靜電沉積組合物的製作方法

2023-05-03 12:49:36

專利名稱：靜電沉積組合物的製作方法
背景技術：
本發明涉及磨料由於靜電工藝而沉積，特別涉及能大幅促進此工藝的組合物。
在通過使磨粒沉積在未固化或部分固化的粘合材料上來製造砂紙的方法中，最常見的沉積工藝包括靜電沉積，其中磨粒在靜電場的影響下而向上噴射，從而與粘合劑接觸。這些通常描述為UP(向上噴射)法。磨料從料鬥送到經過沉積部位的移動帶，沉積部位由處於移動帶下面的帶電荷的板(charged plate)，和直接對置和平行的處於移動帶上方的接地板(grounded plate)所限定。要沉積上磨粒的基材沿著與移動帶平行的路線，並在經過沉積部位時處於移動帶上方。帶電荷的板和接地板之間產生靜電場，導致磨粒朝著基材面向下的表面而向上噴射，從而附著到塗布在基材上的未固化或部分固化的粘合劑上。如果粒度均勻，通常會使磨粒的沉積非常均勻。但是如果磨粒有形成結塊的傾向、或不均勻地流動成噴射磨粒的表面，會嚴重影響沉積的均勻性。當需要極細的粒度時，此問題特別嚴重。
本發明提供了即使磨粒粒度大小極為細小也能促進要靜電沉積的磨粒的自由流動的裝置。本發明可用於UP磨粒沉積法的進料裝置，或用於使包含磨粒的功能性粉末沉積到述於例如USP 5,833,724中的一種方法的組合物表面，該組合物包含分散在可固化粘合劑中的磨粒。
發明描述本發明提供了可靜電噴射的粉末組合物(formulation)，它包含磨粒和二氧化矽粉末，其中磨粒的磨料粒度小於320篩目(grit)，而二氧化矽粉末的含量足以使磨粒的體積電阻率和表面電阻率至少增加50％，但表面電阻率不大於1014歐姆/方(ohms/square)和/或體積電阻率不大於1014歐姆·釐米。優選這些最大電阻率數值分別小於1012歐姆/方和1012歐姆·釐米。
表面和體積電阻率用ASTM D4496和ASTM D2557測量，前者是測量「中等導電材料導電性的直流電阻」的標準試驗方法，後者是測量「絕緣材料的直流電阻」的標準試驗方法。如果根據本發明使參數之一(體積和表面電阻率)達到令人接受的程度，說明另一參數也達到了令人接受的程度，這樣僅僅測量任何一個參數實際上就足夠了。
發現電阻率數值與粉末的流動性相關，因此處理後的粉末更易適應砂紙用途中的UP沉積法。但是太低或太高的電阻率都不理想。因此需要控制電阻率以保證獲得最佳的結果。添加二氧化矽粉末能有效增加磨粒的電阻率，但電阻率太大會產生可噴射性的問題。因此控制電阻率以獲得最佳操作效能是重要的。能獲得此操作效能的本發明粉末組合物的顯著特徵是它們可靜電噴射，並具有增強的流動性。
獲得所需電阻率數值的方法是，例如通過在磨粒中加入合適的二氧化矽粉末添加劑，其加入量隨添加劑而變化。但是，通常通過加入以組合物重量計為0.02-5重量％的添加劑，就能保證本發明粉末的目標電阻率。二氧化矽的優選加入量是以組合物重量計為0.05-3重量％，例如0.1-2重量％。
二氧化矽粉末的粒度優選不大於磨粒的粒度。
二氧化矽可以是任何市售的粉末狀二氧化矽產品，例如熱解法二氧化矽(fumed silicas)或沉澱二氧化矽(precipitated silicas)。雖然二氧化矽本身有些抗電荷引起的結塊，但諸如熱解法二氧化矽的有些二氧化矽具有高度的多孔性顆粒結構，這會產生過大的表面積，並因此使這些二氧化矽有時會形成結塊。如果熱解法二氧化矽遇到這些問題，用諸如六甲基二矽氮烷的添加劑進行處理以增加二氧化矽表面的疏水性和減少它的附聚趨向，在此之後可有效使用。這種處理經常被熱解法二氧化矽的工業廠家所使用。即使工業熱解法二氧化矽粉末產生附聚，其中所涉及的力是很弱的，並且能被剪切應力輕易破壞。
能有利地使用的合適二氧化矽包括粒度為25微米和BET法表面積為220米2/克的FG-SP FLOW-GARD；粒度為20微米和BET法表面積為130米2/克的FG-AB；粒度為2.0微米和BET法表面積為170米2/克的HI-SILT600；粒度為1.4微米和BET法表面積為150米2/克的HI-SILT-152；(這些都購自PPG Corporation)；和粒度為0.2微米、表面積為220米2/克、和經六甲基二矽氮烷處理的CAB-O-SILTS-530。該產品購自Cabot Corporation。
磨粒可以是例如熔凝或燒結氧化鋁、碳化矽、立方氮化硼、金剛石或熔凝氧化鋁/氧化鋯。但最常用的磨粒基於氧化鋁或碳化矽。可用的磨粒粒度不大於320篩目，但最嚴格不大於P1200篩目的磨粒經常會遇到問題。這等於不大於約25微米的平均粒度。
組合物除了磨粒和二氧化矽粉末以外，還可包含為研磨產物帶來特殊性質的功能性添加劑，這些特殊性質如表面潤滑性、抗靜電性、增強的研磨能力等。這些添加劑與磨粒一起或以與磨粒形成均質混合物的形式摻入。優選它們的粒度也不大於它們所混的磨粒。功能性添加劑的含量可以是以磨粒加添加劑的總重量計為例如5-75％，優選25-60％和最優選30-50％。
本發明的研磨粉末除了具有與本發明相一致的電阻率數值以外，還發現它們對大氣中磨粒上的溼氣或變化更不敏感。值得注意的是在一些顆粒形式的氧化鋁基顆粒的情況下，UP沉積裝置周圍的相對溼度會非常嚴重地影響磨粒噴射的效率。但是本發明的磨粒粉末對溼度變化有高得多的耐受性，因此實施本發明可提供顯著的額外利益。
所以，本發明還包括包含磨粒和二氧化矽粉末的組合物的UP沉積法，其中磨粒的粒度小於320篩目，更優選小於400篩目，而二氧化矽粉末的含量足以使磨粒表面電阻率和體積電阻率增加至少50％，但表面電阻率不大於1014歐姆/方，優選不大於1012歐姆/方，體積電阻率不大於1014歐姆·釐米，優選不大於1012歐姆·釐米。
本發明還包括含有磨粒與二氧化矽摻混的研磨組合物的UP沉積法，其中磨粒以組合物重量計為0.02-5重量％，二氧化矽的粒度不大於磨粒的粒度。
對於磨粒，根據CAMI分級法表示它的大小，該方法以微米計的具體數值定義平均粒度。對於二氧化矽或其它粉末狀添加劑以微米表示粒度，對於體積平均粒度用例如Horiba粒度分析儀來確定。
附1是用於評價添加劑的試驗臺裝置的透視簡圖。
圖2是顯示三組規定條件下實施例1中所用流動評價裝置中磨粒流動速率的曲線圖。
圖3所示的是使用本發明組合物所產生的流動改進的柱狀圖。
圖4所示的是實施例2中所得研磨結果的柱狀圖。
圖5所示的是三種不同的氧化鋁磨粒在兩種相對溼度不同的條件下其加入量對所得研磨粉末體積電阻率的影響的曲線圖。
圖6是以柱狀圖形式表示圖5的數據。
圖7和圖8與圖5和圖6相似，不同的是數據採集自碳化矽磨粒。
優選實施方式的描述下面通過評價一些組合物和摻混了這種組合物的砂紙的研磨效能來描述本發明。因此這些實施例是用於說明的目的，而不對本發明或它於所有情況下的使用範圍造成任何實質上的限制。
實施例1為說明本發明組合物的流動性，要設置

圖1所示的試驗裝置。該裝置包括適合加料的料鬥1，它適於將磨粒送到輥2的外表面，輥2以可控的速度繞平行於料鬥軸線的軸旋轉，其中料鬥和輥表面之間的間隙3是可控的。磨粒沿路線4落到盤子5中。
在上述試驗裝置的操作中，粉末被送入料鬥中，槽口與輥之間的間隙固定，輥以給定速率旋轉。以每15秒沉積到盤子中的磨粒克數測量磨粒的流動速率。多次調整輥間隙、輥速和粉末組成，重複此操作。
經過系統的粉末包含P1200篩目氧化鋁顆粒和用量不同的沉澱二氧化矽，其中前者與氟硼酸鉀的重量份之比為2∶1，而二氧化矽購自PPG Corporation，商品名為FLOW-GARDAB。二氧化矽與磨粒的平均粒度都約為20微米。根據二氧化矽的加入量，組合物的表面電阻率從約109到約1011歐姆/方，體積電阻率從約109到約1011歐姆·釐米。將料鬥與輥表面之間的間隙作三次不同的調整，測量15秒內沉積於收集盤中的顆粒量。結果以曲線形式示於圖2。從中可見，此系統所得的結果說明二氧化矽添加劑的濃度約為1％時獲得了最大流動，它與間隙無關，在不同輥速下重複操作得到相同結果。
用相同的試驗裝置、但使用40英寸/分鐘(約1米/分鐘)的固定輥速和設置0.03」、0.04」和0.06」(分別為0.76毫米、1.02毫米和1.52毫米)三種不同的間隙，進行相似的一系列試驗，評價相同成分所獲得的改進。本發明的每個組合物都包含與相同的P1200氧化鋁和氟硼酸鉀顆粒混合的2重量％相同二氧化矽。對各組合物和不含二氧化矽的組合物作比較，並且在試驗進行前將粉末混合物於100°F下儲存3周，以保證最佳的自由流動性。對本發明的產品則不進行這種乾燥措施。
結果示於圖3，其中以柱狀圖形式表示相同條件下比不含二氧化矽的組合物增長的百分數(以15秒內粉末沉積的克數計)。柱的長度表示比不含二氧化矽的產品的增長百分數。每條柱上的誤差線表示圖中所總結的結果的變化程度。由此可預計，間隙越大，顯示出的增長越小，因為較寬的間隙會使一些附聚的顆粒通過。但這仍是有影響的。
在氧化鋁的粒度大於P1200、但其它參數不變的條件下的評價顯示，P1000氧化鋁粒度時有顯著增長，但低於該程度時試驗條件不能足夠靈敏地顯示明顯的增長。此外，由於粒度增加，上述顆粒附聚的問題變得不那麼嚴重了。用裝有直徑0.1」(2.54毫米)流出孔的漏鬥評價流動速率，以檢查這種較大的粒度。從中發現流動受阻時，2％加入量的二氧化矽對於增加不大於320篩目粒度的氧化鋁的流動速率是有效的。
實施例2在本實施例中，在使用和不用二氧化矽添加劑的情況下評價帶有設計表面(engineered surface)的砂紙的研磨效能。由含有氧化鋁磨粒的組合物沉積在可紫外線固化的丙烯酸酯類粘合劑樹脂中，然後在沉積的組合物表面塗布一層P1200氧化鋁磨粒和氟硼酸鉀顆粒的重量比為2∶1的粉末來獲得經塗布的研磨基材。在組合物上壓上重複的圖形，並使樹脂粘合劑組分固化。製備相同的三個試樣，不同的是其中兩個磨粒/粘合劑樹脂組合物的未固化表面所沉積的粉末層含有二氧化矽，而第三個不含。
然後以16磅/英寸2的壓力(用Matchless-B接觸輪施加到砂紙的背面)和5000英尺/分鐘圓周速度的相對運動速度測試試樣在一304不鏽鋼環上的研磨效能。
本發明的第一個組合物含有BET法表面積為170米2/克和平均粒度約為2微米的沉澱二氧化矽，其含量以粉末重量計為0.08重量％。第二個組合物含有以粉末重量計為0.25重量％的實施例1所用20微米二氧化矽。第三個組合物則不含二氧化矽。
研磨試驗的結果示於圖4。從中可知，二氧化矽的摻入量對研磨結果的影響很小，即使用極低的濃度仍有益處。
實施例3本實施例的目的是顯示二氧化矽添加劑的加入量對所得磨粒粉末的電阻率的影響。在所有情況下，添加劑都是用六甲基二矽氮烷處理過的熱解法二氧化矽粉末。該二氧化矽購自Cabot Corporation，商品名為「TS 530」。
進行兩組試驗。第一組在購自Treibacher AG、商品名如下的氧化鋁研磨粉末上進行BFRPL P600(平均粒度為25.8微米的FEPA P-等級)；FRPL P800(平均粒度為21.8微米)；和FRPL P1500(平均粒度為12.6微米)。
第二組試驗在購自Saint-Gobain Industrial Ceramics Inc.、商品名如下的碳化矽研磨粉末上進行E299 400(ANSI等級22.1微米)；E299 600(ANSI等級14.5微米)；和E599 P1500(FEPA P-等級，12.6微米)。
在各情況下，都在粉末中加入不同量二氧化矽粉末，並以20％和50％的相對溼度進行測試。此評價的結果示於圖5-8。圖5和圖7中，分別跟蹤氧化鋁和碳化矽磨粒的電阻率隨添加劑百分數的變化。圖6和圖8以柱狀圖形式分別表示圖5和圖7中的數據，作為與不含任何改性劑的磨粒的電阻率測量值的比較。為此，曲線圖中記錄的電阻率數值要除以相同相對溼度下相同未改性磨粒的電阻率。這能更清楚地說明加入相對適量的二氧化矽添加劑對電阻率的顯著改進。
權利要求
1.可靜電噴射的粉末組合物，它包含磨粒和二氧化矽粉末，其中磨粒的磨料粒度小於320篩目，而二氧化矽粉末的含量足以使磨粒的體積電阻率和表面電阻率至少增加50％，但表面電阻率不大於1014歐姆/方和/或體積電阻率不大於1014歐姆·釐米。
2.如權利要求1所述的粉末組合物，其特徵在於所述的表面電阻率和體積電阻率分別小於1012歐姆/方和1012歐姆·釐米。
3.如權利要求1所述的粉末組合物，其特徵在於所述的二氧化矽的加入量以所述的粉末組合物的重量計為0.02-5重量％。
4.如權利要求1所述的粉末組合物，其特徵在於所述的二氧化矽選自沉澱二氧化矽、熱解法二氧化矽、經處理使二氧化矽顆粒具有疏水表面的熱解法二氧化矽；和它們的混合物。
5.如權利要求1所述的粉末組合物，其特徵在於所述的二氧化矽顆粒的粒度不大於磨粒的粒度。
6.如權利要求1所述的粉末組合物，其特徵在於所述的磨粒不大於P1200篩目。
7.砂紙的製備方法，該方法包括將粉末組合物靜電沉積在基材上的步驟，其中所述的粉末組合物含有磨粒和二氧化矽粉末，其中磨粒的粒度小於320篩目，而二氧化矽粉末的含量足以使磨粒的體積電阻率和表面電阻率至少增加50％，但表面電阻率不大於1014歐姆/方和/或體積電阻率不大於1014歐姆·釐米。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的粉末組合物的表面電阻率和體積電阻率分別小於1012歐姆/方和1012歐姆·釐米。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的二氧化矽的加入量以所述的粉末組合物的總重量計為0.02-5重量％。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的二氧化矽選自沉澱二氧化矽、熱解法二氧化矽、經處理使二氧化矽顆粒具有疏水表面的熱解法二氧化矽；和它們的混合物。
11.如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的二氧化矽顆粒的平均粒度不大於磨粒的平均粒度。
12.如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述的磨粒的粒度不大於P1200篩目。
全文摘要
摻入二氧化矽粉末能使細磨粒粉末的體積電阻率控制到不大於10
文檔編號B24D3/00GK1377396SQ00813770
公開日2002年10月30日 申請日期2000年8月30日 優先權日1999年10月7日
發明者隋國鑫, S·珀蒂尼 申請人:聖戈本磨料股份有限公司