Способ изготовления покрытого абразива

 

Изобретение относится к области производства абразивных инструментов. Способ включает использование абразивных частиц и радиационно отверждаемых связующих смол. Глубина отверждения связующего повышена за счет включения в него бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксидного фотоинициатора. Изобретение позволяет повысить качество покрытых абразивов. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил., 4 табл.

Изобретение имеет отношение к созданию покрытых абразивов (абразивов с покрытием), а более конкретно покрытых абразивов, в которых абразивные частицы удерживаются на месте за счет отверждаемого ультрафиолетовым излечением (УФ отверждаемого) связующего.

При изготовлении покрытых абразивов обычно абразивные частицы наносят на подложку (на материал основы) при помощи связующего, которое называют установочным покрытием, а покрытие поверх абразивных частиц, которое используют для закрепления частиц на месте, называют размерным покрытием. В некоторых случаях поверх размерного покрытия наносят дополнительное покрытие для придания абразиву некоторых специальных свойств, таких как разгрузочные и антистатические свойств, или помещают шлифующую добавку, у верхней части которой абразивные частицы входят в контакт с заготовкой при ее обработке.

Используемыми для образования установочного и размерного покрытий в таких структурах связующими в большинстве случаев были и все еще остаются фенольные смолы, хотя иногда и используют другие термореактивные смолы. Однако такие связующие медленно отверждаются и требуют для повышения эффективности процесса использования дорогостоящего оборудования для сушки и отверждения. По этим причинам уже были предложены и частично внедрены связующие с несколько более быстрым отверждением, в том числе и с отверждением при помощи УФ излучения.

Используемый в настоящем описании термин "УФ отверждаемые или УФ отвержденные" смолы включает в себя такие смолы, которые могут быть отверждены при воздействии актиничного света в видимой или в ультрафиолетовой части спектра, а также при помощи излучения электронного пучка.

Отверждение такого связующего ускоряется за счет одного или нескольких классов фотоинициаторов, которые генерируют свободные радикалы при воздействии УФ излучения. Эти группы генераторов свободных радикалов включают в себя органические пероксиды (перекиси), азо соединения, хиноны, бензофеноны, нитрозо соединения, акриловые галиды, гидрозоны, меркапто соединения, пирило соединения, триакрилимидазоли, бисимидазоли, хлоракрилтриазины, бензойные эфиры, бензил кетали, тиоксантоны и ацетофеноны, в том числе и производные указанных соединений. Среди указанных соединений наиболее часто используют бензил кетали, такие как 2,2-диметокси-2-фенил ацетофенон (который может быть закуплен на фирме Ciba Specialty Chemicals под торговой маркой Irgacure 651) и производные ацетофенона, такие как 2,2-диэтоксиацетофенон ("DEAP", который может быть закуплен на фирме First Chemical Corporation), 2-гидрокси-2-метил-1-фенил-пропан-1-один ("НМРР", который может быть закуплен на фирме Ciba Specialty Chemicals под торговой маркой Darocur 1173), 2-бензил-2-N, N-диметиламино-1-(4-морфолинофенил)-1-бутанон (который может быть закуплен на фирме Ciba Specialty Chemicals под торговой маркой Irgacure 369); и 2-метил-1-(4-(метилтио)фенил)-2-морфолинопропан-1-один (который может быть закуплен на фирме Ciba Specialty Chemicals под торговой маркой Irgacure 907).

При содействии таких фотоинициаторов указанные смолы отверждаются главным образом полностью в течение нескольких минут вместо нескольких часов, что дает существенную экономию. Однако недостатком такого отверждения является то, что оно часто бывает неполным в присутствии твердых материалов, особенно в областях, экранированных от активизирующего света. Это происходит в результате инкорпорации пигментов или наполнителей, но может также происходить и в отсутствие твердых материалов, просто потому, что слой смолы является очень толстым.

Однако эффект экранирования является приемлемым, когда смолу наносят на абразивные зерна таким образом, что основная масса смолы облучается УФ излучением в ходе отверждения. Следует сказать, что некоторые совсем новые изделия выходят за рамки структуры, образованной установочным покрытием, абразивными частицами и размерным покрытием, так как в них добавляют связующее и абразивные частицы в виде смеси, в которой отвержденное связующее связано с основанием подложки и одновременно действует в виде матрицы, в которой диспергированы абразивные частицы. Эта смесь может быть нанесена на подложку в виде однородного слоя или в виде рисунка, содержащего множество композитов с повторяющимся узором, причем каждый композит содержит диспергированные в связующем абразивные частицы, образующие так называемые структурированные абразивы. Следует иметь в виду, что эффект экранирования в таких изделиях существенно больше и ограничивает размер абразивных частиц, которые могут быть использованы, а также толщину слоя абразива со связующим, который может быть нанесен на подложку.

Неполное отверждение является особенно нежелательным на тех участках структуры, где смола вступает в контакт с подложкой, так как это ухудшает сцепление (адгезию) с подложкой, что ухудшает характеристики шлифования. Этот эффект является наиболее выраженным в тех местах, где наибольшая толщина отверждения и сильнее всего проявляются эффекты экранирования.

Был найден новый фотоинициатор, который удивительным образом позволяет производить отверждение УФ отверждаемых смол до таких глубин, которые ранее казались невозможными без применения инициаторов термического отверждения. Это дает возможность использования относительно крупных композитов в структурированных абразивных продуктах и позволяет также исключить применение термических инициаторов для полного отверждения смолы.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления абразивного изделия, содержащего абразивные частицы, связанные при помощи УФ отверждаемой связующей смолы, причем связующая смола присутствует в составе, который содержит в качестве фотоинициатора бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксид.

Настоящее изобретение особенно хорошо подходит для производства покрытых абразивов, однако его можно применить и для изготовления других абразивных изделий, таких как тонкие шлифовальные круги и относительно тонкие сегменты, а также такие круги, по окружности подложки которых нанесен относительно тонкий слой абразивного покрытия. Однако проще всего использовать настоящее изобретение для производства покрытых абразивов, в которых используют суспензию абразивных частиц в отверждаемом за счет излучения связующем, для получения абразивной поверхности на материале подложки. Покрытыми абразивами являются преимущественно такие абразивы, которые имеют поверхность с рельефом, или на которую нанесен рисунок (структурированные абразивы), как это описано, например, в патентах США 5014468; 5152917; 5833724 и 5840088.

Отверждаемым за счет излучения связующим может быть любое связующее, отверждение которого происходит за счет инициируемого излучением механизма. Такими связующими часто могут быть полимеры и сополимеры мономеров с незаконченными группами полимеризуемых акрилатов или метакрилатов. Среди них можно указать акрилатные уретаны, эпоксидные соединения, изоцианаты и изоцианюраты, хотя они часто сополимеризованы с такими мономерами, как N-винил пирролидон, которые не имеют (мет)акрилатной группы. Могут быть использованы также акрилатные полиэфиры и аминопласты. Некоторые этиленовые ненасыщенные соединения также полимеризуются за счет фотоинициации. Наиболее часто используют связующие, основанные на акрилатных эпоксидных смолах и/или на акрилатных уретанах, причем их состав выбирают так, чтобы сбалансировать твердость (жесткость) (которая прежде всего зависит от плотности поперечных связей между полимерными цепями) и модуль, который зависит от длины полимерных цепей. Желательную твердость можно обеспечить за счет выбора соответствующих пропорций моно- и/или ди- и/или три- функциональных компонентов состава связующего. Управление модулем можно производить, например, за счет выбора олигомерных компонентов и/или за счет введения термопластичной смолы в состав. Следует иметь в виду, что все указанные вариации не выходят за рамки настоящего изобретения, при условии, что радиационное отверждение (отверждение за счет излучения) состава ускоряется за счет использования фотоинициатора бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксид.

Полимеризация компонента смолы состава связующего инициируется как правило при помощи УФ излучения, к которому достаточно восприимчивым является бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксид, используемый в соответствии с настоящим изобретением. Однако полимеризацию смолы можно производить и при воздействии других видов излучения, таких как видимый свет, электронная эмиссия или иное актиническое излучение. Все такие смолы называют "радиационно отверждаемыми" или отверждаемыми за счет излучения.

Инициатором, который входит в качестве основного компонента в составы связующего, применяемые для изготовления абразивных изделий в соответствии с настоящим изобретением, является ацилфосфин оксид, под которым понимают соединения, имеющие следующую формулу: в которой X, Y и Z выбраны из групп, имеющих формулу R-CO.-, в которой R представляет собой водород или замещенную или незамещенную алкиловую, ариловую, алкариловую, аралкиловую или гетероциклическую группу, причем любой из X, Y и Z, который не содержит такую ациловую группу, представляет собой водород или замещенную или незамещенную алкилокси или фенокси группу или замещенную или незамещенную алкиловую, ариловую, алкариловую, аралкиловую или гетероциклическую группу. ВТВРРО (бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксид) может быть закуплен на фирме Ciba Specialty Chemicals под торговой маркой Irgacure 819. Фосфин оксиды могут быть закуплены на фирме BASF, в том числе 2,4,6-триметилбензоил дифенил фосфин оксид (торговая марка Lucirin TPO) и 2,4,6-триметилбензоил этоксифенил фосфин оксид (торговая марка Lucirin LR8893).

Таким образом, инициатор бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксид может быть использован изолированно, или в сочетании с фотоинициаторами, или по желанию даже совместно с термическими инициаторами.

В составе абразива со связующим могут быть и другие компоненты, в том числе (но без ограничения) наполнители, такие как кремнезем (диоксид кремния), тальк, тригидрат алюминия, и т.п., а также другие функциональные добавки, такие как шлифующие добавки, промоторы адгезии, антистатики и разгрузочные добавки, а также пигменты.

Для осуществления способа используют лист материала основы, на который отверждаемое связующее наносят перед отверждением радиационно отверждаемой смолы, при этом абразивные частицы диспергируют в отверждаемое связующее перед нанесением смеси на материал основы.

Возможно также нанесение смеси абразива со связующим на материал основы и формование для создания повторяющегося рисунка рельефных структур перед отверждением радиационно отверждаемой смолы, являющейся компонентом отвержденного связующего.

В другом варианте осуществления способа абразивные частицы диспергируют в отверждаемое связующее и образовавшейся смеси придают форму абразивного изделия перед отверждением радиационно отверждаемой смолы, входящей в состав связующего.

Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания некоторых предпочтительных примеров его осуществления, не имеющих ограничительного характера.

Пример 1 В этом примере показана глубина отверждения различных фотоинициаторов. Стандартная суспензия связующего на базе акрилата содержит заданное количество абразивных частиц из оксида алюминия с размером Р320. Содержание абразивных частиц в суспензии равно 17,39% по объему, а содержание частиц из тетрафторбората калия равно 27,29% по объему.

Из суспензии были приготовлены несколько образцов, которые различаются только количеством пигмента 9R75 Quinn Violet. Была произведена оценка четырех фотоинициаторов: 819 (бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксид); 651 (бензил кеталь), 369 (а-амино-ацетофенон); и 907 (другой а-амино-ацетофенон). Для каждого из образцов глубину отверждения определяли по концентрациям пигмента и фотоинициатора. В каждом случае смесь наносили на J-весовую полиэфирную тканую подложку и пропускали со скоростью 15,2 м/мин под источником УФ излучения (Fusion UV Systems, Inc., MD), который включает в себя 600 Вт V-образную лампу и 300 Вт Н-образную лампу. Глубину отверждения определяли следующим методом. Смесь заливали до толщины слоя 0,635 см в фольговый контейнер диаметром 3,81 см и глубиной 0,95 см, который пропускали через УФ блок. Удаляли избытки неотвержденной смолы и измеряли толщину отвержденной порции, которую принимали за глубину отверждения.

Полученные результаты отображены на трехмерных графиках фиг.1 (a, b и с). На каждом графике показано отношение глубин отверждения для двух фотоинициаторов. Таким образом, превышающее единицу отношение указывает, что один из фотоинициаторов дает большую глубину отверждения, чем другой фотоинициатор, с которым производится сравнение.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1(а), на которой показано сравнение фотоинициатора в виде бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксида (фотоинициатор 819) с обычным бензил кетальным инициатором (инициатор 651), причем ацилфосфиновый оксидный фотоинициатор дает большую однородную глубину отверждения. На фиг.1(b) показано, что состав с а-амино-ацетофеноновым фотоинициатором (369) превышает характеристики инициатора 651 почти настолько же, что и инициатор 819. На фиг.1(с) показано, что не все а-амино-ацетофеноновые фотоинициаторы действуют одинаково, причем инициатор 907 дает существенно худшие результаты, чем инициатор 651.

Для получения более полной картины характеристик фотоинициаторов определяли силу адгезии (сцепления) между отвержденным покрытием и полиэфирной основой. Испытание представляет собой простой тест "годен" - "негоден", при проведении которого изделие с отвержденным материалом изгибали под углом 90 градусов относительно острой кромки и принимали значение 1, если нет расщепления изделия, и 0, если оно есть. На фиг.2 (а, b, с, d) показаны трехмерные графики для каждого из четырех фотоинициаторов, а именно 819, 369, 907 и 651. Графики показывают, что при использовании ацилфосфинового оксидного фотоинициатора (фиг. 2 а) расщепление происходит при самом большом содержании наполнителя и самом малом содержании фотоинициатора. При наличии свыше 0,2% пигмента изделие 651 устойчиво не проходит тест (фиг.2d), а изделие 369 (фиг. 2b) не проходит при концентрации пигмента 0,8% или больше, за исключением изделия с концентрацией фотоинициатора 4%, когда может быть допущено наличие 1,6% пигмента перед отказом. Фотоинициатор 907 (фиг.2с) не проходит тест при всех условиях, кроме содержания пигмента ниже 0,1% и концентрации фотоинициатора, составляющей по меньшей мере 4%. Эти графики четко подтверждают оценку, полученную из фиг.1, и добавляют информацию относительно сцепления с подложкой, что убедительно свидетельствует о том, что фотоинициатор в виде бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксида (фотоинициатор 819) обеспечивает намного более широкий диапазон удовлетворительных величин сцепления, чем наилучший а-амино-ацетофеноновый фотоинициатором (369).

Пример 2 В этом примере были использованы три состава для получения покрытых абразивов со структурированной поверхностью. В каждом случае использовали один и тот же акрилатный связующий материал с размером Р320 абразивных частиц из оксида алюминия при объемном процентном содержании 17,39% и при объемном процентном содержании тетрафторбората калия 27,79%.

В качестве основы была использована Х весовая хлопчатобумажная ткань, причем структурированную поверхность абразива создавали при помощи тиснения в соответствии с описанным в патенте США 5833724. Нанесенный рисунок имел трехвинтовую форму с 25 линиями на дюйм.

Три структурированных абразива, которые различались только фотоинициатором, введенным в состав абразива со связующим, были оценены с использованием следующей методики.

Изделия в соответствии с описанными примерами подвергали тестам на шлифование с использованием модифицированной процедуры 121 Fss Ring Test. В каждом случае использовали ремень 6,4 х 152,4 см, который перемещался со скоростью 1524 см/мин. Ремень контактировал с заготовкой из нержавеющей стали марки 304 в виде кольца (17,8 см внешний диаметр, 15,2 см внутренний диаметр, толщина 3,1 см) под давлением 110 кН/м²). Контактное колесо под ремнем представляет собой резиновое колесо диаметром 17,8 см с плоской поверхностью, имеющей твердость 60 единиц по дюрометру. Заготовка перемещалась со скоростью 3 см/мин.

На 20 кольцах создавали исходную шероховатость Ra, составляющую 80 микродюймов. При шлифовании вводили интервалы по одной минуте для измерения количества сошлифованного материала. Для 20 колец проводили шлифование в течение всего 20 минут для каждого ремня и регистрировали полное количество удаленного материала.

В каждом случае регистрировали исходное количество удаленного материала после 1 минуты и полное количество удаленного материала после 20 минут. Результаты указаны в табл.1. Составы названы по типу использованного фотоинициатора Irgacure. Покрытый абразив, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, выделен жирным шрифтом. В последней строке таблицы приведена оценка обычного имеющегося в продаже неструктурированного покрытого абразивного изделия.

Из приведенных в табл.1 данных можно сделать вывод о том, что покрытый абразив в соответствии с настоящим изобретением превосходит при проведении теста на реальное шлифование аналогичные изделия, изготовленные из лучших по характеристикам составов, оценка которых была проведена в примере 1.

Пример 3 В этом примере произведена оценка глубины отверждения и адгезии составов, которые содержат одинаковое связующее на базе акрилата и абразивные зерна из карбида кремния (размер зерна 150 единиц), с объемным процентным содержанием 17,62%, при объемном процентном содержании тетрафторбората калия 27,62%. На фиг.3 показаны результаты сравнения глубин отверждения этих составов, каждый из которых был нанесен на Х весовую основу из хлопчатобумажной ткани. Оценку производили при двух состояниях: без обработки поверхности и при обработке поверхности, для которой использовали смесь абразивных зерен из карбида кремния (аналогичных зернам состава) и шлифующей добавки (тетрафторбората калия) при весовом отношении 2:1.

Для указанных изделий проводили тест на адгезию, описанный в примере 1. В табл.2 "1" означает "проходит (годен)", а "0" означает "не проходит".

Пример 4 В этом примере произведена оценка различных структурированных абразивов по их шлифующей (режущей) способности, с использованием заготовки из титана 6AL-4V размерами 15,9 мм х 60,3 мм х 247,7 мм, шлифование которой производили под давлением 138 кН/м². Ремень перемещался со скоростью 914,4 см/мин. Контактное колесо под ремнем представляет собой резиновое колесо с плоской поверхностью, имеющей твердость 60 единиц по дюрометру. Заготовка перемещалась возвратно-поступательно со скоростью 2,1 см/мин.

Состав наносили на Х-весовую хлопчатобумажную тканую основу в виде одного из двух рисунков: трехвинтового (ТН) с 25 линиями на дюйм; и пирамидального (Р) с 25 линиями пирамид на дюйм. Рисунки создавали тиснением на поверхности суспензии, нанесенной на подложку. УФ отверждение в каждом случае проводили с использованием 300 Вт лампы с V колбой и 300 Вт лампы с Н колбой (Fusion UV Systems, Inc., MD).

В каждом случае после 15 минут производили измерение полного количества срезанного (сошлифованного) материала (именуемого "полный срез"). Полученные результаты указаны в табл.3.

Пример 5 В этом примере произведено сравнение глубин отверждения для трех различных фотоинициаторов. Каждый из инициаторов вводили в использованное в примере 1 связующее в количестве 1 вес.%, но без других добавок или компонентов. Смесь связующего с инициатором была нанесена на подложку и покрытая подложка подвергалась воздействию излучения от 300 Вт лампы с D колбой, в то время как подложка перемещалась под источником излучения со скоростью 13,4 м/мин. При проведении второй оценки в качестве источника излучения использовали лампу 600 Вт с D колбой, а подложка перемещалась под источником излучения со скоростью 13,4 м/мин.

Была произведена оценка инициаторов Irgacure 1700 (25% DMBAPO с 75% НМРР) и Irgacure 4265 (50% ТРО с 50% НМРР), и их сравнение с Irgacure 1173 (100% НМРР).

Полученные результаты указаны в табл.4.

Можно видеть, что смесь ацилфосфинового инициатора с другими инициаторами дает большую глубину отверждения, чем чистый НМРР.

Из приведенных в указанных примерах данных можно сделать вывод о том, что ацилфосфиновые инициаторы могут быть использованы изолировано или в сочетании с другими фотоинициаторами для достижения большей глубины отверждения и обеспечения лучшего сцепления с подложкой. Эти инициаторы дают хороший полный срез и полностью отвечают коммерческим ожиданиям или превосходят их.

Формула изобретения

1. Способ изготовления покрытого абразива, включающий использование абразивных частиц и отверждаемого связующего, и отверждение последнего, отличающийся тем, что в качестве отверждаемого связующего используют радиационно отверждаемую смолу и фотоинициатор бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксид или смесь фотоинициатора бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксида с другими фотоинициаторами, а отверждение связующего ведут за счет воздействия активирующего излучения с по меньшей мере частичным отверждением упомянутой смолы и закреплением абразивных частиц в фиксированном пространственном положении друг относительно друга.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют смесь фотоинициатора бис(2,4,6-триметилбензоил) фенилфосфин оксида с кетоновым фотоинициатором.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиационно отверждаемая смола содержит компонент, после отверждения создающий по меньшей мере один полимер, выбранный из полимеров и сополимеров мономеров с незаконченными группами акрилатов и метакрилатов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют лист материала основы, на который отверждаемое связующее наносят перед отверждением радиационно отверждаемой смолы.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что абразивные частицы диспергируют в отверждаемое связующее перед нанесением смеси на материал основы.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что смесь абразива со связующим наносят на материал основы и формуют для создания повторяющегося рисунка рельефных структур перед отверждением радиационно отверждаемой смолы, являющейся компонентом отверждаемого связующего.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что абразивные частицы диспергируют в отверждаемое связующее и образовавшейся смеси придают форму абразивного изделия перед отверждением радиационно отверждаемой смолы, являющейся компонентом отверждаемого связующего.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что абразивное изделие представляет собой шлифовальный круг.

9. Структурированный абразив, отличающийся тем, что он изготовлен с использованием способа по п.1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11