KR101333019B1 - 집합체들을 함유하는 코팅된 연마 제품들 - Google Patents

Abstract

코팅된 연마 제품은 대략 회전 타원체 형상 또는 도넛 형상을 가지는 미처리의, 소성되지 않은 연마제 집합체들을 함유하는 입자 재료를 포함하며, 집합체들은 연마 그릿 입자들 및 나노입자 바인더를 포함하는 조성물로부터 형성된다. 자유 연마 제품들, 결합 연마 제품들, 및 입자 재료는 또한 집합체들을 함유한다.

Description

집합체들을 함유하는 코팅된 연마 제품들{COATED ABRASIVE PRODUCTS CONTAINING AGGREGATES}

본 발명은 일반적으로 연마제 입자 재료, 연마제 입자 재료를 포함하는 연마 제품들, 및 가공 대상물들을 기계 가공하기 위한 방법들을 대상으로 한다.

연마 제품들은 일반적으로 연마제 입자 재료를 함유하거나 이로부터 형성된다. 이런 연마제 입자 재료는 슬러리의 형태와 같은 자유 연마제(free abrasive) 또는 일반적으로 코팅된 연마제이거나 결합된 연마 물품인 고정 연마제로 사용될 수 있다. 연마 제품들은 랩핑(lapping), 그라인딩(grinding), 또는 폴리싱(polishing)에 의해서 가공 대상물을 기계 가공하기 위해 다양한 산업에서 사용된다. 연마 물품들을 사용하는 기계 가공은 광학 산업, 자동차 도색 보수 산업과 치과 적용으로부터 금속 제조 산업에 이르기까지 광범위한 산업들에 퍼져 있다. 수작업에 의하거나 궤도 폴리셔들(orbital polishers) (랜덤 및 고정 축 모두), 및 벨트와 진동 샌더들(sanders)과 같은 통상적으로 이용 가능한 공구들에 의한 기계 가공은 또한 대개 가정용 적용들에서 소비자들에 의해 행해진다. 이 예들의 각각에서, 연마제들을 사용하여 벌크 재료를 제거하며/제거하거나 제품들의 표면 특성들(예를 들어, 평탄도, 표면 조도)에 영향을 끼친다.

표면 특성들은 광택, 질감, 및 균일성을 포함한다. 예를 들어, 금속 부품들의 제조업자들은 표면들을 정밀하게 폴리싱하기 위해 연마 물품들을 사용하며, 종종 균일하게 매끄러운 표면을 원한다. 유사하게, 광학제품 제조업자들은 광의 회절 및 산란을 방지하기 위해 결함이 없는 표면들을 제조하는 연마 물품들을 원한다. 따라서, 연마 물품의 연마 표면은 일반적으로 표면 품질에 영향을 미친다.

화학적인 합성 루트들을 통하거나 벌크 재료 처리 루트들(예를 들어, 용융 및 분쇄)을 통한 연마제 입자 형성은 상당히 잘 개발되고 성숙한 기술 영역으로 생각된다. 따라서, 주목할만한 개발 자원들이 코팅된 연마제들과 관련된 공학적으로 설계된 연마 제품들 및 결합된 연마제들과 관련된 특별한 3차원 구조들 및 처방들의 개발과 같은 매크로 구조들(macrostructures)의 개발에 제공되었다. 계속된 개발에도 불구하고, 개선된 입자 재료에 대한 필요가 본 기술분야에 계속해서 존재한다.

입자 재료들은 알루미나, 탄화 규소, 실리카, 산화 세륨, 및 입방정 질화붕소와 다이아몬드와 같은 더 경질의 고성능 초연마제 입자들과 같은, 단일 상 무기 재료들을 기본적으로 포함한다. 향상되고 훨씬 더 정교한 연마제 특성들이 복합 입자 재료들의 개발을 통해 달성되었다. 이런 재료들은 휘발 또는 증발을 통한 액체 캐리어의 제거와 처리되지 않은 덩어리들을 남김, 및 그 다음에 사용 가능한 소성된 덩어리들을 형성하기 위한 고온 처리(즉, 소성(firing))를 포함하는 슬러리 처리 경로들을 통해 형성될 수 있는 집합체들의 형성을 포함한다.

이런 복합재 덩어리들은 다양한 연마 제품 적용들에서 상업적인 용도를 발견하였다. 그러나, 산업계는 훨씬 더 개선된 입자 재료들, 및, 특히, 향상된 기계 가공 성능을 제공할 수 있는 복합재 집합체들을 계속 요구한다.

일 실시예에 따르면, 코팅된 연마 제품은 기재 및 이에 결합된 입자 재료를 포함하며, 입자 재료는 대략 회전 타원체 형상이나 도넛 형상을 가지는 미처리의, 소성되지 않은 연마제 집합체들을 함유하며, 집합체들은 연마 그릿 입자들과 나노입자 바인더를 포함하는 조성물로부터 형성된다.

다른 실시예에 따르면, 연마제 슬러리는 부유 상태로 제공되는 미처리의, 소성되지 않은 연마제 집합체들을 포함하며, 집합체들은 대략 회전 타원체 형상 또는 도넛 형상을 가지며, 집합체들은 연마 그릿 입자들 및 나노입자 바인더를 포함한다.

다른 실시예에 따르면, 결합된 연마제의 형태의 고정 연마제는 집합체 사이의 바인더(inter-aggregate binder)로 서로에 대한 위치에 고정되는 미처리의, 소성되지 않은 연마제 집합체들을 포함하며, 집합체들은 대략 회전 타원체 형상 또는 도넛 형상을 가지며, 집합체들은 연마 그릿 입자들 및 나노입자 바인더를 포함한다.

다른 실시예에 따르면, 연마제 입자 재료를 형성하기 위한 방법은 액체 캐리어, 연마 그릿 입자들 및 나노입자 바인더를 포함하는 슬러리를 형성하는 단계; 및 연마 그릿 입자들과 나노입자 바인더를 함유하는 미처리의, 소성되지 않은 집합체들을 형성하기 위해 슬러리를 분무 건조시키는 단계를 포함한다. 게다가, 집합체는 연마 제품에 사용하기 위해 분류된다.

다른 실시예에 따르면, 가공 대상물을 기계 가공하기 위한 방법은 초기 표면 조도(Ra_i)를 가지는 가공 대상물을 제공하는 단계, 및 가공 대상물로부터 재료를 제거하기 위해 단일 연마 제품으로 가공 대상물을 연마하는 단계를 포함하며, 그에 의해 가공 대상물이 최종 표면 조도(Ra_f)를 가지며 Ra_f는 0.2Ra_i보다 크지 않다.

본 발명은 첨부한 도면들을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있으며, 이의 수많은 특징들 및 이점들은 본 기술분야에서 숙련된 사람들에게 명백해질 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 기재의 위의 코팅에 실리카 나노입자들과 결합된 다이아몬드 그릿을 포함하는 연마제 집합체들을 보여주는 주사 전자 현미경으로 촬영된 현미경 사진들이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 기재의 위의 코팅에 실리카 나노입자들과 결합된 탄화 규소 그릿을 포함하는 연마제 집합체들을 보여주는 주사 전자 현미경으로 촬영된 현미경 사진들이다.
도 7은 실시예들에 따른 예들의 열 중량측정 분석(TGA: Thermal Gravimetric Analysis)의 결과들을 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 상응하는 집합체를 함유하는 다이아몬드의 합성후 열처리의 결과를 보여준다.
도 9 내지 도 16은 상이한 처방들 또는 처리 파라미터들에 따라서 형성된 다양한 집합체들을 보여준다.
도 17 및 도 18은 다공성 기재 재료를 사용하는 연마 제품의 확대된 이미지들을 포함한다.
상이한 도면들에서 동일한 참조 부호들의 사용은 유사하거나 동일한 아이템들을 가리킨다.

일 실시예에 따르면, 재료를 제거하고 표면 품질을 개선하기 위해 연마가 수행되는 기계 가공 작업들에 특히 적합한 연마제 집합체들이 제공된다. 연마제 집합체들은 슬러리에 기초한 처리(slurry-based processing)를 통해 형성될 수 있다. 여기에서, 실시예들은 집합체들의 구성 재료들과 물과 같은 액체 캐리어를 함유하는 슬러리가 함께 혼합되고, 작은 방울들로 분무되고 건조되는 분무 건조를 사용할 수 있다. 더 상세하게는, 몇몇의 실시예들은 미립자의 형태일 수 있는 연마 그릿, 나노입자의 형태일 수 있는 바인더, 및 취급 및 처리의 용이함을 위한 물일 수 있는 액체 캐리어를 결합시킨다. 다양한 실시예들은 이와 같이 형성되고, 분무 건조된 집합체들의 내에서 연마 그릿의 분산을 촉진하기 위해 슬러리에 분산제로 또한 알려진 가소제를 더 포함한다.

여기에서 사용되는 바와 같이, "미립자" 라는 용어는 약 0.1 미크론 내지 약 50 미크론이며, 바람직하게는 0.2 미크론, 0.5 미크론, 또는 0.75 미크론 이상이고, 약 20 미크론 이하, 예를 들어 10 미크론 이하의 평균 입자 크기를 가지는 입자를 가리키기 위해 사용될 수 있다. 특정한 실시예들은 약 0.5 미크론에서부터 약 10 미크론까지의 평균 입자 크기를 가진다.

여기에서 사용되는 바와 같이, "나노입자" 라는 용어는 약 5 nm 내지 약 150 nm이며, 일반적으로 약 100 nm, 80 nm, 60 nm, 50 nm 미만이거나, 약 40 nm 미만의 평균 입자 크기를 가지는 입자를 가리키기 위해 사용될 수 있다. 나노입자들의 일반적인 평균 입자 크기는 약 20 nm에서 약 50 nm의 범위 내에 있다.

여기에서 사용되는 바와 같이, "집합체(aggregate)" 라는 용어는 압력 또는 교반의 적용에 의해 집합체 입자를 더 작은 입자들로 분리하거나 분해하는 것이 상대적으로 어렵도록 결합된 복수의 더 작은 입자들로 만들어진 입자를 가리키기 위해 사용될 수 있다. 이는 압력 또는 수동 교반(hand agitation)의 적용과 같은 것에 의해 집합체 입자를 분리하거나 이 입자를 더 작은 입자들로 분해하는 것이 상대적으로 쉽도록 결합된 복수의 더 작은 입자들로 만들어진 입자를 가리키기 위해 여기에서 사용되는 "덩어리(agglomerate)" 라는 용어와 대조된다. 본 실시예들에 따르면, 집합체들은 미립자 범위 내에 있는 크기를 가지는 연마 그릿들, 및 연마 그릿들이 매립되거나 함유되는 집합체의 매트릭스를 제공하는 나노입자 바인더 양쪽 모두를 포함하는 복합 구조를 가진다. 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 실시예들에 따른 집합체들은 나노입자 바인더에서의 연마 그릿들의 균일한 분포를 특징으로 하는 주목할만한 형태를 가진다.

다양한 실시예들에 따른 집합체들이 미처리의, 소성되지 않은 상태에 있는 것이 상당히 중요하다. 여기에서, 집합체들은 집합체들의 결정 크기, 입자 크기, 밀도, 인장 강도, 영 계수, 등을 바꾸는, 소성, 소결, 또는 재결정과 같은, 주목할만한 형성후 열처리를 하지 않고 연마 제품으로서 또는 연마 제품에서 사용된다. 이런 열처리 공정들은 일반적으로 사용 가능한 제품들을 제공하기 위해 보통 세라믹 가공에서 수행되지만, 여기에서는 사용되지 않는다. 이런 열처리 단계들은 일반적으로 400℃를 초과하며, 일반적으로 500℃ 및 그보다 높은 온도에서 수행된다. 사실상, 온도는 어떤 세라믹 종들에 대해 800℃에서부터 1200℃까지 및 그보다 높은 온도의 범위에 쉽게 있을 수 있다.

연마 그릿 입자들은 약 3보다 크며, 바람직하게는 약 3에서부터 약 10까지의, 모스 경도를 일반적으로 가진다. 특정한 적용들에 대해, 연마 그릿 입자들은 5, 6, 7, 8, 또는 9보다 작지 않은 모스 경도를 가진다. 연마 그릿 입자들은 연마제 집합체들에서 주요 활성 그라인딩 또는 폴리싱 에이전트로서 역할을 한다고 일반적으로 믿어지고 있다. 적당한 연마제 조성물의 예들은 탄화물들, 산화물들, 질화물들 및 어떤 탄소 함유 재료들과 같은 비금속, 무기 고형물들을 포함한다. 산화물들은 (석영, 크리스토발라이트 및 유리 형태들과 같은) 산화 규소, 산화 세륨, 산화 지르코늄, 및 산화 알루미늄을 포함한다. 탄화물들과 질화물들은 탄화 규소, 알루미늄, 질화 붕소(입방정 질화 붕소를 포함함), 탄화 티타늄, 질화 티타늄, 및 질화 규소를 포함하지만, 이들에 한정되지는 않는다. 탄소 함유 재료들은 합성 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, 및 플러라이트(fullerite)와 집합체 다이아몬드 나노로드들과 같은 관련된 탄소 함유 재료들을 폭 넓게 포함하는 다이아몬드를 포함한다. 재료들은 또한, 예로서, 석류석, 크리스토발라이트, 석영, 강옥, 및 장석과 같이, 광범위한, 자연적으로 생성된 채광 미네랄들을 포함한다. 본 발명의 몇몇의 실시예들은 다이아몬드, 탄화 규소, 산화 알루미늄, 및/또는 산화 세륨 재료들을 이용하며, 다이아몬드는 상당히 효과가 있는 것으로 보여진다. 게다가, 기술자들은 원하는 경도 특성을 가지는 다양한 다른 조성물들이 본 발명의 연마제 집합체들에 있는 연마 그릿 입자들로 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 더구나, 본 발명에 따른 몇몇의 실시예들에서, 2개 이상의 상이한 연마 그릿 입자들의 혼합물들이 동일한 집합체들에 사용될 수 있다.

앞의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 폭 넓게 다양한 연마 그릿 입자들이 실시예들에서 사용될 수 있다. 앞의 재료들 중에서, 입방정 질화 붕소와 다이아몬드는 "초연마" 입자들로서 간주되며, 매우 중요한 폴리싱 작업들을 포함하는 특수화된 기계 가공 작업들에 대한 폭넓은 상업적 용도를 발견하였다. 더구나, 연마 그릿 입자들은 집합체들에 포함되기 전에 각각의 입자들에 금속 코팅을 형성하기 위해 처리될 수 있다. 초연마 그릿들은 코팅에 특히 적합하다. 일반적인 금속 코팅들은 니켈, 티타늄, 구리, 은 및 이들의 합금들과 혼합물들을 포함한다.

일반적으로, 연마 그릿 입자들의 크기는 미립자 범위에 있다. 비록 더 일반적으로 연마 그릿들은 미립자 범위 내에 있는 단일 입자들로 형성되지만, 연마 그릿 입자들은 연마제 집합체 나노입자들과 같이 더 작은 입자들의 연마제 집합체들로 형성될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 복수의 나노 크기의 다이아몬드 입자들이 다이아몬드 그릿의 미립자를 제공하기 위해 함께 집합될 수 있다. 연마 그릿 입자들의 크기는 사용되는 그릿 입자들의 타입에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 몇몇의 실시예들에서, 바람직하게는 약 1 미크론과 같이, 약 0.5 내지 2 미크론의 크기를 가지는 다이아몬드 그릿 입자들이 사용된다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 바람직하게는 약 3 내지 약 8 미크론의 크기를 가지는 탄화 규소 그릿 입자들이 사용된다. 본 발명의 여전히 다른 실시예들에서, 바람직하게는 약 3 내지 약 5 미크론의 크기를 가지는 산화 알루미늄 그릿 입자들이 사용된다.

연마 그릿 입자들은, 일반적으로, 집합체들의 약 0.1% 내지 약 85% 사이를 구성할 수 있다. 집합체들은 더 바람직하게는 약 10% 내지 약 50% 사이의 연마 그릿 입자들을 포함한다.

본 발명에 따른 일 실시예에서, 연마제 집합체들은 단일 크기의 연마 그릿 입자들을 사용하여 형성될 수 있으며, 그릿 입자와 그 결과로 생기는 집합체들 양쪽 모두의 크기는 원하는 폴리싱 적용에 적합하게 만들어진다. 다른 실시예에서, 2개 이상의 상이한 크기의 연마 그릿 입자들의 혼합물들은 각각의 그릿 입자 크기들에 기인한 유리한 특성들을 가지는 연마제 집합체들을 형성하기 위해 조합하여 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 연마제 집합체들은 또한 상술한 바와 같은 나노입자 바인더 재료를 포함한다. 나노입자 바인더는 일반적으로 바인더의 형태에 있는 연마제 집합체들의 내부에 연마 그릿 입자들을 형성하며 함께 고정시키는 기능을 하는 연속 매트릭스 상을 형성한다. 이런 점에서, 나노입자 바인더는, 연속 매트릭스 상을 형성하면서, 일반적으로 그 자체가 긴밀히 접촉하고, 서로 맞물리며, 일정한 정도로, 원자적으로 상호 결합되는 개별적으로 식별 가능한 나노입자들로 구성된다는 것에 주목해야 한다. 그러나, 이와 같이 형성된 집합체들의 미처리의, 소성되지 않은 상태 때문에, 개별 나노입자들은 일반적으로, 소결된 세라믹 재료들의 경우와 같이, 입자들을 형성하기 위해 함께 용융되지 않는다. 여기에서 사용된 바와 같이, 나노입자 바인더의 설명은 하나 또는 다수의 종의 바인더들로 확대된다.

그릿 재료는 제1 연마제로 작용한다고 믿어지고 있지만, 나노입자 재료도 또한 본 발명의 집합체들의 어떤 실시예들에서 제2 연마제로 작용할 수 있다. 집합체들의 크기와 폴리싱 특성들은 나노입자 바인더 재료의 조성물, 연마 그릿 입자에 대한 나노입자 바인더 재료의 상대 농도 비율, 및 연마 그릿 입자들의 크기와 같은 파라미터들을 바꿈으로써 조절될 수 있다. 나노입자 바인더 재료 그 자체는 액체 콜로이드 또는 부유 상태의 나노 크기의 이산화 규소와 같은 매우 미세한 세라믹 및 탄소 함유 입자들(콜로이드 실리카로 알려짐)을 포함할 수 있다. 나노입자 바인더 재료들은 또한 콜로이드 알루미나, 나노 크기의 산화 세륨, 나노 크기의 다이아몬드, 및 이들의 혼합물들을 포함할 수 있지만, 이들에 한정되지는 않는다. 콜로이드 실리카는 본 발명의 어떤 실시예들에서는 나노입자 바인더로 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 성공적으로 사용되고 있는 상업적으로 이용 가능한 나노입자 바인더들은 콜로이드 실리카 용액들인 BINDZEL 2040과 BINDZIL 2040(Georgia, Marietta의 Eka Chemicals Inc.로부터 이용 가능함) 및 NEXSIL 20(Massachusetts, Ashland의 Nyacol Nano Technologies, Inc.로부터 이용 가능함)을 포함한다.

혼합물이 집합체들을 형성하기 위해 분무 건조되기 전에, 혼합물은 습윤 중량 기준으로 약 0.1% 내지 약 80% 사이의 범위에 있으며, 바람직하게는 약 10% 내지 약 30% 사이의 범위에 있는 상당한 양의 나노입자 바인더 재료를 포함할 수 있다. 형성된 연마제 집합체들에서, 나노입자 바인더 재료는 모두 건조 중량 기준으로 집합체들의 약 1% 내지 약 90% 사이, 바람직하게는 집합체들의 약 20% 내지 약 80% 사이, 그리고 가장 바람직하게는 집합체들의 약 50% 내지 약 75% 사이를 구성할 수 있다.

연마제 집합체들을 형성하기 위한 슬러리는 또한 유리하게도 이와 같이 형성된 집합체들의 내부에서 연마 그릿의 분산을 촉진하기 위해, 분산제로 또한 알려진, 가소제로서 주로 역할을 하는 다른 재료를 포함할 수 있다. 사용되는 낮은 처리 온도 때문에, 가소제는 이와 같이 형성된 집합체들에 잔류하는 것으로 믿어지고 있으며, 열 중량측정 분석(TGA)에 의해 잔류하는 양으로 정량화되었다. 가소제는 또한 혼합물이 분무 건조될 때 집합체에서 그릿 입자들과 나노입자 바인더 재료를 함께 고정하는데 도움을 줄 수 있다.

이런 점에서, 도 7은 SiC 함유 집합체들과 다이아몬드 함유 집합체들 양쪽 모두에 대한 TGA 분석의 결과들을 보여주며, 250℃에서부터 약 400℃까지에서 잔류 가소제의 제거를 보여준다. 주목할 만하게도, 다이아몬드는 고온에서 연소된다는 것이 발견되었다. TGA 분석은 특성화 도구로서 순수하게 수행되었으며, 집합체들이 노출되는 상승된 온도는 집합체를 형성하기 위한 공정 흐름의 일부분이 아니다는 것에 주목해야 한다.

가소제들은 계면 활성제들과 다른 표면 장력 변경 종들을 포함하는, 유기 및 무기 재료들 양쪽 모두를 포함한다. 특정한 실시예들은 폴리머들과 모노머들과 같은, 유기 종들을 사용한다. 예시적인 실시예에서, 가소제는 폴리올이다. 예를 들어, 폴리올은 모노머 폴리올(monomeric polyol)이거나 폴리머 폴리올(polymeric polyol)일 수 있다. 예시적인 모노머 폴리올은 1,2-프로판디올; 1,4-프로판디올; 에틸렌 글리콜; 글리세린; 펜타에리트리톨; 말리톨(malitol), 소르비톨(sorbitol), 이소말트(isomalt), 또는 이들의 어떤 조합과 같은 당 알코올들; 또는 이들의 어떤 조합을 포함한다. 예시적인 폴리머 폴리올은 폴리에틸렌 글리콜; 폴리프로필렌 글리콜; 폴리(테트라메틸렌 에테르)글리콜; 폴리에틸렌 옥사이드; 폴리프로필렌 옥사이드; 글리세린 및 프로필렌 옥사이드, 에틸렌 옥사이드, 또는 이들의 조합의 반응 생성물; 디올 및 디카르복실산 또는 이의 유도체의 반응 생성물; 천연 오일 폴리올; 또는 이들의 어떤 조합을 포함한다. 일 예에서, 폴리올은 디올 및 디카르복실산 또는 이의 유도체의 반응 생성물들과 같은 폴리에스테르 폴리올일 수 있다. 다른 예에서, 폴리올은 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 또는 글리세린 및 프로필렌 옥사이드 또는 에틸렌 옥사이드의 반응 생성물과 같은, 폴리에테르 폴리올이다. 특히, 가소제는 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 포함한다.

가소제, 특히 폴리에틸렌 글리콜들은, 일정 범위의 분자량들을 가질 수 있다. 적당한 분자량들은 50 내지 1000, 50 내지 500, 또는 50 내지 400과 같이, 약 10 내지 3000의 범위 내에 있다. PEG 200이 본 발명의 몇몇의 실시예들에 따른 특히 유용한 가소제들인 것으로 발견되었다. 분무 건조하기 전에, 혼합물의 가소제 농도는 약 0.5% 내지 약 40% 사이이며, 바람직하게는 약 0.5% 내지 약 5% 사이의 범위에 있을 수 있다.

명백하게도, 집합체들을 형성하기 위해 사용되는 조성물은 연마 그릿, 나노입자 바인더, 및 종종 가소제의 주요 종들을 함유한다. 이 종들은 집합체들을 형성하기 위한 조성물의 다양한 상대 함유량으로 존재할 수 있다. 비록 분무 건조 공정 중에 건조/휘발 때문에 가소제의 최종 함유량이 변할 수 있지만, 집합체들 내의 가소제의 보유를 보여주는 TGA 분석을 통해, 집합체들에 있는 상대 고형물 함유량은 집합체들을 형성하기 위한 조성물에 있는 고형물 함유량을 반영해야 한다. 이 조성물은 약 0.1 내지 약 85 중량 퍼센트의 연마 그릿 입자들, 약 0.1에서부터 약 80 중량 퍼센트까지의 나노입자 바인더, 및 약 0.5에서부터 약 40 중량 퍼센트까지의 가소제를 포함할 수 있으며, 중량 퍼센트들은 조성물의 전체 고형물 함유량에 기초한다. 몇몇의 실시예들에서, 이 조성물은 약 10 내지 50 중량 퍼센트의 연마 그릿 입자들, 약 50 내지 90 중량 퍼센트의 나노입자 바인더, 및 약 0.5 내지 15 중량 퍼센트의 가소제를 함유할 수 있다. 특정한 실시예들은 약 15 내지 40 중량 퍼센트의 연마 그릿 입자들 및 약 60 내지 85 중량 퍼센트의 나노입자 바인더를 함유한다.

캐리어로 작용하며, 연마 그릿 입자들, 나노입자 바인더 재료, 및 가소제의 혼합물을 액화시키거나 유동화시키는 역할을 하는 휘발성 액체가 또한 조성물에 포함되며, 그 결과로 혼합물은 분무 건조기로 유동되고, 미세한 집합체 방울들로 분무되며, 그 내부에서 건조될 수 있다. 바람직하게는, 일반적인 분무 건조 온도들로 제거되고 대체적으로 혼합물의 조성물을 변경시키기 않는 다른 휘발성 액체들이 사용될 수 있지만, 휘발성 액체 캐리어는 탈이온화된 물이다. 액화된 혼합물은 연마 그릿 입자들, 나노입자 바인더 재료, 및 가소제를 포함할 수 있으며, 나머지는 휘발성 액체이다. 슬러리의 형태의 조성물은 수성일 수 있으며 슬러리의 전체 중량에 기초한 퍼센트들인, 약 7.5% 내지 약 15% 사이의 연마 그릿 입자들, 약 2.5% 내지 약 7.5% 사이의 나노입자 바인더 재료, 및 약 0.5% 내지 약 1.5% 사이의 가소제를 포함할 수 있다.

처리하는 중에, 본 발명에 따른 몇몇의 실시예들에서, 혼합물에 이들의 첨가 전에 그릿 입자들로부터 어떤 축적된 정전기를 대체로 제거하는 것이 바람직하다는 것에 주목해야 한다. 그릿 입자들에 축적된 쿨롬 전하가 대체로 없다면 분무 건조 단계에서 형성된 집합체들의 안정성이 실질적으로 개선된다는 것이 관찰되었다. 일단 잘 혼합되면, 연마 그릿 입자, 나노입자 바인더 재료, 및 가소제의 성분들을 포함하는 액화된 혼합물은 그 다음에 연마제 집합체를 형성하기 위해 분무 건조기에서 처리된다.

로터리 분무기, 단일 유체 노즐 분무기, 및 2 유체 노즐 분무기를 포함하는 다양한 분무 건조 장치들이 사용될 수 있다. 상대적으로 더 작은 연마 그릿 입자들을 가지는 혼합물들에 대해, 그리고 상대적으로 더 작은 집합체들을 형성하기 위해, 분무 건조기는 바람직하게는 로터리 분무기이다. 상대적으로 더 큰 연마 그릿 입자들, 특히 약 80 미크론보다 더 큰 연마 그릿 입자들을 가지는 혼합물들에 대해, 그리고 상대적으로 더 큰 집합체들, 특히 약 90 미크론보다 더 큰 집합체들을 형성하기 위해, 단일 유체 또는 2 유체 노즐 분무기가 바람직할 수 있다.

분무 건조 장치는 하나는 사이클론에 있으며 하나는 메인 건조 챔버의 하부에 있는, 적어도 2개의 재료 수집 점들을 일반적으로 포함할 것이다. 본 발명에 따라 형성된 집합체들은 양쪽 모두의 위치들로부터 수집될 수 있으나, 사이클론으로부터 수집된 집합체들은 일반적으로 크기가 더 작으며 중량이 더 가벼운 것으로 관찰되었으며 반면에 메인 건조 챔버로부터 수집된 집합체들은 일반적으로 크기가 더 크며 중량이 더 무거운 것으로 관찰되었다. 건조기의 사이클론으로부터 수집된 집합체들은 일반적으로 약 5에서부터 약 25 미크론까지의 크기를 가지는 것으로 관찰되었다. 다른 한편으로, 메인 건조 챔버로부터 수집된 집합체들은 일반적으로 약 20에서부터 약 100 미크론까지의 크기를 가지는 것으로 관찰되었다.

분무 건조를 시작하기 위해, 슬러리가 일반적으로 일정한 속도로 분무 건조 장치로 펌핑된다. 그 다음에 슬러리는 일반적으로 회전 타원체형의 작은 방울들을 형성하기 위해 분무 건조기의 내부에 있는 분무기 또는 분무화기를 통과한다. 분무기를 통과하는 동안에, 이 작은 방울들은 뜨거운 공기의 와류에 휘말리며, 여기서 슬러리의 액체 부분은 본질적으로 순간적으로 증발되며 이 슬러리의 고형물 부분은 집합체를 형성한다. 슬러리의 액체 부분을 증발시켜서 고형물 입자들을 남기는 뜨거운 공기는 일반적으로 375℃, 350℃, 또는 300℃보다 높지 않은 것과 같이, 400℃보다 높지 않다. 일반적으로, 분무 건조는 약 90℃보다 높은 것과 같이, 약 80℃보다 높은 온도에서 수행된다. 특정한 실시예들은 약 90℃ 내지 약 250℃의 온도에서 수행되었다. 분무 건조기의 고온 부분의 내에 있는 체류 시간은 일반적으로 0.5 내지 10초와 같이, 수초로 제한된다는 것이 주목되며, 이는 일반적인 세라믹 제품들의 소결, 소성, 또는 굽기와 연관된 일반적인 열처리 체류 시간과 분명하게 대조된다.

슬러리가 뜨거운 공기의 와류에 들어갈 때, 액체는 대체로 제거되며 혼합물은 수많은 집합체들을 포함하는 미세한 분말로 형성되며, 각각의 연마제 집합체는 대략 그 형상이 회전 타원체형이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "회전 타원체형" 이라는 용어는 분무 건조 공정의 결과인, 구 형상, 또는 타원체들 및 다른 구 형상의 대체물을 포함하는 대체적인 구 형상을 가지는 집합체들을 가리킨다. 따라서, 회전 타원체형들은 구체들, 타원체들, 및 절두 구체들과 타원체들을 포함하지만, 이들 모두는 대략 블록과 유사한 구조보다는 오히려 둥근 구조를 가진다. 명백하게도, 집합체들 각각은 나노입자 바인더 재료와 증발되지 않은 가소제의 어떤 잔류물에 의해 함께 결합된 연마 그릿 입자들을 함유한다. 분무 건조 단계 후의 집합체들의 최종 함수율은 일반적으로 약 1에서부터 약 3 중량 퍼센트까지이다.

유리하게도, 본 발명에 따르면, 형성되고, 소성되지 않은, 미처리의 분무 건조된 집합체들의 조성 또는 형태를 현저하게 변경하는 다른 처리 단계들이 사용 가능한 연마제 집합체들을 제조하기 위해 요구되지 않는다. 사실상, 본 발명의 몇몇의 실시예들에 따르면, 집합체들을 만들기 위한 방법은 단지 전술한 혼합 및 분무 건조 단계들만으로 기본적으로 구성되며, 특히, 집합체들의 형태에 영향을 끼칠 수 있는 열처리 단계들은 회피된다. 특히, 혼합물들에 있는 실리카 또는 다른 나노입자 바인더를 용해시키거나, 소결시키거나, 또는 그렇지 않으면 용융시키기 위해 재료들이 약 500℃에서부터 1000℃까지 또는 그 이상의 범위에 있는 극도로 높은 온도로 가열되는 단계는 수행되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 몇몇의 실시예들에서, 집합체들을 만드는 방법의 모든 단계들은 약 400℃ 또는 그보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다.

이는 약 500℃에서부터 1000℃까지 또는 그 이상의 매우 높은 온도에서 소결 단계를 일반적으로 필요로 하는 집합된 입자들을 가지는 연마제 분말을 만들기 위한 종래의 공정들과 대조된다.

비록 집합체들은 소결이나 다른 유사한 고온 처리를 필요로 하지 않는 것으로 믿어지고 있지만, 형성된 집합체들은 높은 내구성을 가지는 것이 발견되었다. 특히, 일단 형성되면, 집합체들은 메틸 에틸 케톤(MEK), 이소프로필 알코올(IPA), 및 1,4-디옥산을 포함하는 폭 넓게 다양한 화학 용매들의 용해에 저항한다는 것이 관찰되었다.

일단 형성되면, 집합체들은 기재에 적용되거나 그렇지 않으면 폴리싱 작업에 이용되기 전에 원하는 바대로 다양한 크기의 범위들로 분류되거나 분리될 수 있다. 연마제 집합체들에 추가하여, 결과로 생긴 분말은 원하는 입자 크기보다 더 작은 일정한 양의 재료를 포함할 수 있다. 이와 같이 형성된 집합체들로 구성되는 입자 재료는 일반적으로 약 10 내지 150 미크론의 범위 내에 있는 평균 입자 크기를 가진다. 일반적으로, 재료는 약 25 미크론보다 작지 않은 것과 같이, 약 20 미크론보다 작지 않은 평균 입자 크기를 가진다. 평균 입자 크기의 상한은 공정 제한들과 특정한 최종 사용 적용들에 의해 설정되며, 일반적으로 재료는 약 90, 80 미크론보다 크지 않거나, 심지어 70 미크론보다 크지 않은 것과 같이, 약 100 미크론보다 크지 않은 평균 입자 크기를 가진다. 몇몇의 실시예들에서, 집합체 재료의 평균 입자 크기는 바람직하게는 약 20 미크론과 50 미크론 사이에 있다. 집합체들의 크기 및 크기의 범위는 조절될 수 있으며 혼합물의 조성과 분무 건조기 공급 속도를 포함하는 많은 요인들에 의존할 수 있다. 예를 들어, 대략 10 미크론, 20 미크론, 35 미크론, 40 미크론, 및 45 미크론의 크기를 포함하는 크기의 연마제 집합체들은 로터리 분무식 분무 건조기를 사용하여 성공적으로 제조되었다. 이 집합체들은 약 5에서부터 약 8 미크론까지의 범위에 있는 연마 그릿 입자들을 포함하였다.

확대 하에서 관찰될 때, 집합체는 도 4 내지 도 6의 주사 전자 현미경 사진들에 보여지는 바와 같이 둥글거나 구형으로 특징지어지는, 일반적인 회전 타원체형을 가진다. 그러나, 몇몇의 예들에서, 집합체들은 이 집합체의 중심의 근처에 공극을 가지며 그에 따라 도 1 내지 도 3의 주사 전자 현미경 사진들에 보여지는 바와 같이 더욱 토로이드 또는 토러스 같은 형상을 나타내는 것이 관찰될 수 있다. 다이아몬드 그릿과 같은 연마 그릿 재료의 개개의 입자들이 집합체들의 표면의 위에 그리고 이들의 내부의 내에 분산되며, 상대적으로 적은 경우에 개개의 그릿 입자들이 집합체의 표면의 위에 응집되는 것이 관찰될 수 있다. 도 1 내지 도 6은 수지 바인더 시스템에 함께 결합되는 분산된, 개개의 집합체들을 보여준다는 것이 주목된다.

연마제 집합체들의 추가적인 연구는 몇몇의 실시예들이 중공 회전 타원체형으로 구성된다는 것을 보여 주었다. 이런 입자들은 집합체들의 평균 입자 크기의 약 0.08 내지 0.4배의 범위 내에 있는 벽 두께(t_w)를 가지는, 두꺼운 외피의 라켓 볼들과 유사할 수 있다. 공정 파라미터들과 조성 파라미터들은 집합체들의 평균 입자 크기의 약 0.1배 또는 0.15배보다 작지 않은 벽 두께들과 같은, 상이한 벽 두께들을 초래하기 위해 변경될 수 있다. 벽 두께에 대한 상한은 집합체들의 평균 입자 크기의 0.35배, 0.30배, 0.25배, 또는 0.20배일 수 있다.

추가적인 연구들은 비표면적들(SSA)이 일반적으로 10 m²/g보다 크거나, 15 m²/g보다 큰 것과 같이, 2 m²/g보다 크다는 것을 보여준다. 최대 SSA는 100 m²/g보다 크지 않은 것과 같이, 150 m²/g보다 크지 않은 것이 관찰되었다.

일단 형성되면, 연마제 집합체들은 입자 크기 분포를 세분하는 적당한 분류와 함께 '현재 상태 그대로' 사용될 수 있다. 집합체들이 미처리의, 소성되지 않은 상태로 사용되도록, 과도한 열 처리와 같은 합성 후 처리 단계들이 회피되지만, 집합체들은 개개의 연마 그릿들이 코팅될 수 있는 것과 거의 동일한 방식으로, 금속 코팅으로 코팅될 수 있다. 금속 코팅은 니켈, 티타늄, 구리, 은, 및 이들의 합금들과 혼합물들을 포함한다.

일단 제조되면, 연마제 집합체들은 고정되지 않은 또는 '자유' 연마제 분말로 바로 사용될 수 있다. 이와 관련해서, 집합체들로부터 형성된 연마제 분말은 건조 분말 또는 개선된 성능을 위해 슬러리를 생성하도록 물과 같은 액체로 습윤된 분말로 사용될 수 있다. 연마제 분말은 또한 폴리싱 페이스트나 겔에 혼합될 수 있다. 이렇게 제조된 연마제 분말은 유리하게도 반도체 산업에 사용되는 화학적 기계적 평탄화(CMP: chemical mechanical planarization), 다양한 재료들의 정밀 표면 마무리, 및 천연 및 인공 치과 재료들의 폴리싱과 같은, 수많은 다른 재료들의 마무리 및/또는 폴리싱을 위해 사용될 수 있다. 또는, 집합체들은 코팅된 연마 제품과 결합된 연마 제품을 폭 넓게 포함하는 용어인, 고정 연마제에 형성된다.

그러나, 본 발명의 다른 실시예들에서, 연마제 집합체들은 바람직하게는 기재의 표면에 집합체들을 부착시키는데 사용되는 수지 재료와 결합된다. 집합체들을 수지 결합 재료와 결합시키기 위한 공정들은 슬러리 형성을 포함하며, 여기에서 집합체들, 수지 및 다른 첨가제들이 함께 결합되고 기재의 위에 코팅되거나, 별도의 처리 경로에서, 집합체들은 정전기 인력에 의해서나 단순히 중력에 의해(예를 들어, 기재의 위에 뿌려짐) 수지 코팅 기재의 위에 배치된다. 후자의 접근 방식은 일반적으로 기재의 위에 '메이크 코트(make coat)' 를 먼저 부착시킴, 메이크 코트의 위에 집합체 적용, 및 '사이즈 코트(size coat)' 의 뒤이은 부착으로, 본 기술분야에서 잘 이해된다. 선택적으로, 슈퍼사이즈 코트(supersize coat)가 사이즈 코트의 위에 부착될 수 있다. 게다가, 유연한 코트(compliant coat)가 메이크 코트와 기재 사이에 부착될 수 있다. 다른 예에서, 백 코트(back coat)가 메이크 코트의 마주보는 면에 기재의 위에 부착될 수 있다.

집합체들에 추가하여, 기재를 코팅하는 슬러리와 관련하여, 슬러리는 일반적으로 또한 물이나 유기 용매와 같은 용매 및 중합체 수지 재료를 포함한다. 적당한 중합체 수지 재료들은 폴리에스테르들, 에폭시 수지들, 폴리우레탄들, 폴리아미드들, 폴리아크릴레이트들, 폴리메타크릴레이트들, 폴리 비닐 클로라이드들, 폴리에틸렌, 폴리실록세인, 실리콘들, 셀룰로오스 아세테이트들, 니트로셀룰로오스, 천연 고무, 전분, 셸락, 및 이들의 혼합물들을 포함한다. 가장 바람직하게는, 수지는 폴리에스테르 수지이다. 슬러리는 기재에 집합체 입자들을 결합시키도록 설계되는 바인더 시스템을 형성하기 위해 다른 성분들을 추가적으로 포함한다. 슬러리 조성물은, 예를 들어, 고전단 믹서를 사용하여 완전하게 혼합된다.

집합체 입자들을 함유하는 슬러리는 바람직하게는 코팅을 형성하기 위해 블레이드 스프레더(blade spreader)를 사용하여 기재에 적용된다. 또는, 슬러리 코팅은 슬롯 다이(slot die), 그라비어(gravure), 또는 역 그라비어(reverse gravure) 코팅 방법들을 사용하여 적용될 수 있다. 코팅 두께는 건조 후에 약 1에서부터 약 5 밀(mils)까지의 범위에 있을 수 있다. 기재가 원하는 코팅 속도(coat speed)로 블레이드 스프레더 하에 공급될 때, 집합체 입자 슬러리는 원하는 두께로 기재에 적용된다. 코팅 속도는 바람직하게는 분당 약 10 내지 약 40 피트 사이이다.

그 다음에 코팅된 기재는 수지를 경화시키며 기재에 집합체 입자들을 결합시키기 위해 가열된다. 일반적으로, 코팅된 기재는 이 경화 공정 중에 약 100℃ 내지 약 250℃ 사이의 온도로 가열된다. 본 발명의 몇몇의 실시예들에서, 경화 단계는 약 200℃보다 낮은 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.

일단 수지가 경화되고 집합체 연마제 입자들이 기재에 결합되면, 코팅된 기재는 다양한 스톡 제거(stock removal), 마무리, 및 폴리싱 적용들에 사용될 수 있다.

본 발명의 대체 실시예에서, 연마제 집합체들은 기재에 직접 함유될 수 있다. 예를 들어, 집합체들은 폴리에스테르 수지와 혼합될 수 있으며 그 다음에 집합체들과 폴리머의 혼합물은 기재로 형성될 수 있다.

본 발명의 대체 실시예에서, 연마제 집합체들은 접착제로 코팅된 기재에 적용되고 그 다음에 밀봉될 수 있다. 이 코팅 기술은 종래의 샌드페이퍼에 대해 일반적으로 사용되는 것과 유사하며, 위에서 참조되었다. 이 실시예에서, 연마제 집합체들은 바람직하게는 슬러리에 혼합되지 않는다. 그 대신에 집합체들을 함유하는 연마제 분말이 바람직하게는 접착제가 이미 적용된 기재에 공급되며, 즉 메이크 코트가 되고, 그 다음에 사이즈 코트를 통한 밀봉이 된다. 선택적으로, 기재는 유연한 코트 또는 백 코트로 전처리될 수 있다.

본 발명의 대체 실시예에서, 연마제 집합체들은 전기 도금, 정전기 코팅, 분무 코팅 및 분무 분말 코팅 방법들에 의해 기재들 또는 다른 재료들에 적용될 수 있었다.

그 다음에 연마제 코팅 기재는 다른 재료들을 마무리하며/하거나 폴리싱하기 위한 랩핑 필름이나 미세 마무리 필름으로 사용될 수 있다. 이 방식으로 코팅될 수 있는 기재 재료들은 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, DuPont으로부터 나온 KAPTON과 같은 폴리이미드들, 부직포 재료들, 직물 재료들, 종이, 및 구리, 알루미늄, 및 강철의 포일들을 포함하는 금속들을 포함하지만, 이들에 한정되지는 않는다. 폴리에스테르 필름들이 본 발명의 몇몇의 실시예들에서 기재 재료로 특히 바람직하다. 적당한 기재들은 코팅되기 전에 약 1에서부터 약 14 밀까지의 두께를 가질 수 있다.

몇몇의 실시예들에서, 연마 제품은 발포 재료와 같은 고다공성 기재 재료를 사용할 수 있다. 다공성 기재들은 연마제 적용 중에 스와프 제거(swarf removal)를 용이하게 하며 또한 유연한 재료가 적합한 적용들에 유용하다는 것을 입증할 수 있다. 공극의 양은 일반적으로 적어도 약 40 vol%이며, 몇몇의 실시예들에 따르면, 적어도 약 50 vol%, 60 vol%, 70 vol%, 80 vol% 또는 심지어 적어도 약 90 vol%이다. 특정한 실시예들은 약 50 vol%와 90 vol% 사이의 범위 내에 있는 공극을 가진다.

일반적으로, 이런 기재들에 있는 공극은 개방되거나, 폐쇄되거나, 또는 이들의 조합일 수 있다. 여전히, 특정한 실시예들은 대부분이 개방된 공극을 가지는 다공성 기재 재료들을 사용한다. 즉, 공극은 기재의 물리적인, 격자 구조를 통해 연장되는 상호 연결된 망상의 구멍들이다. 상호 연결된 망상의 구멍들이 첨가제들, 코트들, 및 입자 재료들이 몇몇의 연마 제품들의 형성에 적합할 수 있는 기재 재료의 내부로 침투되는 것을 허용하기 때문에 일정한 양의 개방된 공극이 바람직할 수 있다.

다공성 기재들과 관련하여, 몇몇의 적당한 재료들은 유기 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리올레핀들과 같은 합성 유기 재료들 및 더 구체적으로는 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메타크릴이미드, 폴리아미드, 폴리유산(polylactic acid), 폴리아크릴레이트, 폴리설폰, 폴리아세테이트, 불화 폴리머들, 및 염화 폴리머들을 포함하는 폴리머들.

다공성 기재들을 사용하는 연마 제품들의 형성은 여기에서 설명된 실시예들에 따라 완료될 수 있다. 예를 들어, 형성 공정은 메이크 코트, 사이즈 코트, 슈퍼사이즈 코트, 또는 심지어 백 코트와 같은 어떤 개수의 코트들을 포함할 수 있다. 특히, 입자 재료가 기재에 결합되도록 하는 바인더들이나 접착제들은 구멍들의 침투를 보장하기 위해 분무 코팅 적용을 포함할 수 있다. 게다가, 입자 재료는 적당한 양의 입자 재료가 기재에 결합되는 것을 보장하는 유사한 공정을 사용하여 적용될 수 있다.

몇몇의 적용들에서, 격자 구조의 사용 가능한 표면 영역의 위에 입자 재료의 특정한 코팅이 바람직하다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 격자 구조의 사용 가능한 표면 영역의 적어도 약 50%가 입자 재료에 의해 커버된다. 다른 실시예들에 따르면, 입자 재료는 적어도 약 60%, 75%, 85% 또는 심지어 95%와 같이, 격자 구조의 사용 가능한 표면 영역의 더 큰 비율을 커버한다. 몇몇의 실시예들은 약 50%와 100% 사이이며, 더 구체적으로는, 약 85%와 100% 사이의 범위 내의 사용 가능한 표면 영역의 위에 입자 재료의 피복을 사용한다. 도 17 및 도 18은 기재의 격자 구조에 결합된 입자 재료들을 포함하는 고다공성 기재의 부분들의 확대된 이미지들을 제공한다.

다공성 기재를 사용하는 연마 제품들은 폴리싱 및 그라인딩 적용들을 포함하는 일반적인 연마 작업들이나 클리닝 적용들에 유용할 수 있다. 이런 제품들은, 예를 들어, 상업, 자동차, 가정용, 개인용 용도, 의료 산업들을 포함하는, 다양한 산업들에서 사용될 수 있다. 사실상, 비교 테스트들에서, 본 연마 제품은 최신식의 연마 클리닝 제품들보다 성능이 우수했다. 예를 들어, 이와 같은 최신식의 제품의 하나는 Proctor and Gamble로부터 사용 가능한 Mr. Clean Magic Eraser?이다.

기재 재료의 타입, 다시 말하면, 공극이 있거나 공극이 없는 것과는 관계가 없는 코팅된 연마 제품들에 대해 더 일반적으로 다시 언급하면, 다른 첨가제들이 연마 제품에 구비될 수 있다. 첨가제들은 연마 제품에 어떤 적용들에 적합할 수 있는 어떤 특성들을 부여하기 위해 메이크 코트, 사이즈 코트, 슈퍼사이즈 코트, 또는 백 코트와 같이 이전에 언급된 코트들 중의 어느 하나에 첨가될 수 있다. 이런 첨가제들은 공간 충전 방지제들(anti-loading agents), 연마제 필러들, 가소제들, 대전 방지제들, 윤활제들, 습윤제들, 그라인딩 보조제들(grinding aids), 안료들, 염료들, 결합제들, 이형제들, 현탁화제들, 경화제들, 방향제 재료들, 및 항균제들을 포함할 수 있다.

공간 충전 방지제들은 그라인딩 및 폴리싱 적용들 중에 스와프 제거를 도와준다. 이런 적당한 공간 충전 방지제들의 일부는 금속 함유 또는 유기물 함유 재료들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 특히 적합한 유기물 함유 공간 충전 방지제들은 적어도 4개의 탄소 원자들, 및 더 구체적으로는, 적어도 8개의 탄소 원자들, 예를 들어, 약 15개에서부터 35개까지의 탄소 원자들을 가지는 제4 암모늄 염 화합물들을 포함하는 오르가닐 기들(organyl groups)을 가지는 폴리머들을 포함할 수 있다. 다른 적당한 유기 공간 충전 방지제들은 산들, 예를 들어, 약 4개에서부터 22개까지의 탄소 원자들을 가지는 포화지방산들을 포함할 수 있다. 몇몇의 경우에, 부분 에스테르들이 또한 특히 적당할 수 있다.

게다가, 특히 적당한 금속 함유 재료들은 스테아린산 금속염들(metal stearates), 팔미트산 금속염들(metal palmitates), 이들의 조합, 등을 포함할 수 있다. 어떤 다른 공간 충전 방지제들은 아민 염들, 리튬 염들, 이들의 조합들, 등과 같은 염들을 포함할 수 있다. 인산들과 같은 인 함유 화합물들이 또한 공간 충전 방지제들로 사용하기에 적당할 수 있다.

여기에 있는 연마 제품들은 약 50℃보다 높은 연화점들을 가지는 공간 충전 방지제들을 포함할 수 있다. 다른 공간 충전 방지제들은 적어도 약 60℃, 75℃, 90℃, 및 더 구체적으로는, 약 50℃와 100℃ 사이의 범위 내에 있는 것과 같이, 의도한 적용에 따라 더 높은 연화점들을 가질 수 있다. 공간 충전 방지제는 메이크 코트, 사이즈 코트, 슈퍼사이즈 코트, 또는 백 코트와 같은, 형성하는 코트들 중의 하나의 내부로 연마 제품에 적용될 수 있지만, 이런 첨가제는 다른 방식으로도 적용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 공간 충전 방지제는 기판에 결합되도록, 별도의 적용으로, 기재에 직접 적용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 공간 충전 방지제는 입자 재료에 결합될 수 있으며, 예를 들어, 이는 나노입자 바인더에 결합되는 것과 같이, 입자 재료의 내부에 함유될 수 있거나, 또는, 입자 재료의 중공 또는 내부 공간에 함유될 수 있다.

공간 충전 방지제를 함유하는 슈퍼사이즈 코트와 관련해서, 일반적으로 공간 충전 방지제가 슈퍼사이즈 코트의 전체 중량의 약 50 wt%와 100 wt% 사이의 양으로 존재한다. 기재에 결합되거나 입자 재료의 내부에 함유된 공간 충전 방지제와 관련해서, 공간 충전 방지제의 양은 같을 수 있거나, 몇몇의 경우에는, 더 적은 양으로 존재할 수 있다.

몇몇의 실시예들에서, 입자 재료의 최종 형성 이전에 공간 충전 방지제를 혼합하는 것이 적절할 수 있다. 즉, 공간 충전 방지제는 입자 재료의 형성 중에 제공될 수 있다. 특정한 일 실시예에 따르면, 공간 충전 방지제는 분무 건조 공정 이전과 같이, 입자들을 형성하는데 사용되는 바인더나 가소제에 제공된다.

특정한 첨가제들에 대해 더 언급하면, 연마 제품은 그라인딩이나 폴리싱 적용 중에 연마 제품이 정전기를 축적하는 경향을 감소시키는 대전 방지제를 포함할 수 있다. 적당한 대전 방지제들은 흡습성 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 대전 방지제는 아민들, 카르복실들, 히드록실들, 및 이들의 조합, 등과 같은, 유기 재료를 포함할 수 있다. 게다가, 대전 방지제는 금속, 더 구체적으로는, 산화 바나듐과 같은, 금속들의 산화물들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들은 탄소를 포함하는 대전 방지제를 사용할 수 있다. 탄소 함유 대전 방지제들은 탄화수소들의 부분적인 연소에 의해 일반적으로 형성되는 흑연이나 카본 블랙을 포함할 수 있다.

연마 제품에 대한 대전 방지제의 적용은 공간 충전 방지제에 대하여 설명된 방식과 유사한 방식일 수 있다. 즉, 이는 메이크 코트, 사이즈 코트, 슈퍼사이즈 코트, 또는 심지어 백 코트와 같이, 기재 및/또는 입자 재료를 덮으며 이에 결합되는 코트의 내부에 포함될 수 있다. 또는, 대전 방지제는 기재의 표면에 부착되는 백킹 재료의 내부에 함유될 수 있다. 다른 실시예에서, 대전 방지제는 입자 재료에 결합될 수 있으며, 즉, 이는 나노입자 바인더 재료의 내부에 함유되며 이에 결합될 수 있거나, 또는 중공의 입자 재료의 내부 공간에 함유될 수 있다. 입자 재료에 결합되는 대전 방지제를 제공하는 특정한 상황에서, 입자 재료를 형성하는 중에 이와 같은 방지제를 제공하는 것이 적절할 수 있다. 예를 들어, 대전 방지제는 입자들을 형성하는데 사용되는 바인더나 가소제 재료의 일부분으로 첨가될 수 있다.

연마 제품의 내에 대전 방지제의 혼합은 낮은 표면 저항 제품을 초래할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 대전 방지제를 포함하는 연마 제품의 표면 저항은 1E8 옴/스퀘어(ohm/square)보다 크지 않다. 다른 실시예들은 약 1E7 옴/스퀘어, 1E6 옴/스퀘어보다 크지 않거나, 심지어 약 1E5 옴/스퀘어보다 크지 않은 것과 같이, 더 낮은 표면 저항들을 가질 수 있다. 몇몇의 실시예들은 1E4 옴/스퀘어와 약 1E8 옴/스퀘어 사이의 범위 내에 있는 표면 저항을 가지는 연마 제품을 사용한다.

특히 다른 첨가제들에 대해 언급하면, 기재는 방향이나 향기가 연마 제품의 사용 중에 방출되도록 방향제 재료를 포함할 수 있다. 일반적으로, 방향제 재료들에 대한 언급은 향기, 종종 꽃, 사향, 또는 감귤류 방향제들과 관련된 것들과 같이 상쾌한 향기를 방출할 수 있는 재료들에 대한 언급이다. 방향제 재료는 잔류 향기(base note), 처음 향기(top note), 중간 향기(middle note), 및 이들의 어떤 조합을 포함할 수 있도록, 향수들과 유사한 향기를 포함할 수 있다. 게다가, 몇몇의 방향제 재료들은 자연적으로 발견되고 어떤 향기들과 연관된 것들과 같은 정유들(essential oils), 또는, 정유들의 자연적으로 발생하는 향기를 모방하여 개발된 합성 재료들을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에 따르면, 방향제 재료는 유기 재료이며, 알코올들, 알데히드들, 아민들, 에스테르들, 에테르들, 케톤들, 락톤들, 테르펜들, 및 티올들과 같은 화합물들을 포함할 수 있다.

연마 제품의 내에 방향제 재료의 제공은 연마 제품의 사용 중에 상쾌한 향기의 방출을 허용한다. 따라서, 연마 제품의 내에 이런 방향제 재료들의 제공은 상쾌한 향기가 청결의 수준과 연관되는 가정용이나 개인용 적용들에 사용하는데 적당할 수 있다. 여기에서 논의된 다른 첨가제들과 마찬가지로, 방향제 재료는 연마 제품에서 사이즈 코트, 메이크 코트, 슈퍼사이즈 코트, 또는 심지어 백 코트와 같은 코트 내에 적용될 수 있다. 특정한 실시예에 따르면, 방향제 재료는 기재에 결합되며, 더 구체적으로는, 일부분의 기재 및 입자 재료를 덮는 코트 내에 함유될 수 있다. 대체 실시예에 따르면, 방향제 재료는 나노입자 바인더에 함유되며 결합될 수 있거나, 또는 중공 입자 재료의 내부 공간 내에 함유될 수 있도록, 입자 재료 내에 함유된다. 입자 재료에 결합되는 방향제 재료의 특정한 상황에서, 입자 재료의 형성 중에 이와 같은 재료를 제공하는 것이 적절할 수 있다. 예를 들어, 이 대전 방지제는 입자들을 형성하는데 사용되는 바인더나 가소제 재료의 일부분으로 첨가될 수 있다.

다른 특정한 실시예에 따르면, 연마 제품은 연마 제품의 사용 중에 가공 표면에 방출되며 그에 의해 가공 표면을 살균하는, 상업용, 산업용, 및 가정용 제품들에 유용한 항균제를 포함할 수 있다. 적당한 항균제들은 살균제들, 소독제들, 소독약들, 및 곰팡이 제거제들을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 적당한 항균제들은 일반적으로 알코올, 페놀들, 과산화물, 암모늄 함유 화합물들, 요오드 함유 화합물들, 및 염소 함유 화합물들과 같은 재료들을 포함한다. 항균제는 클로르헥사딘, 트리클로산, 표백제, 및 제4 염화암모늄과 같이 더 일반적인 예들을 포함하는, 위에 언급된 화학적 화합물들 중의 하나 또는 어떤 조합을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다.

연마 제품의 내부에 항균제들의 제공은 이들이 메이크 코트, 사이즈 코트, 슈퍼사이즈 코트, 또는 백 코트를 포함하는, 최종 제품을 형성하는데 사용되는 다양한 코트들 중의 하나에 제공되는 방식으로 수행될 수 있다. 특정한 실시예에 따르면, 항균제는 기재에 결합될 수 있으며, 더 구체적으로는, 연마 공정을 수행하는 중에 항균제가 가공 표면에서 방출되도록 기재의 일부분을 덮으며 입자 재료에 결합될 수 있다. 특정한 실시예에 따르면, 항균제는 나노입자 바인더의 내부에 함유되거나, 또는 중공 입자 재료들의 내부 공간 내에 함유되도록, 입자 재료에 결합될 수 있다. 항균제가 입자 재료에 결합되는 몇몇의 경우에, 항균제는 입자 재료의 형성 중에 가소제나 바인더의 내부에 제공될 수 있다.

게다가, 연마제 집합체들은 또한 다이아몬드 그라인딩 휠들 및 다른 그라인딩 휠들과 같은, 결합 연마제들에 포함될 수 있다. 결합 연마제들은 또한, 예를 들어, 사다리 가로대들에 적용될 수 있는 높은 마찰의, 미끄럼 방지 재료들을 제공하는데 사용될 수 있다. 여기서, 일반적인 결합 연마제들은 코팅된 연마제의 일반적인 평면 구조보다는 3차원 구조이며, 집합체들이 매립되는 3차원 매트릭스의 결합 재료를 포함한다. 즉, 결합 재료는 집합체들의 위치를 서로에 대하여 고정시키며, 상호 응집된 상(inter-agglomerate phase)으로 존재한다. 결합 연마제들이 수지, 유리, 및 금속들과 같은 폭 넓게 다양한 결합제들을 사용하지만, 유리 및 금속 결합 재료들과 같은 몇몇의 약제들은 고온 처리를 필요로 한다. 따라서, 집합체들의 미처리 구조를 보존하기 위해, 일반적으로 높은 경화 온도를 필요로 하지 않거나, UV와 같은 화학 방사선으로 경화될 수 있는 수지 시스템들이 사용된다.

본 발명에 따른 일 실시예에서, 연마 제품이 통신 케이블들, 특히 광섬유 케이블들을 마무리하고 폴리싱하기 위해 사용될 수 있다. 광섬유 케이블들은 광 펄스의 형태로 매우 빠른 속도로 많은 양의 데이터를 전송할 수 있다. 그러나, 이 광 펄스가 상호 연결된 광섬유 케이블들 사이에서 또는 광섬유 케이블과 연결된 전자 장치 사이에서 효과적으로 전송되는 것을 허용하기 위해, 광섬유 커넥터들의 단부들은 깨끗하게 절단되거나 절개되어야 하며 그 다음에 극도로 매끄러운 표면과 적절한 팁 구조를 만들기 위해 고도로 폴리싱되어야 한다. 본 발명에 따라 제조되고 일반적으로 디스크나 시트 형태로 절단된 연마 기재 필름이 이 목적을 위해 사용될 수 있으며 광섬유 커넥터들의 단부들의 폴리싱에 매우 효과적인 것이 관찰되었다.

광섬유 커넥터들을 폴리싱하기 위해 사용될 때, 연마 기재 필름들은 바람직하게는 실리카 나노입자 바인더와 결합된 다이아몬드 그릿으로부터 형성되는 집합체들로부터 제조된다. 그릿 입자들은 바람직하게는 약 1 미크론의 크기를 가지며, 집합체들의 전체 크기는 바람직하게는 약 30에서부터 약 80 미크론까지이다. 이 집합체들은 바람직하게는 폴리에스테르 필름 기재에 결합된다. 광섬유 커넥터 단부들의 폴리싱은 광섬유 폴리싱 기계로 수행될 수 있다. 적당한 12 커넥터 폴리싱 기계는 Minnesota, Rochester의 Domaille Engineering으로부터 이용 가능하며, 예를 들어, 약 60 rpm의 속도에서 그리고 약 8 psi의 가해진 압력으로 광섬유 커넥터들의 폴리싱을 하기 위해서 본 발명의 연마 기재 필름들과 함께 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 연마 제품은 강철과 같은 경질 금속 표면들의 스톡 제거, 마무리 및 폴리싱을 위해서 사용될 수 있다. 금속 표면들을 폴리싱하기 위해 사용될 때, 연마 기재 필름들은 바람직하게는 실리카 나노입자 바인더와 결합된 다이아몬드 그릿으로부터 형성되는 집합체들로부터 제조된다. 그릿 입자들은 바람직하게는 약 1 미크론의 크기를 가지며, 집합체들의 전체 크기는 바람직하게는 약 30에서부터 약 80 미크론까지이다. 이 집합체들은 바람직하게는 폴리에스테르 필름 기재에 결합된다. 이 연마 제품을 사용하여, 예를 들어, 600 rpm의 속도에서 그리고 15 뉴톤의 가해진 힘으로 작동하는 Struers 금속 폴리싱 기계(Ohio, Westlake의 Struers, Inc.로부터 이용 가능함)를 사용하여, 표면들의 폴리싱이 수행될 수 있다. 또는, 경질 금속 표면들은 또한 실리카와 결합된 탄화 규소 그릿으로부터 형성되는 연마제 집합체들을 사용하여 폴리싱될 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 연마 제품은 구리나 황동과 같은 더 연질의 금속 표면들의 스톡 제거, 마무리 및 폴리싱을 하기 위해 사용될 수 있다. 금속 표면들을 폴리싱하기 위해 사용될 때, 연마 기재 필름들은 바람직하게는 실리카 나노입자 바인더와 결합된 다이아몬드 그릿으로부터 형성되는 집합체들로부터 제조된다. 그릿 입자들은 바람직하게는 약 3 내지 5 미크론의 크기를 가지며, 집합체들의 전체 크기는 바람직하게는 약 30에서부터 약 80 미크론까지이다. 이 집합체들은 바람직하게는 폴리에스테르 필름 기재에 결합된다. 이 연마 제품을 사용하여, 예를 들어, 150 rpm의 속도에서 그리고 45 뉴톤의 가해진 힘으로 작동하는 Struers 금속 폴리싱 기계(Ohio, Westlake의 Struers, Inc.로부터 사용 가능함)를 사용하여, 표면들의 폴리싱이 수행될 수 있다. 또는, 연질 금속 표면들은 또한 실리카와 결합된 탄화 규소 그릿으로부터 형성되는 연마제 집합체들을 사용하여 폴리싱될 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 연마 기재는 도색된 표면들과 같은, 코팅된 표면들을 마무리 및 폴리싱하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 연마 기재 필름들은 도색된 자동차 표면들을 버핑하거나 폴리싱하는데 사용될 수 있다. 도색된 자동차 표면들을 폴리싱하기 위해 사용될 때, 연마 기재 필름들은 바람직하게는 실리카 나노입자 바인더의 내부에 매립된 탄화 규소 그릿으로부터 형성되는 집합체들로부터 제조된다. 그릿 입자들은 바람직하게는 약 3 내지 8 미크론의 크기를 가지며, 집합체들의 전체 크기는 바람직하게는 약 30에서부터 약 50 미크론까지이다. 이 집합체들은 바람직하게는 폴리에스테르 필름 기재에 결합된다.

코팅된 표면들과 관련해서, 여기에 있는 연마 제품들이 도색된 표면들의 외관을 변화시키는데 유용하다는 것이 관찰되었다. 특히, 연마 제품들이 도색된 표면들의 표면 조도를 감소시키며, 그에 의해 도색된 표면의 광택을 증가시키는데 적합하다는 것이 주목된다. 연마 제품으로 무광택 또는 반-광택 페인트를 가지는 도색된 표면을 연마하면, 표면 조도는 처리된 표면의 광택이 초기 광택(G_i)보다 더 큰 최종 광택(G_f)까지 증가되도록 감소된다. 광택의 이런 측정된 변화들은 60° 나 85° 에서와 같은, 어떤 각도들에서 더 효과적으로 나타난다. 일 실시예에 따르면, 광택의 변화는 ASTM 표준 테스트 D2457에 따라 광택측정기 BYK Micro Trigloss Meter 4430에 의해 측정될 때에 최종 광택(G_f)이 초기 광택(G_i)보다 적어도 2배 더 클 정도로 주목할 만한 변화이다. 다른 실시예들에서, 초기 광택과 최종 광택 사이의 변화는 최종 광택(G_f)이 초기 광택(G_i)의 적어도 4배이며, 더 구체적으로는 약 60°의 각도에서 측정된 초기 광택(G_i)의 약 2배 내지 약 4배 사이의 범위 내에 있을 정도로, 더 크다.

더 큰 각도들에서, 최종 광택(G_f)과 초기 광택(G_i) 사이의 광택의 변화는 더 클 수 있다. 일 실시예에 따르면, 85° 의 각도에서 측정된 최종 광택(G_f)은 초기 광택(G_i)의 적어도 약 3배이며, 더 구체적으로는 초기 광택(G_i) 측정의 약 2배 내지 6배 사이의 범위 내에 있다.

다른 실시예들은 특히 치과 적용들의 마무리를 포함할 수 있다. 여기서, 여기에 설명된 바와 같이 미처리의, 소성되지 않은 집합체들을 함유하는, 코팅된 연마제와 같은 연마 제품이 치아 및 치과 보철물을 마무리하기 위해 아주 성공적으로 사용될 수 있다.

일반적으로 위에 설명된 것들과 같은 재료들의 폴리싱은 다단계, 점진 공정으로 수행된다. 표면이 먼저 상대적으로 거친 연마제 재료로 폴리싱되며 그 다음에 약간 더 미세한 그릿 연마제 재료로 다시 폴리싱된다. 이 공정은 몇 번 반복될 수 있으며, 표면이 원하는 평활도로 폴리싱될 때까지 각각의 계속적인 재 폴리싱이 점차 더 미세해지는 그릿 연마제로 수행된다. 일반적으로 연마제의 입자들이 이들이 제거하는 스크래치들의 크기와 동일한 크기여야 하므로 이 타입의 다단계 폴리싱 과정은 종래에도 요구되었다. 어떤 폴리싱 프로토콜들은 어떤 그릿 크기를 가지는 점차 더 미세해지는 제품들, 및 3배로 감소되는 상응하는 Ra(연마 제품과 가공 대상물 가공후 단계 중에 대하여)를 사용한다. 즉, 이전의 기계 가공 단계로부터 결함 제거를 보장하기 위해, 점차 더 미세해지는 제품들은 일반적으로 3배의 감소로 제한된다(예를 들어, 9 미크론에서부터 6 미크론으로, 3 미크론으로의 그릿 크기들).

그러나, 종래의 다단계 절차와는 대조적으로, 아주 놀라우며 뜻밖에도 광섬유 커넥터들, 금속 표면들, 도색된 자동차 표면들, 및 치과 보철물들과 같은 재료들로부터 나온, 폭 넓게 다양한 가공 대상물들이 본 발명에 따른 코팅된 연마 제품과 같은, 다수보다는 오히려 단일의 연마 제품을 사용하여 단일 단계 공정으로 폴리싱될 수 있다는 것이 관찰되었다. 이 결과는 아주 놀라우며 매우 유익하다. 본 발명에 따른 연마 기재들이 사용될 때, 전체 폴리싱이 단지 하나의 연마제를 사용하여 수행될 수 있다는 것이 관찰되었다. 이는 원하는 폴리싱 평활도를 달성하는데 필요한 시간의 상당한 감소뿐만 아니라 비용의 현저한 감소를 초래한다.

이론에 의해 제한되지 않고, 이점이 본 발명의 집합체들에서 관찰되는 특별한 특성들로부터 나온다고 믿어지고 있다. 표면의 평균 조도, 또는 Ra는 표면의 전체 높이 프로파일의 변동의 정도의 척도이다. 더 낮은 조도 값은 일반적으로 더 매끄러우며 표면의 상이한 위치들 사이의 전체 높이의 더 작은 변동을 가지는 표면을 나타낸다. 연마제 재료들의 조도 값이 측정될 때에, 관찰된 조도 값들은 일반적으로 연마제 입자들의 평균 크기와 상호 관련될 수 있다. 예를 들어, 종래의 다이아몬드 그릿 연마제들에서, 연마제들에 대한 다이아몬드 그릿의 크기와 예상되는 조도 값들은 일반적으로 다음과 같다:

원하는 최종 최대 조도로(즉, 원하는 최종 최소 평활도로) 표면을 마무리하거나 폴리싱하기 위해, 종래에는 상응하는 최대 조도를 가지는 연마제가 사용되어야 한다.

그러나, 본 발명의 집합체들은 비교할 수 있는 크기를 가지는 그릿 입자에 대하여 일반적으로 예상될 수 있는 것을 초과하는 조도 값을 가지는 것이 관찰되었다. 따라서, 일반적인 30 미크론 다이아몬드 그릿 입자는 일반적으로 (위에 언급된 바와 같이) 약 2.5 미크론의 조도 값을 가질 것이지만, 본 발명에 따라 1 미크론의 다이아몬드 그릿 및 실리카 나노입자 바인더로부터 형성되는 30 미크론 집합체들은 약 5에서부터 약 6 미크론까지의 조도 값을 가지는 것이 관찰되었다.

훨씬 더 놀랍게도, 이 높은 조도 값에도 불구하고, 본 발명에 따른 이 동일한 집합체들이 표면들의 미세한 폴리싱을 위해 사용될 수 있다는 것이 관찰되었다. 1 미크론보다 훨씬 낮은 조도 값에 상응하는 마무리된 표면 평활도가, 다시, 약 5에서부터 약 6 미크론까지의 조도 값들을 가지는 것으로 측정된, 앞에서 언급된 다이아몬드 그릿 및 실리카 집합체들을 사용하여 달성될 수 있다. 종래에는, 약 1 미크론 또는 그보다 작은 크기를 가지는 그릿 입자가 이 평활도로 표면을 폴리싱하기 위해 요구될 것이다.

더 구체적으로는, 수많은 실시예들의 테스트에 근거하여, 가공 대상물의 초기 표면 조도는 종래의 단일 연마 제품의 성능을 휠씬 능가하는, 단일 연마 제품을 사용한, 단일 단계로 기계 가공되며 폴리싱될 수 있다는 것이 발견되었다. 예를 들어, 초기 표면 조도(Ra_i)를 가지는 가공 대상물에 대해, 여기의 실시예들은 가공 대상물을 연마한 결과로서 초기 표면 조도(Ra_i)를 최종 표면 조도까지 감소시키는 성능을 보여 주었으며, 최종 표면 조도(Ra_f)는 0.1Ra_i보다 크지 않은 것과 같이, 0.2Ra_i보다 크지 않다. 최신식의 연마 제품들은 일반적으로 단일 제품을 사용한 표면 조도 감소가 아주 제한되므로, 앞서 언급된 단일 제품을 사용한 표면 조도의 감소에 대한 달성은 특히 주목할 필요가 있다. 사실상, 표면 조도 감소는 0.5Ra_i보다 크지 않으며, 심지어 약 0.01Ra_i보다 크지 않은 값들로 측정되었으며, 2배의 표면 조도(Ra)의 감소의 크기를 나타내었다.

왜 여기의 실시예들이 종종 가공 대상물에 대한 Ra의 1배보다 큰 감소에 이르는 이와 같은 기계 가공 성능을 보여주는지의 정확한 이유에 대해서는 완전히 이해되지는 않지만, 주목할만한 복합 구조를 가지는 본 미처리의, 소성되지 않은 집합체들은 보완적이며 동시에 존재하는 경로들을 통한 기계 가공의 원인이 된다는 것이 이론화된다. 예를 들어, 집합체 크기는 큰 결함의 감소(예를 들어, 가공 대상물의 6 내지 7 미크론 스크래치들의 제거)의 원인이 된다는 것이 믿어지고 있다. 한편, 주요 연마 그릿은 중간 크기의 결함들의 동시에 일어나는 감소의 원인이 되며, 가공 대상물의 Ra 값을 훨씬 더 하락시키는 것으로 믿어지고 있다. 그리고, 게다가, 나노입자 바인더가 가공 대상물의 초미세 폴리싱에 기여하며, 어떤 가공 대상물들에 대해 관찰되는, 약 10 내지 20 나노미터와 같은, 나노미터 영역으로 가공 대상물의 Ra 값들을 하락시킨다고 믿어지고 있다.

미처리의, 소성되지 않은 상태의 집합체들이 위에서 설명된 주목할만한 기계 가공 성능에 기여한다는 것이 강조된다. 집합체들을 미처리의, 소성되지 않은 상태로 유지함으로써, 나노입자 바인더가, 서로 맞물리며 어느 정도로 서로 원자 결합되는 입자들로 구성되지만, 그럼에도 불구하고 나노입자의 입자들의 원하는 초미세 폴리싱 특성을 보유한다는 것이 이해되며, 이 특성들은 더 높은 온도의 열처리를 통해 파괴될 것이다. 즉, 집합체들의 다수의 작용 성질은 집합체들이 어떤 종류의 상당한 시간에 걸쳐 고온에 노출되는 것을 현저하게 방지하는 제어된 공정 조건들을 통해 유지된다. 여기서, 고온 집합체 붕괴의 원인이 될 수 있는 것은 온도뿐만 아니라 체류 시간일 수도 있다 것이 주목된다. 예를 들어, 분무 건조 중에, 집합체들을 형성하는 고형물 부분을 함유하는 작은 방울들이 일반적으로 단지 수초 동안, 약 400℃까지와 같이, 상승된 온도에 노출되지만, 소결 또는 소성, 등과 같은 종래의 고온 세라믹 공정들은 일반적으로 약 15분 내지 수 시간의 체류 시간을 사용한다. 따라서, 이런 상승이 약 수초로 제한된다면, 본 실시예들에 따른 집합체들은 심지어 상승된 온도에 노출 중에도 이들의 미처리 상태를 유지할 수 있는 것이 실현 가능하다. 이와 같은 것은 분무 건조 공정들을 위해 더 높은 온도가 사용되는 정도의 경우일 것이다.

비교 테스트에 근거하여, 슬러리 조성물에 가소제의 혼합은 아주 효과적인 결과일 수 있다는 것이 또한 주목된다. 더 구체적으로는, 집합체들을 함유하는 다이아몬드/콜로이드 실리카의 테스트에서, 가소제의 제거는 현저한 악영향을 끼쳤다. 가소제는 부유 상태 또는 슬러리 형태로 연마 그릿들의 분산을 유지하는데 도움을 주며, 처리 중에 부유 상태를 안정시킨다. 분무 건조 중에, 연마 그릿들이 매우 잘 분포된다는 것이 관찰되었다. 가소제가 슬러리 조성물로부터 제거될 때, 결과로서 생기는 집합체들은 처음에는 상이하게 나타나지 않았으며, 취급을 위한 충분한 미처리 강도를 가졌다. 그러나, 연마 제품에 적용 중에, 기계 가공 결과들은 양호하지 않으며, 집합체 실패가 관찰되었다. 어떤 특정한 이론에 의해 제한되는 것을 바라지 않고, 슬러리에서 그릿 분산과 집합체의 균일한 분포를 유지시킴으로써, 가소제가 구조적으로 더 견고한 집합체의 형성을 가능하게 하는 것이 믿어지고 있다. 이와 대조적으로, 가소제가 없는 비교 예들은 그릿들의 덩어리들을 국지화하였으며, 약한 영역의 집합체를 형성하였으며, 작동 압력의 적용 중에 실패가 생기기 쉬웠다.

집합체들의 균일한 분포는 도 8에서 용이하게 보여질 수 있으며, 이는 위에서 설명된 TGA에 노출된 예이며, 고온 휘발 때문에 연소된(burnout) 다이아몬드 그릿을 보여준다. 도 8에 보여지는 공극 영역들은 다이아몬드 그릿 위치들을 설명한다. 남겨진 재료, 열처리된 나노입자 바인더가, 명확히 자기 지지하는 연속 매트릭스를 형성한다는 것이 또한 주목된다. 물론, 도 8에 보여지는 고온 형태에서, 바인더의 입자 성질은 입자 성장 및 소결 때문에 상실되었다.

본 발명의 집합체들로부터 만들어진 연마제들의 놀라운 내구성에서 다른 이점이 발견될 수 있다. 연마제로 폴리싱되거나 마무리되는 표면으로부터 스톡 재료를 제거함으로써 연마제들은 일반적으로 마모되며 점차 이들의 유효성을 잃는다. 그러나, 본 발명의 집합체들을 함유하는 연마제들은 종래의 연마제 재료들과 비교하여 상당히 개선된 내구성을 가지는 것이 관찰되었다. 비교 가능한 적용들에 사용될 때, 본 발명의 집합체들을 함유하는 연마제들은 종래의 연마제 재료들보다 2배 이상 길며, 몇몇의 경우에는, 20배까지 길게 이들의 유효성을 보유하는 것이 관찰되었다.

본 발명의 특성들과 이점은 다음의 한정하지 않는 실시예들에서 더 상세하게 설명된다. 별도로 언급되지 않으면, 온도는 섭씨로 표시되며, 농도는 연마제 집합체들의 전체 건조 중량에 근거하여 중량 퍼센트로 표시된다.

실시예 1

실리카 나노입자들과 결합된 다이아몬드 그릿을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 1.1 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 다이아몬드 그릿과 혼합되었다. 사용되는 실리카 졸(silica sol)은 Georgia, Marietta의 Eka Chemicals Inc.로부터 이용 가능한 BINDZIL 2040이었으며, 이는 약 40 중량%의 실리카(Si0₂), 약 20 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 콜로이드 실리카 용액인 것으로 믿어진다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 20% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Maryland, Columbia의 Niro, Inc.로부터 이용 가능한 FF-1 분무기를 가지는 Niro SD6.3 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 가열되었으며 약 342℃의 온도의 분무 건조기의 입구로 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 152℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들은 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 85%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 15%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 다이아몬드 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 사이클론으로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 20 미크론인 것으로 측정되었다. 메인 건조 챔버로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 40 미크론이었다.

실시예 2

실리카 나노입자들과 결합된 다이아몬드 그릿을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카 용액(BINDZIL 2040)은 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 1.0 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 다이아몬드 그릿과 혼합되었다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 52% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 동일한 Niro 상표의 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 가열되었으며 약 342℃의 온도의 분무 건조기의 입구로 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 170℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들은 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 제조된 집합체들은 분석을 위해 수집되었으며 입자들의 약 50%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 50%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 다이아몬드 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 집합체들의 일반적인 크기는 약 35 내지 약 40 미크론인 것으로 측정되었다.

실시예 3

실리카 나노입자들과 결합된 다이아몬드 그릿을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카 용액(BINDZIL 2040)은 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 8 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 탄화 규소 그릿(일본, 도쿄의 Nanko Abrasives, Inc.로부터 이용 가능한, NGC 2500)과 혼합되었다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 60% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 동일한 Niro 상표의 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 가열되었으며 약 342℃의 온도의 분무 건조기의 입구로 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 132℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들은 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 약 150 파운드의 집합체들이 수집되었으며 입자들의 약 50%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 50%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 탄화 규소 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 집합체들의 평균 크기는 약 40 미크론인 것으로 측정되었다.

실시예 4

이 실시예에서, 위의 실시예 3에 설명된 바와 같이 제조된 탄화 규소 및 실리카 집합체들의 분말이 기재에 코팅되며 결합되었다. 기재에 집합체 분말을 적용하기 위해, 다음의 양들의 집합체 분말, 폴리에스테르 수지(Wisconsin, Wauwatos의 Bostik, Inc.로부터 이용 가능한 VITEL 3301), 가교제, 및 메틸 에틸 케톤 용매(Pennsylvania, Philadelphia의 Quaker City Chemicals, Inc.로부터 사용 가능함)를 포함하는 코팅 슬러리가 먼저 준비되었다.

조성물은 대체로 균일한 슬러리 혼합을 제공하기 위해 혼합되었다.

MYLAR Type A 폴리에스테르 상표 필름(DuPont으로부터 이용 가능함)의 롤이 기재로 사용되었다. 필름은 3 밀의 두께를 가졌다. 슬러리의 코팅이 블레이드 코팅 시스템을 사용하여 기재 필름의 상면에 적용되었다. 필름은 분당 40 피트의 속도로 블레이드 코팅 스테이션을 통해 전진되었으며 슬러리는 약 3 밀의 초기 두께의 기재 필름의 위에 코팅되었다.

코팅된 기재가 블레이드 코터를 나왔을 때, 필름은 연장된 가열 유닛을 통해 전진되었다. 유닛의 내부에 있는 가열 부분의 길이는 약 37 피트였으며 이 가열 부분은 약 340℃의 온도로 유지되었다. 코팅된 필름은 분당 40 피트의 속도로 가열 유닛에서 전진되었다. 코팅된 필름이 가열 유닛을 통과할 때, 슬러리에 있는 수지는 가교(즉, 경화) 반응을 일으켰다. 가열 유닛을 나올 때에, 이 반응은 대체적으로 완료되었으며 집합체들은 가교화된 수지에 의해 기재 필름에 대체적으로 결합되었다.

그 다음에 완성된 집합체 결합 기재 필름은 냉각되는 것이 허용되었으며 그 후에 복수의 연마 디스크들로 절단되었다. 그 다음에 연마 디스크 샘플의 표면 프로파일은 연마 디스크의 조도 값(Ra)을 결정하기 위해 Rhode Island, Providence의 Mahr Federal Inc.로부터 나온 Mahr 프로필로미터 장치(Mahr profilometer instrument)를 사용하여 분석되었다. 조도 값은 5.85 미크론인 것으로 측정되었다.

실시예 5

이 실시예에서, 랩핑 필름 기재가 2개의 집합체 분말들의 조합으로 코팅되었다. 첫번째는 위의 실시예 1에 설명된 바와 같은 다이아몬드 그릿 및 실리카 집합체들로부터 만들어진 분말이었다. 두번째는 위의 실시예 3에 설명된 바와 같이 제조된 탄화 규소 및 실리카 집합체들로부터 만들어진 분말이었다. 기재에 집합체 분말을 적용하기 위해, 다음의 양들의 2개의 집합체 분말들, 폴리에스테르 수지(Wisconsin, Wauwatos의 Bostik, Inc.로부터 이용 가능함), 가교제, 및 메틸 에틸 케톤 용매(Pennsylvania, Philadelphia의 Quaker City Chemicals, Inc.로부터 이용 가능함)를 포함하는 코팅 슬러리가 먼저 준비되었다.

조성물은 대체로 균일한 슬러리 혼합을 제공하기 위해 혼합되었다.

MYLAR Type A 폴리에스테르 상표 필름의 롤이 기재로 사용되었다. 필름은 약 3 밀의 두께를 가졌다. 슬러리의 코팅이 블레이드 코팅 시스템을 사용하여 기재 필름의 상면에 적용되었다. 필름은 분당 25 피트의 속도로 블레이드 코팅 스테이션을 통해 전진되었으며 슬러리는 약 2.5 밀의 초기 두께의 기재 필름의 위에 코팅되었다.

코팅된 기재가 블레이드 코터를 나왔을 때, 필름은 연장된 가열 유닛을 통해 전진되었다. 유닛의 내부에 있는 가열 부분의 길이는 약 37 피트였으며 이 가열 부분은 약 340℃의 온도로 유지되었다. 코팅된 필름은 약 2분의 전체 가열 시간 동안 분당 25 피트의 속도로 가열 유닛에서 전진되었다. 코팅된 필름이 가열 유닛을 통과할 때, 슬러리에 있는 수지는 가교(즉, 경화) 반응을 일으켰다. 가열 유닛을 나올 때에, 이 반응은 대체적으로 완료되었으며 집합체들은 가교화된 수지에 의해 기재 필름에 대체적으로 결합되었다.

그 다음에 완성된, 집합체 결합 기재 필름은 냉각되는 것이 허용되었으며 그 후에 복수의 연마 디스크들로 절단되었다. 그 다음에 연마 디스크 샘플의 표면 프로파일은 연마 디스크의 조도 값(Ra)을 결정하기 위해 Mahr 프로필로미터 장치를 사용하여 분석되었다. 조도 값은 11.13 미크론인 것으로 측정되었다.

실시예 6

실리카의 내부에 고정된 산화 알루미늄 그릿을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 3.27 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 산화 알루미늄 그릿과 혼합되었다. 사용되는 실리카 졸은 Georgia, Marietta의 Eka Chemicals Inc.로부터 이용 가능한 BINDZIL 2040이었으며, 이는 약 40 중량%의 실리카(Si0₂), 약 20 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 콜로이드 실리카 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 15분 동안 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 동일한 Niro 상표 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 가열되었으며 약 240℃의 온도의 분무 건조기의 입구로 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 120℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들은 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 약 15 파운드의 집합체들이 분무 건조 장치의 1.5 시간의 운전 중에 사이클론 부분으로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 그 위에 매립된 산화 알루미늄 그릿의 입자들을 가지는 실리카 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 집합체들의 평균 크기는 습식 및 건식 샘플 방법들을 사용하는, Microtrack 크기 분포 분석을 사용하여 측정되었다. 평균 크기는 습식 샘플 방법에 의해 17.08 미크론이며 건식 샘플 방법에 의해 19.12 미크론인 것으로 측정되었다. 분무 건조 후에, 집합체들의 최종 함수율은 1.4 중량 퍼센트였다.

실시예 7

실리카의 내부에 고정된 산화 알루미늄 그릿을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카 용액(BINDZIL 2040)은 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 3.27 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 산화 알루미늄 그릿과 혼합되었다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 15분 동안 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 동일한 Niro 상표 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 가열되었으며 약 343℃의 온도의 분무 건조기의 입구로 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 150℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조기는 350 헤르츠에서 작동되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들이 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 전체 약 26 파운드의 집합체들이 분무 건조 장치의 2 시간의 운전 중에 수집되었으며, 약 8 파운드의 집합체들이 메인 건조 챔버로부터 수집되었으며 약 18 파운드의 집합체들이 사이클론으로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 그 위에 매립된 산화 알루미늄 그릿의 입자들을 가지는 실리카 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 집합체들의 평균 크기는 습식 및 건식 샘플 방법들을 사용하는 Microtrack 크기 분포 분석을 사용하여 측정되었다. 사이클론의 집합체들에 대하여, 평균 크기는 습식 샘플 방법에 의해 20.38 미크론이며 건식 샘플 방법에 의해 22.4 미크론인 것으로 측정되었다. 건조 챔버의 집합체들에 대하여, 평균 크기는 습식 샘플 방법에 의해 45.97 미크론이며 건식 샘플 방법에 의해 45.91 미크론인 것으로 측정되었다. 분무 건조 후에, 집합체들의 최종 함수율은 사이클론의 집합체들에 대하여 1.76 중량 퍼센트였으며 건조 챔버의 집합체들에 대하여 1.54 중량 퍼센트였다.

실시예 8(다이아몬드 1 챔버)

실리카 나노입자들과 결합된 다이아몬드 그릿을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 1.1 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 다이아몬드 그릿과 혼합되었다. 사용되는 실리카 졸은 Georgia, Marietta의 Eka Chemicals Inc.로부터 이용 가능한 BINDZIL 2040이었으며, 이는 약 40 중량%의 실리카(Si0₂), 약 20 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 콜로이드 실리카 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 20% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Maryland, Columbia의 Niro, Inc.로부터 이용 가능한 FF-1 분무기를 가지는 Niro SD6.3 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 가열되었으며 약 342℃의 온도의 분무 건조기의 입구로 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 152℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들이 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 85%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 15%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 다이아몬드 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것으로 관찰되었다. 챔버로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 40 내지 50 미크론, SSA = 72 m²/g인 것으로 측정되었다. 집합체들은 도 9에 보여진다.

실시예 9(다이아몬드 1 사이클론)

실리카 나노입자들과 결합된 다이아몬드 그릿을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 1.1 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 다이아몬드 그릿과 혼합되었다. 사용되는 실리카 졸은 Georgia, Marietta의 Eka Chemicals Inc.로부터 이용 가능한 BINDZIL 2040이었으며, 이는 약 40 중량%의 실리카(Si0₂), 약 20 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 콜로이드 실리카 용액인 것으로 믿어지고 있다.

성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 20% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Maryland, Columbia의 Niro, Inc.로부터 이용 가능한 FF-1 분무기를 가지는 Niro SD6.3 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 가열되었으며 약 342℃의 온도의 분무 건조기의 입구로 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 152℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들이 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 85%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 15%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 다이아몬드 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 사이클론으로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 25 미크론, SSA = 71 m²/g인 것으로 측정되었다. 집합체들은 도 10에 보여진다.

실시예 10(NGC 2500 챔버)

실리카 나노입자들과 결합된 NGC 2500을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 8 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 NGC 2500 그릿과 혼합되었다. 사용되는 실리카 졸은 Georgia, Marietta의 Eka Chemicals Inc.로부터 이용 가능한 BINDZIL 2040이었으며, 이는 약 40 중량%의 실리카(Si0₂), 약 20 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 콜로이드의 실리카 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 54% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Maryland, Columbia의 Niro, Inc.로부터 이용 가능한 FF-1 분무기를 가지는 Niro SD6.3 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 가열되었으며 약 342℃의 온도의 분무 건조기의 입구로 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 152℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들이 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 50%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 50%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 NGC 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 챔버로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 40 내지 50 미크론, SSA = 63 m²/g인 것으로 측정되었다. 집합체들은 도 11에 보여진다.

실시예 11(CBN 9 미크론 챔버)

실리카 나노입자들과 결합된 CBN을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 9 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 CBN 그릿과 혼합되었다. 사용되는 실리카 졸은 Georgia, Marietta의 Eka Chemicals Inc.로부터 이용 가능한 BINDZIL 2040이었으며, 이는 약 40 중량%의 실리카(Si0₂), 약 20 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 콜로이드 실리카 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 54% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Pentronix Model 370 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 약 220℃의 온도에서 분무 건조기의 입구로 실온에서 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 98℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들이 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 5%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 95%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 CBN 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 챔버로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 80 미크론, SSA = 62 m²/g인 것으로 측정되었다. 집합체들은 도 12에 보여진다.

실시예 12(니켈 코팅된 CBN 15 미크론 챔버)

실리카 나노입자들과 결합된 CBN을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 콜로이드 실리카는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 15 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 니켈 코팅된 CBN 그릿과 혼합되었다. 사용되는 실리카 졸은 Georgia, Marietta의 Eka Chemicals Inc.로부터 이용 가능한 BINDZIL 2040이었으며, 이는 약 40 중량%의 실리카(Si0₂), 약 20 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 콜로이드 실리카 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 81% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Pentronix Model 370 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 약 220℃의 온도에서 분무 건조기의 입구로 실온에서 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 98℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들은 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 5%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 95%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 CBN 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 챔버로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 70 미크론, SSA = 23 m²/g인 것으로 측정되었다. 집합체들은 도 13에 보여진다.

실시예 13(NGC 2500)

산화 세륨 나노입자들과 결합된 NGC 2500을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 나노 산화 세륨은 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 8 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 NGC 2500 그릿과 혼합되었다. 사용되는 나노 산화 세륨은 Degussa AG, Advanced Nanomaterials에 의해 제조되었으며, 이는 약 40 중량%의 산화 세륨, 약 38 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 산화 세륨 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 53% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Pentronix Model 370 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 약 220℃의 온도에서 분무 건조기의 입구로 실온에서 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 98℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 나온 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들은 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 5%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 95%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 NGC 그릿의 입자들과 결합되는 산화 세륨 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 챔버로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 50 미크론, SSA = 8 m²/g인 것으로 측정되었다. 집합체들은 도 14에 보여진다.

실시예 14(NGC 2500)

알루미나 나노입자들과 결합된 NGC 2500을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 소프트 알루미나는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 8 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 NGC 2500 그릿과 혼합되었다. 사용되는 알루미나는 Saint Gobain에 의해 제조되었으며, 이는 약 40 중량%의 알루미나, 약 38 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 알루미나 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 53% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Pentronix Model 370 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 약 220℃의 온도에서 분무 건조기의 입구로 실온에서 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 98℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분들은 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 5%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 95%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 이 NGC 2500 그릿의 입자들과 결합되는 알루미나 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 챔버로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 70 미크론, SSA = 56 m²/g인 것으로 측정되었다. 집합체들은 도 15에 보여진다.

실시예 15(NGC 2500)

실리카 나노입자들과 결합된 NGC 2500을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 메가 실(Mega Sil)은 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제 및 탈이온화된 물과 함께, 5 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 NGC 2500 그릿과 혼합되었다. 사용되는 메가 실은 Moyco Technologies에 의해 제조되었으며, 이는 약 40 중량%의 실리카, 약 100 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 메가 실(실리카) 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들은 물에 약 53% 고형물을 가지는 균일한 수용성 분산을 제공하기 위해 고전단 믹서를 사용하여 완전히 혼합되었다.

그 다음에 혼합물은 Pentronix Model 370 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었다. 혼합물은 약 220℃의 온도에서 분무 건조기의 입구로 실온에서 공급되었다. 분무 건조기의 출구 온도는 약 98℃인 것으로 측정되었다. 분무 건조 공정은 혼합물로부터 물을 대체적으로 제거하였으며 잔류하는 성분을 분석을 위해 수집되는 작고, 일반적으로 둥근 집합체들의 분말을 형성하는 것이 관찰되었다. 집합체 입자들의 약 5%가 건조기 사이클론 유닛으로부터 수집되었으며 약 95%가 분무 건조 장치의 메인 건조 챔버로부터 수집되었다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

집합체들은 확대 하에 검사되었으며 NGC 그릿의 입자들과 결합되는 실리카 나노입자들 및 PEG의 상으로 형성되는 것이 관찰되었다. 챔버로부터 수집된 집합체들의 평균 크기는 약 50 미크론, SSA = 52 m²/g인 것으로 측정되었다.

실시예 16

실리카 나노입자들과 결합된 NGC 2500을 포함하는 미세한 연마제 집합체들의 분말이 다음의 방법에 의해 제조되었다. 수용성 메가 실은 탈이온화된 물에 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 200 가소제와 함께, 대략 5 미크론의 평균 입자 크기를 가지는 NGC 2500 그릿과 혼합되었다. 메가 실은 Moyco Technologies에 의해 제조되었으며, 약 40 중량%의 실리카, 약 100 nm의 실리카 입자 크기, 및 약 10의 염기성 안정화된 pH를 가지는 수용성 메가 실(실리카) 용액인 것으로 믿어지고 있다. 성분들은 다음의 양들로 혼합되었다:

성분들이 혼합되었고 탈이온화된 물에 약 53% 고형물을 가지는 슬러리를 형성하였다. 혼합물은 Pentronix Model 370 로터리 분무기 분무 건조기를 사용하여 분무 건조되었으며, 혼합물은 약 220℃의 온도를 가지는 분무 건조기의 입구로 실온에서 공급되었으며 대략 98℃의 출구 온도를 가지는 출구에서 배출되었다. 분무 건조 공정은 여기에 설명된 이미지들에 도시된 바와 같은 나노입자 바인더의 내부에 함유된 연마 그릿을 포함하는 대체로 구 형상을 가지는 집합체들의 형성을 초래하였다. 집합체들을 형성하기 위해 더 이상 소결이나 가열이 필요하지 않았다.

그 다음에 다양한 상이한 연마 제품들이 조밀한, 솔리드 직물 기재 재료들 및 다공성, 발포 기재 재료들을 포함하는 상이한 기재 재료들의 위에 형성되었다. 각각의 기재 재료들은 인-라인 롤 공정을 통해 접착제로 코팅되었으며, 그 후에, 형성된 집합체들은 기재들이 아래로 통과할 때 슬롯 컨베이어에 사용해서 접착제 재료를 함유하는 기재의 위에 코팅되었다. 각각의 샘플들은 접착제를 건조시키며 기재에 집합체 입자들을 결합시키기 위해 대략 15초 동안 260℃에서 처리되었다.

그 다음에 각각의 샘플들은 BYK Micro Trigloss Meter 4430을 사용하여 ASTM D2457에 따라 60° 의 각도에서 측정된 대략 2.1, 및 85° 의 각도에서 측정된 3.8의 초기 광택을 가지는 표면에 적용된 Sherwin Williams PROMAR 200 Interior Latex Semigloss BWI W 2206 6403-54262을 가지는 도색된 표면을 연마하는데 사용되었다. 각각의 샘플들은 수초 동안 도색된 표면이 연마되었으며 연마 후에 표면의 광택 측정이 아래의 표 1에 제공된 바와 같이 60° 및 85°의 각도들에서 동일한 공정을 다시 사용하여 행해졌다.

표 1에 기재된 바와 같이, 도색된 표면에 연마 공정을 수행한 후에, 모든 13개의 샘플들은 60° 및 85° 의 각도들에서 광택의 증가를 보여준다. 60° 각도에서 수행된 측정에 관해서, 평균 초기 광택과 평균 최종 광택 사이의 광택의 변화는 대략 초기 광택 수치의 2.7배이다. 85° 각도에서 측정된 광택 수치의 변화에 관해서, 도색된 표면은 13개의 샘플들의 초기 광택과 최종 광택의 평균으로부터 계산된 바와 같이 최종 광택이 초기 광택보다 3.7배가 클 정도로, 13개의 샘플들에 걸쳐 광택의 평균 증가를 가졌다. 표 1의 결과들은 다양한 상이한 기재들에 제공된 연마 제품이 도색된 표면의 표면 조도를 감소시킬 수 있으며 연마된 영역의 광택을 선택적으로 증가시킬 수 있다는 것을 보여준다.

따라서, 이와 같은 연마 제품이 도색된 표면의 미적 매력을 개선시키거나 변화시키는데 특히 유용할 수 있다고 예상된다. 예를 들어, 광원에 대하여 낮은 각도들에서 도색된 표면의 반사 성능을 개선하기 위한 조명 설비들의 둘레에 도색된 표면들, 또는 무광택이나 반광택의 도색된 배경에 광택이 나타나는 스텐실들의 형성과 같은 더 예술적인 시도의 사용.

연마제들로 사용되는 것에 추가하여, 본 발명의 몇몇의 실시예들에서, 집합체들은 또한 재료들의 폴리싱 및 마무리를 위한 연마제들과 다른 적용들에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 집합체들은 윤활 처방들에 포함될 수 있다고 믿어지고 있다. 집합체들은 또한 복합재 재료들의 강도를 향상시킬 목적으로 복합재 재료들에 포함될 수 있다. 게다가, 집합체들은 또한 어떤 적용들에서 히트 싱크 재료로 사용될 수 있다고 믿어지고 있다. 집합체들은 도 16에 보여진다.

본 발명에 대한 바람직한 실시예들의 앞에서의 설명은 도시와 설명을 목적으로 제공되었다. 개시된 정확한 형태로 본 발명을 총망라하거나 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다. 명백한 변형들 또는 변경들은 위의 가르침들에 비추어 가능하다. 본 발명의 원리들 및 이의 실제 응용의 최선의 설명을 제공하며, 그에 의해 본 기술분야에서 통상의 기술을 가진 사람이 다양한 실시예들에서 그리고 예상되는 특별한 사용에 적합한 다양한 변형들로 본 발명을 사용하는 것을 가능하게 하려는 노력으로 실시예들이 선택되며 설명된다. 이와 같은 모든 변형들 및 변경들은 공정하게, 법률적으로, 그리고 정당하게 부여된 범위에 따라 해석될 때에 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되는 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (69)

1. 적어도 40 vol%의 공극을 갖고 격자 구조를 갖는 발포 재료를 포함하는 기재, 및 상기 기재에 결합되는 입자 재료를 포함하는 코팅된 연마 제품으로서,
   상기 격자 구조의 사용 가능한 표면 영역의 적어도 50%는 입자 재료에 의해 커버되고, 상기 입자 재료는 회전 타원체 형상이나 도넛 형상을 가지는 미처리의, 소성되지 않은 연마제 집합체들을 포함하며, 상기 집합체들은 연마 그릿 입자들 및 나노입자 바인더를 포함하는 조성물로부터 추가의 소결 또는 가열 없이 400℃ 이하의 온도에서 분무 건조에 의해 제조되며,
   상기 연마 그릿 입자들은 산화 알루미늄, 탄화 규소, 입방정 질화 붕소 및 합성 다이아몬드로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
   상기 나노입자 바인더는 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나 및 나노 크기의 산화 세륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며,
   상기 나노입자 바인더는 연마 그릿 입자들이 균일하게 분포되어 있는 연속 매트릭스 상을 형성하고,
   상기 입자 재료는 기재 재료의 내부로 침투됨
   을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 기재는 50 vol% 내지 90 vol%의 공극을 가짐을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
5. 제4항에 있어서,
   상기 공극은 개방된 공극인 것을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
6. 제1항에 있어서,
   상기 기재의 표면에 부착되는 백킹 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 기재는 공간 충전 방지제를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
9. 삭제
10. 제8항에 있어서,
    상기 입자 재료는 중공이며 상기 공간 충전 방지제는 상기 입자 재료의 내부 공간 내에 함유되는 것을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
11. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 대전 방지제를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
12. 제11항에 있어서,
    상기 입자 재료는 중공이며 상기 대전 방지제는 상기 입자 재료의 내부 공간 내에 함유되는 것을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
13. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 방향제 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 연마 제품.
14. 초기 표면 조도(Ra_i)를 가지는 도색된 표면을 제공하는 단계;
    최종 표면 조도(Ra_f)까지 상기 표면 조도를 감소시키기 위해 단일 연마 제품으로서 제1항에 따르는 연마 제품으로 상기 도색된 표면을 연마하는 단계를 포함하며,
    상기 최종 표면 조도(Ra_f)는 다른 연마 제품을 사용하지 않고 상기 단일 제품으로 달성되는 것을 특징으로 하는 도색된 표면을 연마하는 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 도색된 표면은 초기 광택(G_i)을 가지며 상기 도색된 표면을 연마하는 상기 단계는 최종 광택(G_f)까지 상기 표면의 광택을 변화시키는 단계를 포함하며, G_f는 적어도 60°의 각도에서 측정되는 적어도 2G_i인 것을 특징으로 하는 도색된 표면을 연마하는 방법.
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