концентрированные композиции абразивных шламов, способы их получения и применения

Формула изобретения

1. Концентрированная композиция абразивного шлама, включающая:

по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц, которые имеют средний размер до 3000 нм, и

носитель, включающий минеральное масло или один или более растворимых в воде гликолей, при этом минеральное масло или растворимые в воде гликоли присутствуют в композиции в количествах примерно от 15 до 70 об.%, при этом композиция имеет вязкость от 400 до 10000 сП при 25°С.

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что абразивные частицы имеют средний размер не более 2000 нм.

3. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что абразивные частицы имеют средний размер не более 1500 нм.

4. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что абразивные частицы имеют средний размер не более 1000 нм.

5. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что абразивные частицы имеют средний размер не более 800, 750, 600, 500, 400 или 300 нм.

6. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что абразивные частицы равномерно диспергированы внутри носителя.

7. Композиция по п.6, отличающаяся тем, что абразивные частицы сохраняют равномерное распределение внутри носителя без осаждения в течение, по меньшей мере, 30 дней.

8. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что абразивные частицы выбраны из карбида кремния, глинозема, алмаза, и карбида бора.

9. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что композиция содержит примерно от 30 до 80 об.% абразивных частиц.

10. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что композиция содержит примерно от 40 до 70 об.% абразивных частиц.

11. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что композиция содержит примерно от 50 до 60 об.% абразивных частиц.

12. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что композиция является безводной композицией.

13. Композиция по п.12, отличающаяся тем, что носитель содержит минеральное масло.

14. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что композиция является растворимой в воде.

15. Композиция по п.14, отличающаяся тем, что носитель содержит растворимые в воде гликоли.

16. Композиция по п.15, отличающаяся тем, что носитель содержит полиэтиленгликоль.

17. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что носитель дополнительно содержит воду.

18. Композиция по п.17, отличающаяся тем, что воду добавляют таким образом, что общее содержание твердой фазы композиции составляет, по меньшей мере, 30 об.%.

19. Комопозиция по п.17, отличающаяся тем, что композиция содержит примерно до 20 об.% воды.

20. Композиция по п.17, отличающаяся тем, что композиция содержит примерно от 2 до 15 об.% воды.

21. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что носитель дополнительно содержит один или более модификатор вязкости.

22. Композиция по п.21, отличающаяся тем, что модификаторы вязкости выбирают из синтетической глины, натуральной глины, Carbopols, карбоксиметилцеллюлозы, этилцеллюлозы, желатина, гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, метилцеллюлозы, поливинилового спирта и ксантановой камеди.

23. Композиция по п.21, отличающаяся тем, что она содержит примерно до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости.

24. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что носитель дополнительно содержит один или более активатор.

25. Композиция по п.25, отличающаяся тем, что активатор выбирают из амина бората и триэтаноламина.

26. Композиция по п.25, отличающаяся тем, что она содержит примерно до 3 об.% одного или более активаторов.

27. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что носитель дополнительно содержит один или более фунгицид.

28. Композиция по п.28, отличающаяся тем, что она содержит примерно до 2 об.% одного или более фунгицидов.

29. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что носитель дополнительно содержит один или более биоцид.

30. Композиция по п.29, отличающаяся тем, что она содержит примерно до 2 об.% одного или более биоцидов.

31. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что носитель дополнительно содержит один или более ингибитор коррозии.

32. Композиция по п.31, отличающаяся тем, что она содержит примерно до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии.

33. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она включает, по меньшей мере, 30 об.% SiC, до 20 об.% воды, до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости, до 3 об.% одного или более активаторов, до 2 об.% одного или более фунгицидов, до 2 об.% одного или более биоцидов и до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии.

34. Концентрированный абразивный шлам для применения в процессах механической обработки свободным абразивом, включающий:

по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц, которые имеют средний размер до 3000 нм; и

от 15 до 70 об.% полиэтиленгликоля,

причем вязкость концентрированного абразивного шлама составляет от 400 до 10000 сП при 25°С, и он переходит в рабочий шлам путем добавления воды и/или дополнительного количества полиэтиленгликоля.

35. Концентрированный шлам для проволочной пилы, включающий: абразивные частицы, равномерно диспергированные внутри носителя, включающего минеральное масло или один или более растворимых в воде гликолей, отличающийся тем, что шлам содержит, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц, которые имеют средний размер до 3000 нм, причем вязкость концентрированного абразивного шлама составляет от 400 до 10000 сП при 25°С, и он переходит в рабочий шлам для проволочной пилы путем добавления воды и/или полиэтиленгликоля.

36. Способ получения концентрированной композиции шлама, включающий смешивание, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц, которые имеют средний размер до 3000 нм, с носителем, включающим примерно от 15 до 70 об.% минерального масла или один или более растворимых в воде гликолей с достижением вязкости композиции от 400 до 10000 сП при 25°С.

37. Способ по п.36, отличающийся тем, что абразивные частицы смешивают с носителем таким образом, что они равномерно диспергированы внутри носителя, и таким образом, что абразивные частицы остаются равномерно диспергированными внутри носителя без осаждения в течение, по меньшей мере, 30 дней.

38. Способ по п.39, отличающийся тем, что носитель дополнительно содержит воду, и способ дополнительно включает смешивание воды с растворимым в воде гликолем до смешивания абразивных частиц с носителем.

39. Способ по п.37, отличающийся тем, что носитель дополнительно содержит один или более модификаторов вязкости, один или более актоваторов, один или более фунгицидовов, один или более биоцидов, и/или один или более ингиботоров коррозии, и способ дополнительно включает смешивание одного или более модификаторов вязкости, одного или более активаторов, одного или более фунгицидов, одного или более биоцидов, и/или одного или более ингибиторов коррозии с минеральным маслом или одним или более растворимыми в воде гликолями до смешивания абразивных частиц с носителем.

40. Способ применения концентрированной композиции шлама по п.1 в процессе механической обработки свободным абразивом, включающий:

получение концентрированного абразивного шлама;

разжижение концентрированного абразивного шлама водой и/или одним или более растворимым в воде гликолем для получения рабочего шлама; и

подачу рабочего шлама в процесс механической обработки свободным абразивом.

41. Способ подачи композиции абразивного шлама в процессе механической обработки свободным абразивом, включающий:

обеспечение потребителя концентрированной композицией абразивного шлама, включающей, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц, которые имеют средний размер до 3000 нм, и носитель, включающий примерно от 15 до 70 об.% минерального масла или один или более растворимых в воде гликолей, при этом абразивные частицы находятся равномерно диспергированными внутри носителя, и вязкость композиции составляет от 400 до 10000 сП при 25°С; разжижение концентрированного абразивного шлама водой и/или одним или более растворимым в воде гликолем или минеральным маслом с получением рабочего шлама; и

подачу рабочего шлама в процесс механической обработки свободным абразивом.

42. Способ предотвращения осаждения абразивных частиц в концентрированной композиции шлама, включающей абразивные частицы, равномерно диспергированные внутри носителя, в течение, по меньшей мере, 30 дней, включающий:

смешивание, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц, которые имеют средний размер до 3000 нм, с носителем, включающим примерно от 15 до 70 об.% минерального масла или одного или более растворимых в воде гликолей; и

добавление одного или более модификаторов вязкости в сочетании с одним или более активаторов в композицию таким образом, чтобы обеспечить вязкость композиции от 400 до 10000 сП при 25°С.

43. Способ по п.42, отличающийся тем, что один или более модификаторов вязкости в сочетании с одним или более активатором добавляют в количестве, которое позволяет модификатору вязкости образовать матричную сетку в носителе, в котором матричная сетка увеличивает предел текучести и/или общую динамическую вязкость носителя.

Описание изобретения к патенту

Область изобретения

Настоящее изобретение в основном относится к концентрированным композициям шлама, которые применяются в процессах механической обработки свободным абразивом, и, в частности, к концентрированным абразивным шламам, которые применяются в процессах обработки проволочной пилой.

Предпосылки создания изобретения

Проволочные пилы широко применяются для резки кремния на пластины для солнечных элементов и электронных приборов. Также они используются для резки других материалов, включая сапфир, GaAs, InP, SiC, кварц и стекло.

Проволочная пила в основном включает набор проволок, находящихся под растягивающим напряжением. Проволоки двигаются одновременно по мере поступления абразивного шлама между проволоками и деталью. Деталь проходит через проволоки по мере того, как под воздействием шлама происходит истирание детали на несколько частей. Этот метод позволяет производить большое количество пластин определенной толщины, ровности и гладкости поверхности.

Шлам представляет собой суспензию абразивных частиц в жидкости, которая называется «проводник» или «носитель». В качестве абразивов использовались такие материалы, как карбид кремния (SiC), алмаз и карбид бора (В₄С). Для этих абразивных шламов использовались определенные проводники.

Во время резки проволочной пилой проволока не производит резку, в большей степени она служит для доставки абразивного шлама, который осуществляет резку. Этот вид процесса называется «механическая обработка свободным абразивом». Другие примеры механической обработки свободным абразивом включают основанные на шламе шлифовку и полировку, ультразвуковую обработку, гидромеханическую резку и пескоструйную обработку.

Шлам, который применяется в процессах механической обработки свободным абразивом, может в значительной степени определять полученные результаты. По этой причине обычно выбираются высококачественные абразивы и носители. Для подачи абразивных частиц к детали и обеспечения определенных характеристик резки предпочтительно, чтобы абразивные частицы были стабильными и равномерно диспергированными в носителе, и носитель шлама имел вязкость, позволяющую ему удерживать абразивные частицы на проволоке.

Обычно, операторы проволочной пилы приобретают абразивные частицы и жидкий носитель отдельно и смешивают на месте компоненты для приготовления шлама. Однако в случае неправильного или неполного смешивания абразивов и носителя приготовленные шламы не будут обладать свойствами, необходимыми для желательных характеристик резки. Кроме того, если не будут использоваться соответствующее оборудование и системы пылеулавливания, смешивание компонентов шлама на месте будет приводить к воздействию загрязненной атмосферы на оператора. К тому же, стадия приготовления шлама отнимает основное рабочее время механической обработки и резки пластин.

Другим вариантом является использование предварительно смешанных шламов вместо смешивания компонентов шлама на месте. Несмотря на то что предварительно смешанные шламы обеспечивают некоторые преимущества перед смешиванием компонентов шлама на месте, было обнаружено, что твердые частицы в предварительно смешанных шламах имеют тенденцию к осаждению из шламов во время разгрузки-погрузки, хранения и транспортировки. Это может приводить к сильному уплотнению на дне емкости со шламом, которое часто бывает трудно повторно суспендировать. Неполное ресуспендирование приводит к разжижению шлама, который имеет пониженные режущие свойства. Одна из попыток взяться за решение этой проблемы состоит в добавлении комплексных модификаторов вязкости в шлам. Однако добавление модификаторов вязкости может разжижить шлам и навредить режущим характеристикам шлама, а также снизить эффективность производства. Также, было предложено осуществлять транспортировку предварительно смешанных шламов в смешивающих емкостях, аналогичных цементно-смесительным машинам, для предотвращения осаждения твердой фазы. Однако транспортировка с использованием смешивающих емкостей ограничивается стоимостью транспортировки и расстоянием и, кроме того, требует, чтобы шлам был приготовлен в непосредственной близости от места погрузки. В целом, экономичнее поставлять компоненты шлама на место, чем в пункт погрузки, и, таким образом, поставка предварительно смешанных шламов чаще всего является более дорогой.

Принимая во внимание эти и другие недостатки, которые наблюдаются в данной области техники, крайне желательно обеспечить усовершенствованные композиции шлама.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение обеспечивает концентрированную композицию шлама для использования в процессах механической обработки свободным абразивом. Концентрированный шлам может быть разжижен на месте для обеспечения рабочей композиции шлама. Композиции шлама по изобретению особенно полезны в областях, применяющих для резки проволочную пилу.

Используемый здесь термин «концентрированная» для описания композиций шлама следует относить к любой композиции шлама, которая содержит абразивные частицы, диспергированные внутри проводника, в котором концентрация присутствующих абразивных частиц выше концентрации, подходящей для заданного механического способа обработки свободным абразивом. Путем простого добавления воды и/или гликолей, или минерального масла к концентрированной композиции шлама, концентрированный шлам разжижается и переходит в рабочую композицию шлама. Используемый здесь термин «рабочая композиция шлама» означает любую композицию шлама, которая содержит абразивные частицы, диспергированные внутри носителя, в котором абразивные частицы присутствуют в концентрации, подходящей для заданного процесса механической обработки свободным абразивом.

В одном аспекте изобретение в целом относится к концентрированной композиции абразивного шлама, которая включает, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц и носитель, включающий минеральное масло или один, или более растворимых в воде гликолей. Минеральное масло или растворимые в воде гликоли присутствуют в концентрированной композиции абразивного шлама в количествах примерно от 15 до 70 об.%. В некоторых вариантах абразивные частицы могут быть равномерно диспергированы внутри носителя и могут оставаться равномерно диспергированными внутри носителя без осаждения, по меньшей мере, в течение 30 дней. Используемый здесь термин «равномерно диспергированы» означает, что абразивные частицы равномерно распределены по всему носителю. Используемый здесь термин «осаждение» означает, что при комнатной температуре абразивные частицы нестабильны в носителе, в результате чего абразивные частицы образуют осадок на дне емкости. Можно утверждать, что абразивные частицы являются «осажденными» в случае, если при комнатной температуре, по меньшей мере, 50% абразивных частиц в композиции образуют осадок (обнаруживаемый видимым глазом) на дне емкости.

Варианты в соответствии с данным аспектом изобретения могут включать следующие характеристики. Абразивные частицы могут быть выбраны из любых обычно применяемых абразивных частиц, используемых в шламах со свободным абразивом, включая карбид кремния, глинозем, алмаз и карбид бора. Композиция может содержать примерно от 30 до 80 об.% абразивных частиц, примерно от 40 до 70 об.% абразивных частиц, или примерно от 50 до 60 об.% абразивных частиц. Композиция может являться безводной композицией, и носитель может включать минеральное масло. Композиция может быть растворимой в воде, и носитель может включать растворимые в воде гликоли, такие как полиэтиленгликоль. Носитель, кроме того, может включать воду. Вода добавляется таким образом, чтобы общее содержание твердой фазы концентрированной композиции шлама составляло, по меньшей мере, 30 об.%. В некоторых вариантах композиция содержит до 20 об.% воды и в некоторых вариантах примерно от 2 до 15 об.% воды. Носитель, кроме того, может включать один или более модификаторов вязкости. Модификаторы вязкости могут быть выбраны из обычных модификаторов вязкости, таких как синтетическая глина, натуральная глина, Carbopols®, карбоксиметилцеллюлоза, этилцеллюлоза, желатин, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза, метилцеллюлоза, поливинилалкоголь и ксантановая камедь. Модификаторы вязкости могут добавляться таким образом, чтобы обеспечить композицию, имеющую вязкость примерно от 400 до 10000 сантипуаз. В некоторых вариантах композиция содержит примерно до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости. Носитель, кроме того, может содержать один или более активаторов. Активаторы могут быть выбраны из обычно применяемых активаторов, таких как триэтаноламин и аминобораты. В некоторых вариантах композиция содержит примерно до 3 об.% одного или более активаторов. Носитель, кроме того, может включать примерно до 2 об.% одного или более фунгицидов. Носитель, кроме того, может включать примерно до 2 об.% одного или более биоцидов. Носитель, кроме того, может включать примерно до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии. В некоторых вариантах концентрированная композиция шлама включает, по меньшей мере, 30 об.% SiC, 15-60 об.% PEG, до 20 об.% воды, до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости, до 3 об.% одного или более активаторов, до 2 об.% одного или более фунгицидов, до 2 об.% одного или более биоцидов и до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии.

В предпочтительном аспекте в композициях по изобретению могут быть задействованы наноразмерные абразивные материалы. Помимо прочего, наноразмерные абразивные материалы (например, SiC, глинозем, и т.п.) легче диспергируются и сохраняются в жидкой композиции (т.к. не осаждаются с течение времени). Наноразмерные абразивные материалы являются пригодными для использования, если композиция по изобретению включает такие материалы, которые содержат частицы со средним размером примерно до 1000, 1500, 2000 или 3000 нанометров, композиции с материалами, которые содержат частицы со средним размером примерно от 50 до 2000 нанометров, или от 50 или 100 до 1000 или 1500 нанометров, являются пригодными для использования в разных областях. Другие варианты могут иметь даже более тонкий средний размер частиц абразивных материалов, такой как не более 800 нанометров, 750 нанометров, 600 нанометров, 500 нанометров, 400 нанометров и даже частицы, имеющие средний размер частиц менее чем 300 нанометров, представляющие тонкодисперсный материал. В силу того что процесс ограничивается определенными вариантами, самый маленький средний размер частиц может быть лимитирован, например не менее чем примерно 50, 75 или 100 нанометров.

Используемый здесь термин «средний размер частиц» применяется для обозначения наибольшей средней длины или размерности по длине частиц абразивных материалов. Благодаря вытянутой структуре некоторых материалов традиционная технология снятия характеристик может не обладать достаточными возможностями для измерения среднего размера частиц, поскольку технология снятия характеристик в основном основана на допущении, что частицы имеют сферическую форму или близкую к сферической. Соответственно, средний размер частиц может быть определен путем взятия множества характерных образцов и в измерении размера частиц, которые обнаруживаются в представленных образцах, физическими методами. Характеристики образцов могут сниматься различными методами, например, такими как сканирующая электронная микроскопия (SEM). Термин «средний размер частиц» также обозначает начальный размер частиц, относящийся к отдельным поддающимся определению частицам, которые находятся как в диспергированном состоянии, так и в виде агрегатов.

Как упоминалось здесь, величины вязкости являются такими, которые определены при 25°С. Пригодным для измерения величины вязкости является вискозиметр Brookfield spindle (например, № 2 или № 4) при 60 об/мин.

Как упоминалось выше, предпочтительные абразивные материалы композиций изобретения могут содержать глинозем, включающий альфа-глинозем, также как и переходные формы глинозема, которые включают гамма-глинозем, дельта-глинозем и зета-глинозем. Подходящие абразивные материалы глинозема могут быть получены из породообразующих материалов глинозема, включая бемит. Таким образом, при соответствующем приготовлении из породообразующего бемита и затравки бемита готовится суспензия с последующей термической обработкой (такой как гидротермальная обработка) суспензии (или же золя или шлама) для перевода породообразующего бемита в зернистый материал, например, образованный частицами или кристаллами. Дальнейшая термическая обработка зернистого материала бемита проводится для осуществления полиморфного превращения в глинозем. Используемый здесь термин «бемит» в основном применяется для обозначения гидратов глинозема, включая минеральный бемит, как правило, являющийся Al₂O₃·H ₂O и имеющий содержание воды порядка 15%, так же как псевдобемит, имеющий содержание воды выше 15%, как, например, 20-38% по весу. Замечено, что бемит (включая псевдобемит) имеет особую и распознаваемую кристаллическую структуру и соответственно индивидуальную рентгеновскую дифракционную картину и по этой причине отличается от других глиноземистых материалов, включающих другие гидратированные окиси алюминия, такие как АТН (тригидроксид алюминия) общий породообразующий материал, который может быть использован для изготовления особых материалов на основе бемита. Материалы на основе бемита и глинозема раскрыты в заявках на патенты США 2003/0197300, 2004/0265219 и 2006/0104895.

В другом аспекте изобретение в основном относится к концентрированной композиции абразивного шлама для использования в процессах механической обработки свободным абразивом, которая включает, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц и примерно от 15 до 70 об.% полиэтиленгликоля. Концентрированный абразивный шлам переводится в рабочий шлам путем добавления воды и/или дополнительного количества полиэтиленгликоля.

В другом аспекте изобретение в целом относится к концентрированному шламу для проволочной пилы, который содержит абразивные частицы, равномерно диспергированные внутри носителя, включающего минеральное масло или один, или более растворимых в воде гликолей. Шлам содержит по меньшей мере 30 об.% абразивных частиц и переходит в рабочий шлам для проволочной пилы путем добавления воды и/или одного или более растворимых в воде гликолей, или путем добавления минерального масла.

В другом аспекте, в целом, изобретение относится к способу формирования концентрированной композиции шлама, который включает смешивание по меньшей мере 30 об.% абразивных частиц с носителем, содержащим примерно от 15 до 70 об.% минерального масла или один, или более растворимых в воде гликолей.

Согласно этому аспекту варианты изобретения могут включать следующие характеристики. Абразивные частицы могут быть смешаны с носителем таким образом, что абразивные частицы равномерно диспергированы внутри носителя, и таким образом, что абразивные частицы остаются равномерно диспергированными внутри носителя без осаждения, по меньшей мере, в течение 30 дней. Носитель может включать растворимый в воде гликоль. Носитель, кроме того, может включать воду. Этот способ, кроме того, может включать смешивание воды с растворимым в воде гликолем до смешивания абразивных частиц с носителем. Носитель, кроме того, может включать один или более модификаторов вязкости, один или более активаторов, один или более фунгицидов, один или более биоцидов, и/или один или более ингибиторов коррозии, и способ, кроме того, может включать смешивание одного или более модификаторов вязкости, одного или более активаторов, одного или более фунгицидов, одного или более биоцидов и/или одного или более ингибиторов коррозии с минеральным маслом или одним или более растворимыми в воде гликолями до смешивания абразивных частиц с носителем.

В другом аспекте изобретение в целом относится к способам использования концентрированной композиции абразивного шлама в процессе механической обработки свободным абразивом. Способ включает обеспечение концентрированной композицией шлама, содержащей, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц и носитель, включающий минеральное масло или один, или более растворимых в воде гликолей, при этом минеральное масло или растворимые в воде гликоли присутствуют в концентрированной композиции шлама в количествах от 15 до 70 об.%, разжижение концентрированного абразивного шлама водой и/или одним или более растворимыми в воде гликолями для формирования рабочего шлама и подачу рабочего шлама в процесс механической обработки свободным абразивом.

В другом аспекте изобретение в целом относится к способу подачи композиции абразивного шлама в процесс механической обработки свободным абразивом, который включает обеспечение пользователя концентрированной композицией абразивного шлама, при этом концентрированная композиция шлама включает, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц и носитель, который включает примерно от 15 до 70 об.% минерального масла или одного или более растворимых в воде гликолей, при этом абразивные частицы находятся равномерно диспергированными внутри носителя, разжижение концентрированного абразивного шлама водой и/или одним или более растворимыми в воде гликолями или минеральным маслом для формирования рабочего шлама и подачу рабочего шлама в процесс механической обработки свободным абразивом.

В другом аспекте изобретение в целом относится к способам предотвращения осаждения абразивных частиц в концентрированной композиции шлама, включающей абразивные частицы, равномерно диспергированные внутри жидкого носителя, по меньшей мере, в течение 30 дней. Способ включает смешивание, по меньшей мере, 30 об.% абразивных частиц с носителем, включающим примерно от 15 до 70 об.% минерального масла или одного или, более растворимых в воде гликолей и добавление одного или более модификаторов вязкости в сочетании с одним или более активаторами в композицию для того, чтобы отрегулировать вязкость и улучшить предел текучести композиции.

Варианты согласно этому аспекту изобретения могут включать следующие характеристики. Один или более модификаторов вязкости в сочетании с одним или более активаторами могут быть добавлены в количестве, которое позволяет модификатору вязкости образовать матричную сетку в носителе, в котором матричная сетка увеличивает предел текучести и/или общую динамическую вязкость носителя.

При этом следует понимать, что объемные проценты, которые упоминаются здесь относительно конкретной композиции, основаны на общем объеме этой композиции.

Другие аспекты и преимущества изобретения станут очевидными из следующего описания, которое с помощью примеров иллюстрирует принципы изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композиции шлама, представленные настоящим изобретением, являются пригодными для использования в различных процессах механической обработки свободным абразивом, включая резку проволочной пилой, притирку и полировку на основе шлама, ультразвуковую обработку, водоструйную резку и пескоструйную обработку. Такие процессы являются пригодными для резки и механической обработки множества материалов, включая, но, не ограничиваясь этим, кремний, полупроводниковые материалы, такие как сапфир, GaAs, InP, и SiC, оптические материалы, такие как кварцевое стекло и кристалл, и твердые и хрупкие материалы, такие как керамика. Последующее раскрытие сущности изобретения следует интерпретировать скорее в качестве иллюстрации, чем в ограничении восприятия. Например, несмотря на то что представленные определенные комбинации материалов и концентраций предназначены для резки проволочной пилой, они могут быть успешно модифицированы для других процессов механической обработки свободным абразивом, а также для резки и механической обработки различных материалов.

Композиции шламов поставляются покупателю в концентрированном состоянии. Когда покупатель хочет использовать шлам, он легко разжижает концентрированный шлам до желаемого состояния для использования в различных процессах механической обработки свободным абразивом. Такое «разжиженное состояние» для использования в различных процессах механической обработки свободным абразивом иногда называется здесь «рабочей» композицией шлама. С помощью обычного добавления воды и/или гликолей, или минерального масла к концентрированной композиции шлама получают рабочую композицию шлама, которая может быть использована для любых процессов механической обработки свободным абразивом. Количество воды, гликолей и минерального масла, добавленных к концентрированному шламу, может быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить рабочую композицию шлама с режущими характеристиками согласно требованиям заказчика.

При ссылке на процентное содержание различных компонентов, если не указано иное, все проценты относятся к объемному % и основаны на общем объеме концентрированной композиции шлама.

Традиционные композиции рабочего шлама обычно содержат примерно от 20 до 28% твердой фазы по объему. Используемый здесь термин «твердая фаза» следует относить к абразивным частицам. В вариантах настоящего изобретения концентрированные композиции шлама содержат, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы и до 80 об.% твердой фазы. В некоторых вариантах концентрированная композиция шлама содержит примерно от 40 до 70 об.% твердой фазы и в некоторых вариантах примерно от 50 до 60 об.% твердой фазы.

Любые стандартные абразивные частицы, которые используются в композициях шлама, могут применяться при реализации на практике настоящего изобретения и включать, например, карбид кремния (SiC), алмаз и карбид бора (В₄С). В целом, абразивные частицы, которые применяются в областях, использующих проволочную пилу, имеют размер частиц примерно от 6 до 20 мкм. В одном варианте абразивные частицы являются частицами SiC.

Данные шламы могут быть представлены в виде как безводных, так и растворимых в воде шламов. Таким образом, носители, которые участвуют в формировании концентрированных композиций шламов, в качестве компонентов могут включать минеральное масло и растворимые в воде гликоли. В одном варианте используется полиэтиленгликоль (PEG).

В вариантах настоящего изобретения один или более растворимых в воде гликолей или минеральное масло присутствуют в концентрированных композициях шлама в количествах примерно от 15 до 70% по объему. В некоторых вариантах гликоли или минеральное масло присутствуют в концентрированных композициях шлама в количествах примерно от 15 до 60 об.%, в некоторых вариантах примерно от 20 до 50 об.% и в некоторых вариантах примерно от 30 до 40 об.%.

В некоторых вариантах носитель также может содержать некоторое количество воды. Добавление воды может изменять вязкость композиций, может также повышать способность композиций рассеивать тепло во время механической обработки свободным абразивом. Например, по мере того как проволочная пила производит резку детали, в зоне резки происходит испарение содержащейся в композиции воды, тем самым происходит рассеивание тепла и снижается тепловое воздействие на деталь. Кроме того, в случае испарения воды, при необходимости она может легко добавляться снова. Путем снижения теплового воздействия на деталь и разрезанные заготовки будет уменьшаться коробоватость отрезанных заготовок и разрушение во время резки.

Таким образом, в определенных вариантах количество воды, содержащееся в концентрированной композиции шлама, равно количеству, которое является эффективным для установления желаемой вязкости композиции. В некоторых вариантах количество воды, содержащейся в концентрированных композициях шлама, равно количеству, необходимому для рассеивания тепла.

После добавления воды, ее содержание в концентрированной композиции шлама составляет примерно до 20% по объему. В некоторых вариантах концентрированные композиции шлама содержат примерно от 2 до 15 об.% воды и в некоторых вариантах примерно от 5 до 10 об.% воды.

Вязкость концентрированных композиций шлама может изменяться путем включения одного или более модификаторов вязкости в носитель. Модификаторы вязкости, кроме того, могут способствовать предотвращению осаждения твердой фазы, как до, так и после разжижения концентрированных композиций шлама. Могут применяться любые стандартные модификаторы вязкости, используемые для абразивных шламов, включая синтетические глины, натуральные глины, Carbopols® (также называемый как карбомер и имеющий химическую формулу С₃Н₄О ₂), карбоксиметилцеллюлозу, этилцеллюлозу, желатин, гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, метилцеллюлозу, поливиниловый спирт и ксантановую камедь. Одним из примеров синтетической глины, удобным для практического использования настоящим изобретением, является Laponite®, синтетический многослойный силикат (гидратированный силикат натрия лития магния).

В некоторых вариантах модификаторы вязкости могут добавляться таким образом, чтобы обеспечить композицию, имеющую вязкость примерно от 400 до 10000 сантипуаз.

В некоторых вариантах один или более модификаторов вязкости может содержаться в концентрированных композициях шлама в количествах примерно до 5% по объему. В некоторых вариантах концентрированные композиции шлама содержат примерно от 0.1 до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости, в некоторых вариантах примерно от 0.2 до 4 об.%, в некоторых вариантах примерно от 0.3 до 3 об.%, в некоторых вариантах примерно от 0.4 до 2 об.% и в некоторых вариантах примерно от 0.5 до 1 об.%.

В некоторых вариантах один или более активаторов может быть включен в носитель. Могут использоваться любые стандартные активаторы, включая, но не ограничиваясь этим, аминоборат и триэтаноламин. Обычно, активаторы используются совместно с модификаторами вязкости, но могут добавляться вместе или без добавления модификаторов вязкости. Обычно, активатор добавляется в количестве, которое позволяет модификатору вязкости образовывать матричную сетку в жидкости. Матричная сетка будет увеличивать предел текучести или общую динамическую вязкость жидкости. Много активаторов, таких как триэтаноламин, обеспечивают дополнительные преимущества, такие как замедление процесса коррозии, и могут использоваться в количествах, превышающих необходимое количество для активации модификатора вязкости. В некоторых вариантах добавляется примерно до 5 об.% одного или более активаторов. Эти мульти-функциональные активаторы могут использоваться без модификатора вязкости в случае, если необходимы их дополнительные преимущества.

В дополнение к минеральному маслу, растворимым в воде гликолям, воде, модификаторам вязкости и активаторам, другие традиционные компоненты могут содержаться в носителе, включая, но, не ограничиваясь этим, фунгициды, биоциды и ингибиторы коррозии. В некоторых вариантах концентрированные композиции шлама могут быть представлены без фунгицидов, биоцидов и/или ингибиторов коррозии и один или более этих компонентов могут быть последовательно добавлены в концентрированные композиции шлама во время разжижения покупателем на месте. Например, фунгициды, биоциды и/или ингибиторы коррозии могут быть добавлены к концентрированным композициям шлама до, во время и/или после разжижения покупателем.

Один или более фунгицидов могут включаться в концентрированные композиции шлама для контроля роста грибков. Могут использоваться любые традиционные фунгициды и включаться в количествах, которые эффективны для минимизации или контроля роста грибков. В некоторых вариантах один или более фунгицидов содержатся в концентрированном шламе в количествах примерно до 2 об.%. В некоторых вариантах, концентрированные композиции шлама содержат примерно от 0.02 до 2 об.% одного или более фунгицидов, в некоторых вариантах примерно от 0.1 до 1.5 об.% и в некоторых вариантах примерно от 0.5 до 1 об.%.

Для контроля роста бактерий один или более биоцидов могут включаться в концентрированные композиции шлама. В некоторых вариантах один или более биоцидов может, кроме того, контролировать рост грибков. Эти биоциды могут быть выбраны из любых традиционных биоцидов, используемых в шламах для механической обработки свободным абразивом, такие как Bioban P-148, Grotan®, Kathon®, омадины металла или глутаральдегид. Bioban P-148 поставляется Dow Chemical Company и содержит два активных инградиента 4-(2-нитробутил)-морфолин и 4,4 -(2-этил-2-нитротриметилен)диморфолин. Grotan® является 2-[3,5-бис(2-гидроксиэтил)-1,3,5-триазинан-1-ил]этанол и имеет химическую формулу C₉H₂₁N₃O ₃. Kathon® является 2-октил тиазол-3-один и имеет химическую формулу С₁₁Н₁₉ NOS. Биоциды могут добавляться в настоящие концентрированные композиции шлама в количестве, которое будет эффективным для минимизации или контроля бактерий и, в некоторых случаях, роста грибков. Часто смесь биоцидов используется как для контроля бактерий, так и роста грибков. В некоторых вариантах один или более биоцидов содержатся в концентрированных композициях шлама в количествах примерно до 2% по объему. В некоторых вариантах концентрированные композиции шламов содержат примерно от 0.02 до 2 об.% одного или более биоцидов, в некоторых вариантах примерно от 0.03 до 1.5 об.%, в некоторых вариантах примерно от 0.04 до 1 об.% и в некоторых вариантах примерно от 0.05 до 0.09 об.%.

Для предотвращения коррозии частей устройства в процессах обработки свободным абразивом (например, проволок и проволочной пилы), в концентрированные композиции шлама могут добавляться ингибиторы коррозии. Ингибиторы коррозии могут включать любые традиционные ингибиторы коррозии, которые используются в механической обработке свободным абразивом на основе шламов, такие как триэтаноламин. Ингибиторы коррозии могут включаться в концентрированные композиции шламов в количествах, которые эффективно замедляют коррозию. В некоторых вариантах один или более ингибиторов коррозии содержится в концентрированных композициях шлама в количествах примерно до 5% по объему. В некоторых вариантах концентрированные композиции шлама содержат примерно от 0.01 до 5 об.% одного или более ингибитора коррозии, в некоторых вариантах от 0.02 до 4.5 об.%, в некоторых вариантах от 0.03 до 4 об.%, в некоторых вариантах от 0.04 до 3.5 об.%, в некоторых вариантах от 0.05 до 3 об.%, в некоторых вариантах от 0.06 до 2.5 об.%, в некоторых вариантах от 0.07 до 2 об.%, в некоторых вариантах от 0.08 до 1.5 об.%, в некоторых вариантах от 0.09 до 1 об.% и в некоторых вариантах примерно от 0.1 до 0.5 об.%.

В одном варианте концентрированная композиция шлама содержит абразивные частицы карбида кремния, PEG, воду и один или более модификаторов вязкости. В определенных вариантах концентрированный шлам содержит 30 об.% SiC, 15-60 об.% PEG, до 20 об.% воды, до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости, до 3 об.% одного или более активаторов, до 2 об.% одного или более фунгицидов, до 2 об.% одного или более биоцидов и до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии. В примере осуществления изобретения концентрированный шлам содержит примерно 34.11 об.% SiC, примерно 48.69 об.% PEG, примерно 15.28 об.% воды, примерно 0.41 об.% синтетической глины, примерно 1.19 об.% активатора, примерно 0.11 об.% биоцида и примерно 0.20 об.% ингибитора коррозии.

Настоящее изобретение, кроме того, обеспечивает способы приготовления концентрированных композиций шлама. В соответствии со способами абразивные частицы смешиваются с носителем таким образом, чтобы полученная композиция содержала, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы. В некоторых вариантах полученная композиция содержит примерно от 30 до 80 об.% твердой фазы, в некоторых вариантах примерно от 40 до 70 об.% твердой фазы и в некоторых вариантах примерно от 50 до 60 об.% твердой фазы. Абразивные частицы и носитель смешиваются для обеспечения равномерного диспергирования абразивных частиц в носителе. Абразивные частицы и носитель могут быть смешаны, например, путем перемешивания, встряхивания и любых других традиционных способов, с помощью которых твердые частицы перемешиваются и равномерно диспергируются внутри жидкого носителя.

В некоторых вариантах носитель включает растворимый в воде гликоль или минеральное масло и способы по изобретению включают диспергирование абразивных частиц внутри растворимого в воде гликоля или минерального масла таким образом, чтобы полученная композиция содержала, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы.

В некоторых вариантах носитель, кроме того, включает воду и способы изобретения включают смешивание воды и растворимого в воде гликоля или минерального масла для формирования носителя и диспергирование абразивных частиц внутри носителя таким образом, чтобы полученная композиция содержала, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы. В некоторых вариантах добавляется до 20 об.% воды.

В некоторых вариантах способы по изобретению включают добавление одного или более модификаторов вязкости в концентрированную композицию шлама. В одном варианте способ включает смешивание растворимого в воде гликоля или минерального масла с одним или более модификатором вязкости и, дополнительно, воду для формирования носителя и диспергирования абразивных частиц внутри носителя таким образом, чтобы полученная композиция содержала, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы. Способы могут включать добавление одного или более модификаторов вязкости в количестве, которое обеспечивает определенную вязкость концентрированному шламу. Модификаторы вязкости также могут способствовать предотвращению осаждения твердой фазы. Например, в некоторых вариантах добавляется примерно до 5 об.% одного или более модификаторов вязкости.

В некоторых вариантах способы по изобретению включают добавление одного или более активаторов в концентрированную композицию шлама. В одном варианте способ включает смешивание растворимых в воде гликолей или минерального масла с одним или более активатором и, дополнительно, воду и/или модификаторы вязкости для формирования носителя и диспергирование абразивных частиц внутри носителя таким образом, чтобы полученная композиция содержала, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы. Активаторы могут добавляться в количестве, которое активирует модификаторы вязкости для получения желаемой вязкости. Например, в некоторых вариантах добавляется примерно до 3% одного или более активаторов. В некоторых вариантах способы включают добавление одного или более активаторов в сочетании с одним или более модификаторами вязкости. Один или более активаторов могут быть добавлены в количестве, которое позволяет модификатору вязкости образовать матричную сетку в жидкости, которая влияет на увеличение предела текучести или общую динамическую вязкость жидкости.

В некоторых вариантах способы по изобретению включают добавление одного или более фунгицидов в концентрированные композиции шлама. В одном варианте способы по изобретению включают смешивание растворимого в воде гликоля или минерального масла с одним или более фунгицидом и, дополнительно, водой, модификатором вязкости, и/или активатором для формирования носителя, и диспергирование абразивных частиц внутри носителя таким образом, чтобы полученная композиция содержала, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы. Фунгициды обычно добавляются в количестве, эффективном для минимизации и контроля роста грибков. Например, в некоторых вариантах добавляется примерно до 2 об.% одного или более фунгицидов.

В некоторых вариантах способы по изобретению включают добавление одного или более биоцидов в концентрированные композиции шлама. В одном варианте способы по изобретению включают смешивание растворимого в воде гликоля или минерального масла с одним или более биоцидов и, дополнительно, водой, модификатором вязкости, активатором, и/или фунгицидом для формирования носителя, диспергирование абразивных частиц внутри носителя таким образом, чтобы полученная композиция содержала, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы. Биоциды обычно добавляются в количестве, эффективном для минимизации и контроля роста бактерий. Некоторые биоциды, кроме того, эффективны для минимизации и контроля роста грибков и таким образом, в таких случаях, один или более биоцидов может добавляться для эффективной минимизации и контроля роста грибков и бактерий без необходимости добавления одного или более фунгицидов для минимизации и контроля роста грибков. В некоторых вариантах добавляется примерно до 2 об.% одного или более биоцидов.

В некоторых вариантах способы по изобретению включают добавление одного или более ингибиторов коррозии в концентрированные композиции шлама. В одном варианте способы изобретения включают смешивание растворимого в воде гликоля или минерального масла с одним или более ингибитором коррозии и, дополнительно, водой, модификаторами вязкости, активаторами, фунгицидами, и/или биоцидами для формирования носителя, и диспергирование абразивных частиц внутри носителя таким образом, чтобы полученная композиция содержала, по меньшей мере, 30 об.% твердой фазы. Ингибиторы коррозии обычно добавляются в количестве, эффективном для замедления коррозии устройства механической обработки свободным абразивом, в котором используются шламы (например, проволока или проволочная пила). Например, в некоторых вариантах добавляется примерно до 5 об.% одного или более ингибиторов коррозии.

Полученные таким образом концентрированные композиции шлама могут далее поставляться покупателю. Концентрированное состояние и реологические свойства настоящих шламов обеспечивают предотвращение осаждения твердой фазы или ее минимизацию путем увеличения вязкости шлама и/или развития предела текучести. В случае использования потребителем шлама для процесса механической обработки свободным абразивом, потребитель легко переводит концентрированный шлам в рабочий шлам путем добавления воды и/или растворимых в воде гликолей. В случае безводных концентрированных композиций шлама, например, тех, которые содержат минеральное масло, концентрированный шлам может быть переведен в рабочий шлам путем добавления минерального масла или другого безводного материала.

Потребитель с помощью простых расчетов на основе желаемой концентрации твердой фазы рабочего шлама может определить количество воды, гликолей и минерального масла, которые нужно добавить для разжижения. В целом, желаемая концентрация твердой фазы в рабочем шламе для проволочной пилы находится в диапазоне примерно 20-28 об.% на основе общего объема рабочего шлама для проволочной пилы. Таким образом, можно легко определить, какое количество воды и/или гликолей или минерального масла должно быть добавлено для получения желаемой концентрации твердой фазы рабочего шлама.

В областях применения, в которых концентрированный шлам разбавляется путем добавления дополнительного количества растворимых в воде гликолей (отдельно или вместе с разжижением водой), добавленные в концентрированный шлам гликоли могут быть такими же, как гликоли, содержащиеся в концентрированном шламе, или могут быть другими. Например, в одном варианте концентрированный шлам содержит PEG и концентрированный шлам разжижен с помощью PEG и/или воды для обеспечения рабочего шлама для проволочной пилы.

В некоторых вариантах в концентрированные композиции шлама добавляется примерно 20-50 об.% воды и/или гликоля, или минерального масла для обеспечения рабочего шлама проволочной пилы.

Концентрированные композиции шлама могут содержать или не содержать фунгициды, биоциды и/или ингибиторы коррозии. В вариантах, в которых в концентрированном шламе эти компоненты не содержатся, потребитель может добавлять один или более из этих материалов в концентрированный шлам до, во время, и/или после разжижения водой и/или гликолями, или минеральным маслом.

Потребитель смешивает концентрированные композиции шлама с водой и/или гликолями, или минеральным маслом, и любыми дополнительными компонентами (например, фунгицид, биоцид, ингибитор коррозии) для обеспечения равномерной композиции, в которой твердая фаза стабильна и равномерно диспергирована с помощью любого традиционного способа смешивания, такого как смешивание, взбалтывание или взмучивание.

Концентрированные шламы по настоящему изобретению обеспечивают многочисленные достижения и преимущества. Концентрированные шламы имеют более высокое содержание твердой фазы, чем предварительно смешанные шламы, и, таким образом, обеспечивают более высокую вязкость композиции без необходимости использования нежелательного количества модификаторов вязкости. Это повышенное содержание твердой фазы создает предел текучести в шламе и обеспечивает концентрированные композиции шлама реологическими свойствами, которые предотвращают осаждение твердой фазы. Так как для приготовления концентрированного шлама используется только часть жидкого объема рабочего шлама, дополнительных затрат на транспортировку оставшейся жидкости, которая может, при желании, использоваться покупателем на месте, не потребуется. В случае водных композиций шлама, водная часть шлама не будет отгружаться, что таким образом будет снижать стоимость транспортировки. Кроме того, так как абразивные частицы представлены в концентрированном состоянии в носителе и так как не происходит осаждения частиц, абразивные частицы имеют значительное время для завершения смачивания (погрузка, транспортировка и время хранения), которое улучшает общие характеристики полученных композиций рабочего шлама.

Содержание всех противопоставленных материалов (включая ссылки на литературу, выданные патенты, опубликованные патентные заявки), которые приведены в данной заявке, непосредственно включено в настоящее описание ссылкой. На практике данное изобретение будет использовать, если иное не указано, традиционные технологии, которые известны в данной области техники. Такие технологии подробно представлены в литературе.

Представленный далее пример является иллюстрацией изобретения, но не ограничивает его.

ПРИМЕР

Композиция шлама приготовлена путем смешивания 48.69 об.% PEG, 34.11 об.% JIS1200 карбида кремния, 0.26 об.% Laponite, 1.1 об.% аминоборатов, 0.1 об.% Bioban P-1487, 0.54 об.% триэтаноламина и 15.28 об.% DI воды. Шлам имеет следующие характеристики:

Плотность: 1.81 г/мл

Вязкость: 1350 сантипуаз, измеренная вискозиметром Brookfield spindle #4 при 60 об/мин при 25°С.

Электропроводность: 12.7 µs

рН: 9.78

В концентрированный шлам была затем добавлена вода для обеспечения композиции шлама, содержащей примерно 22 об.% твердой фазы.

Шлам был использован для резки поликристаллического слитка размером 125 мм × 125 мм на пластины толщиной 250 мкм с помощью проволочной пилы.

Несмотря на то что было представлено несколько вариантов настоящего изобретения, для опытного специалиста будет очевидно, что возможны другие варианты и/или модификации, комбинации и замены, находящиеся в рамках раскрытия данного изобретения.