复合体及其制造方法

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复合体及其制造方法
【专利说明】复合体及其制造方法发明领域
[0001]本发明涉及复合体。本发明还涉及复合体的制造方法以及复合体的用途。
【背景技术】
[0002]在许多工件加工领域中，使用包括磨料颗粒的工具(tool)和材料，该磨料颗粒设定成与待加工的工件发生接触。这些工具和材料通常可以命名为“研磨产品”。加工可以是抛光、碾磨、切割或者其他机械加工。在这些产品中，将具有足够硬度的磨料颗粒固定至可以具有各种形状的支撑体。
[0003]前述工具的一个例子是研磨轮。研磨轮通常由通过粘合剂的方式一起固定在基质中的天然或合成磨料颗粒制成。在研磨轮的制造中，将组分(磨料颗粒、粘合剂)混合在一起，并在压力下进行模塑，以实现所需的形状和密实结构。在模塑之后，使得粘合剂固化，或者如果粘合剂是陶瓷的话，对研磨轮进行烧制。
[0004]切割轮是含有磨料颗粒的工具的另一个例子，其可以用于通过切割贯穿材料来进行工件加工。切割轮的制造包括与上文所述类似的步骤。一些工具可以同时用作研磨轮和切割轮。
[0005]研磨材料还包括各种研磨布、研磨网、研磨三维纤维材料、砂纸、研磨丝等，其中支撑体是织物或纸结构或膜的形式。这些材料是挠性的，并且可特别地用于抛光和表面精整。在这些材料的制造中，通常在树脂粘合剂的帮助下，将磨料颗粒固定在支撑材料上。金属和熔融非有机材料(例如玻璃)也可用作粘合剂。
[0006]各种有机粘合剂，如酚醛树脂，通常用于使得磨料颗粒连接并固定在各种研磨产品中，如切割轮、研磨轮等。但是，树脂倾向于还会填充颗粒之间的孔，降低了对材料进行加工的磨料颗粒的可用边缘的数量。这会导致效率不足，并且必须更用力地将含有磨料颗粒的表面压靠住工件，以实现相同效果，这会导致来自摩擦的过热。树脂相的温度稳定性通常较低，并且这种由于摩擦产生的过热可能使得产品发生破裂或分解。采用不同类型的低密度填料，例如空心球，来降低产品中的密度。但是，低密度填料倾向于对最终产品的强度具有不利影响。
[0007]研磨产品制造中的另一个问题在于，磨料颗粒在连续基质中的非均质分布。可以通过增加未硬化组合物的粘度来避免该温度，但是这可能导致混合物(例如磨料非织物和布料的喷涂涂层)的沉积问题。因此，需要这样的添加剂，其能够稳定化重颗粒的同时实现制剂的谷易嗔涂或涂覆。
[0008]孔隙度还实现了用于研磨过程期间产生的小的金属碎片(称作金属肩)和磨料的余地。孔隙度还提供了运载用于控制热量的流体以及改善磨料颗粒的切割特性的通道。在磨料颗粒之间没有充足的孔隙度和间距的话，轮会变得装载有金属肩并且不再能正常地进行切割。
[0009]因此，与使用树脂粘合剂(例如常用的酚醛树脂)来固定磨料颗粒的材料和工具相关的问题在于，粘合剂倾向于填充磨料颗粒之间的孔，这降低了有效研磨边缘的数量。即使由于例如支撑体的结构可以产生足够的孔隙度，但是颗粒的均匀分布、颗粒与支撑体的固定以及固定性能的问题仍然存在。

【发明内容】

[0010]本发明的目的是提供包括粘合剂和磨料颗粒的新型复合体，其不具有现有技术中的相关问题。本发明的另一个目的是提供可以构成研磨产品或者作为研磨产品一部分的复合体。本发明的另一个目的也是提供可用于需要良好摩擦的应用的复合体。
[0011]本发明的另一个目的是提供制造复合体的方法，如果需要的话，其确保了足够的孔隙度，并且因此确保了足够数量的磨料颗粒的可用边缘，并且还确保了磨料颗粒在复合体中的均匀分布和牢固固定。
[0012]通过在复合体中同时使用纳米原纤化纤维素(NFC)和磨料颗粒，实现了该目的。纳米原纤化纤维素可以完全或部分地替代磨料产品中常用的有机粘合剂。在复合体的结构中，纳米原纤化纤维素形成了互联原纤维的连续网络，其通过将磨料颗粒缠入网络中，以物理和/或化学的方式保留了磨料颗粒。同时，在纳米原纤化纤维素网络内部，留下了空穴形式的孔隙度。纳米原纤化纤维素网络在将颗粒固定在复合结构中的同时，还使得颗粒良好的分隔开，并且倾向于与待加工的材料发生接触。
[0013]当由磨料颗粒与NFC的液体分散体的混合物制造复合体时，在去除了液体之后，作为粘合剂的纳米原纤化纤维素具有自取向的能力。NFC的原纤维倾向于以颗粒表面的方向进行自取向。随着混合物干燥以及由于去除了液体所导致的复合结构形成“收缩”，NFC的原纤维拉着颗粒相互靠近，这进而使得原纤维以拉动方向取向，即，垂直于颗粒表面。在该液体去除过程中，NFC具有布置磨料颗粒并使得它们转向更有利的位置的能力，从而相比于没有NFC粘合剂的自由安置的情况，它们以更小的体积压紧。
[0014]当混合物在待形成复合体的基材上凝固时，发生相同现象，NFC的原纤维使得磨料颗粒相互粘结并且使得磨料颗粒与基材粘结。NFC的自取向产生了非常牢固的粘结了磨料颗粒的取向原纤维的网络，这力争成为相互之间的最优布置以及与可能的基材(支撑体)的最优布置。
[0015]可以使用各种尺寸和等级的磨料颗粒。通常，它们的硬度高于石英，以莫氏硬度标表述，高于7。可以使用的磨料颗粒包括例如氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氧化锆氧化铝、刚玉、金刚石和陶瓷磨料。优选地，硬度大于或等于8。
[0016]作为纳米原纤化纤维素的补充，可以在复合物的粘合剂组分中使用有机树脂粘合剂，来增加磨料产品的使用过程中的耐水性。
[0017]在研磨产品的制造中，将液体分散体(通常是水性分散体)中的纳米原纤化纤维素与磨料颗粒以预定比例混合，通过合适的方法使得混合物干燥，使得复合体获得其最终形状。可以将混合物放在模具中或者放在压制机中，使其逐渐流失液体并获得其最终形状。还可以使得混合物通过模头挤出或者受迫通过孔或喷嘴到达空气或者合适的浴进行干燥。该技术使得能够制造拉长的复合体，类似于纱线或者细丝，其可以布置成较长的二维结构或三维结构或者切割成较短的片材。
[0018]混合物可以含有除了NFC和磨料颗粒之外的其他成分，如上文所述的有机树脂粘合剂。
[0019]可以获得各种化学改性等级的NFC，特别是离子带电的，其包括阴离子带电的NFC，例如氧化的NFC (通过杂环硝酰基催化剂的催化氧化)和羧甲基NFC，以及阳离子带电的NFC。NFC的化学组成可用于通过离子键或化学键，特别是通过选择具有可以由其形成带电络合物的表面电荷的原纤维和颗粒，或者通过选择可以形成共价键的化学组成，来改善磨料颗粒与NFC的原纤维之间的相互作用。除了对磨料颗粒和NFC之间的键合进行改性之外，还可以利用NFC的离子电荷来增强NFC与磨料颗粒的混合物的干燥速率。
[0020]NFC还可用于粘合非常小尺度的磨料颗粒。可以对尺寸仅约为Ium的磨料微颗粒与NFC分散体(可能地还有有机树脂粘合剂)进行混合，并模制成更大磨料颗粒。
【附图说明】
[0021 ]在下文中，会参考附图更详细地表述本发明，其中:
[0022]图1显示制造复合体的一般原理，
[0023]图2显示作为磨料产品一部分的复合体的结构，
[0024]图3显示更为详细的复合体结构，
[0025]图4显示多孔支撑体上的复合体的例子，
[0026]图5显示颗粒形式的复合体，
[0027]图6是制造复合体的具体例子，
[0028]图7是根据图6制造的复合体的截面图，以及
[0029]图8-11是包括磨料颗粒并且可用作磨料产品或其部分的复合体的显微图。
【具体实施方式】
[0030]在下面的公开中，如果没有另外说明，所有的百分数值是以重量计。另外，如果没有另外说明，所有给定的数字范围包括该范围的上限值和下限值。
[0031]复合体的组分
[0032]复合体的主要组分是磨料颗粒、纳米原纤化纤维素(NFC)以及，任选地，有机粘合剂。
[0033]磨料颗粒在莫氏硬度标上的硬度高于7，所述莫氏硬度标是用于表示材料硬度的众所周知的衡量标准。颗粒可以是氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氧化锆氧化铝、刚玉、金刚石或者陶瓷磨料，或其任意混合物。但是，本发明不仅限于上述颗粒。磨料颗粒的粒度可以根据其用途发生变化，从10nm至lOOOum，优选l-500um，以重均平均粒度表示。但是，由于NFC的原纤维具有小尺寸并且甚至能够紧密地缠绕小颗粒，NFC使得还可以使用低于1um的粒度，特别是对于小型化复合结构，如细丝、纱线和单个颗粒。
[0034]可以对颗粒进行物理改性或化学改性，特别是改变它们的表面性质和/或化学表面结构，例如表面电荷进行物理改性或化学改性。特别地，进行这种改性来匹配磨料颗粒与所使用的NFC等级。为此，NFC也可以是衍生的，如下文详述。
[0035]术语“纳米原纤化纤维素”(NFC)指的是一批源自纤维素原材料的分离的纤维素微原纤或微原纤束。微原纤维通常具有高纵横比:长度可超过I微米，而数均直径通常低于200nm。微原纤束的直径也可以更大，但是通常小于lum。最小的微原纤类似于所谓的初级原纤，通常其直径为2-12nm。原纤维或原纤维束的尺寸取决于纤维素原材料和崩解方法。纳米原纤化纤维素还可以包含一些半纤维素;含量取决于植物来源。采用合适的设备，如精制机、研磨机、均化器、胶体排除装置、磨擦研磨机、超声近距离声波定位器、流化器如微流化器

文档序号 : 【 9768867 】

技术研发人员：H·赫德,C·卡凡德,M·桑德尔,A·劳坎恩
技术所有人：芬欧汇川集团,KWH米尔卡有限公司

备注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
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