JP5658761B2 - 粒子の静電気付着の方法、研磨材グレイン及び物品 - Google Patents

Description

米国特許第５，０２６，４０４号及び同第５，０４２，９９１号に記載される種々の研磨材グレイン等が既知である。更に、米国特許第２００１／００４９９１１号に記載される研磨材粉末の静電気付着の方法等も既知である。

種々（例えば、研磨材グレイン）の粉末が既知であるが、産業界は、微細（例えば、研磨材グレイン）粉末の静電気付着の改善された方法、並びに改善された微細研磨材グレイン及び物品に利点を見出すであろう。

一実施形態において、基材を準備する工程と、粒子が基材に結合するように粒子を静電気的に付着させる工程とを含む、物品を作製する方法を説明する。粒子は、７５マイクロメートル未満の中央一次粒径を有する複数個の大きな（例えば、研磨材）粒子と、分離性の疎水性ナノ粒子とを含む。

別の実施形態では、７５マイクロメートル未満の中央一次粒径を有する複数個の大きな研磨材粒子と、分離性の疎水性ナノ粒子とを含む研磨材グレインを説明する。

更に別の実施形態では、基材と、本願に記載される複数個の研磨材粒子とを含む研磨材物品を説明する。

塗装表面を修復する方法も説明する。本方法は、表面欠陥を有する塗装表面を準備する工程と、本願に記載される研磨材物品で研磨することにより、表面欠陥を取り除く工程とを含む。

アルミニウム酸化物研磨材グレイン粒子と、疎水性ナノ粒子とを含む研磨材物品の表面の例示的な走査電子顕微鏡写真。 炭化ケイ素研磨材グレイン粒子と、疎水性ナノ粒子とを含む研磨材物品の表面の例示的な走査電子顕微鏡写真。 疎水性ナノ粒子を含まない炭化ケイ素研磨材グレイン粒子を含む研磨材物品の表面の、例示的な走査電子顕微鏡写真。

粒子の静電気付着を介して物品を作製する方法、研磨グレイン及び物品、並びに塗装表面を修復する方法をここで説明する。

本願に記載される研磨材グレインは、微細研磨材粒子と、分離性の疎水性ナノ粒子とを含む。理論に束縛されるものではないが、分離性の疎水性ナノ粒子を含むことにより、「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＩＮＨＩＢＩＴＩＮＧ ＷＡＴＥＲ ＡＤＳＯＲＰＴＩＯＮ ＯＦ ＰＯＷＤＥＲ ＢＹ ＡＤＤＩＴＩＯＮ ＯＦ ＨＹＤＲＯＰＨＯＢＩＣ ＮＡＮＯＰＡＲＴＩＬＣＥＳ」と題される、２００９年１２月３日に出願された米国暫定特許第６１／２６６，２７８号に記載される微細研磨材粒子の水分吸着が阻害されると推測される。いくつかの実施形態では、ナノ粒子が除外されると、研磨材粒子を荷電することが不可能であった。他の実施形態では、ナノ粒子を含むことにより、処理上のパラメーターが拡大され、温度及び湿度が正確に制御される必要がなくなった。更に他の実施形態では、ナノ粒子を含むことにより、改善された均一性を示す研磨材物品が提供された。

本方法は、本願において、静電気付着の例示的粒子として、研磨材グレインに関して説明される。しかしながら、本願に記載される分離性の疎水性ナノ粒子を含むことにより提供される属性は、粉末（例えば、塗料）コーティングによく見られるように、無機酸化物粒子等の、他の種類の微細親水性粒子（すなわち、水分を吸着する粒子）の静電気付着に適用できると考えられる。

本粒子（例えば、研磨材グレイン）は、相対的サイズによりナノ粒子と区別され得る。本粒子は、ナノ粒子より大きい。更に、本粒子及びナノ粒子は、典型的には異なる材料を含む。

典型的には、ナノ粒子は、１００ナノメートル未満の平均一次粒径又は粒塊粒径を有する。「粒塊」とは、電荷又は極性によりまとまってよく、かつより小さい構成要素に分解可能である、一次粒子間の弱い会合を意味する。「一次粒径」は、単一の（非凝集、非粒塊）粒子の平均直径を指す。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、７５ナノメートル以下又は５０ナノメートル以下の平均粒径を有する。ナノ粒子は、典型的には、少なくとも３ナノメートルの平均一次粒径又は粒塊粒径を有する。いくつかの好ましい実施形態では、平均一次粒径又は粒塊粒径は、２０ｎｍ未満、１５ｎｍ未満、又は１０ｎｍ未満である。ナノ粒子の測定値は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）に基づくことができる。

シリカ凝集物を含むヒュームドシリカと異なり、本願で利用されるナノ粒子は、高濃度の分離性の非凝集ナノ粒子を含む。本願で使用される「凝集体」とは、得られた外表面積が個別の構成要素の計算された表面積の合計より有意に小さくてもよい、強く結合した、又は縮合した粒子を指す。例えば、共有結合、又は焼結若しくは複雑な物理的もつれから生じるもの等の凝集体をまとめる力は、強い力である。粒塊したナノ粒子は、表面処理剤の塗布等により分離性の一次粒子等のより小さい構成要素に分解可能であるが、表面処理剤の凝集体への塗布は、単に表面処理された凝集体をもたらす。いくつかの実施形態では、大半のナノ粒子（すなわち、少なくとも５０％）は、分離性の非粒塊ナノ粒子として存在する。例えば、少なくとも７０％、８０％、又は９０％のナノ粒子は、分離性の非粒塊ナノ粒子として存在する。

（例えば、研磨材）粒子は、少なくとも１００ｎｍ（すなわち、０．１マイクロメートル）、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、又は５００ｎｍの中央一次粒径又は粒塊粒径（一般に、有効直径として測定される）を有する。理論に束縛されるものではないが、分離性の疎水性ナノ粒子を含むことで寄与される水分吸着の阻害作用は、中央（例えば、研磨材）粒径の減少とともに増加する傾向にある。したがって、好ましい実施形態では、中央粒径が、７５マイクロメートル以下、５０マイクロメートル以下、又は２５マイクロメートル以下である。いくつかの実施形態では、粒子は、２０マイクロメートル以下、１５マイクロメートル以下、又は１０マイクロメートル以下の中央粒径を有する。

より大きい（例えば、研磨材グレイン）粒子は、典型的には、ナノ粒子の平均粒径より少なくとも５０、６０、７０、８０、９０、又は１００倍大きい中央一次粒径を有する。いくつかの実施形態では、より大きい（例えば、研磨材グレイン）粒子は、ナノ粒子の平均粒径より少なくとも２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００倍大きい中央一次粒径を有する。より大きい（例えば、研磨材グレイン）粒子は、ナノ粒子の平均粒径より５，０００まで又は１０，０００倍まで大きい中央一次粒径を有してもよい。

好ましい実施形態では、粒子は研磨材粒子であり、一般的に、「研磨材グレイン」とも呼ばれる。研磨材グレインは、少なくとも８（好ましくは、少なくとも９）のモース硬度を有する粒子の形態の材料を指す。

代表的で有用な研磨材粒子としては、酸化アルミニウムのような溶融アルミニウム酸化物系の材料、アルミニウム酸化物セラミック（これには、１種以上の金属酸化物変性剤類、及び／又はシード若しくは核剤が含まれてもよい）、熱処理されたアルミニウム酸化物、炭化ケイ素、共溶融されたアルミナ−ジルコニア、ダイアモンド、セリア、二ホウ化チタン、立方晶窒化ホウ素、炭化ホウ素、ガーネット、フリント、エメリー、ゾルゲル法で抽出された研磨材粒子、及びそれらのブレンドが挙げられる。望ましくは、研磨材粒子は、溶融アルミニウム酸化物、熱処理されたアルミニウム酸化物、アルミニウム酸化物セラミック、炭化ケイ素、アルミナジルコニア、ガーネット、ダイアモンド、立方晶窒化ホウ素、ゾルゲル法で抽出された研磨材粒子、又はそれらの混合物を含む。ソルゲル研磨材粒子の例としては、米国特許第４，３１４，８２７号（Ｌｅｉｔｈｅｉｓｅｒら）、同第４，５１８，３９７号（Ｌｅｉｔｈｅｉｓｅｒら）、同第４，６２３，３６４号（Ｃｏｔｔｒｉｎｇｅｒら）、同第４，７４４，８０２号（Ｓｃｈｗａｂｅｌ）、同第４，７７０，６７１号（Ｍｏｎｒｏｅら）、同第４，８８１，９５１号（Ｗｏｏｄら）、同第５，０１１，５０８号（Ｗａｌｄら）、同第５，０９０，９６８号（Ｐｅｌｌｏｗ）、同第５，１３９，９７８号（Ｗｏｏｄ）、同第５，２０１，９１６号（Ｂｅｒｇら）、同第５，２２７，１０４号（Ｂａｕｅｒ）、同第５，３６６，５２３号（Ｒｏｗｅｎｈｏｒｓｔら）、同第５，４２９，６４７号（Ｌａｒａｍｉｅ）、同第５，４９８，２６９号（Ｌａｒｍｉｅ）、及び同第５，５５１，９６３号（Ｌａｒｍｉｅ）に記載されるものが挙げられ、それらの開示は、参照により本願に組み込まれる。

焼結されたαアルミナ系セラミック粒子は、参照により本願に組み込まれる米国特許第５，３５２，２５４号等に記載される塩基粒子を調製し、焼結することにより作製することができる。

本願に記載される静電気付着法を実践するために、種々の無機又は有機ナノ粒子が使用され得る。

代表的な無機ナノ粒子材料としては、例えば、金属リン酸塩類、スルホン酸塩類及び炭酸塩類（例えば、炭酸カルシウム、リン酸カルシウム、ヒドロキシ−アパタイト）、金属酸化物類（例えば、ジルコニア、チタニア、シリカ、セリア、アルミナ、酸化鉄、バナジア、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化スズ、及びアルミナ−シリカ）、並びに金属類（例えば、金、銀、又は他の貴金属類）が挙げられる。

ナノ粒子は、典型的には、形状が実質的に球形である。しかしながら、細長い形状等の他の形状が、代わりに利用されてもよい。細長い形状において、１０以下の縦横比が典型的であり、３以下の縦横比がより典型的である。

いくつかの実施形態では、ナノ粒子は有機材料を含んでもよい。有用な有機材料の具体例としては、（例えば、アルキル化）バックミンスターフラーレン（フラーレン）及び（例えば、アルキル化）ポリアミドアミン（ＰＡＭＡＭ）デンドリマーが挙げられる。フラーレンの具体例としては、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_８２、及びＣ_８４が挙げられる。ＰＡＭＡＭデンドリマーの具体例としては、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，Ｗｉｓから入手可能なＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｓ ２〜１０（Ｇ２ Ｇ１０）のものが挙げられる。ＰＡＭＡＭデンドリマーは、現在、Ｃ_１２表面官能基が商業的に入手可能である。有機分子上のアルキル基は、直鎖状又は分枝状であってもよく、少なくともＣ_３〜Ｃ_３０以下の範囲であり得、Ｃ_３〜Ｃ_３０の間のいずれかのサイズ又はその範囲であり得る。例えば、範囲は、Ｃ_３〜Ｃ_２２、Ｃ_３〜Ｃ_１８、Ｃ_３〜Ｃ_１２、又はＣ_３〜Ｃ_８、及びそれらの間のいずれかの組み合わせ若しくは整数であり得る。表面改質有機分子は、米国特許第７，００１，５８０号等に記載される、少なくとも０．１重量％からのレベルでエマルジョンの連続相に存在し得る。

有機ポリマー微小球の具体例としては、粉末又は分散液として、Ｂａｎｇｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．，Ｆｉｓｈｅｒｓ，Ｉｎｄ．から入手可能なポリスチレンを含む微小球が挙げられる。ポリスチレン微小球の平均粒径は、少なくとも２０ｎｍ〜６０ｎｍ以下の範囲である。現在商業的に入手可能な平均粒径は、２０、３０、５０、及び６０ｎｍである。

ナノ粒子が有機材料を含むとき、ナノ粒子は、有機材料の疎水性の性質を考慮して、表面処理剤の不在下で十分に疎水性であり得る。

いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、好ましくは、金属酸化物材料等の無機材料を含む。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、好ましくは、シリカ、ジルコニア、又はそれらの混合物を含む。

種々のナノ粒子が、市販されている。市販のシリカナノ粒子源は、Ｎａｌｃｏ Ｃｏ，Ｎａｐｅｒｖｉｌｌｌｅ，ＩＬから入手可能である。ナノ粒子は、当該技術分野において既知の技法を使用して作製することもできる。例えば、ジルコニアナノ粒子は、ＰＣＴ出願第２００８／０８７３８５号に記載される熱水技術を使用して調製することができる。

いくつかの実施形態では、（例えば、非表面改質された）ナノ粒子はコロイド状分散液の形態であり得る。例えば、コロイド状シリカ分散液は、商品名「ＮＡＬＣＯ １０４０」、「ＮＡＬＣＯ １０５０」、「ＮＡＬＣＯ １０６０」、「ＮＡＬＣＯ ２３２７」、及び「ＮＡＬＣＯ ２３２９」でＮａｌｃｏ Ｃｏ．から入手可能である。ジルコニアナノ粒子分散液は、商品名「ＮＡＬＣＯ ＯＯＳＳＯＯ８」でＮａｌｃｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．から、及び商品名「Ｂｕｈｌｅｒ ｚｉｒｃｏｎｉａ Ｚ−ＷＯ」でＢｕｈｌｅｒ ＡＧ Ｕｚｗｉｌ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄから入手可能である。

ナノ粒子は、完全に凝縮されてもよい。完全凝縮ナノ粒子（シリカを例外として）の結晶化度（単離金属酸化物粒子として測定した場合）は、典型的には５５％を超え、好ましくは６０％を超え、より好ましくは７０％を超える。例えば、結晶化度は、約８６％までの範囲内又はそれ以上にすることができる。結晶化度は、Ｘ線回折法によって割り出すことができる。凝縮結晶性（例えば、ジルコニア）のナノ粒子は屈折率が高いが、非晶質ナノ粒子は典型的には屈折率がより低い。

無機（例えば、金属酸化物）ナノ粒子は、一般に、性質上親水性である。ナノ粒子は、疎水性表面処理剤で表面改質されて、疎水性が付与される。

表面改質とは、表面改質剤を無機酸化物粒子に付着させて表面特性を改質することを伴う。広くは、表面処理剤は、ナノ粒子の表面に（共有結合的に、イオン的に、又は強い物理吸着を通して）付着する第１の末端部と、恒久的に融合する等の粒子が凝集することを防止する立体的安定化を付与する第２の末端部とを有する。表面改質を含むことにより、粒子の他の材料との相溶性も改善することができる。例えば、オルガノシランの有機基等の有機末端基は、研磨材物品又は粉末コーティングの結合剤等の、重合可能で熱可塑性の樹脂等の有機マトリックス材料を用いて、粒子の相溶性を改善することができる。

表面処理剤の例としては、アルコール類、アミン類、カルボン酸類、スルホン酸類、ホスホン酸類、シラン類、及びチタネート類が挙げられる。表面処理剤は、任意に、フッ素置換基を含むことができる。好ましい種類の処理剤は、一部、（例えば、金属酸化物）ナノ粒子表面の化学的性質により決定される。シランがシリカとして、及びその他のシリカ系充填剤として好ましい。ジルコニア等の金属酸化物に対しては、シラン及びカルボン酸が好ましい。オルガノシラン表面処理剤が金属酸化物ナノ粒子に塗布されるとき、シラン末端部は、一般にナノ粒子により吸着される。カルボン酸がジルコニアナノ粒子に塗布されるとき、酸の末端部は、一般にジルコニアにより吸着される。

例示的なシランとしては、限定はされないが、ｎ−オクチルトリメトキシシラン、ｎ−オクチルトリエトキシシラン、イソオクチルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、及びヘキシルトリメトキシシラン等のアルキルトリアルコキシシラン、３−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、３−アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、及び３−（メタクリルオキシ）プロピルトリエトキシシラン等のメタクリルオキシアルキルトリアルコキシシラン又はアクリルオキシアルキルトリアルコキシシラン、３−（メタクリルオキシ）プロピルメチルジメトキシシラン、及び３−（アクリルオキシプロピル）メチルジメトキシシラン等のメタクリルオキシアルキルアルキルジアルコキシシラン又はアクリルオキシアルキルアルキルジアルコキシシラン、３−（メタクリルオキシ）プロピルジメチルエトキシシラン等のメタクリルオキシアルキルジアルキルアルコキシシラン又はアクリルオキシアルキルジアルキルアルコキシシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトアルキルトリアルコキシルシラン、スチリルエチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、及びｐ−トリルトリエトキシシラン等のアリールトリアルコキシシラン、ビニルメチルジアセトキシシラン、ビニルジメチルエトキシシラン、ビニルメチルジエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、ビニルトリイソプロポキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリフェノキシシラン、ビニルトリ−ｔ−ブトキシシラン、ビニルトリス（イソブトキシ）シラン、ビニルトリイソプロペノキシシラン、及びビニルトリス（２−メトキシエトキシ）シラン等のビニルシラン、及びそれらの組み合わせが挙げられる。

カルボン酸表面改質剤は、無水フタル酸と水酸基を有する有機化合物との反応生成物を含むことができる。適切な例としては、例えば、フタル酸モノ−（２−フェニルスルファニル−エチル）エステル、フタル酸モノ−（２−フェノキシ−エチル）エステル、又はフタル酸モノ−［２−（２−メトキシ−エトキシ）−エチル］エステルが挙げられる。いくつかの例においては、水酸基を有する有機化合物は、ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、又はヒドロキシブチル（メタ）アクリレートなどのヒドロキシアルキル（メタ）アクリレートである。例としては、限定はされないが、コハク酸モノ−（２−アクリロイルオキシ−エチル）エステル、マレイン酸モノ−（２−アクリロイルオキシ−エチル）エステル、グルタル酸モノ−（２−アクリロイルオキシ−エチル）エステル、フタル酸モノ−（２−アクリロイルオキシ−エチル）エステル、及びフタル酸モノ−（２−アクリロイル−ブチル）エステルが挙げられる。更に他のものとしては、モノ−（メタ）アクリルオキシポリエチレングリコールコハク酸エステル及び無水マレイン酸、無水グルタル酸、及び無水フタル酸から形成されるその同族体が挙げられる。

別の例においては、表面改質剤は、ＰＣＴ公開第２０１０／０７４８６２号等に記載されるポリカプロラクトンと無水コハク酸との反応生成物である。

参照により本願に組み込まれる国際公開第２００７／０１９２２９号等に記載される種々の他の表面処理剤が、当該技術分野において既知である。

表面処理剤は、２つ以上の疎水性表面処理剤のブレンドを含むことができる。例えば、表面処理剤は、比較的長い置換又は非置換炭化水素基を有する、少なくとも１つの表面処理剤を含むことができる。いくつかの実施形態では、表面処理剤は、イソオクチルトリメトキシシラン等の少なくとも６又は８個の炭素原子を有する少なくとも１つの炭化水素基と、メチルトリメトキシシラン等のあまり疎水性ではない第２の表面処理剤とを含む。比較的長い置換又は非置換炭化水素基は、典型的には約２０個以下の炭素原子を有する。

表面処理剤は、疎水性表面処理剤と、（例えば、低濃度の）親水性の表面処理剤とのブレンドも含み得るが、但し、そのようなものを含むことにより、疎水性ナノ粒子に起因する特性を損ねないものとする。

ナノ粒子は、典型的にはナノ粒子を粒子と混合する前に表面改質される。表面改質剤の量は、ナノ粒子のサイズ、ナノ粒子のタイプ、表面改質剤の分子量、及び改質剤のタイプのようないくつかの要素に依存する。一般的には、おおむね単層の改質剤をナノ粒子の表面に付着させることが好ましい。付着手順又は反応条件もまた、使用する表面改質剤に依存する。シランの場合、酸性又は塩基性の条件の下、高温で約１〜２４時間表面処理することが好ましい。カルボン酸のような表面処理剤では、高温又は長時間を必要としない。

コロイド状分散液中のナノ粒子の表面改質は、種々の方法で実現できる。そのプロセスは、無機分散液と表面改質剤との混合物を伴う。任意に、１−メトキシ−２−プロパノール、メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、１−メチル−２−ピロリジノン、及びそれらの混合物等の共溶媒がこの時点で添加され得る。共溶媒は、表面改質剤の溶解度及び表面改質されたナノ粒子の分散性を向上させることができる。無機ゾル及び表面改質剤を含む混合物は、その後、室温又は高温で、混合あり又はなしで、反応される。

少量のナノ粒子は、一般に、主要量の（例えば、微細研磨材）粒子と混合され、混合物を形成する。混合物は、任意に、粉砕された粒子が２００９年６月２６日に出願された米国特許出願第６１／２２０，６９８号に記載される減少した粒径を有するように粉砕され得る。

多くの実施形態においては、疎水性（例えば、表面改質された）ナノ粒子は、粒子及びナノ粒子の総粒子混合物の１０重量％固体以下の量で存在する。いくつかの実施形態では、疎水性ナノ粒子は、約５、４、３、２重量％固体以下の量で存在する。疎水性ナノ粒子の量は、典型的には、少なくとも０．０１重量％、０．０５重量％、又は０．１０重量％固体である。いくつかの実施形態では、疎水性ナノ粒子の量は、少なくとも０．２０重量％固体、０．３０重量％固体、０．４０重量％固体、又は０．５０重量％固体である。しかしながら、（例えば、微細研磨材）粒子が濃縮マスターバッチである場合、疎水性ナノ粒子の濃度は実質的に高くてもよい。

いくつかの実施形態では、（例えば、研磨材）粒子は、（すなわち、乾燥）表面改質されたナノ粒子と混合される。

他の実施形態では、（例えば、研磨材）粒子は、溶媒（すなわち、より大きな粒子と比較して）及びナノ粒子含有コロイド状分散液ではない揮発性の不活性液体と混合される。利用され得る典型的な液体としては、例えば、トルエン、イソプロパノール、ヘプタン、ヘキサン、オクタン、及び水が挙げられる。液体の量は十分に少ないため、液体が混合中に蒸発する。混合物中の液体の濃度は、５重量％未満である。いくつかの実施形態では、液体の量は、４、３、２、１、又は０．５重量％以下である。高濃度の液体が利用される場合、方法は、例えば易流動性の乾燥粉末を回収するために、濾過及び／又は蒸発により液体を除去する工程を更に含む。

ナノ粒子と組み合わされる（例えば、研磨材）粒子は、例えば、参照により本願に組み込まれる米国特許第２，２８７，８３７号、同第２，４４７，３４７号、同第６，０３７，０１９号、及び同第２００１／００４９９１１号等に記載される、当該技術分野において既知の静電気付着法によりコーティングされる。そのような方法は、一般に、粒子が基材に結合するように、粒子を静電気的に付着する工程を含む。特に研磨材物品の場合においては、静電気付着法は、配向された研磨材粒子を有する研磨材物品を提供するために使用することができる。配向された研磨材粒子は、粒子の尖部が研磨材物品の基材に直交するように結合剤に埋設された研磨材粒子の大部分（例えば、少なくとも５０、６０、７０、８０、９０％以上）を有することを特徴とする。対照的に、他の（例えば、スラリー）プロセスにより製造され得る非配向された研磨材粒子の場合、研磨材粒子は結合剤にランダムに埋設される。粒子の一部の尖部は基材に直交であってもよいが、主要量の粒子は他の方向を指す尖部を有する。

米国特許第２００１／００４９９１１号に記載される静電気コーティングの一方法において、（例えば、研磨材グレイン）粒子を、未硬化又は部分的に硬化された結合剤材料上に付着させることができる。一般的な付着法の１つは、グレインが静電界を結合剤と接触させる影響下で上方に突起する静電気付着を含む。これらのプロセスは、ＵＰ（上方突起）プロセスとして説明することができる。（例えば、研磨材グレイン）粒子は、ホッパーから、移動ベルトの下に位置し、移動ベルトの上に位置するアースプレートと正反対かつ平行である荷電プレートにより画定される付着位置を通過する移動ベルトに供給される。グレインが付着する基材は、それらが両方とも付着位置を通過するため、移動ベルトに平行かつその上の通路をたどる。荷電プレートとアースプレートとの間の静電界は、その上にコーティングされた未硬化又は部分的に硬化された結合剤に付着する基材の下に面した表面に向かってグレインを上方に突起させる。

（例えば、研磨材）粒子でコーティングされた基材を作製するための好ましい方法の１つは、米国特許第６，０３７，０１９号に記載され、参照により本願に組み込まれる。そのようなプロセスは、ａ）（例えば、両極性）振動磁界を提供する工程、ｂ）磁界にコーティング材料、基材、及び少なくともコーティング材料の流動床を形成し、コーティング材料を基材の表面に付着させるのに十分な力を提供することにより、コーティング材料を基材に固定する手段を連続して導入する工程、並びにｃ）連続してコーティング基材を収集する工程を含む。

研磨材グレインは、今記載した静電気付着法を使用して研磨材物品に製造され得る。

研磨材物品は、典型的には、本願に記載される裏材（基材）と研磨材グレインとを含み、結合剤によってそれに接着される。裏材は、布、高分子フィルム、繊維、不織布ウェブ、紙、若しくはそれらの組み合わせ、又はそれらを処理したものであってもよい。種々の無機又は有機結合剤のいずれかを利用してもよい。米国特許第６，７５８，７３４号等に記載される種々の裏材及び結合剤は、当該技術分野において既知である。

コーティングされた研磨材物品の裏材は、追加コーティング（例えば、含浸剤、バックサイズ層、プレサイズ層、タイ層）を有してもよく、これは、例えば、当業者に既知の材料の機能又は目的によって指定される連続又は不連続層として存在することができる。例えば、特に、微細等級の研磨材（例えば、ＡＮＳＩ等級４００以上の微細）を利用する場合、紙の裏材料の固有の非平坦表面を平滑化するために、飽和コートを提供することが望ましい場合がある。バックサイズ層は、裏材の裏側、つまり、研磨材粒子が塗布される反対側に塗布され、裏材料に本体を追加し、摩耗から裏材料を保護する。プレサイズ層は、予め処理された裏材に塗布されることを除き飽和コートと同じである。

コーティングされた研磨材物品は、静電気的に付着させた研磨材グレイン層の表面に塗布される追加コーティングを有することができる。サイズ層は、典型的には研磨材グレインを裏材に更に固定するために塗布される。スーパーサイズ層は、つまり、サイズ層の少なくとも一部の上に塗布されたコーティングであり、例えば研削助剤を供給するために、及び／又は目づまり防止コーティングとして、追加され得る。

更に任意のスーパーサイズ層に関して、コーティングされた研磨材物品の切削能力を劇的に低下させる可能性のある、研磨材粒子の間の削り屑（加工物から研削される材料）の蓄積を防止又は低減するような役割を果たしてもよい。有用なスーパーサイズ層としては、望ましくは、研磨助剤（例えば、カリウムテトラフルオロボレート）、脂肪酸金属塩（例えば、ステアリン酸亜鉛又はステアリン酸カルシウム）、リン酸エステルの塩（例えば、カリウムベヘニルホスフェート）、リン酸エステル、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、鉱油、架橋シラン、架橋シリコーン、及び／又はフッ素化合物が挙げられる。有用なスーパーサイズ材料は、例えば、米国特許第５，５５６，４３７号（Ｌｅｅら）に更に記載され、その開示は、参照により本願に組み込まれる。

研磨材グレインを組み込む不織布研磨材製品は、繊維構造全体にわたって分配され、有機結合剤によってそこに結合される本発明の研磨材グレインを有する、開放多孔質のかさ高なポリマーフィラメント構造（基材）を含む。そのような構造に使用できる典型的な繊維性フィラメント構造は、ポリアミド類、ポリエステル類、又はポリプロピレンを含む。

従来のものを含む様々な結合剤を、本発明による研磨材製品に使用することができる。有用な結合剤は、フェノール系、尿素−ホルムアルデヒド、メラミン−ホルムアルデヒド、ポリエステル樹脂、接着剤、アミノプラスト樹脂、エポキシ樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、及びそれらの組み合わせを含む。結合剤は、研削助剤、充填剤、連結剤、染料、色素、湿潤剤、及び分散助剤等の添加剤も含むことができる。そのような研削助剤の例は、米国特許第５，３５２，２５４号に記載されている。充填剤の例としては、炭酸カルシウム、シリカ、及びメタケイ酸塩カルシウムが挙げられる。

一実施形態では、本願に記載される微細研磨材グレインが、研磨材物品の唯一の研磨材グレインである。しかしながら、あるいは、微細研磨材グレインは、例えば、粒塊、研磨材複合粒子、及びそれらの混合物を含む、他の（例えば、より大きい）研磨材グレインと組み合わせて使用することができる。

ナノ粒子を含むことにより、静電気付着法によって（例えば、研磨材）粒子の付着を補助することができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子が除外されるとき、研磨材粒子を荷電することが不可能であった。他の実施形態では、ナノ粒子を含むことにより、処理上のパラメーターが拡大されるため、温度及び湿度が正確に制御される必要がない。更に他の実施形態では、図３と比較して図１〜２に図示されるように、ナノ粒子を含むことにより、改善された均一性を示した研磨材物品が提供された。（例えば、研磨材）粒子でコーティングされた表面の均一性は、当該技術分野において既知の種々の方法（例えば、ＡＳＴＭ Ｄ７１２７−０５を参照）により決定することができる。一態様において、図１及び２は、粒塊した研磨材粒子の総数に関して図３と区別することができる。図１及び２は、大多数の研磨材粒子が主な非粒塊した研磨材粒子として存在する、すなわち、少なくとも８０％、８５％、９０％、又は９５％の粒子が隣接する研磨材粒子と接触しているというより結合剤によって包囲されていることを示す。対照的に、図３において、少なくとも８０％、８５％、９０％、又は９５％の粒子が粒塊研磨材粒子として存在し、粒子は少なくとも１つ、典型的には２つ以上の隣接する研磨材粒子と接触している。図３の研磨材物品は、いずれの研磨材粒子も欠ける（２つの２５μｍ^２）部分も含む。図１〜３は研磨材物品の表面の代表的な小面積しか示さないが、当業者は、研磨材物品の表面積全体（例えば、３インチ（７．６２ｃｍ）の円形ディスク）にわたって均一に分配された約１０の測定値の平均が、研磨材物品の均一性を数値的に計算するために平均化されたであろうことを理解する。当業者は、表面積の表面の粒子間の最小、最大、及び平均の距離と比較して、又はそのような距離からの偏差と比較して均一性を決定することもできる。

得られた研磨材物品は、大きなキズ（macroscratches）及び一般的には塗装された（例えば、自動車、航空機、家具等）表面の「ニブ」とも呼ばれる小さな突出部等の表面欠陥を取り除くのに特に有用である。新たに塗布された塗料に混入した約２〜３ｍｍ内の塵粒子から生じるであろうもの、塗料に混入した繊維から生じるであろうもの等のそのような小さな突出部は、一般に、サイズが約２０〜４０マイクロメートルの範囲である。いくつかの実施形態では、研磨材物品は、研磨材物品が破損する前に、１又は２、好ましくは、３、４、５、又は６のニブを取り除くために使用することができる。いくつかの実施形態では、実施形態の研磨材物品で研磨した後の平均表面粗度（Ｒ_ｚ）は、実施例で更に記載される試験方法により決定されるように、１．０、０．９、又は０．８以下である。好ましい実施形態では、Ｒ_ｚは、０．７、０．６、又は０．５以下である。実施形態の研磨材物品で研磨した後の最大表面粗度（Ｒ_ｍａｘ）は、好ましくは、１．０、０．９、又は０．８以下である。好ましい実施形態では、Ｒ_ｍａｘは、０．７又は０．６以下である。

本願に記載される微細研磨材グレインは、好ましくは、静電気付着を利用する方法により研磨材物品に作製されるが、そのような研磨材グレインは、スラリー法等の他の方法（すなわち、静電気付着を利用しない）を使用することによっても研磨材物品に作製され得る。コーティングされた研磨材を作製する他の方法は既知である。（例えば、米国特許第４，７３４，１０４号（Ｂｒｏｂｅｒｇ）及び同第４，７３７，１６３号（Ｌａｒｋｅｙ）に記載されるものを参照）。そのような他の方法において、ナノ粒子を含むことにより、微細（例えば、研磨材）粒子の分散を補助することができる。

本願に記載される微細研磨材グレインは、有機、金属、又はガラス化結合剤によりまとめられた、本願に記載する研磨材グレインの形作られた塊を一般的に含む結合研磨材製品にも使用することができる。特に一般的な研磨材製品用に形作られた塊は、ホイールに成形され、ハブ上に載置された研磨材グレインを含む研削ホイールである。結合研磨材物品を作製する方法も既知である。（例えば、米国特許第４，９９７，４６１号（Ｍａｒｋｈｏｆｆ−Ｍａｔｈｅｎｙら）及び同第３，８６７，７９５号（Ｈｏｗａｒｄ）を参照のこと）。

微細研磨材粒子が好ましい実施形態であるが、疎水性表面改質されたナノ粒子を含むことにより、他（例えば、親水性）の粒子に対して同じ利益が提供されると考えられる。粒子は、有機粒子、無機粒子、及びそれらの組み合わせを含むことができる。

一実施形態において、静電気付着用の粒子は、粉末（例えば、塗料）コーティングとして使用するのに適している。粉末コーティングは、典型的には熱硬化性ポリマーを含む。粉末コーティングに適した樹脂のクラスは、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ／ポリエステルハイブリッド樹脂、及びアクリル樹脂を含む。そのような樹脂の多くは、研磨材物品の結合剤として利用される樹脂と同じクラスである。粉末コーティングは、充填剤、及び５０重量％内の濃度で色素等の着色剤も含む。従来の粉末コーティング法は、典型的には静電気噴霧プロセス、続いて粉末を熱的処理して粉末コーティングを溶解し、硬化を開始させるプロセスを含む。そのような粉末コーティング法は当業者に周知である。

本発明の目的及び利点は、以下の実施例によって更に例示されるが、これらの実施例において列挙された特定の材料及びその量は、他の諸条件及び詳細と同様に、本発明を過度に制限するものと解釈されるべきではない。

表面改質されたナノ粒子（ＳＭＮ）の調製
商品名ＮＡＬＣＯ ２３２６（Ｎａｌｃｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｎａｐｅｒｖｉｌｌｅ，ＩＬ）で市販されている、１００グラムの１６．０６％固体ナノサイズのコロイド状シリカを測定して３首丸底フラスコに入れた。フラスコには還流冷却器及び機械的撹拌機が装備された。８０重量％のエタノール（ＥＭＤ，Ｇｉｂｂｓｔｏｗｎ，ＮＪ）及び２０重量％のメタノール（ＶＷＲ，Ｗｅｓｔ Ｃｈｅｓｔｅｒ，ＰＡ）の１１２．５ｇの混合物を、２５０ｍＬのガラスビーカーの中で調製した。１５０ｍＬのビーカーに、以下の構成要素を測定して以下の順序で入れた：８０：２０エタノール：メタノール混合物の半分、７．５４ｇのイソオクチルトリメトキシシラン（Ｇｅｌｅｓｔ，Ｍｏｒｒｉｓｖｉｌｌｅ，ＰＡ）、及び０．８１ｇのメチルトリメトキシシラン（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｏｒｐ．，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）。溶液を十分に混合した後、３首丸底フラスコに添加した。８０：２０エタノール：メタノールの後半分は、１５０ｍＬのビーカーから反応物中にいくらかの残りのシランをすすぎ入れるために使用した。８０℃に設定した油浴中で、反応物を４時間撹拌した。表面改質されたナノ粒子を結晶皿に移し、１５０℃に設定したオーブンで約１．５時間乾燥させた。乳鉢と乳棒を使用して、乾燥した白色生成物を手動ですりつぶし、ガラス瓶に移した。

アルミニウム酸化物の研磨材グレインの調製
約７．９〜８．９マイクロメートルの平均粒度を有し、Ｐ２５００（Ｔｒｅｉｂａｃｈｅｒ Ｓｃｈｌｅｉｆｍｉｔｔｅｌ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ，Ｎｉａｇａｒａ Ｆａｌｌｓ，ＮＹ）として市販されている３００ｇのアルミニウム酸化物の顆粒を上述の１００ｇのＳＭＮと混合した。混合は、１０００ｒｐｍで、ＦｌａｃｋＴｅｋ Ｓｐｅｅｄｍｉｘｅｒ（商標）ＤＡＣ ４００ＦＶＺ（Ｈａｕｓｃｈｉｌｄ，Ｈｉｇｈ Ｗｙｃｏｍｂｅ，ＵＫ）で実施された。その後、全混合物において２％荷重のＳＭＮを製造するように、６分間にわたって３００ｇ分ずつ、更に４．７ＫｇのＰ２５００顆粒を混合機に添加した。混合した後、混合物を１１０℃のオーブンに少なくとも１８時間入れた。

炭化ケイ素研磨材グレインの調製
平均粒径が４．０マイクロメートルで、Ｐ３０００（Ｆｕｊｉｍｉ Ｃｏｒｐ．，Ｔｕａｌａｔｉｎ，ＯＲ）として市販されている炭化ケイ素の顆粒がＰ２５００アルミニウム酸化物の顆粒の代わりに使用されたことを除き、第２の鉱物試料は、一般に、鉱物試料の調製Ａに記載されるように作製した。

研磨材グレインのそれぞれは、以下に記載する異なる研磨材物品を作製するために使用された。

研磨材物品の調製Ａ
従来の２−ロールコーターを使用して、３ｇ／ｍ^２のコーティング重量のフェノール樹脂結合剤を用いて、１１５グラム／ｍ^２の坪量を有するコーティング紙で研磨材物品を調製した。４２ｋＨｚの電圧を有し、１０Ｈｚの周波数で交替する電界に曝して、アルミニウム酸化物の研磨材グレインを帯電させた。この帯電中、３４〜３６℃の温度及び２３〜２６％の相対湿度を維持した。

その後、静電気力により帯電された顆粒は、研磨材物品を形成するように接着剤でコーティングされた基材上に持ち上げられた。次いで、接着剤を硬化させるために、研磨材物品を１０７℃の温度のオーブンに通した。次いで、フェノール樹脂のサイズ剤層をグレイン及び接着剤の表面にコーティングした。その後、サイズ剤を１１８℃で硬化させた。

研磨材物品の調製Ａ１
ステアリン酸カルシウム（ｅＣＨＥＭ，Ｌｅｅｄｓ，ＵＫ）の局所塗布により、研磨材物品の調製Ａで作製された研磨材物品のいくつかを更に処理した。ステアリン酸カルシウムは２ｇ／ｍ^２のレベルで塗布された。使用中の研磨材物品、特にサイズＰ８０より微細の粒度において荷重を防止するためにステアリン酸カルシウムを塗布することは、研磨材物品の調製の技術分野において既知である。

研磨材物品の調製Ｂ
炭化ケイ素研磨材グレインがアルミニウム酸化物研磨材グレインの代わりに使用されたことを除き、第２の研磨材物品は、一般に、研磨材物品の調製Ａに記載されるように作製された。

研磨材物品の調製Ｂ１
ステアリン酸カルシウム（ｅＣＨＥＭ，Ｌｅｅｄｓ，ＵＫ）の局所塗布により、研磨材物品の調製Ｂで作製された研磨材物品のいくつかを更に処理した。ステアリン酸カルシウムは２ｇ／ｍ^２のレベルで塗布された。

比較研磨材物品の調製Ｃ１
表面改質されたナノ粒子が省かれたことを除き、比較研磨材物品がＢ１と同じ様式で調製されたとき、研磨材物品に電荷を付与することは不可能であった。

比較研磨材物品
表面改質されたナノ粒子が省かれ、処理条件、特に温度及び相対湿度がより正確に制御されたことを除き、比較研磨材物品はＢ１と同じ様式で調製された。

研磨材物品の顕微鏡写真分析
研磨材物品Ａ、Ｂ、及びＣ１の試料を切削し、顕微鏡写真分析用に調製した。これらの物品のＳＥＭ顕微鏡写真を、それぞれ、図１、２、及び３に図示する。図１（すなわち、研磨材物品Ａ）及び図２（すなわち、研磨材物品Ｂ）の顕微鏡写真は、表面上に一様に分布された研磨材粒子を示す。しかしながら、図３（すなわち、研磨材物品Ｃ）の顕微鏡写真は、さほど一様な研磨材粒子の分布を示さない。

磨耗試験
研磨材物品Ａ、Ａ１、Ｂ、及びＢ１は、それらの研磨材の性能の試験を受けた。モデルＳＩ−２１０７（Ｓｈｉｎａｎｏ，Ｔｏｋｙｏ，ＪＰ）として市販されているランダムオービタルサンダーの上に研磨材物品のそれぞれを同様に設置することにより、試験を実施した。部品＃０２３４５（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）として市販されている中位の支持パッドを、サンダーと研磨材物品との間に利用した。この設定を使用して、２Ｋ−ＰｒｏｔｅｃｔＣｌｅａｒ（ＤｕＰｏｎｔ，Ｗｕｐｐｅｒｔａｌ，Ｇｅｒｍａｎｙ）又は２Ｋ−ＰｒｏＧｌｏｓｓ（ＢＡＳＦ，Ｍｕｅｎｓｔｅｒ，Ｇｅｒｍａｎｙ）のいずれかとして市販されている標準の自動車のクリアコートパネルで空研ぎを実施した。

研磨の質は、塗料の表面からニブ（すなわち、閉じ込められたゴミ粒子により生じる小さい鋭い突出部）を取り除くための能力により測定され、より具体的には、研磨材物品の破損が生じる前に、どのくらいのニブが取り除かれるかを測定した。研磨後のパネルのキズの深さは、Ｔ５００（Ｈｏｍｍｅｌ−Ｗｅｒｋｅ ＧｍｂＨ，Ｓｃｈｗｅｎｎｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）として市販されているダイアモンド針を装備した表面粗度試験機を使用して決定された。この表面粗度試験機の評価は、Ｒ_ｚの値として返され、この定義は、「Ｐｒｏｆｉｌｅ ｍｅｔｈｏｄ−Ｔｅｒｍｓ，ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ」（ＩＳＯ ４２８７：１９９７）に説明されている。各Ｒ_ｚ値は、３つの測定値の平均であった。これらの３つの測定値の最大値は、Ｒ_ｍａｘとして報告される。これは、各研磨材物品について３回行われ、平均化された。これらの値を以下の表１に報告する。

Ｂ１及び比較研磨材物品の両方は同じ炭化ケイ素研磨材グレインを利用し、両方のそのような研磨材物品は同じステアリン酸カルシウムの局所塗布を含んだが、疎水性ナノ粒子を欠くＣ１は、Ｂ１のニブの数の半分を取り除くことしかできなかった。

Claims (9)

1. 物品を作製する方法であって、
   基材を準備する工程と、
   粒子が前記基材に結合するように前記粒子を静電気的に付着させる工程と、を含み、前記粒子が、
   ｉ）７５マイクロメートル未満の中央一次粒径を有する複数個の粒子と、
   ｉｉ）１００ナノメートル未満の平均一次粒径を有する分離性の疎水性非凝集ナノ粒子と、を含む、方法。
2. 前記ナノ粒子が金属酸化物材料を含み、前記ナノ粒子が疎水性表面処理剤を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記粒子が研磨材粒子を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記研磨材粒子が配向される、請求項３に記載の方法。
5. ｉ）７５マイクロメートル未満の中央一次粒径を有する複数個の研磨材粒子と、
   ｉｉ）１００ナノメートル未満の平均一次粒径を有する分離性の疎水性非凝集ナノ粒子と、を含む、研磨材グレイン。
6. 前記ナノ粒子が金属酸化物材料を含み、前記ナノ粒子が疎水性表面処理剤を含む、請求項５に記載の研磨材グレイン。
7. 前記研磨材粒子が、溶融アルミニウム酸化物、熱処理されたアルミニウム酸化物、アルミニウム酸化物セラミック、炭化ケイ素、アルミナジルコニア、ガーネット、ダイアモンド、立方晶窒化ホウ素、ゾルゲル法で抽出された研磨材粒子、又はそれらの混合物を含む、請求項５に記載の研磨材グレイン。
8. 基材と、
   前記基材に結合される請求項５〜７のいずれか一項に記載の複数個の研磨材粒子と、を含む、研磨材物品。
9. 塗装表面を修復する方法であって、
   表面欠陥を有する塗装表面を準備する工程と、
   請求項８に記載の研磨材物品で研磨することにより、前記表面欠陥を取り除く工程と、
   を含む、方法。

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