JP7511297B2 - フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、硬質材料の精密加工技術の分野に属し、特に、フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造方法に関する。
従来の高精密加工の分野では、遊離砥粒加工と固定砥粒加工の二種類の方法が主である。遊離砥粒加工では、高い加工能率と良好な加工品質を同時に達成することが困難であり、且つ廃棄された研磨液が環境を大変に汚染する一方、固定砥粒加工方式では、加工能率を向上させることができるものの、結合剤中に砥粒が均一に分散しにくく、砥石の加工寿命が短く、且つワークに硬い傷が発生しやすい。
遊離砥粒研磨および固定砥粒研磨における問題、および超微細砥粒の凝集問題を解決するために、ゾルゲルの原理に基づき研磨工具を作製して加工を行う、いわゆる半固定砥粒研磨法が提出されている。化学機械研磨とは異なり、この半固定砥粒研磨法は、バイオポリマー材料と繊維質マトリックスとを複合化して研磨するものであり、環境にやさしいという特徴を有するだけでなく、加工精度を高めることもできるため、今後の半導体と石材の研磨分野において巨大な優勢と展望を有している。
従来、半固定砥粒研磨に使用されるゾルゲル研磨工具の研究においては、繊維マットあるいは不織布の表面にゲルをコーティングし、硬化乾燥してから研磨に使用するのが一般的であり、こうして得られたゾルゲル研磨工具は、研磨効果が抜群であるものの、使用中に表面にゲルが一層コーティングされるに過ぎないため、工具の使用寿命が短く、長時間に渡る連続加工に対応することができない。さらに、環境保護という理念の推進に影響され、無水加工の要望がますます高まるが、現在のゾルゲル研磨工具が無水加工において損傷を受けやすい。さらに、研磨精度をより向上させ、研磨工具の産業化の要求に応えるため、新規なゾルゲル研磨工具の製造方法が強く求められている。
本発明の目的は、従来技術の欠点を克服し、フレキシブルゾルゲル研磨ブロックの製造方法を提供することである。
本発明の技術的解決策は、以下の通りである。
フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造方法であって、
（１）λ型カラギーナン、ジェランガム、カルボキシメチルセルロースナトリウム又はコンニャクゲルであるゲル化剤と、Ｗ２０ダイヤモンド砥粒とを、脱イオン水に入れて均一に攪拌する工程と、
（２）前記工程（１）で得られた材料に、４００メッシュの炭素繊維を入れて均一に混合する工程と、
（３）前記工程（２）で得られた材料を、モールドに徐々に入れて硬化させ、硬化ゲルを取得する工程と、
（４）前記硬化ゲルを乾燥させ、前記フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックを調製する工程と、を含んでおり、
前記フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックには、Ｗ２０ダイヤモンド砥粒の含有量が９～１１ｗｔ％であり、ゲル化剤の含有量が２．９～３．１ｗｔ％であり、ゲルマトリックスの含有量が３０～４０ｗｔ％であることを特徴とする、フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造方法。
フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造方法であって、
（１）λ型カラギーナン、ジェランガム、カルボキシメチルセルロースナトリウム又はコンニャクゲルであるゲル化剤と、Ｗ２０ダイヤモンド砥粒とを、脱イオン水に入れて均一に攪拌する工程と、
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（４）前記硬化ゲルを乾燥させ、前記フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックを調製する工程と、を含んでおり、
前記フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックには、Ｗ２０ダイヤモンド砥粒の含有量が９～１１ｗｔ％であり、ゲル化剤の含有量が２．９～３．１ｗｔ％であり、ゲルマトリックスの含有量が３０～４０ｗｔ％であることを特徴とする、フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造方法。
本発明の好ましい実施形態において、前記ゲル化剤はλ型カラギーナであり、前記硬化はＫＣｌ溶液に浸漬することである。
本発明の好ましい実施形態において、前記ゲル化剤はコンニャクゲルであり、前記硬化はＣａＣｌ２溶液に浸漬することである。
本発明の好ましい実施形態において、前記ゲル化剤はカルボキシメチルセルロースナトリウムであり、前記硬化はＡｌ２（ＳＯ４）３溶液に浸漬することである。
本発明の好ましい実施形態では、前記ゲル化剤はジェランガムであり、前記硬化はＫＣｌ溶液に浸漬することである。
本発明の好ましい実施形態においては、前記フレキシブルゾルゲル研磨ブロックには、ゲル化剤の含有量が３ｗｔ％であり、ゲルマトリックスの含有量が３０ｗｔ％である。
１、本発明は、フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造において、炭素繊維を特定の割合で配合することにより、製造されたフレキシブルゾルゲル研磨用ブロックに多孔質構造を持たせ、研磨工具の加工効果を向上させる。
２、本発明により製造されたフレキシブルゾルゲル研磨用ブロックは、表面に一層コーティングするのではなく、研磨用ブロック全体が研磨に使用可能であり、研磨工具の寿命を向上させることができる。
２、本発明により製造されたフレキシブルゾルゲル研磨用ブロックは、表面に一層コーティングするのではなく、研磨用ブロック全体が研磨に使用可能であり、研磨工具の寿命を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらさらに説明する。
下記実施例におけるゲルケーキの製造方法は、いずれも以下の工程を採用する。
（１）カラギーナン、ジェランゲル、カルボキシメチルセルロースナトリウム又はコンニャクゲルであるゲル化剤及びＷ２０ダイヤモンド研磨材（実施例１～２を除く）を脱イオン水中に入れて、均一に撹拌する。
（２）工程（１）で得られた材料に４００メッシュの炭素繊維を入れて均一に混合する。
（３）前記工程（２）で得られた材料をモールドに徐々注入して硬化させ、硬化ゲルを得る。
（４）前記硬化ゲルを乾燥させ、研磨用ゲルブロックを取得する。
（１）カラギーナン、ジェランゲル、カルボキシメチルセルロースナトリウム又はコンニャクゲルであるゲル化剤及びＷ２０ダイヤモンド研磨材（実施例１～２を除く）を脱イオン水中に入れて、均一に撹拌する。
（２）工程（１）で得られた材料に４００メッシュの炭素繊維を入れて均一に混合する。
（３）前記工程（２）で得られた材料をモールドに徐々注入して硬化させ、硬化ゲルを得る。
（４）前記硬化ゲルを乾燥させ、研磨用ゲルブロックを取得する。
＜実施例１＞
λ型カラギーナンを研究対象とし、炭素繊維の含有量を３０ｗｔ％に制御しゲルケーキを調製し（具体的な製造方法が実施例６を参照）、異なるゲル含有量のゲルケーキ調製への影響を研究する。図１に示すように、ゲル含量が２ｗｔ％、３ｗｔ％、及び４ｗｔ％となるように添加した際に調製したゲルケーキは、ゲル含量が２ｗｔ％と４ｗｔ％では、ゲルケーキの変形収縮が激しく、ゲル含量が３ｗｔ％では形状が完全であることがわかった。図２に示すように、ゲル含量別の体積収縮率とショア硬さとでは、ゲル含量が２ｗｔ％では体積収縮率が大きく、３ｗｔ％及び４ｗｔ％では体積収縮率の変化が小さく、ゲル含量に伴う硬さの変化が小さいことがわかった。したがって、ゲル含量が３ｗｔ％の時に調製したゲルブロッキングが最も性能が良いことがわかった。
λ型カラギーナンを研究対象とし、炭素繊維の含有量を３０ｗｔ％に制御しゲルケーキを調製し（具体的な製造方法が実施例６を参照）、異なるゲル含有量のゲルケーキ調製への影響を研究する。図１に示すように、ゲル含量が２ｗｔ％、３ｗｔ％、及び４ｗｔ％となるように添加した際に調製したゲルケーキは、ゲル含量が２ｗｔ％と４ｗｔ％では、ゲルケーキの変形収縮が激しく、ゲル含量が３ｗｔ％では形状が完全であることがわかった。図２に示すように、ゲル含量別の体積収縮率とショア硬さとでは、ゲル含量が２ｗｔ％では体積収縮率が大きく、３ｗｔ％及び４ｗｔ％では体積収縮率の変化が小さく、ゲル含量に伴う硬さの変化が小さいことがわかった。したがって、ゲル含量が３ｗｔ％の時に調製したゲルブロッキングが最も性能が良いことがわかった。
＜実施例２＞
含有量３ｗｔ％のλ型カラギーナンをゲル化剤とし、炭素繊維をマトリックスとし、異なる含有量の炭素繊維のゲルケーキ調製（具体的な製造方法が実施例６を参照）への影響を研究する。以前の経験により、ゲル含有量をそれぞれ１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％及び４０ｗｔ％とし、図３に、異なる含有量の繊維で調製されたゲルケーキの図面が示されている。図面から分かるように、炭素繊維の含有量が１０ｗｔ％と２０ｗｔ％である場合に、ゲルケーキの変形がより大きく、３０ｗｔ％と４０ｗｔ％の場合に、変形がより小さい。表１に、異なる繊維含有量のゲルケーキの性能が示され、そのうち、炭素繊維の含有量の増加に連れて、性能が強くなり、３０ｗｔ％と４０ｗｔ％の場合に基本的に安定になるため、炭素繊維の含有量を３０ｗｔ％とするのは経済的である。
含有量３ｗｔ％のλ型カラギーナンをゲル化剤とし、炭素繊維をマトリックスとし、異なる含有量の炭素繊維のゲルケーキ調製（具体的な製造方法が実施例６を参照）への影響を研究する。以前の経験により、ゲル含有量をそれぞれ１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％及び４０ｗｔ％とし、図３に、異なる含有量の繊維で調製されたゲルケーキの図面が示されている。図面から分かるように、炭素繊維の含有量が１０ｗｔ％と２０ｗｔ％である場合に、ゲルケーキの変形がより大きく、３０ｗｔ％と４０ｗｔ％の場合に、変形がより小さい。表１に、異なる繊維含有量のゲルケーキの性能が示され、そのうち、炭素繊維の含有量の増加に連れて、性能が強くなり、３０ｗｔ％と４０ｗｔ％の場合に基本的に安定になるため、炭素繊維の含有量を３０ｗｔ％とするのは経済的である。
表１は、異なる炭素繊維含有量のゲルブロックの性能を示す。
［表１］
［表１］
＜実施例３＞
室温でコンニャクゲル３ｇ、炭素繊維３０ｇ及びＷ２０ダイヤモンド砥粒１０ｇを１００ｍＬの脱イオン水に入れて８時間撹拌し、０．５ｍｏｌ／ＬのＣａＣｌ２溶液を調製し、均一に撹拌された混合溶液を円形のモールドに徐々に入れ、調製されたＣａＣｌ２溶液に入れ、常温で３時間静置し、最後に、硬化したゲルブロックを常温常圧下で７２時間乾燥させる。このように得られたゲルブロックは図４に示され、そのミクロ形態が図５に示され、研磨圧力１５Ｎ、研磨回転数１００ｒ／ｍｉｎ、研磨時間１４ｍｉｎで研磨された大理石の表面形態が図６に示される。以下の実施例の加工パラメータは同一であり、大理石の表面粗さがほぼ３５ｎｍであり、表面光沢度がほぼ８８である。
室温でコンニャクゲル３ｇ、炭素繊維３０ｇ及びＷ２０ダイヤモンド砥粒１０ｇを１００ｍＬの脱イオン水に入れて８時間撹拌し、０．５ｍｏｌ／ＬのＣａＣｌ２溶液を調製し、均一に撹拌された混合溶液を円形のモールドに徐々に入れ、調製されたＣａＣｌ２溶液に入れ、常温で３時間静置し、最後に、硬化したゲルブロックを常温常圧下で７２時間乾燥させる。このように得られたゲルブロックは図４に示され、そのミクロ形態が図５に示され、研磨圧力１５Ｎ、研磨回転数１００ｒ／ｍｉｎ、研磨時間１４ｍｉｎで研磨された大理石の表面形態が図６に示される。以下の実施例の加工パラメータは同一であり、大理石の表面粗さがほぼ３５ｎｍであり、表面光沢度がほぼ８８である。
＜実施例４＞
炭素繊維含有量を３０ｗｔ％とし、室温でカルボキシメチルセルロースナトリウム６ｇとＷ２０ダイヤモンド研磨剤２０ｇを２００ｍＬの脱イオン水に入れて均一に撹拌し、炭素繊維６０ｇを当該混合物に入れて８時間十分に混合撹拌し、０．５ｍｏｌ／ＬのＡｌ２（ＳＯ４）３溶液を調製し、均一に撹拌された混合溶液を円形のモールドに徐々に入れて、調製されたＡｌ２（ＳＯ４）３溶液に入れ、常温で３時間静置し、最後に、カルボキシメチルセルロースナトリウムゲルを取り出して凍結乾燥機に投入し、凍結温度が－４０℃より低く、凍結時間が８ｈであり、乾燥時間が１０ｈであり、真空圧力が１５Ｐａより低く、環境温度が１５℃であるように設置され、ゲルブロックが調製される。当該ゲルブロックは図７に示され、その微視的な形態が図８に示され、調製された弾性、良好な疎水性および多孔質構造を備え、且つ一定の気圧に耐えられるゲルブロックにより、大理石を研磨する研磨実験の優れた効果が図９に示される。研磨後の大理石の表面粗さは２７．５５２ｎｍであり、光沢度は９０であるが、このような大理石工場出荷時の標準光沢度は約８０である。
炭素繊維含有量を３０ｗｔ％とし、室温でカルボキシメチルセルロースナトリウム６ｇとＷ２０ダイヤモンド研磨剤２０ｇを２００ｍＬの脱イオン水に入れて均一に撹拌し、炭素繊維６０ｇを当該混合物に入れて８時間十分に混合撹拌し、０．５ｍｏｌ／ＬのＡｌ２（ＳＯ４）３溶液を調製し、均一に撹拌された混合溶液を円形のモールドに徐々に入れて、調製されたＡｌ２（ＳＯ４）３溶液に入れ、常温で３時間静置し、最後に、カルボキシメチルセルロースナトリウムゲルを取り出して凍結乾燥機に投入し、凍結温度が－４０℃より低く、凍結時間が８ｈであり、乾燥時間が１０ｈであり、真空圧力が１５Ｐａより低く、環境温度が１５℃であるように設置され、ゲルブロックが調製される。当該ゲルブロックは図７に示され、その微視的な形態が図８に示され、調製された弾性、良好な疎水性および多孔質構造を備え、且つ一定の気圧に耐えられるゲルブロックにより、大理石を研磨する研磨実験の優れた効果が図９に示される。研磨後の大理石の表面粗さは２７．５５２ｎｍであり、光沢度は９０であるが、このような大理石工場出荷時の標準光沢度は約８０である。
＜実施例５＞
室温でジェランガム６ｇおよびＷ２０ダイヤモンド砥粒２０ｇを２００ｍＬの脱イオン水に入れて均一に撹拌し、炭素繊維６０ｇを入れて７時間十分に混合撹拌し、０．５ｍｏｌ／ＬのＫＣｌ溶液を調製し、均一に撹拌された混合溶液を円形のモールドに徐々に入れて、調製されたＫＣｌ溶液に入れ、常温で５時間静置し、最後に、ジェルゲルを取り出して２時間マイクロ乾燥させ、ジェルブロックが調製される。得られたブロックは図１０に示され、その微視的な形態が図１１に示され、調製された弾性、良好な疎水性および多孔質構造を備え、且つ一定の気圧に耐えられるゲルブロックにより、大理石を研磨する研磨実験の優れた効果が図１２に示される。研磨後の大理石の表面粗さは３０．３７８ｎｍであり、測定された光沢度の平均値が９２であるが、このような大理石工場出荷時の標準光沢度は約８０である。
室温でジェランガム６ｇおよびＷ２０ダイヤモンド砥粒２０ｇを２００ｍＬの脱イオン水に入れて均一に撹拌し、炭素繊維６０ｇを入れて７時間十分に混合撹拌し、０．５ｍｏｌ／ＬのＫＣｌ溶液を調製し、均一に撹拌された混合溶液を円形のモールドに徐々に入れて、調製されたＫＣｌ溶液に入れ、常温で５時間静置し、最後に、ジェルゲルを取り出して２時間マイクロ乾燥させ、ジェルブロックが調製される。得られたブロックは図１０に示され、その微視的な形態が図１１に示され、調製された弾性、良好な疎水性および多孔質構造を備え、且つ一定の気圧に耐えられるゲルブロックにより、大理石を研磨する研磨実験の優れた効果が図１２に示される。研磨後の大理石の表面粗さは３０．３７８ｎｍであり、測定された光沢度の平均値が９２であるが、このような大理石工場出荷時の標準光沢度は約８０である。
＜実施例６＞
常温常圧下で、λ型カラギーナン６ｇとW２０ダイヤモンド砥粒２０ｇを２００ｍＬの脱イオン水に入れて均一に撹拌し、炭素繊維６０ｇを入れて７時間十分に混合撹拌し、０．５ｍｏｌ／ＬのＫＣｌ溶液を調製し、均一に撹拌された混合溶液を円形のモールドに徐々に入れて、調製されたＫＣｌ溶液に入れ、常温で３時間静置し、最後に、カラギーナンゲルを取り出して５０℃のオーブン内で２時間熱風乾燥させ、カラギーナンゲルブロックが調製される。得られたブロックは図１３に示され、微視的な形態が図１４に示され、調製されたゲルブロックにより大理石を研磨する研磨実験の優れた効果が図１５に示される。研磨後の大理石の粗さは３０．３７８ｎｍであり、測定された光沢度の平均値が９２であるが、このような大理石工場出荷時の標準光沢度が約８０である。
常温常圧下で、λ型カラギーナン６ｇとW２０ダイヤモンド砥粒２０ｇを２００ｍＬの脱イオン水に入れて均一に撹拌し、炭素繊維６０ｇを入れて７時間十分に混合撹拌し、０．５ｍｏｌ／ＬのＫＣｌ溶液を調製し、均一に撹拌された混合溶液を円形のモールドに徐々に入れて、調製されたＫＣｌ溶液に入れ、常温で３時間静置し、最後に、カラギーナンゲルを取り出して５０℃のオーブン内で２時間熱風乾燥させ、カラギーナンゲルブロックが調製される。得られたブロックは図１３に示され、微視的な形態が図１４に示され、調製されたゲルブロックにより大理石を研磨する研磨実験の優れた効果が図１５に示される。研磨後の大理石の粗さは３０．３７８ｎｍであり、測定された光沢度の平均値が９２であるが、このような大理石工場出荷時の標準光沢度が約８０である。
以上の説明は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の実施範囲をこれらによって限定することができず、即ち、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に基づく等価な変更及び修飾は、いずれも本発明の包括的な範囲内に属する。
本発明は、フレキシブルゾルゲル研磨用グブロックの製造方法を開示しており、（１）ゲル化剤とＷ２０ダイヤモンド砥粒を脱イオン水に入れて均一に撹拌する工程と、（２）前記工程（１）で得られた材料に４００メッシュの炭素繊維を入れて均一に混合する工程と、（３）前記工程（２）で得られた材料をモールドに徐々に入れて硬化し、硬化ゲルを取得する工程と、（４）前記硬化ゲルを乾燥させ、前記フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックを調製するする工程と、が含まれている。本発明は、ゾルゲルマトリックスを調製する際に、特定の割合の炭素繊維を添加することにより、調製されたフレキシブルゾルゲル研磨用ブロックに多孔質構造を持たせ、研磨効果を向上させる。本発明により調製されたフレキシブルゾルゲル研磨用ブロックは、表面のみに一層コーティングするのではなく、研磨用ブロック全体を研磨に使用可能であり、研磨工具の寿命を向上させ、産業上の利用可能性を有する。
Claims (5)
- フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造方法であって、
（１）λ型カラギーナン、ジェランガム、カルボキシメチルセルロースナトリウムであるゲル化剤と、ダイヤモンド砥粒とを、脱イオン水に入れて均一に攪拌する工程と、
（２）前記工程（１）で得られた材料に、４００メッシュの炭素繊維を入れて均一に混合する工程と、
（３）前記工程（２）で得られた材料を、モールドに徐々に入れて硬化させ、硬化ゲルを取得する工程と、
（４）前記硬化ゲルを乾燥させ、前記フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックを調製する工程と、を含んでおり、
前記フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックには、ダイヤモンド砥粒の含有量が９～１１ｗｔ％であり、ゲル化剤の含有量が２．９～３．１ｗｔ％であり、炭素繊維の含有量が３０～４０ｗｔ％であることを特徴とする、フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックの製造方法。 - 前記ゲル化剤はλ型カラギーナンであり、前記硬化はＫＣｌ溶液に浸漬することである、請求項１に記載の製造方法。
- 前記ゲル化剤は、カルボキシメチルセルロースナトリウムであり、前記硬化はＡｌ２（ＳＯ４）３溶液に浸漬することである、請求項１に記載の製造方法。
- 前記ゲル化剤はジェランガムであり、前記硬化はＫＣｌ溶液に浸漬することである、請求項１に記載の製造方法。
- 前記フレキシブルゾルゲル研磨用ブロックには、ゲル化剤の含有量が３ｗｔ％であり、炭素繊維の含有量が３０ｗｔ％である、請求項１～４のいずれか一項に記載の製造方法。
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