CN101437929B - 包含中和的脂肪酸的金属加工液 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水基金属加工液(MWF)的添加剂，该添加剂包含由胺、链烷醇胺和苛性碱的至少一种中和的C12-20脂肪酸。设计所述添加剂用于具有pH为至少约7并含有以MWF的重量计至少约0.10重量％的中和的C12-20脂肪酸的水基MWF。所述添加剂抑制切削期间和之后铁类和非铁类金属的锈蚀。

Description

包含中和的脂肪酸的金属加工液
技术领域
本发明涉及金属加工液。在一方面，本发明涉及水基金属加工液(MWF)，而另一方面，本发明涉及抑制铝或其他金属的锈蚀的水基MWF。在又一方面，本发明涉及包含中和的脂肪酸的水基MWF，而在再一方面本发明涉及使用MWF的各种方法。
背景技术
水基金属加工液由于其相比于非水基金属加工液的经济、环保和安全的优点而众所周知并被广泛使用。水基MWF具有非常低的可燃性，且随着石油产品不断增长的成本，水基MWF相比于非水基MWF的经济优势持续增长。此外，水基MWF相比于石油液体至少在相同程度上不会带来明显的使用和处理的环境负担。然而，除了这些安全、经济和环保的优点，水基MWF必须也显示其他性质，例如不锈蚀工件以及在储存和使用期间的稳定性。
水基MWF主要包含水，通常超过95，常常超过97重量百分比(重量％)。在通常金属加工条件下，特别是若MWF具有相对较高的pH，例如高于9(是许多水基MWF的典型特征)，水趋于锈蚀某些铁类和非铁类工件(特别是铝)。然而，能将例如硅酸钠和磷酸酯的一些材料掺入水基MWF以阻止工件的锈蚀，但这些材料常常具有其自身的缺陷。例如，硅酸盐趋于堵塞常用于MWF再循环的超滤膜，磷酸酯倾向于相对迅速的细菌降解。
因此，金属加工工业对发现降低或消除切削操作期间和之后金属工件(特别是如铝的非铁类金属工件)的锈蚀的添加剂和水基MWF制剂保持持续的兴趣。而且，工业，特别是小型和中型加工车间对有效用于铁类和非铁类金属的所述添加剂或制剂保持持续的兴趣，因为这使得他们免于购买和库存多个水基MWF的需要。
发明内容
在一个具体实施方案中，本发明为一种用于水基MWF的中和的脂肪酸添加剂，该添加剂包含由胺、链烷醇胺和苛性碱的至少一种中和的C12-20脂肪酸。在另一个具体实施方案中，本发明为一种包含中和的脂肪酸添加剂的水浓缩物。在又一个具体实施方案中，本发明为一种具有至少约7的pH并包含以水基MWF重量计至少约0.1重量％的由胺、链烷醇胺和苛性碱的至少一种中和的C12-20脂肪酸的水基MWF。
这里使用的“中和的脂肪酸添加剂”、“脂肪酸添加剂”和类似的术语意为基本上仅包含中和的脂肪酸的基本上的非水溶液。若制备，除了水基MWF的残余物以外，所述脂肪酸添加剂为中和的脂肪酸的形式。在这种形式下，能将所述添加剂包装、储存和/或销售至经销商和/或直接用户。
“浓缩物”、“母料”和类似的术语意为部分由水、油和/或另一种水基MWF的功能性组分稀释的中和的脂肪酸。“部分稀释”意为在准备用作水基MWF之前，浓缩物需要进一步稀释(通常用水)。通常，浓缩物包含至少约1，通常至少约5且有时差不多10或10以上重量％的中和的脂肪酸。所述浓缩物通常含有少于95，更通常少于约75且甚至更通常少于约50重量％的水。能直接由添加剂制备浓缩物，例如，用水稀释添加剂并任选地加入MWF的其他组分，或者从头开始制备浓缩物，例如通过分别加入脂肪酸和中和剂原位制备中和的脂肪酸。与添加剂一样，能将所述浓缩物包装、储存和/或销售至经销商和/或直接用户。
“水基MWF”和类似的术语意为包含其所有组分并准备使用的MWF。在此形式下，水基MWF充分稀释，即在准备使用之前该水基MWF不需要任何由水或任何其他组分的进一步稀释，所述水基MWF通常包含95或更多重量％的水。与浓缩物一样，或者通过稀释水基MWF的前体(即浓缩物，通常以介于约10和20之间，或20以上的稀释因子稀释)，或者直接由单独的组分制备水基MWF。在制备的第二种方法中，能直接加入中和的脂肪酸，即作为在先制备的中和的脂肪酸添加剂，或原位制备中和的脂肪酸，即以适当的量分别加入脂肪酸和中和剂。
“中和剂”和类似的术语意为与MWF的其他组分可相容，并能中和MWF的脂肪酸组分而保持中和的脂肪酸的大体溶解度的任何胺、链烷醇胺或苛性碱。“大体溶解度”意为就作为水基MWF的锈蚀抑制组分的功效而言，可忽略中和的脂肪酸的任何沉淀。
在另一个具体实施方案中，本发明为一种切削或加工金属工件的方法，该方法包含使用水基MWF切削工件，其中所述水基MWF具有至少约7的pH，且包含以水基MWF重量计至少约0.1重量％的由胺、链烷醇胺和苛性碱的至少一种中和的C12-20脂肪酸。以与已知水基MWF相同的方式使用本发明的水基MWF。
附图说明
图1显示表实施例2B中报告的Al2024铝合金试样的图像。
图2显示表实施例2C中报告的Al6061铝合金试样的图像。
图3显示表实施例2D中报告的Al7075铝合金试样的图像。
图4显示表实施例2E中报告的Al380铝合金试样的图像。
图5A和5B显示表实施例3中报告的铝合金试样的图像。
图6为铝合金和镀锌钢试样在暴露于含有或不含锈蚀抑制剂的各种水基MWF之后的图像。
图7显示表实施例6中报告的铝合金试样的图像。
具体实施方式
能在本发明的实践中使用具有如下性质的任何C12-20脂肪酸：(i)与水基MWF(所述C12-20脂肪酸为该水基MWF的一个组分)的其他组分可相容，(ii)能由胺、链烷醇胺或苛性碱中和，以及(iii)当使用所述水基MWF切削工件时降低或消除铝工件的锈蚀。通常，水基MWF的脂肪酸组分具有通式
CH3-(CH2)n-COOH
其中n为至少约10，优选至少约12，更优选至少约14且优选不超过约18，更优选不超过约16的整数。脂肪酸能含有一个或多个不饱和位点，和/或一个或多个取代基，若含有取代基，则该取代基不在任何明显程度上妨碍脂肪酸与MWF的其他组分的相容性或带给工件明显的锈蚀。所述取代基包括芳基、羟基、磺酸基、卤素基团和醚基。脂肪酸的结构能为直链、支链的或环状的，且由于支链脂肪酸相比线性脂肪酸具有较低的起泡倾向，支链脂肪酸为本发明优选的脂肪酸。与其他用于本发明实践中的中和的脂肪酸相比，较不优选具有18或18个以上的总碳原子含量的中和的、饱和的、直链脂肪酸，这因为在其他相同的条件下，明显需要更多量的这种脂肪酸以获得与其他脂肪酸所提供的相同水平的锈蚀抑制。
能用于本发明实践中的代表性脂肪酸包括月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、2-己基癸酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、蓖麻油酸、2-环己烯-1-辛酸、5-羧基-4-己基-辛酸、晁模酸、异硬脂酸(混合的异构体)、顺式-11-二十酸、植烷酸、降植烷酸、4，8，12-三甲基三癸酸和妥尔油脂肪酸。能单独使用或与两个或两个以上相互结合使用脂肪酸。商用可购得的C12-20脂肪酸常为混合物，且这些混合物可含有一些具有少于12个碳原子和/或高于20个碳原子的脂肪酸。能在本发明的实践中使用这些混合物，且混合物中非C12-20脂肪酸的含量优选少于不重要的量，例如少于脂肪酸总量的约10重量％。
中和的胺可具有任何类型和任何分子量，能单独使用或与一个或多个其他胺结合，和/或与一个或多个链烷醇胺和/或苛性碱结合使用。这些胺包含伯、仲和叔胺，或者具有脂肪的(优选伯烷基或叔烷基)、脂环的或芳香结构，且具有一个或多个取代基(若含有，则该取代基不在任何明显程度上妨碍胺与MWF的其他组分的相容性或带给工件明显的锈蚀)。所述取代基包括醚基。代表性的胺包括氨水(为本发明目的考虑为胺)、甲基-、二甲基-和三甲基胺、乙基-、二乙基-和三乙基胺、正丙基-、二正丙基-和三正丙基胺、异丙基胺、正丁基-、异丁基-、仲丁基-和叔丁基胺、环己胺、二环己胺、苄胺、α-苯乙胺、β-苯乙胺、乙二胺、四亚甲基二胺、六亚甲基二胺、四(C1-3烷基)氢氧化胺(例如四(甲基)氢氧化胺、三(甲基)乙基氢氧化胺等)、苯胺、甲基苯胺、邻-、间-和对-甲苯胺、邻-、间-和对-茴香胺、邻-、间-和对-氯苯胺和联苯胺。
链烷醇胺，特别是具有较低分子量的链烷醇胺具有特别的意义和用途。与胺一样，能单独使用或与一个或多个其他链烷醇胺结合，和/或与一个或多个胺和/或苛性碱结合使用。链烷醇胺也能具有一个或多个取代基(若含有，则该取代基不在任何明显程度上妨碍链烷醇胺与MWF的其他组分的相容性或带给工件明显的锈蚀)。代表性的链烷醇胺包括单-、二-和三乙醇胺、单-、二-和三-异丙醇胺、二甘醇胺、正丁基乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)，和2-氨基-2-乙基-1，3-丙二醇。
这里使用的“苛性碱”包括类似于氢氧化钠的任何化合物，当所述苛性碱与脂肪酸结合形成脂肪酸盐时，该脂肪酸盐基本上可溶于水基MWF。苛性碱可具有任何类型，能单独使用或与一个或多个其他苛性碱结合，和/或与一个或多个胺和/或链烷醇胺结合使用。代表性的苛性碱包括氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、苛性醇(例如C2H5ONa)、碳酸盐、磷酸盐等。氢氧化钾为优选的苛性碱。
以有效中和脂肪酸的量使用脂肪酸和胺、链烷醇胺和/或苛性碱。尽管使用稍低或稍高的比例可获得一些本发明的益处，中和基团对羧基的摩尔比通常为约1:1。能使用过量的中和剂，但并无任何明显的有益效果。
在本发明的一个具体实施方案中，除了MWF，制备中和的脂肪酸，然后包装并作为用于制备各种浓缩物和/或水基MWF制剂的添加剂销售。在此具体实施方案中，通常在环境温度的搅拌下以任何便利的方式混合脂肪酸和中和剂。在其他具体实施方案中，在包装和/或使用之前，中和的脂肪酸用水稀释或与浓缩物和/或水基MWF的其他组分混合。
在另一个具体实施方案中，作为制备水基MWF的工艺的一部分，或在将中和的脂肪酸加入MWF的水介质之前或原位制备中和的脂肪酸。不管何种制备方法，中和的脂肪酸在水基MWF中的含量通常为水基MWF的至少约0.1，优选至少约0.4且更优选至少约0.07重量％。中和的脂肪酸在水基MWF中的最大含量差别很大，且一般为经济的函数。通常，最大含量不超过水基MWF的约1，优选不超过约0.7且更优选不超过约0.5重量％。
本发明的水基MWF能简单包含水和中和的脂肪酸，但通常也包含许多其他成分。这些其他成分包括但不限于烃和/或合成油、各种无机盐、表面活性试剂、抗微生物剂、润滑剂、染料、消泡剂、乳化剂等。以已知的量和组合使用这些其他成分，且水基MWF通常包含至少约95或更多重量％的水，水或为自来水或为去离子水。本发明的实践中使用的中和的脂肪酸与水基MWF制剂的其他组分匹配以最大化所需的性能。
本发明的水基MWF适合与例如铁、钢和镀锌钢的铁类金属和例如铝和铝合金的非铁类金属使用。以已知和传统的方式切削金属工件，且以已知和传统的方法使用本发明的水基MWF。
在下列实施例中，除非另外指出，所有的份数和百分率均以重量计。
特定具体实施方案
实施例1
在锈蚀试验中使用2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)的妥尔油脂肪酸盐。对于此试验，将33.5g95％AMP在去离子水中的1％水溶液加入300g在伊利诺伊州芝加哥自来水中的0.27％妥尔油脂肪酸。将所得0.34％妥尔油脂肪酸-AMP盐溶液置入玻璃广口瓶，将铝合金Al2024、Al380(铸铝)、Al6061和Al7075(两者均为航空铝)的试样半浸入该溶液中。使用纯自来水和用氢氧化钾调节至pH9.5的去离子水制备对照物。在空气中密封广口瓶并置入40℃的烘箱。在24小时、1星期和5星期后移出试样并检查锈蚀。在一些情况相对于对照体系气相中的锈蚀降低。对于除了Al380之外的所有铝合金，基本上在液相消除了锈蚀，Al380发生轻微的锈蚀，但远低于对照物经受的锈蚀。
实施例2
在芝加哥自来水中制备表实施例2A中报告的盐溶液，其中调节中和剂用量以获得9.0的pH。在此实施例中，只有中和的妥尔油酸为本发明的代表。
表实施例2A
溶液中的重量％盐(pH9.0)
 
硼酸 苯甲酸 乳酸 新癸酸 妥尔油酸 2-乙基己酸
2-氨基-2-甲基-1-丙醇 0.4 0.15 0.46 0.40 0.33 0.42
2-氨基-1-丁醇 0.39 0.46 0.47 0.40 0.33 0.43
乙醇胺 0.34 0.39 0.39 0.34 0.30 0.36
异丙醇胺 0.37 0.42 0.42 0.38 0.32 0.39
 
二甘醇胺 0.42 0.50 0.50 0.42 0.34 0.45
正丁基乙醇胺 0.43 0.50 0.51 0.43 0.35 0.46
如下的表实施例2B-E显示使用实施例1中描述的规则用上述盐溶液进行锈蚀试验的结果。尽管锈蚀程度，例如黑、中、轻、很轻和无，是主观的，在图1-4中提供了测试试样的图像。报告的特定工件的锈蚀程度的可接受性为工件使用者的主观印象。对于这些实施例的目的，可接受的锈蚀为轻、很轻或无。
表实施例2B
Al2024锈蚀结果-液体接触区域(在40℃下5个星期)
 
硼酸 苯甲酸 乳酸 新癸酸 妥尔油酸 2-乙基己酸
2-氨基-2-甲基-1-丙醇 黑 中 轻 黑 无 黑
2-氨基-1-丁醇 黑 中 轻 黑 无 黑
乙醇胺 黑 中 轻 黑 无 黑
异丙醇胺 黑 中 轻 黑 无 黑
二甘醇胺 黑 中 轻 黑 无 黑
正丁基乙醇胺 黑 中 轻 黑 无 黑
表实施例2C
Al6061锈蚀结果-液体接触区域(在40℃下5个星期)
 
硼酸 苯甲酸 乳酸 新癸酸 妥尔油酸 2-乙基己酸
2-氨基-2-甲基-1-丙醇 黑 中 中 中 无 黑
2-氨基-1-丁醇 黑 中 中 黑 无 黑
乙醇胺 黑 中 中 中 无 黑
异丙醇胺 黑 中 中 中 无 黑
二甘醇胺 黑 中 中 中 无 黑
正丁基乙醇胺 黑 中 中 中 无 黑
表实施例2D
Al7075锈蚀结果-液体接触区域(在40℃下5个星期)
 
硼酸 苯甲酸 乳酸 新癸酸 妥尔油酸 2-乙基己酸
2-氨基-2-甲基-1-丙醇 黑 中 中 黑 无 中
2-氨基-1-丁醇 黑 中 中 黑 无 中
乙醇胺 黑 中 中 黑 无 中
异丙醇胺 黑 中 中 黑 无 中
 
二甘醇胺 黑 中 中 黑 无 中
正丁基乙醇胺 黑 中 中 黑 无 中
表实施例2E
Al380锈蚀结果-液体接触区域(在40℃下5个星期)
 
硼酸 苯甲酸 乳酸 新癸酸 妥尔油酸 2-乙基己酸
2-氨基-2-甲基-1-丙醇 黑 黑 黑 黑 很轻 黑
2-氨基-1-丁醇 黑 黑 黑 黑 很轻 黑
乙醇胺 黑 黑 黑 黑 很轻 黑
异丙醇胺 黑 黑 黑 黑 很轻 黑
二甘醇胺 黑 黑 黑 黑 很轻 黑
正丁基乙醇胺 黑 黑 黑 黑 很轻 黑
实施例3
为了确定链长对脂肪酸链烷醇胺作为锈蚀抑制剂的效力的影响，评估由新癸酸(参见上述实施例2，一种10个碳原子的支链单羧酸)变化至山萮酸(一种22个碳原子的直链单羧酸)的盐。如下的表实施例3和图5A-B报告了由2-氨基-2-甲基-1-丙醇在自来水中中和至pH9.5的0.3％的酸(或在新癸酸的情况下为0.4％)的结果。
表实施例3
锈蚀结果-液体接触-在40℃下1个星期
 
脂肪酸 Al2024 Al6061 Al7075 Al380
新癸酸C10 黑 黑 中 黑
月桂酸C12 无 无 无 无
肉豆蔻酸C14 无 无 无 无
棕榈酸C16 无 无 无 无
油酸C18 无 无 无 无
硬脂酸C18 黑 黑 黑 黑
山嵛酸C22 黑 黑 黑 黑
异硬脂酸C18 无 无 无 无
这些数据证实了长链对性能(可能部分原因为盐的溶解性/可分散性)有影响。硬脂酸盐和山嵛酸盐相比于其他盐具有较差的在水中的可分散性，这可影响到可用于润湿金属表面的盐的量。在此特定的实验中可能需要更多的硬脂酸以获得可接受的结果。不清楚新癸酸盐无效力的原因，但有可能与其相比于C12-20酸盐的在水中更高的溶解性相关。
实施例4
为证实支链脂肪酸盐的降低的起泡倾向(与直链脂肪酸盐相反)，使用芝加哥自来水制备通用合成的水基MWF(20份水对1份浓缩物)。该合成MWF制剂包含下列组分：
 
组分 重量％
去离子水 74
二羧酸胺盐 10
逆溶解脂肪酯 5
2-氨基-2-甲基-1-丙醇 2
三乙醇胺 8
二环噁唑烷抗微生物剂 1
将稀释的基液分为相等的四份，在三份中加入0.1重量％的如下表实施例4中标识的酸盐。将精确的50毫升(ml)稀释的液体置入100ml带塞量筒。然后摇动该量筒1分钟并评估初始泡沫体积(时间等于0分钟)，然后在随后选定的时间评估泡沫体积。表实施例4中的数据显示初始泡沫在包含支链脂肪酸盐的液体中比在包含直链脂肪酸盐的液体中崩溃更快。
表实施例4
合成MWF的起泡
 
时间(分钟) 基液(对照物，泡沫高度，ml)                  基液+0.1重量％异硬脂酸/AMP(泡沫高度，ml)  基液+0.1重量％2-己基癸酸/AMP(泡沫高度，ml)  基液+0.1重量％妥尔油酸/AMP(泡沫高度，ml) 
0 50 40 50 50+
1 35 36 45 45
2 15 35 40 45
5 5 20 20 45
15 3 3 5 20
实施例5
与或不与0.1重量％的AMP妥尔油脂肪酸测试在控制pH的水中的选择的铝合金和镀锌钢试样的锈蚀对照物。图6显示当将所述盐加入芝加哥自来水(用KOH调节pH至9.5)中时，在所有试样的液相接触区域中完全消除了锈蚀。因为所述盐为非挥发性，在气相区域未消除锈蚀。
实施例6
使用上述实施例5的步骤测试各种苛性碱中和的脂肪酸和一种胺中和的脂肪酸对Al2024、380、6061和7075铝合金试样的锈蚀。如下的表实施例6和图7中报告了结果。
表实施例6
所有铝合金试样的锈蚀结果-在40℃下液体接触数周
 
NaOH KOH LiOH (CH3)4NOH
妥尔油酸 无 无 无 无
新癸酸 未测试 锈蚀的 未测试 未测试
异硬脂酸 未测试 无 未测试 未测试
表实施例6和图7显示苛性碱中和的以及胺中和的本发明的妥尔油脂肪酸为有效的水基MWF中的铝锈蚀抑制剂。数据也显示苛性碱中和的异硬脂酸为有效的铝锈蚀抑制剂，但新癸酸(非本发明的脂肪酸)并不比其链烷醇胺中和的对应物更有效于抑制铝锈蚀。
尽管以相当的细节描述了本发明，该细节是为了说明的目的。在不脱离下列权利要求描述的本发明的实质和范围下可对本发明进行如上描述的许多改变和修改。所有上述的美国专利以及许可的专利申请以引用的方式并入本文。

Claims (7)

1.一种切削非铁类金属工件的方法，该方法包含：
提供由(i)水、(ii)0.1至1重量％的由胺中和的妥尔油脂肪酸和任选地，(iii)烃、合成油、表面活性试剂、抗微生物剂、润滑剂、染料、消泡剂和乳化剂中的一种或多种组成的水基金属加工液；和使非铁类金属工件与水基金属加工液接触，其中金属加工液pH介于7和10之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中工件为铝。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述胺为链烷醇胺。
4.根据权利要求1所述的方法，其中胺为氨水、甲基-、二甲基-和三甲基胺、乙基-、二乙基-和三乙基胺、正丙基-、二正丙基-和三正丙基胺、异丙基胺、正丁基-、异丁基-、仲丁基-和叔丁基胺、环己胺、二环己胺、苄胺、α-苯乙胺、β-苯乙胺、乙二胺、四亚甲基二胺、四(甲基)氢氧化氨、六亚甲基二胺、苯胺、甲基苯胺、邻-、间-和对-甲苯胺、邻-、间-和对-茴香胺、邻-、间-和对-氯苯胺和联苯胺中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的方法，其中链烷醇胺为单-、二-和三乙醇胺、单-、二-和三-异丙醇胺、二甘醇胺、正丁基乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇，和2-氨基-2-乙基-1，3-丙二醇中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中金属加工液pH介于8和9.5之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中金属加工液抑制金属加工操作期间加工液接触的非铁类金属的锈蚀。
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