JP4648265B2 - 改良された設計研磨材 - Google Patents

Description

本発明は、金属、木、プラスチックスおよびガラスのような基板の研削および仕上げに有用な形状で、基板上に設計された研磨材を製造することに関する。

基材（backing material）上にバインダーおよび研磨材料の混合物の島（islands）もしくは、うね（ridges）のような一般的に分離された（isolated）構造を配置し、いわゆる「設計された研磨材」（”engineered abrasives”）を形成する提案は、多年知られている。もし島もしくは、うねが基材上に非常に類似した高さを有し、そして適切に分離されていると（おそらく少しの目なおし（dressing）作業後に）、生成物の使用は減少した表面引掻き（surface scratching）および改良された表面平滑性を生じる。加えて、島の間の空間は、道を与え、それにより研磨（abrasion）により発生される切りくず（swarf）は作業領域から分散され、そして研削液（coolant）は循環しうる。

従来の被覆研磨材において、研磨表面についての研究は、活性な研磨帯域における比較的数少ない表面砥粒が同時に加工物と接触していることを示す。表面摩耗として、この数は増加するが、同様にこれらの砥粒のいくつかの有用性は目つぶれ（dulling）により低下されうる。組織化砥粒の使用は、均一な島が、研磨の均一な速度が長期間維持されうるのと本質的に同じ速度で摩耗するという利点を有する。ある意味で、研磨作業は数多くの研削点間でもっと均等に分担される。しかも、島は多くの比較的小さい砥粒を含むので島の浸食はまだ目つぶれしていない新しい、未使用の砥粒を現わさせる。

そのような分離された島もしくは点の配列を形成するための、説明されている１つの方法は、ロードグラビア印刷のものである。ロードグラビア印刷の方法は表面にロールを使用し、そこにセル（凹点）のパターンが印刷（engrave）される。セルは砥粒／バインダー配合物で充たされ、そしてロールは表面に対し押圧され、セル中の配合物は表面に転写（transfer）される。

米国特許第４，７７３，９２０号明細書において、Ｃｈａｓｍａｎらは、ロードグラビアコーターを用いて、硬化時に潤滑剤および切りくずの除去のためのチャンネルとして後に立ちうる、うね、および谷の均一なパターンをバインダー配合物に付けることが可能であることを開示する。しかし、可能性についてのみの記載のほかには、これがいかに実施されうるかを何ら詳しく教示していない。

米国特許第４，６４４，７０３号において、Ｋａｃｚｍａｒｅｋらは層を堆積するために砥粒／バインダー配合物を堆積するようにもっと従来の態様でロートグラビアロールを用い、そしてその層は平滑化され、ついで第２の層が平滑化された第１層の上部にロードグラビア法により堆積される。

米国特許５，０１４，４６８号（Ｒａｖｉｐａｔｉら）において、非ニュートン流特性を有する砥粒／バインダー混合物を使用し、フィルム上にロートグラビア法により、この混合物を堆積することが提案された。この方法において、混合物はロートグラビアセルの端から堆積され、その混合物のない領域を囲む表面から距離が離れるにつれて堆積物の厚さが低減する、独特の構造を生成した。もしセルが互いに十分に近接していれば、表面構造は相互に接続されてみえる。この生成物は特に眼科の清澄手術（fining operations）に、非常に有用であることが判明した。このようなロートグラビア法のさらなる改良が米国特許５，８４０，０８８号に記載された。この方法は非常に有用であるが、堆積パターンが長引いた製造運転の間にわずかに変化しうるような、ロートグラビアロールのセルにおける材料の増大する蓄積（build-up）について潜在な問題がある。加えて、その方法の性質は、比較的微細な砥粒（通常２０m未満）を含む配合物に限定する。

設計された研磨材を製造するもう１つの解決法は基板表面上に砥粒／バインダー混合物を堆積し、そしてついで所望のパターン化表面の反転形（inverse）を有する型と接触する間にバインダーを硬化させることにより、混合物上に分離された構造を有する配列を含むパターンを付与することにより供給される。この解決法は米国特許第５，４３７，７５４；５，３７８，２５１；５，３０４，２２３および５，１５２，９１７号に記載されている。このテーマについてはいくつかの変動があるが、パターンの各構造はバインダーを硬化することにより固定されるが、複合体は成形面（molding surface）と接触しているという共通の特徴を有する。

米国特許第５，８６３，３０６号明細書において、Ｗｅｉらは砥粒／硬化性バインダー混合物に加えるエンボス加工（embossing process）により設計された研磨材のもう１つの製造法を記載した。

米国特許第５，８３３，７２４号明細書は、設計された表面にわたって「機能的粉末」（”functional powder”）を重ねることにより、従来法で堆積された、設計研磨材構造を改良した。この機能的粉末は、砥粒もしくは研削助剤、または設計された研磨材表面に特別な、有利な性質を運ぶ、いかなる他の添加剤であってもよい。たいていは、その粉末は砥粒と研削助剤の混合物である。このような機能的粉末は非常に攻撃的な初期切削（initial cut）を付与し、非常に望ましい。

本発明は機能的粉末被覆から最大の利益を実現する、上記のコンセプトをさらに改良するものである。

本発明は、共通の基材に結合された多数の形成された複合体を含むように設計されている研磨材表面を有する被覆研磨材であり、該複合体は硬化した樹脂を含み、その中に分散された砥粒、ならびに形成された研磨材複合体にわたって付着され、そして接着された機能的粉末の粒子層を有し、トップ上引き層が機能的粉末粒子の上に置かれることを特徴とする被覆研磨材を要旨とする。

「トップ上引き（接着）層」（”top size coat”）は、硬化されたバインダーを含む層であり、機能的粉末にわたって堆積され、研削時に粉末の粒子をその場に保持するのを助ける作用をする。その名前が示すように、それは被覆研磨材の最上層であり、したがって被覆研磨材が使用されるときに最初に加工物と接触する層である。このトップ上引き層は、表面の物性および／または外観を変性するためにフィラーもしくは顔料のような、他の非砥粒成分を含みうる。バインダーは熱硬化性樹脂もしくは放射線硬化性樹脂でありうる。このような樹脂の例は、フェノール／ホルムアルデヒド樹脂；尿素／ホルムアルデヒド樹脂；エポキシ樹脂；（メタ）アクリレートポリマーおよびコポリマー;ウレタン（メタ）アクリレート樹脂；ポリエステル／（メタ）アクリレート樹脂；エポキシ−（メタ）アクリレート樹脂ならびにこのような用途に対してこの分野で知られている他の樹脂を含む。

トップ上引き層は、付着される層に適合しうることが好ましい。これは硬化されたトップ上引き層が研削条件下ですぐにはがれないことを確実にするのに好適である。たとえば、硬化されたバインダーがアクリレートにもとづく放射線硬化バインダーである複合体は、アクリレート樹脂、エポキシ樹脂、もしくはフェノール樹脂でもあるトップ上引き層により上に置かれる。

本発明は、設計された研磨材表面が、その表面に別々に付着および結合され、またはＵＶ硬化性バインダー／砥粒混合物に付着されている機能的粉末の被覆を含むときに特に有用であり、米国特許第５，８３３，７２４号に教示されるように、複合体の表面層に粉末が集中されるようにバインダーの硬化前に、複合体は形成される。

本発明において、「機能的粉末」（”functional powder”）は、付着される設計された砥粒の研磨特性を変性する微細に分割された材料をいうのに用いられる。これは設計された研磨材をもっと攻撃的に切削させ、または表面での切りくずもしくは静電荷の蓄積を減少させるのに容易でありうる。いくつかの機能的粉末は、樹脂配合物とエンボス加工器具の間の離型剤もしくはバリアとして、付加的に作用し得、粘着の問題を低減させ、改良された離型を可能にする.「機能的粉末」の見出しで含まれるのは、微細な砥粒、研削助剤、帯電防止添加剤、潤滑剤粉末等である。粉末の個々の粒子は１〜１５０μm、もっと好ましくは１０〜１００μmのような、約２５０μmより小さい平均粒径（Ｄ₅₀）を有するのが通常である。

設計された研磨材表面の生成は、この分野で公知のいかなる方法によってもなされ得、砥粒およびバインダー前駆体のスラリー複合体は硬化されるが、基材に1つの表面を接着し、他方の表面に製造工具の内側表面の正確な形状を付与するために、基材および製造工具に接触される。このような方法は、たとえば米国特許第５，１５２，９１７；５，３０４，２２３；５，３７８，２５１；および５，４３７，２５４号に記載されており、そのすべては引用によりここに組入れられる。代替的な生成法はロードグラビア被覆を含み、米国特許第５，０１４，４６８および４，７７３，９２０号に記載され、これらもここに組入れられる。

設計された研磨材の表面はいかなる所望のパターンも有し得、これは被覆研磨材の意図された目的により決定されるのがたいていである。たとえば表面が所望の方向に配向された、交互のうねと谷で形成されることが可能である。あるいは表面は、分離され、もしくは相互に接続され、そして隣接形状が同一でも異なってもよい、多数の突き出た複合体形状を備え得る。たいていは、設計された研磨材の表面は被覆研磨材にわたって所定のパターンで実質的に同一の形状、もしくは繰返し形状の群を有する。このような形状は正方形もしくは三角形の底部を有するピラミッド形状であり得、またはそれらは隣り合う面が会う明瞭なかどのないもっと丸い形状を有しうる。その丸い形状は断面が円形、もしくは堆積条件および意図される用途に依存して延ばされうる。形状の規則性は意図される用途にある程度、依存する。もっと間隔が密な形状、たとえば１cm²あたり約１０００、は微細仕上げもしくは磨きに好適であるが、もっと攻撃的な切削はもっと広い間隔の形状が好ましい。

配合物の砥粒成分は、アルファアルミナ（溶融もしくは焼成セラミック）、炭化ケイ素、溶融アルミナ／ジルコニア、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド等、ならびにそれらの組合わせのようなこの分野で知られている、入手可能なものは何でもよい。本発明で有用な砥粒は、通常そして好ましくは、１〜１５０μmそしてもっと好ましくは１〜８０μmの平均粒径を有する。しかし、一般に、存在する砥粒の量は配合物の約１０〜約９０wt％、そして好ましくは約３０〜８０wt％を与える。

配合物の主な他の成分はバインダーである。これは電子線、ＵＶ放射もしくは可視光を用いる硬化性樹脂のような、放射線硬化性樹脂、たとえばアクリルエポキシ樹脂のアクリル化オリゴマー、アクリル化ウレタンおよびポリエステルアクリレートならびにモノアクリル化および／またはマルチアクリル化モノマーを含むアクリル化モノマー、から選ばれる硬化性樹脂配合物である。実際に、配合物が堆積された形状の安定性を増すために堆積された後に、比較的すぐに硬化される配合物中に存在する放射線硬化性成分を有することが便利なことが多い。この用途のためには、「放射線硬化性」（”radiation curable”）という文言は、可視光、紫外（ＵＶ）光および電子線放射が硬化を引起すので、それらの作用物（agents）の使用を包含すると理解される。いくつかの場合には、熱硬化機能および放射線硬化機能は、同一分子内に異なる機能性により付与されうる。これは望ましい手段であることが多い。樹脂バインダー配合物は、浸食性を高めることにより堆積された砥粒複合体の自生作用（self-sharpening）特性を高めうる非反応性熱可塑性樹脂も含みうる。このような熱可塑性樹脂の例は、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、およびポリオキシプロピレン−ポリオキシエチレンブロックコポリマー等を含む。

フィラーは配合物のレオロジーおよび硬化したバインダーの硬さおよいタフネスを変性するために砥粒スラリー配合物に配合されうる。有用なフィラーの例は：炭酸カルシウム、炭酸ナトリウムのような金属炭酸塩；石英、ガラスビーズ、ガラスバブルのようなシリカ；タルク、クレー、メタケイ酸カルシウムのようなケイ酸塩；硫酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウムのような金属硫酸塩；酸化カルシウム、酸化アルミニウムのような金属酸化物；ならびに三水和アルミニウム、を含む。

組織化された砥粒が形成される砥粒スラリー配合物は研削効率および切削速度を増大させるために研削助剤も含みうる。有用な研削助剤は、ハロゲン化塩のような無機物にもとづく、たとえばナトリウム氷晶石、テトラフルオロホウ酸カリウム等；または塩素化ワックスのような有機物にもとづく、たとえばポリ塩化ビニル、でありうる。この配合物において好適な研削助剤は氷晶石およびテトラフルオロホウ酸カリウムであり、１〜８０μm、そして最も好ましくは５〜３０μmの粒径を有する。研削助剤の質量パーセントは０〜５０％、そして最も好ましくは０〜３０％に及ぶ。

本発明の実施に用いられる砥粒／バインダースラリー配合物は、さらに添加剤を含みうる：すなわち、シランカップリング剤のようなカップリング剤、たとえば、ＯＳｉ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手しうるＡ−１７４およびＡ−１１００、オルガノチタネートおよびジルコアルミネート；帯電防止剤、たとえば黒鉛、カーボンブラック、等；沈澱防止剤、フュ−ムドシリカのような粘度調節剤、たとえばＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌ Ｍ５，Ａｅｒｏｓｉｌ ２００；目詰まり防止剤、たとえばステアリン酸亜鉛；潤滑剤、たとえばワックス；湿潤剤；染料;フィラー；分散剤；ならびに消泡剤を含む。

用途に依存して、スラリー表面に堆積される機能的粉末は研磨製品に独特の特性を与えうる。機能的粉末の例は：１）砥粒−すべての種類および粒径；２）フィラー−炭酸カルシウム、クレー、シリカ、ウォラストナイト、三水和アルミニウム、等；３）研削助剤−ＫＢＦ₄，氷晶石、ハロゲン化物塩、ハロゲン化炭化水素、等；４）目づまり防止剤−ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、等；５）帯電防止剤−カーボンブラック、黒鉛、等；６）潤滑剤−ワックス、ＰＴＦＥ粉末、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリシロキサン、等、を含む。

配合物が上に堆積される基材は、織物（織布、不織布もしくはフリース状）、紙、プラスチックフィルムまたは金属箔でありうる。一般に、本発明により製造される製品は精研削（fine grinding）材料を製造するのに最も有用であり、したがって非常に平滑な表面が好適である。このように、平滑な表面被覆を有する、微細にカレンダー仕上げされた紙、プラスチックフィルムもしくは織物が、本発明による複合体配合物の堆積に好適な基板であるのが通常である。

本発明は次の実施例に関してさらに説明されるが、それらは例示のためであり、本発明の範囲を限定しようとするものではないと理解される。
例１
この例において、基礎製品はＮＯＲａＸ Ｕ４６６ Ｘ１１０として商業的に販売されている商品である。この製品は、硬化されたアクリレート樹脂バインダー内に分布されたＰ１５０グリットの炭化ケイ素砥粒からなる生成複合体のランダムな三重らせんパターンを含む、設計された表面を持つ被覆研磨材である。複合体の表面は、Ｐ１５０炭化ケイ素砥粒およびフルオロホウ酸カリウムの混合物からなる機能的粉末の層を含み、アクリレート樹脂の硬化の前に付着、接着される。

この基礎製品は、基礎製品がＰｌｙｏｐｈｅｎ ４３５７５の商標でＯｘｙｃｈｅｍから入手された液状の一段階（one-step）フェノール樹脂のトップ上引き層を与えられた、本発明による製品と比較された。これは２つのロールコーターデバイスを用いて付着された。処理された被覆研磨材は１０時間にわたって６５．６℃から１２１℃に直線的に増加された温度で１２時間、硬化された、これは以後、「被覆ＮＯＲａＸ」といわれる。

２つの製品は５cm×３３５．５cmのベルトに変換され、そして低速、中圧（２３２０sfpm、１５psi）で研削試験を、研削さえる加工物としてチタンを用いて試験された。研削は一連の５秒プランジとして３０分間、実施された。削除（stock removal）は最初の１５０秒間は各プランジ後に、そしてその後は５プランジ毎に測定された。ベルトの厚さはベルト浸食（erosion）を測定するためにマイクロメータを用いてベルトに沿って３点で測定された。これは最初の３０秒間は毎プランジ後に、そしてその後は定期的に（５０〜１００秒毎に）行なわれた。

図１は時間に対してプロットされた切削速度により研削結果を示す。観察されるように、ＮＯＲａＸベルトは最良の初期切削速度を有していたが、その利点は約１５分後に消失した。被覆ＮＯＲａＸはもっと不変な切削速度を有していた。

しかし、もっと重要なファクターは研削が進行するにつれてのパターンの高さ変動である。このパラメータは図２に示され、最初の５０秒の研削の前に両方とも急速に高さを失ったことがそれより明らかである。しかし、その後、被覆ＮＯＲａＸはもっと急速ではなく高さを失う。ＮＯＲａＸ製品は最初の５秒間の研削でそのもとのパターン高さの約２０％を失うが、被覆ＮＯＲａＸ製品において、対応するパターン高さ損失はわずか１．５％であることを注目するのが重要である。このことから、減少の主な原因は形づくられた複合体自体の浸食よりも表面からの機能的粉末の損失であると結論づけられる。

上述の結論は、時間にわたって失われた累積研磨材料を比較する図３に示されるデータにより補強される。研削試験全体にわたって、被覆ＮＯＲａＸはＮＯＲａＸベルトにより失われた量の２０％より少なく失うにすぎない。
例２
この例において、設計された表面を有する、例１で用いられたのと同一の基礎被覆研磨材が使用された。しかし、トップ上引き層の性質は変えられた。この例に記載される実施において、４つの異なるトップ上引き層配合物が使用された。各場合において、バインダーは形成砥粒複合体構造を構成するのに用いられたバインダーとまさに同一であったが、その配合はバインダーとともに配合されたフィラーが異なった。各場合において、配合物は例１で用いられたのと同一の２つのロールのコーターを用いて付着された。使用された配合は次のとおりである：
試料１はアクリレート樹脂のみで上引きされた（sized）;
試料２は樹脂とともに２０wt％のウォラストナイトを含んでいた；
試料３はウォラストナイトの代わりに氷晶石を有する以外は試料２と同一であった；
試料４はトップ上引き層を全く有さなかった。

各試料は４インチ×５４インチ（１０cm×１４０cm）のベルトに変換され、それぞれは３０４ステンレス鋼でつくられた、１０インチ（２５．４cm）長さ、１．５インチ（３．８cm）ＯＤの円筒上で湿式センタレスグラインダーを用いて試験された。送り込み（in-feed）は各パスに対してもとの円筒径から０．００３インチ（０．００７６cm）増加された。各パスは２つの円筒からなり、グラインダーを通して送られた。累積切削（関連したパス数後に除去された鋼の合計量）が測定され、そしてその結果は図４としてグラフに示される。

このグラフから、累積切削がトップ上引き層なしの同一製品よりも２５％も多く改良されたことがみられうる。試験されたベルト摩耗（ベルトの厚さの損失による）は、すべてのベルトでほとんど同一であった。

上述のデータから、被覆ＮＯＲａＸベルトの予測しうる寿命はＮＯＲａＸベルトよりもはるかに長く、しかも切削速度は、初期研削期間後にはやや類似するが、被覆ＮＯＲａＸベルトの寿命の間に除去しうる金属の合計量ははるかに大きい、ことが明らかである。

例１における比較評価の、時間に対する切削速度の変動を示すグラフ。 例１における、時間に対するパターン高さの変動を示すグラフ。 例１における、時間に対する累積研磨材量損失を示すグラフ。 例２における、異なるトップ上引き層配合についてのパス数に対する切削速度のグラフ。

Claims (9)

1. ａ）基材、
   ｂ）硬化樹脂と硬化樹脂中に分散した砥粒を含み、基材に接触している複数の成形複合体、
   ｃ）成形複合体上の機能性粒子であって、砥粒、フィラー、研削助剤、静電防止剤、目詰まり防止剤および潤滑粒子から選択される粒子を含み、成形複合体に含まれる硬化樹脂により成形複合体に結合されている機能性粒子、および
   ｄ）機能性粒子上に形成され、硬化樹脂を含むトップ上引き層であって、研削助剤、不活性フィラー、帯電防止剤、潤滑材、目づまり防止剤ならびにそれらの混合物からなる群より選ばれる１つ以上の添加剤を含むトップ上引き層、
   を含む被覆研磨材。
2. ａ）基材、
   ｂ）硬化樹脂と硬化樹脂中に分散した砥粒を含み、基材に接触している複数の成形複合体、
   ｃ）成形複合体上の機能性粒子であって、砥粒、フィラー、研削助剤、静電防止剤、目詰まり防止剤および潤滑粒子から選択される粒子を含み、成形複合体に含まれる硬化樹脂により成形複合体に結合されている機能性粒子、および
   ｄ）機能性粒子上に形成され、硬化樹脂を含むトップ上引き層であって、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、石英、ガラスビーズ、ガラスバブル、タルク、クレー、メタケイ酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、三水和アルミニウムならびにそれらの混合物からなる群より選ばれるフィラーを含むトップ上引き層、
   を含む被覆研磨材。
3. ａ）基材、
   ｂ）硬化樹脂と硬化樹脂中に分散した砥粒を含み、基材に接触している複数の成形複合体、
   ｃ）成形複合体上の機能性粒子であって、砥粒、フィラー、研削助剤、静電防止剤、目詰まり防止剤および潤滑粒子から選択される粒子を含み、成形複合体に含まれる硬化樹脂により成形複合体に結合されている機能性粒子、および
   ｄ）機能性粒子上に形成され、硬化樹脂を含むトップ上引き層であって、５０wt％までの研削助剤を含むトップ上引き層、
   を含む被覆研磨材。
4. 成形複合体中の樹脂が、熱硬化性樹脂および放射線硬化性樹脂からなる群より選ばれる請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆研磨材。
5. トップ上引き層中の樹脂が、熱硬化性樹脂および放射線硬化性樹脂ならびにそれらの組み合わせからなる群より選ばれる請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆研磨材。
6. トップ上引き層が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル化エポキシ樹脂のアクリル化オリゴマー、アクリル化ウレタン、ポリエステルアクリレート、アクリル化モノマーおよびポリアクリル化モノマーを含むポリマー、ならびにそれらの混合物からなる群より選ばれる樹脂を含む請求項５記載の被覆研磨材。
7. 成形複合体が、セリア、アルミナ、溶融アルミナ／ジルコニア、炭化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドおよびそれらの混合物からなる群より選ばれる砥粒の粒子を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆研磨材。
8. 研削助剤は１０〜３０wt％の量で存在し、ナトリウム氷晶石、テトラフルオロホウ酸カリウム、塩素化炭化水素、ワックス、ポリ塩化ビニル、およびそれらの混合物からなる群より選ばれる請求項３〜７のいずれか１項に記載の被覆研磨材。
9. 機能性粒子が、砥粒、粘土、シリカ、ケイ灰石、三水和アルミニウム、ＫＢＦ_４、氷晶石、ハロゲン化物塩、ハロゲン化炭化水素、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、カーボンブラック、グラファイト、ワックス、ＰＴＦＥ粉末、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールおよびポリシロキサンからなる群より選ばれる請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆研磨材。

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