EP0845330A2 - Verfahren zur Herstellung eines flächigen Schleifmittels - Google Patents

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EP0845330A2
EP0845330A2 EP97120784A EP97120784A EP0845330A2 EP 0845330 A2 EP0845330 A2 EP 0845330A2 EP 97120784 A EP97120784 A EP 97120784A EP 97120784 A EP97120784 A EP 97120784A EP 0845330 A2 EP0845330 A2 EP 0845330A2
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binder
water
radiation
abrasive
mixture
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Dirk Dipl. Ing Bröker
Wieland Dr. Rer. Nat. Sack
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Rud Starcke GmbH and Co KG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D3/00—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
    • B24D3/02—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent
    • B24D3/20—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially organic
    • B24D3/28—Resins or natural or synthetic macromolecular compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D11/00—Constructional features of flexible abrasive materials; Special features in the manufacture of such materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a flat Abrasive according to the preamble of claim 1.
  • all flat abrasives consist of a web-shaped
  • the task of the binders being the abrasive grains to be anchored on the web-shaped support and against breaking out to back up. It is crucial that the abrasive grains are not too small from the binder stick out. An abrasive grain that has sunk too deeply into this binder layer affects the functionality of the abrasive.
  • a method can be inferred from US Pat. No. 5,551,960 in which a radiation-polymerizable method is used and solvent-free binder together with the abrasive grains in one Operation is applied to the web-shaped carrier. But here too few abrasive grains protrude beyond the surface of the binder, the surface either by applying a liquid printing process similar to screen printing roughened or it is what has already been described by the thermal process known two-stage process applied.
  • the present invention is therefore based on the object of a method of Generic type to develop so that a simple, inexpensive, in essential emission-free production with simultaneous optimization of the abrasive Surface in terms of grinding performance is possible.
  • emission-free radiation curing is used for the manufacture Above all can use fine abrasives without reducing the grinding performance of the abrasive on the one hand because of a masking of the abrasive grains by the Binder and on the other hand the anchoring of the abrasive grains in the binder Shade formation on the back of the abrasive grain and thus hardening is impeded of the binder is impaired. It was to be expected that one Curing the mixture using UV light or electron beams creates a shadow would occur below the abrasive grain, i.e. that due to absorption through the abrasive grains the UV or electron radiation below the areas Abrasive grain would not reach.
  • the mixture used becomes an applicable one Have viscosity because the water supplied in the form of the binder could not evaporate.
  • binders are e.g. water soluble or dilutable acrylic prepolymers or emulsions of oligomers or unsaturated acrylic monomers, e.g. unsaturated polyesters and polyester acrylates as well as epoxy and urethane acrylates, such as those used in "radiation curing", Peter G. Garatt, Vincentz-Verlag Hannover, 1996.
  • Other examples are water-soluble aliphatic urethane acrylates or a water-soluble one Polyester acrylate.
  • UV initiators All initiators which can be used in aqueous systems are suitable as UV initiators.
  • Aluminum, silicon, chromium or iron oxide, boron nitride, silicon carbide can be used as the abrasive or diamond can be used. Water is used to control the Viscosity of the coating mass to be produced.
  • the water-emulsifiable polyester acrylate 50 parts by weight are mixed with 2 Parts by weight of benzophenone and 3 parts by weight of a UV initiator in one Mixing device (e.g. a propeller mixing vessel) mixed.
  • a UV initiator e.g. a propeller mixing vessel
  • the mixture is mixed in with the binding agent for intimate wetting of the abrasive grains a three-roller chair. Depending on the roller geometry, the resulting frictional heat and the free surface of the amount of substance continuously added in small amounts of water to create a friable consistency maintain.
  • the resulting homogeneous pasty mass is in one Another step by dilution with water on one, the respective application unit adjusted applicable viscosity brought.
  • water is added until a viscosity of approx. 1,500 mPas is reached, with which a wet layer thickness of approx. 30 ⁇ m is achieved.
  • an 80 ⁇ m polyester film was used as the substrate, as they also for the partially commercially available fine grinding films or microfinishing films are used.
  • the substrate is used to improve adhesion subjected to a normal corona pretreatment.
  • the water is heated to 90 ° C in a hot air dryer expelled in 15 seconds.
  • the binder is placed in a UV drying tunnel at a power of 80 W / cm under UV light with a wavelength of 250-440 nm cured from a mercury vapor lamp at a speed of 10 m / min.
  • the fine grinding films produced in this way were made with a commercially available Product of the same grain size for comparison in a scanning electron microscope on their surface structure, with a cross cut device according to DIN 53151, in the 180 ° kink test for their layer adhesion and with an abrasion tester on their Effectiveness checked and the roughness of the ground surfaces with a Roughness tester measured. The results are shown in the following table.
  • a commercially available fine grinding film served as a comparison.
  • the roughness was with measured with a mechanical stylus.
  • the manufactured according to the invention Muster achieved a slightly improved polishing effect with the same usability with slightly reduced abrasion performance.
  • Measurement Results comparison Pattern visual assessment of scanning electron microscopes, magn. 100 x even grain distribution like comparison Adhesion after cross-cut test (DIN 53151) Well; Level 0 Well; Level 0 180 ° kink test no flaking no flaking Abrasion performance in the Taber Abraser after 200 revolutions at 500 g load on aluminum sheet 640 mg 660 mg Roughing depths Ra of the ground sheet after 200 revolutions 0.33 ⁇ m 0.26 ⁇ m
  • the binder-abrasive mixture described in Example 2 was the same Art produced and applied to the same substrate material and then hardened as already described for Example 1.
  • binder systems listed in the two examples are examples of all water-borne radiation-emulsifiable or emulsifiable binders.
  • the following binders can preferably be used in the sense of the invention find: water-soluble polyethylene glycol diacrylates, water-dispersible Acrylic oligomers, water-dilutable alkoxylated triacrylates, water-dilutable aliphatic Urethane acrylates, water-thinnable polyether acrylates, water-thinnable ethoxylated trimethylpropane triacrylates, water-dilutable aromatic urethane acrylates, water-dilutable or water-dispersible aliphatic urethane acrylates, water-dilutable aliphatic epoxy acrylates.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Schleifmittels, bei dem eine Funktionsschicht aus einer Mischung von Schleifkörnern und einem aushärtbaren Bindemittel auf einen bahnförmigen Träger aufgetragen wird, ist so gestaltet, daß ein durch Strahlenpolymerisation aushärtbares, wasserverdünnbares oder wasserdispergierbares Bindemittel verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Schleifmittels gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. In ihrem Grundaufbau bestehen alle flächigen Schleifmittel aus einem bahnförmigen
Träger mit darauf aufgebrachter Bindemittelschicht und den darin eingebetteten Schleifkörnern, wobei den Bindemitteln die Aufgabe zukommt, die Schleifkörner auf dem bahnförmigen Träger zu verankern und gegen ein Herausbrechen zu sichern. Entscheidend ist dabei, daß die Schleifkörner nicht zu gering aus dem Bindemittel herausragen. Ein zu tief in diese Bindemittelschicht eingesunkenes Schleifkorn beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit des Schleifmittels.
Um eine optimale Schleifwirkung beim Gebrauch des Schleifmittels zu erreichen, ist es erforderlich, daß eine Optimierung zwischen der frei aus dem Bindemittel herausragenden Schleifkornspitze einerseits und der Verankerung des Schleifkornes auf dem Bahnförmiger Träger andererseits gefunden wird.
Dies wird vor allem bei Feinschleifmitteln dadurch erreicht, daß dem Bindemittel ein Lösemittel beigegeben wird, das bei einer Trocknung nach dem Auftragen der Mischung verdunstet, so daß der Bindemittelpegel unter das Niveau der Schleifkörner sinkt.
Zwar ist schon versucht worden, eine lösemittelfreie Mischung in einem Einstufenauftrag auf dem bahnförmiger Träger aufzubringen und durch Strahlenpolymerisation auszuhärten, was zweifellos - da emissionsfrei - erhebliche ökologische Vorteile mit sich bringt, jedoch ist die Schleifleistung eines auf diese Weise hergestellten Schleifmittels weit unter dem üblichen Niveau herkömmlich hergestellter Produkte, da die Trocken- gleich der Naßschichtdichte ist, so daß nur wenige Schleifkörner über das Niveau der Bindemittelschicht hinausragen.
Aus der US 47 35 632 ist es bekannt, dem strahlenvernetzbaren Bindemittel geringe Mengen eines organischen Lösemittels zuzusetzen, das vor der Strahlenvernetzung ausgetrieben wird. Allerdings verliert dieses Herstellungsverfahren seinen durch die Strahlenpolymerisation bedingten umweltrelevanten Vorteil durch den Einsatz des Lösemittels.
Ein weiteres Verfahren ist aus der US 5 578 343 bekannt. Dabei besteht die Funktionsschicht jedoch aus zwei separat aufzubringenden Schichten, wobei zunächst das Bindemittel aufgebracht und mittels UV-Strahlung vorvernetzt wird, während das Schleifmittel mit einer zweiten phenolischen Schicht auf der Bindemittelschicht verankert und beide Schichten anschließend gemeinsam thermisch nachvernetzt werden.
Ein ähnliches Verfahren ist in der US 5 571 297 beschrieben. Nachteilig auch hier, daß eine thermische Nachhärtung nötig ist, die die Herstellung des Schleifmittels sowohl hinsichtlich des Fertigungsablaufs als auch des Energieverbrauchs verteuert.
Aus der US 5 551 960 ist ein Verfahren entnehmbar, bei dem ein strahlenpolymerisierbares und lösemittelfreies Bindemittel zusammen mit den Schleifkörnern in einem Arbeitsgang auf den bahnförmiger Träger aufgetragen wird. Da aber auch hier zu wenig Schleifkörner über die Bindemitteloberfläche hinausragen, wird die Oberfläche entweder durch ein siebdruckähnliches Auftragsverfahren im flüssigen Zustand aufgerauht oder es wird das bereits beschriebene, von den thermischen Verfahren her bekannte Zweistufen-Verfahren angewandt.
In diesem Fall sind entweder besonders hohe Investitionskosten erforderlich, da je zwei Härtungsanlagen eingesetzt werden müssen, oder es ist ein unwirtschaftlicher, produktivitätsmindernder zweiter Durchgang durch dieselbe Behandlungseinheit nötig, um das Endprodukt fertigzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so zu entwickeln, daß eine einfache, kostengünstige, im wesentlichen emissionsfreie Herstellung bei gleichzeitiger Optimierung der abrasiven Oberfläche hinsichtlich ihrer Schleifleistung möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
Überraschend hat sich gezeigt, daß man die emissionsfreie Strahlenhärtung zur Herstellung vor allem von Feinschleifmitteln nutzen kann, ohne daß die Schleifleistung des Schleifmittels einerseits wegen einer Maskierung der Schleifkörner durch das Bindemittel und andererseits die Verankerung der Schleifkörner im Bindemittel durch Schattenbildung auf der Schleifkornrückseite und dadurch behinderte Aushärtung des Bindemittels beeinträchtigt wird. Dabei war zu erwarten, daß gerade bei einer Aushärtung der Mischung mittels UV-Licht oder Elektronenstrahlen eine Schattenbildung unterhalb der Schleifkörner eintreten würde, d.h. daß aufgrund der Absorption durch die Schleifkörner die UV- oder Elektronen-Strahlung die Bereiche unterhalb der Schleifkörner nicht erreichen würde.
Es ist davon auszugehen, daß sowohl bei einer Strahlenhärtung mittels Elektronenstrahlen als auch bei einer solchen mittels UV-Strahlen eine ausreichende Aushärtung des Bindemittels erfolgt, so daß eine feste Verankerung der Schleifkörner im Bindemittel gegeben ist.
Die verwendete Mischung wird in den meisten Fällen durchaus eine applizierbare Viskosität besitzen, weil das in der Lieferform des Bindemittels angelieferte Wasser nicht verdunsten konnte.
Andernfalls wird der Mischung vor dem Auftragen zur Viskositätseinstellung Wasser zugegeben.
Bei einer Aushärtung des Bindemittels mittels UV-Strahlung ist, wie sich gezeigt hat, die Streuung der UV-Strahlen an den Schleifkörnern so groß, daß das Bindemittel auch an der von der UV-Lichtquelle abgewandten Schleifkornseite genügend aushärtet und das Schleifkorn fest an dem bahnförmiger Träger fixiert. Auch bei mikroskopischer Untersuchung konnten keine herausgebrochenen Schleifkörner beobachtet werden.
Sollte jedoch eine sich negativ auf die Verankerung der Schleifkörner auswirkende Schattenwirkung vor allem beim Einsatz höherer Korngrößen oder UV-Strahlung absorbierender Schleifkörner befürchtet werden, so kann in Erweiterung zur einseitigen UV-Bestrahlung eine weitere UV-Bestrahlung durch eine UV-durchlässige Polyesterfolie, die dann den bahnförmigen Träger bildet, von der Rückseite her durchgeführt werden.
Eine bevorzugte Vorgehensweise zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schleifmittels wird im folgenden beispielhaft beschrieben.
Es wird eine Dispersion aus einem Bindemittel, einem UV-Initiator, einem Schleifmittel und Wasser hergestellt. Als Bindemittel eignen sich z.B. wasserlösliche oder verdünnbare acrylische Präpolymere oder Emulsionen von Oligomeren bzw. ungesättigten acrylischen Monomeren, wie z.B. ungesättigte Polyester und Polyesteracrylate sowie Epoxy- und Urethan-Acrylate, wie sie beispielsweise in "Strahlenhärtung", Peter G. Garatt, Vincentz-Verlag Hannover, 1996, beschrieben werden. Andere Beispiele sind wasserlösliche aliphatische Urethan-Acrylate oder ein wasserlösliches Polyesteracrylat.
Als UV-Initiatoren eigenen sich alle in wässrigen Systemen einsetzbare Initiatoren.
Als Schleifmittel kann Aluminium-, Silizium-, Chrom- oder Eisenoxid, Bornitrit, Silizium-Karbid oder Diamant eingesetzt werden. Wasser dient dabei zur Steuerung der Viskosität der herzustellenden Beschichtungsmasse.
In Anlehnung an herkömmliche und bekannte wässrig gelöste Haut- und Knochenleime als Bindemittel bei der Herstellung von nicht wasserfesten Schleifmaterialien kann auch strahlenvernetzbare Gelatine eingesetzt werden. Diese ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Haut- und Knochenleimen, nach der Strahlenvernetzung auch in kochendem Wasser nicht löslich. An einem konkreten Beispiel wird die Vorgehensweise erläutert:
Beispiel 1 Zusammensetzung:
Typ Gew.TI.
Polyesteracrylat, wasserverdünnbar 50
Alpha-Hydroxy-Keton 3
UV-Initiator 2
Aluminiumoxid 55
50 Gewichtsteile des wasseremulgierbaren Polyesteracrylates werden mit 2 Gewichtsteilen Benzophenon und 3 Gewichtsteilen eines UV-Initiators in einer Mischvorrichtung (z.B. einem Propeller-Rührgefäß) gemischt. In einem nächsten Arbeitsgang werden 50 Gewichtsteile eines Schleifmittels hinzugeführt und verrührt (z.B. Aluminiumoxid einer mittleren Korngröße d=3 µm,. In einem dritten Arbeitsgang wird die Mischung zwecks inniger Benetzung der Schleifkörner mit dem Bindemittel in einem Drei-Walzen-Stuhl verrieben. In Abhängigkeit von der Walzengeometrie, der entstehenden Reibungswärme und der freien Oberfläche der Substanzmenge wird kontinuierlich in geringen Mengen Wasser hinzugeführt, um eine verreibbare Konsistenz aufrecht zu erhalten. Die entstehende homogene pastöse Masse wird in einem weiteren Arbeitsschritt durch Verdünnung mit Wasser auf eine, dem jeweiligen Auftragsaggregat angepaßte applizierbare Viskosität gebracht. Bei Verwendung z.B. eines 50 µm-Drahtrakels wird Wasser zugegeben, bis eine Viskosität von ca 1.500 mPas erreicht ist, womit eine Naßschichtdicke von ca. 30 µm erzielt wird.
Als Substrat diente in diesem erfindungsgemäßen Beispiel eine 80 µm-Polyesterfolie, wie sie auch für die z.T. handelsüblichen Feinschleiffolien bzw. Microfinishing-Filmen zum Einsatz kommen. Vor dem Beschichten wird das Substrat zwecks Haftverbesserung einer üblichen Korona-Vorbehandlung unterzogen.
Nach dem Auftragen der Schicht wird das Wasser in einem Heißluftrockner bis 90 °C in 15 Sekunden ausgetrieben. Danach wird das Bindemittel in einem UV-Trockenkanal bei einer Leistung von 80 W/cm unter UV-Licht mit einer Wellenlänge von 250-440 nm aus einer Hg-Dampflampe bei einer Geschwindigkeit von 10 m/min ausgehärtet. Die auf diese Weise hergestellten Feinschleiffolien wurden mit einem handelsüblichen Produkt der gleichen Körnung als Vergleich in einem Rasterelektronenmikroskop auf ihre Oberflächenstruktur, mit einem Gitterschnittgerät nach DIN 53151, im 180°-Knicktest auf ihre Schichthaftung und mit einem Abriebtestgerät auf ihre Wirksamkeit geprüft und die Rauhtiefen der geschliffenen Oberflächen mit einem Rauhigkeitstestgerät gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Prüfergebnisse Beispiel 1
Messung Ergebnisse
Vergleich Erfindungsgemäßes Muster
visuelle Beurteilung Rasterelektronenmikros kop, Vergr. 100 x gleichmäßige Kornverteilung 10-30 % Bindemittelanteil an der Oberfläche, gute Benetzung ähnlich Vergleich
Haftung nach Gitterschnitt-Test (DIN 53151) Schnittränder glatt, kein Schichtabplatzen: Stufe 0 Schnittränder glatt, kein Schichtabplatzen: Stufe 0
180° Knicktest kein Schichtabplatzen kein Schichtabplatzen
Abriebleistung im Taber Abraser nach 200 Umdrehungen bei 500 g Belastung auf Aluminumblech 650 mg 630 mg
Rauhtiefen Ra des geschliffenen Bleches nach 200 Umdrehungen 0,32 µm 0,27 µm
Als Vergleich diente eine handelsübliche Feinschleiffolie. Die Rauhtiefe wurde mit einem mechanischen Tastschnittgerät gemessen. Das erfindungsgemäß hergestellte Muster erzielte bei gleicher Gebrauchstüchtigkeit eine etwas verbesserte Polierwirung bei leicht verringerter Abriebleistung.
Beispiel 2 Zusammensetzung:
Typ Gew. TI.
Acryloligomer, wasserverdünnbar 50
Alpha-Hydroxy-Keton 2
Trimethylpropantriacrylat 3
Aluminiumoxid 55
Prüfergebnisse Beispiel 2
Messung Ergebnisse
Vergleich Erfindungsgemäßes Muster
visuelle Beurteilung Rasterelektronenmikros kop, Vergr. 100 x gleichmäßige Kornverteilung wie Vergleich
Haftung nach Gitterschnitt-Test (DIN 53151) gut; Stufe 0 gut; Stufe 0
180° Knicktest kein Abplatzen kein Abplatzen
Abriebleistung im Taber Abraser nach 200 Umdrehungen bei 500 g Belastung auf Aluminumblech 640 mg 660 mg
Rauhtiefen Ra des geschliffenen Bleches nach 200 Umdrehungen 0,33 µm 0,26 µm
Die in Beispiel 2 beschriebene Bindemittel-Schleifmittel-Mischung wurde auf gleiche Art hergestellt und auf das gleiche Substratmaterial aufgetragen und anschließend gehärtet, wie es für Beispiel 1 bereits beschrieben wurde.
Mit beiden Beispielen konnte bewiesen werden, daß bei der Verwendung wasserverdünnbarer bzw. wasseremulgierbarer strahlenvernetzbarer Bindemittel und unter Einsatz einer minimalen, von der Geometrie des 3-Walzenstuhls und der in ihm entstehenden Reibungswärme abhängigen Wassermenge und dem entsprechenden Schleifmittel auf eine besonders umweltfreundliche - da lösemittelfrei und energiesparend - und wirtschaftliche - Einstufenauftrag statt der üblichen zweistufigen Produktionsweise - Art und Weise eine gebrauchstüchtige Feinschleiffolie herzustellen ist.
Nicht zu erwarten war dabei, daß die Haftung der wässrig verdünnten Schleifkornaufschlämmung auf dem nicht saugfähigen und stark unpolaren Polyesterfoliensubstrat sowohl im Gitterschnitt-Test nach DIN 53151 als auch nach dem 180°-Knicktest eine befriedigende Haftung aufwies.
Die in den beiden Beispielen aufgeführten Bindemittelsysteme stehen beispielhaft für alle wässrig verdünnbaren bzw. emulgierbaren strahlenvernetzbaren Bindemittel. Vorzugsweise können dabei im erfindungsgemäßen Sinne folgende Bindemittel Verwendung finden: wasserlösliche Polyethylenglykol-Diacrylate, wasserdispergierbare Acryloligomere, wasserverdünnbare alkoxylierte Triacrylate, wasserverdünnbare aliphatische Urethanacrylate, wasserverdünnbare Polyetheracrylate, wasserverdünnbare ethoxilierte Trimethylpropantriacrylate, wasserverdünnbare aromatische Urethanacrylate, wasserverdünnbare bzw. wasserdispergierbare aliphatische Urethanacrylate, wasserverdünnbare aliphatische Epoxiacrlylate.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines flächigen Schleifmittels, bei dem eine Mischung von Schleifkörnern und einem aushärtbaren Bindemittel auf einen bahnförmigen Träger aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Strahlenpolymerisation aushärtbares, wasserverdünnbares oder wasserdispergierbares Bindemittel verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkorn-Bindemittel-Mischung vor dem Auftragen zur Viskositätseinstellung Wasser zugegeben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel der getrockneten Funktionsschicht durch energiereiche Strahlung vernetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vernetzung UV-Strahlung eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vernetzung Elektronenstrahlung eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung auf einem Drei-Walzen-Stuhl oder einer Kugelmühle unter Zugabe des Bindemittels, der Schleifkörner und des Wassers hergestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die energiereiche Strahlung sowohl ober- wie auch unterseitig eingebracht wird, wobei als Trägerband eine strahlendurchlässige Folie eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel eine strahlenvernetzbare Gelatine eingesetzt wird.
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