明の名称「TETRAHEDRAL ABRASIVE PARTICLES IN ABRASIVE ARTICLES AND METHODS OF MAKING」に対する優先権の利益を主張するものであり、その開示の全容が参照により本明細書に組み込まれる。
別段の記載がない限り、全ての試薬は、Sigma−Aldrich Company(St.Louis,Missouri)などの化学ベンダから得られたか、入手可能であるか、公知の方法で合成することができる。別段の記載がない限り、全ての比は乾燥重量による。
SAP1の形成
以下のレシピを用いて、ベーマイトのゾル−ゲルのサンプルを作製した:商品名「DISPERAL」(Sasol,North America)を有する酸化アルミニウム一水和物粉末(800部)を、水(1200部)及び70%水性硝酸(72部)を含有する溶液と11分間、高せん断混合によって分散させた。得られたゾル−ゲルを、コーティングする前に少なくとも1時間エージングした。ゾル−ゲルを、深さ0.1ミリメートル(mm)及び各辺0.30mmである三角形の形状をした金型キャビティを有する製造工具内へ押し込んだ。金型の側壁と底部との間の抜け勾配αは98度であった。このゾル−ゲルを、製造工具の開口部が完全に充填されるように、パテナイフでキャビティ内へ押し込んだ。離型剤、メタノール中0.2%ピーナッツオイルを使用して、製造工具内のオープンキャビティを充填するためにブラシを用いて、製造工具をコーティングした。余剰のメタノールを、フード内で室温にて蒸発させた。ゾル−ゲルコーティングした製造工具を室温にて少なくとも10分間空気乾燥させると、離型剤の濃度(メタノールの蒸発後)0.08mg/in2、及びコーティングの平均厚さ(メタノールの蒸発前)138ミクロンが得られた。前駆体の成形研磨粒子は、超音波ホーン上を通過させることによって、製造工具から取り出した。前駆体の成形研磨粒子を、およそ650℃にてか焼し、次いで、以下の濃度の混合硝酸塩溶液(酸化物として報告)で飽和させた:MgO、Y2O3、Nd2O3及びLa2O3それぞれ1.8%。余剰の硝酸塩溶液を除去し、飽和の前駆体の成形研磨粒子を乾燥させ、その後、粒子を再び650℃にてか焼し、およそ1400℃にて焼結した。か焼及び焼結の両方を、回転チューブキルンを用いて実施した。焼成された成形研磨粒子(fired shaped abrasive particle)は、約0.15ミリメートル(辺長)×0.04ミリメートル厚さとした。成形研磨粒子の平均曲率半径を、粒子の開口側の面先端(open face tips)の平均曲率半径として求めた。曲率半径は、開口側の面の先端を含む成形研磨粒子の開口側の面と直交する方向で見たときに、会合して先端を形成する、成形研磨粒子の開口側の面の2つの辺上の点であって、2つの辺のそれぞれが直線から曲線へ移行する点である、先端の曲線が開始する点を通る、最小円の半径として求めた。4個の粒子から、12の半径の平均が取られ、2.0ミクロンになる。
「SAP1の形成」で概ね記載されている手順を繰り返した。ただし、ゾル−ゲルは、0.25mmの深さ及び各辺0.30mmの四面体形状の金型キャビティを有する製造工具に押し込んだ点が異なる。金型の側壁と底部との間の抜け勾配αは98度であった。焼成された成形研磨粒子は、約0.15ミリメートル(辺長)×0.12ミリメートル厚さとした。得られた成形研磨粒子の平均曲率半径は、SAP1の形成に関する実施例において記載している曲率半径の一般的測定方法に従った測定で2.0ミクロンであった。
「SAP1の形成」で概ね記載されている手順を繰り返した。ただし、ゾル−ゲルは、0.14mmの深さ及び各辺0.41mmの三角形の形状をした金型キャビティを有する製造工具に押し込んだ点が異なる。金型の側壁と底部との間の抜け勾配αは98度であった。焼成された成形研磨粒子は、約0.20ミリメートル(辺長)×0.05ミリメートル厚さとした。得られた成形研磨粒子の平均曲率半径は、SAP1の形成に関する実施例において記載している曲率半径の一般的測定方法に従った測定で2.0ミクロンであった。
「SAP1の形成」で概ね記載されている手順を繰り返した。ただし、ゾル−ゲルは、0.33mmの深さ及び各辺0.41mmの四面体形状の金型キャビティを有する製造工具に押し込んだ点が異なる。金型の側壁と底部との間の抜け勾配αは98度であった。焼成された成形研磨粒子は、約0.20ミリメートル(辺長)×0.16ミリメートル厚さとした。得られた成形研磨粒子の平均曲率半径は、SAP1の形成に関する実施例において記載している曲率半径の一般的測定方法に従った測定で2.0ミクロンであった。
フェノールメイク樹脂MR1の調製
3リットルの容器に、800グラムのPF1、200グラムのEC−1197、30グラムのAD−33、及び100グラムの水を入れた。混合物をオーバーヘッド撹拌機で15分間22℃で撹拌した。
237mlの容器に、70グラムのPF1及び30グラムの水を入れた。混合物をオーバーヘッド撹拌機で15分間22℃で撹拌した。
実施例1に概ね記載されている手順を繰り返した。ただし、SAP2の代わりに33.5g/m2のミネラル重量を有するSAP1を使用した点が異なる。被覆研磨粒子のSEM画像を図7に示す。
幅10cmの5milのポリエステルフィルムを、0.025mmに設定された10cm幅のコーティングナイフを使用してメイク樹脂MR1でコーティングし、約8.7g/m2のコーティング重量を得た。ナイフは、GARDCO(Pompano Beach,Florida)から市販されている。次に、SAP2ミネラルを、独自の静電コーターを用いてメイク樹脂層にコーティングした。ミネラルコーティング重量は、約38.5g/m2であった。被覆研磨材を90℃で1.5時間、及び102℃で1時間硬化させた。サイズ樹脂SR1を、塗料ローラーを用いてメイク及びミネラル構造上にコーティングした。サイズ樹脂の重量は約29g/m2であった。得られた構造物を90℃で1時間、及び102℃で12時間硬化させた。
実施例1Aに概ね記載されている手順を繰り返した。ただし、SAP2の代わりに33.5g/m2のミネラル重量を有するSAP1を使用した点が異なる。サイズ重量は、29g/m2の代わりに約25g/m2であった。
実施例1及び比較例Aに従って作製したSAP1及びSAP2を含有する被覆研磨物品のサンプルを、サイズ樹脂の適用前に得た。続いて、各サンプルを、1/8装着プラグ上にカーボンテープで装着し、Denton Vacuum Desk−5スパッタコーター内の金でスパッタコーティングした。次いで、コーティングされたサンプルを有する装着プラグを、JEOL−JSM−7600F Field Emission Scanning Electron Microscope(SEM)チャンバ内に配置した。サンプルが撮像される準備が整った時点で、顕微鏡写真を50倍の倍率で45度傾けて撮影した。実施例1及び比較例Aのサンプルについて収集した画像の比較を図6及び図7に各々示す。単位面積当たりのバッキングから垂直に外向きに尖った先端の数(約5.56mm2)を手動で計数し、PSG粒子の配向結果(PSG particle orientation result)として以下に報告した。162個の研磨粒子のうちの157個(研磨粒子の97%)は、実施例1のサンプルについてバッキングから垂直に外向きに尖った先端を配向した。114個の研磨粒子のうちの48個(研磨粒子の42%)は、比較例Aのサンプルについてバッキングから垂直に外向きに尖った先端を配向した。
実施例2及び比較例Bから生成した被覆研磨物品を、以下の内容で試験した。幅1.6cm×直径5.4cmの1010マイルドカーボンスチールリングワークピース(mild carbon steel ring workpiece)の重量を測定して、初期重量を得た。ワークピースを、ねじ山が設けられたボルトによってモーター駆動された75cmの円形シャフトの端部に取り付けた。次に、幅1.8cm×17cmの被覆研磨材試験サンプルを取り付けシステムに螺合し、研磨材がワークピースと接触するようにした。研磨材及びワークピースの試験接触面積は、約1.8cm×1.8cmであった。ワークピースを、試験中に少量の水流(0.5ml/秒)にさらした。3.5kg/cm2の圧力を接触領域上にかけた。試験は、ワークピースを100回転/分で順方向に7秒間、次いで逆方向に7秒間回転させることを伴った。ワークピースを取り出し、重量を測定し、初期重量と比較して、除去された金属の量を測定した。ワークピースの表面粗さを粗面計(profilometer)で測定し、RA(マイクロメートル)及びRZ(マイクロメートル)として報告した。
3リットルの容器に、80グラムのPF1、20グラムのEC−1197、3グラムのAD−33、及び50グラムの水を入れた。混合物をオーバーヘッド撹拌機で15分間22℃で撹拌した。
サンプルは、3M(St.Paul,Minnesota)から市販されている372L(60u)のマイクロフィニッシングフィルム研磨材であった。マイクロフィニッシングフィルム研磨材は、ポリエステルフィルム上のミクロングレードの酸化アルミニウムである。
メイク樹脂を、表4に列挙する組成に従って調製した。プレミックスは、70%のEP1及び30%のACRを混合することによって調製した。55.40%のプレミックスに対して、0.60%のBYK−W985、40%のMinex 10、3%のCPI 6976、及び1%のIrgacure 1173。この配合物を、均質になるまで、24℃にて30分間撹拌した。
実施例4に概ね記載されている手順を繰り返した。ただし、SAP2の代わりにSAP1を使用した点が異なる。
試験することとなる直径6インチ(15.24cm)の研磨ディスクを、X−Yテーブルに固定されたOEMパネルを備えたX−Yテーブルの上に配置した電気回転工具上に取り付けた。3/16サーボを備えた3M Elite DA Sanderをロボットアームに取り付けた。次いで、パネルの幅に沿って、パネルの長さに沿ってY方向に横断するように工具をセットした。合計4サイクルで、各サイクルにおいてパネルの長さに沿ったこうした7回の通過を完了した。次に、回転工具を作動させ、荷重なしで6000rpmで回転させた。次いで、研磨物品を、パネルに対して2.5度の角度で、13lbsのダウンフォース(5.90kg)の荷重で押し付けた。次いで、工具を作動させて、所定の経路を通って移動させた。パネルの質量を各1分間のサイクルの前後で測定して、各サイクル後のグラム単位の合計質量損失を求めた。切削を、OEMパネルの透明コーティング層から除去したグラムで測定した。表5に報告された4つの摩耗サイクルから4つの切削値全てを加えることによって、合計切削を測定した。粗面計を使用して測定した仕上がりを表6に報告した。報告された全てのデータは、6つのサンプル複製からの平均試験結果に基づくものであった。
P180とブレンドされた10%のSAP4を有する被覆研磨物品の作製
メイク樹脂及びサイズ樹脂の調製
69.70gのUF−2026、0.07gのTergitol、0.15gのAntifoam 1512、及び20.0gのMinex 10を容器に添加し、室温で1時間機械的に撹拌することによってコーティング溶液を調製した。混合後、3.88gの25%NH4Cl水溶液及び4.80gの28%AlCl3水溶液を、コーティング直前に混合物に添加した。
SAP1を有する被覆研磨物品の作製
実施例5に概ね記載されている手順を繰り返した。ただし、SAP2の代わりにSAP1を使用した点が異なる。
摩耗性能試験は、ベースコート/クリアコート上で180ミネラルグレード用に開発された標準試験を用いて、180の異なるロットの総切削を比較した。試験することとなる直径6インチ(15.24cm)の研磨ディスクを、X−Yテーブルに固定されたOEMパネルを備えたX−Yテーブルの上に配置した電気回転工具上に取り付けた。3/16サーボを備えた3M Elite DA Sanderをロボットアームに取り付けた。次いで、パネルの幅に沿って、パネルの長さに沿ってY方向に横断するように工具をセットした。合計4サイクルで、各サイクルにおいてパネルの長さに沿ったこうした7回の通過を完了した。次に、回転工具を作動させ、荷重なしで180分間6700rpmで回転させた。次いで、研磨物品を、パネルに対して2.5度の角度で、15lbsのダウンフォースの荷重で押し付けた。次いで、工具を作動させて、所定の経路を通って移動させた。パネルの質量を各サイクルの前後で測定して、各サイクル後のグラム単位の合計質量損失を求めた。切削を、OEMパネルの透明コーティング層から除去したグラムで測定した。表7に報告された4つの摩耗サイクルから4つの切削値全てを加えることによって、合計切削を測定した。報告された全てのサンプルについて、粗面計を使用して測定した仕上がりは同様であった。報告されたデータは、3枚のディスクからの測定値の平均から得た。
回旋状ホイールの製造
Rando Machine Corporation(Macedon,New York)から商品名「RANDO WEBBER」として入手可能なエアレイド繊維ウェブ形成機で、不織布ウェブを形成した。繊維ウェブはFIB1から形成された。ウェブの重量は、約125グラム/平方メートル(gsm)であった。ウェブを、水平の2本ロールコーターに運び、50gsmの湿潤アドオン重量(wet add-on weight)でプレボンド樹脂を適用した。プレボンド樹脂の組成は以下のとおりであった(成分重量に対する割合):44.4%の水、28.0%のT403S、18.7%のEP1、0.5%のAF、1%のLCD4115、2.9%のT403LiSt、4.5%のCARBEZ3S。コーティングされたウェブを345°F(174℃)の対流式オーブン(convection oven)に3分間通すことにより、プレボンド樹脂を非粘着状態に硬化させ、坪量176gsmのプレボンド不織布ウェブを得た。
摩耗試験は、比較試験ホイールの研磨効率を測定し、二重スピンドル自動機械(dual-spindle automated machine)を使用して実施した。直径6インチ(15.24センチ)×厚さ0.5インチ(1.27センチメートル)の試験ホイールを一方のスピンドルに取り付け、直径2.0インチ(5.08cm)×厚さ0.125インチ(3.175ミリメートル)の炭素鋼管ワークピース(carbon steel tube workpiece)を他方のスピンドルに取り付けた。ワークピースを32回転/分で回転させ、研磨ホイールを3600回転/分で回転するように設定した。研磨ホイール及びワークピースを、8ポンド(3.63キログラム)の荷重で一緒に押し付けた。この試験の間、予め計量しておいたこの回転管の端部を、予め計量しておいた研磨ホイールに選択された試験荷重で15秒間隔で押し付け、続いて15秒の非接触時間を設けた。各研磨試験は、ワークピースが研磨ホイールに接触した合計時間15分を含んで合計30分間実行した。合計切削はワークピースの重量損失によって測定し、研磨ホイールの摩耗は研磨ホイールの重量損失によって測定した。結果は、各試験ホイールに対しグラムで切削及び摩耗をとして報告した。鋼切削のグラム及び摩耗したホイールのグラムを表9に示す。
Rando Machine Corporation(Macedon,New York)から商品名「RANDO WEBBER」として入手可能なエアレイド繊維ウェブ形成機で、不織布ウェブを形成した。Invistaナイロンステープル、40デニール3インチ繊維、型852から作製されたウェブを、約270グラム/平方メートル(gsm)に対して、0.5インチの嵩高なウェブに形成した。ウェブを運び、70gsmの乾燥アドオン重量(dry add-on weight)でプレボンド樹脂PB1を噴霧した。プレボンド樹脂(表10の構成成分)を、345°F(174℃)の対流式オーブンに3分間通すことで硬化させ、340gsmのプレボンドを得た。
X−Yテーブルを利用してブラシをスピンさせ、様々な放置時間にわたって様々なステンレス鋼(SS)基材上で下向きの圧力で往復運動させる。合計切削をワークピースの重量損失によって測定し、摩損、又はホイールの摩耗をブラシの重量損失によって測定した。
以下の例示的な実施形態を示すが、その番号付けは重要度を示すものと解釈されるものではない。
主表面を画定するバッキングと、
メイクコートによりバッキングに取り付けられた複数の四面体研磨粒子を含む研磨層と、を含む研磨物品であって、
四面体研磨粒子は、4つの頂点で終端する6つのエッジによって接合された4つの面を含み、4つの面のそれぞれの1つは、4つの面のうちの3つに接触し、四面体研磨粒子の大部分は、実質的に同じ方向に配向された頂点のうちの少なくとも1つを有する、研磨物品を提供する。
外面を含むコアと、
コアの外面に接着された複数のフラップであって、各フラップが不織布ウェブを含む、フラップと、を含む、実施形態43又は44に記載の研磨物品を提供する。
外面を含むコアと、
コアの外面の周りに渦巻状に巻き付けられ、これに固着されている不織布ウェブと、を含む、実施形態43又は44に記載の研磨物品を提供する。
主表面に沿って表面を画定するバッキングと、
樹脂性接着剤を含むバインダーによってバッキングに取り付けられた複数の四面体研磨粒子を含む研磨層と、を含む研磨物品であって、
四面体研磨粒子が、4つの頂点で終端する6つのエッジによって接合された4つの面を有し、4つの面のそれぞれの1つは、4つの面のうちの3つに接触し、四面体研磨粒子の約90%〜約100%は、これらの間の接触点で主表面に垂直な方向に沿ってバッキングから離れるように配向された頂点のうちの1つを有する、研磨物品を提供する。
複数の四面体研磨粒子をバッキング上に配置することと、
複数の四面体研磨粒子をバッキング上に接着させて、研磨物品を形成することと、を含む、製造方法を提供する。
実施形態1〜47のいずれか1つに記載の研磨物品、又は実施形態48〜51のいずれか1つに記載の製造方法に従って形成された研磨物品の少なくとも一部分を、ワークピースの表面と摩擦接触させることと、
ワークピース又は研磨物品のうちの少なくとも1つを移動させて、ワークピースの表面の少なくとも一部分を研磨することと、を含む。
Claims (20)
- 主表面を画定するバッキングと、
前記バッキングに取り付けられた複数の四面体研磨粒子を含む研磨層と、
を含む研磨物品であって、
前記四面体研磨粒子は、4つの頂点で終端する6つのエッジによって接合された4つの面を含み、前記4つの面のそれぞれの1つは、前記4つの面のうちの3つに接触し、前記四面体研磨粒子の大部分は、実質的に同じ方向に配向された前記頂点のうちの少なくとも1つを有する、研磨物品。 - 前記バッキングが、ポリマーフィルム、金属箔、織布、編布、紙、加硫繊維、短繊維、連続繊維、不織布、発泡体、スクリーン、積層体、又はこれらの組み合わせから選択される少なくとも1つの材料を含む、請求項1に記載の研磨物品。
- 前記4つの面のうちの少なくとも1つが実質的に平面である、請求項1又は2に記載の研磨物品。
- 前記四面体研磨粒子のうちの少なくとも1つが、ゾルゲル誘導アルミナを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記四面体研磨粒子のうちの少なくとも1つが、アルファアルミナを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記四面体研磨粒子のうちの少なくとも1つが、等しいサイズのエッジを有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記エッジの長さが、独立して、約0.1μm〜約2000μmの範囲である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記四面体研磨粒子の前記大部分が、前記四面体研磨粒子の約70%〜約100%の範囲である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記大部分の前記四面体研磨粒子が、前記大部分の前記四面体研磨粒子と前記主表面との間の接触点において前記主表面に実質的に垂直な方向に沿って前記バッキングから離れるように配向された頂点を有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記四面体研磨粒子の少なくとも一部分が、実質的に同じ方向に配向された3つの頂点を有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記頂点の曲率半径が、独立して約0.5μm〜約80μmの範囲である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記研磨物品が、中央部凹状研削ホイール又はその一部分である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記研磨物品が、カットオフホイール又はその一部分である、請求項1〜12のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記研磨物品が、ベルト又はその一部分である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記ベースが、複数の繊維、フィラメント、又はこれらの組み合わせを含む不織布ウェブである、請求項1〜14のいずれか一項に記載の研磨物品。
- 前記研磨物品がフラップブラシであり、前記フラップブラシが、
外面を含むコアと、
前記コアの前記外面に接着された複数のフラップであって、各フラップが前記不織布ウェブを含む、フラップと、を含む、請求項15に記載の研磨物品。 - 前記研磨物品が回旋状研磨ホイールであり、前記回旋状研磨ホイールは、
外面を含むコアと、
前記コアの前記外面の周りに渦巻状に巻き付けられ、これに固着されている前記不織布ウェブと、を含む、請求項16に記載の研磨物品。 - 請求項1〜17のいずれか一項に記載の研磨物品の製造方法であって、
前記複数の四面体研磨粒子を前記バッキング上に配置することと、
前記複数の四面体研磨粒子を前記バッキング上に接着させて、前記研磨物品を形成することと、を含む、製造方法。 - 前記複数の四面体研磨粒子を配置することが、前記粒子をドロップコーティングすること、又は前記粒子を静電コーティングすることを含む、請求項18に記載の製造方法。
- 前記複数の四面体研磨粒子を配置することが、前記複数の四面体研磨粒子をスクリーンに通すことを含む、請求項18又は19に記載の製造方法。
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