JP2008502751A - 切くず除去用懸濁液を生成し、潤滑液または加工液として使用されるマトリクス液 - Google Patents

Abstract

本発明は、加工懸濁液を生成するマトリクス液、マトリクスで生成される加工懸濁液、および使用後に得られる使用済み加工懸濁液を分別する方法に関する。本発明はまた、１種のポリマーまたは様々なポリマーと水の均一な混合物に関する。この混合物は、特に有利には潤滑特性を有する液体が必要とされるすべての技術的用途において使用できる。本発明では、水と１種の増粘剤、個別には１種のポリマーまたは多数のポリマーとの混合物を、マトリクス液または潤滑液として利用する。切削砥粒は、再使用のために、マトリクス液で生成された使用済み加工懸濁液から非常に容易に迅速に分離できる。プロセス用水はほとんど必要なく、このプロセス用水は、アルコール負荷の複雑な除去がないので容易に精製できる。

Description

本発明は、加工懸濁液を生成するためのマトリクス液、このマトリクスで生成される加工懸濁液、および使用後に得られる使用済み加工懸濁液の分別方法に関する。本発明はまた、１種のポリマーまたは様々なポリマーと水の均一な混合物に関する。この混合物は、特に液体の潤滑特性が必要とされるすべての技術的用途において有利に使用できる。

加工懸濁液は、ダイヤモンド、鋼玉、炭化ケイ素などの切削砥粒の鋭利かつ硬質な粒子、ならびに場合により加工材料および工具の摩耗粒子成分から構成される微粒子固形物成分が懸濁しているマトリクス液を含む。加工懸濁液は、金属材料の切削製造分野、またはセラミック、石英、シリコンなどの脆性硬質材料の加工および分離ラッピングにおいて使用される。

加工懸濁液を使用する切削製造法は、とりわけ、ポリシング法、ラッピング法、分離ラッピング法、ワイヤーソーイング法、サンディング法、バニッシング法、および細かい切くずを固形材料から除去するその他の方法である。

ラッピング、分離ラッピング、およびバニッシングの分野でこうした加工懸濁液を使用する場合、懸濁液は、切断効果を発揮することができる部分に搬送される。加工対象工作物は、必要なら、工具、例えば、ワイヤーソーおよび工作物を用いて、加圧下で工作物と接触させられる。切削砥粒および／または工具と工作物との間の相対運動により、加工対象材料からの微細な切くずは、切り離されて加工懸濁液中に移される。以後、液体と呼ぶ、この加工懸濁液に含まれるマトリクス液によって、加工懸濁液中の切削砥粒および摩耗粒子が確実に均一かつ安定に分散して存在することになる。さらに、この液体によって、確実に切くずが加工部分から除去され、加工部分の温度上昇が制限されることになる。

加工中、工作物（および場合により工具）からの摩耗粒子の割合が加工懸濁液中に増加する。摩耗粒子の含有量が懸濁液の規定した比率に達すると、懸濁液の使用特性は変化するので、その加工懸濁液を工程から取り除き、廃棄しなければならない。この時点では、懸濁液中の高価な切削砥粒の大部分は、未使用である。こうした切削砥粒は懸濁液中で安定して分散しているので、多大な労力をもってしか懸濁液から分離することはできない。分離後、こうした切削砥粒は、例えば、炭化ケイ素の場合、新たな加工懸濁液の製造用に、またはセラミック、耐火材料、研削砥石、研磨紙など、その他の技術的用途用に使用できる。しかし、このためには、加工懸濁液の含有材料の個々の成分間の厳密な分離が必要である。

以下の表は、加工懸濁液の組成物の通常の範囲を示している。

現況技術によれば、こうした加工懸濁液は、マトリクス液を切削砥粒粒子と混合することによって製造される。通常、その目的は、懸濁液の使用中、液体に切削砥粒成分をできるだけ安定に分散させることである。こうした切削砥粒成分は、受槽の底、または懸濁液の供給ライン中に沈着することはない。

使用される加工懸濁液のほとんどは、固形材料が堆積することなく、数時間、時には数週間さえも安定に分散したままである。これは、特に加工懸濁液が高粘性のマトリクス液を含む場合に実現される。粘度が２０℃で１０ｍＰａ・ｓを超えるマトリクス液が使用され、分離ラッピング用途では、１０ｍＰａ・ｓ〜１５０ｍＰａ・ｓの液体が使用される。場合によっては、これらの液体は、最高で５．０００ｍＰａ・ｓの粘度を有する。平均直径が１００μｍ未満、好ましくは５〜３０μｍの微粒子の切削砥粒を混合すると、粘性液体は、安定に分散した加工懸濁液を生じる。

現況技術によれば、こうした加工懸濁液中の液体は、ポリグリコールなどのアルコール系液体、または鉱油などの純粋液体を含む。

これらの加工懸濁液で使用されるアルコールの例は、ジプロピレングリコール、および例えばＰＥＧ２００などのポリエチレングリコールである。鉱油系マトリクス液としては、とりわけ、原油抽残液または合成炭化水素系液体からの切削油、さらには生物由来オレフィン系液体が使用される。

これらの液体は、非常に高価である。こうした切削製造分野では、安価な液体をベースとした加工懸濁液は、知られていない。

現況技術によれば、水は安定した加工懸濁液を形成するには粘度が不足しているので、水をマトリクス液として使用することはない。

工作物を加工懸濁液で加工した後、この工作物を洗浄しなければならず、懸濁液およびマトリクス液を工作物から除去しなければならない。例えば、シリコンブロックをシリコンディスクに分離ラッピングする際、洗浄の必要性は特に高い。

油分を有するマトリクス液を含む加工懸濁液を使用した場合、油を工作物から水で洗い流すことができないので、洗浄の労力は特に大きくなる。有機溶媒または特殊な界面活性剤水溶液が必要となり、超音波、機械的剪断力、または温度上昇の補助も部分的に必要である。油性研磨液を生物学的汚水処理プラントで処理することはできないので、負荷された研磨液の加工および洗浄は、化学的、熱的、蒸留的、または物理的な洗浄方法に基づいて行わなければならない。

アルコール系のマトリクス液は多くの場合水と混合することができるので、工作物の表面からアルコール系の加工懸濁液を除去するのは簡単である。マトリクス液および粒子は、研磨水に移行する。切削砥粒および摩耗粒子による水の汚染は別として、こうしたアルコールは高濃度有機液体であるので、これは排出液の有機物汚染が高くなる。排出液を精製するコストおよび労力は、高い有機物負荷量に極めて良く対応している。

これらの工作物表面の洗浄に関係する排出液を精製するコストおよび労力に加えて、加工懸濁液を処分する際に、大量の高価で未使用の切削砥粒が失われる。この損失を回避するために、これらの加工懸濁液は、具体的には、切削砥粒成分を懸濁液からの除去および切削砥粒の再使用が単純な方法で可能になるように構成されるべきである。現在では、これは、多大な技術的労力をかけないと不可能である。

欧州特許出願公開第０７８６３１７Ａ２号、米国特許第３９９７３５９Ａ号、欧州特許出願公開第０９１６４６３Ａ１号、国際公開第０１／４３９３３Ａ号、および日本の特開平第９−１０９１４４号の特許要約による方法によって、使用済み加工懸濁液を分別し、切削砥粒成分をある程度回収することが可能になるが、現況技術に基づく冷却用潤滑剤、すなわちアルコールおよび油、への適用は、非常に複雑で高価である。したがって、灯油やヘキサンなどの有機溶媒を用いて粘度を減少させるのに油性懸濁液を分別することが使用されるにすぎない。アルコール系加工懸濁液を分別するために、大過剰の水、すなわち加工懸濁液の量の最高で２０倍の水を添加すると、加工懸濁液の粘度が低減され、固形物粒子を希釈された水性のアルコール化した系において湿式分級することが可能になる。溶媒で粘度を低下させる際には、大量の油を有機溶媒中に入れる。粘度の低下に使用されるプロセス用水は、大量のアルコールで汚染される。プロセス用水にマトリクス液が入ることにより、水の精製に大変な労力およびコストが必要とされる。その結果、これらの方法は、加工懸濁液の経済性に優れた分離には不適当である。

別の技術分野では、周知の潤滑液は、原油留分、合成油、脂肪酸のエステル、真油および脂肪から大部分が構成され、または、周知の潤滑液は油もしくは脂肪を含む。これらの粘度および湿潤特性から、油によって、互いに移動する２つの固形物間の接触点で摩擦および摩耗が確実に低減されることになる。

油を使用する際の利点は、それらの長期間安定性である。それらは、時には数カ月または数年間、例えばグレイン油または作動油として、それらの特性を顕著に変化させることなく、または生分解が始まることなく使用される。

こうした油の欠点は、それらに関連した高い費用、ならびにそれらが主に有害なものとして分類され、輸送および廃棄処理中に特別な監視が必要であるという環境上の不適合性である。

油を低コストにするのに水と混合し、乳化剤を用いて乳化／安定化させた場合、これらの潤滑特性は、例えば、少なくともいくつかの有機成分の分離（ｄｅｍｉｘ）または生分解により急速に変化する。したがって、こうした混合物は、長期間安定ではなく、それらが長期間加工機械に残らなければならない、例えば、作動油または冷却用潤滑剤としての用途に使用することはできない。

したがって、水と乳化剤と油の混合物は、常に保存剤で保存できるようにしなければならない。しかし、それらは、刺激、アレルギー、および発疹を引き起こし、そのため場合によっては加工機械の操作者に重大な健康リスクをもたらす恐れがあるので、安全性の理由から後者を避けるべきである。

油分を含む潤滑剤の別の欠点は、油を表面から洗い流すのが非常に困難であるということである。加工された金属部分は、例えば、塗装前に十分に洗浄する必要があり、濃縮界面活性剤溶液または溶媒中で多大な労力をもって洗浄しなければならず、その結果、高コストとなり、大量の汚染された研磨水または溶媒を生じる。とりわけ、こうした油分のために、これらの液体は、特別に監視する廃棄処理を行わなければならず、その結果コストがさらに高くなる。
欧州特許出願公開第０７８６３１７Ａ２号 米国特許第３９９７３５９Ａ号 欧州特許出願公開第０９１６４６３Ａ１号 国際公開ＷＯ０１／４３９３３Ａ号 特開平０９−１０９１４４号

本発明の目的は、安定に分散した加工懸濁液を生成するマトリクス液、このマトリクス液により生成可能な加工懸濁液、および従来技術の欠点を回避する使用後の加工懸濁液を分別する方法を提供することである。本発明の別の目的は、金属への適用および液圧用途に対する潤滑特性を有し、長期間安定であり、または容易に生分解されず、低コストであり、工具もしくは工作物の表面から容易に洗い流すことができ、有害材料でない液体を提供することである。

具体的には、この液体は、工作物の表面から除去しやすくしなければならない。さらに、工作物の洗浄からの研磨水を処理する際、研磨水に最小限の有機負荷量しか入らないようにしなければならない。これらの加工懸濁液を分別して高価な切削砥粒を回収することは、実施しやすく、濃縮有機マトリクス液の使用が不要でなければならない。

この目的は、請求項１または２に記載の特性を有するマトリクス液または混合物を使用することによって、請求項１３に記載の加工懸濁液によって、および請求項２１に記載の加工懸濁液を分別する方法によって解決される。請求項３０および３１は、潤滑液または加工液として使用される混合物を処理し、使用後にこの潤滑液または加工液を洗い流し、その生分解を促進させる方法を記載している。本発明の有利な実施形態は、従属する特許請求の範囲の主題であり、あるいは後の説明および好ましい実施形態から導くことができる。

本発明の加工懸濁液を生成するための液体は、水と増粘剤の混合物であり、この増粘剤は、水に可溶または分散するものであり、切削砥粒と混合し、場合により摩耗粒子と混合して安定な金属用切削懸濁液を形成した後、この液体が適するように液体の粘度を増大させるものである。

注目すべきことには、栄養、薬剤、および化粧品の分野で適用されている周知の増粘剤もまた、加工懸濁液用マトリクス液を生成するのに使用することができる。水系マトリクス液を使用する際の特別な利点は、アルコールおよび油に比べて水の熱容量がより高く、それによって切削部分でより良い冷却効果がもたらされることである。

主に、以下のものを増粘剤として使用することができる、すなわち、
・寒天、カラゲーン、トラガカント、アラビアゴム、アルギン酸塩、ペクチン、多糖類、グアーミール（ｇｕａｒ ｍｅａｌ）、イナゴマメ種子穀物ミール、デンプン、セルロース、デキストリン、ゼラチン、カゼインなど、天然の有機増粘剤；
・カルボキシメチルセルロース、その他のセルロースエーテル、セルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、このタイプの他の変性セルロース、穀物ミールエーテルなど、変性された天然有機物質；
・ポリアクリル系化合物、ポリメタクリル系化合物、ビニルポリマー、ポリカルボン酸、ポリエーテル、ポリイミン、ポリアミドなど、完全な合成有機増粘剤；および
・ポリケイ酸；モンモリロナイト、ゼオライト、ケイ酸などの粘土鉱物など、無機の増粘剤；および
・様々な増粘剤の混合物。

主に、水と混合したときに粘度を増大させるすべての物質、すなわち糖および塩類もまた、本発明の液体用の増粘剤として適している。

以下で液体または潤滑液と呼ぶ、本発明の潤滑液および加工液は、水とポリマー添加物の混合物であり、このポリマー添加物は、水に可溶または分散し、この液体に潤滑特性を与える。

注目すべきことには、具体的には、すなわち、栄養、包装、薬剤、および化粧品の分野で周知の増粘剤もまた、潤滑油または油エマルジョンが従来から使用されている用途での使用に適した液体を生成するのに使用できる。

好ましくは、この潤滑液は、水、および言及した１種または複数のポリマー、および場合により潤滑効果に影響を及ぼさないその他の物質、例えば保存剤のみを含む。

水系潤滑液を使用する際の利点は、油に比べて水の熱容量が高く、それによって摩擦部分でより良い冷却効果をもたらすことが可能になることである。

主に、増粘および粘度を改変するポリマーは、すなわち、
・カラゲーン、ペクチン、多糖類、デンプン、セルロース、デキストリン、ゼラチン、カゼインなど、天然の有機ポリマー；
・カルボキシメチルセルロース、その他のセルロースエーテル、ヒロキシエチル（ｈｙｒｏｘｙｅｔｈｙｌ）セルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、その他の変性セルロースなど、変性された天然有機ポリマー；
・ポリアクリル系化合物、ポリメタクリル系化合物、ビニルポリマー、ポリカルボン酸、ポリエーテル、ポリミン（ｐｏｌｙｍｉｎｅ）、ポリアミドなど、完全な合成有機ポリマー；
・ポリケイ酸などの無機ポリマー；および
・これらのポリマーの種々の混合物などのポリマーとして使用できる。

ほとんどの用途で、増粘剤またはポリマーの濃度は、２５質量％の値を超えない。増粘剤またはポリマーの有利な濃度は、１０質量％未満であり、５質量％未満を使用した場合、特別な利点が生じる。１質量％未満で使用される特に効率的な増粘剤またはポリマーが存在する。多糖のキサンタンは、４０℃で０．２５質量％よりさらに少なく、ポリエチレングリコール２００または市販の潤滑油と同等の粘度の約４０ｍＰａ・ｓである。本発明の潤滑液を生成するのに、ポリマーの濃度を変えて各用途に対して粘度を正確に１ｍＰａ・ｓに適合させることが可能である。従来の油を使用した場合、約１０ｍＰａ・ｓ、２０ｍＰａ・ｓ、および４０ｍＰａ・ｓの粘度クラスに分けられる、原油蒸留からの個々の留分を潤滑に使用するので、この適合はそれほど簡単ではない。

当業者は、言及した増粘剤またはポリマーの群から適した物質を選択することができる。したがって、切削製造での様々な適用により、マトリクス液は様々な要求がなされる。増粘剤を選択することで、マトリクス液の粘度特性、レオロジー特性、滑り特性、および潤滑特性を、例えば、具体的には、切削砥粒の様々な材料およびサイズを用いて、様々な材料の分離ラッピング法、ポリシング法、ラッピング法、またはその他の方法に適合させることが可能になる。また、様々な適用により、潤滑液も様々な要求がなされる。ポリマーの選択により、粘度、生物学的安定性、処理済面からの洗浄能、滑り特性、および潤滑特性を、特定の要求および様々な材料に適合させることが可能になる。したがって、増粘剤またはポリマーの濃度を変え、あるいは異なるまたは追加の増粘剤またはポリマーを使用すると、液体の特性の選択的改変が可能になる。

増粘剤の濃度を変更することによって、加工懸濁液における粘度を低く、または高く設定することができ、これは、現況技術の純粋なマトリクス液では不可能である。

それぞれが加工液であるマトリクス液または潤滑液に冷却効果をもたせたい場合、増粘剤またはポリマーの濃度を変更することによって、液体の熱容量を低く、または高く設定することができ、これは、現況技術の純粋なマトリクス液または潤滑油のいずれでも不可能である。本発明のマトリクス液または潤滑液では、熱容量を、２０℃で３ｋＪ／ｋｇＫを超える値、いくつかの用途では４．１ｋＪ／ｋｇＫを超える値に設定することが可能である。それに比べて、現況技術のマトリクス液または潤滑油の熱容量は、１．５〜２．５ｋＪ／ｋｇＫである。

さらに、本発明のマトリクス液または潤滑液には、例えば加工部分での水の部分的蒸発によって工作物から高エネルギーを放出させることができるという工作物表面を冷却する利点がある。含まれる水の高い蒸発エンタルピーは、工作物が熱くなりすぎるのを防ぐ。水中の増粘剤またはポリマーの濃度が低いと、蒸発後に残った増粘剤、個別には残留潤滑剤による工作物の汚染が最小限ですむ。

増粘剤またはポリマーと水の混合物が単相の混合物を生じる場合、特別な利点がもたらされる。いくつかの用途では、多相系は、分離をまねく恐れがあり、それによって、懸濁液の安定性、個別には潤滑剤の特性が変わる恐れがある。

特に有利な実施形態では、このマトリクス液または潤滑液は、変性セルロース、タンパク質、例えばキサンタンなどの多糖など、天然または変性有機ポリマーを含む。

数質量％の変性セルロースを水に添加することにより、ジプロピレングリコールもしくはポリエチレングリコール２００から、またはスピンドル油から、ニュートン液体として粘度およびレオロジー挙動がほとんど変わらない液体を作製することができる。したがって、従来からのプロセスを変更せずに、アルコールまたは油を本発明のマトリクス液または潤滑液と置き換えることは可能である。

本発明の液体は、加工懸濁液中のポリグリコールと交換するのに特に適しており、シリコンディスクの製造で使用される。これらの加工懸濁液は、マトリクス液を３５〜６５質量％、炭化ケイ素を３０〜６０質量％、摩耗シリコン粒子を７〜２５質量％、ワイヤーソーからの摩耗鉄粒子を最高で５％含む。さらに、シリコンの化学反応を防ぐには、酸を添加してマトリクス液のｐＨ値を低下させると有利となり得る。

さらに、水と変性セルロースとから生成した混合物を溶解できる微生物が産生した酵素は極て少なく、したがって、生物学的に分解または劣化させることは非常に困難である。研究室では、この水と変性セルロースの混合物は、液体の粘度がどんな変化も起こすことなく５カ月より長く室温で貯蔵された。したがって、本発明の液体は、良好な耐久性を示している。

一方、本発明の液体において増粘剤としてキサンタン（xanthan）を使用すると、驚くほど異なる効果がもたらされる。水と混合されたこの物質は、注目すべき固有の粘性挙動を示す。こうした液体の粘度は、高剪断応力においてより低剪断応力において小さくなる。１質量％未満のキサンタンを水に添加すると、極めて安定な加工懸濁液を生成することが可能になる。というのは、元来の粘性液体の粘度は、例えば、堆積を阻止するために静的応力中に特に高いからである。しかし、加工部分に直接存在する液体が高剪断応力を受けた場合、見かけ上の粘度は、純粋な水の粘度に近い値に低下する。したがって、加工部分の液体はまた、低粘度のために最も微細な割れ目および穴に浸透することができ、それによって特に良好な冷却および潤滑効果がもたらされる。

さらに、本発明の液体を使用すると、単純な方法を使用して液体の粘度を明確に低下させることが可能になり、この方法では、加工懸濁液の分別および切削砥粒成分の分離が可能になる。潤滑液の場合、ポリマーを小さな一連の分子に分解し、このようにして粘度を低下させ、潤滑液の洗浄および生分解を促進させることが可能である。したがって、例えば、増粘剤またはポリマーの分子を分解する方法が適している。これは、増粘剤またはポリマーに依存して、例えば、以下のことによって実現できる。
・例えば、ｔｕｒｒａｘでの撹拌などの機械的エネルギーの付与。加工懸濁液に使用すると、加工プロセス自体が、増粘剤分子またはポリマー分子の部分的分解を早くももたらす。
・高圧下であることを含む熱加水分解法などの熱エネルギーの付与。
・酸またはアルカリを使用する分子の化学的修飾。
・分子を分解し、それによって、例えば、加工懸濁液のマトリクス液の粘度を変更する酵素処理またはその他の方法。

加工懸濁液が不安定になり、堆積が開始されるように、変性セルロースのマトリクス液の粘度を、例えばセルラーゼを加工懸濁液に添加することによって低下させる。有利な実施形態では、摩耗粒子など最も微細な粒子は、懸濁し続けるが、大きな粒子、例えば切削砥粒は、沈澱するように粘度を低下させることができる。湿式分級と組み合わせると、この効果により、摩耗粒子と切削砥粒を特に明瞭に分離することが可能になる。水を添加するとこのプロセスは改善される。

本発明のマトリクス液を含む加工懸濁液を分別する別の有利で単純な方法により、第１ステップにおいて水を添加して懸濁液を不安定化させるだけで加工懸濁液の粘度の低下が実現される。驚くべきことに、増粘剤が懸濁液に含まれるにもかかわらず、単に水を添加することで、固形物の一部が沈澱するように加工懸濁液を不安定化することができる。固形物の微粒子は、安定に懸濁し続け、それによって、各固形物成分を、例えば後の粒子の分級において特に明瞭に分離することが可能になる。

水を添加して加工懸濁液を不安定化させるプロセスは、マトリクス液または増粘剤を加工懸濁液からいくらか除去した後に水を添加すれば、水を減らして実現することができる。分子の分解はさておいて、これはまた、例えば、液体を押し出すことによるか、または吸収などの他の方法を用いる分離によって機械的に実現できる。

懸濁液を水で希釈する際、水を添加する時点が得られる希釈懸濁液の粘度に影響を及ぼすことが分かった。規定量の水を加工プロセス前に添加すると、同一量の水を加工プロセス後に添加した場合と異なる粘度の使用済み懸濁液を生成する。

懸濁液の使用前に水を添加して水と増粘剤の比を設定するよりも懸濁液の使用後に水を添加して水と懸濁液の比を同じ値に設定した場合の方が、使用済み加工懸濁液の粘度が低下する。この効果はまた、固形物の濃度および微細グレインの量および粗グレインの量が両ケースで同一である場合に観察できる。

したがって、本発明の液体の粘度の低下および使用済み加工懸濁液の不安定化は、
・懸濁液を水で希釈すること、および／または
・懸濁液を加熱すること、および／または
・増粘剤の濃度を低下させることによって実現できる
前記方法のいくつかを使用して加工懸濁液を希釈することも有利であり得る。

増粘剤の濃度は、
・増粘剤を、酵素的、熱的、化学的、または加水分解で分解すること、および／または
・液体の一部を懸濁液から事前に機械的分離すること、および／または
・無くなった液体を水で補充することによって低下させることができる。

水混和性マトリクス液、例えばアルコールを含む現況技術の加工懸濁液のすべてよりも、本発明のマトリクス液を含む加工懸濁液を水と混合する方が、非常に容易で速い。水で希釈した液体中の粒子を単離すること、すなわち、現存する粒子凝集体を分解することは、従来技術の加工懸濁液よりも本発明の加工懸濁液を用いる方がより速く実現できる。

本発明の液体を使用すると、マトリクス液を水中に搬送する労力が軽減され、湿式分級がより簡単になる。ほんの少しのプロセス用水が必要であるが、このプロセス用水は、生物学的に容易に精製でき、それによって、アルコールからプロセス用水を除去するのに多大な労力は不要となる。

この方法では、本発明の液体を含む加工懸濁液から固形物を分別する湿式粒子分級は非常に行いやすく、所望の分級を実現するのに、ほとんど水を添加しなくても十分である。個々の場合では、分級の結果はさらに、希釈に使用するプロセス用水に界面活性剤または塩類を添加することによって改善することができる。

湿式分級を用いる摩耗粒子および液体からの切削砥粒成分の明瞭な分離は、遠心分離機、デカンタ、液体サイクロン、堆積、ろ過、分離および分級のその他の方法など、現況技術の分離装置を使用して実現することができる。

例えば乾燥により水を除去することによって液体を除去した後、加工懸濁液由来の固形物を各成分に分離することも大抵可能である。現況技術の分離法および分級法のすべて、例えば、乾燥、エアー分離、またはその他の方法による分級を、使用することができる。乾燥した増粘剤の残渣を、後続の熱処理を用いて切削砥粒の表面から非常に効率的に除去することができる。

驚くべきことに、粘度の低下とは別に、マトリクス液中の分子鎖を分解すると、電荷変化、液体の極性変化、および液体の湿潤特性変化も生じる可能性がある。粒子表面の電荷および粒子凝集体の形成は、この方法では影響を受ける可能性があり、あるいは現存の凝集体を破壊する可能性がある。したがって、増粘剤の分解は、切削粒子の堆積をもたらす可能性がある。一方、微細な摩耗粒子は、凝集せずに安定して分散し続け、それによって粒子分級の労力はさらに軽減される。また、この液体の特性の改変を、塩類または界面活性剤を添加することによってさらに増大させることができる。

さらに、例えば、酵素処理、熱処理、酸処理、またはアルカリ処理を用いて増粘剤の分子を分解することにより、有機負荷量の生分解性がまた、有機材料の単純な生物学的精製が可能になるように改善されることが分かった。したがって、使用条件下で生分解できない変性セルロースを使用した場合、本発明の潤滑液の生分解性をまた、例えば特定のセルラーゼを添加することにより、この液体を生物学的汚水処理プラントで容易に処理することができるように改善することができる。したがって、工作物を洗浄することによって、または懸濁液を分別して切削砥粒を回収することによって、または液体を廃棄することによって、または切くずを廃棄することによって得られる排出液を精製することは、より容易で安価となる。さらに、本発明の液体中の増粘剤またはポリマーの濃度が低いために、排出液の有機負荷量は、例えば油を使用したときよりも２０分の１〜１００分の１に低くなっている。

変性セルラーゼなど生分解能力が乏しい材料の使用には、ほとんどの微生物が、生分解することができる酵素を形成することができないという利点がある。したがって、当業者は、こうした酵素を形成することができる微生物が液体中で増殖することができないように、ｐＨ値や酸素濃度など、本発明の潤滑剤における環境条件を調整することができる。したがって、ヒトに完全に無害であり、微生物の増殖を妨げる特定の保存方法は、例えばｐＨを約４の値に低下させる際に適用できる。

セルロース、変性セルロース、デンプン、変性デンプン、さらにはタンパク質などのポリマー、またはその他のポリマーを使用すると、マトリクス液または潤滑液中の増粘剤またはポリマーはさらなる利点を有する。

こうした増粘剤またはポリマーを、糖、デンプン、アミノ酸などの小部分に分解すると、市販の現況技術のマトリクス液または潤滑液のすべてよりも、工作物からはるかに洗い流しやすい溶液が得られる。特に、シリコン加工の分野、または亜鉛メッキ、リン酸塩処理、もしくは塗装による表面処理を後に行う金属加工の分野では、工作物の表面を、最小の洗浄労力で従来よりも良好に洗浄することができる。水中の数質量％の増粘剤またはポリマーは所望の粘度および潤滑効果を設定するのにすでに十分であるので、工作物、例えばシリコンディスクの表面を洗浄する際、例えばマトリクス液または潤滑油としてアルコールを使用する場合よりも有機化合物を除去する必要はずっと少ない。さらに、糖、アミノ酸、ポリアミドからのカプロラクタムなどその他のモノマーなど、増粘剤またはポリマーから作製された分解生成物は、水にかなり容易に溶解し、したがって現況技術の長鎖アルコールまたは油またはエマルジョンよりも表面からかなり洗浄しやすい。

前述の増粘剤またはポリマーのかなり多くは水により生物学的に安定な液体を形成するが、追加の保存剤を液体に添加して、例えば加工懸濁液において、微生物の増殖を制限し、または阻止することは、有用または必要である可能性がある。冷却用潤滑剤保存、食品保存、または化粧品保存の分野で当業者に周知の保存剤を使用することができる。

液体のｐＨ値を変更して、例えば腐食など、工具または工作物の望ましくない化学反応を防止することも有用である可能性がある。シリコンを加工する際にはアルカリ環境を避けるべきである。すなわち、当業者は、酸を添加してマトリクス液のｐＨ値を低下させる。様々な金属の場合、当業者は、腐食から保護するのにわずかにアルカリ環境を好むであろう。基本的に、同様の現況技術の添加剤は、例えば従来の冷却用潤滑剤などと共に本発明の液体中で使用できる。例としては、前述の保存剤および防食剤の他に、ＥＰ添加剤（極圧添加剤）、乳化剤、安定化剤、可溶化剤、およびその他の添加剤がある。

また、マトリクス液または潤滑液を、ポリアミドやその他の水混和性の生物学的に非分解性または分解性に乏しいポリマーなどの合成ポリマーから生成し、それによってマトリクス液または潤滑液の生物学的安定性をさらに改善することは有利である可能性がある。さらに、合成ポリマーを洗い流すのは特に容易である。

先に示したように、ある酵素は、ポリマーの分子を分解するという利点を有する。したがって、こうした酵素は、例えば生物学的汚水処理プラントでの処理前に、使用済み液体を事前処理する特に有利な方法において用いられる。基材上の固定化酵素の使用には、酵素はほとんど必要なく、したがって処理コストをさらに低減させることができるという利点がある。

本発明の液体は、例えば、穴開け、鋸引き、粉砕、ポリシング、旋削、平削り、その他の適用など、加工製造での用途において冷却用潤滑剤として使用できる。こうした液体を、切削エマルジョンなど従来の水混和性冷却用潤滑剤、または切削油やスピンドル油などの非水混和性冷却用潤滑剤の代替物として使用することは可能であり、場合により望ましい。

本発明の潤滑液はまた、作動油の代りに潤滑用作動液としての用途で使用できる。従来技術では、こうした用途でほとんど例外なく油が使用される。というのは、それらが、潤滑をもたらし、長期間安定であり、操作中生分解しないからである。同じことが、モーター油およびトランスミッションオイルが従来から使用されている用途分野に当てはまる。本発明の液体を、加工油の代替物として、例えば、金属薄板の圧延、金属の穴開け、または金属の深絞りに使用することができる。

［実施例１］
透明な単相のマトリクス液を、水１００ｇおよび変性セルロース２．９ｇから生成する。このマトリクス液は、ニュートン流体挙動を示し、粘度が４０℃で３５．５ｍＰａ・ｓである。この温度で、ポリエチレングリコール２００は、粘度が３５ｍＰａ・ｓである。平均粒径が１５μｍの炭化ケイ素粉末（ＳｉＣ）を、生成した液体に入れて撹拌する。１日後でさえ完全には沈澱しない安定な懸濁液が形成する。

セルラーゼ１ｇを添加した後、マトリクス液を４０℃で撹拌する。１２０分後、液体の粘度は、２ｍＰａ・ｓに低下する。得られた液体を用いても、ＳｉＣ粉末で安定な加工懸濁液を生成することはできない。中に入れて撹拌した粒子は、数分後に完全に沈澱する。

［実施例２］
炭化ケイ素５ｋｇ、および実施例１でのように生成したマトリクス液５ｋｇから構成される加工懸濁液１０ｋｇを生成する。この懸濁液をワイヤーソープロセス中に供給して、シリコンブロックからシリコンウェーハを切り出す。使用した懸濁液を排出した後、この懸濁液は、平均粒径が０．８μｍの摩耗シリコン粒子を１５質量％、ソーワイヤーからの平均粒径が２μｍの摩耗粒子を３％含む。

水３ｋｇを、使用済み懸濁液１ｋｇに添加する。１時間後８０％を超えるＳｉＣ粒子が沈澱し、シリコン粒子はほとんど懸濁液中に残っている。沈殿物から上澄液を分離した後、この沈殿物を追加の水３ｋｇと混合する。この混合物を液体サイクロンで処理する。分級処理からの特大の材料には、１％未満のシリコンおよび鉄が含まれる。

［実施例３］
セルラーゼ１０ｇおよび水１ｋｇを、実施例２からの使用済み懸濁液１ｋｇに添加する。１時間後８５％を超えるＳｉＣ粒子が沈澱し、シリコン粒子はほとんど懸濁液中に残っている。

沈殿物から上澄液を分離した後、この沈殿物を追加の水３ｋｇと混合する。この混合物を液体サイクロンで処理する。分級処理からの特大の材料には、１％未満のシリコンおよび鉄が含まれる。

［実施例４］
実施例２の使用済み懸濁液１ｋｇを乾燥させる。乾燥固形材料には、乾燥増粘剤、切削砥粒成分、ならびに鉄およびシリコンからなる摩耗粒子が含まれる。次いで、この固形材料を、細かく粉砕し、ウインドシフターを用いて複合的に処理する。得られた切削砥粒成分は、シリコンを５％未満、増粘剤を１％未満含む。次いで、残りの増粘剤を、４００℃のオーブン中で切削砥粒粒子の表面から分離する。次いで、得られた切削砥粒を、鋸引きプロセスで再使用することができる。

［実施例５］
本発明の潤滑液を、変性セルロース４００ｇおよび脱イオン水５０ｋｇをポリマー中で撹拌することによって生成した。液体を加工機械に供給して、鋼製工作物をつや出しした。粗面部（ｃｏａｒｓｅｎｅｓｓ）の深さ、工具摩耗、および実現可能な切削速度（単位時間当たりの分離された金属の量）に関する潤滑特性は、従来の現況技術の切削エマルジョンを使用した場合、同日に同じつや出し機で得られた潤滑特性とほぼ同一であった。同じつや出し機での別の試験では、純水を基準潤滑液として使用した。純水を使用した場合、数秒直後につや出し用ディスクが完全に崩壊した。

Claims (31)

1. 水と増粘剤との混合物を、加工懸濁液を生成するためのマトリクス液とする使用方法。
2. 水と１種のポリマーまたは多数のポリマーとの混合物を、技術用途での潤滑液または加工液とする使用方法。
3. 潤滑用作動液とすることを特徴とする請求項２に記載の使用方法。
4. 冷却用潤滑剤とすることを特徴とする請求項２に記載の使用方法。
5. 前記混合物に含まれる増粘剤、または、１種のポリマーもしくは多数のポリマーの濃度が、１０質量％未満であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれか１項に記載の使用方法。
6. 前記混合物に含まれる増粘剤または１種もしくは多数のポリマーの濃度が、１質量％未満であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれか１項に記載の使用方法。
7. 前記混合物が、前記増粘剤または１種もしくは多数のポリマーと水との単相混合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれか１項に記載の使用方法。
8. 前記増粘剤が、天然または変性有機ポリマーから構成され、あるいは、前記１種のポリマーまたは多数のポリマーが、天然または変性有機ポリマーであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれか１項に記載の使用方法。
9. 前記増粘剤またはポリマーが、変性セルロースであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれか１項に記載の使用方法。
10. 前記増粘剤またはポリマーが、キサンタンであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれか１項に記載の使用方法。
11. 前記混合物に含まれる前記増粘剤または前記１種もしくは多数のポリマーの濃度が、２０℃で１０ｍＰａ・ｓを超える混合物粘度をもたらすことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のうちのいずれか１項に記載の使用方法。
12. 前記混合物は、２０℃で３ｋＪ／ｋｇＫを超える熱容量を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のうちのいずれか１項に記載の使用方法。
13. マトリクス液と、前記マトリクス液中に懸濁された少なくとも粒子サイズの切削砥粒とから構成される加工懸濁液であって、
    前記マトリクス液が水と増粘剤との混合物から構成されることを特徴とする加工懸濁液。
14. 前記混合物に含まれる増粘剤の濃度が、１０質量％未満であることを特徴とする請求項１３に記載の加工懸濁液。
15. 前記混合物に含まれる増粘剤の濃度が、１質量％未満であることを特徴とする請求項１３に記載の加工懸濁液。
16. 前記水と増粘剤との混合物が、単相の混合物であることを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のうちのいずれか１項に記載の金属切削用懸濁液。
17. 前記増粘剤が、天然または変性有機ポリマーから構成されることを特徴とする請求項１３乃至請求項１６のうちのいずれか１項に記載の金属切削用懸濁液。
18. 前記増粘剤が、変性セルロースであることを特徴とする請求項１３乃至請求項１６のうちのいずれか１項に記載の金属切削用懸濁液。
19. 前記増粘剤が、キサンタンであることを特徴とする請求項１３乃至請求項１６のうちのいずれか１項に記載の金属切削用懸濁液。
20. 前記混合物に含まれる増粘剤の濃度が、２０℃で１０ｍＰａ・ｓを超える混合物粘度をもたらすことを特徴とする請求項１３乃至請求項１９のうちのいずれか１項に記載の金属切削用懸濁液。
21. マトリクス液としての、水および増粘剤の混合物と、少なくとも粒子サイズの切削砥粒をと含む加工懸濁液を分別する方法であって、
    前記加工懸濁液が、初めに、前記混合物中の増粘剤の濃度を低下させることによって不安定化され、次いで、前記切削砥粒を含む成分が前記加工懸濁液から分離されるか、
    あるいは、
    前記加工懸濁液が、初めに、前記増粘剤を有する固形物成分を得るために乾燥され、次いで、前記切削砥粒を含む成分が前記固形物成分から分離される、
    ことを特徴とする方法。
22. 前記増粘剤の濃度の低下が、水を添加することで行われることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 水を添加する前に、前記マトリクス液の一部または前記増粘剤の一部が、前記加工懸濁液から除去されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記増粘剤の一部が、分子の分解によって前記加工懸濁液から除去されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 前記マトリクス液の一部が機械的に加工懸濁液から押し出されることによって除去されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
26. 前記増粘剤の濃度の低下が、前記増粘剤の分子を分解することによって行われることを特徴とする請求項２１乃至請求項２５のうちのいずれか１項に記載の方法。
27. 前記増粘剤の分子の分解が、酵素処理、熱処理、酸処理、またはアルカリ処理によって行われることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 前記加工懸濁液からの切削砥粒を含む成分の分離が、湿式分級によって行われることを特徴とする請求項２１乃至請求項２７のうちのいずれかの１項に記載の方法。
29. 切削砥粒を含む前記成分中の乾燥増粘剤の残渣が、切削砥粒表面の後続の熱処理によって分離されることを特徴とする請求項２１乃至請求項２８のうちのいずれか１項に記載の方法。
30. 請求項２乃至請求項１２のうちのいずれか１項に記載の潤滑液または加工液を、前記潤滑液または加工液の洗浄能および生分解性を改善するために処理する方法であって、
    前記混合物中の１種または多数のポリマーが、分解されることを特徴とする方法。
31. 前記１種または多数のポリマーの分解が、酵素処理、熱処理、酸処理、またはアルカリ処理によって行われることを特徴とする請求項３０に記載の方法。