KR100232443B1 - 개질된 알파 알루미나 입자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화루비듐 및 산화세슘으로부터 선택된 알칼리 금속 산화물을 혼입시켜 분쇄 성능을 개선시킨 시드 졸-겔 알루미나 연마제 그릿에 관한 것이다.
Description
발명의 배경
본 발명은 알루미나의 연마제 그릿, 특히 분쇄능이 개선된 졸-겔 알루미나 연마제 물질에 관한 것이다.
졸-겔 알루미나 연마제는 반드시 수행되지는 않지만 통상 알파 알루미나 전구체의 졸 또는 겔을 건조시키고, 건조된 겔을 목적하는 입자 크기로 분쇄한 다음, 분쇄된 입자를 알파 알루미나 형태로 전환시키기에 충분히 높은 온도로 가열하여 편리하게 제조한다. 간단한 졸-겔 공정은 USPP 제4,314,827호, 제4,518,397호 및 제4,881,951호 및 영국 특허 제2,099,012호에 기재되어 있다.
특히 바람직한 형태의 졸-겔 공정에 있어서, 알파 알루미나 전구체는 알파 알루미나 자체의 결정 구조와 동일한 결정 구조를 갖고 격자 파라미터가 알파 알루미나와 가능한한 가까운 물질인 "시드(seed)"이다. "시드"는 가능한한 미분 형태로 가하고 졸 또는 겔 전체에 균일하게 분산된다. 이는 미리 가하거나 동일 반응계에서 형성할 수 있다.
시드의 기능은 시드의 부재하에 필요한 온도 보다 훨씬 낮은 온도에서 전구체 전체에 균일하게 분산되도록 알파 형태로 알루미나를 변형시키는 데 있다. 당해 공정은, 알파 알루미나 개개의 결정(즉, 각도가 큰 그레인 경계에 의해 인접한 결정과는 별도로 사실상 동일한 결정학 방향의 영역)이 크기가 매우 균일하고 필수적으로 직경이 모두 서브-마이크론인 결정 구조를 나타낸다. 적합한 시드는 알파 알루미나 자체 뿐만 아니라 다른 화합물, 예를 들면, 알파 산화제2철, 아산화크롬, 티탄산니켈 및, 상기 시드의 부재하에서도 전환이 통상 일어나는 온도 이하의 온도에서 전구체로부터 알파 알루미나를 생성시키는데 효과적이도록 알파 알루미나의 격자 파라미터와 거의 유사한 격자 파라미터를 갖는 다수의 다른 화합물을 포함한다. 이러한 시드 졸-겔 공정의 예는 USPP 제4,623,364호, 제4,744,802호, 제4,954,462호, 제4,964,883호, 제5,192,339호, 제5,215,551호, 제5,219,806호 및 기타 다수의 문헌에 기재되어 있다.
당해 분야의 많은 특허문헌은 그레인 특성, 특히 경도를 개질시키기 위해 첨가제(일반적인 보강 산화물)를 사용하는데 주안점이 있다. 이들 많은 특허문헌들은 알루미나가 알루미나 결정내에서 또는 그레인 경계에서 스피넬 또는 마그네토플럼바이트의 결정 성장 개질제로서 또는 생성제로서 작용하는 것으로 나타낸다. 문제의 선행 특허 이후로, 졸-겔 알루미나 연마제의 성능에 영향을 미치는 것으로 고려되는 알칼리 금속은 금속 산화물중에서 제외되어 왔다. 상기 예외는 USP 제5,190,567호에 기재되어 있는데, 당해 문헌은 놀랍게도 리튬 산화물이 미세 구조물을 형성하는데 효과적인 것으로 밝혀졌음을 교시하고 있다.
발명의 일반적인 설명
본 발명의 한 양태는 산화루비듐, 산화세슘 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물 약 0.01 내지 약 2중량%를 포함하는 졸-겔 알루미나 연마제 그릿을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서는 마그네슘 산화물, 지르코늄 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물 약 0.1 내지 약 20중량%와 산화루비듐, 산화세슘 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물 약 0.01 내지 약 2중량%를 포함하는 졸-겔 알루미나를 제공한다.
본 발명의 추가의 양태에 있어서, 졸-겔 알루미나는 마그네슘 산화물 약 2 내지 약 10중량%와 산화루비듐, 산화세슘 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물 약 0.05 내지 약 1중량%를 포함하는 시드 졸-겔 알루미나이다.
졸-겔 알루미나가 시드 알루미나인 경우, 사용되는 시드는 알파 알루미나가 바람직하다. 시드는 가능한한 미분되어 소정의 시드 중량에 대해 핵 형성 부분이 가능한한 많이 성취되도록 한다. 일반적으로 크기가 약 0.1μ 이하, 보다 바람직하게는 약 0.05μ 이하의 시드가 선택된다. 알루미나의 오염이 문제되지 않는 경우, 알파 산화제2철 또는 가열하면 산화물이 수득되는 물질, 예를 들면, USP 제4,954,462호에서 사용된, 가열하면 극히 미분된 시드가 쉽게 생성되는 "함수 철 중합체"를 사용할 수도 있다.
본 발명의 졸-겔 연마제에 존재하는 산화루비듐, 산화세슘 또는 이들 산화물의 혼합물의 총 량은 연마제 그레인중의 알루미나의 총 중량을 기준으로 하여 약 0.01 내지 약 2중량%, 바람직하게는 약 0.03 내지 약 1중량%, 보다 바람직하게는 약 0.05 내지 약 0.5중량%일 수 있다.
루비듐 또는 산화세슘이 마그네슘 산화물과 함께 존재하는 경우 특히 잘 수행되는 것으로 밝혀졌다. 마그네슘 산화물은 종종 스피넬의 형태로 존재하고 MgO로서 계산된 총량은 연마제 그레인중의 알루미나의 총 중량을 기준으로 하여 약 0.1 내지 약 20중량%, 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 약 15중량%일 수 있다.
바람직한 양태의 설명
본 발명은 발명의 범주내에서 특정한 형태로 기술된다. 그러나, 이들은 발명의 주요 범주를 반드시 제한하는 것으로 이해되서는 않된다.
실시예 1(비교)
보에미트(콘데아 게엠베하로부터 시판되는 상품명 "Disperal") 7,000g을 로스 혼합기에서 탈이온수 50,000g 및 표면적이 약 120m2/g인 알파 알루미나 입자의 6% 고형 수성 슬러리 2,333g과 혼합한다. 분산액을 진공하에 연속적으로 혼합한다. 당해 교반 분산액에 탈이온수 50,000g중의 70% 질산 400g의 용액을 가하고 추가로 10분 동안 계속 교반한 다음 탈이온수 10,000g중의 마그네슘 니트레이트 헥사하이드레이트 1,781g의 용액을 가하고 추가로 15분 동안 혼합한다. 당해 공정의 말기에 분산액이 겔 형태로 된다.
당해 겔 약 17,275g을 90℃에서 2 내지 3일 동안 건조시킨 다음 겔이 건조되고 부서지기 쉬운 상태로 될 때까지 125℃에서 건조시킨다. 이어서, 당해 건조된 겔을 직경이 약 0.6 내지 약 1.2mm인 럼프로 분쇄한 다음, 직경이 약 15cm이고 길이가 약 215cm인데, 뜨거운 영역(hot zone)의 길이가 약 63cm인 탄화규소 튜브가 장착된 직접 예열 회전 노에서 열화시킨다. 튜브를 약 6°각도의 수평으로 기울이고 약 12rpm으로 회전시킨다. 그레인을 분쇄하고 동시에 노 속에서 약 3.87g/cc의 밀도로 밀집시킨다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 제조하되, 5% 루비듐 니트레이트 용액 25.2g을 겔 17,275g과 혼합한 다음 건조시킨다.
실시예 1 및 2에서 수득된 연마제 그릿을 페놀성 수지에 의해 유지된 그릿을 갖는 피복된 연마제 구조물에서 이들의 연마 특성을 시험한다. 2개의 시험편에 대한 결과는 하기 표 1에 기재하였다.
시험 1 | 시험 2 | |||
GM. CUT | REL. PERF. | GM. CUT | REL. PERF. | |
실시예 1(비교) | 5.98 | 100% | 6.07 | 100% |
실시예 2(본 발명) | 8.39 | 140% | 8.31 | 137% |
실시예 3 (비교)
물 900kg을 혼합 탱크에 가하고 BET 표면적이 약 120m2/g인 알파 알루미나 시드 4중량%를 함유하는 수성 슬러리 118kg을 보에미트 (콘데아 게엠베하로부터 시판되는 상품명 "Disperal") 567kg 및 21% 질산 40.5kg과 함께 가한다. 이어서, 혼합물을 고속 분산기 블레이드를 사용하여 혼합하고 증발시켜 기포를 제거한다. 혼합물의 pH는 약 4이다.
이어서, 당해 분산액을 21% 질산 0.6 l/min과 함께 10.6 l/min의 속도로 인-라인 균질기(in-line homogenizer)에 통과시켜 균질화시킨다. 생성된 겔을 건조시키고, 롤-분쇄한 다음 약 1,300℃의 예열 회전 노속에서 약 10분 동안 소결시킨다. 당해 물질을 피복 연마 제품에서 시험하기 위해 50T 그릿 크기로 스크리닝한다(참조: 하기 표 2).
실시예 4
탈이온수 100,000g중의 콘데아 "Disperal" 14,850g의 분산액을 로스 혼합기 속에서 BET 표면적이 약 120m2/g인 알파 알루미나 시드의 6% 고형 슬러리 4,950g과 혼합한다. 분산액을 계속 교반하면서 진공하에 유지시킨다. 탈이온수 10,000g중의 70% 질산 1,060g의 용액과 탈이온수 30,000g중의 마그네슘 니트레이트 헥사하이드레이트 3,778g의 용액을 가한 다음 탈이온수 10,000g 및 탈이온수 20,000g중의 루비듐 니트레이트 20.60g을 가한다.
당해 분산액을 졸-겔 형태로 만들고 이를 5분 동안 추가로 혼합한 후 건조시킨다. 이어서, 당해 건조된 겔을 0.5 내지 1cm 보다 작은 크기의 시험편으로 분쇄한 다음, 직경이 약 15cm이고 길이가 약 215cm인데, 뜨거운 영역의 길이가 약 61.6cm이며, 약 6°각도의 수평으로 기울어저 약 12rpm으로 회전하는 탄화규소 튜브가 장착된 예열 회전 노에서 약 1,330℃로 열화시킨다. 열화된 그레인의 밀도는 3.8g/cc 이상이고 평균 차단 방법에 의해 측정된 바와 같이 직경이 0.2μ 이하인 결정으로 제조한다. 그릿을 50T 크기로 스크리닝한 다음 사용하여 피복 연마 제품을 제조한다.
실시예 3 및 4의 제품의 연마 성능을 그릿 590g/cm2를 함유하는 길이가 150cm이고 폭이 6.25cm인 연마 벨트 형태로 평가하는데, 이때 그릿은 페놀성 수지 메이커 및 가호 피복물에 유지시킨다.
벨트를 수성 냉각제하에서 900 표면 미터/분의 선속도로 주행하는 고정된 강제 모드에서 시험한다. 절단 시간은 4분이고 절단 물질은 6.75kg의 하중으로 벨트에 가해지는 스테인레스 스틸 바이다. 시험에서 스틸 절단물의 총 g을 측정한다.
샘 플 | GMS CUT | REL. RERFORM. |
실시예 3 (비교) | 74 | 100% |
실시예 4 | 107 | 146% |
실시예 5
실시예 1(비교)에서 제조한 바와 유사하게 그레인을 제조하되, 5% 루비듐 니트레이트 용액 25.5g을 겔 17,275g과 혼합한 후, 겔을 건조시키고 열화시켜 연마제 그릿을 형성한다. 모든 다른 사항에 있어서 공정은 동일하다.
실시예 1, 3 및 5의 방법에 따라 제조된 그레인은 그릿(-45+50 메쉬)이 페놀성 수지 메이커 및 가호 피복물에 의해 유지된 피복된 연마제 시험 리그에서 분쇄 성능을 비교한다. KBF4를 함유하는 초대형 피복물을 각각에 가한다. 각각의 경우에 동일한 양의 그릿, 메이커, 가호 및 초대형 피복물을 사용한다. 시험 리그을 사용하여 수계 냉각제로 304 스테인레스 스틸을 절단하고 절단물이 더 이상 검출되지 않을 때 까지 계속 분쇄한다. 각각의 경우에, 스틸 절단물의 총량을 측정한다. 결과를 하기 표 3에 기재하였다.
실시예 | S. G.로의 첨가물 | GM. CUT | REL. PERFORM. |
3 (비교) | - | 4.74 | 100% |
1 (비교) | MgO | 6.06 | 126% |
5 (본 발명) | MgO + Rb2O | 8.39 | 177% |
상기 데이터로부터, 산화루비듐을 첨가한 결과로서 수득된 개선이 매우 중요한 사항이고 당해 분야에 공지된 기술을 토대로 하여 실시하여 보지 않은 기술임이 아주 명백하다.
실시예 6
본 발명에 따른 추가의 제품은 콘데아의 "Disperal" 보에미트 14,850g을 탈이온수 100,000g과 로스 혼합기 속에서 혼합하는 방법에 의해 제조한다. 당해 혼합물에 표면적이 약 120m2/g인 알파 알루미나 시드의 6% 고형 슬러리 4,959g을 가한다. 혼합물이 진공하에서 계속 교반되기 때문에, 탈이온수 10,000g중의 70% 질산 1,060g의 용액을 가한 다음 추가로 10분 동안 혼합한다. 이어서, 탈이온수 30,000g중의 마그네슘 니트레이트 헥사하이드레이트 3,778g의 용액을 가하고 15분 동안 추가로 계속 혼합한다. 이어서, 탈이온수 10,000g중의 루비듐 니트레이트 20.60g을 가한 다음 추가의 탈이온수 20,000g과 10분 동안 혼합한다. 당해 혼합물을 건조시키고 건조된 겔을 직경이 0.5 내지 1.0cm인 입자로 분쇄한 다음 실시예 4에 기재된 종류의 회전 노에서 열화시킨다. 수득된 열화 그릿의 밀도는 3.80g/cc 이상이고 평균 차단 방법에 의해 측정된 바와 같이 크기가 약 0.2μ 이하인 알파 알루미나 결정을 포함한다. 그릿을 50T 크기로 스크리닝하고 이를 사용하여 통상적인 피복 연마 벨트를 제조한 다음 이를 사용하여 고정 강제 모드 시험에서 304 스테인레스 스틸을 분쇄한다. 벨트를 사용하여 6.75kg의 고정 하중하에 스틸을 20분 동안 절단하는 경우 수성 냉각제를 사용한다. 당해 공정의 말기에 절단된 총 스틸을 측정한다.
동일한 평가 기술을 사용하여 동일한 연마 벨트를 제조하되, 실시예 3에 따른 방법으로 제조된 그레인은 사용하지 않는다. 결과는 표 4에 기재되었다.
실시예 | S. G.로의 첨가 | GM. CUT | REL. PERF. |
3 (비교) | - | 218 | 100% |
6 (본 발명) | MgO + Rb2O | 354 | 166% |
실시예 7
탈이온수 110,000g을 로스 혼합기에 가한 다음 표면적이 약 120m2/g인 알파 알루미나 시드의 6% 고형 슬러리 3,960g을 가한다. 당해 혼합물을 혼합하면서 콘데아 게엠베하로부터 Disperal 14,850g을 가한다. 이어서, 탈이온수 10,000g중의 70% 질산 1,060g의 용액을 가하고 진공하에 10분 동안 추가로 혼합한다. 이어서, 탈이온수 10,000g중의 마그네슘 니트레이트 헥사하이드레이트 3,778g의 용액을 가한 다음 진공하에 15분 동안 추가로 혼합한다. 최종적으로, 탈이온수 5,000g중의 세슘 니트레이트 20.49g의 용액을 가한 다음 진공하에 5분 동안 추가로 혼합한다. 생성된 겔을 건조시켜 0.5 내지 1cm의 시험편으로 분쇄한 다음 뜨거운 영역이 1,383℃에서 유지되는 예열된 회전 노에 직접 가한다. 노는 직경이 15cm이고, 길이가 215cm이며 뜨거운 영역이 약 60cm인 탄화규소 튜브가 장착된다. 튜브는 약 12rpm으로 회전되고 약 6°각도의 수평으로 기울인다.
이와 같이 수득한 그레인(-45+50메쉬)은 실시예 3 및 1(둘 다 비교 실시예)에서 제조된 그레인에 대해 피복된 연마 기술에 의해 평가한다. 결과는 하기 표 5에 기재하였다.
실시예 | S. G.로의 첨가물 | GM. CUT | REL. PERFORM. |
3 (비교) | - | 4.74 | 100% |
1 (비교) | MgO | 6.06 | 126% |
7 (본 발명) | MgO + Cs2O | 7.91 | 167% |
Claims (5)
- 산화루비듐, 산화세슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 알칼리 금속 산화물 0.01 내지 2중량%를 포함하는 졸-겔 알루미나 연마제 그릿.
- 제1항에 있어서, 산화마그네슘 및 지르코니아로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산화물 0.1 내지 20중량%를 추가로 포함하는 졸-겔 알루미나 연마제 그릿.
- 산화루비듐 0.03 내지 1중량%와 산화마그네슘 0.5 내지 15중량%를 포함하는 시드 졸-겔 알루미나 연마제 그릿.
- 제1항에 따르는 연마제 그릿을 포함하는 결합된 연마제.
- 제1항에 따르는 연마제 그릿을 포함하는 피복된 연마제.
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