成形磨粒及其形成方法
【技术领域】
[0001] 如下涉及成形磨粒，更特别地涉及一种形成成形磨粒的方法和所得粒子。
【背景技术】
[0002] 掺入磨粒的研磨制品可用于各种材料去除操作，包括碾磨、精整、抛光等。取决于 研磨材料的类型，这种磨粒可用于在物品制造中成形或碾磨各种材料。迄今为止已配制具 有特定几何形状的某些类型的磨粒（如三角形磨粒）以及掺入这种物体的研磨制品。参见 例如美国专利 No. 5, 201，916、No. 5, 366, 523 和 No. 5, 984, 988。
[0003] 之前，已使用三种基本技术来制备具有指定形状的磨粒，所述基本技术为熔化、烧 结和化学陶瓷。在熔化过程中，磨粒可由冷却辊、模具或散热材料成形，所述冷却辊的面 可为经雕刻的或未经雕刻的；将熔融材料倒入所述模具中；所述散热材料浸入氧化铝熔体 中。参见例如美国专利No. 3, 377, 660。在烧结过程中，磨粒可由粒度为直径至多10微米的 耐火粉末形成。可将粘结剂连同润滑剂和合适的溶剂添加至粉末中，以形成可成形为具有 各种长度和直径的薄片或棒的混合物。参见例如美国专利No. 3, 079, 242。化学陶瓷技术涉 及将胶体分散体或水溶胶（有时称为溶胶）转化为凝胶或抑制组分的移动性的任何其他物 理状态，干燥，并烧制以获得陶瓷材料。参见例如美国专利No. 4, 744, 802和No. 4, 848, 041。
[0004] 基本（rudimentary)模制过程已公开为可能可用于形成受限形状的磨粒，如公开 于美国专利 No. 5, 201，916、No. 5, 366, 523、No. 5, 584, 896 和美国专利公布 2010/0151195、 2010/0151195中的那些。已公开形成成形磨粒的其他过程，参见例如美国专利 No. 6, 054, 093、No. 6, 228, 134、No. 5, 009, 676、No. 5, 090, 968 和 No. 5, 409, 645。
[0005] 工业持续需要改进的研磨材料和研磨制品。
【发明内容】
[0006] 根据一个方面，一种方法包括在施用区内将混合物施用至成形组件中，在预定力 下引导所述成形组件中所述混合物的喷射材料、从所述成形组件中去除所述混合物，以及 形成前体成形磨粒。
[0007] 根据第二方面，一种方法包括在少于约18分钟内形成前体成形磨粒，其中形成包 括在施用区内将混合物施用至成形组件中，以及从所述成形组件中去除所述混合物，以形 成前体成形磨粒。
[0008] 在另一方面，一种方法包括在施用区内将粘度为至少约4xl03Pa S的混合物挤出 至成形组件中的开口中，以及通过将外力施加至所述混合物而从所述开口中去除所述混合 物，以形成前体成形磨粒。
[0009] 对于另一方面，一种用于形成成形磨粒的系统包括施用区和喷射区，所述施用区 包括成形组件、第一部分、第二部分；所述第一部分具有开口，并构造为填充有混合物；所 述第二部分邻接所述第一部分；所述喷射区包括喷射组件，所述喷射组件构造为朝向所述 成形组件的第一部分中的开口引导喷射材料。
[0010] 根据另一方面，一种用于形成前体成形磨粒的系统可具有至少约〇. Ikg/min/m2 成形表面的批量生产率。
[0011] 在另一方面，一批成形磨粒可包括第一部分，所述第一部分包含具有弯曲轮廓的 成形磨粒。
[0012] 对于另一方面，一种成形磨粒包括具有弯曲轮廓的本体。
[0013] 在又一方面，一种成形磨粒具有包括箭头形状的本体。
【附图说明】
[0014] 通过参照附图，本公开可更好地得以理解，且本公开的许多特征和优点对于本领 域技术人员而言是显而易见的。
[0015] 图1包括根据一个实施例的用于形成成形磨粒的系统的示意图。
[0016] 图2包括根据一个实施例的图1的系统的一部分的图示。
[0017] 图3A-3C包括根据一个实施例的成形磨粒的透视图示。
[0018] 图4包括含有根据一个实施例的成形磨粒的涂布磨料。
[0019] 图5包括含有根据一个实施例的成形磨粒的粘结磨料。
[0020] 图6包括根据一个实施例的成形磨粒的侧视图图像。
[0021] 图7包括根据一个实施例的成形磨粒的侧视图图像。
[0022] 图8包括根据一个实施例的具有飞边的成形磨粒的侧视图的图示。
[0023] 图9包括根据一个实施例的成形磨粒的透视图图像。
[0024] 图10包括根据一个实施例的成形磨粒的俯视图图像。
[0025] 图IlA包括根据一个实施例形成的成形磨粒的俯视图图像。
[0026] 图IlB包括根据一个实施例形成的多个成形磨粒的俯视图图像。
[0027] 图12包括对于常规样品和代表一个实施例的样品，比磨削能相对于累积的经去 除的材料的图。
[0028] 图13包括根据一个实施例形成的多个成形磨粒的俯视图图像。
【具体实施方式】
[0029] 本文的系统和方法可用于形成成形磨粒。成形磨粒可用于各种应用中，包括例如 涂布磨料、粘结磨料、自由磨料，以及它们的组合。各种其他用途可衍生用于成形磨粒。
[0030] 图1包括根据一个实施例的用于形成成形磨粒的系统的图示。如所示，系统100 还可包括冲模103,所述冲模103构造为促进包含于冲模103的贮存器102内的混合物101 递送至成形组件151。形成成形磨粒的过程可通过形成包含陶瓷材料和液体的混合物101 而开始。特别地，混合物101可为由陶瓷粉末材料和液体形成的凝胶，其中所述凝胶可特征 在于为即使在未处理（即未烧制或未干燥凝胶）状态下也具有保持给定形状的能力的形状 稳定材料。根据一个实施例，凝胶可由陶瓷粉末材料形成为分立粒子的整体网络。
[0031] 混合物101可形成为具有固体材料（如陶瓷粉末材料）的特定含量。例如，在一 个实施例中，混合物101可具有高固体含量，包括例如以混合物101的总重量计，至少约 25wt %，如至少约35wt %，至少约42wt %，至少约44wt %，至少约46wt %，至少约48wt %，至 少约50wt%，或甚至至少约51wt%的固体含量。而且，在至少一个非限制性的实施例中，混 合物101的固体含量可不大于约80wt%，不大于约75wt%，如不大于约70wt%，不大于约 65wt %，不大于约60wt %，不大于约58wt %，不大于约56wt %，或甚至不大于约54wt %。应 了解，混合物101中的固体材料的含量可在上述最小百分比和最大百分比中的任意者之间 的范围内。
[0032] 根据一个实施例，陶瓷粉末材料可包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、碳氧化 物、氮氧化物以及它们的组合。应了解，在某些可选择的实施例中，可选择使用陶瓷粉末材 料的前体代替陶瓷粉末材料。前体可为如下材料，所述材料可为粉末形式或不为粉末形式， 并构造为在加工以形成陶瓷材料的过程中改变其组成或物理性质的至少一部分。在特定情 况中，陶瓷材料可包括氧化铝。更具体地，陶瓷材料可包括勃姆石材料，所述勃姆石材料可 为α氧化铝的前体。术语"勃姆石"通常用于表示氧化铝水合物，包括矿物勃姆石（通常 为八1203 420，并具有大约15%的水含量），以及拟薄水铝石（具有高于15%的水含量，如 20-38重量％ )。应注意，勃姆石（包括拟薄水铝石）具有特定且可辨认的晶体结构，并因此 具有独特的X射线衍射图案，且同样可区别于其他铝质材料，所述其他铝质材料包括其他 水合氧化铝，如ATH(氢氧化铝）（用于制造勃姆石颗粒材料的本文所用的常见前体材料）。
[0033] 此外，混合物101可形成为具有液体材料的特定含量。一些合适的液体可包括无 机材料（如水）或各种有机介质（如醇等）。根据一个实施例，混合物101可形成为具有 小于混合物101的固体含量的液体含量。在更特定的情况中，混合物101可具有以混合物 101的总重量计至少约20wt%，如至少约25wt%的液体含量。在其他情况中，混合物101内 的液体量可更大，如至少约35wt%，至少约40wt%，至少约42wt%，或甚至至少约44wt%。 而且，在至少一个非限制性的实施例中，混合物的液体含量可不大于约80wt %，如不大于约 65wt %，不大于约60wt %，不大于约55wt %，不大于约52wt %，不大于约49wt %。应了解， 混合物101中的液体含量可在上述最小百分比和最大百分比中的任意者之间的范围内。
[0034] 此外，为了有利于加工和形成根据本文的实施例的成形磨粒，混合物101可具 有特定的储能模量。例如，混合物101可具有至少约IxlO 4Pa,如至少约4xl04Pa，如至少 约4. 4xl04Pa，至少约5xl04Pa，至少约6xl04Pa，至少约8xl0 4Pa，至少约IOxlO4Pa,至少约 15xl04Pa，至少约20xl0 4Pa，至少约30xl04Pa，或甚至至少约40xl04Pa的储能模量。在至少 一个非限制性的实施例中，混合物101可具有不大于约80xl0 4Pa，不大于约70xl04Pa，不大 于约65xl04Pa，或甚至不大于约60xl0 4Pa的储能模量。应了解，混合物101的储能模量可 在上述最小值和最大值中的任意者之间的范围内。可使用具有Peltier板温度控制系统的 ARES或AR-G2旋转流变仪，经由平行板系统测量储能模量。对于测试，混合物101可在两个 板之间的间隙内挤出，所述两个板设定为彼此分离大约8_。在将凝胶挤出至间隙中之后， 将限定间隙的两个板之间的距离降低至2mm，直至混合物101完全填充板之间的间隙。在擦 去过量的混合物之后，间隙减小0. 1mm，开始测试。测试为使用25-mm平行板且每十进位记 录10个点，在6. 28rad/s(lHz)下使用0. 01%至100%之间的应变范围的仪器设置进行的 振动应变扫描测试。在测试完成之后1小时内，再次减小间隙0.1mm并重复测试。测试可 重复至少6次。第一测试可不同于第二和第三测试。仅应该记录每个试样的来自第二和第 三测试的结果。
[0035] 此外，为了有利于加工和形成根据本文的实施例的成形磨粒，混合物101可具有 特定的粘度。例如，混合物101可具有至少约4xl0 3Pa s，至少约5xl03Pa s，至少约6xl03Pa s，至少约8xl03Pa s，至少约IOxlO3Pa s，至少约20xl03Pa s，至少约30xl03Pa s，至少约 40xl03Pa s，至少约50xl03Pa s，至少约60xl03Pa s，至少约65xl03Pa s的粘度。在至少一 个非限制性的实施例中，混合物101可具有不大于约IOOxlO3Pa s，不大于约95xl03Pa s，不 大于约90xl03Pa s，或甚至不大于约85xl03Pa s的粘度。应了解，混合物101的粘度可在 上述最小值和最大值中的任意者之间的范围内。粘度可以以与如上所述的储能模量相同的 方式进行测量。
[0036] 在至少一个实施例中，为了有利于加工和形成根据本文的实施例的成形磨粒， 混合物101可具有特定的屈服应力。例如，混合物101可具有至少约I. 5xl03Pa，至少 约4xl03Pa，至少约5xl03Pa，至少约6xl0 3Pa，至少约8xl03Pa，至少约10xl03Pa，至少约 12xl0 3Pa，至少约20xl03Pa，至少约30xl03Pa，至少约40xl0 3Pa，或甚至至少约65xl03Pa的 屈服应力。在至少一个非限制性的实施例中，混合物101可具有不大于约l〇〇xl〇 3Pa，不大 于约80xl03Pa，不大于约60xl03Pa，或甚至不大于约50xl0 3Pa的屈服应力。应了解，混合物 101的屈服应力可在上述最小值和最大值中的任意者之间的范围内。屈服应力可以以与如 上所述的储能模量相同的方式进行测量。
[0037] 混合物101的流变学特性可不同于常规混合物和凝胶，如在某些参考文件中描述 的那些。此外，混合物101可形成为具有特定的一种或多种流变学特性（例如粘度、屈服应 力、储能模量等）之间的关系，以有利于成型。特别地，凝胶可显著更"硬"，具有剪切变稀特 性，这可完全不同于在其他成型方法中所用的混合物。
[0038] 此外，混合物101可形成为具有特定含量的有机材料，以有利于加工和形成根据 本文的实施例的成形磨粒，所述有机材料包括例如可不同于液体的有机添加剂。一些合适 的有机添加剂可包括稳定剂、粘结剂，如果糖、鹿糖、乳糖、葡萄糖、UV可固化树脂等。应了 解，混合物中所有材料的总含量（例如陶瓷粉末材料、水、添加剂等）总计达100%且不超过 100%〇
[0039] 特别地，本文的实施例可使用可不同于某些类型的浆料的混合物101。例如，相比 于混合物101内的其他组分，混合物101内的有机材料的含量，特别是上述有机添加剂中的 任意者的含量可为较小量。在至少一个实施例中，混合物101可形成为具有以混合物101 的总重量计不大于约30wt%的有机材料。在其他情况中，有机材料的量可更少，如不大于 约15wt %，不大于约IOwt %，或甚至不大于约5wt %。而且，在至少一个非限制性的实施例 中，混合物101内的有机材料的量以混合物101的总重量计可为至少约0. 5wt%。应了解， 混合物101中的有机材料的量可在上述最小值和最大值中的任意者之间的范围内。在至少 一个可选择的方面，混合物101可基本上不含有机材料。
[0040] 此外，混合物101可形成为具有特定含量的不同于液体的酸或碱，以有利于加工 和形成根据本文的实施例的成形磨粒。一些合适的酸或碱可包括硝酸、硫酸、柠檬酸、盐酸、 酒石酸、磷酸、硝酸铵，和/或柠檬酸铵。根据一个特定实施例，通过使用柠檬酸添加剂，混 合物101可具有小于约5,更特别地在至少约2至不大于约4之间的范围内的pH。或者，酸 性凝胶的流变学可通过使用碱将酸性凝胶转化为碱性凝胶而进一步改变，所述碱例如氢氧 化铵、氢氧化钠、有机胺（如六亚甲基四胺等）。
[0041] 参照图1，混合物101可在冲模103的内部内提供，并配置为被挤出通过设置于冲 模103的一端的模口 105。如进一步所示，挤出可包括在混合物101上施加力180 (或压力）， 以有利于将混合物101挤出通过模口 105。根据一个实施例，可在挤出过程中使用特定压 力。例如，压力可为至少约10kPa，如至少约500kPa，至少约1，OOOkPa，至少约2, OOOkPa，或 甚至至少约3, OOOkPa。而且，在至少一个非限制性的实施例中，在挤出过程中所用的压力可 不大于约10,000奸&，如不大于约8,0001^ &，或甚至不大于约6,0001^&。应了解，用于挤出 混合物101的压力可在上述最小值和最大值中的任意者之间的范围内。此外，在某些情况 中，模口可具有大约3000至4000平方毫米的面积。
[0042] 根据一个实施例，混合物101可具有至少约1800N的盘绕值（coil value)。可 使用质量为30-60克的混合物的样品，在由伊利诺斯州伊塔斯加的新宝仪器公司（Shimpo Instruments，Itasca Illinois)制造的称为新宝压缩测试机的仪器（其被手动压制成直 径为2"的塑料/不锈钢圆筒）上测量盘绕值。在圆筒的挤出端处，具有圆柱形孔的塑料插 入物设定直径通常为2_的压缩挤出物尺寸。活塞滑动至圆筒中，当测试开始时，一旦达到 阈值盘绕力（coil force)，则活塞将挤出凝胶。当圆筒组件在适当位置时，新宝压缩测试机 以95-97mm/min的恒定速率朝向活塞下移力探针。当达到阈值盘绕力时，凝胶被挤出插入 孔，输出计产生峰值力，所述峰值力为盘绕值。在另一实施例中，盘绕值可为至少约1900N， 如至少约2000N，至少约2100N，至少约2200N，或甚至至少约2300N。在一个非限制性的实 施例中，盘绕值可不大于约8000N，如不大于约6000N，或甚至不大于约5000N。通常，用于在 常规丝网印刷和模制过程（如描述于美国专利No. 5, 201，916和No. 6, 054, 093中的过程） 中使用的混合物和凝胶的盘绕值小于约1700N，更通常为大约1000N。因此，相比于常规混 合物，根据本文的实施例的某些混合物可显著更抗流动。
[0043] 如图1进一步显示，系统100可包括成形组件151。成形组件可包括第一部分152 和第二部分153。特别地，在施用区183内，第一部分152可与第二部分153相邻。在更特 定的情况中，在施用区183内，第一部分152可与第二部分153的表面157邻接。系统100 可设计为使得成形组件151的一部分（如第一部分152)可在辊之间平移。第一部分152 可以以环路操作，使得成型过程可连续进行。
[0044] 如所示，系统100可包括施用区183,所述施用区183包括冲模103的模口 105。过 程还可包括将混合物101施用至成形组件151的至少一部分中。在特定情况中，施用混合物 101的过程可包括经由诸如挤出、模制、浇铸、印刷、喷雾和它们的组合的过程而沉积混合物 101。在特定情况中，例如图1所示，混合物101可在方向188上挤出通过模口 105,并挤出 至成形组件151的至少一部分中。特别地，成形组件151的至少一部分可包括至少一个开 口 154。在特定情况中，例如图1所示，成形组件151可包括具有开口 154的第一部分152， 所述开口 154构造为从冲模103接收混合物101。
[0045] 根据一个实施例，成形组件151可包括至少一个开口 154,所述至少一个开口 154 可由一个或多个表面（包括例如至少三个表面）限定。在特定情况中，开口 154可延伸通 过成形组件151的第一部分152的整个厚度。或者，开口 154可延伸通过成形组件151的 整个厚度。而且，在其他可选择的实施例中，开口 154可延伸通过成形组件151的整个厚度 的一部分。
[0046] 简略参照