JP5107592B2 - 研削・研磨シート及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属、セラミックス、プラスチック、あるいはガラス等の切断又は研磨に用いられる研削・研磨用のシートにおいて、特に加工面に高い平滑性・面精度が求められる材料の研削・研磨に用いるナノファイバーシート及びその製造方法に関するものである。

加工面に高い平滑性が要求される超精密加工物は、その表面に不要な突起やキズがあると本来得られる機能が発揮されなくなるため、加工表面の面精度の確保が重要となっている。
例えば、ハードディスクドライブの磁気ヘッドは、記録密度の向上に伴ってメディアとの浮上距離が１０ｎｍ以下になっており、その表面に高い平滑性と精度が要求される。

一般的に加工表面の高い平滑性・面精度が要求される工業製品の研削・研磨は、主に、遊離砥粒と加工液を用いた遊離砥粒方式、又は、砥粒とバインダーからなる研磨層に形成した研磨・研削工具（例えば、砥石やプラスチックスフィルム表面研磨テープ）を用いた固定砥粒方式が行われている。

遊離砥粒方式は、砥粒と加工液を用いた湿式研磨であるため、消耗量、作業工数などが嵩み非常に効率が悪く、近年では、環境負荷問題からも遊離砥粒方式から固定砥粒方式に移行しており、今後益々固定砥粒方式への需要が高まっている。
一方、固定砥粒方式で加工表面の平滑性・面精度を高くするには、超微粒子径の砥粒を使用して加工物表面へ与えるダメージを小さくして加工を行えばよいのであるが、超微粒子径を使用する場合、被加工物である研磨・研削工具の表面も平滑性を持つ状態となり、研磨力が低下する傾向に陥り研磨性能が落ちるだけでなく、局部的な研磨ムラが生じてしまい、研磨残しが発生しやすくなるという問題が生じる。
超微粒子径の砥粒を使用して研磨性能を高めるためには、砥粒の集中度を上げ、加工物表面への作用砥粒数を増加させ、且つ、作用する個々の砥粒の研削負荷を均一にすればよいが、このような場合、砥粒が二次凝集してしまい、加工物表面へ与えるダメージを大きくしてしまうという問題が生じる。

したがって、超微粒子径の砥粒を用いて、加工面に高い平滑性・面精度が要求される超精密加工物を加工する場合、研磨・研削工具の研磨層に超微粒子径の砥粒が多い状態において、如何にして該砥粒を単分散化させるかが開発の課題となっている。

如上に鑑みて、本発明の技術的課題は、金属、セラミックス、プラスチックス、あるいはガラス等の切断又は研磨に用いられる研削・研磨シートを、エレクトロスピニング法によるナノファイバーシートの成膜技術を利用して製造し、特に加工面に高い平滑性・面精度が要求される超精密加工物の研削・研磨に最適な研削・研磨シート及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の研削・研磨シートは、高分子化合物溶液中に平均粒子径が１ｎｍ〜５００００ｎｍの範囲内にある超微粒子径の砥粒を分散させたポリマー溶液を用いて、エレクトロスピニング法による紡糸によりナノファイバーシートに成膜してなり、該シートを構成するナノファイバーに上記砥粒を保持させていることを特徴とするものである。
本発明の好ましい実施形態においては、上記シートを構成するナノファイバーを、加熱焼成または架橋反応により相互に固化させた構成とするのが好適である。

また、本発明の研削・研磨シートの製造方法は、高分子化合物溶液中に平均粒子径が１ｎｍ〜５００００ｎｍの範囲内にある超微粒子径の砥粒を分散させたポリマー溶液を、エレクトロスピニング法により紡糸しながらナノファイバーシートに成膜し、該シートを構成するナノファイバーに上記砥粒を保持させた研削・研磨シートを得ることを特徴とする。
本発明における研削・研磨シートの製造方法においては、上記シートを構成するナノファイバーを、加熱して焼成することにより相互に焼結させ、あるいは上記シートを構成するナノファイバーを、該ナノファイバーを構成する高分子化合物の架橋反応により相互に固化させるのが有効である。

本発明に係る研削・研磨シート及びその製造方法によれば、エレクトロスピニング法により紡糸しながら成膜したナノファイバーシートの線径が１０〜数１００ｎｍオーダーと細く、内部にナノオーダーの砥粒（１ｎｍ〜５００００ｎｍの範囲から選択される平均粒子径を有する砥粒）を分散させても二次凝集化することがなく、ナノファイバー及び該ナノファイバーからなるシート中に上記ナノオーダーの砥粒が多い状態でも単分散化される。また、ナノファイバーシートは、気孔率が高く、且つ内部構造・表面構造が微細であるため、研削・研磨に優れた特性を付与でき、加工面に高い平滑性・面精度が要求される超精密加工物の加工に最適な研削・研磨シートを得ることができる。

以上に詳述した本発明によれば、金属、セラミックス、プラスチック、あるいはガラス等の切断又は研磨に用いられる研削・研磨シートを、超微粒子径の砥粒を分散させたポリマー溶液を用いてエレクトロスピニング法による紡糸によりナノファイバーシートに成膜して、該シートを構成するナノファイバーに上記砥粒を保持させることにより、特に加工面に高い平滑性・面精度が求められる研削・研磨に最適な研削・研磨シート及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明に係る研削・研磨シート及びその製造方法について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る研削・研磨シートとしてのナノファイバーシートを、エレクトロスピニング法を用いて成膜するための電界紡糸装置を概略的に説明する概念図である。
本発明に係る研削・研磨シートは、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の熱可塑性樹脂からなる高分子化合物溶液中に、ダイヤモンドやＣＢＮ等の高硬度物質を粉砕したナノオーダーの砥粒を、１ｎｍ〜５００００ｎｍの範囲内の平均粒子径のものから選択的に分散させることによってポリマー溶液を作り、該ポリマー溶液を、図１に示す電界紡糸装置を利用してエレクトロスピニング法による紡糸を行うことにより、上記砥粒を保持させたナノファイバーシートとして成膜するものである。
上記電界紡糸装置は、図１に示すように、概略的には、電源Ｖのプラス電極に接続した注射器の形態を有するポリマー溶液２の射出器４と、マイナスの電極に接続した平面状の基板６とからなり、両電極間に高電圧（数１０００〜４００００Ｖ程度）を印加し、射出器４の先端ノズル５から射出されたプラスの電荷を帯びたポリマー溶液２が、極細糸状になって電界中をマイナス電極の上記基板６に向かって吸い寄せられ、該基板６上で極細糸のナノファイバー８からなる繊維層となってナノファイバーシート１０を成膜するものである。

上記電界紡糸装置を利用して本発明に係る研削・研磨シートとしてのナノファイバーシートを成膜する場合には、上記砥粒としては、平均粒子径が小さいもので約１ｎｍ、大きなものでも約５００００ｎｍ程度の超微粒子径を有するダイヤモンドやＣＢＮ等の高硬度物質からなるものが使用される。粒子径が上記範囲より小さくなれば、研削・研磨機能が不十分になり、逆に大きくなれば、加工面の平滑性が低下する。より好ましい粒子径は、
１０ｎｍ〜１００００ｎｍであるが、研削・研磨対象に応じて適切な範囲の粒子径の砥粒が用いられる。一方、上記電界紡糸装置を利用したエレクトロスピニング法によって紡糸される熱可塑性樹脂からなるナノファイバーは、その平均径が約１０〜数１００ｎｍの範囲内で作製されるが、このとき、該ナノファイバーの径よりも大きい粒子径の砥粒は、多数のナノファイバー間に跨がって強固に保持され、また、該ナノファイバーの径よりも小さい粒子径の砥粒は、単糸のナノファイバー表面に固着した状態で保持される。

上記研削・研磨シートは、エレクトロスピニング法によって紡糸したそのままの状態で十分な研磨力を有するものであるが、当該研削・研磨シートを構成するナノファイバーを加熱して焼成して相互に焼結することによって該ナノファイバーを炭素繊維化又はグラファイト繊維化させ、あるいは該ナノファイバーを構成する高分子化合物の架橋反応により相互に固化させることによって、上記砥粒をより安定的にナノファーバーに保持させることができるので、該シートの研削・研磨性能をよりいっそう高めることができる。
なお、上記ナノファイバーを加熱焼成する温度は、数１００℃〜２５００℃の範囲内において、上記ポリマー溶液に使用する高分子化合物の特性に応じた最も適切な温度で焼成することができ、また、上記ナノファイバーを構成する高分子化合物を架橋反応により相互に固化させる場合には、上記ポリマー溶液に使用する高分子化合物の特性に応じて適宜架橋剤を使用することができる。

［実施例１］
高分子化合物溶液として、蒸留水９０重量部とＰＶＡ１０重量部とを約８０℃の熱を加えながら６時間攪拌して作製した１０ｗｔ％ＰＶＡ溶液を使用し、超微粒子径の砥粒として、平均粒子径が１００ｎｍ、７００ｎｍ及び１０００ｎｍの３種類のダイヤモンド粉末を使用した。そして、これらの３種類のダイヤモンド粉末からなる砥粒を、ＰＶＡの重量に対して５ｗｔ％と１５ｗｔ％になるように上記高分子化合物溶液に混合した各２種類のダイヤモンド粉末入りＰＶＡ溶液を作製した。
次に、上記各粒子径及び重量％のダイヤモンド入りＰＶＡ溶液のそれぞれについて、該溶液を注射器状の射出器の容器に入れて、該射出器の先端に液滴形成させた後に、液滴が電場により噴出するよう針先端に高電圧を印加させ、下記紡糸条件下において、エレクトロスピニング法によってナノファイバーシートを作製した。図２（ａ）〜（ｃ）は、各ダイヤモンド粉末の砥粒をＰＶＡの重量に対して５ｗｔ％とした場合において、それぞれのダイヤモンド粉末入りＰＶＡ溶液を用いて成膜したナノファーバーシートの電子顕微鏡写真である。また、図３（ａ）〜（ｃ）は、各ダイヤモンド粉末の砥粒をＰＶＡの重量に対して１５ｗｔ％とした場合において、それぞれのダイヤモンド粉末入りＰＶＡ溶液を用いて成膜したナノファーバーシートの電子顕微鏡写真である。
なお、図４は、本実施例で成膜したナノファーバーシートとの比較のために、同条件でダイヤモンド粉末の砥粒を混合していないＰＶＡ溶液で成膜したナノファイバーシートの電子顕微鏡写真である。
〔紡糸条件〕
・電圧：２０ｋＶ
・紡糸時間：１時間
・針先からコレクターの距離：１００ｍｍ
・送り出し速度：０．０１５ｍｌ／ｍｉｎ

［実施例２］
高分子化合物溶液として、エタノール９０重量部と微粒子状フェノール樹脂（ユニチカ（株）製、商品名：ユニベックスＵＡ−３０Ｄ、平均粒径１６μｍ）１０重量部とを攪拌して作製したフェノール／エタノール溶液を使用し、超微粒子径の砥粒として実施例１の場合と同じダイヤモンド粉末を使用した。そして、このダイヤモンド粉末からなる砥粒を、フェノール樹脂の質量に対して１５ｗｔ％になるように混合し、ダイヤモンド粉末入りフェノール／エタノール溶液を作製した。
次に、注射器状の射出器の容器にダイヤモンド粉末入りフェノール／エタノール溶液を入れ、該射出器の先端に液滴形成させた後に、液滴が電場により噴出するよう針先端に高電圧を印加し、上記実施例１と同様の紡糸条件下において、エレクトロスピニング法によりナノファイバーシートを作製した。
その後、得られたナノファイバーシートを窒素雰囲気中で９００℃まで昇温し、その温度を保持した状態で２時間真空中にて焼成炭素化を行い、磁気ヘッド等の研磨に適した研削・研磨シートを得た。

［実施例３］
高分子化合物溶液として、紫外線硬化性樹脂インキ（帝国インキ製造（株）製、商品名：アクアＵＶＭＡＸインキ）２５重量部とアクア希釈剤７５重量部とを攪拌して作製した紫外線硬化性樹脂インキ溶液を使用し、超微粒子径の砥粒として実施例１の場合と同じダイヤモンド粉末を使用した。そして、このダイヤモンド粉末からなる砥粒を、紫外線硬化性樹脂インキの重量に対して１５ｗｔ％になるように混合し、ダイヤモンド粉末入り紫外線硬化性樹脂インキ溶液を作製した。
次に、注射器状の射出器の容器にダイヤモンド粉末入り紫外線硬化性樹脂インキ溶液を入れ、該射出器の先端に液滴形成させた後に、液滴が電場により噴出するよう針先端に高電圧を印加させ、上記実施例１と同様の紡糸条件下において、エレクトロスピニング法によりナノファイバーシートを作製した。
その後、得られたナノファイバーシートに紫外線管を用いて紫外線を１０分間照射して架橋反応により固化させ、磁気ヘッド等の研磨に適した研削・研磨シートを得た。

本発明に係る研削・研磨シートとしてのナノファイバーシートを成膜するための装置を概略的に説明する概念図である。 本発明に係る研削・研磨シートの実施例１において、平均粒子径が１００ｎｍの砥粒をＰＶＡの重量に対して５ｗｔ％としたポリマー溶液で成膜したナノファイバーシートの電子顕微鏡写真である。 本発明に係る研削・研磨シートの実施例１において、平均粒子径が７００ｎｍの砥粒をＰＶＡの重量に対して５ｗｔ％としたポリマー溶液で成膜したナノファイバーシートの電子顕微鏡写真である。 本発明に係る研削・研磨シートの実施例１において、平均粒子径が１０００ｎｍの砥粒をＰＶＡの重量に対して５ｗｔ％としたポリマー溶液で成膜したナノファイバーシートの電子顕微鏡写真である。 本発明に係る研削・研磨シートの実施例１において、平均粒子径が１００ｎｍの砥粒をＰＶＡの質量に対して１５ｗｔ％としたポリマー溶液で成膜したナノファイバーシートの電子顕微鏡写真である。 本発明に係る研削・研磨シートの実施例１において、平均粒子径が７００ｎｍの砥粒をＰＶＡの質量に対して１５ｗｔ％としたポリマー溶液で成膜したナノファイバーシートの電子顕微鏡写真である。 本発明に係る研削・研磨シートの実施例１において、平均粒子径が１０００ｎｍの砥粒をＰＶＡの質量に対して１５ｗｔ％としたポリマー溶液で成膜したナノファイバーシートの電子顕微鏡写真である。 ＰＶＡ溶液のみで成膜したＰＶＡナノファイバーシートの電子顕微鏡写真である。

符号の説明

２ ポリマー溶液
８ ナノファイバー
１０ ナノファイバーシート

Claims (5)

1. 高分子化合物溶液中に平均粒子径が１ｎｍ〜５００００ｎｍの範囲内にある超微粒子径の砥粒を分散させたポリマー溶液を用いて、エレクトロスピニング法による紡糸によりナノファイバーシートに成膜してなり、該シートを構成するナノファイバーに上記砥粒を保持させている、
   ことを特徴とする研削・研磨シート。
2. 上記シートを構成するナノファイバーを、加熱焼成または架橋反応により相互に固化させた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の研削・研磨シート。
3. 高分子化合物溶液中に平均粒子径が１ｎｍ〜５００００ｎｍの範囲内にある超微粒子径の砥粒を分散させたポリマー溶液を、エレクトロスピニング法により紡糸しながらナノファイバーシートに成膜し、該シートを構成するナノファイバーに上記砥粒を保持させた研削・研磨シートを得る、
   ことを特徴とする研削・研磨シートの製造方法。
4. 上記シートを構成するナノファイバーを、加熱して焼成することにより相互に焼結させる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の研削・研磨シートの製造方法。
5. 上記シートを構成するナノファイバーを、該ナノファイバーを構成する高分子化合物の架橋反応により相互に固化させる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の研削・研磨シートの製造方法。