CN102481683A - 结构化磨料制品及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构化磨料制品，所述结构化磨料制品包括背衬，所述背衬具有设置并固定在其上的结构化磨料层。所述结构化磨料层包括成形磨料复合物，所述成形磨料复合物包含分散在交联聚合物粘合剂中的磨粒和非离子聚醚表面活性剂。所述磨粒的平均粒度小于10微米。所述非离子聚醚表面活性剂未共价键合到所述交联聚合物粘合剂，并且按所述成形磨料复合物的总重量计，其含量为2.5重量％至3.2重量％。所述结构化磨料制品可用于研磨工件。

Description

结构化磨料制品及其使用方法
背景技术
光泽表面(如汽车漆和透明涂层、漆面、光泽塑料等)的表面加工和修补通常通过两步法进行。首先用磨料制品研磨待加工或修补的表面区域，然后在第二步骤中，通过在有抛光膏的条件下磨光而对研磨过的表面进行抛光。
结构化磨料制品，即具有多个与衬底结合的成形磨料复合物的那些磨料制品，被广泛用于第一研磨步骤中。在使用结构化磨料制品的研磨加工过程中，经常将液体如水或切削液加到研磨界面，以延长结构化磨料制品的使用寿命。如果使用水，则通常另外添加表面活性剂。
发明内容
在一方面，本发明提供结构化磨料制品，其包含：
背衬，其具有第一主表面和与之相对的第二主表面；以及
结构化磨料层，其设置并固定在第一主表面上，结构化磨料层包含成形磨料复合物，其中成形磨料复合物包含分散在交联聚合物粘合剂中的磨粒和非离子聚醚表面活性剂，其中磨粒的平均粒度小于10微米，其中非离子聚醚表面活性剂未共价键合到交联聚合物粘合剂，并且其中按成形磨料复合物的总重量计，非离子聚醚表面活性剂的含量为2.5重量％至3.5重量％。
在一些实施例中，按成形磨料复合物的总重量计，非离子聚醚表面活性剂的含量为1.5重量％至2.0重量％。在一些实施例中，成形磨料复合物是精确成形的。在一些实施例中，交联聚合物粘合剂包含丙烯酸类聚合物。在一些实施例中，表面活性剂包含聚环氧乙烷链段。在一些实施例中，表面活性剂包含聚环氧丙烷链段。在一些实施例中，成形磨料复合物还包含阴离子磷酸酯聚醚酯，其中按重量计阴离子磷酸酯聚醚酯的含量小于非离子聚醚表面活性剂的含量。
在一些实施例中，背衬包括聚合物膜。在这些实施例中的某一些中，聚合物膜包含弹性体聚氨酯。
在一些实施例中，背衬包括聚合物泡沫。在一些实施例中，结构化磨料制品还包括直接粘合到第二主表面的附连中间层。在一些实施例中，结构化磨料制品还包括设置在第二主表面上的压敏粘合剂层。
在另一方面，本发明提供了研磨工件的方法，所述方法包括：
在存在含水流体的情况下，使根据本发明的结构化磨料制品的结构化磨料层的至少一部分与工件的表面摩擦接触；以及
使工件或结构化磨料层中的至少一者相对于另一者移动，以研磨所述工件的表面的至少一部分。
有利地，可以将根据本发明的结构化磨料制品用于仅使用自来水而不是表面活性剂溶液的研磨工艺中。另外，与现有的行业接受产品相比，结构化磨料制品中的至少一些表现出改善的研磨性质(例如，切削速率和产品寿命)。
附图说明
图1为根据本发明的示例性结构化磨料制品的横截面侧视图。
具体实施方式
现在参见图1，图中示出了示例性的结构化磨料制品100，其具有设置并固定在背衬110的第一主表面125上的磨料层120。磨料层120包含精确成形的磨料复合物135。每个精确成形的磨料复合物135包含分散在聚合物粘合剂150中的磨粒140、任选的助磨剂颗粒145和表面活性剂(未示出)。每个精确成形的磨料复合物包含按成形磨料复合物的总重量计2.5重量％至3.5重量％的非离子聚醚表面活性剂。如图1所示，任选的附连层界面160设置在背衬110的第二主表面127上，并包括任选的压敏粘合剂层170和任选的毛圈织物175。可以通过任选的压敏粘合剂层(如果存在的话)或通过其他直接接触粘合方法(例如，热层合、缝编法、超声焊接)将任选的毛圈织物175粘合到第二主表面127上。
如本文所用，术语“成形磨料复合物”是指包含磨粒和粘结剂并故意形成非随机形状(例如，棱锥、脊等)，并且通常以规则边界为特征的主体。示例性的形成方法包括浇注和固化法、压印以及模铸。可以根据预定图案(例如以阵列方式)将成形磨料复合物布置在衬底上。在一些实施例中，成形磨料复合物是“精确成形的”。这意味着磨料复合物的形状由相对平滑的构成表面的侧面限定，所述侧面以明确边缘界定和接合，该明确边缘具有清晰的边缘长度和由各面相交而形成的清晰的端点。术语“界定”和“边界”指限制和限定各磨料复合物的实际三维形状的各复合物的暴露的表面和边缘。当在扫描电镜下观察磨料制品的横截面时，很容易看见和辨别这些边界。这些边界将一个精确成形的磨料复合物与其他精确成形的磨料复合物分开并区分，即使这些复合物在其基底处沿公共边相互邻接也不例外。相比之下，在没有精确形状的磨料复合物中，边界和边缘没有明确限定(例如，当磨料复合物在固化完成之前下陷时)。
精确成形的磨料复合物可以是可在磨料层的暴露的表面上形成至少一个凸起特征物或凹槽的任何三维形状。可用的形状包括(例如)立方体、棱柱、椎体(例如，四方锥体或六角锥体)、截椎体、圆锥体、截头圆锥体。也可以采用不同形状和/或尺寸的磨料复合物的组合。结构化磨料的磨料层可以是连续的或不连续的。
关于具有精确成形磨料复合物的结构化磨料制品、及其生产方法的细节可见于(例如)美国专利No.5,152,917(Pieper等人)；5,435,816(Spurgeon等人)；5,672,097(霍普曼(Hoopman))；5,681,217(霍普曼(Hoopman)等人)；5,454,844(希巴德(Hibbard)等人)；5,851,247(Stoetzel等人)；以及6,139,594(Kincaid等人)。
通常，根据预定的图案或阵列将成形磨料复合物布置在衬底上，但这并非必要条件。成形磨料复合物可布置为使得其一些工作表面从磨料层的抛光表面凹进。
对于精加工应用，磨料层中成形磨料复合物的密度通常在每平方英寸至少1,000、10,000、或甚至至少20,000个磨料复合物(例如，每平方厘米至少150、1,500、或甚至7,800个磨料复合物)直到并包括每平方英寸50,000、70,000、或甚至多达100,000个磨料复合物(直到并包括每平方厘米7,800、11,000、或甚至多达15,000个磨料复合物)的范围内，但是也可采用更大或更小密度的磨料复合物。
在另一个实施例中，可以通过使包含可聚合型粘结剂前体、表面活性剂和磨粒的浆料涂覆通过与衬底接触的筛网，来制备结构化磨料制品。在此实施例中，然后通常在浆料还存留在筛网的开口中时，使浆料进一步聚合(例如，通过暴露在能量源中)，由此形成许多形状大体上与筛网开口对应的成形的磨料复合物。关于这种类型的筛网涂布的结构化磨料的细节可见于(例如)美国专利申请No.2001/0041511(Lack等人)。
在另一个实施例中，可以将包含可聚合型粘结剂前体、表面活性剂、磨粒和硅烷偶朕剂的浆料以形成图案的方式置放在衬底上(例如通过丝网印刷或凹版印刷)，部分聚合使得涂布浆料的至少表面具有塑性但是不能流动，在部分聚合的浆料成分上形成凸形花纹，并且随后进一步聚合(例如通过暴露于能量源下)，以形成附着于衬底的多个成形磨料复合物。制备此类压印结构化磨料制品的一般方法在(例如)美国专利5,833,724(魏(Wei)等人)；5,863,306(魏(Wei)等人)；5,908,476(西尾(Nishio)等人)；6,048,375(杨(Yang)等人)；6,293,980(魏(Wei)等人)；和美国专利申请公开2001/0041511(Lack等人)中有所描述。
根据可与其连接的任何支撑垫的特定形状而定，结构化磨料制品可为任何形状，例如圆形的(例如盘形)、椭圆形的、或矩形的(例如片形)，或者其可形成环带。结构化磨料制品可在其中具有狭槽或狭缝，并且可以具有穿孔(例如，打孔的盘)，和/或可以具有扇形边缘。
各个成形磨料复合物包含分散在聚合物粘合剂中的磨粒和表面活性剂。
研磨领域内已知的任何磨粒都可以包含在磨料复合物内。可使用的磨粒的例子包括氧化铝、熔融氧化铝、热处理过的氧化铝、陶瓷氧化铝、碳化硅、绿色碳化硅、氧化铝-氧化锆、二氧化铈、氧化铁、石榴石、金刚石、立方氮化硼、及其组合。对于修理和精修应用而言，可用的磨粒尺寸通常在以下范围内：其平均粒度从至少0.01、1、3或甚至5微米到至多并包括35、100、250、500或甚至高达1,500微米，不过也可以采用超出此范围的粒度。通常优选的是尺寸在3至7微米范围内、具有磨料行业专用标称等级的碳化硅磨粒。通常，按成形磨料复合物的总重量计，磨料复合物中包含的磨粒量为50重量％至70重量％。
可用于磨料复合物中的聚合物粘合剂的例子包括：热塑性树脂，例如聚酯、聚酰胺、及其组合；热固性树脂，例如，酚醛树脂、氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂、丙烯酸化异氰脲酸酯树脂、氰酸酯树脂、脲醛树脂、异氰脲酸酯树脂、丙烯酸化聚氨酯树脂、丙烯酸化环氧树脂、胶、及其组合；以及上述组合。
就热固性树脂而言，通常通过聚合和/或固化粘结剂前体来制备粘结剂。一种优选的粘结剂前体为通过自由基机制聚合的树脂或树脂混合物。通过将粘结剂前体以及合适的催化剂暴露于能量源(如热能或辐射能)引发聚合过程。辐射能的例子包括电子束、紫外光或可见光。
自由基固化性树脂的例子包括丙烯酸酯化聚氨酯、丙烯酸化环氧树脂、丙烯酸酯化聚酯、烯键式不饱和单体、具有不饱和羰基侧基的氨基塑料单体、具有至少一个丙烯酸酯侧基的异氰脲酸酯树脂单体、具有至少一个丙烯酸侧基的异氰酸酯单体，以及它们的混合物和组合。如本文所用，术语“(甲基)丙烯酸酯”包括单独的或结合的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
一种示例性的粘结剂前体包含氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物，或者氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物与烯键式不饱和单体的共混物。优选的烯键式不饱和单体为单官能的(甲基)丙烯酸酯单体、双官能的(甲基)丙烯酸酯单体、三官能的(甲基)丙烯酸酯单体或它们的组合。
烯键式不饱和单体的代表性例子包括(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、苯乙烯、二乙烯基苯、(甲基)丙烯酸羟乙基酯、(甲基)丙烯酸羟丙基酯、(甲基)丙烯酸羟基丁酯、乙烯基甲苯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、二(甲基)丙烯酸己二醇酯、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、三(甲基)丙烯酸甘油酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯和季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯。其他烯键式不饱和单体或低聚物包括单烯丙基酯、多烯丙基酯、和多甲基烯丙基酯以及羧酸的酰胺，如，邻苯二甲酸二烯丙酯、己二酸二烯丙酯、和N，N-己二烯己二酰二胺。其他含氮化合物包括三(2-丙烯酰氧乙基)异氰脲酸酯、1，3，5-三(2-甲基丙烯酰氧乙基)-s-三嗪、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N，N-双甲基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基哌啶酮。
市售丙烯酸酯化聚氨酯的例子包括商品名如下的那些：得自HenkelCorp.(Hoboken，NJ)的PHOTOMER(例如，PHOTOMER 6010)；得自UCB Radcure(Smyrna，GA)的EBECRYL(例如，EBECRYL 220(分子量为1000的六官能芳香族氨基甲酸酯丙烯酸酯)、EBECRYL 284(分子量为1200克/摩尔、用二丙烯酸1，6-己二醇酯稀释的脂族氨基甲酸酯二丙烯酸酯)、EBECRYL 4827(分子量为1600克/摩尔的芳香族氨基甲酸酯二丙烯酸酯)、EBECRYL 4830(分子量为1200克/摩尔、用二丙烯酸四乙二醇酯稀释的脂族氨基甲酸酯二丙烯酸酯)、EBECRYL 6602(分子量为1300克/摩尔、用三羟甲基丙烷乙氧基三丙烯酸酯稀释的三官能芳香族氨基甲酸酯丙烯酸酯)和EBECRYL 840(分子量为1000克/摩尔的脂族氨基甲酸酯二丙烯酸酯))；得自Sartomer Co.(West Chester，PA)的SARTOMER(例如，SARTOMER 9635、9645、9655、963-B80和966-A80)；以及得自Morton International(Chicago，IL)的UVITHANE(例如，UVITHANE782)。
丙烯酸改性环氧树脂为环氧树脂的丙烯酸酯，例如双酚A环氧树脂的二丙烯酸酯。市售丙烯酸改性环氧树脂的例子包括以商品名CMD 3500、CMD 3600和CMD 3700得自UCB Radcure，和以商品名CN103、CN104、CN111、CN112和CN114得自Sartomer Co.的那些。
聚酯丙烯酸酯的例子包括以商品名PHOTOMER 5007和PHOTOMER5018得自Henkel Corp.的那些。
氨基塑料单体具有至少一个α-β-不饱和羰基侧基。这些不饱和的羰基基团可以是丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或丙烯酰胺型基团。这类材料的例子包括N-羟甲基丙烯酰胺、N，N′-氧基二亚甲基双丙烯酰胺、邻位丙烯酰胺甲基化苯酚及对位丙烯酰胺甲基化苯酚、丙烯酰胺甲基化线型酚醛树脂、以及它们的组合。
根据粘结剂前体固化或聚合的方式，粘结剂前体还可以包含有效量的一种或多种可固化粘结剂前体的固化剂(例如，催化剂、硬化剂、热引发剂和/或光引发剂)，其含量通常至多为粘结剂前体的约10重量％。
就自由基固化剂而言，当其暴露于合适的能量源时，它们可生成引发聚合反应的自由基。自由基光引发剂通常是优选的，并且是众所周知的，其可得自(例如)Sartomer Corp.和Ciba Specialty Chemicals(Tarrytown，NY)之类的供应商。示例性的光引发剂包括苯偶姻及其衍生物，如α-甲基苯偶姻；α-苯基苯偶姻；α-烯丙基苯偶姻；α-苯甲基苯偶姻；苯偶姻醚，如苯偶酰二甲基缩酮(例如，以商品名IRGACURE 651得自Ciba SpecialtyChemicals)、苯偶姻甲醚、苯偶姻乙醚、苯偶姻正丁醚；苯乙酮及其衍生物，例如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(例如，以商品名DAROCUR 1173得自Ciba Specialty Chemicals)、1-羟基环己基苯基酮(例如，以商品名IRGACURE 184得自Ciba Specialty Chemicals)、2-甲基-1-[4-(甲硫基)苯基]-2-(4-吗啉基)-1-丙酮(例如，以商品名IRGACURE 907得自CibaSpecialty Chemicals)和2-苄基-2-(二甲基氨基)-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮(例如，以商品名IRGACURE 369得自Ciba Specialty Chemicals)。
其他可用的光引发剂包括(例如)4-羟基-2，2，5，5-四甲基己-3-酮乙醚(pivaloin ethyl ether)、茴香偶姻乙醚、蒽醌(例如，蒽醌、2-乙基蒽醌、1-氯蒽醌、1，4-二甲基蒽醌、1-甲氧基蒽醌或苯并蒽醌)、卤甲基三嗪化合物、二苯甲酮及其衍生物、碘鎓盐和锍盐、钛复合物，例如双(η5-2，4-环戊二烯-1-基)-双[2，6-二氟-3-(1H-吡咯-1-基-)苯基]钛(例如，以商品名CGI784DC得自Ciba Specialty Chemicals)；卤甲基硝基苯(例如，4-溴甲基硝基苯)、单酰基膦和双酰基膦(例如，以商品名IRGACURE 1700、IRGACURE 1800、IRGACURE 1850和DAROCUR 4265得自Ciba SpecialtyChemicals)。
可以与光引发剂一起加入一种或多种增敏剂(例如染料)，例如，以便提高光引发剂对具体光化辐射源的灵敏度。
另一种粘结剂前体包含环氧树脂。环氧树脂具有通过开环反应聚合的环氧乙烷环。此类环氧树脂包括环氧树脂单体和聚合物型环氧树脂。某些优选环氧树脂的例子包括2，2-双-4-(2，3-环氧丙氧基)-苯基)丙烷、双酚的二缩水甘油醚，如得自Resolution Performance Products(Houston，TX)的EPON828、EPON 1004和EPON 1001F，和得自Dow Chemical Co.(Midland，MI)的DER-331、DER-332和DER-334。其他合适的环氧树脂包括购自DowChemical Co的环脂族环氧树脂、线型酚醛树脂(phenol formaldehyde novolac)的缩水甘油醚(例如，DEN-431和DEN-428)。
可用的环氧树脂的硬化剂包括(例如)双氰胺和/或二咪唑类。
为了促进上述粘结剂树脂与磨粒之间的结合桥接，在磨粒与可固化或可聚合型前体的浆料中包括硅烷偶联剂，其量通常为约0.01重量％到5重量％，更通常为约0.01重量％到3重量％，更通常为约0.01重量％到1重量％，但根据例如磨粒的粒径也可使用其他的量。
合适的硅烷偶联剂包括(例如)γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、三(2-甲氧基乙氧基)乙烯基硅烷、3，4-环氧环己基甲基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷(例如，分别以商品名A-174、A-151、A-172、A-186、A-187和A-189得自Dow Chemical Co.)；烯丙基三乙氧基硅烷、二烯丙基二氯硅烷、二乙烯基二乙氧基硅烷和m，p-苯乙烯基乙基三甲氧基硅烷(例如，分别以商品名A0564、D4050、D6205和S 1588购自United Chemical Industries(Bristol，PA))；二甲基二乙氧基硅烷、二羟基二苯基硅烷；三乙氧基硅烷；三甲氧基硅烷；三乙氧基硅烷醇；3-(2-氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷；甲基三甲氧基硅烷；乙烯基三乙酰氧基硅烷；甲基三乙氧硅烷；四乙基原硅酸酯；四甲基原硅酸酯；乙基三乙氧基硅烷；戊基三乙氧基硅烷；乙基三氯硅烷；戊基三氯硅烷；苯基三氯硅烷；苯基三乙氧基硅烷；甲基三氯硅烷；甲基二氯硅烷；二甲基二氯硅烷；和类似的化合物；以及它们的混合物。
成形磨料复合物可以任选地包含其他成分，例如分散剂、填料、颜料、助磨剂、光引发剂、硬化剂、固化剂、稳定剂、抗氧化剂和光稳定剂。
合适的任选助磨剂包括颗粒物质，所述颗粒物质的加入显著地影响研磨的化学和物理过程，使性能得到提高。具体地讲，助磨剂可以1)减小磨粒与被研磨工件之间的摩擦，2)防止磨粒“帽化”(即，防止金属颗粒焊接到磨粒的顶部)，3)降低磨粒与工件之间的界面温度和/或4)减小研磨力。通常，加入助磨剂可增加带涂层的磨料制品的使用寿命。助磨剂涵盖众多不同的材料，可以是无机或有机基的。
助磨剂的例子包括蜡、有机卤化化合物、卤化物盐和金属以及它们的合金。有机卤化物通常在研磨过程中分解，释放卤氢酸或气态卤化物。这些材料的例子包括氯化石蜡，例如四氯化萘、五氯化萘；和聚氯乙烯。卤化物盐的例子包括氯化钠、钾冰晶石、钠冰晶石、铵冰晶石、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾、氯化镁。金属的例子包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁、和钛。其他助磨剂的例子包括硫、有机硫化合物、石墨、和金属硫化物。也可以使用不同助磨剂的组合。以上提及的助磨剂的例子旨在作为助磨剂的代表性描述，并非要涵盖所有助磨剂。
按成形磨料复合物的总重量计，存在于成形磨料复合物中的聚醚非离子表面活性剂的量在2.5重量％至3.5重量％范围内。例如，在一些实施例中，按成形磨料复合物的总重量计，存在于成形磨料复合物中的聚醚非离子表面活性剂的量在2.5重量％至3.0重量％范围内，在一些实施例中，存在于成形磨料复合物中的聚醚非离子表面活性剂的量在2.8重量％至3.2重量％范围内。如本文所用，术语聚醚非离子表面活性剂是指一种或多种具有聚醚链段的非离子(即，不具有永久电荷)表面活性剂，其中聚醚链段通常形成表面活性剂主链的至少一部分，但这并非必要条件。就表面活性剂的通常情况而言，聚醚非离子表面活性剂不应共价键合到交联聚合物粘合剂上。为了便于溶解到含水流体中，聚醚非离子表面活性剂的分子量通常在300-1200克/摩尔的范围内，但也可以使用更高和更低的分子量。
聚醚非离子表面活性剂的例子包括聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基-苯基醚、聚氧乙烯酰基酯、聚氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯烷基酰胺、聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯十六烷基醚、聚氧乙烯硬脂基醚、聚氧乙烯油烯基醚、聚氧乙烯辛基苯基醚、聚氧乙烯壬基苯基醚、聚乙二醇月桂酸酯、聚乙二醇硬脂酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯、聚乙二醇油酸酯、氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物、聚氧乙烯脱水山梨糖醇月桂酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇硬脂酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇油酸酯和聚氧乙烯月桂酰胺。
可用的聚醚非离子表面活性剂还包括(例如)高脂肪醇与约3当量至约100当量环氧乙烷的缩合产物(例如，由Dow Chemical Co.以商品名TERGITOL 15-S销售的那些，例如TERGITOL 15-S-20；以及由ICIAmericas(Bridgewater，NJ)以商品名BRIJ销售的那些，例如BRIJ 58、BRIJ76和BRIJ 97)。BRIJ 97表面活性剂是聚氧乙烯(10)油烯基醚；BRIJ 58表面活性剂是聚氧乙烯(20)鲸蜡基醚；BRIJ 76表面活性剂是聚氧乙烯(10)硬脂基醚。
可用的聚醚非离子表面活性剂还包括(例如)烷基酚与约3当量至约100当量环氧乙烷的聚氧化乙烯缩合物(例如，由Rhodia(Cranbury，NJ)以商品名IGEPAL CO和IGEPAL CA销售的那些)。IGEPAL CO表面活性剂包括壬基苯氧基聚(乙烯氧基)乙醇。IGEPAL CA表面活性剂包括辛基苯氧基聚(乙烯氧基)乙醇。
可用的聚醚非离子表面活性剂还包括(例如)环氧乙烷和环氧丙烷或环氧丁烷的嵌段共聚物(例如，由BASF Corp.(Mount Olive，NJ)以商品名PLURONIC(例如，PLURONIC L10)和TETRONIC销售的那些)。PLURONIC表面活性剂可以包括环氧丙烷聚合物、环氧乙烷聚合物和环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物。TETRONIC表面活性剂包括环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物。
可用的聚醚非离子表面活性剂还包括(例如)聚氧乙烯脱水山梨糖醇脂肪酸酯(例如，聚氧乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯，其可以具有不同的乙氧基化度，例如，20个环氧乙烷单元/分子(例如，以TWEEN 60销售的)或20个环氧乙烷单元/分子(例如，以TWEEN 80销售的))和聚氧乙烯硬脂酸酯(例如，由Uniqema(New Castle，DE)以商品名TWEEN和MYRJ销售的那些)。TWEEN表面活性剂包括聚(氧化乙烯)C12-C18脱水山梨糖醇单酯。MYRJ表面活性剂包括聚(氧化乙烯)硬脂酸酯。
在一些实施例中，聚醚非离子表面活性剂是研磨过程中成形磨料复合物或含水流体中存在的唯一表面活性剂。在一些情况下，可能有利的是加入较少量的阴离子表面活性剂，例如以商品名TRITON H55得自DowChemical Co的阴离子磷酸酯聚醚酯。
可用的背衬包括(例如)膜背衬和泡沫背衬。
合适的膜背衬包括聚合物膜和涂底漆的聚合物膜，尤其是磨料领域中所用的那些。可用的聚合物膜包括(例如)聚酯膜(例如，涂有乙烯-丙烯酸共聚物底漆的聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚烯烃膜(例如，聚乙烯或聚丙烯膜)和弹性聚氨酯膜。膜背衬可以是两种聚合物膜的层合物。可用于形成膜的弹性体聚氨酯的例子包括以商品名ESTANE得自B.F.Goodrichand Co.(Cleveland，OH)的那些以及美国专利No.2,871,218(Schollenberger)；3,645,835(Hodgson)；4,595,001(Potter等人)；5,088,483(Heinecke)；6,838,589(Liedtke等人)；和RE 33,353(Heinecke)中所述的那些。涂有压敏粘合剂的聚氨酯弹性体膜可以商品名TEGADERM购自3M公司。可用的聚合物膜的厚度通常为约0.02至约0.5毫米，例如，0.02毫米至0.1毫米；但这并非必要条件。
可用的聚合物型泡沫包括开孔和闭孔聚合物型泡沫，它们通常是可压缩和有回弹性的。可用的聚合物型泡沫包含诸如氯丁二烯橡胶泡沫、乙烯/丙烯橡胶泡沫、丁基橡胶泡沫、聚丁二烯泡沫、聚异戊二烯泡沫、EPDM聚合物泡沫、聚氨酯泡沫、乙烯-醋酸乙烯泡沫、氯丁橡胶泡沫以及苯乙烯/丁二烯共聚物泡沫之类的有回弹性的泡沫。可用的泡沫还包含诸如聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚丁烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚酰胺泡沫、聚酯泡沫、增塑聚氯乙烯(也就是PVC)泡沫之类的热塑性泡沫。可用的开孔泡沫例子包括以商品名R 200U、R 400U、R 600U和EF3-700C得自Illbruck，Inc.(Minneapolis，MN)的聚酯聚氨酯泡沫。
可用的泡沫背衬的厚度通常为约1至约15毫米；但这并非必要条件。.
背衬可以在其背表面上具有附连中间层，以将磨料制品固定到支撑垫或支持垫上。这种附连系统部件可为例如压敏粘结剂或胶带、用于粘扣结合的环织物、用于粘如结合的钩结构、或交叉结合系统。与此类附连系统相关的其他详细信息可见于(例如)美国专利No.5,152,917(Pieper等人)；5,454,844(希巴德(Hibbard)等人)；5,672,097(霍普曼(Hoopman))；5,681,217(Hoopman等人)；以及美国专利申请公开No.2003/0143938A1(Braunschweig等人)和2003/0022604A1(Annen等人)。
可以通过以下步骤制备结构化磨料制品(尤其是具有精确成形磨料复合物的那些)：形成磨粒和上述粘结剂树脂的可固化或可聚合前体(即粘结剂前体)的浆料，使该浆料与背衬接触，并且以某种方式(例如，通过暴露于能量源)固化和/或聚合粘结剂前体，使得所得的结构化磨料制品具有多个附连到背衬上的成形磨料复合物。能量源的例子包括热能和辐射能(例如，包括电子束、紫外光和可见光)。
例如，在一些实施例中，可以将浆料直接涂布在其中具有精确成形腔的生产工具上，并使其接触背衬，或者涂布在背衬上并使其接触生产工具。在此实施例中，然后通常在浆料存留于生产工具的腔体中的同时使其凝固或固化。
固化条件的选择通常取决于所用的具体粘结剂前体，并且在本领域普通技术人员的能力范围内。通常，重要的是获得基本上完全的固化，以便完全实现本发明的有益效果。也就是说，相同温度和/或波长下的额外固化不会显著改变研磨性能。如果固化程度较低，磨料复合物往往会更快地分解，并且通常需要更少的表面活性剂；然而，在这种较低固化程度下总体研磨性能通常会降低。
通常，可以经过一段时间(例如，至少约24小时)再使用结构化磨料制品进行研磨加工，但这并非必要条件。在一些情况下，如果未经过老化就使用结构化磨料制品进行研磨加工，研磨性能会降低。
工件可以包括任何材料并且可以具有任何形状。合适的材料的例子包括陶瓷、漆料、热塑性或热固性聚合物、聚合物涂料、多晶硅、木材、大理石，以及它们的组合。基板形式的例子包括模制的和/或成形制品(例如光学透镜、机动车车身板、艇身、柜台、和水槽)、晶片、片材、和块状物。根据本发明的方法尤其可用于修整和/或打磨聚合物材料，如机动车辆油漆和透明涂层(例如，汽车透明涂层)，其例子包括：聚丙烯酸类-多元醇-多异氰酸酯组合物(例如，如美国专利5,286,782(Lamb等人)中所述)；羟基官能化丙烯酸类-多元醇-多异氰酸酯组合物(例如，如美国专利No.5,354,797(Anderson等人)中所述)；多异氰酸酯-碳酸酯-三聚氰胺组合物(例如，如美国专利No.6,544,593(Nagata等人))中所述)；高固体聚硅氧烷组合物(例如，如美国专利No.6,428,898(Barsotti等人)中所述)。一种合适的透明涂层包括分散在交联聚合物中的纳米级二氧化硅粒子。该透明涂层的例子可以商品名CERAMICLEAR得自PPG Industries(Pittsburgh，PA)。可以根据本发明进行修整和/打磨的其他合适的材料包括海洋凝胶涂层、聚碳酸酯镜片、由合成材料制成的工作台面和洗碗池，例如，由E.I.du Pont de Nemours and Company(Wilmington，DE)以DUPONTCORIAN销售的那些。
在根据本发明的结构化磨料制品的典型用法中，使磨料层与工件的表面摩擦接触，然后使结构化磨料制品或工件中的至少一者相对于另一者移动，以研磨工件的至少一部分。为了便于移除表面上的尘屑(即，工件研磨过程中产生的松散粉尘和碎屑)，应在存在含水流体的情况下进行该工序。如本文所用，术语“含水的”是指包含至少30重量％的水。通常，液体包含至少90重量％或甚至至少95重量％的水。例如，液体可以包含(或由其组成)市政自来水或井水。研磨期间，含水液体会包含从结构化磨料制品中溶解出来的非离子聚醚表面活性剂。不希望受理论的限制，据信这会减少结构化磨料制品上的不利的尘屑负载量(例如，相邻成形磨料复合物之间的尘屑积聚)并有利于成形磨料复合物的磨损，其可延长切削寿命。
如果需要，含水流体可以包含除水以外的附加组分，例如，水溶性有机溶剂(例如，醇，如乙醇、2-乙氧基乙醇，包括多元醇，如丙二醇和/或聚醚，如二甘醇二甲醚)、表面活性剂，以及助磨剂。有利的是，含水流体可以不含除非离子聚醚表面活性剂以外的其他表面活性剂，但这并非必要条件。在实施过程中，可以将含水流体涂覆到工件的表面、磨料层或两者上。
可以使用研磨领域中已知的任何方法手动地或通过机械装置(例如电动或气动马达)使结构化磨料制品相对于工件移动。结构化磨料制品可以按可拆装的方式固定在支撑板上(如使用磨盘方式的一般操作)或者可在没有支撑板条件下使用(例如，在使用磨带的情况下)。
一旦使用结构化磨料制品的研磨完成，通常将工件漂洗(例如用水)，以除去研磨加工过程中产生的残余物。在漂洗之后，可使用例如与磨光垫结合的抛光膏对工件进一步抛光。这种可任选的抛光膏通常在液体介质中包含细磨粒(例如平均粒径小于100微米、小于50微米、或甚至小于25微米)。关于抛光膏和抛光方法的其他详细信息在例如美国专利申请公开No.2003/0032368(Hara)中有所描述。
通过以下非限制性实例进一步说明了本发明的目的和优点，但这些实例中所述的具体材料及其用量、以及其他条件和细节不应视为对本发明进行不当限定。
实例
除非另有说明，否则在实例以及说明书其他部分中的所有的份数、百分数、比率等均按重量计。
在下列实例中使用了以下缩写：
“ABR1”是指以商品名3M TRIZACT FILM 466LA，A5DISC得自3M公司(Saint Paul，MN)的结构化磨盘，其具有由密集的四面体形磨料复合物的交错阵列组成的磨料层，每个四面体形磨料复合物的底宽为92微米，高为63微米，并且该四面体形磨料复合物由分散在聚合物粘合剂内的绿色碳化硅磨粒(平均粒度为4.0微米)构成；
“ABR2”是指以商品名3M TRIZACT FILM 460LA，A5DISC得自3M公司的结构化磨盘，其具有密集的34度交替螺旋切削的11×11行锥形阵列的磨料层，该锥形阵列的底宽为3.3密耳×3.3密耳(83.8×83.8微米)，深度为2.5密耳(63.5微米)，这些锥形阵列由3×3行的截短至深度为0.83密耳(21微米)的相同锥形阵列分开，并且磨料层由分散在聚合物粘合剂内的绿色碳化硅磨粒(平均粒度为4.0微米)构成；
“ABR3”至“ABR7”是指大致根据实例1-5中所述的工序制成的结构化磨盘，表面活性剂的量示于表1中；
“ACR1”是指2-苯氧基丙烯酸酯，其以商品名SR339购自SartomerCo.(Exton，PA)；
“ACR2”是指三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，其以商品名SR351购自Sartomer公司；
“AD1”是指二级醇乙氧基化物(5摩尔环氧乙烷)(聚醚非离子表面活性剂)，其以商品名TERGITOL 15-S-5得自Dow Chemical Corp.(Midland，MI)；
“CPA1”是指γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，其以商品名A-174得自Crompton Corp.(Middlebury，CT)；
“MIN1”是指绿色碳化硅矿物，D50＝4.0微米，其以商品名GC 3000绿色碳化硅(GC 3000GREEN SILICON CARBIDE)得自Fujimi Corp.(Tualitin，OR)；
“MIN2”是指绿色碳化硅矿物，D50＝5.5微米，其以商品名GC 2500绿色碳化硅(GC 2500GREEN SILICON CARBIDE)得自Fujimi Corp.；
“FIL”是指热解法二氧化硅，其以商品名OX-50购自The Cary公司(Addison，IL)；
“DSP1”是指阴离子聚酯分散剂，其以商品名SOLPLUS D520得自Lubrizol Advanced Materials(Cleveland，OH)；
“TP1”是指汽车透明涂层测试面板，其以商品名GEN IV AC得自DuPont Automotive(Troy，MI)；以及
“UVI1”是指酰基氧化膦，其以商品名LUCERIN TPO-L得自BASFCorp.(Florham Park，NJ)。
切削寿命试验
如下进行切削寿命试验：
将直径为1.25英寸(3.18cm)的磨盘(带标识的磨料制品)附着于5英寸(12.7cm)×1.25英寸(3.18cm)厚的乙烯基覆面的泡沫支撑垫(以商品名3M漆面修补STIKIT支撑垫(3M FINESSE-IT STIKIT BACKUP PAD)得自3M公司)上。将支撑垫安装到精加工轨道式磨砂机(以商品名DYNABRADE MODEL 59025得自Dynabrade，Inc.(Clarence，NY))上。
对于实例6和比较例L-M而言，用涂有背胶的钩状部分上的粘合剂层将切削成直径为1.25英寸(3.2cm)的盘的钩状连接构件(得自3M公司的3MSCOTCHMATE钩环可重新闭合紧固件(3M SCOTCHMATE HOOK ANDLOOP RECLOSABLE FASTENER)的涂有背胶的钩状部分)附接到支撑垫(以商品名3M STIKIT ROLOC盘垫02727(3M STIKIT ROLOC DISC PAD02727)得自3M公司，11/4英寸(3.2cm)×5/16英寸(0.8cm))上，并用作代替3M漆面修补STIKIT支撑垫(3M FINESSE-IT STIKIT BACKUP PAD)的支撑垫。
然后使用24盎司(0.71升)的喷射瓶，喷出1或2次液体，用足以覆盖磨料层整个表面的量的水喷雾磨盘的磨料层。手动使磨料层接触工件TP1的涂有透明涂层的表面，然后在90psi(621千帕斯卡)和零度角(即，手动使工件的表面保持为平面)下，以7,500转/分钟(rpm)研磨工件3至5秒。在试验板的邻接区上重复喷雾和研磨步骤直到磨盘被残渣堵塞，这是通过对不完全的透明涂层的去除来进行目测的。将磨盘没有堵塞时的可使用次数(即循环数)记录为磨盘的切削寿命。
实例1-5和比较例A-B
如下制备磨料浆料ABR3-ABR7：在不超过30℃的温度下，使用机械搅拌器将15.8份ACR1、15.8份ACR2、0.71份DSP1、1.94份CPA1、1.1份UVI1、1.64份FIL、表1中所示量的AD1表面活性剂、以及60份MIN1均匀分散1小时。
通过刮涂将每种浆料涂覆到12英寸(30.5厘米)宽的微复制型聚丙烯模具上，该模具具有均匀分布、密集的、34度交替螺旋切削的11×11行的锥形阵列，该锥形阵列的底宽为3.3密耳×3.3密耳(83.8微米×83.8微米)，深度为2.5密耳(63.5微米)，这些锥形阵列由3×3行的截短至深度为0.83密耳(21微米)的相同锥形阵列分开，如美国专利No.7410413(Woo等人)中的图2所示。工具是大致根据美国专利No.5,975,987(Hoopman等人)所述的方法，通过相应的母辊制备而成的。然后将填充了浆料的聚丙烯模具置于12英寸(30.5厘米)宽的带乙烯-丙烯酸底漆的聚酯膜(该膜的厚度为3.71密耳(94.2微米)，以商品名MA370M得自3M公司)幅材上，使其通过压料辊(辊隙压力为90磅/平方英寸(psi)(620.5千帕(kPa))，得到10英寸(25.4cm)宽的幅材)，并用紫外线(UV)灯(“D”型灯泡，得自Fusion Systems Inc.(Gaithersburg，Maryland))以600瓦特/英寸(236瓦特/厘米)进行照射，同时以30英尺/分钟(fpm)(9.14米/分钟)的速度移动该幅材。将聚丙烯模具与涂有乙烯-丙烯酸作为底漆的聚酯膜分离，从而形成完全固化的精确成形磨料层，该磨料层粘附在涂有乙烯丙烯酸作为底漆的聚酯膜上。将压敏粘合剂层合到背衬的背面(与磨料层相对)上。然后将结构化磨料制品冲切成磨盘(直径1.25英寸(3.18cm))。
如表1所示制备结构化磨料制品。相应的结构化磨料制品的切削寿命试验结果报告于表1(以下)中。
Figure BDA0000137163660000171
实例6和比较例C-D
如下制备磨料浆料ABR8-ABR10：用具有Cowles刀片的实验室搅拌器将1.08份UVI1、3.08份DSP1、1.92份CPA1、19.48份ACR2、12.94份ACR1、表2中所示量的AD1表面活性剂、以及68.5份MIN2均匀分散大约60分钟。通过刮涂将该浆料涂覆到12英寸(30.5cm)宽的微复制型聚丙烯模具上，该模具上具有美国专利No.6,923,840(Schutz等人)的图14和15中所示的重复图案。工具是大致根据美国专利No.5,975,987(Hoopman等人)所述的方法，通过相应的母辊制备而成的。然后在压料辊中使填充浆料的聚丙烯模具接触得自Pinta Foamtec(Minneapolis，MN)的0.090英寸(2.3mm)厚的R600U泡沫。接触浆料的R600U泡沫表面已喷涂了得自Lubrizol Corporation(Wickliffe，OH)的Hycar 2679，干燥涂层重量为约8克/平方英尺。泡沫的相对侧包含白色织物背衬(HI/Know 94背衬，得自3M公司)，并以粘结方法层合到泡沫表面上。
然后让聚丙烯模具、浆料和泡沫组成的构造通过压料辊(对于8英寸宽的幅材，辊隙压力为60磅/平方英寸(psi)(413千帕(kPa))，并用紫外线(UV)灯(“D”型灯泡，得自Fusion Systems，Inc.(Gaithersburg，Maryland))以600瓦特/英寸(236瓦特/厘米)照射，同时以70英尺/分钟(fpm)(21.33米/分钟)的速率移动幅材。将聚丙烯与泡沫分离，从而形成附着到泡沫部分上的精确成形的磨料层。然后将结构化磨料制品冲切成磨盘(直径1.25英寸(3.18cm))。如上所述进行切削寿命试验。
表2
本文所提及的所有专利和出版物据此全文以引用方式并入本文。在不脱离本发明的范围和精神的条件下，本领域技术人员可对本发明进行各种无法预见的修改和更改，并且应当理解，本发明不应当不当地受限于本文所述的示例性实施例。

Claims (14)

1.一种结构化磨料制品，包括：
背衬，其具有第一主表面和与之相对的第二主表面；以及
结构化磨料层，所述结构化磨料层设置并固定在所述第一主表面上，所述结构化磨料层包含成形磨料复合物，其中所述成形磨料复合物包含分散在交联聚合物粘合剂中的磨粒和非离子聚醚表面活性剂，其中所述磨粒的平均粒度小于10微米，其中所述非离子聚醚表面活性剂未共价键合到所述交联聚合物粘合剂，并且其中按所述成形磨料复合物的总重量计，所述非离子聚醚表面活性剂的含量为2.5重量％至3.5重量％。
2.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中按所述成形磨料复合物的总重量计，所述非离子聚醚表面活性剂的含量为2.8重量％至3.2重量％。
3.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述成形磨料复合物是精确成形的。
4.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述交联聚合物粘合剂包含丙烯酸类聚合物。
5.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述表面活性剂包含聚环氧乙烷链段。
6.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述表面活性剂包含聚环氧丙烷链段。
7.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述成形磨料复合物还包含阴离子磷酸酯聚醚酯，其中按重量计，所述阴离子磷酸酯聚醚酯的含量小于所述非离子聚醚表面活性剂的含量。
8.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述背衬包括聚合物膜。
9.根据权利要求8所述的结构化磨料制品，其中所述聚合物膜包含弹性体聚氨酯。
10.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中所述背衬包含聚合物泡沫。
11.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中附连中间层包括设置在所述第二主表面上的压敏粘合剂层。
12.根据权利要求1所述的结构化磨料制品，其中附连中间层包括毛圈织物。
13.一种研磨工件的方法，所述方法包括：
在存在含水流体的情况下，使根据权利要求1所述的结构化磨料制品的所述结构化磨料层的至少一部分与工件的表面摩擦接触；以及
使所述工件或所述结构化磨料层中的至少一者相对于另一者移动，以研磨所述工件的所述表面的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述含水流体由市政自来水或井水组成。
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