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Die Erfindung betrifft ein fluidisches Temperiermittel, insbesondere zur Verwendung in geschlossenen Kreisläufen, z.B. zur Temperierung von Spritzgussformen in der Kunststoffindustrie. Die Erfindung betrifft ferner Zubereitungen zur Herstellung eines fluidischen Temperiermittels und eine Kühlmittelzusammensetzung.
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Fluidische Temperiermittel werden seit langem in der verarbeitenden Industrie und beim Betrieb von Maschinen eingesetzt, überwiegend zur Kühlung von Maschinen oder metallischen Werkstücken während der Bearbeitung. Die verbreitetsten Kühlmittel dürften Druckluft und Wasser sein. Druckluft ist in der Anwendung einfach, erfordert jedoch hohen Energieaufwand für die Bereitstellung. Ferner ist die Kühlwirkung aufgrund der geringen Wärmekapazität von Luft gering. Da die zur Erzeugung von industrieller Druckluft eingesetzten Kompressoren geschmiert sind, enthält industrielle Druckluft Öl. Der beim Austritt der Druckluft aus Düsen entstehende Lärm und der Ölnebel stellen gesundheitliche Belastungen für die dort tätigen Personen dar.
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Für Wasser spricht die hohe Verfügbarkeit und die geringen Kosten. Wasser hat aufgrund seiner hohen Wärmekapazität und seines Benetzungsvermögens eine hohe Kühlwirkung. Wasser lässt sich hervorragend pumpen. Allerdings ist der Temperaturbereich für die Verwendung von Wasser sehr klein, da Wasser bei Normaldruck bei 0°C gefriert und bei 100 °C verdampft. Wird Wasser in einem geschlossenen System verwendet, führt ein auch nur lokales Überschreiten des Siedepunktes zur Bildung von Dampfblasen und dadurch im Bereich der Dampfblasen zum schlagartigen Verlust der Kühlwirkung. Ferner hat Wasser insbesondere gegenüber Eisenwerkstoffen eine erhebliche Korrosionswirkung. Wasser lässt sich bei offener Anwendung gut auffangen und wiederverwenden.
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Der Gefrierpunkt von Wasser lässt sich für die Anwendung im Freien, z.B. bei Verbrennungsmotoren, durch Zugabe von Salz erniedrigen, allerdings steigt dadurch die Korrosionswirkung stark an. Im Stand der Technik werden seit vielen Jahren die verschiedensten Vorschläge für Zugabemittel für wasserbasierte Kühlmittel unterbreitet. Die Zugabe von Alkoholen ist zur Gefrierpunkterniedrigung sehr wirksam, aufgrund des niedrigen Siedepunktes der gängigen industriellen Alkohole hält die Wirkung jedoch nur relativ kurz an, da die Alkohole verdunsten. Die Alkoholdämpfe sind darüber hinaus brennbar.
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Mit der
deutschen Patentschrift 468 917 wird die Zugabe von Glykolmonoalkyläthern oder ihren Derivaten oder der bei ihrer Herstellung anfallenden Kondensationsprodukte vorgeschlagen. Durch die vorgeschlagene Zugabe lässt sich der Gefrierpunkt von Wasser wesentlich verringern, und das Zugabemittel verdunstet praktisch nicht. Auf dieser grundlegenden Erfindung basieren die meisten heute noch in Automobilmotoren verwendeten Kühlflüssigkeiten. Zwar lies sich so ein wirksamer und dauerhafter Frostschutz erhalten, die unterschiedlichen eingesetzten metallischen Werkstoffe waren aber weiterhin der Korrosion ausgesetzt. Durch die längere Nutzung der Kühlflüssigkeit trat jedoch das Problem der Verschlammung der Kühlkreisläufe durch Korrosionsprodukte auf. Heutzutage unterscheidet man dabei drei verschiedene Systeme: silikathaltige Hybrid-Kühlerschutzmittel, OAT-Kühlerschutzmittel und Si-OAT Kühlerschutzmittel. Diese unterschiedlichen Systeme unterscheiden sich durch ihre Additvzusammenstellungen und sind auf die typischerweise bei Fahrzeugmotoren verwendeten Werkstoffkombinationen abgestellt, um einen verbesserten Korrosionsschutz zu erzielen. Dazu wird die Verwendung von vollentsalztem oder destilliertem Wasser empfohlen. Trotz der ausgefeilten Additivpakete empfiehlt sich jedoch die regelmäßige Auswechselung der gesamten Kühlerflüssigkeit, z.B. bei PKW alle drei bis vier Jahre (s. Anwendungsempfehlung Glysantin ® der BASF SE, Ludwigshafen).
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Insbesondere für die spanende Bearbeitung von metallischen Werkstücken werden Kühlschmierstoffemulsionen verwendet. Diese bestehen im Wesentlichen aus Wasser mit einem Kühlschmierstoffkonzentrat. Neben der Kühlwirkung ist dabei auch eine Schmierung der spanenden Werkzeuge beabsichtigt. Übliche Kühlschmierstoffkonzentrate enthalten Korrosionsinhibitoren, um eine Korrosion insbesondere von Werkstücken aus Eisenwerkstoffen während der Bearbeitung zu vermindern. Solche Kühlschmierstoffemulsionen werden während der Bearbeitung auf die Werkstücke aufgespült und über das Maschinenbett wieder abgeführt.
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Aufgrund der zahlreichen Additive und der weiteren Bestandteile der Kühlschmierstoffkonzentrate können die Kühlschmierstoffemulsionen nicht ins Abwasser abgeleitet werden, sondern müssen aufgefangen und einer geordneten Entsorgung zugeführt werden. Wegen der damit verbundenen erheblichen Kosten hat es sich durchgesetzt, die aufgefangenen Kühlschmierstoffemulsionen mehrfach zu verwenden. Dazu wird die aufgefangene Kühlschmierstoffemulsion filtriert, um Späne und andere Verunreinigungen zu entfernen, danach in einen Tank zu Bevorratung und/oder Abkühlung geführt und von dort wieder zur Bearbeitungsmaschine gepumpt. In größeren Fertigungsstätten wird dies zentral für eine Vielzahl von Bearbeitungsmaschinen durchgeführt.
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Probleme, die bei einer solchen Anwendung auftreten, sind gesundheitliche Belastungen der in einer solchen Fertigungsumgebung tätigen Personen durch Einatmen von Sprühnebel der Kühlschmierstoffemulsionen. Das Auftreten von Sprühnebel lässt sich durch geeignete Maschinenabdeckungen und Absaugungen vermindern. Ein weiteres Problem tritt bei der Umwälzung und Speicherung der Kühlschmierstoffemulsionen auf. Die Stabilität der Kühlschmierstoffemulsionen wird durch Bakterienwachstum und Veralgung beeinträchtigt. Insbesondere kann sich durch Stoffwechselprodukte der Bakterien der ph-Wert der Kühlschmierstoffemulsionen verändern und damit zu verstärkter Korrosion, auch der Anlagenteile, und Verschlammung der Anlage führen. Ein besonderes gesundheitliches Risiko tritt für Personen, die mit einer Kühlschmierstoffemulsion in Kontakt kommen oder gar Sprühnebel einatmen dann auf, wenn sich in der Kühlschmierstoffemulsion Legionellen vermehrt haben. Unabhängig von der Schmier- und Kühlleistung müssen daher Kühlschmierstoffemulsionen relativ häufig ausgetauscht werden. Aufgrund der für Bakterien und Algen idealen Temperaturbedingungen in der Kühlschmierstoffemulsion werden daher den Kühlschmierstoffemulsionen „harte“ Biozide zugesetzt, um die Gebrauchsdauer der Kühlschmierstoffemulsionen zu erhöhen. Die Biozide wiederum führen typischerweise zu Haut- und Atemwegsirritationen der Personen, die mit den Kühlschmierstoffemulsionen in Kontakt kommen. Durch die Biozide wird wiederum die erforderliche Nachbehandlung zur Entsorgung wesentlich aufwändiger und die Wirkung anderer Additive abgeschwächt. Es wurden daher im Stand der Technik bereits viele Vorschläge für die Optimierung von Kühlschmierstoffkonzentraten gemacht, um eine ausgewogenes Verhältnis von Nutzungs- und Betriebseigenschaften und Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
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Aus der
CN 105 722 962 A und der
DE 10 2014 003 367 A1 ist die Verwendung von N-Methyl-N-acylglucamin als Korrosionsinhibitor bekannt. Mittel mit korrosionsinhibierender Wirkung werden in unterschiedlichen Anwendungen gesucht, beispielsweise für die Herstellung wässriger Metallbehandlungs- und Metallbearbeitungsflüssigkeiten, insbesondere von Korrosionsschutz-, Reiniger- und Kühlschmierstoffemulsionen. Korrosionsinhibitoren sollen Metalle wie beispielsweise Eisen, Aluminium, Zink, Kupfer oder deren Legierungen vor Korrosion während mechanischer Bearbeitungsstufen der Metallteile schützen und die Rostbildung verhindern.
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Als wasserlösliche Korrosionsinhibitoren sind eine Vielzahl anorganischer und organischer Verbindungen bekannt. Anorganische Korrosionsinhibitoren können beispielsweise auf Chromaten, Nitriten oder Phosphaten aufgebaut sein, die jedoch aus toxikologischen und aus ökologischen Gründen mehr oder weniger nachteilig sind. Polyhydroxyfettsäureamide und deren Verwendung als nichtionisches Tensid in Wasch- und Reinigungsmittel sind in zahlreichen Dokumenten beschrieben. Die
WO 9412609 A lehrt Wasch- und Reinigungsmittel, enthaltend Polyhydroxyfettsäureamid mit guter reinigender Wirkung, insbesondere gegen fettige Anschmutzungen auf Textilien oder Geschirr. Die
WO 9841601 A lehrt Reinigungsmittel enthaltend Polyhydroxyfettsäureamid, die fettigen und öligen Schmutz auf Kochutensilien ablösen und nicht ätzend sind. Die
EP 0 745 719 A beschreibt die Verwendung von Kohlenhydratverbindungen, darunter auch Polyhydroxyfettsäureamide, als Hilfsmittel zum Färben oder Bedrucken von Fasermaterialien mit faserreaktiven Farbstoffen.
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Die
US 2017/0101606 A1 beschreibt die Verwendung von einem oder mehreren N-Methyl-N-acylglucaminen der Formel
als Korrosionsinhibitor, worin R
1 für eine lineare oder verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit 7 bis 21 Kohlenstoffatomen steht. N-Methyl-N-acylglucamine sollen in Gegenwart von Wasser eine signifikante korrosionsinhibierende Wirkung auf Metalloberflächen zeigen und sich zudem durch eine gute Umweltverträglichkeit und eine sichere Verwendung auszeichnen.
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N-Methyl-N-acylglucamine der o.g. Formel sollen Metalloberflächen effektiv vor Korrosion schützen, oberflächenaktiv sein und eine hohe Wasserdispergierbarkeit aufweisen, die für die Formulierung wässriger Konzentrate für Metallbehandlungs- und Metallbearbeitungsflüssigkeiten unabdingbar ist. Es wird daher weiter vorgeschlagen, ein oder mehrere N-Methyl-N-acylglucamine zur Herstellung von ölhaltigen wassermischbaren Emulsionskonzentraten zu verwenden, die durch Verdünnung mit Wasser anwendungsfertige Korrosionsschutz-, Reiniger- und Kühlschmierstoffemulsionen bilden.
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Vorzugsweise soll die Verwendung mit weiteren Komponenten erfolgen, nämlich jeweils einem oder mehreren Emulgatoren, Bioziden, weiteren Korrosionsinhibitoren, AW-Addtiven, EP-Addtiven, Entschäumern, Antioxidantien, Coupling Agents, Alkali- oder Erdalkalimetallen, Lösevermittlern, pH-Regulatoren, Mineralölen sowie Wasser.
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Aus der
CN 104 087 408 A ist eine Microemulsion als Schneidöl mit hoher Schmierfähigkeit und geringer Schaumbildung bekannt, insbesondere als Schneidöl für die Metallbearbeitung. Die Emulsion enthält neben 25-35 Gew.-% Grundöl, 5-8 Gew.-% eines Korrosionsinhibitors, 0.1-0.2 Gew.-% Entschäumungsmittel, ferner 0.2-0.5 Gew.-% eines Bakterizids.
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Außerhalb spanender Fertigungsverfahren werden Temperierflüssigkeiten auch in geschlossenen oder halboffenen Systemen eingesetzt. Ein typisches Anwendungsgebiet sind die Temperierung von Spritzgussformen in der kunststoffverarbeitenden Industrie. Dabei treten in den Spritzgussformen Temperaturen von über 170°C auf. Die hierzu im Stand der Technik bereitgestellten Temperierflüssigkeiten bestehen oft aus demineralisiertem oder destilliertem Wasser und einem Kühlmittelkonzentrat, häufig auf Basis von Tetraethylenglykol. Eine Verschlammung der Anlage stellt bei solchen Anwendungen ein größeres Problem dar als bei der offenen Anwendung von Kühlschmierstoffemulsionen in der spanenden Fertigung, insbesondere sind die Anforderungen an den Korrosionsschutz aufgrund der hohen Temperaturen und der wirtschaftlichen Folgen von Korrosionsschäden sehr viel höher.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Temperierflüssigkeit mit verbesserten Anwendungseigenschaften bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein fluidisches Temperiermittel enthaltend eine Zubereitung enthaltend etwa 10 bis 20 % 2-[(2-hydroxyethyl)(methyl)amino]ethan-1-ol, 5 bis 10 % Ammoniumcarboxylat und 1 bis 3 % 2-Aminoethanol. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Zubereitung zur Herstellung eines fluidischen Temperiermittels, wobei die Zubereitung etwa 10 bis 20 % 2,2'-Methyliminodiethanol, 5 bis 10 % Ammoniumcarboxylat und 1 bis 3 % Monoethanolamin enthält. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Zubereitung zur Herstellung eines bei Raumtemperatur flüssigen Kühlmittels enthaltend 0,9 bis 3,1 % eines Monoethanolamins der Summenformel C2H7NO, 5 bis 10 % aminneutralisierte Carbonsäuren, und 10 bis 20 % eines MDEA mit der Summenformel C5H13NO2, sowie durch eine Kühlmittelzusammensetzung enthaltend Wasser und eine solche Zubereitung.
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Eine mit den erfindungsgemäßen Zubereitungen hergestellte erfindungsgemäße Temperierflüssigkeit hat ein überraschend hohes Puffervermögen gegen ein Absinken des ph-Werts im Gebrauch und hat sich bei Versuchen als besonders stabil erwiesen. Dadurch kann die Nutzungsdauer der Temperierflüssigkeit gegenüber dem Stand der Technik deutlich verlängert werden, was zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen führt und zu einer wesentlich geringeren Umweltbelastung. Weiter hat sich der Korrosionsschutz als wesentlich verbessert herausgestellt, insbesondere werden Spritzgussformen aus Werkzeugstählen wesentlich weniger angegriffen, sodass sich auch die Standzeit dieser teuren Werkzeuge wesentlich erhöht. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Zubereitung kann übliches Leitungs- oder Brauchwasser zur Herstellung der Temperierflüssigkeit verwendet werden, wodurch sich nicht nur die Kosten für das Temperiermittel verringern, sondern auch die Aggressivität gegenüber oxidierbaren Werkstoffen verringert.
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Bevorzugt enthält das erfindungsgemäße Temperiermittel etwa 85 bis 98 % Wasser und ist damit für die meisten Anwendungen geeignet. Besonders wirtschaftlich und für weiches oder mittelhartes Wasser ausreichend ist es, wenn das Temperiermittel etwa 93 bis 96,9 % Wasser enthält. Vorteilhaft ist das Temperiermittel unter Normalbedingungen flüssig.
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Bei Versuchen hat sich eine erfindungsgemäße Kühlmittelzusammensetzung aus einem erfindungsgemäßen Temperiermittel unter Produktionsbedingungen im Kunststoffspritzguss bei Temperaturen bis 200°C und Drücken im Bereich von 18-19 bar als erheblich stabiler erwiesen, als Vergleichsprodukte aus dem Stand der Technik.
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Weiter haben sich erfindungsgemäße Temperier- oder Kühlflüssigkeiten als unempfindlich gegenüber Fremdölverunreinigungen erwiesen und zeichnen sich durch ein hohes Schmutzlösevermögen aus. Die erfindungsgemäßen Zubereitungen und die damit hergestellten Temperier- oder Kühlflüssigkeiten eignen sich daher auch besonders für bereits bestehende Anlagen, die bisher mit anderen Temperier- oder Kühlflüssigkeiten betrieben wurden. Die anwendungsbezogenen und wirtschaftlichen Vorzüge der Erfindung sind daher für einen breiten Anwenderkreis verfügbar.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Für einen Vergleichsversuch auf zwei vergleichbaren Spritzgussmaschinen unter vergleichbaren Betriebsbedingungen wurde eine bisher vom Anlagenbetreiber eingesetzte Temperierflüssigkeit nach dem Stand der Technik in dem Kühlkreislauf einer Spritzgussmaschine eingesetzt. In den Kühlkreislauf einer zweiten Spritzgussmaschine, die unter vergleichbaren Betriebsdingungen betrieben wurde, wurde ein erfindungsgemäß hergestelltes Temperiermittel als Kühlflüssigkeit eingefüllt.
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Dazu wurde eine erfindungsgemäße Zubereitung in verfügbares Leitungswasser gegeben, so dass die Konzentration der Zubereitung etwa 7 Gew.-% in dem Temperiermittel betrug, also der Wasseranteil etwa 93 Gew.-% betrug.
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Anschließend wurden die Anlagen parallel über den Zeitraum betrieben, der für die Kühlmittelzusammensetzung nach dem Stand der Technik für ein Betriebsintervall vorgesehen war. Danach wurden die Anlagen einer Sichtprüfung unterzogen. Deutlich erkennbar war eine durchgängige Korrosion der Oberflächen sowie Ablagerungen von Korrosionsprodukten bei der Spritzgussmaschine, die mit dem Kühlmittel nach dem Stand der Technik betrieben worden war. Die Auswertung ergab für die mit dem erfindungsgemäßen Temperiermittel betriebene Anlage eine deutlich geringere Korrosionsbelastung, insbesondere von Anlagenteilen aus Eisenlegierungen. Wesentliche Teile der Oberflächen des Absperrorgans waren noch metallisch blank. Nennenswerte Ablagerungen konnten nicht festgestellt werden. Auch zeigte sich, dass die erfindungsgemäße Temperierflüssigkeit so stabil war, dass sie noch nicht das Ende ihrer wirtschaftlich sinnvollen Gebrauchsdauer erreicht hatte.
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Für härteres Wasser empfiehlt sich eine höhere Konzentration der Zubereitung bis zu 15 Gew.-% entsprechend einem Wasseranteil von 85 %. Bei Tests in einer geschlossenen Anlage zur Kühlung von Spritzgussmaschinen ohne Ausgleichsbecken und mit 3 bar Betriebsdruck war für die Realisierung der erfindungsgemäßen Vorzüge bereits eine Konzentration einer erfindungsgemäßen Zubereitung von 2 % ausreichend, entsprechend einem Wasseranteil von 98 %. Eine geringe Konzentration der Zubereitung hat nicht nur Kostenvorteile in Bezug auf die Menge an benötigter Zubereitung, sondern verringert auch den Aufwand für die Nachbehandlung zur umweltgerechten Entsorgung des Temperiermittels nach Gebrauch.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 468917 [0005]
- CN 105722962 A [0009]
- DE 102014003367 A1 [0009]
- WO 9412609 A [0010]
- WO 9841601 A [0010]
- EP 0745719 A [0010]
- US 2017/0101606 A1 [0011]
- CN 104087408 A [0014]
