樹脂粘合磨具的製備方法
2023-04-22 23:34:36 2
專利名稱：樹脂粘合磨具的製備方法
粘合研磨製品一般具有三維結構特徵，其中研磨顆粒固定在基體或粘結劑中。在某些情況下，粘結劑是有機粘結劑，有時也稱聚合物或樹脂粘結劑。但是，有機粘合工具在溼研磨條件下往往性能不佳。對於某些由固定在酚醛樹脂粘結劑中的氧化鋁基顆粒形成的磨具，其溼研磨強度的保持率特別差。例如，人們都知道，包含稱作「38A」顆粒的酚醛樹脂粘合研磨顆粒的磨輪在溼研磨中磨損非常快，據信這是由於這類研磨顆粒的表面富含Na2O，因而對水高度敏感。在水基研磨流體存在下，未磨掉的研磨顆粒會過早地從粘結劑上脫落。
為設法改善採用酚醛樹脂粘結劑的磨具的溼研磨性能，用矽烷處理研磨顆粒，從而使顆粒具有疏水性。但據Kunz等在美國專利5042991中報導，這種技術實施製造上有困難，而且磨具儲存數月後，得到改進的顆粒性能會下降。
美國專利3323885介紹了另一種方法，它通過阻止有用顆粒過早從粘結劑上脫落來提高磨輪壽命；在初始固化階段，向整個輪坯提供溼氣，即至少20％的相對溼度在約100℃下保持至少5分鐘。作為提供這種相對溼度的方法，固化前可將輪坯包在不透溼膜中。雖然所得磨輪壽命得到提高，但包封和找開每個磨輪的步驟增加了粘合磨具的生產成本。而且，所用膜會妨礙不良的反應產物如氨的排出，它會留在最終製品體內。如果不包封，則將坯體加熱到100℃以上時，水氣就會被趕走並蒸發掉。
因此，需要有機粘合研磨製品和製備這些製品的方法，所述方法能減少或儘量避免上述問題。
本發明總體上涉及有機粘合研磨製品，如磨輪、輪片和其他製品，還涉及它們的製備方法。
在一種實施方式中，本發明涉及製備有機粘合研磨製品的方法，它包括研磨顆粒組分與酚基樹脂組分的混合，然後對混合組分進行模塑。酚基樹脂組分在包含溼度的氣氛中進行熱固化，由此形成有機粘合研磨製品。含溼氣氛與模塑組件接觸。
本發明還涉及用如下方法製備的研磨製品混合研磨顆粒組分與酚基樹脂組分，然後對混合組分進行模塑。酚基樹脂組分在包含溼度的氣氛中進行熱固化，其中含溼氣氛與模塑組件接觸。
在一個實例中，含溼氣氛通過向用來進行熱固化的室中通入蒸汽獲得。在一個優選實施方式中，研磨顆粒首先與有機矽組分混合，形成經過有機矽處理的研磨顆粒，接著使酚基樹脂組分和經過有機矽處理的研磨顆粒混合。
在另一個實施方式中，本發明涉及用本發明方法製備的磨輪，其強度保持率高於57％。在另一個實施方式中，本發明涉及用本發明方法製備的研磨製品，磨輪中存在的氨量低於約50ppm。
本發明具有許多優點。例如，本發明在製備磨輪時不需要包封和打開步驟。更重要的是，製備期間殘留在輪體中的氨和其他不良反應產物的量下降。通過本發明獲得的磨具一般具有良好的溼強度保持率，即在溼研磨條件下，在其使用期限內，研磨顆粒能保留在有機粘結劑上。本發明在提供軟級磨輪的溼強度保持率方面特別有利。這裡定義的「軟級磨輪」指按照Norton公司級別標準，具有比Q級軟的級別的磨輪。利用本發明方法製備的磨具還有良好的幹強度保持率，且研磨性能損失低。
通過下面對本發明優選實施方式更具體的描述，可更清楚地看到本發明的前述及其他目的、特徵和優點。下面是對優選實施方式的描述。
本發明涉及有機粘合研磨製品的製備方法。
本發明方法包括使研磨顆粒組分與酚基樹脂組分混合。混合後的組分可進行模塑，例如形成坯體，其形狀適合於形成研磨製品。酚基樹脂組分在包含溼度的氣氛中進行熱固化，含溼氣氛與模塑組件接觸。
在一種實施方式中，本發明方法所採用的研磨顆粒組分包括氧化鋁基研磨顆粒。這裡所用術語「氧化鋁」和「Al2O3」可以互換。許多氧化鋁基研磨顆粒可從市場上購買，特殊顆粒可以定製。可用於本發明的合適氧化鋁基研磨顆粒的具體例子包括Saint Gobain陶瓷與塑料公司生產的名為「38A顆粒」的白剛鋁石顆粒，或者Treibacher Schleifmittel，AG生產的名為「86A顆粒」的粉紅剛鋁石。其他研磨顆粒也可以採用，如加晶種或無晶種燒結溶膠氧化鋁，經過或未經過如稀土氧化物、MgO等的化學改性；氧化鋁-氧化鋯；硼-氧化鋁；碳化矽；金剛石；立方氮化硼；氧氮化鋁；不同研磨顆粒的組合。
研磨顆粒的尺寸一般以粒度號表示，表示粒度號與以微米或英寸為單位的對應平均粒度之間關係的圖在本領域是眾所周知的，它們與美國標準篩(USS)篩目相關。粒度號的選擇取決於研磨應用或要使用磨具的工藝。本發明可採用的合適的粒度號約在16(相當於平均粒度約為1660μm)-320(相當於平均粒度約為32μm)之間。
在製備研磨製品之前，宜用有機矽塗敷Al2O3顆粒。合適的有機矽組分包括含有機官能的矽烷，如通常用作偶聯劑的有機官能矽烷。特別優選氨基矽烷，例如γ-氨基丙基三乙氧基矽烷。可以採用的有機矽化合物的其他例子包括(但不限於)乙烯基三乙氧基矽烷、γ-氨基丙基三甲氧基矽烷、二氨基丙基乙氧基矽烷。
酚基樹脂組分至少包含一種酚醛樹脂。酚醛樹脂一般通過苯酚與醛，特別是甲醛、低聚甲醛或糠醛聚合得到。除了苯酚之外，也可以用甲酚、二甲苯酚和取代苯酚。甲階酚醛樹脂一般通過水性甲醛與苯酚在鹼性催化劑存在下的一步反應獲得。線型酚醛清漆樹脂，也稱兩階段酚醛樹脂，一般通常在酸性條件下和在交聯劑如六亞甲基四胺(這裡也稱「hexa」)存在下製備。
甲階酚醛樹脂和線型酚醛清漆樹脂都可以採用，而且可以採用一種以上的酚基樹脂。在一種實施方式中，酚基樹脂組分包含至少一種甲階酚醛樹脂和至少一種線型清漆型酚醛樹脂。宜至少有一種酚基樹脂呈液體形式。合適的酚醛樹脂混合物見述於Gardziella等的美國專利4918116等，其全部內容在此引為參考。
在一個優選實施方式中，研磨顆粒組分先與有機矽組分混合。用有機矽化合物處理研磨顆粒的方法在本領域是人們已知的。例如，研磨顆粒可用包含合適的有機矽化合物的溶液潤溼、噴塗，或者分散在這種溶液中，以塗敷顆粒。經塗敷顆粒在使用前一般要經過乾燥。
然後可使經有機矽處理的研磨顆粒與酚基樹脂組分混合。在一個實例中，經有機矽處理的研磨顆粒先與一種或多種液體酚基樹脂混合，然後與一種或多種粉狀酚基樹脂混合。在另一個實例中，液體和粉狀酚基樹脂可同時加入經有機矽處理的研磨顆粒中。
用合適的方法使經有機矽處理的研磨顆粒與酚基樹脂組分混合起來，如用合適的混合器混合。合適的混合器實例是Eirich混合器(例如RV02型)、Littleford或碗型混合器。
在另一個實施方式中，有機矽組分先與酚基樹脂組分混合，然後與研磨顆粒組分混合。例如，有機矽組分可與一種或多種液態酚基樹脂混合。在另一個實施方式中，所有組分一步混合。這些組分的混合方法在本領域是已知的。
還可以加入其他成分，例如填充劑、固化劑和其他常用來製備有機粘合研磨製品的化合物。填充劑的形式可以是微細粉末，如粒狀、球狀、纖維狀或其他形狀。合適的填充劑的例子包括砂、碳化矽、空心氧化鋁、礬土、鉻鐵礦、菱鎂礦、白雲石、空心富鋁紅柱石、硼化物、熱解法二氧化矽、二氧化鈦、碳產物(例如碳黑、焦碳或石墨)、木粉、粘土、滑石、六角氮化硼、二硫化鉬、長石、霞石、黑花崗石和各種形式玻璃，如玻璃纖維和空心玻璃球。一般，以組合物的總重計，填充劑的量約為0.1-30重量份。
固化清漆酚醛樹脂所採用的交聯劑包括六亞甲基四胺和本領域已知的其他固化劑。也可以採用這些物質的前體，如氫氧化銨。合適的固化劑的用量，如每100重量份總清漆酚醛樹脂總重約為5-20重量份。
可以加入的其他材料包括加工助劑，如抗靜電劑；金屬氧化物，如石灰、氧化鋅、氧化鎂；潤滑劑，如硬脂酸和單硬脂酸甘油酯和它們的混合物。每種材料的合適用量也可由本領域的技術人員確定。
在一種實施方式中，將混合組分放入合適的模子中壓制，可以形成坯體。這裡所用術語「坯」指坯體在接下來的加工步驟中能保持形狀不變，但一般沒有足夠的強度永久保持其形狀；坯體中的樹脂粘結劑處於未固化或未聚合狀態。混合組分可模塑成所需製品的形狀。例如，可將混合組分模塑成輪形、盤形、輪片、石頭形和磨石形。在優選實施方式中，混合組分可模塑、壓製成適合於磨輪的形狀。成型柱塞可用來蓋住混合物，這是本領域已知的。
為製備本發明研磨製品，可在含溼氣氛中熱固化坯體中的酚基樹脂組分，即使之聚合。坯體在加熱過程中會發生各種物理和化學變化，例如熱固性酚基樹脂發生交聯，從而形成研磨製品。
坯體一般是以分段方式受控加熱到最終固化溫度的。整個過程一般稱「固化」或「烘烤」周期。對大的坯體一般緩慢加熱，以利於熱傳遞過程的發生，從而使產品均勻固化。「保溫」階段可在指定溫度下進行，以便在溫度達到酚基樹脂發生聚合的溫度之前，輪子各部分溫度可在升溫階段達到平衡。「保溫」階段指模塑組件，例如坯體在指定溫度下保持一段時間。對坯體也可緩慢加熱，例如從室溫加熱到保溫溫度，以使磨輪固化時產生的副產物中的揮發性物質緩慢(受控)釋放。
例如，坯體可預熱到初始溫度，例如100℃左右，然後在此溫度下保溫一段時間，例如約0.5小時至數小時。接著在一段時間如數小時之內將坯體加熱到最終固化溫度。這裡所用術語「最終固化溫度」指模塑製品在此溫度下保溫，以進行酚基樹脂組分的聚合反應，例如交聯反應，由此製成研磨製品。這裡所用「交聯」指在加熱條件下，並且通常在交聯劑如六亞甲基四胺存在下發生的各種化學反應，從而使酚基樹脂組分發生硬化。一般，模塑製品在固化周期中的最終固化溫度下保溫一段時間，例如10-36小時，或者直到模塑製品中心部分也達到交聯溫度並發生硬化。
所用最終固化溫度取決於樹脂組成。酚基樹脂的聚合反應一般發生約在110-225℃的溫度範圍內。甲階段酚醛樹脂一般約在140-225℃發生聚合，而線型清漆酚醛樹脂一般約在110-195℃發生聚合。最終固化溫度還取決於其他因素，如製品的尺寸和/或形狀，固化持續的時間，實際採用的催化劑體系，輪子級別，樹脂分子重量和化學性質，固化氣氛等。對於這裡介紹的幾個合適的酚基組分，最終固化溫度至少約150℃。
酚基樹脂組分的熱固化，即聚合反應在含溼氣氛中進行，即相對溼度(R.H.)超過指定溫度下的標準R.H.的氣氛。這裡所用相對溼度「R.H.％」指給定溫度下空氣、氮氣等氣體中的水蒸汽實際濃度與相同溫度下相同氣體中飽和水蒸汽的濃度之比。含溼氣氛與坯體接觸，即坯體表面沒有包裹在屏蔽材料如不透水膜中，而是暴露在含溼或含水蒸汽的氣氛中。除了水蒸汽之外，含溼氣氛還可包含空氣或其他合適的氣體，例如氮氣。含溼氣氛還可包含水滴、氨氣、二氧化碳氣體和其他組分。
熱固化宜在最終固化溫度能獲得的最大相對溼度(R.H.％)下進行。在實踐中，給定溫度下獲得的實際R.H.％往往稍小於理論R.H.％。例如，在150℃，大氣壓下的最大理論R.H.％為21.30％，而合適的溼度爐中輸出R.H.％約為18-20％，因此相對於最大理論R.H.％相差約5-15％。熱固化宜在最終固化溫度能獲得的最大相對溼度(R.H.％)下進行。在空氣中，一般宜為最大理論R.H.％的至少85-90％。
熱固化也能在含溼度低於指定溫度下能獲得的最大R.H.％的氣氛中進行。例如，研究發現，在熱固化溫度下，空氣中相對溼度比能獲得的最大R.H.％低40-50％能提高本發明方法製備的磨具在溼條件下的操作性能。
含溼氣氛可存在於酚基樹脂組分聚合的整個階段，由此形成研磨製品。含溼氣氛存在的時間也可以短一些。例如，如果酚基樹脂組分聚合併形成研磨製品的固化周期為23-36小時，則含溼氣氛可存在約5-16小時。含溼氣氛存在的時間可少至在最高固化溫度下固化樹脂組分所用時間的35％。
含溼氣氛也能在熱固化坯體之前就存在，例如在預熱期間和/或在從初始固化溫度加熱到酚基樹脂組分發生熱固化溫度期間。含溼氣氛宜存在於整個固化周期中，即從室溫到最終固化溫度，以及在整個最終固化溫度期間。此外，含溼氣氛還宜存在於研磨製品冷卻期間，例如在爐溫降低到約100℃的過程中。固化周期的不同階段可以採用不同水平的R.H.％。
酚基樹脂組分在含溼氣氛中的熱固化可在密封室中進行，在固化前將已知量的水加入室中。已知量的水還可包含溶解氣體，例如氨、二氧化碳和/或溶解金屬鹽，例如金屬滷化物、碳酸鹽、乙酸鹽、金屬氫氧化物、金屬配合物和其他化合物。它也可包含水性甲階酚醛樹脂、丙烯酸類和其他物質。
在密封室中產生含溼氣氛的其他技術包括例如使用在高溫下能釋放水氣的吸附劑，例如水合沸石、吸水分子篩材料、水合二氧化矽、水合氧化鋁和其他吸附劑。金屬鹽和含結合水的金屬配合物也可封入密封室中，在熱固化期間產生含溼氣氛。
酚基樹脂組分在含溼氣氛中的熱固化也可通過將蒸汽引入自備室中來進行。例如，固化爐或高壓釜可裝有導管，以注入直接蒸汽。這裡所用「直接蒸汽」指來自固化室外面的蒸汽源，例如蒸汽發生器的蒸汽。在一個實例中，固化室密封后，在不高的內壓下操作，例如從一個大氣壓到約小於2磅/平方英寸(psig)。固化室也可配有蒸汽循環裝置，以促使整個固化室溼度均勻。蒸汽的合適設備包括泵、風扇、冷凝器、折流板/管道和本領域已知其他設備。
例如，固化室可置於電爐中，使固化有可能在高溼環境中進行，而不會影響電爐性能，還能防止電路受損。例如，固化室可配有多孔板，以均勻分布蒸汽。固化室排氣管線上可以配有可調節擋板，以控制空氣在固化室中的迴旋。固化室還可配置空氣進口、熱電偶、溼度傳感器和可控蒸汽進氣閥。蒸汽室要足夠大，以固化整個有機輪，例如直徑達860mm的輪。
在一種實施方式中，可單獨採用直接蒸汽，或組合其他本領域已知技術來加熱坯體至最終固化溫度或低於最終固化溫度的溫度。在輪子周圍的空氣溫度達到至少80℃之後，才可以向坯體引入直接蒸汽，從而最大程度減少蒸汽在開始升溫階段在室壁上的冷凝。蒸汽離開排氣管線時的溫度約110℃，要離加外部熱量，將固化環境的溫度提高到最終的保溫溫度。
酚基樹脂組分在含溼氣氛中的熱固化也可在控溼爐中進行。控溼爐的合適例子見述於M.Grande的「處理加熱」，pp22-24(2000年4月)。霧氣和蒸汽注入法都可以採用，優選蒸汽注入控溼爐。合適的商業控溼爐可購於Despatch工業公司，Minneapolis，MN。商業控溼爐一般配有操作爐溫下能獲得的最大R.H.％分布。
由於坯體與氣氛接觸或者說暴露在氣氛中，即其表面沒有包封在不透水膜中，固化氣氛中的水能在坯體內外流動，加熱和保溫期間所發生反應的產物能夠排出；與用包封法製備的製品中的量相比，殘留在成品中的反應產物如氨氣的量減少了。測定研磨製品中氨含量的一種方法是EPA方法351.3所描述的是克氏定氮法(Total Kjeldahl Nitrogen)(TKN)。
在一種實施方式中，用本發明方法製備的研磨製品，例如磨輪的強度保持率超過57％。在另一個實施方式中，本發明方法製備的製品中氨含量低於50ppm。
在一個優選實施方式中，可用本發明方法製備具有開孔結構的磨輪。一般地，這種輪子的開孔率宜約為20-40vol.％，任選約為2-60vol％。
雖然不想局限於對本發明化學機理的任何特定解釋，我們認為水分子破壞了某些有機矽化合物官能團對顆粒表面的連接，而一部分有機矽化合物鍵合在研磨顆粒表面上。例如，對於含氨基的矽烷，水的存在使矽烷氨基端部自由。在固化期間，氨基(-NH2)與酚基樹脂中的羥基(-OH)反應，使研磨顆粒與有機粘結劑之間形成強界面。
此外，在固化期間加水也可能會影響甲階酚醛樹脂交聯的平衡反應。認為，水的存在會在一定程度上抑制交聯反應，從而形成額外的自由烷基羥基(例如-CH2OH)，它能與氨基矽烷，如氨基丙基矽烷反應。對於線型清漆酚醛樹脂，認為水能催化六亞甲基四胺水解。這是六亞甲基四胺與線型清漆酚醛樹脂發生交聯反應必需的過程，結果使交聯密度增加。認為，交聯密度增加後，線型清漆酚醛樹脂就不那麼容易受到水的侵蝕。
此外，認為用本發明方法製備的輪子中氨含量大為降低，而這又增加了輪子的壽命，並延長了冷卻溶液使用期限。氨是線型清漆酚醛樹脂固化反應的副產物，在樹脂固化過程中產生。氨的存在不利於溼研磨，因為它提高了冷卻溶液的pH，從而加速了樹脂/研磨劑界面的水解，促使磨輪破壞，結果降低了輪子的壽命。固化磨輪的傳統方法是在封閉環境，例如將輪子包在膜中進行的，這使氨在輪子固化時殘留其中。而在本發明介紹的方法中，固化在開放環境中進行，即坯體暴露在固化氣氛中，因此在輪子硬化過程中，氨氣能夠通過從輪子中蒸發出來。
通過以下實施例對本發明作進一步描述，但這些實施例不對本發明構成限制。
實施例1用從Saint-Gobain陶瓷與塑料公司(Worcester，MA)購買的「38A」研磨顆粒製備11個對照樣品。該研磨顆粒是白色易碎剛鋁石，已知用於溼研磨時強度保持率很差。氨基丙基三乙氧基矽烷購自Witco公司(Greenwich CT)，液態酚醛樹脂(LPR)購自Oxychem-Durez(Buffalo，NY)，兩種幹酚醛樹脂粘結劑A和B購自Oxychem-Durez(Buffalo，NY)，，它們含9％六亞甲基四胺。兩種樹脂均用TDA(20cm3/lb)溼潤幹樹脂，以控制粉塵。粘結劑A和B均具有中等流動性和中等分子量。
分別使用粘結劑A和B的樣品#1A和#1B具有以下組成和性質含粘結劑A的樣品#1A
*Oxychem-Durez 29-717，橡膠改性酚醛樹脂(18％丁腈橡膠)，含7.5％六亞甲基四胺(HEXA)。
含粘結劑B的樣品#1A
*Oxychem-Durez 29-346，未改性酚醛樹脂，含9％六亞甲基四胺(HEXA)。
將混合物模塑成棒狀或測試輪。實驗棒的尺寸為4.0」(101.60mm)×1.0」(25.40mm)×0.5」(12.70mm)，實驗輪尺寸為5.125」(130.175mm)×1.0」(25.40mm)×0.4」(10.16mm)。取74.8g混合物模塑測試條。
為模擬包封，如Rowse等的美國專利3323885所述，在模塑完成之後和加熱之前將製品樣置於容器中，然後用紙帶密封容器。在熱固化酚基樹脂組分之前，不向容器中加水。
在爐子中固化對照樣坯時，有控制地使溫度從室溫增加到160℃，然後在160℃保持10小時。
撓曲強度測試(ASTM D790-91)用三點彎曲試驗進行，跨距2」，十字頭速度0.1」/分鐘。測定了每個樣品的幹強度和溼強度，每個樣品總共收集6-8個數據值點。表1所示數據是平均撓曲強度(δ)和對應的標準偏差s.d.。每個樣品的結果和11個樣品的平均結果都列在表1中。
表1對照樣品的幹撓曲強度和溼撓曲強度
實施例2將按照實施例1所述方法製備的測試條坯置於密封容器中，容器中分別存在10、25和75立方釐米(cm3或cc)水。在小金屬盤中加水，然後把它放在容器底部。將測試條放在水盤上方的固體陶瓷片上。在固化期間，蒸汽很容易充滿整個容器。調整固化期間容器中的水量，由此評定固化期間水的濃度(蒸汽分壓)對溼撓曲強度的影響。根據測試條所得結果，用足夠量的水使溼撓曲強度達到最大。除了溼氣在整個固化階段都存在外，其他固化條件與實施例1相同。
下表2所示為根據本發明方法製備的樣品在不同水蒸汽濃度下的幹撓曲強度和溼撓曲強度，以及強度保持百分率。同時給出了表1中樣品#2、3、6和11的比較數據，它們是在不加水的條件下固化的。
表2水的濃度(水蒸汽分壓)對溼撓曲強度的影響
實施例3還研究了溼度影響，方法是在固化過程中在1大氣壓下向爐中引入蒸汽。
製備這些樣品的配方見實施例1，其中樣品#1A用橡膠改性的酚醛樹脂，樣品#1B用未改性的酚醛樹脂。
將具有實施例1所述組成的生測試條坯置於網篩上，懸浮在10加侖未加壓反應釜底部的水上面。將裝有試測試條和約1.5加侖水並蓋住的通氣釜置於爐子中，以進行固化。溼度在整個周期中都存在。溫度和持續時間如實施例1所述，不同的是固化之後，盤中殘留有水，這表明在整個固化期間氣氛中的水都是飽和的，包括在最後固化溫度的保溫階段(在整個固化周期中，水沒有耗盡)。
結果示於表3，並與表1所示樣品1-11的平均值進行了比較。
表3氣氛溼氣(蒸汽)對溼撓曲強度的影響1大氣壓(未加壓反應釜)
實施例4用6-3/16」×3-3/8」測試塊研究了在固化過程中的％RH和溫度控制。按照實施例1所述方法製備測試塊坯，採用實施例1所述橡膠改性幹樹脂(粘結劑A)。
按照實施例1所述方法製備對照樣品。在1大氣壓下在溼氣存在下，在Despatch工業公司(Minneapolis，MN)製造的Despatch 519型環境室中固化17個樣坯。
應當指出，在高溫條件下，R.H.值隨著高於100℃的溫度呈指數下降。因此，在整個固化周期中，用設定值的％RH值在100℃以上的溫度下是達不到的。例如，即使採用90％設定值，160℃的相對溼度從90％下降到15％。在高於純水沸點(100℃)的溫度下，隨著溫度的變化，能獲得的最大R.H.示於表4A。這些值是理論值，是根據整個溫度範圍的水蒸汽壓計算的。
水蒸汽表見CRC化學和物理手冊，Vol.76，pp.6-15，CRC出版社，Boca Raton，FL。下表4A中前3列表示這種關係。表4A第4列(RH％)是根據如下關係計算的RH＝(p/p0)×100％或RH＝1/p0×100％其中p是體系壓力(假定為1atm)，p0是指定溫度下的水蒸汽壓(此值見表中第3列)。
爐中溼度隨溫度變化。爐子在指定溫度下能達到的最大R.H.見爐溫/溼度表。
表4A最大理論相對溼度隨溫度的變化(根據某溫度T下水蒸汽壓計算)
進行實驗時，要麼改變相對溼度並在整個固化周期中保持溼度不變，要麼改變固化期間樣品暴露在最大溼度中的時間。在整個固化周期內，樣品暴露在溼度中的時間為5-15小時。在實驗中，得到體系在規定持續時間達到90％R.H.最大溼度的設定。實驗數據列於表4B和4C。
表4B在恆定相對溼度(指定溫度下能達到的最大溼度*)下，在烘烤周期中溼度控制的持續時間對溼撓曲強度的影響
*溼度隨溫度變化。這些爐子在指定溫度下能達到的最大相對溼度見爐溫/溼度表。
表4C在整個烘烤焙燒周期中用溼度控制獲得的相對百分溼度(指定溫度下能達到的最大溼度*)對溼撓曲強度的影響
*溼度隨溫度變化。這些爐子在指定溫度下能達到的最大相對溼度見爐溫/溼度表。
結果表明，相對溼度和暴露在溼度中的持續時間增加時，性能也提高。最佳條件是在爐中在指定溫度下處於能達到的最大溼度下長達固化周期的持續時間。在最佳條件下固化的樣品的溼撓曲強度測定值比對照樣品的溼撓曲強度高2倍。
實施例5將標準輪模塑成5.125」(130.175mm)×0.40」(10.16mm)×1.0」(25.4mm)，最終尺寸為5.0」(127.00mm)×0.200」(5.08mm)×1.25(31.75mm)。所述輪子根據實施例1所述方法，用顆粒、矽烷、甲階酚醛樹脂和幹粘結劑A製備。進行測試的兩個樣品#3A和#4A具有下表所示組成和性質
含粘結劑A的樣品#3A
含粘結劑A的樣品#4A
輪子通過有控制地將溫度從室溫升高到160℃長達10小時來固化。
標準輪子堆在各陶瓷片上，並密封在容器(罐)中，不加水，然後在幹條件下固化。這些輪子是對照輪子。
模塑後將輪坯放在各陶瓷片上，並放在含0.25L水的密封容器中，用溼氣固化(通蒸汽)，評定在高相對溼度下熱固化對輪子的影響。
在固化之前，將輪子浸泡在水中(約10wt％水/輪子重量)，使輪子中的水初始達到飽和，然後將輪子放在爐子中的開放陶瓷片上，以評定僅早期固化階段高溼度的影響。不另行加水，熱固化就在無溼條件下進行。
在以下機械裝置條件下進行表面研磨實驗，其中F.P.M.表示英尺/分鐘。
測試製造的輪子和在冷卻劑中浸泡兩天後的輪子，浸泡是為了模擬在研磨過程中長期接觸冷卻劑的情況，以評定測試輪的耐水性。溼氣固化標準輪和初始用水飽和的輪子的實驗結果列於表5A(MMR表示材料的磨削速率)。標準輪和溼固化輪的Hioki功率數據列於表5B。表面研磨數據顯示，用本發明方法製備的測試輪的G-比保持率增加，最高到90％。此外，這些輪子在研磨過程的早期就達到穩態研磨條件。
表5A與水基冷卻劑接觸之前和之後(在冷卻劑中浸泡2天)的G-比保持百分率，採用白色熔凝剛鋁石研磨劑
表5B粘結劑A-型輪在表面研磨測試中的Hioki功率(kWh)
實施例6研究了有機粘合研磨產品中的優質加晶種凝膠(SG)氧化鋁研磨劑在表面狹縫研磨中的應用。以30/70的重量比混合優質(燒結)加晶種溶膠氧化鋁顆粒和38A剛鋁石顆粒(二者均購自Saint-Gobain陶瓷與塑料公司)，由此混合物形成標準輪。用常規技術固化的輪子，與用實施例2所述溼度控制的烘烤周期固化的輪子進行了評價。
樣品如下所述製備含粘結劑A的樣品#5A
含粘結劑A的樣品#6A
模塑輪尺寸為5.125」(130.175mm)×0.373」(9.47mm)×1.0」(25.4mm)，經拋光後尺寸為5.0」(127.00mm)×0.25」(6.358mm)×1.25″(31.75mm)，用於測試。
測試製造的輪子和在冷卻劑中浸泡兩天後的輪子，浸泡是為了模擬冷卻劑(Master Chemical Trim SC210，半合成，5％(在水中))降解對粘合研磨產品的長期影響。
在以下機械裝置條件下進行表面研磨實驗。
此測試的結果列於表6A和6B。這些結果表明，在溼度引起的熱固化條件下處理的輪子在表面研磨中的性能比標準產品好50％以上。在軟硬級別的各種研磨條件下，與冷卻劑接觸後的G-比保持率接近或超過90％。功率數據表明，標準輪和在含溼氣氛中熱固化的輪子在相同功率範圍內操作。
表6A與水基冷卻劑接觸之前和之後(在冷卻劑中浸泡2天)的G-比保持百分率，採用加晶種溶膠(SG)氧化鋁研磨顆粒
表6B粘結劑A-型輪在表面研磨測試中的Hioki功率(kWh)
實施例7製備了一系列5.0」(127.00mm)×2」(50.8mm)×1.5″(38.1mm)杯形輪子，用於垂直主軸研磨機上的大接觸面研磨。
此測試所用粘合體系如下所示粘結劑C
製備三個不同級別(H，J，L)的輪子樣品，它們均含此幹粘結劑，它們的情況如下所述。
含粘結劑C的樣品#1C
含粘結劑C的樣品#2C
含粘結劑C的樣品#3C
輪子用實施例1所述標準(傳統)固化周期固化，或者用實施例2所述溼度控制的固化周期固化。
測試製造的輪子和在冷卻劑中浸泡5天後的輪子，浸泡是為了模擬冷卻劑降解對粘合研磨產品的長期影響，採用以下機械裝置條件進行大面積接觸研磨，其中R.P.M.表示每分鐘轉速，S.F.P.M.表示平方英尺/分鐘。
結果列於表7A和7B。
表7A與水基冷卻劑接觸之前和之後(在冷卻劑中浸泡5天)的大面積接觸研磨的G-比保持百分率。
表7B粘結劑C-型測試輪在大面積接研磨測試中的平均功率(kW)
表7A和7B中的結果清楚表明，在高溼度條件下(95℃下的90％-160℃下的15％)固化的粘合研磨產品在盤式研磨應用中對冷卻劑造成的降解具有很強的抵抗性。上述數據顯示，用本發明方法處理的酚基粘合研磨產品可以獲得100的G-比保持率。根據G-比保持率值，預言來自這些產品的磨輪壽命增加40％。
實施例8對用本發明製備的輪子進行爆裂測試。所用樣品如下含粘結劑A的樣品#7A
含粘結劑C的樣品#4C
用溼爆裂強度標準判定輪子的步驟分別如實施例7和實施例1所述用粘結劑C和粘結劑A製備爆裂測試輪子(12」(304.79mm)×1」(25.4mm)×4」(101.60mm))。採用軟級別和粗粒樣品測試溼爆裂強度。這些測試在粘結劑C和粘結劑A中均採用38A研磨劑，已知該研磨劑溼撓曲強度差。用於表面研磨應用的測試樣品是粘結劑A、樣品#7A，用於盤研磨應用的是粘結劑C、樣品#4C。按照前述方法通過傳統包封製備標準產品。最小判定速度和溼爆裂數據列於表8。
進行表面研磨時，實驗產品相對於標準產品溼爆裂速度增加了35％。與標準輪子相比，在含溼氣氛中熱固化的輪子在盤式研磨中的溼爆裂速度增加9％。
表8表面研磨和盤式研磨樣品的溼爆裂數據和最小判定速度。
1隻進行溼爆裂測試。判定速度＝(操作速度×1.5)/0.85實施例9根據實施例5所述步驟製備標準樣品和在含溼氣氛中熱固化的樣品(粘結劑A，樣品#3A和4A)。將所得樣品放在加壓提取器(高壓釜)中，用水提取樣品中的氨。從爐子中取出高壓釜，在打開反應器之前驟冷。用總克氏定氮法(TotalKjeldahl Nitrogen)(TKN)中的EPA方法351.3分析所得水提取液中的氨濃度。結果示於表9。
表9用標準過程固化和用溼固化的樣品的氨分析結果
氨濃度單位為mg/L(ppm)，它表示指定體積的水(1000cm3)中，從1000g輪片提取的氨的量。
雖然本發明已經參照其優選實施方式得到了具體闡述，但本領域技術人員會理解，只要不背離所附權利要求書包括的本發明範圍，可以對本發明的形式和細節作出各種變化。
權利要求
1.一種製備有機粘合研磨製品的方法，它包含如下步驟a)混合研磨顆粒組分與酚基樹脂組分；b)對混合組分進行模塑；c)使酚基樹脂組分在包含溼度的氣氛中進行熱固化，其中所述氣氛與模塑組件接觸，由此形成有機粘合研磨製品。
2.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述研磨顆粒組分是氧化鋁顆粒。
3.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述酚基樹脂組分包括液態形式的酚基樹脂。
4.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述酚基樹脂組分包括甲階酚醛樹脂。
5.權利要求4所述的方法，其特徵在於所述甲階酚醛樹脂溶解於水中。
6.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述酚基樹脂組分包括線型清漆酚醛樹脂。
7.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法包括混合研磨顆粒組分、酚基樹脂組分和有機矽組分。
8.權利要求7所述的方法，其特徵在於所述研磨顆粒組分與所述有機矽組分混合形成經有機矽處理的研磨顆粒，然後再與所述酚基樹脂組分混合。
9.權利要求8所述的方法，其特徵在於所述經有機矽處理的研磨顆粒先與液態酚基樹脂組分混合，然後與粉狀酚基樹脂混合。
10.權利要求7所述的方法，其特徵在於所述有機矽組分與所述酚基樹脂組分混合，然後與所述研磨顆粒混合。
11.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述熱固化在至少約150℃的最終固化溫度下進行。
12.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述氣氛還包括空氣。
13.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述氣氛還包括氨氣。
14.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述熱固化在蒸汽存在下進行。
15.權利要求14所述的方法，其特徵在於所述熱固化在直接蒸汽存在下進行。
16.權利要求15所述的方法，其特徵在於所述熱固化在室中進行，蒸汽在該室中循環。
17.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述氣氛至少存在5小時。
18.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述氣氛在酚基樹脂組分熱固化之前與混合組分接觸。
19.權利要求1所述的方法，其特徵在於所述熱固化在壓力保持在超過大氣壓的室中進行。
20.一種通過包含下述步驟的方法製備的研磨製品a)混合研磨顆粒組分與酚基樹脂組分；b)對混合組分進行模塑，形成坯體；c)使酚基樹脂組分在包含溼度的氣氛中進行熱固化，其中所述氣氛與坯體接觸，由此形成有機粘合研磨製品。
21.權利要求20所述的研磨製品，其特徵在於所述方法包括混合研磨顆粒組分、酚基樹脂組分和有機矽組分。
22.權利要求21所述的研磨製品，其特徵在於有機矽組分與研磨顆粒組分混合形成經有機矽處理的研磨顆粒，然後再與酚基樹脂組分混合。
23.一種通過包含下述步驟的方法製備的研磨製品a)混合研磨顆粒組分與酚基樹脂組分；b)對混合組分進行模塑，形成坯體；c)使酚基樹脂組分在包含溼度的氣氛中進行熱固化，其中所述氣氛與坯體接觸，由此形成有機粘合研磨製品，所述研磨製品的氨含量約低於50ppm。
24.權利要求23所述的研磨製品，它還包括研磨顆粒組分和有機矽組分混合的步驟。
25.權利要求24所述的研磨製品，其特徵在於研磨顆粒組分與有機矽組分混合，然後再與酚基樹脂組分混合。
26.權利要求23所述的研磨製品，它還包含用克氏氮氣分析法測定輪子中氨含量的步驟。
27.一種通過包含下述步驟的方法製備的研磨輪a)混合研磨顆粒組分與酚基樹脂組分；b)對混合組分進行模塑，形成坯體；c)使酚基樹脂組分在包含溼度的氣氛中進行熱固化，其中所述氣氛與坯體接觸，由此形成有機粘合研磨製品，用這種方法輪子的強度保持率約大於57％。
28.權利要求27所述的研磨製品，其特徵在於所述方法包括混合研磨顆粒組分、酚基樹脂組分和有機矽組分。
29.權利要求28所述的研磨製品，其特徵在於所述有機矽組分與研磨顆粒組分混合形成經有機矽處理的研磨顆粒，然後再與酚基樹脂組分混合。
全文摘要
一種製備有機粘合研磨製品的方法，它包括研磨顆粒組分與酚基樹脂組分混合。對混合組分進行模塑，然後在含溼氣氛中進行熱固化，其中所述氣氛與模塑組件接觸，由此形成有機粘合研磨顆粒。研磨顆粒任選先與有機矽化合物混合，形成經有機矽處理的研磨顆粒，然後與酚基樹脂組分混合。在一個實例中，酚基樹脂在蒸汽存在下熱固化。用本發明方法製備的研磨製品在溼研磨條件下的性能通常能得到提高。在一個實例中，用本發明方法製備的研磨製品的氨含量少於約50ppm。在另一個實例中，用本發明方法製備的研磨輪的強度保持率大於約57％。
文檔編號C09C1/40GK1617787SQ02827540
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月18日 優先權日2002年1月30日
發明者M·W·西蒙 申請人:聖戈本磨料股份有限公司