防填塞处理 【发明背景】
涂覆磨具常用于研磨各种基材，所述基材可以包括软质的、难以研磨的材料，如涂漆的表面。当研磨这些软质材料时，涂覆磨具不能发挥其最大的潜力，这是由于过早的填塞(loading)。附着是磨屑的聚结现象，它填塞着磨粒之间的空隙，这样就妨碍了磨具能继续有效地研磨工件的基材或表面。磨具工业处理这个问题的方法是使用某些化学化合物，如金属皂(即硬脂酸锌、硬脂酸钙)，作为超上胶(oversize)涂层施加上去，或加到上胶涂层中，后者通常称为第一上胶结涂层。这种施加硬脂酸盐的办法能提供足够的坯料磨削量和防填塞性能。但是，金属硬脂酸盐在工件表面留下表面能低的残留物，这可能会潜在地导致一些后处理问题，例如在以后工件的上漆过程中产生涂层缺陷。
通过测量被研磨基材上的水接触角可以测量这种低表面能材料的污染。处理这个问题的典型办法是使用溶剂擦拭物来清洁被研磨表面，确保最好除去所有污染物，或者用不含硬脂酸盐的磨具来进行研磨。
发明概述
最好是取消用溶剂擦拭物来清洁被研磨表面的步骤，因为这个步骤在上漆工艺中会消耗宝贵的时间和金钱。而不含硬脂酸盐的磨具通常使用寿命不长。
在一个实施方案中，在磨具例如涂覆磨具或复合磨具上施加一层基本上由无机防填塞剂(anti-loading agent)组成的面涂层，所述无机防填塞剂选自金属硅酸盐、二氧化硅、金属碳酸盐和金属硫酸盐。
所述面涂层基本上由无机防填塞添加剂组成，这意味着此层不包含具有有机组分的添加剂，如代表性地常规防填塞添加剂，包括有机酸的金属盐、有机磷酸盐、有机硅酸盐、有机硼酸盐等。但是它不排除含有固化粘合剂组分，它是施涂无机防填塞剂的介质。
所述金属硅酸盐可以选自硅酸镁、硅酸铝钾、硅酸铝和硅酸钙。在一个实施方案中，硅酸镁包括滑石，硅酸铝钾包括云母，硅酸铝包括粘土，硅酸钙包括硅灰石。二氧化硅可以选自熔凝硅石、热解法二氧化硅和沉淀无定形二氧化硅。所述金属碳酸盐可以包括碳酸钙。所述金属硫酸盐可以包括水合硫酸钙或者无水硫酸钙。
所述防填塞剂的莫氏硬度值约小于7，较好约小于3。所述防填塞剂的平均粒度约小于30微米，较好是在约1-20微米的范围内。这使防填塞剂能形成足够小的颗粒，和来自被研磨表面如上漆金属表面的磨屑结合，防止涂覆磨具的表面上磨屑充分地团聚填塞。即是说，防填塞剂颗粒的粒度，使得在使用涂覆磨具研磨上漆表面而产生磨屑时，防填塞剂颗粒释放出来，从而与这种磨屑颗粒结合，并抑制其团聚。
在另一实施方案中，防填塞剂仅存在于涂覆磨具的面层中，较轻的试剂如热解法二氧化硅或滑石的量至少为4g/m2；较致密的试剂如金属硅酸盐的量至少为10g/m2。
防填塞剂较好以分散在粘合剂，例如包含热塑性或可固化热固性树脂的粘合剂中的制剂施涂。例如，所述热塑性树脂可以是胶乳形式，所述热固性树脂可以选自脲醛树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和可辐照固化的树脂体系。
本发明还提供一种磨具，如涂覆或复合磨具，它包括具有第一表面的背衬层、置于背衬层第一表面上的含有许多磨粒的磨料层、和基本上由无机防填塞剂组成的置于含磨料的层上的外层或面层。在一个实施方案中，防填塞剂沉积在固化的上胶涂层上。
本发明也提供形成磨具如涂覆或复合磨具的方法，所述方法包括将包含许多磨粒的层附着在背衬层的第一表面上，并在含磨粒的层上基本上由防填塞剂组成的层。
附图简要说明
从以下本发明一些优选实施方案更具体的说明，可以清楚了解本发明上述目的和其它目的、特征和优点。附图并不一定合乎尺寸比例，只是旨在说明本发明的原理。
该附图显示固体表面上液滴的接触角。
发明详细说明
涂覆磨具通常包括这样的制品，它具有粘附在支承背衬上的许多磨粒，它可以用来研磨或以其他方式磨损向其施加磨具的制体的表面。
涂覆磨具的支承背衬可以是刚性的，但通常是柔性的，通常包括卷材，如纸张、布、纤维垫、聚合物薄膜、硫化纤维，或者这些材料的组合等。在有些用途中，支承背衬首先包括疏松纤维的集合体，往其中加入磨粒和粘合剂材料，但是也可以不加入粘合剂，这样就得到处处含有磨粒的磨具卷材。若不存在粘附的粘合剂的话，对此疏松纤维和磨料的集合体可以压实，或当存在粘合剂时，以其他方式固定或固化，形成涂覆磨具。
磨粒通常可以是任何能研磨工件的材料，它一般包括砂、燧石、金刚砂、金属氧化物(如氧化铝、氧化铝-氧化锆、陶瓷氧化铝)、金刚石、碳化硅、石榴石、红铁粉、紫红氧化铁粉等。磨粒通常具有锐利的边缘以便能作为研磨工具，但是这种锐利边缘的质量和数量取决于用途。磨粒可以嵌在或者混入支承背衬中，但是更通常是用合适的粘合剂材料将其粘附在支承背衬上。磨粒可以以特定的图案或颗粒施加或混入在卷材中，或者无规分布在卷材上。通常，要采取复杂的措施来确保涂覆磨具具有固定的颗粒，在一层或多层中具有合适磨粒切割边缘的分布。
粘合剂材料通常是任何合适的材料，它能将磨粒粘附在支承背衬上，并且能进行研磨过程。典型的粘合剂材料包括酚醛树脂、皮胶、清漆、环氧树脂、丙烯酸酯、多官能丙烯酸酯、脲醛树脂、三官能氨基甲酸酯、聚氨酯树脂、大漆、搪瓷以及任何其它各种能使磨粒稳定粘附在支承背衬上的材料。通常，要仔细选择粘合剂材料，为预期要研磨的表面提供涂覆磨具的最大效率。要仔细选择粘合剂材料，它要能防止由于过热而软化和/或燃烧，并能提供足够的粘合性。
磨粒可以用喷涂或其它方法涂覆上粘合剂材料，沉积在支承背衬上或其周围，或者支承背衬可以先用粘合剂材料涂覆，然后在其上沉积磨粒。在已有技术中已知有许多另外形式的支承背衬、粒状材料、粘合剂材料、将磨粒置于支承背衬上的手段、粘附磨粒的手段等，这些都可视为在本发明的范围内考虑的变化形式。
通常在制造常规涂覆磨具中，在背衬(可以进行或者未进行预处理)上先施涂一层粘合剂树脂的结合(maker)涂层，趁树脂仍是粘的，将磨粒施加到结合涂层上，然后固化所述粘合剂，将磨粒固定就位。然后将基本上包含粘合剂树脂、和任选的填料、研磨助剂等的上胶涂层施涂到磨粒上并固化。上胶涂层的主要作用是将磨粒锚固就位，并在磨粒的研磨能力耗尽之前，使之可以研磨工件，而不会从涂覆磨粒结构上剥落下来。在有些情况下，又将超上胶涂层沉积在上胶涂层上。这超上胶涂层的作用是将添加剂置于涂覆磨粒的表面上，所述超上胶涂层通常，但并不一定，起到将磨粒在涂覆磨具上固定就位的作用。也可以将磨粒分散在可固化的粘合剂中，然后在固化所述粘合剂组分之前将混合物沉积到背衬材料上。
也已知将结构加到这种沉积的磨料/粘结剂制剂中，为加工的表面提供侵入式切削和精细抛光。这种加工的磨料可具有施加到所述表面上的上胶涂层或者甚至是超上胶涂层。它们也是合适的接受本发明外涂层或面涂层的涂覆磨料。
本发明并不涉及结合(maker)涂层上、胶涂层或者(若施涂)超上胶涂层，这是因为该外涂层或面涂层作为涂覆研磨结构的面涂层施涂。施涂在面涂层以下的涂层具有上述的具体功能。本文所述的面涂层具有形成防止缩短许多涂覆磨具使用寿命的碎屑积聚而堵塞的表面。
本发明中，作为涂覆磨料的外涂层或面涂层施涂的防填塞剂可以选自金属硅酸盐、二氧化硅、金属碳酸盐和金属硫酸盐。金属硅酸盐可以选自硅酸镁、硅酸铝钾、硅酸铝和硅酸钙。在一个实施方案中，硅酸镁包括滑石，硅酸铝钾包括云母，硅酸铝包括粘土，硅酸钙包括硅灰石。二氧化硅可以选自熔凝硅石、热解法二氧化硅和沉淀无定形二氧化硅。金属碳酸盐可以包括碳酸钙。金属硫酸盐可以包括水合硫酸钙或者无水硫酸钙。
添加剂可以在粘合剂(随后将进行固化)中的分散体形式，或者以将进行简单干燥让添加剂留在表面上的分散液形式施加。在一个实施方案中，所述粘合剂包括热塑性或热固性树脂。例如，热塑性树脂可以包括胶乳，热固性树脂可以选自脲醛树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和可辐照固化的树脂体系。用某些添加剂，可以获得对表面的粘合性，而不需要分散介质。
由于目的是要在表面上形成防填塞层，添加剂的含量较好达到系统所能容纳的量。当添加剂能直接附着到表面上时，可以无需载体介质而施加。但是对一些添加剂来说，需要粘合剂以确保防填塞剂能有效地粘合到涂布磨料表面上，而不是就靠小物理作用力。因此，有效的制剂可以包含40-100体积％，较好是60-100体积％的无机防填塞剂，其余部分由载体介质如水或可固化的粘合剂提供。对于某些硅酸盐，如可溶于水的碱金属硅酸盐，所述防填塞剂可以以溶液施涂，并在表面上干燥，之后留下一层硅酸盐。这种硅酸盐溶液可以是从PQ Corporaion购得的液体粘结剂，它们可以单独或者作为粘合剂用于本发明的其它无机防填塞剂。
在本发明中，无机防填塞剂在使用过程中看来能释放细颗粒，将研磨过程形成的细磨屑颗粒包覆，防止它们团聚成会产生麻烦的较大颗粒，这些较大颗粒会留在涂覆磨具表面上(称为“填塞”)，降低其研磨效率。这样，可以降低涂覆磨具的填塞现象，而不会导致使用常规含硬脂酸盐的防填塞层引起的一些问题。如前所述，在常规含硬脂酸盐的防填塞层中，有硬脂酸盐这样添加剂；就会在研磨表面上涂上低能量材料薄涂层，使得随后的表面上漆或抛光变得很困难，除非是将这种涂层除去。
在一个实施方案中，本发明的防填塞剂较软，例如，其莫氏硬度值约小于7，较好约小于3。在一个实施方案中，防填塞剂的平均粒度约小于30微米，较好约在1-20微米范围内，因为更细粒度的材料能更好地作为防填塞剂。
可以认为，防填塞剂能提供不填塞性能的一个机理就是防止磨屑颗粒相互附着，由此降低其填塞作用。在研磨过程中会产生细粒磨屑，当没有无机防填塞剂时，这些磨屑往往会形成球粒或大的磨屑，堵在磨粒之间，妨碍有效的研磨，并降低所述涂覆磨具的使用寿命。可以肉眼观察到来自用含硬脂酸盐和不含硬脂酸盐的磨具进行研磨所产生的磨屑外观上的差异。
在本发明中，在施涂以提供研磨表面的面层的制剂中防填塞剂的浓度大于约60体积％，较好大于约70或甚至80体积％。这确保防填塞剂的量足以能有效地形成细粒，防止磨屑团聚。由此施涂的防填塞剂的表面施涂含量(按照干涂层重量计)为2g/m2和以上，如为2-50g/m2，更好是4-30g/m2。但是应意识到，甚至在使用具有相同浓度试剂的类似体积的制剂时，较轻的试剂如云母、二氧化硅或滑石的施涂重量比较致密的试剂如金属硅酸盐更低。
实施例1：不同中值粒度的水合硅酸镁(滑石)
在本实施例和以下实施例中，使用标准的常规涂覆磨具。其背衬材料为A-重量纸，结合涂层和上胶涂层包含脲醛粘合剂。在每种情况下，磨粒都是P320氧化铝。还将包含防填塞添加剂的外涂层施涂到这种基础的涂覆磨具上。在一个情况下，为进行对照不施涂添加剂。在第二种情况下，施涂含有硬脂酸锌的外涂层，在其它三个情况下，所涂覆的涂层是不同粒度的水合硅酸镁(滑石)。添加剂以包含所述体积％添加剂的胶乳和水中的分散液进行施涂。
然后，在一个双行程磨光机上，使用上述涂覆磨具以相互间隔2分钟，接触6次的方式研磨一块丙烯酸树脂板。研磨是以4.5千克(10磅)负载下用12.7厘米(5英寸)涂覆磨具圆盘来进行。记录12分钟总研磨时间后的磨削量，研磨性能以对照磨削量的百分数表示。还测量了平均表面粗糙度Ra(粗糙度的算术平均值)。在下表1中记录所述结果，表明滑石与更常用的硬脂酸锌一样有效。
表1防填塞材料 无 硬脂酸锌 水合硅酸镁 (滑石) 水合硅酸镁 (滑石) 水合硅酸镁 (滑石)项目 基础对 照物 硬脂酸锌 Vertal 1500 Supreme HT Arctic Mist防填塞剂中值粒度 N/A 5.6微米 15微米 7微米 1.9微米干涂层重量(g/m2) N/A 14.80 ～13.32 ～13.32 ～13.32防填塞剂，体积％ N/A 90 81 81 81粘合剂，体积％ N/A 9.05 11 11 11磨削量(％对照) 100％ 136％ 121％ 134％ 137％表面光洁度，Ra(μm) 0.46 0.41 0.46 0.46 0.46
Vertal 1500、Supreme HT和Arctic Mist是从Luzenac america Inc.购得的滑石。
实施例2：不同粒度的Supreme HT即水合硅酸镁(滑石)
下表说明了对于磨粒粒度为P80、P180和P320(分别为表2、表3和表4)的氧化铝涂覆磨具，Supreme HT滑石和硬脂酸锌，以及不用防填塞剂的对照物这三种情况的研磨性能比较。所述测试条件如实施例1中所示。
所述结果显示，与基础对照物比较，加入本发明防填塞剂时磨削量更高，尤其在磨粒粒度更细时。
表2 P80 基础对照物 Witco硬脂酸锌分散液 Supreme HT滑石干涂层重量(g/m2) N/a 14.80 ～13.32防填塞剂体积％ N/a 90 81粘合剂体积％ N/a 9.05 11累积磨削量(g) 21.61 24.43 22.54磨削量，％对照 100％ 113％ 104％Ra(μm) 1.88 1.96 2.05
表3 P180 基础对 照物 Witco硬脂酸锌分散液 Supreme HT滑石干涂层重量(g/m2) N/A 14.80 ～13.32体积％(防填塞剂) N/A 90 81粘合剂体积％ N/A 9.05 11累积磨削量(g) 15.87 23.5 19.76磨削量，％对照 100％ 148％ 125％Ra(μM) 0.84 0.89 0.89
表4 P320 基础对 照物 Witco硬脂酸锌分散液 Supreme HT滑石干涂层重量(g/m2) N/A 14.80 ～13.32体积％(防填塞剂) N/A 90 81粘合剂体积％ N/A 9.05 11累积磨削量(g) 7.75 13.51 12.93磨削量，％对照 100％ 174％ 167％Ra(μm) 0.46 0.41 0.43
实施例3：无定形二氧化硅、硅酸钙(硅灰石)、硅酸铝(粘土)、硅酸铝钾(云母)
使用标准P320粒度A-重量纸质氧化铝常规涂覆磨具。往这种基础涂覆磨具施涂基本上由无定形二氧化硅、硅酸钙(硅灰石)、硅酸铝(粘土)或硅酸铝钾(云母)的防填塞添加剂组成的面涂层。在下表5中列出的研磨结果表明，与基础对照物相比，加有本发明防填塞剂的磨削量较高。
表5 防填塞材料 无定形二 氧化硅 硅酸 钙 无水硅酸 铝(粘土) 水合硅酸 铝(粘土) 水合硅酸铝 钾(云母) 项目 对照 MN-23 硅灰石 Optiwhite Burgess17 Mica 325 干涂层重量(g/m2) N/A 4.44 51.80 7.40 16.28 2.96 防填塞剂体积％ N/A 81 83 80 79 79 粘合剂，体积％ N/A 12 10 12 12 12 磨削量，％对照 100％ 161％ 113％ 179％ 113％ 149％ 表面粗糙度Ra(μm) 0.61 0.51 0.43 0.53 0.61 0.38
MN-23是从Eagle Pitcher购得的无定形二氧化硅。
硅灰石325是从NYCO Minerals，Inc.购得的硅酸钙。
Optiwhite是从Burgess Pigment Company购得的滑石。
Burgess17是从Burgess Pigment Company购得的滑石。
Mica 325是从Oglebay Norton Speciality Minerals购得的云母。
实施例4：硫酸钙(无水的和水合的)
使用标准P320粒度A-重量纸质氧化铝常规涂覆磨具。往这种基础涂覆磨具施涂包含硫酸钙(无水和水合)的防填塞添加剂的超上胶涂层。在下表6中列出的研磨结果表明与基础对照物相比，加有本发明防填塞剂的切削量较高。
表6 防填塞材料 无水硫酸钙 水合硫酸钙项目 基础对 照物 SNOW WHITE TERRA ALBA干涂层重量(g/m2) N/a 34.04 29.60防填塞剂体积％ N/A 76 82粘合剂，体积％ N/A 14 9磨削量，％对照 100％ 153％ 141％表面粗糙度Ra(μm) 0.51 0.41 0.43
SNOW WHITE是从United States Gypsum Company购得的无水硫酸钙。
TERRA ALBA是从United States Gypsum Company购得的水合硫酸钙。
实施例5：研磨之后研磨上漆板的水接触角
用具有实施例1-4所超上胶涂层的P320粒度涂覆磨具对上底漆的板。进行研磨。各涂覆磨具使用相同的研磨步骤。然后，将一滴水滴在刚刚研磨过的各板上和未进行研磨的板上，记录附图所示的接触角(θ)。接触角是液体表面和固体平面之间在接触线位置的角度。接触角越高，表明润湿程度越小。表7中所示的结果清楚地表明，用本发明涂覆磨具研磨过的板的接触角和使用不含防填塞剂的涂覆磨具研磨过的板基本相同或更小。所述具有常规硬脂酸锌防填塞剂的涂覆磨具明显沉积了低表面能的残留物，其存在由很高的水接触角说明。其结果是，施加到这种表面上的漆不容易润湿这种表面，这会导致表面缺陷。
表7 防填塞材料 N/A 硬脂 酸锌 水合硅酸镁 (滑石) 水合硅酸铝 钾(云母) 硅酸 钙 无水硫 酸钙项目 基础对 照物 硬脂 酸锌 Supreme HT Mica325 硅灰 石 SNOW WHITE干涂层重量(g/m2) N/a 14.80 ～7.40-17.76 2.96 51.80 34.04防填塞剂，体积％ N/a 90 81 79 83 76粘合剂，体积％ N/a 9.05 11 12 10 14水接触角(度) 115 140 114 119 86 107
在未进行研磨的板上水接触角为69度。
虽然对照一些优选实施方案已经具体显示和说明了本发明，但是本领域的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求书所包括的本发明范围的条件下可以作出各种形式上和细节上的改变。