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Erfindungsgebiet
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Diese
Erfindung betrifft Verbundschleifteilchen, die auch als Agglomerate
bekannt sind, und ihre Anwendungen. Insbesondere offenbart die Erfindung
Schleifagglomerate, die Schleifteilchen und eine kristalline Matrix
umfassen, Schleifkörper,
welche die Agglomerate umfassen, Verfahren zur Herstellung derartiger Schleifagglomerate
und Körper
und Verfahren zur Anwendung derartiger Schleifkörper. In
EP-A-6015 wird ein Körper und
ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 offenbart.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Schleifkörper, die
Schleifteilchen umfassen, werden verwendet, um in einer großen Vielfalt
von Anwendungen die Oberfläche
einer großen
Vielfalt von Materialien, die gewöhnlich als Werkstücke bezeichnet werden,
abzuschleifen und/oder zu verändern.
Diese Anwendungen reichen vom Hochdruck-Starkabschleifen metallischer
Schmiedeteile bis zum Polieren von Brillengläsern. Es gibt eine Vielfalt
von Schleifteilchen (z.B. Diamantteilchen, kubische Bornitridteilchen,
Schmelzschleifteilchen (einschließlich des Schmelzkorunds, des wärmebehandelten
Schmelzkorunds, des Schmelzkorund-Zirkons und dergleichen) und gesinterte
keramische Schleifteilchen (einschließlich der Schleifteilchen aus
dem Sol-Gel-Verfahren), die vom Stand der Technik her bekannt sind.
In einigen Schleifverfahren werden die Schleifteilchen in einer
losen Form verwendet (eine Aufschlämmung), während in anderen die Teilchen
in die Schleiferzeugnisse eingebettet sind (einschließlich der
gebundenen Schleifmittel, der beschichteten Schleifmittel und der
Faservliesschleifmittel). Die gebundenen Schleifmittel enthalten üblicherweise
mehrere Schleifteilchen, die miteinander verbunden sind, so dass
sie eine geformte Masse bilden. Die beschichteten Schleifmittel
enthalten üblicherweise
mehrere Schleifteilchen, die an eine Unterlage gebunden sind. Die
Faservliesschleifmittel enthalten üblicherweise mehrere Schleifteilchen,
die auf und in einem voluminösen,
porösen
Faservliessubstrat gebunden sind. Die typischen Bindungsmaterialien
für die
gebundenen Schleifmittel sind organische Bindemittel, glasartige
Bindemittel und metallische Bindemittel, während es für die beschichteten und die
Faservliesschleifmittel üblicherweise
organische Bindemittel sind. Die Kriterien, die bei der Auswahl
der Schleifteilchen zum Einsatz bei einer speziellen Schleifanwendung
herangezogen werden, umfassen üblicherweise:
Schleifbetriebsdauer, Abtragerate, Oberflächengüte des Substrats, Leistungsfähigkeit
des Schleifens und Herstellungskosten.
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Schleifteilchen
weisen eine breite Palette von Eigenschaften auf, die zu ihrer Anwendung
in der Schleifmittelindustrie beitragen. Die Auswahl eines speziellen
Schleifteilchentyps hängt
im Allgemeinen von den physikalischen Eigenschaften der Teilchen,
dem abzuschleifenden Werkstück,
dem resultierenden Soll-Oberflächenzustand,
den Funktionseigenschaften der Schleifteilchen und den wirtschaftlichen
Erwägungen
bei der Auswahl eines speziellen Schleifteilchens für eine spezielle
Anwendung ab.
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Aluminiumoxid
oder Tonerde gehört
zu den am weitesten verbreiteten Schleifteilchen, die bei der Herstellung
von beschichteten Schleifmitteln, z.B. Sandpapier, verwendet werden.
Aluminiumoxid wird für
viele Anwendungen, wie z.B. Lackschmirgeln, Schleifen von Metall
und Kunststoffpolieren, eingesetzt. Von Siliziumkarbid, das ebenfalls
ein weit verbreitetes Schleifmittel ist, ist allgemein bekannt,
dass es ein schärferes
Mineral als Aluminiumoxid ist, und es wird hauptsächlich bei
der Holzbearbeitung, der Lackierung und bei Glasschleifanwendungen
eingesetzt. Diamant und kubisches Bornitrid, die gewöhnlich als "Superschleifmittel" bezeichnet werden,
werden eingesetzt, um sehr harte Werkstücke, wie z.B. gehärteten Stahl,
Keramik, Gusseisen, Siliziumwafer und Stein, zu schleifen. Diamant
wird üblicherweise
für Nichteisenmaterialien
eingesetzt, während
das kubische Bornitrid üblicherweise
für Eisenmaterialien,
wie gehärteten
Stahl, verwendet wird. Superschleifmittel, wie z.B. Diamant und
kubisches Bornitrid, können
jedoch bis zu 1000 mal mehr kosten als die herkömmlichen Schleifteilchen, d.h.
Aluminiumoxid und Siliziumkarbid. Deshalb ist es erwünscht, die
Superschleifmittel in ihrem vollen Umfang auszunutzen.
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Agglomerate
sind Verbundteilchen aus mehreren Schleifteilchen, die aneinander
durch eine Bindemittelmatrix gebunden sind. Während des Einsatzes kommt es
normalerweise zu einer Erosion oder Auflösung der Agglomerate, wobei
verbrauchte einzelne Schleifteilchen abgestoßen werden, um neue Schleifteilchen freizulegen.
Agglomerate können
in Schleifkörpern,
wie z.B. in beschichteten Schleifmitteln, Faservliesschleifmitteln
und Schleifscheiben, eingesetzt werden und ermöglichen eine lange Nutzungsdauer
des Schleifkörpers und
einen effizienten Einsatz der Schleifteilchen.
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Agglomerate
wurden entwickelt, um im Zeitverlauf ungleichmäßigen Abtrageraten zu begegnen
(siehe z.B. die
US-Patentschriften
Nr. 3,928,949 (Wagner),
4,132,533 (Lohmer),
4,311,489 (Kressner),
4,393,021 (Eisenberg),
4,562,275 (Bloecher u.a.),
4,799,939 (Bloecher u.a.),
5,318,604 (Gorsuch),
5,550,723 (Holmes u.a.) und
5,975,988 (Christiansen).
In dem Fall von beschichteten Schleifmitteln werden diese Agglomerate
an die Unterlage gebunden, um einen Schleifkörper auszubilden.
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In
der
US-Patentschrift Nr. 4,311,489 von
Kressner wird ein beschichteter Schleifkörper offenbart, der Schleifteilchen
aufweist, die durch Träger-
und Leimbeschichtungen an einer flexiblen Unterlage befestigt sind, wobei
jedes Schleifteilchen im Wesentlichen aus einem Agglomerat feiner
Schleifkörner mit
einem mittleren Durchmesser von weniger als circa 200 Mikrometern
und einer anorganischen, spröden
Matrix besteht.
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In
der
US-Patentschrift Nr. 3,916,584 von
Howard u.a. werden Verbundschleifkörnchen offenbart, in denen
feine, harte Schleifkörner überall in
einer vergleichsweise weicheren Metalloxidmatrix verteilt sind.
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In
der
US-Patentschrift Nr. 4,918,874 von
Tiefenbach wird ein Verfahren zum Herstellen von Schleifkörpern offenbart,
die eine verbesserte Homogenität
und verbesserte Zerlegungseigenschaften aufweisen.
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In
der
US-Patentschrift Nr. 5,975,988 von
Christianson wird ein beschichtetes Schleifmittel offenbart, das
eine Unterlage und eine auf der ersten Hauptfläche der Unterlage aufgezogene
Schleifschicht aufweist, wobei ein Querschnitt der Schleifschicht
senkrecht zur Dicke und an einem mittleren Punkt der Dicke eine
Gesamtquerschnittsfläche
der Schleifagglomerate aufweist, welche im Wesentlichen die gleiche
ist wie die an einem Punkt längs
der Dicke, der bei 75 % eines Abstandes liegt, die gleiche wie die
an einem Punkt an der Kontaktseite; ein beschichteter Schleifkörper, der
ein Bindungssystem mit einer Knoop-Härtezahl
von mindestens 70 aufweist.
EP-A-0601594 offenbart
einen Vorgang zum Herstellen kristalliner Mikroblasen, der das Zerstäuben einer
Lösung
oder Dispersion mit einem anorganischen Material oder seiner Vorstufe,
die in einem flüssigen
Medium gelöst
oder dispergiert ist, einschließt,
um Tröpfchen
der Lösung
oder Dispersion auszubilden, die Tröpfchen einer Hochtemperaturatmosphäre zuzuführen, so
dass das flüssige
Medium schnell verdampft und das anorganische Material oder seine
Vorstufe sintert oder verschmilzt, um kristalline Mikrobläschen des
anorganischen Materials auszubilden, und zum Rückgewinnen der dadurch gebildeten
Mikrobläschen.
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Gewünscht ist
ein Agglomerat und ein Verfahren zur Herstellung des Agglomerats,
das bei allen Schleifanwendungen ein gutes Schleifleistungsverhalten
(z.B. lange Betriebsdauer, hohe Abtrageraten, gleichmäßige Abtrageraten,
gleichmäßige Oberflächengüte und dergleichen)
ermöglicht.
Für die
Agglomerate ist erwünscht,
dass sie im Verlauf der Agglomeratbetriebsdauer der Arbeitsfläche frische
Schleifteilchen zuliefern. Zusätzlich
ist es erwünscht,
die Agglomerate auf einem solchen Wege herzustellen, dass die Porosität des Agglomerats
gesteuert wird.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Agglomerat nach Anspruch 4.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart darüber hinaus nach Anspruch 1
ein Verfahren zur Herstellung des Agglomerats.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart darüber hinaus nach Anspruch 7
ein Verfahren zum Einsatz der Agglomerate gemäß vorliegender Erfindung.
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In
dieser Anmeldung:
bedeutet "Agglomerat" ohne Einschränkung Verbundschleifagglomerate
aus gebrannten Rohwaren-Agglomeraten.
Die Agglomerate enthalten Schleifteilchen in einer Matrix, wie hier
beschrieben wird;
bedeutet "normierte
Raumdichte" die
Raumdichtemessung geteilt durch die theoretische Dichte. Die theoretische
Dichte wird durch Aufsummieren des Volumenanteils der Dichten einer
jeden Komponente berechnet. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Probenentnahme
ist in der Lage, eine Probe zu nehmen, ohne das Ergebnis zu beeinflussen.
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Agglomerate
gemäß vorliegender
Erfindung können
in verschiedenartige Schleifkörper
eingebettet werden, wie z.B. in beschichtete Schleifmittel, gebundene
Schleifmittel (einschließlich
verglaster und kunstharzgebundener Schleifscheiben) und in dreidimensional
fixierte Schleifmittel. Die Schleifkörper enthalten normalerweise
Agglomerate gemäß vorliegender
Erfindung und Bindemittel.
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Normalerweise
sind die Agglomerate gemäß vorliegender
Erfindung hinreichend porös,
um es vorteilhaft zu ermöglichen,
dass ein Bindemittel in sie eindringt. Die Porosität hilft
auch bei der Beseitigung von Abrieb, was zur Leistungsfähigkeit
eines Schleifkörpers
beiträgt. "Abrieb" bedeutet das von
einem Werkstück
abgeschliffene Material. Diese Fähigkeit
ist besonders vorteilhaft für
beschichtete, gebundene und dreidimensional fixierte Schleifkörper. Darüber hinaus
können
die Schleifagglomerate gemäß vorliegender
Erfindung eine lange Schleifbetriebsdauer und eine relativ gleichmäßige Abtragerate
aufweisen. In einer anderen Ausbildung können die Ausführungsformen
des Agglomerats gemäß vorliegender
Erfindung so hergestellt werden, dass sie einen gewünschten
Grad an Porosität
und/oder Bindungsstärke
zwischen den Schleifteilchen aufweisen, um eine Vorzugsabnutzung
des Agglomerats bereitzustellen. Die gewünschte Porosität des Matrixmaterials maximiert
die Erosionsfähigkeit
der Schleifteilchen, wenn sie einmal stumpf geworden sind, wobei
jedoch noch genug Matrixmaterial vorliegt, um die Schleifteilchen
als ein Agglomerat zusammenzuhalten. Eine derartige Vorzugsabnutzung
des Agglomerats kann insbesondere für gebundene Schleifkörper erwünscht sein.
Schleifkörper,
die aus dem erfindungsgemäßen Agglomerat
hergestellt sind, könne
sowohl in Nass- als auch in Trockenverfahren verwendet werden. In
Nassschleifverfahren trägt
die Porosität
der Schleifagglomerate zusätzlich
zu einem Transport von Schmier- und Kühlmittel zur Grenzschicht von
Schleif- und Arbeitsfläche bei.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Agglomerate
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Details
hinsichtlich der Schleifagglomerate können zum Beispiel in den
US-Patentschriften Nr. 4,311,489 (Kressner),
4,652,275 (Bloecher u.a.),
4,799,939 (Bloecher u.a.),
5,549,962 (Holmes u.a.)
und
5,975,988 (Christianson)
gefunden werden.
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Das
Agglomerat der vorliegenden Erfindung umfasst eine kristalline Matrix.
Die kristalline Matrix liegt in einem kristallinen, nicht verglasten
Zustand vor. Der kristalline Zustand kann polykristallin sein. Im
Allgemeinen ist die kristalline Matrix zu mindestens circa 80 %
kristallin. In speziellen Ausführungsformen
ist die kristalline Matrix zu 100 % kristallin. Die kristalline
Matrix kann aus einem beliebigen Metalloxid ausgebildet sein. Zum
Beispiel kann die kristalline Matrix aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid,
Zinkoxid, Titanoxid und deren Kombinationen ausgebildet sein. In
bestimmten Ausführungsformen
ist die kristalline Matrix kristallines Siliziumoxid.
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Das
erfindungsgemäße Agglomerat
kann auch Schleifteilchen umfassen, die in der kristallinen Matrix dispergiert
sind. In bestimmten Ausführungsformen
sind die Schleifteilchen über
die kristalline Matrix hinweg gleichmäßig verteilt. Die Schleifteilchen
können
aus beliebigen Schleifteilchen ausgewählt sein. Zum Beispiel kann
das Schleifteilchen Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Borkarbid, Ceroxid,
Zirkonoxid ebenso wie auch andere Schleifteilchen und Kombinationen
daraus enthalten. Die Schleifteilchen umfassen in speziellen Ausführungsformen
Schleifteilchen mit einer Mohs-Härte
größer als
5. In ausgewählten
Ausführungsformen
sind die Schleifteilchen harte Schleifteilchen, die als Superschleifmittel
bekannt sind. Zum Beispiel kann das Schleifteilchen Diamant oder
ein kubisches Bornitrid sein. In speziellen Ausführungsformen ist das Schleifteilchen
Diamant. Bestimmte Schleifteilchen weisen eine mittlere Größe auf,
die nicht größer als
circa 15 Mikrometer ist. Spezielle Schleifteilchen weisen eine mittlere
Größe auf,
die nicht größer als
circa 10 Mikrometer ist, zum Beispiel nicht größer als circa 7 Mikrometer.
In Abhängigkeit
von der vorgesehenen Anwendung können
die Schleifteilchen einen mittleren Durchmesser aufweisen, der nicht
größer als
1 Mikrometer ist. Wird mehr als ein Schleifteilchen verwendet, dann
können
die einzelnen Schleifteilchen die gleiche mittlere Teilchengröße aufweisen,
oder sie können
unterschiedliche mittlere Teilchengrößen haben.
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In
einigen Ausführungsformen
ist die kristalline Matrix ausreichend schleiffähig, um die Schleifanforderungen
für einen
speziellen Einsatz zu erfüllen.
Im Allgemeinen nimmt die kristalline Matrix circa 40 % bis zu circa
100 % des Feststoffvolumens im Agglomerat ein (ohne das Porenvolumen).
In bestimmten Ausführungsformen
nimmt die kristalline Matrix circa 50 % bis zu circa 80 % des Feststoffvolumens,
zum Beispiel circa 55 % bis zu circa 70 % des Feststoffvolumens
ein. In anderen Beispielen nimmt die kristalline Matrix circa 80 %
bis zu circa 100 % des Feststoffvolumens ein. Die Schleifteilchen
nehmen circa 0 % bis zu circa 60 % des Feststoffvolumens des Agglomerats
ein. In bestimmten Ausführungsformen
nehmen die Schleifteilchen circa 20 % bis zu circa 50 % des Feststoffvolumens,
zum Beispiel circa 30 % bis zu circa 45 % des Feststoffvolumens
ein.
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Die
Agglomerate der vorliegenden Erfindung weisen eine normierte Raumdichte
von weniger als circa 0,38 auf. In bestimmten Ausführungsformen
liegt die normierte Raumdichte zwischen circa 0,19 und circa 0,35. In
speziellen Ausführungsformen
ist die normierte Raumdichte circa 0,25 bis zu circa 0,31. Die Messung
der normierten Raumdichte zeigt, dass das Agglomerat eine hohe Porosität innerhalb
der kristallinen Matrix aufweist. Die Porosität der Matrix ermöglicht es,
dass die Schleifteilchen aus dem Agglomerat erodieren, nachdem ihre
Nutzungsdauer beendet ist.
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Die
Agglomerate der vorliegenden Erfindung können eine beliebige Gestalt
aufweisen. In speziellen Ausführungsformen
können
die Agglomerate kugelförmig
sein. In derartigen Ausführungsformen
weisen die kugelförmigen
Agglomerate einen Durchmesser auf, der nicht größer als circa 80 Mikrometer
ist. In speziellen Ausführungsformen
weisen die kugelförmigen
Agglomerate einen Durchmesser von circa 5 Mikrometer bis zu circa
60 Mikrometer auf.
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Herstellungsverfahren
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Die
vorliegende Erfindung stellt die Herstellung der oben beschriebenen
Schleifagglomerate bereit.
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Herstellung der Agglomerate
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Das
Agglomerat wird gebildet, indem ein Gemisch ausgebildet wird, das
ein Schleifteilchen mit einem Sol umfasst, welches eine Dispersion
eines Oxids, wie z.B. Siliziumoxid, in Wasser aufweist. Das Gemisch
wird zum Beispiel in einem Zentrifugalzerstäuber Mobile Miner 2000, der
von der Niro Corporation of Soeborg, Dänemark, erhältlich ist, sprühgetrocknet,
um Schleifagglomerate auszubilden. Die losen Agglomerate werden dann
gebrannt, um beliebige Zusatzflüssigkeiten
auszutreiben.
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Ausgangsmaterialien
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1. Kristallines Matrixmaterial
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Die
kristalline Matrix wird durch ein kristallines Matrixmaterial ausgebildet.
Ein derartiges Material kann ein wässriges Sol sein. In bestimmten
Ausführungsformen
ist das Sol eine Suspension eines Oxids in Wasser. Beispiele für Oxide,
die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, schließen Siliziumoxid, Aluminiumoxid,
Zirkonoxid, Chromoxid, Antimonpentoxid, Vanadiumoxid, Ceroxid oder
Titanoxid ein. In speziellen Ausführungsformen ist das Oxid Aluminiumoxid,
Siliziumoxid, Titanoxid oder Zinkoxid. Das kristalline Matrixmaterial
kann auch eine Kombination aus mehr als einem Oxid sein. Alkalimetalloxide
sind im Allgemeinen für
die vorliegende Erfindung nicht brauchbar. In speziellen Ausführungsformen
ist das Sol eine Suspension von Siliziumoxid in Wasser. Es kann
eine beliebige Art wässriger
Siliziumoxidsuspensionen, wie z.B. eine wässrige Suspension aus gefälltem Siliziumoxid,
eine kolloidale Siliziumoxidsuspension (gewöhnlich als Silica-Sol bezeichnet)
oder eine wässrige
Suspension von Siliziumoxidverbindungen verwendet werden, die überwiegend
Siliziumoxid enthält.
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Wenn
die Oxidteilchen in Wasser fein verteilt werden, dann werden die
Teilchen durch die üblichen elektrischen
Ladungen auf der Oberfläche
eines jeden Teilchens stabilisiert, was in der Tendenz eher die
Dispersion als die Zusammenballung fördert. Die Teilchen gleicher
Ladung stoßen
einander ab, wodurch die Anhäufung
der Teilchen minimiert wird.
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Kolloidale
Siliziumoxide, die für
diese Erfindung geeignet sind, sind handelsüblich unter solchen Handelsnamen
wie "LUDOX" (E.I. Dupont de
Nemours and Co., Inc. Wilmington, Del.), "NYACOL" (Nyacol Co., Ashland, Mass.) und "NALCO" (Nalco Chem. Co.,
Oak Brook, Ill.). Nichtwässrige
Silica-Sole (die auch als Silica-Organosole bezeichnet werden) sind
auch handelsüblich
unter solchen Handelsnamen wie „"NALCO 1057" (ein Silica-Sol in 2-Propoxyethanol,
Nalco Chemical Co.) und "MA-ST", "IP-ST" und "EG-ST" (Nissan Chemical
Industries, Tokio, Japan). Sole anderer Oxide sind auch handelsüblich, z.B.
die Aluminiumoxid-Sole "NALCO-ISJ-614" und "NALCO ISJ-613" und das Zirkonoxid-Sol "NYACOL 10/50". Diese kolloidalen
Sole können
eine beliebige Menge im Bereich von circa 10 bis 85 Gew.-% Wasser,
gewöhnlich
25 bis 60 Gew.-% Wasser, enthalten. Es können auch zwei oder mehr unterschiedliche
kolloidale Siliziumoxide verwendet werden.
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2. Schleifteilchen
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Bestimmte
Ausführungsformen
der Agglomerate der vorliegenden Erfindung umfassen Schleifteilchen.
Die Schleifteilchen wurden oben bei der Beschreibung der Agglomerate
genau beschrieben. Die Schleifteilchen sind im Allgemeinen derart
beständig
gegenüber
dem flüssigen
Medium, zum Beispiel dem Wasser in dem wässrigen Sol, dass sich ihre
physikalischen Eigenschaften nicht wesentlich verschlechtern, wenn
sie dem flüssigen
Medium ausgesetzt sind. Geeignete Schleifteilchen sind gewöhnlich anorganische
Schleifteilchen.
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3. Optionale Zusatzstoffe
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Das
Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich bestimmte
optionale Zusatzstoffe umfassen. Solche Zusatzstoffe können Porenbildner,
Schleifhilfen und Polierhilfen umfassen. Porenbildner können beliebige
temporäre
Polymere mit einer ausreichenden Steifigkeit sein, um die Poren
an einem Zusammenfallen zu hindern. Der Porenbildner kann zum Beispiel
Polyvinylbutyrat, Polyvinylchlorid, Wachs, Natrium-Diamyl-Sulfosuccinat
und Kombinationen daraus sein. In bestimmten Ausführungsformen
ist der Porenbildner-Zusatzstoff ein Natrium-Diamyl-Sulfosuccinat in
Methyl-Ethyl-Keton.
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In
bestimmten Ausführungsformen
sind die Ausgangsmaterialien weitgehend frei von einem Material, welches
das Fließen
der kristallinen Matrix fördert,
zum Beispiel Lithiumfluorid.
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Vermischen
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Die
Ausgangsmaterialien werden vermischt, um ein Gemisch auszubilden.
Das Vermischen kann in irgendeiner aus einer Auswahl unterschiedlicher
Vorrichtungen stattfinden, die eine physikalische Anregung liefern.
Die physikalische Anregung kann mit mechanischen, elektrischen oder
magnetischen (akustischen) Verfahren ausgeführt werden. Zum Beispiel kann
das Gemisch in einem aerodynamischen oder elektrischen Kreiselmischer,
einer Kugelmühle
oder einem Ultraschallmischer ausgebildet werden. Es kann jedoch
eine beliebige Mischvorrichtung verwendet werden.
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In
speziellen Ausführungsformen
werden die Ausgangsmaterialien in einem Ultraschallbad mindestens
circa 20 Minuten, speziell zwischen circa 25 und circa 35 Minuten,
gemischt. In bestimmten Ausführungsformen,
wie z.B. der Ausführungsform
mit Siliziumoxid und Diamant, die in den Beispielen dargestellt
ist, werden die Ausgangsmaterialien circa 30 Minuten lang gemischt.
Fachleute werden anerkennen, dass die Mischungszeiten für verschiedene
Ausführungsformen
angepasst werden können.
Derartige Anpassungen gehören
zu den Fertigkeiten der Fachleute.
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Trocknen
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Das
Gemisch wird dann einem Trocknungsschritt unterworfen. In der vorliegenden
Erfindung wird der Trocknungsschritt in einem Sprühtrockner
ausgeführt,
der mit einer Zerstäubungsvorrichtung
ausgerüstet
ist, um Tröpfchen
des Gemischs zu erzeugen. Der Sprühtrockner der vorliegenden
Erfindung kann zum Beispiel ein Zentrifugalzerstäuber oder ein Dualdüsenzerstäuber sein.
Ein Beispiel für
einen Zentrifugalzerstäuber-Sprühtrockner
ist ein Zentrifugalzerstäuber
Mobile Miner 2000, der von der Niro Corporation of Soeborg, Dänemark,
bezogen werden kann. Das Zentrifugalzerstäuberrad kann mit einer Nenndrehzahl
von circa 25000 bis zu circa 45000 Umdrehungen/min angetrieben werden.
In speziellen Ausführungsformen
wird das Zerstäuberrad
mit circa 37500 Umdrehungen/min angetrieben. Dann wird in den Sprühtrockner
Heißluft
mit einer Temperatur von mindestens circa 200 °C eingeleitet. In bestimmten
Ausführungsformen
weist die Heißluft
zwischen circa 200 °C
und circa 350 °C
auf. In speziellen Ausführungsformen
wird die Heißluft
dann bei einer Temperatur von circa 200 °C dem Gemisch ausgesetzt. Der
Sprühtrockner
kann im Mitstrom oder im Gegenstrom vorliegen. In einem Mitstrom-Sprühtrockner
strömen
die Luft und das Gemisch in die gleiche Richtung. In einem Gegenstrom-Sprühtrockner
strömen
die Luft und das Gemisch in entgegengesetzte Richtungen. Die Auslasstemperatur,
die am Ausgang der Zerstäubungskammer
gemessen wird, kann auf circa 95 °C
gehalten werden. Der Zuführungsdurchfluss
des Gemischs war circa 50 ml/min bis circa 70 ml/min, und er wird
verwendet, um die Temperatur im Inneren des Sprühtrockners zu steuern. Ist
die Auslasstemperatur zu hoch, dann wird ein höherer Durchfluss des Gemisches
eingestellt, um die Temperatur im Sprühtrockner zu verringern. Ist
die Temperatur zu niedrig, dann wird der Durchfluss des Gemisches
verringert. Fachleute werden anerkennen, dass die offenbarten Einstellungen,
wie z.B. die Umdrehungszahl des Zerstäuberrades, die Heißlufttemperatur,
die Auslasstemperatur und der Zuführungsdurchfluss für verschiedene
Ausführungsformen
angepasst werden können.
Derartige Anpassungen gehören
zu den Fertigkeiten der Fachleute.
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Brennen
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Das
getrocknete Gemisch wird aus dem Sprühtrockner unter Verwendung
eines Gefäßes entnommen, das
an einer Wirbelkammer an einem Ort außerhalb der Stelle angebracht
ist, an der die Auslasstemperatur gemessen wird. An diesem Ort liegt
das Gemisch in der Form loser Rohwarenagglomerate vor. Die Rohwarenagglomerate
werden nach der Entnahme aus dem Sprühtrockner gebrannt, solange
sie lose (d.h. nicht komprimiert) sind.
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In
bestimmten Ausführungsformen,
wie z.B. in der in den Beispielen dargestellten Ausführungsform mit
Siliziumoxid und Diamant, wird die Temperatur mit einer Geschwindigkeit
von 1,5 °C/min
erhöht,
bis die Temperatur bei mindestens circa 350 °C liegt. Die Rohwarenagglomerate
werden circa 1 Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten. Die Temperatur
wird dann weiter mit einer Geschwindigkeit von 1,5 °C/min erhöht, bis
die Temperatur bei mindestens circa 500 °C liegt. Die Rohwarenagglomerate
werden ungefähr
1 zusätzliche
Stunde auf dieser Temperatur gehalten. Fachleute werden anerkennen,
dass die Brenntemperaturen und die Zeiten für verschiedene Ausführungsformen
angepasst werden können.
Derartige Anpassungen gehören zu
den Fertigkeiten der Fachleute. Nach der Brennstufe werden die Rohwarenagglomerate
zu Agglomeraten.
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Schleifkörper
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Die
Agglomerate sind bei der Herstellung von Schleifkörpern brauchbar.
Die oben beschriebenen Agglomerate sind auch bei der Herstellung
von dreidimensional fixierten Schleifmitteln und beschichteten Schleifmitteln
brauchbar. Beispiele für
derartige Schleifprodukte sind in der
US-Patentschrift
Nr. 5,958,794 von Bruxvoort u.a. offenbart.
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Gebundene Schleifkörper
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Gebundene
Schleifmittel sind in der Struktur dreidimensional. Das ideale gebundene
Schleifmittel schleift das Werkstück ab, und wenn die Schleifteilchen
abgenutzt und stumpf sind, dann werden diese Schleifteilchen von
dem gebundenen Schleifmittel abgestoßen, um neue, frisch schneidende
Schleifteilchen freizulegen. Eine unangemessene Adhäsion zwischen
den Schleifteilchen und dem Bindungsmaterial kann zu einer vorzeitigen
Ablösung
der Schleifteilchen vom Schleifkörper
führen.
Werden die Schleifteilchen vorzeitig abgelöst, so ist die resultierende
Nutzungsdauer der gebundenen Schleifmittel gewöhnlich geringer als erwünscht. In
der Industrie ist ein gebundenes Schleifmittel erwünscht, das
eine gute Adhäsion
zwischen den Schleifteilchen und dem Bindungsmaterial aufweist.
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Dreidimensional fixierte Schleifkörper
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Der
dreidimensional fixierte Schleifkörper ist im Allgemeinen langlebig,
z.B. sollte der Schleifkörper
in der Lage sein, mindestens zwei, zum Beispiel mindestens 5 oder
mindestens 20 und in bestimmten Ausführungsformen mindestens 30
Arbeitsabläufe
auszuführen.
Der Schleifkörper
sollte eine gute Abtragerate liefern. Die Materialien, die gewünschte Textur
und der zum Herstellen des Schleifkörpers verwendete Arbeitsablauf haben
alle einen Einfluss darauf, ob diese Kriterien erfüllt werden
oder nicht.
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Der
fixierte Schleifkörper
kann eine Unterlage umfassen. Im Allgemeinen sind die Schleifteilchen
in einem Bindemittel dispergiert, um eine Schleifbeschichtung und/oder
Schleifverbünde
auszubilden, die an eine Unterlage gebunden sind. In bestimmten
Ausführungsformen
sind die Schleifverbünde
Pyramiden. Zwischen benachbarten Schleifverbünden liegen Vertiefungen oder
Gräben
vor. Es ist auch mehr als eine Reihe von pyramidenförmigen Schleifverbünden dargestellt,
wobei die zweite Reihe von Schleifverbünden gegenüber der ersten Reihe versetzt ist.
Schleifverbünde
umfassen mehrere Schleifagglomerate, die in dem Bindemittel fein verteilt
sind. Optional müssen
die fixierten Schleifkörper
keine separate Unterlage aufweisen.
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Der
Begriff "dreidimensional" wird so verwendet,
dass mindestens über
einen Dickenbereich des Schleifkörpers
hinweg zahlreiche Schleifteilchen vorhanden sind. Die dreidimensionale
Beschaffenheit sorgt für
einen langlebigen Schleifkörper,
da eine Menge von Schleifteilchen vorhanden ist, um einen beliebigen
Arbeitsablauf auszuführen.
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Der
Schleifkörper
weist auch eine ihm zugeordnete "Textur" auf; d.h., er ist
ein "texturierter" Schleifkörper. Zum
Beispiel sind die pyramidenförmigen
Verbünde
die vorstehenden Teilbereiche, und die Gräben zwischen den Pyramiden
sind die vertieften Teilbereiche.
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Im
Allgemeinen ist der Schleifkörper
erosionsfähig,
d.h. er ist in der Lage, beim Einsatz kontrollierbar abgetragen
zu werden. Die Erosionsfähigkeit
ist erwünscht,
da sie dazu führt,
dass die abgenutzten Schleifteilchen vom Schleifkörper abgelöst werden,
um neue Schleifteilchen freizulegen. Ist die Schleifbeschichtung nicht
erosionsfähig,
dann können
die abgenutzten Schleifteilchen nicht richtig vom Schleifkörper abgestoßen werden,
wodurch die frischen Schleifteilchen nicht freigelegt werden. Ist
die Schleifbeschichtung zu stark erosionsfähig, dann können die Schleifteilchen zu
schnell abgestoßen
werden, was einen Schleifkörper
mit einer kürzeren
als der gewünschten
Produktlebensdauer zur Folge haben kann.
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Der
Grad der Erosionsfähigkeit
ist auch eine Funktion der Oberflächentextur, der Zusammensetzung der
Schleifbeschichtung, der Verarbeitungsbedingungen und der Zusammensetzung
des Werkstücks.
Wie nachfolgend beschrieben wird, gibt es viele Wege, ein Produkt
mit einer Erosionsfähigkeit
auszustatten. Der erfindungsgemäße Schleifkörper kann
viele Formen aufweisen, zum Beispiel kreisförmige Platten, Schleifbandwalzen
oder Schleifbänder.
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Ein
dreidimensionaler texturierter fixierter Schleifkörper wird
im Allgemeinen durch Ausbilden einer Aufschlämmung präpariert, die ein Gemisch aus
einem Bindemittelvormaterial und mehreren Schleifteilchen oder den
oben beschriebenen Schleifagglomeraten enthält. Die Aufschlämmung wird
auf ein Produktionswerkzeug aufgebracht, das Hohlräume aufweist,
welche das Negativ der gewünschten
Form der texturierten Oberfläche
sind. Eine Unterlage wird derart mit der freiliegenden Oberfläche des
Produktionswerkzeuges in Kontakt gebracht, dass die Aufschlämmung die
Oberfläche
der Unterlage benetzt. Dann kann das Bindemittel zumindest teilweise
verfestigt, ausgehärtet
oder geliert werden. Der Schleifkörper wird dann vom Produktionswerkzeug
abgenommen und vollständig
ausgehärtet,
wenn er im vorherigen Schritt nicht vollständig ausgehärtet worden ist. Alternativ
kann die Aufschlämmung
auf die Oberfläche
der Unterlage aufgetragen werden, und das Produktionswerkzeug kann
dann mit der Aufschlämmung
auf der Unterlage in Kontakt gebracht werden. Die Schleifbeschichtung
umfasst somit mehrere Schleif-"Verbünde" auf einer Unterlage.
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Der
dreidimensionale texturierte fixierte Schleifkörper kann auch durch Aufschichten
der Aufschlämmung
auf einer Unterlage ausgebildet werden, die eine Kontur aufweist,
welche weitgehend der gewünschten Form
der texturierten Oberfläche
entspricht. Die Aufschlämmung
wird auf eine solche Weise ausgehärtet, dass die ausgehärtete Schleifbeschichtung
eine texturierte Oberfläche
aufweist, die weitgehend der Kontur der Unterlage entspricht. In
einer Ausbildung dieses Verfahrens ist eine geprägte Unterlage vorgesehen, um
den Schleifkörper
herzustellen.
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In
dem dreidimensionalen texturierten fixierten Schleifkörper können bestimmte
Abänderungen
ausgeführt werden,
um das Leistungsvermögen
zu verbessern oder auf andere Weise zu verändern. Zum Beispiel kann der
Schleifkörper
durchbrochen sein, um Öffnungen
durch die Schleifschicht und/oder die Unterlage hindurch zu schaffen,
so dass der Durchgang von Fluiden vor, während oder nach dem Einsatz
ermöglicht
wird.
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Beschichtete Schleifkörper
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Beschichtete
Schleifmittel umfassen mehrere Schleifteilchen, die an eine Unterlage
gebunden sind. Bestimmte beschichtete Schleifmittel enthalten Schleifagglomerate,
die an eine Unterlage gebunden sind. Faservliesschleifmittel enthalten
gewöhnlich
mehrere Schleifteilchen, die auf und in einem voluminösen, porösen Faservliessubstrat
gebunden sind. Gewöhnlich
sind die Agglomerate mit der Unterlage unter Verwendung eines Bindemittels,
zum Beispiel organischer Bindemittel, glasartiger Bindemittel und
metallischer Bindemittel, verbunden. Die Kriterien, die bei der
Auswahl der Schleifteilchen zum Einsatz bei einer speziellen Schleifanwendung
herangezogen werden, umfassen üblicherweise:
die Schleifbetriebsdauer, Abtragerate, Oberflächengüte des Substrats, Leistungsfähigkeit
des Schleifens und Herstellungskosten.
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Beschichtete
Schleifmittel sind tendenziell "flexibler" als gebundene Schleifmittel;
somit werden die beschichteten Schleifmittel in großem Umfange
dort verwendet, wo der Schleifkörper
sich an die Oberfläche
des Werkstücks
anpassen muss. Beschichtete Schleifmittel tendieren dazu, eine oder
mehrere Schleifteilchenschichten aufzuweisen. Im Allgemeinen sind
diese Schleifteilchen darauf ausgerichtet, dass ihr Schneidvermögen verstärkt ist.
In einigen Fällen
jedoch ergeben die beschichteten Schleifmittel beim Beginn des Schleifens verhältnismäßig sehr
hohe Abtrageraten. Mit der Zeit nimmt die Abtragerate ab, bis das
beschichtete Schleifmittel nicht mehr akzeptable Abtrageraten liefert.
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Ein
beschichtetes Schleifprodukt umfasst gewöhnlich ein flexibles Unterlagenmaterial,
das mit einer Schleifschicht beschichtet ist, die aus Schleifteilchen
und einem ausgehärteten
Bindemittelmaterial aufgebaut ist. Es ist üblich, einige beschichtete
Schleifmittel herzustellen, indem ein Beschichtungserzeuger oder
Beschichtungsbildner aus einem Bindemittelvormaterial auf der Unterlage
aufgetragen wird, die Schleifteilchen auf den Beschichtungsbildner
aufgebracht werden, solange er ausreichend klebrig ist, um die Schleifteilchen festzuhalten,
und der Beschichtungsbildner, der die Schleifteilchen enthält, dann
mit einer Leimbeschichtung überschichtet
wird. Der Schichtbildner kann vor dem Aufbringen der Leimbeschichtung
zum Teil ausgehärtet werden,
aber sobald die Leimbeschichtung aufgebracht ist, ist es üblich, sowohl
den Schichtbildner als auch die Leimbeschichtung vollständig auszuhärten, so
dass das resultierende beschichtete Schleifprodukt als ein Schleifmaterial
verwendet werden kann. Anschließend
wird das beschichtete Schleifmaterial zu verschiedenen Schleifprodukten
hin verarbeitet, indem das Material in die gewünschte Form geschnitten wird.
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Bei
der Herstellung der beschichteten Schleifprodukte ist eine Anzahl
von Unterlagematerialien brauchbar. Die Auswahl der Unterlagenmaterials
beruht gewöhnlich
auf der beabsichtigten Verwendung des Produkts. Es wurden Materialien,
wie z.B. Papier, Fasern (entweder Vlies oder gewebt), Kunststofffilm,
oder Kombinationen dieser Materialien verwendet.
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Schleifkörperbestandteile
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A. Bindemittel
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1. Organische Bindemittel
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Organische
Bindemittel für
die Schleifkörper
gemäß dieser
Erfindung werden aus einem organischen Bindemittelvormaterial gebildet.
Das organische Bindemittelvormaterial liegt gewöhnlich in einem fließfähigen Zustand
vor. Das Bindemittel liegt gewöhnlich
in einem festen, nicht fließfähigen Zustand
vor. Das Bindemittel kann aus einem thermoplastischen Material gebildet
werden. Alternativ kann das Bindemittel aus einem Material gebildet
werden, dass zum Vernetzen geeignet ist. Es liegt auch im Gültigkeitsbereich
dieser Erfindung, dass ein Gemisch aus einem thermoplastischen Bindemittel
und einem vernetzten Bindemittel genommen wird. Während des
Prozesses zur Herstellung des Schleifkörpers wird das Bindemittelvormaterial
den geeigneten Bedingungen ausgesetzt, um das Bindemittel zu verfestigen.
Für vernetzbare
Bindemittelvormaterialien wird das Bindemittelvormaterial der geeigneten
Energiequelle ausgesetzt, um die Polymerisation oder Aushärtung einzuleiten
und das Bindemittel zu bilden.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist das Bindemittelvormaterial ein organisches Material, das zum Vernetzen
in der Lage ist. Bindemittelvormaterialien können entweder ein kondensationshärtbares
Harz oder ein additionspolymerisierbares Harz sein. Die additionspolymerisierbaren
Harze können
ethylenisch ungesättigte
Monomere und/oder Oligomere sein. Beispiele für verwendbare vernetzbare Materialien
schließen
Phenolharze, Bismaleimid-Bindemittel, Vinyletherharze, Aminoplastharze
mit angehängten
alpha-, beta-ungesättigten
Carbonylgruppen, Urethanharze, Epoxidharze, Acrylatharze, acrylierte
Isocyanuratharze, Urea-Formaldehydharze, Isocyanuratharze, acrylierte
Urethanharze, acrylierte Epoxidharze und deren Gemische ein. In speziellen
Ausführungsformen
ist das Bindemittel ein Urethan-Phenoxyharzsystem.
In derartigen Ausführungsformen
kann das Bindemittel durch Isocyanat vernetzt werden.
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2. Kondensationshärtbare Bindemittel
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Phenolharze
werden als Bindemittel für
Schleifkörper
wegen ihrer thermischen Eigenschaften, Verfügbarkeit, Kosten und Anwenderfreundlichkeit
in großem
Umfange verwendet. Es gibt zwei Typen von Phenolharzen, Resole und
Novolac. Die Resole-Phenolharze
weisen ein Molverhältnis
von Formaldehyd zu Phenol von größer als
oder gleich eins, üblicherweise
zwischen 1,5:1,0 bis 3,0:1,0 auf. Novolac-Harze weisen ein Molverhältnis von
Formaldehyd zu Phenol von weniger als eins zu eins auf. Derartige
Phenolharze können
gemischt werden mit Latexharzen, zum Beispiel Acrylnitril-Butadien-Emulsionen,
Acrylemulsionen, Butadienemulsionen, Butadien-Styrol-Emulsionen
und deren Kombinationen.
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3. Epoxidharze
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Epoxidharze
weisen eine Oxiran-Gruppe auf und werden durch die Ringöffnung polymerisiert.
Derartige Epoxidharze umfassen die monomeren Epoxidharze und die
polymeren Epoxidharze. Diese Harze können sich in der Beschaffenheit
ihrer Hauptketten und ihrer Substituentengruppen stark unterscheiden.
Zum Beispiel kann die Hauptkette von einem beliebigen Typ sein,
der den Epoxidharzen zugeordnet ist, und die Substituentengruppen
daran können
eine beliebige Gruppe sein, die frei ist von einem aktiven Wasserstoffatom,
das bei Raumtemperatur mit einem Oxiran-Ring reagiert. Repräsentative
Beispiele für
akzeptable Substituentengruppen schließen Halogene, Estergruppen,
Ethergruppen, Sulfonatgruppen, Siloxangruppen, Nitrogruppen und
Phosphatgruppen ein. Beispiele für
einige Epoxidharze schließen
2,2-Bis[4-(2,3-epoxypropoxy)-phenyl)propan(bisphenol-A-diglycidylether)]
ein. Andere geeignete Epoxidharze schließen die Glycidylether des Phenol-Formaldehyd
Novolac ein.
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4. Ethylenisch ungesättigte Bindemittelvormaterialien
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Beispiele
für ethylenisch
ungesättigte
Bindemittelvormaterialien schließen Aminoplast-Monomere oder
-Oligomere mit angehängten
alpha-, beta- ungesättigten
Carbonylgruppen, ethylenisch ungesättigte Monomere oder Oligomere,
acrylierte Isocyanurat-Monomere,
acrylierte Urethan-Oligomere, acrylierte Epoxid-Monomere oder -Oligomere,
ethylenisch ungesättigte
Monomere oder Verdünner,
Acrylatdispersionen oder deren Gemische ein.
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Die
Aminoplast-Bindemittelvormaterialien weisen mindestens eine angehängte alpha-,
beta-ungesättigte
Carbonylgruppe pro Molekül
oder Oligomer auf. Diese Materialien werden ferner in den
US-Patentschriften Nr. 4,903,440 und
5,236,472 beschrieben.
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Die
ethylenisch ungesättigten
Monomere oder Oligomere können
monofunktional, difunktional, trifunktional, tetrafunktional oder
sogar von einer höheren
Funktionalität
sein. Der Begriff Acrylat schließt sowohl Acrylate als auch
Methacrylate ein. Ethylenisch ungesättigte Bindemittelvormaterialien
schließen
sowohl monomere als auch polymere Verbindungen ein, die Atome von
Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff und optional Stickstoff
sowie den Halogenen enthalten. In den Ether-, Ester-, Urethan-,
Amid- und Urea-Gruppen liegen im Allgemeinen Sauerstoff- oder Stickstoffatome
oder beide vor. Die ethylenisch ungesättigten Verbindungen weisen
im Allgemeinen ein Molekulargewicht von weniger als circa 4000 auf
und können
Ester sein, die aus der Reaktion von Verbindungen erhalten wurden,
welche aliphatische Monohydroxygruppen oder aliphatische Polyhydroxygruppen
und ungesättigte
Carbonsäuren,
wie z.B. Acrylsäure,
Methacrylsäure,
Itaconsäure, Crotonsäure, Isocrotonsäure, Maleinsäure und
dergleichen, enthalten. Repräsentative
Beispiele für
ethylenisch ungesättigten
Monomeren schließen
Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Styrol, Divinylbenzen, Hydroxyethylacrylat,
Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat,
Hydroxybutylacrylat, Hydroxybutylmethacrylat, Vinyltoluol, Ethylenglycoldiacrylat,
Polyethylenglycoldiacrylat, Ethylenglycoldimethacrylat, Hexandioldiacrylat,
Triethylenglycoldiacrylat, Trimethylolpropandiacrylat, Glyceroltriacrylat, Pentaerythritoltriacrylat,
Pentaerythritoltrimethacrylat, Pentaerythritoltetraacrylat und Pentaerythritoltetramethacrylat
ein. Andere ethylenisch ungesättigte
Harze schließen
Monoallyl-, Polyallyl- und Polymethallyl-Ester und -Amide von Carbonsäuren, wie
z.B. Diallylphthalat, Diallyladipat und N,N-Diallyladipamid ein. Noch weitere Stickstoff
enthaltende Verbindungen schließen
Tris(2-acryloxyethyl)-isocyanurat, 1,3,5-Tri(2-methylacryloxyethyl)-s-triazin, Acrylamid,
Methylacrylamid, N-Methylacrylamid, N,N-Dimethylacrylamid, N-Vinylpyrrolidon und
N-Vinylpiperidon
ein.
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Ferner
werden in der
US-Patentschrift
Nr. 4,652,274 Isocyanurat-Derivate, die mindestens eine
angehängte
Acrylatgruppe aufweisen, und Isocyanat-Derivate, die mindestens eine angehängte Acrylatgruppe
aufweisen, beschrieben. Ein Beispiel für ein Isocyanurat-Material
ist ein Triacrylat von Tris(hydroxyethyl)isocyanurat.
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Acrylierte
Urethane sind Diacrylat-Ester von hydroxyterminierten isocyanatgestreckten
Polyestern oder Polyethern. Acrylierte Epoxide sind Diacrylat-Ester von Epoxidharzen,
wie z.B. die Diacrylat-Ester von Bisphenol-A-Epoxidharz.
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Acrylierte
Urethane sind Diacrylat-Ester von hydroxyterminierten NCO-gestreckten
Polyestern oder Polyethern. Acrylierte Epoxide sind Diacrylat-Ester
von Epoxidharzen, wie z.B. die Diacrylat-Ester von Bisphenol-A-Epoxidharz.
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Beispiele
für ethylenisch
ungesättigte
Verdünner
oder Monomere können
in USSN 08/5,236,472 (Kirk u.a.) und USSN 08/144,199 (Larson u.a.)
gefunden werden. In einigen Fällen
sind diese ethylenisch ungesättigten
Verdünner
nützlich,
da sie in der Tendenz mit Wasser verträglich sind.
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Es
liegt auch im Umfang dieser Erfindung, dass in dem Bindemittelvormaterial
ein teilweise polymerisiertes ethylenisch ungesättigtes Polymer verwendet wird.
Zum Beispiel kann ein Acrylat-Monomer teilweise polymerisiert und
in die Schleifaufschlämmung
einbezogen werden. Der Grad der Teilpolymerisation sollte derart
gesteuert werden, dass das entstehende teilweise polymerisierte
ethylenisch ungesättigte
Monomer keine übermäßig hohe
Viskosität
aufweist, so dass die entstehende Schleifaufschlämmung aufgeschichtet werden kann,
um den Schleifkörper
auszubilden. Ein Beispiel für
ein Acrylat-Monomer, das teilweise polymerisiert werden kann, ist
Isooctylacrylat. Es liegt auch im Umfang dieser Erfindung, eine
Kombination aus einem teilweise polymerisierten ethylenisch ungesättigten
Monomer mit einem weiteren ethylenisch ungesättigten Monomer und/oder einem
kondensationshärtbaren
Bindemittel zu verwenden.
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C. Zusatzstoffe
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Die
Schleifbeschichtung nach dieser Erfindung kann ferner optional Zusatzstoffe,
wie z.B. Zusatzstoffe zur Veränderung
der Schleifteilchenoberfläche,
Kopplungsmittel, Weichmacher, Füllstoffe,
Blähmittel,
Fasern, Antistatikmittel, Initiatoren, Suspensionsmittel, Fotosensibilisatoren,
Schmiermittel, Benetzungsmittel, oberflächenaktive Substanzen, Pigmente,
Farbstoffe, UV-Stabilisatoren und -Suspensionsmittel. Die Mengen
dieser Materialien werden so ausgewählt, dass die gewünschten
Eigenschaften erzeugt werden. Zusatzstoffe können auch in das Bindemittel
einbezogen, als eine separate Beschichtung angebracht, innerhalb
der Poren des Agglomerats festgehalten oder in Kombinationen aus
dem oben genannten eingesetzt werden.
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1. Weichmacher
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Die
Schleifbeschichtung kann ferner einen Weichmacher umfassen. Das
Hinzufügen
eines Weichmachers wird im Allgemeinen die Erosionsfähigkeit
der Schleifbeschichtung erhöhen
und das Gesamtbindemittel aufweichen. Der Weichmacher sollte im
Allgemeinen derart mit dem Bindemittel verträglich sein, dass es keine Phasentrennung
gibt. Beispiele für
Weichmacher schließen
Polyvinylchlorid, Dibutylphthalat, Alkylbenzylphthalat, Polyvinylacetat,
Polyvinylalkohol, Zelluloseester, Phthalat, Silikonöle, Adipat-
und Sebacat-Ester, Polyol, Polyolderivate, t-Butylphenyl-Diphenylphosphat,
Tricresylphosphat, Castoröl,
Kombinationen daraus und dergleichen ein.
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2. Füllstoffe
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Die
Schleifbeschichtung kann ferner optional einen Füllstoff enthalten. Füllstoffe
können
der Beschichtung Haltbarkeit und Festigkeit geben. Umgekehrt kann
der Füllstoff
in einigen Fällen
bei geeignetem Füllstoff und
geeigneter Menge die Erosionsfähigkeit
der Schleifbeschichtung erhöhen.
Ein Füllstoff
ist ein teilchenförmiges
Material und weist einen mittleren Teilchengrößenbereich zwischen 0,1 bis
50 Mikrometer, gewöhnlich zwischen
1 und 30 Mikrometer auf. Füllstoffe
können
in einer Polierflüssigkeit,
die in Verbindung mit dem Schleifkörper verwendet wird, löslich, nicht
löslich
oder quellfähig
sein. Im Allgemeinen sind die Füllstoffe
in einer solchen Polierflüssigkeit
nicht löslich.
Beispiele für
Füllstoffe,
die für
diese Erfindung brauchbar sind, schließen ein: Metallcarbonate (wie
z.B. Calciumcarbonat (Kreide, Calcit, Mergel, Travertin, Marmor
und Kalkstein), Calcium-Magnesiumcarbonat, Natriumcarbonat, Magnesiumcarbonat),
Siliziumoxid (wie z.B. Quarz, Glasperlen, Glasbläschen und Glasfasern), Silikate
(wie z.B. Talkum, Tonerden, (Montmorillonit) Feldspat, Glimmer,
Calciumsilikat, Calciummetasilikat, Natriumaluminosilikat, Natriumsilikat),
Metallsulfate (wie z.B. Calciumsulfat, Bariumsulfat, Natriumsulfat,
Aluminiumnatriumsulfat, Aluminiumsulfat), Gips, Vermikulit, Holzmehl, Aluminiumtrihydrat,
Carbon Black, Metalloxide (wie z.B. Calciumoxid (Kalk), Aluminiumoxid,
Zinnoxid, (z.B. Stannooxid), Titandioxid), und Metallsulfite (wie
z.B. Calciumsulfit), thermoplastische Teilchen (Polycarbonat, Polyetherimid,
Polyester, Polyethylen, Polysulfon, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Blockcopolymer, Polypropylen,
Acetalpolymere, Polyurethane, Nylon-Teilchen) und wärmehärtende Teilchen
(wie z.B. Phenolbläschen,
Phenolperlen, Polyurethanschaumteilchen und dergleichen). Der Füllstoff
kann auch ein Salz, wie z.B. ein Halogenidsalz, sein. Beispiele
für Metall-Füllstoffe
schließen
Zinn, Blei, Wismut, Kobalt, Antimon, Cadmium, Eisentitan ein. Andere
vermischte Füllstoffe
schließen
Schwefel, organische Schwefelverbindungen, Grafit und metallische
Sulfide ein. Die oben erwähnten
Beispiele für
Füllstoffe
sind dazu gedacht, eine repräsentativen Überblick über die
Füllstoffe
zu geben, und sind nicht dazu gedacht, alle Füllstoffe zu umfassen.
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3. Antistatikmittel
-
Beispiele
für Antistatikmittel
schließen
Grafit, Carbon Black, Vanadiumoxid, leitfähige Polymere, Befeuchtungsmittel
und dergleichen ein. Diese Antistatikmittel sind in den
US-Patentschriften Nr. 5,061,294 ;
5,137,542 und
5,203,884 offenbart.
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4. Aushärtemittel
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Das
Bindemittelvormaterial kann ferner ein Aushärtemittel enthalten. Ein Aushärtemittel
ist ein Material, welches hilft, die Polymerisation oder den Vernetzungsprozess
derart einzuleiten und abzuschließen, dass das Bindemittelvormaterial
in ein Bindemittel umgewandelt wird. Der Begriff Aushärtemittel
umfasst Initiatoren, Fotoinitiatoren, Katalysatoren und Aktivatoren.
Die Menge und der Typ des Aushärtemittels
hängt stark
von der Chemie des Bindemittelvormaterials ab.
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5. Oberflächenzusatzstoffe
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In
einigen Fällen
ist ein Zusatzstoff enthalten, der die Oberfläche der Schleifteilchen oder
des Agglomerats verändert.
Diese Zusatzstoffe können
die Verteilbarkeit der Schleifteilchen oder des Agglomerats im Bindemittelvormaterial
verbessern und/oder die Adhäsion
zum Bindemittelvormaterial und/oder Bindemittel verbessern. Die
Oberflächenbehandlung
kann auch die Schneidcharakteristiken der entstehenden Schleifteilchen
oder Agglomerate verändern
und verbessern. Die Oberflächenbehandlung
kann auch die Viskosität
der Aufschlämmung,
die zum Präparieren
der Schleifteilchen verwendet wird, wesentlich verringern, wodurch
ein einfacherer Herstellungsprozess erreicht wird. Die geringere
Viskosität
ermöglicht
es auch, dass höhere
Prozentanteile von Schleifteilchen oder Agglomeraten in eine Aufschlämmung einbezogen
werden.
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Beispiele
für geeignete
Zusatzstoffe zur Oberflächenveränderung
schließen
Befeuchtungsmittel (die manchmal auch als oberflächenaktive Substanzen bezeichnet
werden) und Kopplungsmittel ein. Ein Kopplungsmittel kann eine Verbindungsbrücke zwischen
dem Bindemittel und den Schleifteilchen oder Agglomeraten schaffen.
Das Kopplungsmittel kann auch eine Verbindungsbrücke zwischen dem Bindemittel
und dem Füllmittelteichen
(bis zum vorliegenden Umfang) schaffen. Beispiele für geeignete
Kopplungsmittel schließen Silane,
Titanate und Zirkonaluminate ein.
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Oberflächenaktive
Substanzen können
auch als ein Zusatzstoff verwendet werden. Beispiele für oberflächenaktive
Substanzen schließen
Metall-Alkoxide, Polyalkylenoxide, Salze von langkettigen Fettsäuren und dergleichen
ein. Die oberflächenaktiven
Substanzen können
kationisch, anionisch, amphoter oder nicht ionisch sein, solange
die oberflächenaktive
Substanz sowohl mit dem Schleifteilchen oder Agglomerat als auch
dem Bindemittelvormaterial verträglich
ist.
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Die
Schleifteilchen oder Agglomerate können eine Oberflächenbeschichtung
umfassen, um die Schleifcharakteristiken des resultierenden Schleifmittels
zu verändern.
Geeignete Beispiele derartiger Oberflächenbeschichtungen sind zum
Beispiel in den
US-Patentschriften
Nr. 5,011,508 (Wald u.a.),;
1,910,444 (Nicholson):;
3,041,156 (Rowse u.a.);
5,009,675 (Kunz u.a.);
4,997,461 (Markhoff-Matheny
u.a.);
5,213,591 (Celikkaya
u.a.);
5,085,671 (Martin
u.a.) und
5,042,991 (Kunz
u.a.) beschrieben. Die Schleifteilchen können auch mehrere Beschichtungen
umfassen.
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D. Unterlage
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Der
Schleifkörper
kann eine Unterlage aufweisen, die mit einer Schleifbeschichtung
versehen ist. Im Allgemeinen sind die Unterlagen von Schleifkörpern in
der Dicke sehr gleichmäßig. Ein
beliebiges aus einer Vielfalt von Unterlagenmaterialien ist für diesen
Zweck geeignet, einschließlich
sowohl flexibler Unterlagen als auch der Unterlagen, die steifer
sind.
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Beispiele
für typische
flexible Schleifmittelunterlagen schließen Polymerfilm, grundierten
Polymerfilm, Metallfolie, Stoff, Papier, Vulkanfiber, Vliesstoffe
und deren bearbeitete Ausführungen
sowie Kombinationen daraus ein. Ein Unterlagentyp ist ein Polymerfilm.
Beispiele für
derartige Filme schließen
Polyesterfilme, Polyester- und
Copolyesterfilme, Polyesterfilme mit Mikrolöchern, Polyimidfilme, Polyamidfilme,
Polyvinylalkoholfilme, Polypropylenfilm, Polyethylenfilm, Polyethylenterephthalat
und dergleichen ein. Die Dicke der Polymerfilmunterlage liegt im
Allgemeinen im Bereich zwischen circa 20 und 1000 Mikrometern, zum
Beispiel zwischen 50 und 500 Mikrometern und zwischen 60 und 200
Mikrometern.
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Es
sollte auch eine gute Adhäsion
zwischen der Polymerfilmunterlage und der Schleifbeschichtung vorliegen.
In vielen Fällen
ist die Beschichtungsfläche
des Polymerfilms grundiert, um die Adhäsion zu verbessern. Die Grundierung
kann eine Oberflächenveränderung
oder die Anwendung einer Grundierung chemischer Art einschließen. Beispiele
für Oberflächenveränderungen
schließen
die Koronabehandlung, UV-Behandlung, Elektronenstrahlbehandlung,
Flammenbehandlung und das Verkratzen ein, um den Oberflächenbereich
zu vergrößern. Beispiele
für Grundierungen
chemischer Art schließen
Ethylenacrylsäure-Copolymer,
wie in der
US-Patentschrift Nr. 3,188,265 offenbart
ist, eine Kolloiddispersion, wie in der
US-Patentschrift Nr. 4,906,523 dargelegt
ist, Materialien vom Aziridin-Typ, wie in der
US-Patentschrift Nr. 4,749,617 offenbart
ist, und durch Strahlung aufgepfropfte Grundierungen ein, wie in
den
US-Patentschriften Nr. 4,563,388 und
Nr.
4,933,234 offenbart
ist.
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Beispiele
für steifere
Unterlagen schließen
Metallplatten, Keramikplatten und dergleichen ein. Ein weiteres
Beispiel für
eine geeignete Unterlage ist in der
US-Patentschrift
Nr. 5,417,726 (Stout u.a.) beschrieben. Die Unterlage kann
auch aus zwei oder mehreren aufeinander laminierten Unterlagen wie
auch aus Verstärkungsfasern
bestehen, die in ein Polymermaterial eingebettet sind, wie in der
PCT-Veröffentlichung
WO 93/12911 (Benedict u.a.)
offenbart ist.
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Geeignet
sind auch Unterlagen in der Form eines geprägten Polymerfilms (z.B. ein
Polyester-, Polyurethan-, Polycarbonat-, Polyamid-, Polypropylen- oder Polethylen-Film)
oder geprägte
Zelluloseunterlagen (z.B. Papier oder ein anderes Vlieszellulosematerial).
Das geprägte
Material kann auch auf ein nicht geprägtes Material laminiert sein,
um die Unterlage auszubilden.
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Die
Unterlage kann auch eine Behandlung aufweisen, um ihre physikalischen
Eigenschaften zu verändern.
Diese Behandlungsschichten sind in der Schleiftechnik gut bekannt
und schließen
die Acrylatbasis-Behandlungsschichten,
Phenol-Behandlungsschichten und Phenol/Latex-Behandlungsschichten
ein.
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Die
Unterlage kann auch eine Schaumstoffunterlage sein, z.B. ein Polymerschaumstoff,
wie z.B. ein Polyurethanschaumstoff.
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Auf
die Nichtschleifseite der Unterlage kann ein Haftklebstoff aufgeschichtet
werden. Desgleichen kann ein Schaumsubstrat auf die Unterlage aufgeschichtet
werden. An der Unterlage kann auch ein Teil eines mechanischen Befestigungssystems
angebracht werden.
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In
einigen Fällen
kann die Rückseite
oder die hintere Fläche
der Unterlage eine Reibungsbeschichtung aufweisen. Diese Reibungsbeschichtung
kann mehrere Reibteilchen umfassen, die an die Unterlage mittels eines
Reibungsschichtbindemittels gebunden sind. Reibteilchen können ein
beliebiges Material sein, das den gewünschten Reibungskoeffizienten
erzeugt. Beispiele für
geeignete Reibteilchen schließen
sowohl anorganische Teilchen als auch organische Teilchen, z.B.
Schleifteilchen und/oder Füllstoffteilchen,
ein. Alternativ kann die Reibungsbeschichtung eine Beschichtung
in der Art einer Urethanbeschichtung oder einer rauen organischen
Beschichtung umfassen.
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E. Andere Zusatzstoffe
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Die
Aufschlämmung
kann ferner Zusatzstoffe umfassen, wie z.B. Zusatzstoffe zur Veränderung
der Schleifteilchenoberfläche,
Kopplungsmittel, Füllstoffe,
Blähmittel,
Fasern, Antistatikmittel, Initiatoren, Suspensionsmittel, Schmiermittel,
Benetzungsmittel, oberflächenaktive
Substanzen, Pigmente, Farbstoffe, UV-Stabilisatoren, Komplexbildner, Kettenübertragungsmittel,
Beschleuniger, Katalysatoren und Aktivierungsmittel. Die Mengen
dieser Materialien werden ausgewählt,
um die gewünschten
Eigenschaften bereitzustellen.
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Blähmittel
können
einbezogen werden, um die Erosionsfähigkeit des Schleifkörpers zu
erhöhen.
Das Blähmittel
kann ein beliebiges Material sein, welches das Volumen der Schleifbeschichtung
vergrößert. Wird ein
Blähmittel
verwendet, dann ist die mittlere Teilchengröße der Schleifteilchen im Allgemeinen
kleiner als 30 Mikrometer.
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Beispiele
für geeignete
Blähmittel
schließen
Dampf, aufblähende
Lösungsmittel,
Stickstoffgas, Kohlendioxidgas, Luft als ein Gas, Pentan, Hexan,
Heptan, Buten, CFCl
3, C
2F
3Cl
3, Vermikulit,
Toluoldiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat,
Hexamethylendiisocyanat oder Polyurethan-Vorpolymer ein, das mit
Wasser reagiert hat, um Kohlendioxidgas zu bilden. Andere geeignete
Blähmittel
schließen
ein Blähmittel
vom Zersetzungstyp ein, wie z.B. Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat,
Natriumbicarbonat, Dinitropentamethylentetramin, Azodicarbonamid,
Azobisisobutyronitril, Hydrazinverbindungen, wie z.B. Maleinsäurehydrazid,
Oxalsäurehydrazid,
Benzensulfonylhydrazid, Toluolsulfonylhydrazid, p,p'-Hydroxybis(benzensulfonylhydrazid) und t-Alkylhydrazoniumsalz.
Zwei oder mehr Blähmittel
können
in Kombination miteinander verwendet werden. Andere werden in der
US-Patentschrift Nr. 5,203,884 beschrieben.
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Beispiele
für geeignete
Schmiermittel schließen
Metallsalze von Fettsäuren
(z.B. Zinkstearat, Calciumstearat und Lithiumstearat), Grafit, Wachse,
Glycoläther,
Glyzerin, Siliziumverbindungen, Kombinationen davon und dergleichen
ein. Es können
auch gekapselte Schmiermittel verwendet werden, wie z.B. in der
US-Patentschrift Nr. 3,502,453 (Baratto)
beschrieben ist.
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Beispiele
für Kettenübertragungsmittel
schließen
Kohlenstofftetrabromid und andere Kettenübertragungsmittel ein.
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Beispiele
für Komplexbildner
schließen
Ammoniumsalze, wie z.B. NH4HCO3,
Gerbsäure,
Katechol, Ce(OH)(NO3), Ce(SO4)2, Phthalsäure, Salizylsäure und dergleichen,
ein. Diese Komplexbildner können
in der Form von Partikeln vorliegen, welche zur Aufschlämmung hinzugefügt werden
können.
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Der
Aufschlämmung
kann Wasser und/oder organisches Lösungsmittel zugesetzt werden.
Die Menge des Wassers und/oder organischen Lösungsmittels wird so ausgewählt, dass
die gewünschte
Beschichtungsviskosität
erreicht wird. Im Allgemeinen sollte das Wasser und/oder organische
Lösungsmittel
mit dem Bindemittelvormaterial verträglich sein. Das Wasser und/oder
organische Lösungsmittel
kann im Anschluss an die Polymerisation des Vormaterials beseitigt
werden, oder es kann in dem Bindemittel verbleiben. Es können auch
wasserlösliche
und/oder wasserempfindliche Zusatzstoffe, wie z.B. Polyvinylalkohol,
Polyvinylacetat, Teilchen auf Zellulosebasis und dergleichen, einbezogen
werden, um die Erosionsfähigkeit
der Schleifmitteloberfläche
zu erhöhen.
-
Anwendungsverfahren
-
Die
vorliegende Erfindung kann eingesetzt werden, um einen breiten Bereich
von Werkstückoberflächen abzuschleifen
und/oder zu polieren. Diese Werkstückoberflächen umfassen Metall, Metalllegierungen, Sondermetalllegierungen,
Keramiken, Glas, Holz, holzähnliche
Materialien, Verbundstoffe, lackierte Oberfläche, Kunststoffe (einschließlich Thermoplaste
und verstärkte
Thermoplaste), Steine, Glasflächen
einschließlich
von Fernsehschirmen aus Glas, optische Komponenten, wie z.B. faseroptische
Verbinder, Fenster, Glasregalablagen und Spiegel. Der Schleifkörper kann
auch verwendet werden, um Flächen
zu reinigen, wie z.B. Haushaltsgegenstände, Möbel, Wände, Waschbecken, Badewannen,
Duschen und Fußböden. In
speziellen Fällen
kann die Werkstückoberfläche Karbide,
Keramiken, Nitride und Ferrit enthalten. Insbesondere weist das Werkstück eine
Aluminiumtitankarbid- und eine Wolframkarbidoberfläche auf,
wie in der
US-Patentschrift Nr. 6,171,224 beschrieben
ist. In bestimmten Ausführungsformen
ist das Werkstück
ein Rechner-Festplattenlaufwerkkopf, der auch als Slider bezeichnet
wird. Ein derartiges Verfahren ist in der
US-Patentschrift Nr. 5,733,178 von
Ohishi offenbart.
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Wie
Fachleuten bekannt ist, werden Plattenlaufwerkköpfe auf einem Keramikwafer
in einer geschichteten Konstruktion hergestellt. Die geschichtete
Konstruktion wird gesägt
oder geschnitten, und die gesägte Fläche enthält das Lese/Schreibelement.
Das Lese/Schreibelement wird geläppt,
um die Spaltgeometrie und die Spitzenaussparung einzustellen. Jedes
Läppwerkzeug,
das ein bei der Operation verwendeter Körper ist, kann einen unterschiedlichen
Durchmesser aufweisen, üblich
sind annähernd
circa 16 Inch im Durchmesser. Eine Reihe von Köpfen wird dem Läppfilm vorgelegt,
wobei gewöhnlich
eine Einspannvorrichtung verwendet wird, um die Kopfgeometrie festzulegen.
Das Lese/Schreibelement wird dann auf eine vorgegebene Geometrie
und Oberflächenbeschaffenheit
geläppt.
Die Körper
der vorliegenden Erfindung können
mindestens im ersten Schritt eines Mehrschrittprozesses zum Polieren
der oben erwähnten
Festplattenlaufwerkköpfe
verwendet werden. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die erfindungsgemäßen Körper auch
in einem beliebigen von mehreren Schritten in dem Mehrschritt-Endbehandlungsprozess
verwendet werden könnten.
-
Das
Werkstück
kann flach sein oder es kann eine zugehörige Form oder Kontur aufweisen.
Beispiele für
spezielle Werkstücke
schließen
Brillenlinsen, Fernsehschirme aus Glas, metallische Maschinenbauteile (einschließlich von
Nockenwellen, Kurbelwellen, Motorblöcken und dergleichen), metallische
Schmiedeteile von Handwerkzeugen, faseroptische Komponenten, Kassetten,
Möbel,
Holzgehäuse,
Turbinenschaufeln, lackierte Autoteile, Badewannen, Duschen, Waschbecken
und dergleichen ein.
-
In
einem speziellen Beispiel kann der Schleifkörper beim Polieren optischer
Bauteile verwendbar sein. Ein optisches Bauteil ist definiert als
ein beliebiger Teil eines optischen Gerätes, das die Eigenschaften
eines eintreffenden optischen Signals ändert, das Signal umlenkt oder überträgt. Beispiele
für optische
Bauteile schließen
Linsen, Kollimatoren, Gradientenindexlinsen, optische Fasern, eine
Anordnung optischer Fasern, Koppler, Wellenleiter, Polarisatoren,
Faraday-Rotatoren, Fasergitter, Polarisationskristalle, Granatkristalle, Crossconnectoren
und Strahlteiler ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Ein
optisches Gerät
ist ein beliebiges Gerät,
in dem ein oder mehr optische Komponenten kombiniert sind, um die
Eigenschaften des optischen Signals zu ändern, das Signal umzulenken
oder zu übertragen.
Zum Beispiel sind nach dieser Definition faseroptische Verbinder,
Emitter, Transmitter, Zwischenverstärker, Empfänger, Modulatoren, Dämpfungsglieder, Koppler,
Isolatoren, Verstärker,
Wellenleiter, Multiplexer, Demultiplexer, Router und Schalter alles
optische Geräte.
Beispiele für
andere optische Bauteile und optische Geräte können in The Photonics Buyers' Guide, Buch 2, Ausgabe
2001, Laurin Publishing, Pittsfield, MA, gefunden werden.
-
Optische
Bauteile können
aus vielen unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Zum
Beispiel kann das optische Bauteil Silizium, ein dotiertes Siliziumoxidmaterial
oder Quarzglas sein. Das optische Bauteil kann auch ein dotiertes
Siliziumoxid, zum Beispiel ein mit Seltenen Erden dotiertes Siliziumoxid,
mit Erbium dotiertes Siliziumoxid, mit Germanium dotiertes Siliziumoxid
oder mit Erbium-Ytterbium
dotiertes Siliziumoxid sein. Andere Beispiele schließen Galliumarsenid,
Indium-Gallium-Arsenid, Germanium, Indium-Gallium-Arsenidphosphid,
Fluorzirkonat, Indiumphosphid, elektrooptisches Schaltmaterial,
wie z.B. Lithiumniobat und Kaliumdihydrogenphosphat, Festkörperlasermaterialien,
wie z.B. Rubin und Alexandrit, Calcit, Granat, mit Seltenen Erden
dotierten Granat, ein. Einige optische Geräte werden aus Keramikflächen, einschließlich Calciumtitanat,
Cer-Zirkonoxiden oder Aluminiumoxynitrid, ausgebildet.
-
Der
Schleifkörper
wird zwischen einem Auflager und der Werkstückoberfläche angeordnet, und durch das
Auflager wird ein Druck ausgeübt,
so dass ein Kontakt zwischen dem Schleifbauteil und der Werkstückoberfläche hergestellt
wird. Das Auflager kann eine beliebige bekannte Maschine zum Läppen, einseitigen Flachläppen oder
Polieren sein. Das Auflager kann ein weiches Stützkissen mit einem Härtemaß von circa
40 bis zu circa 90 Shore A sein. In anderen Ausführungsformen kann das Auflager
eine harte Unterlage aufweisen, wie z.B. Materialien mit einem Härtemaß von über 100
Shore A, zum Beispiel Glas, Kunststoff oder Metall. Der ausgeübte Druck
liegt im Allgemeinen zwischen circa 2 und circa 250 Gramm/mm2. Der Schleifkörper und die Werkstückoberfläche werden
mit Bezug aufeinander bewegt, um die Oberfläche endzubearbeiten. Das Schleifmittel
kann entweder auf der Werkstückoberfläche rotieren
oder über
die Werkstückoberfläche hin
und her schwingen oder beides. Im Allgemeinen bewegt sich das Schleifmittel über das
Werkstück
zwischen circa 20 und circa 300 mal pro Minute, um eine Solloberfläche zu erzielen.
Die Solloberfläche
kann eine bestimmte Sollform sein, wie z.B. eine flache Oberfläche oder
ein Krümmungsradius.
Die Solloberfläche
kann auch eine Solloberflächengüte sein.
In einem Beispiel, einer Lithiumniobatpolitur, erscheint die Solloberflächengüte dem menschlichen
Auge bei einer 100-fachen Vergrößerung kratzfrei.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann das Schleifmittel vor der Verwendung aufbereitet werden. In
einem Aufbereitungsschritt werden die Deckschichten des Schleifkörpers, gewöhnlich die
Bindemittel, entfernt. Um dieses Ziel zu erreichen, muss das Schleifmittel
in Kontakt mit einem Aufbereitungskissen, wie z.B. einem zusätzlichen
Schleifkörper,
gebracht werden, das sich gegenüber
dem Schleifmittel bewegt und eine Schicht auf der Oberfläche entfernt.
Im Aufbereitungsschritt werden die Schleifteilchen freigelegt, so
dass das Polieren beginnt, sobald der Schleifkörper in Kontakt mit dem Werkstück kommt.
-
In
Abhängigkeit
von der Anwendung kann eine Polierflüssigkeit an der Berührungsfläche zwischen dem
Schleifkörper
und dem Werkstück
vorliegen. Diese Flüssigkeit
kann Wasser und/oder ein organisches Lösungsmittel sein. Die Polierflüssigkeit
kann ferner Zusatzstoffe enthalten, wie z.B. Schmiermittel, Öle, emulgierte
organische Verbindungen, Schneidfluide, Seifen und dergleichen.
Der Schleifkörper
kann während
des Einsatzes an der Polierberührungsfläche schwingen.
-
Der
erfindungsgemäße Schleifkörper kann
von Hand oder in Kombination mit einer Maschine eingesetzt werden.
Zum Beispiel kann der Schleifkörper
an einem Exzenterwerkzeug oder einem Rotationswerkzeug befestigt
sein. Der Schleifkörper
und das Werkstück
werden zumindest einzeln oder beide mit Bezug aufeinander bewegt.
-
Beispiele
-
Materialien
-
- Ludox LS: Kolloidales Silicasol, das 30 Gew.-% in Wasser
suspendiertes Siliziumoxid enthält,
vertrieben von der Sigma-Aldrich Corporation aus St. Louis, MO.
- Diamant: Diamantpulver von 1 Mikrometer, bezogen von der American
Boarts Crushing Co. Inc. aus Boca Raton, F1.
- SDS: Natriumdiamylsulfosuccinat, erhältlich unter dem Handelsnamen
CYANSOL AY von Cytec Industries aus West Paterson, NJ.
- MEK: Methylethylketon.
-
Beispiel 1
-
Die
Schleifkörper
wurden durch Mischen von 1200 g Ludox LS (bezogen von der Sigma-Aldrich
Corporation aus St. Louis, MO) mit 180 g Diamant mit einer mittleren
Größe von 1
Mikrometer (bezogen von American Boarts Crushing Co. Inc. aus Boca
Raton, F1.) präpariert.
Das Gemisch wird gründlich
30 Minuten lang in einem Ultraschallbad gemischt. Die entstandene
Zuführung
wird in einen Zentrifugalzerstäuber
Mobile Miner 2000 gepumpt, der von der Niro Corporation aus Soeborg,
Dänemark,
bezogen wurde. Das Zerstäuberrad wurde
bei einer Nenndrehzahl von 37500 Umdrehungen/min betrieben. Zum
Trocknen der Teilchen wurde Heißluft
bei einer Temperatur von 200 °C
verwendet. Die am Ausgang aus der Zerstäuberkammer gemessene Auslasstemperatur
wurde auf 95 °C
gehalten. Zur Temperaturregelung wurde der Zuführungsduchfluss verwendet.
Die Teilchen wurden bei einer Temperatur von 500 °C gebrannt.
Die nominelle Raum- und Klopfdichte der Agglomerate ist in Tabelle
2 angegeben.
-
Beispiel 2
-
Es
wurde ein Schleifkörper
wie in Beispiel 1 präpariert,
außer
dass die Aufschlämmung
1200 g Ludox LS, 180 g Diamant mit einer Nenngröße von 1 Mikrometer, 1,8 g
Natriumdiamylsulfosuccinat, das von Cytec Industries aus West Paterson,
NJ, bezogen wurde, und 1,8 g Methylethylketon enthielt. Die nominelle
Raum- und Klopfdichte
der erhaltenen Agglomerate ist in Tabelle 2 angegeben.
-
Beispiel 3
-
Es
wurde ein Schleifkörper
wie in Beispiel 1 präpariert,
außer
dass die Aufschlämmung
1200 g Ludox LS, 180 g Diamant mit einer Nenngröße von 1 Mikrometer, 3,6 g
Natriumdiamylsulfosuccinat, das von Cytec Industries aus West Paterson,
NJ, bezogen wurde, und 3,6 g Methylethylketon enthielt. Die nominelle
Raum- und Klopfdichte
der erhaltenen Agglomerate ist in Tabelle 2 angegeben.
-
Beispiel 4
-
Es
wurde ein Schleifkörper
wie in Beispiel 1 präpariert,
außer
dass die Aufschlämmung
1200 g Ludox LS, 180 g Diamant mit einer Nenngröße von 1 Mikrometer, 5,4 g
Natriumdiamylsulfosuccinat, das von Cytec Industries aus West Paterson,
NJ, bezogen wurde, und 5,4 g Methylethylketon enthielt. Die nominelle
Raum- und Klopfdichte
der erhaltenen Agglomerate ist in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1
Probe | Ludox
LS | 1-Mikrometer-Diamant | SDS | MEK |
Beispiel
1 | 1200
g | 180
g | 0
g | 0
g |
Beispiel
2 | 1200
g | 180
g | 1,8
g | 1,8
g |
Beispiel
3 | 1200
g | 180
g | 3,6
g | 3,6
g |
Beispiel
4 | 1200
g | 180
g | 5,4
g | 5,4
g |
-
Die
Beispiele wurden bezüglich
der Raumdichte getestet. Die Raumdichte wird durch Messung des Gewichtes
eines gegebenen Agglomeratvolumens bestimmt. Die Beispiele wurden
auch bezüglich
der Klopfdichte getestet. Die Klopfdichte wird seinerseits gemessen,
indem ein gegebenes Agglomeratgewicht auf sein Minimalvolumen verdichtet
wird. Die Verdichtung wurde in einem 10ml-Messzylinder unter Verwendung
eines Syntron Jogger (Modell J-1B) vorgenommen, der von der FMC
Corporation aus Homercity PA bezogen wurde. Alle Proben zeigten
nach 4 Vibrationsminuten keine Veränderung im Volumen. Sowohl
die Raumdichtemessungen als auch die Klopfdichtemessungen sind durch
Division des Gewichtes durch das Volumen erhalten worden. Die Raumdichte
und die Klopfdichte sind in Tabelle 2 angegeben.
-
355
g MEK, 4,0 g SDS (verdünnt
auf 50 % Feststoff in MEK), 6,0 g Pylam Liquid Purple Oil LX 11096 (im
Handel erhältlich
von Pylam Products Co, Inc., Tempe, AZ) und 3,0 g Pylam Automate
Blue (im Handel erhältlich von
Pylam Products Co., Inc., Tempe, AZ) wurden in einem Gefäß aus rostfreiem
Stahl gemischt. Die Mischung wurde 10 Minuten lang unter Ultraschallbedingungen
gemischt. Zu der Mischung wurden 500 g der oben genau beschriebenen
Agglomerate hinzugefügt
und verrührt.
Dann wurden 818 g Phenoxy-YP-50S (verdünnt auf 28 % Feststoffanteil
in MEK, im Handel erhältlich
von Tohto Kasai Co., Japan), 47 g Toluol, 280 g eines Neopentylglycol,
Polyepsiloncaprolacton und 4'-Diphenylmethandiisocyanat
enthaltenden Polyurethanharzes (verdünnt auf 35 % Feststoffanteil
in MEK), 40 g eines phosphorylierten Polyalkoxypolyol ("POCA")-Dispergiermittels
gemäß der Beschreibung
in der
US-Patentschrift Nr. 5,028,483 von
Chernega u.a. (verdünnt
auf 75 % Feststoffanteil in MEK) und 142 g Polyisocyanat-Vorpolymer
MRS (im Handel erhältlich
von der Bayer Corp., Pittsburgh, PA) zu der Mischung der Reihe nach
hinzugefügt
und nach jedem Hinzufügen
10 Minuten lang gemischt, um eine Aufschlämmung zu erhalten.
-
Die
Aufschlämmung
wurde auf einen Polyethylenterephthalat-Film von 5 Mil (127 Mikrometer)
aufgeschichtet, der mit einer Aziridin enthaltenden Schicht grundiert
war, wie in der
US-Patentschrift
Nr. 5,057,371 von Canty u.a. beschrieben ist. Das abschließende Beschichtungsgewicht
der getrockneten Lösung
ist 12–15 mg
pro Quadratinch oder ein Bereich von circa 25,4 bis zu circa 30,4
Mikrometer Dicke der getrockneten Lösung. Das beschichtete Schleifmittel
wurde dann in einem Ofen circa 24 Stunden lang bei circa 118 °C ausgehärtet. Das
Schleifblatt wurde dann zu Schleifkörperquadraten (10 cm × 10 cm)
verarbeitet.
-
Das
Testen des aufgeschichteten Schleifmittels wurde durch Abschleifen
eines Wolframkarbidwerkstücks
mit dem Läppfilm
ausgeführt.
Für diesen
Testvorgang wurde eine intern entworfene Rotationsflachläppmaschine
verwendet. Ein Stück
Schleifmittel von 4 Inch × 4
Inch wurde auf der Basis der Maschine befestigt, und ein Werkstück aus Wolframkarbid
wurde in Kontakt mit dem Schleifmittel befestigt. Auf das Werkstück wurde
ein Druck von 38 lb/in2 (262 kPa) ausgeübt, und
der Testzyklus lief bei einer Drehzahl von 300 Umdrehungen/min. über 5000
Umdrehungen. Das Schmiermittel für
den Schleifvorgang war Wasser. Der gesamte Stoffabtrag am Werkstück ist in
Tabelle 2 angegeben.
-
Vergleichsbeispiel C1
-
Die
Agglomerate wurden wie im Beispiel 8 der
US-Patentschrift
Nr. 3,916,584 von Howard hergestellt, mit der Ausnahme,
dass der Diamant im Vergleichsbeispiel C1 ein 1-Mikrometer-Diamant
war. Diese Agglomerate wurden dann hinsichtlich der Raumdichte und
der Klopfdichte getestet. Die Agglomerate wurden wie in den Beispielen
1–4 in
die Form eines Schleifkörpers
gebracht. Der Stoffabtrag wurde dann für mehrfach beschichtete Schleifmittel
gemessen und ein Bereich wurde angezeigt. Die Ergebnisse sind in
der Tabelle 2 dargestellt.
-
Normierte Raumdichte
-
Die
normierte Raumdichte wurde berechnet, indem die Raumdichtemessung
durch die theoretische Dichte dividiert wurde. Die theoretische
Dichte wurde aus der Mischungsregel errechnet
wobei ρ
i die
Dichte der Komponente i, v
i das Volumen
der Komponente i und V das Gesamtvolumen des Agglomerats ist.
-
Für die Dichte
des Diamant wurde 3,5 g/cm
3 verwendet. Für die Dichte
des Siliziumoxids wurde 2,5 g/cm
3 verwendet.
In dem fertiggestellten Agglomerat lagen keine weiteren Materialien
vor. Die theoretische Raumdichte für alle Beispielteilchen ergibt
sich zu 2,75 g/cm
3. Tabelle 2
Probe | Raumdichte | Klopfdichte | Gesamter
Stoffabtrag | Normierte
Raumdichte |
Beispiel 1 | 0,832
g/cm3 | 0,967
g/cm3 | 196
mg | 0,305 |
Beispiel
2 | 0,618
g/cm3 | 0,772
g/cm3 | 154
mg | 0,225 |
Beispiel
3 | 0,579
g/cm3 | 0,697
g/cm3 | 135
mg | 0,211 |
Beispiel
4 | 0,541
g/cm3 | 0,677
g/cm3 | 125
mg | 0,197 |
C1 | 1,046
g/cm3 | 1,189
g/cm3 | 120–169 mg | 0,380 |
-
Es
war überraschend
und unerwartet zu finden, dass die geringere normierte Raumdichte
in den Beispielen dieser Erfindung einen äquivalenten oder besseren Stoffabtrag
ergibt. Außerdem
war es überraschend zu
erkennen, dass die erfindungsgemäßen Körper maßgeschneidert
werden können,
um die Anforderungen an den Stoffabtrag eines gegebenen Prozesses
zu erfüllen.
-
Beispiel 5
-
Die
Agglomerate wurden wie im Beispiel 1 hergestellt. 355 g MEK, 4,0
g SDS (verdünnt
auf 50 % Feststoff in MEK), 6,0 g Pylam Liquid Purple Oil LX 11096
(im Handel erhältlich
von Pylam Products Co., Inc., Tempe, AZ) und 3,0 g Pylam Automate
Blue (im Handel erhältlich
von Pylam Products Co., Inc., Tempe, AZ) wurden in einem Gefäß aus rostfreiem
Stahl gemischt. Die Mischung wurde 10 Minuten lang unter Ultraschallbedingungen
gemischt. Zu der Mischung wurden 500 g der Agglomerate hinzugefügt und verrührt. Dann
wurden 818 g Phenoxy-YP-50S (verdünnt auf 28 % Feststoffanteil
in MEK, im Handel erhältlich
von Tohto Kasai Co., Japan), 47 g Toluol, 280 g eines Neopentylglycol,
Polyepsiloncaprolacton und 4'-Diphenylmethandiisocyanat enthaltenden Polyurethanharzes
(verdünnt
auf 35 % Feststoffanteil in MEK), 40 g eines phosphorylierten Polyalkoxypolyol
("POCA")-Dispergiermittels
gemäß der Beschreibung
in der
US-Patentschrift Nr. 5,028,483 von Chernega
u.a. (verdünnt
auf 75 % Feststoffanteil in MEK) und 142 g Polyisocyanat-Vorpolymer
MRS (im Handel erhältlich
von der Bayer Corp., Pittsburgh, PA) zu der Mischung der Reihe nach
hinzugefügt
und nach jedem Hinzufügen
10 Minuten lang gemischt, um eine Aufschlämmung zu erhalten.
-
Die
Aufschlämmung
wurde auf einen Polyethylenterephthalat-Film von 5 Mil (127 Mikrometer)
aufgeschichtet, der mit einer Aziridin enthaltenden Schicht grundiert
war, wie in der
US-Patentschrift
Nr. 5,057,371 von Canty u.a. beschrieben ist. Die Aufschlämmung wurde
mit 40 Fuß/min.
(12 Meter/Minute) auf 1,7 Mil (43 Mikrometer) aufgeschichtet und
in einem Umluftofen über
eine Gradientenaushärtung
zwischen 180 °F
(82 °C) bis
zu einem Maximum von 245 °F
(118 °C)
in einer Gesamtzeit von 4 Minuten ausgehärtet. Das entstehende Schleifblatt
wurde dann bei 165 °F
(74 °C) über 24 Stunden
nachgehärtet.
Das Schleifblatt wurde dann zu Schleifkörperscheiben mit einem Durchmesser
von 11 cm verarbeitet.
-
Mit
der Schleifkörperscheibe
wurden zuvor gewogene optische Verbinder (ST-Modell) (im Handel
erhältlich
unter dem Handelsnamen 3M ST CONNECTOR TYPE OFNR, 2,5 mm Hülse, von
der 3M Company, Saint Paul, MN) 46 Minuten lang poliert, wobei eine
Seiko OFL 12 verwendet wurde (im Handel erhältlich von Seiko Instruments
USA, Inc., Torrance, CA), die mit einem 60-Duromaß-Stützkissen
und einer Druckeinstellung 1 ausgerüstet ist. Als ein Schmiermittel
wurde entionisiertes Wasser verwendet. Wie in Tabelle 3 ausführlich dargestellt
ist, wurde das Polieren zu bestimmten Zeiten unterbrochen. Die faseroptischen
Verbinder wurden trockengewischt, mit Isopropylalkohol abgewischt,
mit einem faserfreien Tuch getrocknet und erneut gewogen. Die Gesamtmenge
des abgetragenen Materials ist in Tabelle 3 dargestellt.
-
Vergleichsbeispiele C2–C4
-
Der
Vorgang wurde für
die folgenden handelsüblichen
Läppfilme
wiederholt:
Vergleichsbeispiel C2 ist der Diamantläppfilm 3M
1 Mikrometer 662XW TH IMPERIAL (im Handel erhältlich von der 3M Company,
Saint Paul, MN); Vergleichsbeispiel C3 ist der Diamantläppfilm Myco
1 Mikrometer ULTRALAP (im Handel erhältlich von MYCO Precision Abrasive,
Inc., Montgomeryville, PA); und Vergleichsbeispiel C4 ist der Diamantläppfilm ANGSTROMLAP
1 Mikrometer D1 (im Handel erhältlich
vom Fiber Optic Center, New Redford, MA). Die Gesamtmenge des. abgetragenen
Materials ist in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3
Zeit
(Minuten) | Beispiel
5 | Vergleichsbeispiel C2 | Vergleichsbeispiel C3 | Vergleichsbeispiel C4 |
0 | 0
mg | 0
mg | 0
mg | 0
mg |
3 | 1,4
mg | 1,7
mg | 1,1
mg | 1,4
mg |
6 | 2,9
mg | 2,9
mg | 2,4
mg | 2,1
mg |
9 | 4,7
mg | 3,7
mg | 3,5
mg | 2,8
mg |
15 | 8,3
mg | 4,9
mg | 5,5
mg | 3,4
mg |
21 | 12,1
mg | 6
mg | 7,1
mg | 3,8
mg |
27 | 16,5
mg | 6,8
mg | 8,4
mg | 3,9
mg |
33 | 21,5
mg | 6,9
mg | 9,4
mg | nicht
geprüft |
39 | 26,1
mg | nicht
geprüft | 10,7
mg | nicht
geprüft |
45 | 30,5
mg | nicht
geprüft | 12
mg | nicht
geprüft |
-
Die
Tabelle 3 zeigt, dass der Schleifkörper der vorliegenden Erfindung
für längere Zeiten
eine gleichmäßigere Abtragerate
aufweist als die handelsüblichen
Schleifkörper.