TWI392561B - 用於研磨工具之微纖維強化物 - Google Patents

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Description

用於研磨工具之微纖維強化物
將切股纖維用於緻密樹脂基研磨輪以增加強度及耐衝擊性。通常3－4 mm長之切股纖維為複數根長絲。長絲之數目可視製造方法而變化但通常每束由400至6000根長絲組成。該等長絲係藉由最終應與樹脂基體相容且稱為膠料、黏合劑或塗料之黏結劑固持在一起。切股纖維之一個實例係稱為183 Cratec，可自Owens Corning購得。
將切股纖維併入乾燥研磨輪混合物中一般係藉由將切股纖維、樹脂、填料及研磨顆粒摻合指定時間且隨後將混合物模製、固化或以別的方式加工成最終研磨輪來實現。
在任何此種情況下，經切股纖維強化之輪通常遭受許多問題，包括不良研磨效能以及輪壽命不足。
因此，需要針對研磨加工工具之改良強化技術。
本發明之一個實施例提供一種組合物，其包含有機結合材料(例如熱固性樹脂、熱塑性樹脂或橡膠)、分散於該有機結合材料中之研磨材料及均勻地分散於該有機結合材料中之微纖維。該等微纖維為單長絲且可包括(例如)礦棉纖維、渣棉纖維、岩棉纖維、石棉纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維、碳纖維、芳族聚醯胺纖維及聚醯胺纖維以及其組合。該等微纖維具有例如小於約1000 μm之平均長度。在一個特定情況下，該等微纖維具有在約100至500 μm範圍內之平均長度及小於約10微米之直徑。該組合物可進一步包括一或多種活性填料。該等填料可與該等微纖維反應以提供多種研磨加工益處(例如改良之輪壽命、較高G比率及/或研磨工具面之抗負載)。在一個此種情況下，該或該等活性填料係選自錳化合物、銀化合物、硼化合物、磷化合物、銅化合物、鐵化合物、鋅化合物及其組合。在一個特定之此種情況下，該或該等活性填料包括二氯化錳。該組合物可包括(例如)10體積%至50體積%之有機結合材料、30體積%至65體積%之研磨材料及1體積%至20體積%之微纖維。在另一特定情況下，該組合物包括25體積%至40體積%之有機結合材料、50體積%至60體積%之研磨材料及2體積%至10體積%之微纖維。在另一特定情況下，該組合物包括30體積%至40體積%之有機結合材料、50體積%至60體積%之研磨材料及3體積%至8體積%之微纖維。在另一實施例中，該組合物係以研磨物品形式用於工件之研磨加工。在一個此種情況下，該研磨物品為輪或其他適用於研磨加工之形式。
本發明之另一實施例提供一種研磨加工一工件之方法。該方法包括將該工件安裝至一能夠有助於研磨加工之機器上，及將一研磨物品可操作地耦合至該機器。該研磨物品包括有機結合材料、分散於該有機結合材料中之研磨材料及均勻地分散於該有機結合材料中之複數根微纖維，其中該等微纖維為具有小於約1000 μm之平均長度之單長絲。該方法繼續使該研磨物品與該工件之一表面接觸。
本文中所述之特徵及優勢並非囊括所有，且詳言之，鑒於圖式、說明書及申請專利範圍，許多其他特徵及優勢應為一般熟習此項技術者所顯而易見。而且，應注意說明書中所使用之語言主要係為了可讀性及指示目的而選擇，且並不限定本發明標的之範疇。
如先前所提及，可將切股纖維用於緻密樹脂基研磨輪以增加強度及耐衝擊性，其中將切股纖維併入乾燥研磨輪混合物中一般係藉由將切股纖維、樹脂、填料及研磨顆粒摻合指定時間來實現。然而，摻合或混合時間在達成可用之混合物品質的過程中起重要作用。不充分混合導致形成使填模及散布變得困難之不均勻混合物且產生具有較低特性及高可變性之非均質複合物。另一方面，過度混合引起不能再分散至混合物中之"起球"(多根切股纖維成簇)之形成。而且，切股本身實際上為結合在一起之長絲束。在任一情況下，該等簇或束實際上會降低研磨混合物之均質性且使之更難以轉移及散布至模具中。此外，該等簇或束在複合物內之存在會降低複合物特性(諸如強度及模數)且使特性可變性增加。另外，高濃度玻璃(諸如其切股或簇)對研磨輪壽命具有不利之影響。此外，增加輪中切股纖維之量亦會降低研磨效能(例如，如藉由G比率及/或WWR所衡量)。
在本發明之一個特定實施例中，產生微纖維強化複合物包括使單長絲完全分散於合適結合材料(例如有機樹脂)與填料之乾摻合物內。完全分散可例如藉由在將微纖維、結合材料及填料經充分摻合/混合之組合模製且固化之後的最大複合物特性(諸如強度)來確定。舉例而言，不良混合導致低強度而良好混合導致高強度。評估分散之另一方式係藉由使用篩折技術將未分散者(例如類似於混合前之初始微纖維之材料)分離及稱重而進行。在實施中，微纖維強化物之分散可經由在模製及固化之前目測(例如，用或不用顯微鏡)混合物來評估。如根據本揭示案將顯而易見，不完全或者不充分之微纖維分散一般會導致較低複合物特性及研磨效能。
根據本發明之多種實施例，微纖維為具有高拉伸模數之小且短之單長絲，且可為無機或者有機的。微纖維之實例為礦棉纖維(亦稱為渣棉或岩棉纖維)、玻璃纖維、陶瓷纖維、碳纖維、芳族聚醯胺或漿化芳族聚醯胺纖維、聚醯胺或芳族聚醯胺纖維。本發明之一個特定實施例使用之微纖維為具有小於約1000微米之長度及小於約10微米之直徑之無機單長絲。此外，該實例微纖維具有高熔融或分解溫度(例如800℃以上)、大於約50 GPa之拉伸模數，且不含或含有極少黏合塗料。該微纖維亦如離散長絲可高度分散且能抵抗纖維束形成。另外，該等微纖維應化學結合至所使用之結合材料(例如有機樹脂)。與此相反，切股纖維及其變體包括藉由黏結劑固持在一起之複數根長絲，且因此遭受如先前所論述之與纖維簇(例如起球)及束有關之多種問題。然而，可將一些切股纖維研磨或以別的方式破裂成離散長絲，且該等長絲亦可用作根據本發明之一實施例之微纖維。在一些此種情況下，所得長絲可能會因研磨/破裂過程(例如，歸因於移除使長絲於切股或束中固持在一起之黏合劑或結合劑所需之加熱過程)而顯著地弱化。因此，用於結合組合物之微纖維類型將視即將之應用及所要強度品質而定。
在一個此種實施例中，適用於本發明之微纖維為礦棉纖維，諸如彼等可自Sloss Industries Corporation(AL)購得且以名稱PMF出售之礦棉纖維。類似礦棉纖維可以產品名稱礦棉FLM(Mineral wool FLM)自Fibertech Inc(MA)購得。Fibertech亦出售玻璃纖維(例如Microglass 9110及Microglass 9132)。亦可使用該等玻璃纖維以及具有類似屬性之其他天然產生或合成之礦物纖維或玻璃質單長絲纖維，諸如石棉、玻璃及陶瓷纖維。礦棉一般包括由礦物或金屬氧化物製成之纖維。根據本發明之一個實施例可用於經強化之研磨工具結合物之微纖維的實例組合物及特性集合分別概括於表1及表2中。根據本揭示案，許多其他微纖維組合物及特性集合將顯而易見，且本發明並不意欲受限於任何特定一者或子集。
可用於根據本發明之一實施例所組構之研磨工具結合物的結合材料包括諸如環氧樹脂、聚酯樹脂、酚系樹脂及氰酸酯樹脂之有機樹脂以及其他合適之熱固性樹脂或熱塑性樹脂。在一個特定實施例中，使用多酚樹脂(例如，諸如酚醛清漆樹脂)。可使用之樹脂之特定實例包括以下：由Durez Corporation(TX)以以下目錄/產品號碼出售之樹脂：29722、29344及29717；由Dynea Oy(Finland)以商標名Peracit出售且可以目錄/產品號碼8522G、8723G及8680G購得之樹脂；及由Hexion Specialty Chemicals(OH)以商標名Rutaphen出售且可以目錄/產品號碼9507P、8686SP及8431SP購得之樹脂。根據本揭示案，許多其他合適之結合材料將顯而易見(例如橡膠)，且本發明並不意欲受限於任何特定一者或子集。
可用於產生根據本發明之實施例所組構之研磨工具的研磨材料包括可市面上購得之材料，諸如氧化鋁(例如擠製鋁礬土、燒結及溶膠凝膠燒結氧化鋁、熔融氧化鋁)、碳化矽及氧化鋁-氧化鋯顆粒。亦可視特定應用而定使用諸如金剛石及立方氮化硼(cBN)之超級研磨顆粒。在一個特定實施例中，研磨顆粒具有介於1600與2500 kg/mm2 之間的努氏硬度(Knoop hardness)且具有介於約50微米與3000微米之間或甚至更特定言之介於約500微米至約2000微米之間的尺寸。在一個此種情況下，製造研磨工具所用之組合物包含大於或等於約50重量%之研磨材料。
該組合物可進一步包括一或多種反應性填料(亦稱為"活性填料")。適用於本發明之多種實施例之活性填料的實例包括錳化合物、銀化合物、硼化合物、磷化合物、銅化合物、鐵化合物及鋅化合物。合適之活性填料之特定實例包括氟化鉀鋁、氟硼酸鉀、氟化鈉鋁(例如Cyrolite®)、氟化鈣、氯化鉀、二氯化錳、硫化鐵、硫化鋅、硫酸鉀、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋅、磷酸鈣、聚磷酸鈣及硼酸鋅。根據本揭示案，適用作活性填料之許多化合物將顯而易見(例如金屬鹽、氧化物及鹵化物)。活性填料充當作微纖維之分散助劑且可與微纖維反應以產生所要益處。源自所選活性填料與微纖維之反應之益處一般包括(例如)微纖維之熱穩定性增加以及較佳輪壽命及/或G比率。此外，該等纖維與活性填料間之反應在研磨應用中有利地於輪面上提供抗金屬負載。根據本揭示案，由微纖維與填料間之協同相互作用產生之多種其他益處將顯而易見。
因此，提供一種包括玻璃纖維與活性填料之混合物的研磨物品組合物。該組合物之益處包括(例如)對於粗研磨應用而言之研磨效能改良。用該組合物製造之研磨工具具有相對於未經強化或習知經強化之工具而言之高強度及高軟化溫度(例如1000℃以上)以改良基體之熱穩定性。此外，提供相對於習知工具而言之基體熱膨脹係數之減小，導致較佳抗熱震性。而且，該等纖維與活性填料間之相互作用允許活性填料之結晶行為改變，此導致較佳之工具效能。
現提供若干個微纖維強化研磨複合物之實例以進一步說明根據本發明之實施例所組構之研磨工具複合物的特徵及益處。詳言之，實例1說明具有及不具有礦棉之結合物棒及混合物棒之複合物特性；實例2說明複合物特性與混合物品質之關係；實例3說明研磨效能數據與混合物品質之關係；且實例4說明研磨效能與具有及不具有礦棉之活性填料之關係。
實例1：
實例1，包括表3、表4及表5，說明具有及不具有礦棉纖維之結合物棒及複合物棒之特性。注意結合物棒不含有研磨劑，而複合物棒包括研磨劑且反映研磨輪組合物。如表3中可見，提供八個樣品結合組合物之組份(以體積百分比或體積%計)。根據本發明之一個實施例，一些結合物樣品不包括強化物(樣品1號及5號)，一些包括經研磨之玻璃纖維或切股纖維(樣品3號、4號、7號及8號)，且一些包括Sloss PMF礦棉(樣品2號及6號)。如根據本揭示案將顯而易見，亦可使用其他類型之單長絲纖維(例如陶瓷或玻璃纖維)。注意結合物中之棕色熔融氧化鋁(220粒度)在該等結合物樣品中係用作填料，但亦可作為第二研磨劑(第一研磨劑可為例如擠製鋁礬土，16粒度)起作用。另外，注意SaranTM 506為由Dow Chemical Company製造之聚偏二氯乙烯結合劑，棕色熔融氧化鋁係自Washington Mills獲得。
對於表3中樣品結合物1至4的集合而言，除了所使用之強化物之類型以外，該等組合物係等同的。在不存在強化物之樣品1及5中，填料(在此情況下為棕色熔融氧化鋁)之體積%相應地增加。同樣，對於表3中樣品5至8之集合而言，除了所使用之強化物之類型以外，該等組合物係等同的。表4說明對於表3中八個樣品中之每一者而言結合物棒(無研磨劑)之特性，包括應力及彈性模數(E－Mod)。
表5說明對於表3中八個樣品中之每一者而言複合物棒(其包括表3之結合物加一種諸如擠製鋁礬土之研磨劑)之特性，包括應力及彈性模數(E－Mod)。如表4及表5中之每一者中可見，用礦棉強化之結合物/複合物(樣品2及6)相對於其他所示之樣品而言具有較大強度。
在研磨複合物樣品1至8中之每一者中，約44體積%為結合物(包括所提及之結合物組份，較少研磨劑)，且約56體積%為研磨劑(例如，擠製鋁礬土或其他合適之研磨顆粒)。此外，使用少但足量之糠醛(總研磨劑量之約1體積%或更少)來潤濕研磨顆粒。在模製之前將樣品組合物1至8與經老化2小時之經糠醛潤濕之研磨顆粒摻合。將各混合物預先稱重接著轉移至3腔模具(26 mm×102.5 mm)(1.5 mm×114.5 mm)中且在160℃下以140 kg/cm2 熱壓45分鐘，接著隨後於對流烘箱中在200℃下固化18小時。使用ASTM(美國材料試驗學會)程序D790－03以三點彎曲(5：1跨度對深度比)測試所得複合物棒。
實例2：
實例2，包括表6、表7及表8，說明複合物特性與混合物品質之關係。如表6中可見，提供八個樣品組合物之組份(以體積%計)。根據本發明之一個實施例，樣品A不包括強化物，且樣品B至H包括Sloss PMF礦棉。如先前所述，亦可使用其他類型之單長絲微纖維(例如陶瓷或玻璃纖維)。樣品A之結合材料包括碳化矽(220粒度)作為填料，且樣品B至H之結合物使用棕色熔融氧化鋁(220粒度)作為填料。如先前所提及，該等填料幫助分散且亦可作為第二研磨劑起作用。在樣品A至H中之每一者中，所使用之第一研磨劑為60粒度與80粒度棕色熔融氧化鋁之組合。注意單一第一研磨顆粒亦可與結合物混合，且可視諸如所要移除率及表面修整之因素而在顆粒尺寸方面有變化(例如6粒度至220粒度)。
如表可見，樣品B至H之組成係相同的。在無強化物之樣品A中，其他結合物組份之體積%如表所示相應地增加。
表7指示用於樣品中之每一者之混合程序。樣品A及B各自用使用攪拌槳之Hobart型混合器混合30分鐘。樣品C用使用攪拌器之Hobart型混合器混合30分鐘。樣品D用使用攪拌槳之Hobart型混合器混合30分鐘，且接著經由Interlator(或其他合適之錘磨機裝置)以6500 rpm加工。樣品E用Eirich型混合器混合15分鐘。樣品F經由Interlator以3500 rpm加工。樣品G經由Interlator以6500 rpm加工。樣品H用Eirich型混合器混合15分鐘，且接著經由Interlator以3500 rpm加工。使用分散試驗以測定樣品B至H中之每一者的未分散礦棉之量。分散試驗如下：使用Rototap方法將100公克混合物震盪一分鐘接著經由20號篩篩析之後所得之殘餘物的量。如表可見，觀測到樣品B具有0.9公克殘留在篩之篩網上之礦棉殘餘物，樣品C具有0.6公克殘餘物，且樣品E具有0.5公克殘餘物。樣品D、F、G及H中之每一者均無明顯之殘餘纖維殘留在篩網上。因此，視礦棉之所需分散而定，可利用多種混合技術。
在模製之前將樣品組合物A至H與經老化2小時之經糠醛潤濕之研磨顆粒摻合。將各混合物預先稱重接著轉移至3腔模具(26 mm×102.5 mm)(1.5 mm×114.5 mm)中且在160℃下以140 kg/cm2 熱壓45分鐘，接著隨後於對流烘箱中在200℃下固化18小時。使用ASTM程序D790-03以三點彎曲(5：1跨度對深度比)測試所得複合物棒。
圖1為對於樣品A至H中之每一者之複合物強度的單因子方差分析。表8說明平均值及標準差。標準誤差使用誤差方差之綜合估計值。如表可見，樣品B至H中之每一者(根據本發明之一實施例，各者皆用礦棉強化)之複合物強度明顯優於未經強化之樣品A之複合物強度。
實例3：
實例3，包括表9及表10，說明研磨效能與混合物品質之關係。如表9中可見，提供兩個樣品調配物之組份(以體積%計)。除了調配物1混合45分鐘且調配物2混合物15分鐘之外，該等調配物係相同的(除了如所提及之混合時間之外，所使用之混合方法亦係相同的)。根據本發明之一個實施例，各調配物均包括Sloss PMF礦棉。如先前所述，亦可使用其他類型之單長絲微纖維(例如玻璃或陶瓷纖維)。
如亦自表9中可見，根據本發明之一個實施例所組構之微纖維強化研磨複合物的製造順序包括五個步驟：結合物製備；混合；複合物製備；填模及冷壓；以及固化。在結合物製備及混合步驟之後進行結合物品質評估。如先前所論述，評估結合物品質之一種方式為根據Rototap方法進行分散試驗以測定未分散礦棉之重量百分比。在此特定情況下，Rototap方法包括將50 g－100 g結合物樣品添加至40目篩網且接著在Rototap攪動5分鐘之後量測40目篩網上之殘餘物的量。步驟3中用於兩調配物之研磨劑為擠製鋁礬土(16粒度)。棕色熔融氧化鋁(220粒度)在步驟1之結合物製備中係用作填料，但如先前所說明其可作為第二研磨劑起作用。注意Varcum 94－906為可自Durez Corporation購得之基於糠醛之可溶酚醛樹脂。
表10說明由調配物1與調配物2兩者製成之強化研磨輪在多種切割速率下(包括0.75、1.0及1.2秒/次切割)之研磨效能。
如表可見，調配物1之材料移除率(MRR)(以立方吋/分鐘度量)相對地類似於調配物2之材料移除率。然而，調配物1之輪磨損率(WWR)(以立方吋/分鐘度量)始終低於調配物2之輪磨損率。另外，注意到，藉由以WWR除MRR計算之調配物1之G比率始終高於調配物2之G比率。返回看表9，調配物1之實例結合物混合45分鐘，而調配物2混合15分鐘。因此，混合時間與研磨效能直接相關。在此特定實例中，當與調配物1之改良效能及其45分鐘混合時間相比時，調配物2所使用之15分鐘混合時間實際上太短。
實例4：
實例4，包括表11、表12及表13，說明研磨效能與具有及不具有礦棉之活性填料之關係。如表11中可見，提供四個樣品複合物之組份(以體積%計)。除了樣品A包括切股纖維而不包括棕色熔融氧化鋁(220粒度)或Sloss PMF礦棉之外，複合物樣品A與B係等同的。另一方面，樣品B包括Sloss PMF礦棉及棕色熔融氧化鋁(220粒度)而不包括切股纖維。樣品B之複合物密度(其係以公克/立方厘米度量)相對於樣品A稍微較高。除了樣品C包括切股纖維而不包括Sloss PMF礦棉之外，複合物樣品C與D係等同的。另一方面，樣品D包括Sloss PMF礦棉而不包括切股纖維。樣品C之複合物密度相對於樣品D稍微較高。此外，使用少但足量之糠醛(總研磨劑量之約1體積%或更少)來潤濕研磨顆粒，在此情況下對於樣品C及D而言該等研磨顆粒為氧化鋁顆粒且對於樣品A及B而言為氧化鋁－氧化鋯顆粒。
表12說明為了比較皆係用礦棉與實例活性填料二氯化錳(MKC－S，可自Washington Mills購得)之混合物製成之樣品B及D與用切股代替礦棉製成之樣品A及C的研磨效能所進行之試驗。
如表可見，使用由各樣品製成之研磨輪研磨稱為平板之多種工件。更詳細地，針對由奧氏體不鏽鋼及鐵磁體不鏽鋼製成之平板測試樣品A及B，且針對由奧氏體不鏽鋼及碳鋼製成之平板測試樣品C及D。如表12中進一步可見，使用礦棉與二氯化錳之混合物，樣品B及D相對於樣品A及C(用切股代替礦棉製成)提供約27%至36%之改良。此無疑地顯示歸因於礦棉與填料(在此情況下為二氯化錳)間之正反應的研磨效能改良。在切股與二氯化錳組合之情況下未發生此種正反應。表13列出測試複合物A至D所用之條件。
已為了達到說明及描述之目的而提供本發明之實施例之以上描述。其並不意欲窮舉或使本發明受限於所揭示之精確形式。根據本揭示案，許多修改及變更係可能的。預期本發明之範疇不受限於此實施方式，而是受限於隨附申請專利範圍。
圖1為描繪對根據本發明之多種實施例所組構之組合物之強度分析的圖。
(無元件符號說明)

Claims (12)

  1. 一種用於研磨加工之組合物，其包含：有機結合材料；研磨材料，該研磨材料係分散於該有機結合材料中；複數根礦棉微纖維，該等微纖維係均勻地分散於該有機結合材料中，其中該等微纖維為具有小於約1000 μm之平均長度之單長絲；及包括二氯化錳之活性填料。
  2. 如請求項1之組合物，其中該有機結合材料為熱固性樹脂、熱塑性樹脂或橡膠中之一者。
  3. 如請求項1之組合物，其中該有機結合材料為酚系樹脂。
  4. 如請求項1之組合物，其中該等微纖維具有在約100至500 μm範圍內之平均長度及小於約10微米之直徑。
  5. 如請求項1之組合物，其中該組合物包括：10體積%至50體積%之該有機結合材料；30體積%至65體積%之該研磨材料；及1體積%至20體積%之該等微纖維。
  6. 如請求項1之組合物，其中該組合物包括：25體積%至40體積%之該有機結合材料；50體積%至60體積%之該研磨材料；及2體積%至10體積%之該等微纖維。
  7. 如請求項1之組合物，其中該組合物包括： 30體積%至40體積%之該有機結合材料；50體積%至60體積%之該研磨材料；及3體積%至8體積%之該等微纖維。
  8. 如請求項1之組合物，其中該組合物係呈一用於一工件之研磨加工之研磨物品形式。
  9. 如請求項8之組合物，其中該研磨物品為一輪。
  10. 如請求項1之組合物，其中該等礦棉微纖維係由礦物或金屬氧化物製成。
  11. 一種研磨物品，其包含：有機結合材料，該有機結合材料包括熱固性樹脂、熱塑性樹脂或橡膠中之一者；研磨材料，該研磨材料係分散於該有機結合材料中；複數根礦棉微纖維，該等微纖維係均勻地分散於該有機結合材料中，其中該等微纖維為具有小於約1000 μm之平均長度及小於約10微米之直徑之單長絲；及包括二氯化錳之活性填料；其中該研磨物品包括10體積%至50體積%之該有機結合材料、30體積%至65體積%之該研磨材料及1體積%至20體積%之該等微纖維。
  12. 一種研磨加工一工件之方法，該方法包含：將該工件安裝至一能夠有助於研磨加工之機器上；將一研磨物品可操作地耦合至該機器，該研磨物品包含： 有機結合材料；研磨材料，該研磨材料係分散於該有機結合材料中；複數根礦棉微纖維，該等微纖維係均勻地分散於該有機結合材料中，其中該等微纖維為具有小於約1000 μm之平均長度之單長絲；及包括二氯化錳之活性填料；及使該研磨物品接觸至該工件之一表面。
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