製造磨料碎片、帶開口的成形磨粒或碟形磨粒的方法

2023-06-07 00:47:46

專利名稱：製造磨料碎片、帶開口的成形磨粒或碟形磨粒的方法
製造磨料碎片、帶開口的成形磨粒或碟形磨粒的方法本專利申請要求提交於2007年12月27日的名稱為"Siaped,Fractured Abrasive Particle, Abrasive Article Using Same and Method Of Making" 白勺立、貞用其製造的磨料製品及其製造方法)的美國臨時申請No. 61/016965的優先權，其全文以引用方式併入本文。
背景技術：
磨粒和由磨粒製造的磨料製品可用於在產品製造過程中研磨、整理或磨削多種材料和表面。因此，一直存在對磨粒和/或磨料製品的成本、性能或壽命進行改善的需求。授予Berg的美國專利5，201，916、授予Rowenhorst的美國專利5，366，523以及授予Berg的美國專利5，984，988中公開了三角形磨粒和採用三角形磨粒製造的磨料製品。 在一個實施例中，這些磨粒的形狀包括等邊三角形。三角形磨粒可用於具有增大的切削速率的磨料製品。

發明內容
成形磨粒通常可具有優於隨機粉碎的磨粒的性能。通過控制磨粒的形狀可控制磨料製品的所得性能。不同的研磨應用可能需要不同類型的成形磨粒。因此，非常希望有一種方法能由同一生產線製造若干種不同類型的成形磨粒。發明人已經確定，通過控制工藝參數和使用具有多個模具型腔的聚合物生產工具，可以由完全相同的模具製造不同類型的成形磨粒。具體地講，發明人已經確定了一種方法，該方法在成形磨粒仍然在模具內時使成形磨粒破裂以製造磨料碎片，而非實心的完整成形磨粒。發明人還確定了一種方法，該方法在成形磨粒位於模具內時控制成形磨粒的形成，以便形成貫穿成形磨粒的開口。最後，發明人還確定了一種方法，該方法在成形磨粒位於模具內時控制成形磨粒的形成，以在成形磨粒上形成凹陷表面，從而製造碟形磨粒。因此，根據工藝參數，具有多個模具型腔的完全相同的生產工具可以製造實心的完整成形磨粒、磨料碎片、帶開口的成形磨粒或碟形磨粒。因此，在一個實施例中，本發明涉及一種方法，該方法包括提供具有多個型腔的模具，所述多個型腔包括聚合物表面；用溶膠-凝膠填充所述多個型腔，所述溶膠-凝膠包含在液體中的可轉化為α-氧化鋁的顆粒，所述液體包含揮發性組分；當溶膠-凝膠存在於所述多個型腔內時從溶膠-凝膠中除去至少一部分揮發性組分，從而形成多個具有選自下列類型的成形磨粒前體磨料碎片、帶開口的成形磨粒和碟形磨粒。


本領域的普通技術人員應當了解，本發明的討論僅是針對示例性實施例的描述， 其並不旨在限制本發明的更廣泛的方面，其中更廣泛的方面體現在示例性構造中。圖1為具有包含磨粒前體的多個型腔的模具的俯視照片。圖2為從圖1中的模具的左側得到的碟形磨粒的照片。
圖3為從圖1中的模具的右側得到的破碎磨料碎片的照片。圖4示出了模具型腔中的成形磨粒前體的一個實施例的橫截面。圖5為類似於圖3所示磨料碎片的代表性磨料碎片的掃描電鏡顯微照片。圖6A-6C示出了帶開口的成形磨粒。圖7為與帶開口的成形磨粒相比較的碟形磨粒的照片。圖8為具有包含帶開口的成形磨粒前體的多個型腔的模具的俯視圖。圖9為碟形磨粒的透視圖。圖10為圖9的碟形磨粒的側視圖。圖11為顯示碟形磨粒的凹陷或碟形表面的照片。在說明書和附圖中重複使用的引用字符旨在表示本發明相同或類似的部件或元件。 如本文所用，詞語「包含」、「具有」和「包括」在法律上是具有等同含義的開放型術語。因此，除了列舉的元件、功能、步驟或限制之外，還可以有其他未列舉的元件、功能、步驟或限制。如本文所用，術語「磨料分散體」意指可轉化為引入模具型腔的α-氧化鋁的 α-氧化鋁前體。該組合物稱為磨料分散體，直到除去足量的揮發性組分使磨料分散體凝固為止。如本文所用，術語「成形磨粒前體」意指通過從磨料分散體(當其位於模具型腔中時)中除去足量的揮發性組分以形成凝固體的方式所產生的未燒結顆粒，該凝固體可從模具型腔中移除，並且在後續加工中基本上保持其模製形狀。如本文所用，術語「精確成形表面」意指磨料分散體位於模具型腔中時對其至少部分地進行乾燥、脫水或固化而形成的表面。如本文所用，術語「磨料碎片」意指通過本發明的方法製造的燒結的α -氧化鋁磨粒。如本文所用，術語「成形磨粒」意指至少一部分磨粒具有預定形狀的陶瓷磨粒，該預定形狀由用於形成成形磨粒前體的模具型腔複製。與磨料碎片的情況(例如，如美國臨時申請61/016965中所述)不同，成形磨粒通常會具有基本上複製了用來形成成形磨粒的模具型腔的預定幾何形狀。如本文所用的成形磨粒不包括通過機械破碎操作獲得的磨粒。
具體實施例方式在描述用來製造不同類型成形磨粒的方法之前，將更詳細地描述各種類型。磨料碎片參見圖3和圖5，其中示出了磨粒20。磨粒20包括成型為多個α -氧化鋁磨料碎片21的破碎的α-氧化鋁磨粒。參見圖4，其中示出了模具34中的成形磨粒前體23。每個α-氧化鋁磨料碎片21都包括至少第一精確成形表面22、以預定角度α與第一精確成形表面相交的第二精確成形表面24、與第一精確成形表面22相對的第三表面沈以及破碎表面觀。第一精確成形表面22可通過與模具34中型腔32的底面30接觸來形成。在圖4 中，橫截面中僅顯示了模具；34中型腔32的一部分。通常，模具34具有多個型腔，以便經濟地製造α -氧化鋁磨料碎片21。第一精確成形表面22基本上複製了型腔32的底面30的表面粗糙度和形狀。磨料碎片21的第二精確成形表面M可通過與模具34中型腔32的側壁36接觸來形成。側壁36被設計為以預定角度α與底面30相交。第二精確成形表面對基本上複製了型腔32的側壁36的表面粗糙度和形狀。第二精確成形表面M通過與型腔32的側壁 36接觸來模製。因此，使所得磨料碎片的至少兩個表面(22、24)精確成形，並且兩個表面之間的相交角α為基於所選模具幾何形狀的預定角。與第一精確成形表面22相對的磨料碎片21的第三表面沈的外觀可無規則地波動或起伏，因為其在用磨料分散體填充型腔32後與空氣接觸。第三表面沈由於未通過與型腔32接觸來模製而未精確成形。通常，通過刮削或刮除模具34的頂面38以從模具中除去多餘的磨料分散體來形成第三表面26。刮除或刮削步驟可對第三表面沈造成經放大可見的細微的波紋或不規則形狀。因此，第三表面沈類似於通過擠出而形成的表面，其也未精確成形。在擠出方法中，溶膠-凝膠從模具中擠出。因此，溶膠-凝膠的表面呈現出因擠出方法而造成的刮痕、鑿痕和/或劃線。此類痕跡通過溶膠-凝膠和模具之間的相對運動而形成。另外，從模具中擠出的表面可通常為光滑平面。相比之下，精確成形表面可複製正弦表面或其他更複雜的幾何表面，這些幾何表面具有沿其表面長度顯著變化的高度。當型腔深度相比底面30的面積相對較小時，磨料碎片21的破碎表面觀通常在第一精確成形表面22和相對的第三表面沈之間、以及在型腔32的相對的側壁之間擴展。破碎表面觀的特徵在於鋒利的、鋸齒狀的點，這些點是典型的脆性破碎特徵。破碎表面觀可通過乾燥處理而產生，該處理使至少大部分的成形磨粒前體在位於型腔32內時破裂或破碎成至少兩塊。這造成了尺寸小於製造時所用的模具型腔32的磨料碎片21。這些磨料碎片一旦形成，就可像拼圖塊一樣重新組合，以複製製造其的模具的初始型腔形狀。據信，通過確保如下情況可使成形磨粒前體發生破裂或破碎當磨料分散體在型腔內乾燥時，磨料分散體對型腔32的壁的表面張力大於磨料分散體內部的引力。參見圖5，圖示的磨料碎片21的破碎表面觀呈現為沿著磨料碎片的右側。第二精確成形表面M呈現為沿著磨料碎片21的左側傾斜表面。第三表面沈朝向前面並且具有一些源於刮削操作的不規則形狀和波紋。第一精確成形表面22面向後方而觀察不到。圖5 中磨料碎片在三角形模具型腔中產生。三角形的其中一個角存在於磨料碎片的左下部分。參見圖1，破碎過程在各模具型腔中產生稀疏的破碎的成形磨粒前體。通常，每個型腔32內產生約2至4個破碎的成形磨粒前體。因此，與以往採用粉碎操作來減小圖2所示的完整三角形顆粒的過程相比，本發明的過程產生很少的極小顆粒(細粒)，從而減少了浪費。由於所述的破碎過程，各磨料碎片保持了其初始模製形狀的一部分，這不同於粉碎操作，粉碎操作製造的磨粒未保留任何精確成形表面。因此，破碎的成形磨粒前體的粒度分布相對較小並且比粉碎顆粒更均勻。各型腔內產生的破碎的成形磨粒前體的最終數量可以是變化的，這取決於用於使模具內成形磨粒前體破碎的型腔尺寸與形狀、乾燥速率以及溫度。 在本發明的各種實施例中，每個模具型腔內產生少於或等於約10個、9個、8個、7個、6個、5 個、4個、3個或2個破碎的成形磨粒前體。由於以有意使成形磨粒前體破碎的方式對成形磨粒前體進行處理，因此至少大部分(超過50%)的成形磨粒前體在乾燥時於模具型腔32內破碎成至少兩塊。在本發明的各種實施例中，約75%至100%、或約90%至100%、或約98%至100%的成形磨粒前體在位於模具型腔中時破碎成至少兩塊。由於有意使成形磨粒前體在模具內存留時破碎，因此其保持了初始模製形狀的側壁和底部的至少一部分。此特點可提供比粉碎顆粒更鋒利的磨料碎片，而所述粉碎顆粒的形狀可能更加圓形且粗短。這些破碎的成形磨粒前體可具有高縱橫比和非常鋒利的邊緣， 破碎表面觀在該邊緣處與精確成形表面相交。因此，α -氧化鋁磨料碎片用於製造磨料製品時具有極佳的性能。將破碎的成形磨粒前體煅燒並燒結以形成α-氧化鋁磨料碎片。α-氧化鋁磨料碎片可以在較寬的粒度範圍內製造，這取決於模製型腔的尺寸以及通過本方法的破碎步驟所形成的破碎塊的數量。通常，α-氧化鋁磨料碎片的尺寸範圍為0.1至5000微米、1至 2000微米、5至1500微米，或甚至在一些實施例中為50至1000微米、或甚至100至1000 微米。如提交於2007 年 12 月 27 日的名稱為"Shaped，Fractured Abrasive Particle, Abrasive Article Using Same and Method of Making」(成形的破碎磨粒、使用其製造的磨料製品及其製造方法)的待審的美國臨時專利申請No. 61/016965中更充分描述的，相比具有相同標稱研磨等級的常規粉碎α-氧化鋁顆粒，α-氧化鋁磨料碎片具有卓越的磨削性能。帶開口的成形磨粒參見圖6Α、6Β和6C，示出了帶開口 122的示例性成形磨粒120。用於製造帶開口 122的成形磨粒120的材料包括α-氧化鋁。通常，帶開口 122的成形磨粒120包括薄的本體，該薄的本體具有第一面1 和由側壁1 隔離的第二面126，並且具有厚度t。在一些實施例中，其兩個面漸縮至薄邊的磨粒的側壁1 可被最小化，或者其兩個面漸縮至在內部相遇的點上的磨粒可能具有較厚的側壁128。在一個實施例中，第一面IM基本上為平面， 第二面1 基本上為平面，或者兩個面都基本上為平面。在一個實施例中，第一面1 和第二面1 基本上彼此平行。在其他實施例中，第一面IM和第二面1 可以不平行，使得一個面相對於另一個面傾斜，並且與每個面相切的假想線將在某點處相交。帶開口 122的成形磨粒120的側壁1 可以是變化的，並且其形成第一面IM和第二面1 的周邊129。在一個實施例中，第一面1 和第二面1 的周邊1 選擇為具有一定幾何形狀，並且第一面 124和第二面1 選擇為具有相同的幾何形狀，但它們可能在尺寸上不同，一個面的尺寸可能大於另一個面。在一個實施例中，第一面124的周邊1 和第二面126的周邊129為圖示的三角形形狀。在一個實施例中，開口 122完全穿透第一面IM和第二面126，如圖6B、6C和7中最佳示出的。在其他實施例中，開口 122包括可以不完全穿透兩個面的盲孔。在一個實施例中，開口 122的尺寸相對於第一面IM或第二面1 的面積很大。如圖6A中最佳示出的，在一個實施例中，開口 122包括非常接近成形磨粒120的周邊129的形狀的三角形形狀。這樣，帶開口 122的成形磨粒120包括在其對應端連接而形成封閉多邊形的多條邊130的完整連接。在其他實施例中，開口 122可以為圓形、橢圓形或其他幾何形狀。在本發明的各種實施例中，開口 122的面積除以第一面IM或第二面126中較大者的表面積得到的開口率可以在約0. 05至約0. 95之間、或在約0. 1至約0. 9之間，或在約0. 1至約0. 7之間，或在約0. 1至約0. 5之間。為了進行該計算，表面積基於周邊1 包圍的區域而不減掉任何因開口 122產生的面積。如後文描述的，其開口 122相對於表面尺寸較大的成形磨粒被認為具有增強的磨削性能。在本發明的各種實施例中，第一面124的面積或尺寸與第二面126的面積或尺寸基本上相等。在本發明的其他實施例中，第一面IM或第二面1 可以比另一個面更小。 參見圖6B和6C，可以改變成形磨粒120的第二面1 和側壁1 之間的拔模角α，從而改變各個面的相對尺寸。在本發明的一個實施例中，拔模角α可以為大約90度，使得兩個面的面積基本上相等。在本發明的另一個實施例中，拔模角α可以大於90度，使得第一面124的面積大於第二面126的面積。在本發明的另一個實施例中，拔模角α可以小於90度，使得第一面124的面積小於第二面126的面積。在本發明的其他實施例中，拔模角α可以在約95度至約130度之間、在約95度至約125度之間、或在約95度至約115度之間。不希望受到理論束縛，但可以相信90度之外的拔模角導致了成形磨粒120傾斜而不是相對於塗附磨料製品中的背基成90度取向，因為在塗附磨料內的成形磨粒120的基底 (側壁128)因拔模角而傾斜。由於成形磨粒120在多數情況下由於其所在的成角度基底而傾斜或傾向於一側，所以其可以具有相對於背基小於90度的取向角度，從而提高切削速率，如提交於 2008 年 12 月 17 日的名稱為 「Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall」(具有傾斜側壁的成形磨粒)的共同待審的美國專利申請No. 12/337，075 (代理人檔案號64869US002)中的更詳細描述。在本專利申請中描述的一個實施例中，採用98度的拔模角α，該角度下的切削速率是具有90度的拔模角α的類似成形磨粒的切削速率的大約兩倍。相比不帶開口的實心的完整成形磨粒，帶開口 122的成形磨粒120可具有若干意想不到的有益效果。首先，與實心的成形磨粒相比，帶開口 122的成形磨粒120具有增強的切削速率。不希望受到理論束縛，但可以相信切削速率的提高是由使用磨粒時磨平面積減小所導致。在成形磨粒磨損時，通常在成形磨粒工作面上出現越來越大的磨平面，從而鈍化成形磨粒。相比之下，當帶開口 122的成形磨粒120磨損時，磨平面的尺寸最初可以增大， 直到成形磨粒磨穿至開口 122為止。此時，開口 122的存在通過形成兩個較小的磨平面而非先前存在的單個較大的磨平面，從而有效地減小了總的磨平面積。新形成的較小磨平面使成形磨粒120重新變鋒利，從而相比實心成形磨粒提高了其性能。其次，在一些實施例中，可以認為成形磨粒120內的開口 122可充當容器，以保持相比可以設置在不帶開口 122的實心成形磨粒上的更多的助磨劑或SS漿料化合物。此外， 由於助磨劑存在於帶開口 122的成形磨粒120的表面和中間，所以在開始使用磨粒以及隨後當帶開口 122的成形磨粒120磨穿至位於開口 122內的助磨劑容器時，都存在助磨劑，從而增強了切削性能。最後，在一些實施例中，據信成形磨粒120內的開口 122可充當錨固點，以通過使用底膠層或塗膠層將成形磨粒120更牢固地附接到背基上，從而減少在使用過程中成形磨粒120的「剝落」。當帶開口 122的成形磨粒120用於形成塗附磨料製品時，固化的底膠層或塗膠層可以完全穿透成形磨粒120。因此，相比僅通過粘合力附接到磨粒側面的實心成形磨粒，帶開口 122的成形磨粒120更牢固地附接到塗層上。本質上，由於塗層可以穿透開口 122，故帶開口 122的成形磨粒120被「縫合」到底膠層或塗膠層內，從而相比僅用其側面附接的實心成形磨粒更牢固地保持磨粒。在本發明的各種實施例中，在塗附磨料製品內，帶開口 122的成形磨粒120內的開口 122可以容納底膠塗層、膠接塗層、SS漿料塗層、助磨劑、空隙或它們的任何組合。圖7為將每個都帶開口 122的成形磨粒120與碟形磨粒220進行比較的照片。圖 8為具有多個型腔的生產工具的照片。成形磨粒前體在模具內加工，以便在成形磨粒前體乾燥時導致在每個成形磨粒前體內形成開口 122。提交於2008年12月17日的名稱為「a^ped Abrasive Particles With An Opening」(帶開口的成形磨粒)的共同待審的美國專利申請No. 12/337，112(代理人檔案號64765US0(^)提供了有關製造此類成形磨粒的有益效果和方法的更多信息。碟形磨粒參見圖9、10和11，其中示出了示例性的碟形磨粒220。用於製造碟形磨粒220、磨料碎片或帶開口的成形磨粒的材料包括α-氧化鋁。α-氧化鋁粒子可由氧化鋁一水合物的分散體製成，如後面討論的，該分散體被膠凝、模製成形、乾燥定形、煅燒，然後被燒結。成形磨粒的形狀得以保持，而無需粘結劑以在粘結劑中形成包含磨粒(隨後被成型為成形結構)的附聚物。通常，碟形磨粒220包括薄的本體，該薄的本體具有第一面2Μ和第二面226，這兩個面由具有不同厚度T的側壁2 分隔開。通常，碟形磨粒拐角處的側壁厚度較大，而沿每個邊緣的中點處的側壁厚度則較薄。因此，Tm小於Tc。在一些實施例中，側壁228為具有大於90度的拔模角α的傾斜側壁，後面將詳細討論。可以存在不止一個傾斜側壁，並且碟形磨粒的各個傾斜側壁的傾斜度或拔模角可以相同，如圖9和10中所示，或者各個傾斜側壁的傾斜度或拔模角不同，如提交於2008年12月17日的名稱為「Shaped Abrasive Particle With a Sloping Sidewall」(具有傾斜側壁的成形磨粒)的共同待審的美國專利申請No. 12/337，075(代理人檔案號64869US002)中所討論的。碟形磨粒220的側壁2 形狀可以是變化的，並且其形成第一面2 和第二面2 的周邊229。在一個實施例中，第一面2 和第二面2 的周邊2 選擇為具有一定幾何形狀，並且第一面2M和第二面2 選擇為具有相同的幾何形狀，但它們可能在尺寸上不同， 一個面的尺寸可能大於另一個面。在一個實施例中，第一面224的周邊2 和第二面2 的周邊2 為圖示的三角形形狀。在一些實施例中，採用等邊三角形形狀，在其他實施例中採用等腰三角形形狀。在一些實施例中，第一面224凹進，第二面2 基本上為平面。所謂「凹進」，是指第一面224的內部厚度Ti小於成形磨粒沿周邊的厚度。在一個實施例中，凹進的面具有基本上平坦的中央部分和上翹的拐角，如圖所示。在其他實施例中，凹進的面為基本上凹陷的。如後文將更詳細討論，可以認為凹進的面通過在形成彎月面的模具34內的溶膠-凝膠形成，如圖7左側最佳示出的那樣讓第一面凹進。如上所述，第一面224凹進，使得在尖端或拐角230處的厚度Tc往往大於第一面 224內部的厚度Ti。因此，當碟形磨粒220如圖10中的布置方式安放時，尖端或拐角230 高於第一面2M的內部。不希望受到理論束縛，但可以相信凹進的第一面2M增加了由碟形磨粒220移除的材料量。特別是，冰淇淋勺或匙子就具有可有效挖入材料內並移除大量材料的凹形末端。在挖入和移除大量材料時，勺子遠比刀或扁平物體有效。類似地，具有凹陷表面的凹磨鑿可產生更鋒利的刃口。可以相信，以類似的方式在碟形磨粒220上設置凹面，能夠使碟形磨粒的磨削性能比具有平坦的第一面2M和平坦的第二面226的類似成形的磨粒提高。另外，可以認為在鋒利的上翹尖端或拐角磨掉之後，成形磨粒具有較薄的內部可以有助於提高碟形磨粒的磨削性能。當內部較薄時，兩個因素可以在改善磨削性能方面發揮作用。首先，相比具有較厚內部的成形磨粒，在使用碟形磨粒過程中產生的對應磨平面的面積可能較小。如果一個顆粒只有相鄰顆粒的一半厚，那麼由於厚度的改變，所產生的磨平面將只有一半大小。其次，較薄的內部可以導致碟形磨粒在使用過程中的破碎增加，從而提高顆粒通過斷裂力學作用將自身再次磨銳的能力。厚的顆粒的斷裂可能性比薄的顆粒小。在本發明的各種實施例中，厚度比Tc/Ti可以在1. 25至5. 00之間、或在1. 30至 4. 00之間、或在1. 30至3. 00之間。為了計算厚度比，篩選了 15個隨機選擇的碟形顆粒。 對每個顆粒的每個拐角的高度進行測量，然後對所有高度求平均值，以確定Tc平均值。例如，三角形的成形磨粒各具有3個Tc測量值，總共具有45個測量值，以用於確定Tc的平均值。如果成形磨粒為圓形、橢圓形或不具有拐角或尖端的其他形狀，則對於每個成形磨粒， 應測量沿周邊彼此等距的三個點。然後，測量各顆粒第一面224內部的最小厚度Ti。通常， 可以利用成形磨粒的半透明性來找到最小內部厚度，並將15個結果平均以確定Ti平均值。 通過用Tc平均值除以Ti平均值確定厚度比。裝有縱橫移動載物臺和豎直位置測量鏡臺的光學顯微鏡可用來測量碟形磨粒各部分的厚度。經測量，在一些實施例中，根據本發明製造的三角形碟形磨粒具有在1. 55至2. 32之間的厚度比。經測量，根據授予Rowenhorst等人
"Abrasive Article Containing Shaped Abrasive Particles" ( Lj^MJgf立的磨粒製品)的美國專利No. 5，366，523中所公開的現有技術方法製造的三角形成形磨粒具有在0. 94至1. 15之間的厚度比，這意味著該磨粒為基本上平坦的，並且中間略厚的可能性與中間略薄的可能性相同。具有大於1. 20的厚度比的碟形磨粒在95%置信區間內在統計意義上不同於Rowenhorst顆粒。參見圖9，碟形磨粒220的第二面2 和側壁2 之間的拔模角α可以不同以改變各個面的相對尺寸。不希望受到理論束縛，但可以相信90度之外的拔模角導致碟形磨粒220傾斜而不是相對於塗附磨料製品中的背基成90度取向，因為在塗附磨料內的碟形磨粒220的基底(側壁228)會因拔模角而傾斜。由於碟形磨粒220在多數情況下由於其所在的成角度基底而傾斜或傾向於一側，所以其可以具有相對於工件小於90度的前角， 從而提高切削速率，如提交於2008年12月17日的名稱為"Siaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall」(具有傾斜側壁的成形磨粒)的共同待審的美國專利申請 No. 12/337，075(代理人檔案號64869US002)中的更詳細描述。如在該專利申請中討論的， 已發現拔模角從90度略微增加至98度會使三角形成形磨粒的切削性能翻倍。在本發明的各種實施例中，拔模角α可在大約95度至大約130度之間、或在約95 度至約125度之間、或在約95度至約120度之間、或在約95度至約115度之間、或在約95 度至約110度之間、或在約95度至約105度之間、或在約95度至約100度之間。通過凹進第一面2Μ在側壁2 和第一面2M之間產生銳角λ。這賦予碟形磨粒以能夠確實挖入並移除材料的鋸齒尖端Μ7;在拔模角α大於90度而使得磨粒在成形為塗附磨料製品時傾斜時，尤為如此。
為了進一步優化傾斜取向，將碟形磨粒塗敷到疏塗磨料層內的背基中。密塗磨料層被定義為可以由製造廠以單個步驟塗敷到磨料製品的底膠層的最大重量的磨粒或磨粒共混物。疏塗磨料層是以克為單位的重量小於最大可塗敷重量的磨粒或磨粒共混物，塗敷到塗附磨料製品的底膠層上。疏塗磨料層將導致具有磨粒的底膠層的覆蓋百分比少於 100%，從而在磨粒之間留下敞開區域和可見樹脂層。在本發明的各種實施例中，磨料層內的敞開區域百分比可以在約10%至約90%之間、或在約30%至約80%之間。可以認為如果在背基上塗敷過多的具有傾斜側壁的碟形磨粒，則在顆粒之間將出現空間不足，從而讓顆粒在底膠層和塗膠層固化之前傾斜。在本發明的各種實施例中，具有疏塗磨料層的塗附磨料製品內超過50 %、60 %、70 %、80 %或90 %的碟形磨粒是傾斜的， 並且具有小於90度的取向角β。在碟形磨粒的另一個實施例中，第一面2 可以是凸出的，第二面2 可以是凹陷的。這些碟形磨粒通常具有基本上恆定的厚度，並且類似於取自球形殼體的三角形部分。 現在參見圖11，圖中示出了具有凹陷的第二面2 和凸出的第一面224的碟形磨粒220的顯微照片。每個三角形的邊在第一面2 周邊處測得為約1.2mm。顆粒具有大約0. 35mm 的厚度。提交於 2008 年 12 月 17 日的名稱為"Dish-Siaped Abrasive Particles With A Recessed Surface」(具有凹面的碟形磨粒)的美國專利申請No. 12/336，961 (代理人檔案號64716US002)中更詳細地描述了碟形磨粒的另外的實施例。製造不同類型成形磨粒的方法第一工步涉及提供有晶種或無晶種的磨料分散體，該分散體可轉化為α-氧化鋁。α-氧化鋁前體組合物常常包含為揮發性組分的液體。在一個實施例中，該揮發性組分為水。磨料分散體應包含足量的液體，以使磨料分散體的粘度足夠低，從而能夠填充模具型腔並複製模具表面，但是液體量不能太多，以致隨後從模具型腔中去除液體的成本過高。在一個實施例中，磨料分散體包含2重量％至90重量％的可轉化為α-氧化鋁的顆粒(例如 α-氧化鋁一水合物(水軟鋁石)的顆粒)以及至少10重量％、或50重量％至70重量％、 或50重量％至60重量％的揮發性組分(例如水)。相反，一些實施例中的磨料分散體包含 30重量％至50重量％、或40重量％至50重量％的固體。還可使用除水軟鋁石之外的氧化鋁水合物。水軟鋁石可通過已知的技術來製造或者可商購獲得。市售水軟鋁石的例子包括均得自&isol North America, Inc.的商標為 「DISPERAL」和「DISPAL」的產品，或者得自BASF公司的商標為「HiQ-40」的產品。這些氧化鋁一水合物相對較純，即它們除了一水合物外只包括相對較少的(如果有的話)水合物相， 並且具有高表面積。所得成形磨粒的物理特性和顆粒的所得粒徑將大致取決於磨料分散體中所用材料的類型。在一個實施例中，磨料分散體為凝膠態。如本文所用，「凝膠」為分散在液體中的固體的三維網狀結構。磨料分散體可以包含改性添加劑或改性添加劑前體。改性添加劑的作用在於增強磨粒的某些所需性質，或提高後續的燒結步驟的效率。改性添加劑或改性添加劑前體可為可溶性鹽的形式，通常為水溶性鹽。它們通常由包含金屬的化合物構成，並且可為鎂、鋅、鐵、矽、鈷、鎳、鋯、鉿、鉻、釔、鐠、釤、鐿、釹、鑭、釓、鈰、鏑、鉺、鈦等的氧化物的前體以及它們的混合物。可存在於磨料分散體中的這些添加劑的具體濃度可由本領域技術人員進行調整。通常，引入改性添加劑或改性添加劑前體會使磨料分散體膠凝。通過加熱一段時間也可誘發磨料分散體膠凝。磨料分散體還可包含成核劑以促進水合氧化鋁或煅燒氧化鋁向α -氧化鋁的轉化。適用於本發明的成核劑包括α-氧化鋁、α-氧化鐵或其前體、二氧化鈦和鈦酸鹽、氧化鉻等的細粒，或者為在轉化中起成核作用的任何其他物質。如果使用的話，則成核劑的量應足夠多，以實現α-氧化鋁的轉化。使此類磨料分散體成核公開於授予^Awabel的美國專利 No. 4，744，802 中。可將膠溶劑加入磨料分散體中，以生成更穩定的水溶膠或膠態的磨料分散體。合適的膠溶劑為單質子酸或酸性化合物，例如乙酸、鹽酸、甲酸和硝酸。也可使用多質子酸，但是其使磨料分散體迅速膠凝，使得其不易處理並且難以向其中引入附加組分。某些商業來源的水軟鋁石具有有助於形成穩定磨料分散體的酸滴定度(例如吸收的甲酸或硝酸)。可通過任何合適的方法來形成磨料分散體，例如，簡單地將氧化鋁一水合物與包含膠溶劑的水混合的方法，或者通過形成氧化鋁一水合物漿液再向其中加入膠溶劑的方法。可加入去沫劑或其他合適的化學品，以減小混合時形成氣泡或夾帶空氣的趨勢。如果需要，可加入其他化學品，例如潤溼劑、醇類或偶聯劑。α -氧化鋁磨粒可以包含二氧化矽和氧化鐵，如1997年7月8日授予Erickson等人的美國專利No. 5，645，619中所公開。α-氧化鋁磨粒可以包含氧化鋯，如1996年9月3日授予Larmie的美國專利No. 5，551，963中所公開。或者，α-氧化鋁磨粒可具有微結構或添加劑，如2001年8月21日授予Castro的美國專利No. 6，277，161中所公開。第二工步涉及提供具有至少一個型腔32、優選具有多個型腔的模具34。參見圖1、 圖4和圖8，模具34具有大致平坦的底面30和多個型腔32。這些多個型腔可在生產工具中形成。生產工具可以是帶狀物、片狀物、連續纖維網、塗布輥(如輪轉凹版輥)、安裝在塗布輥上的套管或模具。所述生產工具包含聚合物材料。合適的聚合物材料的實例包括熱塑性材料(例如，聚酯、聚碳酸酯、聚醚碸、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烴、 聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、或它們的組合)和熱固性材料。在一個實施例中，整個模具由聚合物材料或熱塑性材料製成。在另一個實施例中，在乾燥時與溶膠-凝膠接觸的生產工具表面(例如多個型腔的表面)包含聚合物材料或熱塑性材料，並且生產工具的其他部分可由其他材料製成。作為舉例，合適的聚合物塗層可以塗覆到金屬模具上改變其表面張力性質。聚合物工具可由金屬母模複製而成。母模將具有生產工具所需的反向圖案。母模可以按照與生產工具相同的方式製得。在一個實施例中，母模由金屬(例如鎳)製成，並且經金剛石車削。可以將聚合物片狀材料與母模一起加熱，以通過將二者壓在一起在聚合物材料上壓印出母模的圖案。也可將聚合物材料或熱塑性材料擠出或澆注在母模上，然後進行壓制。冷卻熱塑性材料使其凝固，然後製造出生產工具。如果利用熱塑性生產工具，則應注意不要產生過多熱量，這些熱量可使熱塑性生產工具變形，從而限制其壽命。關於生產工具或母模的設計和製造的更多信息可見於以下專利中美國專利5，152，917(Pi印er等人)、5，435, 816 (Spurgeon 等人)、5，672, 097 (Hoopman 等人)、5，946, 991 (Hoopman 等人)、 5, 975, 987 (Hoopman 等人)以及 6，129, 540 (Hoopman 等人)。可從頂面38中的開口或從底面30中的開口(未示模具34的出)進入型腔32。 在某些情況下，型腔32可延續至模具34的整個厚度。或者，型腔32也可僅延續至模具34的厚度的一部分。在一個實施例中，頂面38基本上平行於底面30，其中模具34的型腔具有基本上一致的深度。模具34的至少一側，即形成型腔的一側在除去揮發性組分的步驟中可保持暴露在周圍大氣環境下。型腔32具有規定的三維形狀。在一個實施例中，當從頂部觀察時，型腔的形狀可描述為三角形，其具有傾斜側壁36，使得型腔的底面30略小於頂面38中的開口。據信，傾斜側壁能夠使磨粒前體易於從模具中移除。在本發明的各種實施例中，預定角度α可在約 95度至約130度之間、或在約95度至約120度之間，例如98度。在另一個實施例中，模具 34包括多個三角形型腔。這些多個三角形型腔中的每個型腔均包括等邊三角形。或者，可使用其他型腔形狀，例如圓形、矩形、正方形、六邊形、星形或它們的組合， 所有形狀均具有基本上均勻的深度尺寸。該深度尺寸等於從頂面38到底面30最低點的垂直距離。此外，型腔的形狀可為其他幾何形狀的反轉，例如角錐形、截頭角錐形、截球形、截橢球形、圓錐形和截頭圓錐形。給定型腔的深度可為均勻的或可沿其長度和/或寬度變化。 給定模具的型腔的形狀可以相同或不同。第三工步涉及通過任何常規技術來用磨料分散體填充模具中的型腔。在一個實施例中，模具34的頂面38塗覆有磨料分散體。磨料分散體可泵送到頂面38上。然後，可用刮刀或矯直棒將磨料分散體完全壓入模具34的型腔32中。可將未進入型腔32中的磨料分散體的剩餘部分從模具34的頂面38處去除，並將其回收利用。在一些實施例中，可使用刀輥塗布機或真空縫口模頭。在一些實施例中，磨料分散體的一小部分可保留在頂面38上，並且在其他實施例中，頂面基本上不含分散體。刮刀或矯直棒所施加的壓力通常小於lOOpsi、 或小於50psi、或小於lOpsi。在一些實施例中，磨料分散體無暴露表面大幅度延伸超過頂面38，以保證所得磨粒厚度的均勻度。在一個實施例中，包括側壁36和底面30在內的型腔內表面不含脫模劑。典型的脫模劑包括(例如)油類(如花生油、魚油或礦物油)、有機矽、聚四氟乙烯、硬脂酸鋅、以及石墨。不含脫模劑有助於在乾燥磨料分散體時確保成形磨粒前體粘著在型腔壁上，從而使模具中至少大部分的成形磨粒前體破裂。在其他實施例中，使用脫模劑形成完整的成形磨粒。通常，在液體(例如水或酒精)中的介於約0. 1重量％至約5重量％之間的脫模劑 (例如花生油)被塗敷到接觸溶膠-凝膠的生產工具表面，使得當需要脫模時，每單位面積模具上存在介於約0. lmg/in2至約3. Omg/in2之間、或介於約0. lmg/in2至約5. Omg/in2之間的脫模劑。第四工步涉及控制溶膠-凝膠在模具中的流變性，以製造不同類型的成形磨粒。 具體地講，發明人已經確定使用熱塑性模具或聚合物模具時溶膠-凝膠的粘度、脫模劑的存在與否、以及乾燥速率相互作用，以清晰地使最終磨粒成形。通過控制這些變量，使系統達到動力學和熱力學平衡，從而影響所製造的成形磨粒的類型。因此，完全相同的模具型腔可以製造磨料碎片、帶開口的成形磨粒、碟形磨粒或具有兩個平行平面的成形磨粒。通常，取消脫模劑並使用聚合物模具或熱塑性模具可導致形成磨料碎片，這是因為溶膠-凝膠更多地粘合到模具並斷裂。通常，使用脫模劑和更快速地乾燥的更高屈服應力的溶膠-凝膠往往會在形成碟形磨粒的溶膠-凝膠模具內形成彎月面。通常，當在聚合物模具表面上存在脫模劑時，通過增大乾燥速率將增加與碟形磨粒內的空氣接觸的彎月面的尺寸。更大的彎月面的形成最終在成形磨粒內產生開口。溶膠-凝膠屈服應力(隨剪切速率而變的最大粘度)可以使用流變儀(例如可得自在英國Worcestershire有辦事處的 Malvern instruments Ltd 白勺 Bohlin Gemini 200) 貝Ijfi。下表1列出已發現可產生不同類型成形磨粒的一些工藝參數。然而，由於成形磨粒的所得類型取決於模具內的溶膠-凝膠乾燥時的複雜流變性，故在工藝條件上存在一定的重疊，並且可能需要根據使用的準確溶膠-凝膠和模具的表面張力特性調整變量。表1 控制磨粒類型的典型工藝參數
權利要求
1.一種方法，包括提供具有多個型腔的模具，所述多個型腔包括聚合物表面；用溶膠-凝膠填充所述多個型腔，所述溶膠-凝膠包含在液體中的可轉化為α -氧化鋁的顆粒，所述液體包含揮發性組分；以及當所述溶膠-凝膠存在於所述多個型腔內時從所述溶膠-凝膠中除去至少一部分所述揮發性組分，從而形成多個具有選自下列類型的成形磨粒前體磨料碎片、帶開口的成形磨粒和碟形磨粒。
2.根據權利要求1所述的方法，包括在所述多個成形磨粒前體存在於所述多個型腔內時將所述多個成形磨粒前體的至少大部分破碎成至少兩塊，從而形成多個破碎的成形磨粒前體。
3.根據權利要求2所述的方法，包括從所述多個型腔中移除所述多個破碎的成形磨粒前體；煅燒所述多個破碎的成形磨粒前體，從而形成多個煅燒過的破碎的成形磨粒前體； 以及燒結所述多個煅燒過的破碎的成形磨粒前體，從而形成多個α -氧化鋁磨料碎片。
4.根據權利要求2所述的方法，其中所述破碎包括在高於所述揮發性組分沸點的溫度下進行乾燥。
5.根據權利要求2所述的方法，其中所述揮發性組分包含水，並且乾燥溫度在約105°C 至約150°C之間。
6.根據權利要求2所述的方法，其中所述破碎包括使75%至100%的所述多個成形磨粒前體破碎成至少兩塊。
7.根據權利要求2所述的方法，其中所述多個型腔包括聚丙烯表面，並且所述模具中的所述多個型腔未被塗敷脫模劑。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述破碎包括在約105°C至約120°C之間的溫度下進行乾燥。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述多個型腔包括等邊三角形型腔。
10.根據權利要求7所述的方法，其中所述溶膠-凝膠包括約30%至約50%之間的固體。
11.根據權利要求2所述的方法，其中所述多個型腔包括等邊三角形型腔。
12.根據權利要求1所述的方法，包括在用所述溶膠-凝膠填充所述多個型腔之前用脫模劑處理所述多個型腔。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述脫模劑包括花生油。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述溶膠-凝膠具有大於約6000 .s的屈服應力，從而形成多個碟形磨粒前體。
15.根據權利要求14所述的方法，包括從所述多個型腔中移除所述多個碟形磨粒前體；煅燒所述多個碟形磨粒前體，從而形成多個煅燒過的碟形磨粒前體；以及燒結所述多個煅燒過的碟形磨粒前體，從而形成多個碟形磨粒。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述多個型腔包括等邊三角形形狀。
17.根據權利要求12所述的方法，其中所述溶膠-凝膠具有大於約4000 · s的屈服應力，從而形成多個帶開口的成形磨粒前體。
18.根據權利要求17所述的方法，包括從所述多個型腔中移除所述多個帶開口的成形磨粒前體；煅燒所述多個帶開口的成形磨粒前體，從而形成多個煅燒過的帶開口的成形磨粒前體；以及燒結所述多個煅燒過的帶開口的成形磨粒前體，從而形成多個帶開口的成形磨粒。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述多個型腔包括等邊三角形形狀。
全文摘要
通過控制工藝參數和使用具有多個模具型腔的聚合物生產工具，可以由完全相同的模具製造選自下列不同類型的成形磨粒磨料碎片、碟形磨粒和帶開口的成形磨粒。在一個實施例中，所述模具包括多個等邊三角形型腔，並且用同一模具製造出破碎的磨粒前體、碟形磨粒前體或帶開口的成形磨粒前體。
文檔編號B24D3/00GK102281992SQ200980154647
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月24日 優先權日2008年12月17日
發明者尼格斯·B·艾德弗裡斯, 德懷特·D·埃裡克森, 斯科特·R·卡勒, 約翰·D·哈斯, 約翰·T·博登 申請人:3M創新有限公司