DE102005007368A1

DE102005007368A1 - Schmierend wirkende Polymer-Wasser-Mischung

Info

Publication number: DE102005007368A1
Application number: DE102005007368A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Eisner; Michael Dr. Menner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-01-05
Also published as: US7591376B2; RU2007101395A; RU2379334C2; US20080016783A1; TW200617157A; NO20065430L; JP2008502751A; JP5091668B2; KR20070040367A; EP1756253A1; WO2005123888A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit für technische Anwendungen. Die Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit besteht aus einer Mischung aus Wasser und einem oder mehreren Polymeren. Sie lässt sich als Hydraulikflüssigkeit oder als Kühlschmierstoff einsetzen, ist langzeitstabil, biologisch nicht oder nur sehr schwer abbaubar und kann einfach von Oberflächen abgewaschen werden.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Mischung aus einem Polymer oder verschiedenen Polymeren mit Wasser. Die Mischung kann besonders vorteilhaft in allen technischen Anwendungen eingesetzt werden, in denen von einer Flüssigkeit Schmiereigenschaften gefordert werden.
Die erfindungsgemäße Schmierflüssigkeit kann in Anwendungen der spanenden Fertigung wie Bohren, Sägen, Fräsen, Schleifen, Drehen, Hobeln und in anderen Anwendungen als Kühlschmierstoff verwendet werden. Es ist möglich, derartige Flüssigkeiten als Ersatz von konventionellen wassermischbaren Kühlschmierstoffen wie Schneidemulsionen oder nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen wie Schneidölen oder Spindelölen einzusetzen.
Die erfindungsgemäße Schmierflüssigkeit kann auch für Anwendungen als schmierend wirkende Hydraulikflüssigkeit als Ersatz für Hydrauliköl Verwendung finden. Hier werden nach Stand der Technik fast ausnahmslos Öle verwendet, da sie schmierend wirken, langzeitstabil sind und da sie während des Betriebes biologisch nicht abgebaut werden. Das Gleiche gilt für Anwendungen, in denen bislang Motorenöle und Getriebeöle eingesetzt werden. Auch als Ersatz für Bearbeitungsöle z.B. zum Walzen von Blechen, zum Stanzen oder Tiefziehen von Metallen kann die erfindungsgemäße Flüssigkeit genutzt werden.

Schmierflüssigkeiten nach Stand der Technik bestehen vorwiegend aus Erdölfraktionen, synthetischen Ölen, Estern aus Fettsäuren, nativen Ölen und Fetten oder enthalten derartige Öle oder Fette. Die Öle stellen aufgrund ihrer Viskosität und ihrer Benetzungseigenschaften sicher, dass an der Kontaktstelle zwischen zwei gegeneinander bewegten Feststoffen Reibung und Verschleiß reduziert werden.

Ein Vorteil bei der Verwendung von Ölen ist deren Langzeitstabilität. Sie kommen z.T. über Monate oder Jahre z.B. als Getriebe- oder Hydrauliköl zum Einsatz, ohne dass sich ihre Eigenschaften merklich verändern oder sich ein biologischer Abbau einstellt.

Nachteilig bei derartigen Ölen sind der hohe Preis und die Umweltunverträglichkeit, so dass sie überwiegend als Gefahrstoff eingestuft sind und bei Transport und Entsorgung einer besonderen Überwachung bedürfen.

Werden Öle zur Kostensenkung mit Wasser vermischt und mit Hilfe von Emulgatoren emulgiert/stabilisiert, kommt es sehr schnell zu Veränderungen der Schmiereigenschaften z.B. durch Entmischung oder biologische Zersetzung zumindest einiger der organischen Komponenten. Derartige Mischungen sind somit nicht langzeitstabil und können nicht eingesetzt werden für Anwendungen, z.B. als Hydrauliköl oder als Kühlschmierstoff, bei denen sie lange in der Bearbeitungsmaschine verbleiben müssen.

Mischungen aus Wasser, Emulgatoren und Ölen müssen daher immer mit Konservierungsstoffen haltbar gemacht werden. Diese sind aber aus Gründen der Arbeitssicherheit zu vermeiden, da sie Reizungen, Allergien und Hautausschläge verursachen können. Damit wird die Gesundheit des Personals an den Bearbeitungsmaschinen z.T. massiv beeinträchtigt.

Ein weiterer Nachteil von Schmierstoffen, die Öle enthalten, liegt darin, dass Öl sehr schlecht von Oberflächen abgewaschen werden kann. Bearbeitete metallische Teile, die z.B. vor der Lackierung einer gründlichen Reinigung unterzogen werden sollen, müssen deshalb aufwändig in konzentrierten Tensidlösungen oder Lösemitteln gewaschen werden. Dies verursacht hohe Kosten und große Mengen an verunreinigtem Waschwasser oder Lösemittel. Diese Flüssigkeiten müssen u.a. aufgrund des Ölgehaltes, der biologisch nicht abgebaut werden kann, einer besonders überwachungsbedürftigen Abfallbehandlung unterzogen werden. Dies verursacht ebenfalls hohe Kosten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, die schmierende Eigenschaften für Anwendungen mit Metallen und für Hydraulikanwendungen aufweist, die langzeitstabil ist, biologisch nicht oder nur sehr schwer abbaubar ist, niedrige Kosten verursacht, einfach von Oberflächen eines Werkzeuges oder Werkstückes abge waschen werden kann und möglichst keinen Gefahrstoff darstellt.

Darstellung der Erfindung

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schmierflüssigkeit sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. In den Ansprüchen 12 bis 15 ist auch ein Verfahren zur Behandlung der Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit angegeben, mit dem die Abwaschbarkeit und biologische Abbaubarkeit der Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit nach der Benutzung verbessert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schmier- und Bearbeitungsflüssigkeit, im Folgenden auch als Flüssigkeit oder Schmierflüssigkeit bezeichnet, handelt es sich um eine Mischung aus Wasser und einem polymeren Zusatzstoff, der in Wasser löslich oder dispergierbar ist und der der Flüssigkeit eine schmierende Eigenschaft verleiht.

Überraschenderweise können vor allem mit verdickend wirkenden Polymeren, die u.a. aus Anwendungen in den Bereichen Lebensmittel, Verpackung, Pharma und Kosmetik bekannt sind, auch Flüssigkeiten hergestellt werden, die für den Einsatz in Anwendungen geeignet sind, in denen bislang Schmieröle oder Öl-Emulsionen verwendet werden.

Die Schmierflüssigkeit enthält vorzugsweise lediglich Wasser und die genannten ein oder mehreren Polymere sowie gegebenenfalls weitere die schmierende Wirkung nicht beeinflussende Stoffe, z.B. Konservierungsstoffe.

Ein Vorteil bei der Verwendung von Schmierflüssigkeiten auf Basis von Wasser ist dabei die hohe Wärmekapazität des Wassers im Vergleich zu Ölen, wodurch eine bessere Kühlwirkung am Ort der Reibung erreicht wird.

Als Polymere sind prinzipiell verdickende und Viskositätsverändernde Polymere einsetzbar wie:

• organische natürliche Polymere wie z.B. Carrageen, Pektine, Polyosen, Stärke, Cellulosen, Dextrine, Gelatine, Casein;
• organische abgewandelte natürliche Polymere wie Carboxymethylcellulosen und andere Celluloseether, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose und weitere modifizierte Cellulosen;
• organische vollsynthetische Polymere wie Polyacryl- und Polymethacryl-Verbindungen, Vinylpolymere, Polycarbonsäuren, Polyether, Polyimine und Polyamide;
• anorganische Polymere wie Polykieselsäuren; sowie
• Mischungen aus verschiedenen dieser Polymere.

Die Konzentration des Polymers wird bei den meisten Anwendungen Werte von 25 Mass.-% nicht übersteigen. Vorteilhafte Konzentrationen für die Polymere sind kleiner als 10 Mass.-%, besondere Vorteile ergeben sich bei Einsatz von weniger als 5 Mass.-%. Es gibt besonders effiziente Polymere, die mit weniger als 1 Mass.-% eingesetzt werden können. Das Polysacharid Xanthan weist sogar bei 0,25 Mass.-% bei 40°C mit etwa 40 mPas noch die gleiche Viskosität wie ein handelsübliches Schmieröl auf. Es ist durch Variation der Konzentration des Polymers möglich, Viskositäten auf 1 mPas genau an die jeweilige Anwendung anzupassen. Das ist mit konventionellen Ölen nicht so einfach möglich, da zum Schmieren einzelne Fraktionen aus der Erdöldestillation eingesetzt werden, die hinsichtlich der Viskosität in Klassen von etwa 10 mPas, 20 mPas und 40 mPas unterteilt sind.

Der Fachmann ist in der Lage, aus den genannten Gruppen der Polymere die geeigneten Stoffe auszuwählen. So werden an die schmierend wirkende Flüssigkeit in den verschiedenen Anwendungen unterschiedliche Anforderungen gestellt. Durch die Wahl des Polymers können die Viskosität, die biologische Stabilität, die Abwaschbarkeit von der bearbeiteten Oberfläche und die Gleit- und Schmiereigenschaften den spezifischen Anforderungen und verschiedenen Materialien angepasst werden. Somit können durch Variation der Konzentration des Polymers oder durch Verwendung eines anderen oder eines zusätzlichen Polymers auf einfachste Weise gezielte Änderungen der Flüssigkeitseigenschaften erreicht werden.

Es ist möglich, durch Änderung der Polymer-Konzentration, niedrigere oder höhere Wärmekapazitäten in der Flüssigkeit einzustellen. Dies ist mit Schmierölen nach Stand der Technik nicht möglich. Weiterhin besteht die Möglichkeit, in der erfindungsgemäßen Schmierflüssigkeit die Wärmekapazität bei 20°C auf Werte über 3 kJ/kgK, in einigen Anwendungen auf Werte über 4,1 kJ/kgK einzustellen. Die Wärmekapazitäten von Schierölen nach Stand der Technik liegen im Vergleich dazu zwischen 1,5 und 2,5 kJ/kgK.

Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Schmierflüssigkeit zur Kühlung von Werkstück-Oberflächen den Vorteil, dass durch eine teilweise Verdampfung des Wassers, z.B. am Ort einer Zerspanung, hohe Energien vom Werkstück abgeführt werden können. Die hohe Verdampfungsenthalpie des enthaltenen Wassers verhindert eine zu hohe Erwärmung des Werkstückes. Durch die geringe Konzentration an Polymer im Wasser wird die Verunreinigung des Werkstückes mit Rückständen des Schmierstoffs minimiert.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Mischung aus Polymer und Wasser zu einer einphasigen Mischung führt. Mehrphasensysteme können in einigen Anwendungen zur Entmischung führen, was die Eigenschaften des Schiermittels verändern kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Schmierflüssigkeit natürliche oder modifizierte organische Polymere wie modifizierte Cellulosen, Proteine oder Polysacharide wie z.B. Xanthan.

Durch Zugabe weniger Mass.-Prozent einer modifizierten Zellulose in Wasser kann eine Flüssigkeit erzeugt werden, die sich hinsichtlich Viskosität und rheologischem Verhalten als Newtonsche Flüssigkeit fast nicht von Spindelölen unterscheiden lässt. Die Substitution von Ölen durch die erfindungsgemäße Flüssigkeit ist somit ohne Umstellung der bislang bestehenden Prozesse möglich.

Die erzeugte Mischung aus Wasser und modifizierter Zellulose ist überdies nur durch wenige Mikroorganismen spaltbar und deshalb biologisch nur sehr schwer zersetzbar bzw. abbaubar. Im Labor konnte die Mischung aus Wasser und modifizierter Zellulose bei Raumtemperatur über 5 Monate gelagert werden, ohne dass sich die Viskosität der Flüssigkeit veränderte. Damit weist diese Flüssigkeit eine sehr gute Haltbarkeit auf.

Darüber hinaus gelingt es beim Einsatz der erfindungsgemäßen Flüssigkeit mit einfachen Verfahren, die Polymere zu kleinen Molekülsträngen zu spalten, damit die Viskosität zu senken und die Abwaschbarkeit und die biologische Abbaubarkeit zu verbessern. Geeignet sind hierfür z.B. Verfahren, welche die Moleküle der Polymere spalten. Dies kann in Abhängigkeit vom Polymer z.B. erreicht werden durch:

• Eintrag mechanischer Energie, wie z.B. Turrax, Rühren. Bei Einsatz in Zerspanungsprozessen führt auch der Zerspanungsprozess selbst schon zu einer teilweisen Spaltung der Polymermoleküle.
• Eintrag von thermischer Energie wie z.B. thermische Hydrolyse-Verfahren auch unter erhöhtem Druck.
• Der Einsatz von Säuren oder Laugen zur chemischen Veränderung der Moleküle.
• Enzymbehandlungen oder andere Verfahren, mit denen die Moleküle gespalten werden können.

So kann die biologische Abbaubarkeit der erfindungsgemäßen Flüssigkeit bei Einsatz einer modifizierten Zellulose, die unter Einsatzbedingungen nicht biologisch abgebaut wird, z.B. durch Zugabe spezifischer Zellulasen, derart verbessert werden, dass die Flüssigkeit in einer biologischen Kläranlage einfach behandelt werden kann. Die Abwässer, die bei der Werkstückreinigung oder bei der Beseitigung der Flüssigkeit oder bei einer Beseitigung von Spänen anfallen, sind damit einfacher und kostengünstiger zu reinigen. Die Organik-Fracht der Abwässer ist aufgrund der geringen Konzentration an Polymeren bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeit zudem um den Faktor 20 bis 100 geringer als bei Einsatz von Ölen.

Der Einsatz von biologisch schwer abbaubaren Stoffen wie z.B. modifizierten Zellulosen hat den Vorteil, dass nur wenige Mikroorganismen in der Lage sind, Enzyme zu bilden, die einen biologischen Abbau bewirken können. Der Fachmann wird damit in Lage versetzt, die Milieubedingungen im erfindungsgemäßen Schmierstoff wie z.B. pH-Wert oder Sauerstoffkonzentration derart einzustellen, dass die Mikroorganismen, die derartige Enzyme bilden können, nicht in der Flüssigkeit wachsen können. Somit können spezifische Konservierungsmethoden zur Vermeidung des Keimwachstums angewandt werden, die für den Menschen vollkommen unschädlich sind, wie z.B. die Absenkung des pH-Wertes auf Werte um 4.

Die Verwendung von Polymeren wie Zellulosen, modifizierten Zellulosen, Stärken, modifizierten Stärken oder auch Proteinen oder anderen Polymeren hat weitere Vorteile.

Bei Spaltung der Polymere in kleine Bruchstücke wie z.B. Zucker, Stärken oder Aminosäuren entstehen Lösungen, die weitaus besser von den Werkstücken abwaschbar sind, als alle nach Stand der Technik verfügbaren Schmierflüssigkeiten. Gerade im Bereich der Metallbearbeitung, wo eine nachfolgende Oberflächenbehandlung durch Galvanisieren, Phosphatieren oder Lackieren vorgesehen ist, können dadurch die Oberflächen der Werkstücke mit minimalem Reinigungsaufwand weitgehender als bislang gereinigt werden. Da bereits wenige Mass.-% an Polymer im Wasser ausreichen, um die gewünschte Viskosität und Schmierwirkung einzustellen, sind weit weniger organische Komponenten bei der Teilereinigung von der Oberfläche zu entfernen, als dies z.B. bei der Verwendung von Schmierölen erforderlich ist. Darüber hinaus sind die erzeugten Spaltprodukte der Polymere wie z.B. Zucker, Aminosäuren oder andere Monomere wie z.B. Caprolactam aus Polyamid weit besser in Wasser löslich und damit viel einfacher von den Oberflächen zu reinigen als die Öle oder Emulsionen nach Stand der Technik.

Obwohl sehr viele der beschriebenen Polymere mit Wasser biologisch stabile Flüssigkeiten ausbilden, kann es hilfreich oder erforderlich sein, zusätzliche Konservierungsmittel in die Flüssigkeit zu geben, um das Wachstum von Mikroorganismen, beispielsweise in einer Zerspanungssuspension, zu vermeiden. Hier ist der Einsatz von Konservierungsmitteln möglich, die dem Fachmann aus den Bereichen Kühlschmierstoff-Konservierung, Lebensmittelkonservierung oder Konservierung von kosmetischen Produkten bekannt sind.

Es kann auch sinnvoll sein, den pH-Wert der Flüssigkeit zu verändern, um unerwünschte chemische Reaktionen des Werkzeuges oder des Werkstückes wie z.B. Korrosion zu vermeiden. Bei verschiedenen Metallen wird der Fachmann ein leicht alkalisches Milieu als Korrosionsschutz bevorzugen. Grundsätzlich können bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeit die gleichen Zusätze und Additive nach Stand der Technik verwendet werden, wie z.B. bei konventionellen Kühlschmierstoffen. Beispiele sind hierfür neben den genannten Konservierungsmitteln und Korrosionsschutzmitteln auch sog. EP-Zusätze (Extreme Pressure Additive), Emulgatoren, Stabilisatoren, Lösungsvermittler und weitere Additive.

Es kann auch vorteilhaft sein, Schmierflüssigkeiten herzustellen aus synthetischen, wassermischbaren und biologisch nicht oder schlecht abbaubaren Polymeren. Dies verbessert die biologische Stabilität der Schmierflüssigkeit noch weiter. Darüber hinaus sind synthetische Polymere besonders gut von Werkstückoberflächen abwaschbar.

Zur Aufspaltung der Moleküle der Polymere bieten spezifische Enzyme Vorteile, wie bereits gezeigt wurde. Bei einem besonders vorteilhaften Verfahren zur Vorbehandlung der benutzten Flüssigkeit, z.B. vor einer biologischen Kläranlage, wird daher auf Enzyme zurück gegriffen. Der Einsatz von immobilisierten Enzymen auf einem Trägermaterial bringt hierbei den Vorteil, dass weniger Enzym verbraucht wird und damit die Behandlungskosten noch weiter gesenkt werden können.

Ausführungsbeispiel
Es wurde eine erfindungsgemäße Schmierflüssigkeit aus 400 g einer modifizierten Zellulose und 50 kg entionisiertem Wasser durch Einrühren des Polymers hergestellt. Diese wurde in eine Bearbeitungsmaschine zum Schleifen eines Werkstückes aus Stahl gegeben. Die Schmiereigenschaften hinsichtlich Rauhigkeitstiefe, Werkzeugverschleiß und erreichbarer Zerspanungsgeschwindigkeit (Masse an abgetrenntem Metall pro Zeiteinheit) waren nahezu identisch mit den Schmiereigenschaften, die am gleichen Tag an der gleichen Schleifmaschine bei Einsatz einer konventionellen Schneidemulsion nach Stand der Technik erhalten wurden. In einem weiteren Test wurde als Vergleichs-Schmierflüssigkeit an der gleichen Schleifmaschine reines Wasser eingesetzt. Bereits nach wenigen Sekunden wurde die Schleifscheibe bei Einsatz von reinem Wasser vollständig zerstört.

Claims

Verwendung einer Mischung aus Wasser und einem oder mehreren Polymeren als Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit in technischen Anwendungen.
Verwendung nach Anspruch 1 als schmierend wirkende Hydraulikflüssigkeit.
Verwendung nach Anspruch 1 als Kühlschmierstoff.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Polymere in einer Konzentration von kleiner als 10 Mass.-% in der Mischung enthalten sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Polymere in einer Konzentration von kleiner als 1 Mass.-% in der Mischung enthalten sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus ein oder mehreren Polymeren und Wasser eine einphasige Mischung ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Polymere natürliche oder modifizierte organische Polymere sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer modifizierte Zellulose ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Xanthan ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Polymere in einer Konzentration in der Mischung enthalten sind, die eine Viskosität der Mischung von über 10 mPas bei 20°C ergibt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung bei 20°C eine Wärmekapazität von über 3 kJ/kgK aufweist.
Verfahren zur Behandlung einer Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Patentansprüche, um die Abwaschbarkeit und biologische Abbaubarkeit der Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit zu verbessern, bei dem die ein oder mehreren Polymere in der Mischung gespalten werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltung der ein oder mehreren Polymere durch enzymatische Behandlung, durch thermische Behandlung oder durch Säure- oder Laugenbehandlung erfolgt.