静电沉积组合物的制作方法

专利名称：静电沉积组合物的制作方法
背景技术：
本发明涉及磨料由于静电工艺而沉积，特别涉及能大幅促进此工艺的组合物。
在通过使磨粒沉积在未固化或部分固化的粘合材料上来制造砂纸的方法中，最常见的沉积工艺包括静电沉积，其中磨粒在静电场的影响下而向上喷射，从而与粘合剂接触。这些通常描述为UP(向上喷射)法。磨料从料斗送到经过沉积部位的移动带，沉积部位由处于移动带下面的带电荷的板(charged plate)，和直接对置和平行的处于移动带上方的接地板(grounded plate)所限定。要沉积上磨粒的基材沿着与移动带平行的路线，并在经过沉积部位时处于移动带上方。带电荷的板和接地板之间产生静电场，导致磨粒朝着基材面向下的表面而向上喷射，从而附着到涂布在基材上的未固化或部分固化的粘合剂上。如果粒度均匀，通常会使磨粒的沉积非常均匀。但是如果磨粒有形成结块的倾向、或不均匀地流动成喷射磨粒的表面，会严重影响沉积的均匀性。当需要极细的粒度时，此问题特别严重。
本发明提供了即使磨粒粒度大小极为细小也能促进要静电沉积的磨粒的自由流动的装置。本发明可用于UP磨粒沉积法的进料装置，或用于使包含磨粒的功能性粉末沉积到述于例如USP 5,833,724中的一种方法的组合物表面，该组合物包含分散在可固化粘合剂中的磨粒。
发明描述本发明提供了可静电喷射的粉末组合物(formulation)，它包含磨粒和二氧化硅粉末，其中磨粒的磨料粒度小于320筛目(grit)，而二氧化硅粉末的含量足以使磨粒的体积电阻率和表面电阻率至少增加50％，但表面电阻率不大于1014欧姆/方(ohms/square)和/或体积电阻率不大于1014欧姆·厘米。优选这些最大电阻率数值分别小于1012欧姆/方和1012欧姆·厘米。
表面和体积电阻率用ASTM D4496和ASTM D2557测量，前者是测量“中等导电材料导电性的直流电阻”的标准试验方法，后者是测量“绝缘材料的直流电阻”的标准试验方法。如果根据本发明使参数之一(体积和表面电阻率)达到令人接受的程度，说明另一参数也达到了令人接受的程度，这样仅仅测量任何一个参数实际上就足够了。
发现电阻率数值与粉末的流动性相关，因此处理后的粉末更易适应砂纸用途中的UP沉积法。但是太低或太高的电阻率都不理想。因此需要控制电阻率以保证获得最佳的结果。添加二氧化硅粉末能有效增加磨粒的电阻率，但电阻率太大会产生可喷射性的问题。因此控制电阻率以获得最佳操作效能是重要的。能获得此操作效能的本发明粉末组合物的显著特征是它们可静电喷射，并具有增强的流动性。
获得所需电阻率数值的方法是，例如通过在磨粒中加入合适的二氧化硅粉末添加剂，其加入量随添加剂而变化。但是，通常通过加入以组合物重量计为0.02-5重量％的添加剂，就能保证本发明粉末的目标电阻率。二氧化硅的优选加入量是以组合物重量计为0.05-3重量％，例如0.1-2重量％。
二氧化硅粉末的粒度优选不大于磨粒的粒度。
二氧化硅可以是任何市售的粉末状二氧化硅产品，例如热解法二氧化硅(fumed silicas)或沉淀二氧化硅(precipitated silicas)。虽然二氧化硅本身有些抗电荷引起的结块，但诸如热解法二氧化硅的有些二氧化硅具有高度的多孔性颗粒结构，这会产生过大的表面积，并因此使这些二氧化硅有时会形成结块。如果热解法二氧化硅遇到这些问题，用诸如六甲基二硅氮烷的添加剂进行处理以增加二氧化硅表面的疏水性和减少它的附聚趋向，在此之后可有效使用。这种处理经常被热解法二氧化硅的工业厂家所使用。即使工业热解法二氧化硅粉末产生附聚，其中所涉及的力是很弱的，并且能被剪切应力轻易破坏。
能有利地使用的合适二氧化硅包括粒度为25微米和BET法表面积为220米2/克的FG-SP FLOW-GARD；粒度为20微米和BET法表面积为130米2/克的FG-AB；粒度为2.0微米和BET法表面积为170米2/克的HI-SILT600；粒度为1.4微米和BET法表面积为150米2/克的HI-SILT-152；(这些都购自PPG Corporation)；和粒度为0.2微米、表面积为220米2/克、和经六甲基二硅氮烷处理的CAB-O-SILTS-530。该产品购自Cabot Corporation。
磨粒可以是例如熔凝或烧结氧化铝、碳化硅、立方氮化硼、金刚石或熔凝氧化铝/氧化锆。但最常用的磨粒基于氧化铝或碳化硅。可用的磨粒粒度不大于320筛目，但最严格不大于P1200筛目的磨粒经常会遇到问题。这等于不大于约25微米的平均粒度。
组合物除了磨粒和二氧化硅粉末以外，还可包含为研磨产物带来特殊性质的功能性添加剂，这些特殊性质如表面润滑性、抗静电性、增强的研磨能力等。这些添加剂与磨粒一起或以与磨粒形成均质混合物的形式掺入。优选它们的粒度也不大于它们所混的磨粒。功能性添加剂的含量可以是以磨粒加添加剂的总重量计为例如5-75％，优选25-60％和最优选30-50％。
本发明的研磨粉末除了具有与本发明相一致的电阻率数值以外，还发现它们对大气中磨粒上的湿气或变化更不敏感。值得注意的是在一些颗粒形式的氧化铝基颗粒的情况下，UP沉积装置周围的相对湿度会非常严重地影响磨粒喷射的效率。但是本发明的磨粒粉末对湿度变化有高得多的耐受性，因此实施本发明可提供显著的额外利益。
所以，本发明还包括包含磨粒和二氧化硅粉末的组合物的UP沉积法，其中磨粒的粒度小于320筛目，更优选小于400筛目，而二氧化硅粉末的含量足以使磨粒表面电阻率和体积电阻率增加至少50％，但表面电阻率不大于1014欧姆/方，优选不大于1012欧姆/方，体积电阻率不大于1014欧姆·厘米，优选不大于1012欧姆·厘米。
本发明还包括含有磨粒与二氧化硅掺混的研磨组合物的UP沉积法，其中磨粒以组合物重量计为0.02-5重量％，二氧化硅的粒度不大于磨粒的粒度。
对于磨粒，根据CAMI分级法表示它的大小，该方法以微米计的具体数值定义平均粒度。对于二氧化硅或其它粉末状添加剂以微米表示粒度，对于体积平均粒度用例如Horiba粒度分析仪来确定。
附1是用于评价添加剂的试验台装置的透视简图。
图2是显示三组规定条件下实施例1中所用流动评价装置中磨粒流动速率的曲线图。
图3所示的是使用本发明组合物所产生的流动改进的柱状图。
图4所示的是实施例2中所得研磨结果的柱状图。
图5所示的是三种不同的氧化铝磨粒在两种相对湿度不同的条件下其加入量对所得研磨粉末体积电阻率的影响的曲线图。
图6是以柱状图形式表示图5的数据。
图7和图8与图5和图6相似，不同的是数据采集自碳化硅磨粒。
优选实施方式的描述下面通过评价一些组合物和掺混了这种组合物的砂纸的研磨效能来描述本发明。因此这些实施例是用于说明的目的，而不对本发明或它于所有情况下的使用范围造成任何实质上的限制。
实施例1为说明本发明组合物的流动性，要设置

图1所示的试验装置。该装置包括适合加料的料斗1，它适于将磨粒送到辊2的外表面，辊2以可控的速度绕平行于料斗轴线的轴旋转，其中料斗和辊表面之间的间隙3是可控的。磨粒沿路线4落到盘子5中。
在上述试验装置的操作中，粉末被送入料斗中，槽口与辊之间的间隙固定，辊以给定速率旋转。以每15秒沉积到盘子中的磨粒克数测量磨粒的流动速率。多次调整辊间隙、辊速和粉末组成，重复此操作。
经过系统的粉末包含P1200筛目氧化铝颗粒和用量不同的沉淀二氧化硅，其中前者与氟硼酸钾的重量份之比为2∶1，而二氧化硅购自PPG Corporation，商品名为FLOW-GARDAB。二氧化硅与磨粒的平均粒度都约为20微米。根据二氧化硅的加入量，组合物的表面电阻率从约109到约1011欧姆/方，体积电阻率从约109到约1011欧姆·厘米。将料斗与辊表面之间的间隙作三次不同的调整，测量15秒内沉积于收集盘中的颗粒量。结果以曲线形式示于图2。从中可见，此系统所得的结果说明二氧化硅添加剂的浓度约为1％时获得了最大流动，它与间隙无关，在不同辊速下重复操作得到相同结果。
用相同的试验装置、但使用40英寸/分钟(约1米/分钟)的固定辊速和设置0.03”、0.04”和0.06”(分别为0.76毫米、1.02毫米和1.52毫米)三种不同的间隙，进行相似的一系列试验，评价相同成分所获得的改进。本发明的每个组合物都包含与相同的P1200氧化铝和氟硼酸钾颗粒混合的2重量％相同二氧化硅。对各组合物和不含二氧化硅的组合物作比较，并且在试验进行前将粉末混合物于100°F下储存3周，以保证最佳的自由流动性。对本发明的产品则不进行这种干燥措施。
结果示于图3，其中以柱状图形式表示相同条件下比不含二氧化硅的组合物增长的百分数(以15秒内粉末沉积的克数计)。柱的长度表示比不含二氧化硅的产品的增长百分数。每条柱上的误差线表示图中所总结的结果的变化程度。由此可预计，间隙越大，显示出的增长越小，因为较宽的间隙会使一些附聚的颗粒通过。但这仍是有影响的。
在氧化铝的粒度大于P1200、但其它参数不变的条件下的评价显示，P1000氧化铝粒度时有显著增长，但低于该程度时试验条件不能足够灵敏地显示明显的增长。此外，由于粒度增加，上述颗粒附聚的问题变得不那么严重了。用装有直径0.1”(2.54毫米)流出孔的漏斗评价流动速率，以检查这种较大的粒度。从中发现流动受阻时，2％加入量的二氧化硅对于增加不大于320筛目粒度的氧化铝的流动速率是有效的。
实施例2在本实施例中，在使用和不用二氧化硅添加剂的情况下评价带有设计表面(engineered surface)的砂纸的研磨效能。由含有氧化铝磨粒的组合物沉积在可紫外线固化的丙烯酸酯类粘合剂树脂中，然后在沉积的组合物表面涂布一层P1200氧化铝磨粒和氟硼酸钾颗粒的重量比为2∶1的粉末来获得经涂布的研磨基材。在组合物上压上重复的图形，并使树脂粘合剂组分固化。制备相同的三个试样，不同的是其中两个磨粒/粘合剂树脂组合物的未固化表面所沉积的粉末层含有二氧化硅，而第三个不含。
然后以16磅/英寸2的压力(用Matchless-B接触轮施加到砂纸的背面)和5000英尺/分钟圆周速度的相对运动速度测试试样在一304不锈钢环上的研磨效能。
本发明的第一个组合物含有BET法表面积为170米2/克和平均粒度约为2微米的沉淀二氧化硅，其含量以粉末重量计为0.08重量％。第二个组合物含有以粉末重量计为0.25重量％的实施例1所用20微米二氧化硅。第三个组合物则不含二氧化硅。
研磨试验的结果示于图4。从中可知，二氧化硅的掺入量对研磨结果的影响很小，即使用极低的浓度仍有益处。
实施例3本实施例的目的是显示二氧化硅添加剂的加入量对所得磨粒粉末的电阻率的影响。在所有情况下，添加剂都是用六甲基二硅氮烷处理过的热解法二氧化硅粉末。该二氧化硅购自Cabot Corporation，商品名为“TS 530”。
进行两组试验。第一组在购自Treibacher AG、商品名如下的氧化铝研磨粉末上进行BFRPL P600(平均粒度为25.8微米的FEPA P-等级)；FRPL P800(平均粒度为21.8微米)；和FRPL P1500(平均粒度为12.6微米)。
第二组试验在购自Saint-Gobain Industrial Ceramics Inc.、商品名如下的碳化硅研磨粉末上进行E299 400(ANSI等级22.1微米)；E299 600(ANSI等级14.5微米)；和E599 P1500(FEPA P-等级，12.6微米)。
在各情况下，都在粉末中加入不同量二氧化硅粉末，并以20％和50％的相对湿度进行测试。此评价的结果示于图5-8。图5和图7中，分别跟踪氧化铝和碳化硅磨粒的电阻率随添加剂百分数的变化。图6和图8以柱状图形式分别表示图5和图7中的数据，作为与不含任何改性剂的磨粒的电阻率测量值的比较。为此，曲线图中记录的电阻率数值要除以相同相对湿度下相同未改性磨粒的电阻率。这能更清楚地说明加入相对适量的二氧化硅添加剂对电阻率的显著改进。
权利要求
1.可静电喷射的粉末组合物，它包含磨粒和二氧化硅粉末，其中磨粒的磨料粒度小于320筛目，而二氧化硅粉末的含量足以使磨粒的体积电阻率和表面电阻率至少增加50％，但表面电阻率不大于1014欧姆/方和/或体积电阻率不大于1014欧姆·厘米。
2.如权利要求1所述的粉末组合物，其特征在于所述的表面电阻率和体积电阻率分别小于1012欧姆/方和1012欧姆·厘米。
3.如权利要求1所述的粉末组合物，其特征在于所述的二氧化硅的加入量以所述的粉末组合物的重量计为0.02-5重量％。
4.如权利要求1所述的粉末组合物，其特征在于所述的二氧化硅选自沉淀二氧化硅、热解法二氧化硅、经处理使二氧化硅颗粒具有疏水表面的热解法二氧化硅；和它们的混合物。
5.如权利要求1所述的粉末组合物，其特征在于所述的二氧化硅颗粒的粒度不大于磨粒的粒度。
6.如权利要求1所述的粉末组合物，其特征在于所述的磨粒不大于P1200筛目。
7.砂纸的制备方法，该方法包括将粉末组合物静电沉积在基材上的步骤，其中所述的粉末组合物含有磨粒和二氧化硅粉末，其中磨粒的粒度小于320筛目，而二氧化硅粉末的含量足以使磨粒的体积电阻率和表面电阻率至少增加50％，但表面电阻率不大于1014欧姆/方和/或体积电阻率不大于1014欧姆·厘米。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述的粉末组合物的表面电阻率和体积电阻率分别小于1012欧姆/方和1012欧姆·厘米。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述的二氧化硅的加入量以所述的粉末组合物的总重量计为0.02-5重量％。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述的二氧化硅选自沉淀二氧化硅、热解法二氧化硅、经处理使二氧化硅颗粒具有疏水表面的热解法二氧化硅；和它们的混合物。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述的二氧化硅颗粒的平均粒度不大于磨粒的平均粒度。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述的磨粒的粒度不大于P1200筛目。
全文摘要
掺入二氧化硅粉末能使细磨粒粉末的体积电阻率控制到不大于10
文档编号B24D3/00GK1377396SQ00813770
公开日2002年10月30日 申请日期2000年8月30日 优先权日1999年10月7日
发明者隋国鑫, S·珀蒂尼 申请人:圣戈本磨料股份有限公司