JP7414722B2 - 加工流体 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)に基づき、2017年10月10日出願の米国特許仮出願第62/570,617号の利益を主張し、当該出願の全体を参照により本願に援用する。
可溶性油流体は、水と混合したときにエマルションを形成する。濃縮物は、基剤の鉱油と、安定なエマルションの生成を助ける乳化剤とからなる。濃縮物は、希釈形態(通常濃度=3~10%)で使用され、良好な潤滑及び伝熱性能をもたらす。濃縮物は産業界で広く使用され、全ての切削流体のなかで最も安価である。
半合成流体は、本質的に合成流体と可溶性油流体の組み合わせであり、両方に共通の特性を有する。半合成流体のコスト及び伝熱性能は、合成流体と可溶性油流体の間である。
合成流体は、石油又は鉱油の基剤を含まず、代わりに、アルカリ性の無機及び有機化合物並びに腐食防止用添加剤から配合される。合成流体は、一般的に、希釈形態で使用される(通常濃度は3~10%)。合成流体は、多くの場合、冷却性能が全ての切削流体のなかで最も高く、潤滑特性が切削流体の中で最も低い。
1)水、第1の界面活性剤、増粘剤、及び防錆剤を含む加工流体組成物。
2)水、第1の界面活性剤、無機塩、及び防錆剤を含む加工流体組成物。
3)第1の界面活性剤がアニオン性界面活性剤である、実施形態1又は2の組成物。
4)第1の界面活性剤が、スルホネート基を含む又はスルファート基を含むアニオン性界面活性剤である、実施形態3の組成物。
5)第1の界面活性剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムである、実施形態3の組成物。
6)第1の界面活性剤がラウレス硫酸ナトリウムである、実施形態3の組成物。
7)第1の界面活性剤が両性界面活性剤である、実施形態1又は2の組成物。
8)両性界面活性剤がベタイン基を含む、実施形態7の組成物。
9)第1の界面活性剤がコカミドプロピルベタインである、実施形態7の組成物。
10)2種の界面活性剤を含み、2種の界面活性剤の各々がアニオン性界面活性剤である、実施形態1又は2の組成物。
11)2種の界面活性剤が、スルファート含有界面活性剤及びスルホネート含有界面活性剤である、実施形態10の組成物。
12)2種の界面活性剤がラウレス硫酸ナトリウム及びドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムである、実施形態10の組成物。
13)2種の界面活性剤を含み、1種がアニオン性界面活性剤であり、もう1種が両性界面活性剤である、実施形態1又は2の組成物。
14)2種の界面活性剤がスルファート含有アニオン性界面活性剤及びベタイン含有両性界面活性剤である、実施形態13の組成物。
15)スルファート含有アニオン性界面活性剤がラウレス硫酸ナトリウムであり、ベタイン含有両性界面活性剤がコカミドプロピルベタインである、実施形態14の組成物。
16)2種の界面活性剤がスルホネート含有アニオン性界面活性剤及びベタイン含有両性界面活性剤である、実施形態13の組成物。
17)スルホネート含有アニオン性界面活性剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムであり、ベタイン含有両性界面活性剤がコカミドプロピルベタインである、実施形態16の組成物。
18)3種の界面活性剤を含み、3種の界面活性剤のうち2種が同一ではないアニオン性界面活性剤であり、3種の界面活性剤のうち1種が両性界面活性剤である、実施形態1又は2の組成物。
19)3種の界面活性剤がスルファート含有界面活性剤、スルホネート含有界面活性剤、及びベタイン含有界面活性剤である、実施形態18の組成物。
20)3種の界面活性剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウレス硫酸ナトリウム、及びコカミドプロピルベタインである、実施形態19の組成物。
21)防錆剤が亜硝酸ナトリウムである、実施形態1又は2の組成物。
22)防錆剤が亜硝酸ナトリウムである、実施形態20の組成物。
23)セルロース系増粘剤である増粘剤を含む、実施形態1又は2の組成物。
24)セルロース系増粘剤がヒドロキシエチルセルロースである、実施形態23の組成物。
25)セルロース系増粘剤である増粘剤を含む、実施形態20の組成物。
26)セルロース系増粘剤がヒドロキシエチルセルロースである、実施形態25の組成物。
27)塩化カルシウムである無機塩を含む、実施形態1又は2の組成物。
28)無機塩を含む、実施形態20の組成物。
29)無機塩が塩化カルシウムである、実施形態28の組成物。
30)消泡剤を含む、実施形態1又は2の組成物。
31)消泡剤がシリコーンポリマーである、実施形態30の組成物。
32)消泡剤を含む、実施形態20の組成物。
33)消泡剤がシリコーンポリマーである、実施形態32の組成物。
34)セルロース系増粘剤、無機塩、及び消泡剤のうちの1つ以上を含む、実施形態20の組成物。
35)セルロース系増粘剤、無機塩、及び消泡剤を含む、実施形態20の組成物。
36)水、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウレス硫酸ナトリウム、コカミドプロピルベタイン、セルロース系増粘剤等の増粘剤、及び防錆剤を含む、実施形態1の組成物。
37)水、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウレス硫酸ナトリウム、コカミドプロピルベタイン、塩化カルシウム等の無機塩、及び防錆剤を含む、実施形態2の組成物。
組成物は、金属加工に使用してもよく、別の名称としては、金属ワーク加工組成物、又は金属機械加工組成物、又は金属冷却組成物、又は金属切削組成物と呼ばれることもある。組成物は、石、プラスチック若しくはガラス、又は発熱工程において工具で加工されるその他の固体材料から作製される部品の加工にも使用され得る。
a)水を約70~80℃に加熱して温水を準備するステップ;
b)アニオン性界面活性剤を温水に添加するステップ;
c)両性界面活性剤をステップb)の混合物に添加するステップ;
d)温水をステップc)の混合物に添加するステップ;
e)任意選択で第3の界面活性剤をステップd)に添加するステップであって、第3の界面活性剤がアニオン性界面活性剤及び両性界面活性剤から選択され、第3の界面活性剤が混合物中に既に存在するアニオン性界面活性剤及び両性界面活性剤とは異なる、ステップ;
f)無機塩をステップe)の混合物に添加するステップ;
g)ステップf)の混合物を周囲温度まで冷却するステップ;及び
h)増粘剤をステップf)の混合物に添加するステップ;を含み、
1つの成分を添加した後、得られた混合物を均質又はほぼ均質な混合物へ達成するのに十分な時間、典型的には約30分間、発泡を最小限に抑えながら撹拌した後、次の成分を添加する、方法を提供する。本方法に使用され得る代表的な任意選択成分としては、無機塩、有機溶媒、増粘剤、防錆剤又は防食剤、着色剤、及び消泡剤が挙げられる。一実施形態において、無機塩、有機溶媒、増粘剤、防錆剤又は防食剤、及び消泡剤が混合物に添加される。
38)金属、石、ガラス及びプラスチックから選択される材料を機械加工する方法であって、実施形態1~37のいずれかの組成物を含む組成物を、機械加工されている材料からの熱を放散するのに有効な量及び時間で、機械加工されている材料ピースに適用することを含む、方法。
39)機械加工されている材料が、アルミニウム合金、真鍮、鋳鉄、青銅、低炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、及びチタン合金から選択される金属である、実施形態38の方法。
40)機械加工されている材料が石である、実施形態38の方法。
41)機械加工されている材料がガラスである、実施形態38の方法。
42)機械加工されている材料がプラスチックである、実施形態38の方法。
43)機械加工されている材料ピースが、ブローチ加工、タップ加工、ホブ切り、切削、ドリル加工、ミリング、旋削、のこ引き、ホーニング、及び研削から選択される工程に供されている、実施形態38の方法。
組成物中に存在する任意選択の不揮発性成分としては、増粘剤(濃厚化剤とも呼ばれ、組成物の粘度又は物質を増加するのに好適である);組成物に使用される濃度で水溶性である無機塩;組成物に使用される濃度で水と混和可能であり、水の沸点よりも高い沸点、例えば、少なくとも125℃、又は少なくとも150℃、又は少なくとも170℃の沸点を有する有機溶媒;消泡剤(この用語は、泡止め剤を含み、使用中に組成物の発泡を低減するのに有効な量で使用される);及び着色剤(本明細書で着色料とも呼ばれ、組成物に色を付与する)のうちの1種以上が挙げられる。
本開示の組成物は、良好な伝熱性能、良好な潤滑性能、良好な切粉洗浄性能、良好な流体ミストの発生、切粉の良好な流体除去、及び良好な腐食防止をもたらす。エマルション形態の組成物は、良好な流体安定性を示す。
本開示の組成物は、少なくとも1種の界面活性剤を包含する。一実施形態において、組成物は、両性界面活性剤を含有する。別の実施形態において、組成物は、アニオン性界面活性剤を含有する。一実施形態において、組成物は、2種の異なる両性界面活性剤を、任意選択でアニオン性界面活性剤と組み合わせて含有する。一実施形態において、組成物は、2種の異なるアニオン性界面活性剤を、任意選択で両性界面活性剤と組み合わせて含有する。
一実施形態において、本開示の組成物は、少なくとも1種、任意選択で1種以上の、両性界面活性剤を包含する。本明細書で使用するとき、両性界面活性剤は、正に帯電した原子と負に帯電した原子の両方を含有する分子である。界面活性剤分子は、ポリマー成分を包んでもよく、ナトリウム及びアンモニア等の対イオンも含み得るが、対イオンは、分子を両性界面活性剤として認定する正又は負に帯電した原子の1つとはみなされない。
正に帯電した原子は、例えば、例えばアンモニウム基を提供する窒素原子であってもよく、又は、例えばスルホニウム基を提供する硫黄原子であってもよい。特定の原子上の正電荷の存在は、その分子が曝露しているpHの関数となり得る。換言すれば、本開示の両性界面活性剤は、正に帯電した原子と負に帯電した原子を、周囲溶液のどのpHでも有する必要はなく、これらの帯電電子をあるpH範囲内のみで有し得る。例えば、分子が正電荷を担持した窒素原子を有する場合、電荷は、周囲溶液(水溶液)のpHが、窒素原子がプロトン化するのに十分に低い場合にのみ存在し得る。これが起こるのは、例えば、窒素原子が第一級、第二級、又は第三級アミンの一部である場合である。あるいは、窒素原子は、周囲溶液のpHに関係なくその正電荷を維持する第四級アンモニウムイオンの一部であってもよい。
負に帯電した原子は、例えば、カルボキシラート基、スルファート基、スルホネート基、又はホスフェート等の認識された官能基の一部であり得る酸素原子であってもよい。正電荷と同様に、特定の原子上の負電荷の存在は、その分子が曝露しているpHの関数となり得る。換言すれば、本開示の両性界面活性剤は、負に帯電した原子と正に帯電した原子を周囲溶液のどのpHでも有する必要はなく、これらの帯電電子をあるpH範囲内のみで有し得る。例えば、分子が負電荷を担持した酸素原子を有する場合、電荷は、周囲溶液(水溶液)のpHが、酸素原子が脱プロトン化するのに十分に高い場合にのみ存在し得る。これが起こるのは、例えば酸素原子が、例えばカルボン酸基の一部であり、カルボン酸基のカルボキシラート形態のみが負に帯電した酸素原子を有し、対応するカルボン酸形態は中性の酸素原子を有する場合である。
要約すると、両性界面活性剤は、正に帯電した原子と負に帯電した原子の両方を、周辺溶液がとり得るpH範囲の全体にわたって有する必要はなく、これらの2種類の帯電原子を一部のpH範囲で有し、この範囲は当該技術分野において等電pH範囲と呼ばれることがある。両性界面活性剤が正に帯電した原子と負に帯電した原子の両方を有するとき、界面活性剤は、その双性イオン性形態にあると言える。両性界面活性剤の化学構造が本明細書で与えられるとき、用語Xは、等電pH範囲内の正又は負に帯電した原子に関連し得る対イオンを指して使用される。代表的なカチオン性対イオンは、ナトリウム及びアンモニウムである。代表的なアニオン性対イオンは、塩化物及びホスフェートである。注目すべきは、正又は負電荷のいずれかは、複数の原子にわたって非局在化し得ることである。例えば、負電荷が酸素原子上にあり、酸素原子がカルボキシラート基の一部であるとき、負電荷はカルボキシラート基の両方の酸素原子に非局在化している。
一実施形態において、両性界面活性剤はアルキルアミドスルホベタインであり、化学構造R-CONH-L-N(CH3)2-(CH2)m-SO2OX(式中、Lはプロピレンである)によって表され得る。この分類の下位分類は、アルキルベンゼンジメチルアミンをプロパンスルホンで四級化することによって得られるアルキルベンゼンジメチルアンモニウムプロパンスルホネートである。ここでも、プロピレン連結基Lは、例えばヒドロキシル基で置換されて(これは、2-ヒドロキシ-1-プロパンスルホネート誘導体を提供する)、本発明の組成物への使用に好適な両性界面活性剤をもたらし得る。
一実施形態において、両性界面活性剤は、化学構造R-NH-L-COOX(式中、R及びLは上記定義による)で表され得るアルキルアミノ酸両性界面活性剤である。例えば、Rはココヤシ油から誘導されてもよく、Lはエチレンであってもよく、Xはナトリウムイオンであってもよい。
一実施形態において、両性界面活性剤は、化学構造R-N(CH3)2-L-COOX(式中、Rはアルキル基であり、Lは連結基である)で表され得るアルキルベタイン両性界面活性剤である。本明細書に開示される他の両性界面活性剤と同様に、R基はアルキル基に限定されず、脂肪族基であり得るが、一実施形態においてRはアルキル基を表す。前述のように、連結基は、一実施形態において、メチレン基である。ただし、アルキルベタインは、α-(N,N,N-トリアルキルアンモニウム)アルカノエートも含み、構造R1-N(R2)(R3)-C(R4)H-COOX(式中、Lはアルキル置換メチレン基である)を有する。アルキルベタインの表示には、様々な代替的かつ時としてより具体的な名称が使用され、例えば、N-アルキル-Ν,Ν-ジメチルグリシン;N-アルキル-N,N-ジメチル-N-カルボキシメチルアンモニウムベタイン;アルキル-ジメチル酢酸アンモニウム又はアルキル-ジメチルエタン酸アンモニウムである。米国化粧品工業会(CTFA)は、これらの製品にアルキルベタインの名称を使用している。
一実施形態において、両性界面活性剤は、化学構造R-CONH-L-N(CH2CH2OH)CH2COONaで表され得るアルキルイミダゾリン誘導両性界面活性剤である。別の実施形態において、アルキルイミダゾリン誘導両性界面活性剤は、化学構造R-CON(CH2CH2OH)-L-N(CH2COONa)2で表され得る二酸である。これらの実施形態のいずれにおいても、連結基Lは、任意選択でエチレンである。
一実施形態において、両性界面活性剤は、アルキルスルホベタイン両性界面活性剤である。アルキルスルホベタインの化学構造は、R-N(CH3)2-L-SO2OX(-L-SO3Xとも表される)で表されてもよく、式中、Rはアルキルであり、Lはメチレンである。以下は、本発明の実施に使用され得る具体的なアルキルスルホベタインの例である:カプリルスルホベタイン、ヘキサデシルスルホベタイン、ラウリルスルホベタイン、ミリスチルスルホベタイン、n-オクチルスルホベタイン、パルミチルスルホベタイン、テトラデシルスルホベタイン。
一実施形態において、両性界面活性剤はアルキルスルタインであり、これはCTFAが好む用語である。アルキルスルタインは、プロパンスルホネート基、すなわち、L-SO3X(式中、Lはプロピレンである)を含む、スルホベタイン両性界面活性剤である。アルキルスルタインは、化学構造R-N(CH3)2-CH2CH2CH2-SO2OXを有する。
一実施形態において、両性界面活性剤は、化学構造R(C=O)-NH-(CH2)3-N(CH3)2-CH2COOXで表され得るアミドプロピルベタインである。この分類のアミドプロピルベタインは、Rがアルキル基であり得ることから、アルキルアミドプロピルベタインとも呼ばれ得る。アルキルアミドプロピルベタイン界面活性剤は、典型的には、脂肪酸(例えばココヤシ油等の天然油由来の脂肪酸)と3,3-ジメチルアミノプロピルアミンとの反応によってアミドプロピルジメチルアミン中間体を生成し、これを次にモノクロロ酢酸ナトリウムと反応させて対応するベタインを得ることによって合成される。ベタイン界面活性剤は、一般的に、その調製に使用された脂肪酸の供給源から命名され、例えば、ココヤシ油からコカミドプロピルベタイン、イソステアリン酸からイソステアラミドプロピルベタインの名称が与えられている。本発明への使用に好適な多数のアルキルアミドプロピルベタイン界面活性剤が、固体及び溶液の形態で市販されており、様々な供給業者から購入できる。
アンホアセタート両性界面活性剤は、1個よりもむしろ2個のアセタート基を含み、化学構造R(CO)NH-CH2CH2-N(CH2CH2OCH2CO2X)(CH2CO2X)を有する両性界面活性剤をもたらし得る。代表的なアンホアセタート両性界面活性剤としては、ココアンホ二酢酸二ナトリウム、ココアンホ酢酸ナトリウム、ジラウロアンホ酢酸ナトリウム、及びラウロアンホ酢酸ナトリウムが挙げられる。
C6~C22アルキル、例えばカプリル、カプリン、ラウリン、ミリスチン、パルミチン、ステアリン、オレイン、リノール、リノレン、及びベヘンから選択されるR基を有する好適な両性イミダゾリニウム誘導体の例。
一実施形態において、両性界面活性剤は、ホスホネートベタイン両性界面活性剤である。ホスホネートベタインは、アルキルベタイン及びスルホベタインと類似しており、カルボキシ又はスルホン基がホスホネート基で置換されている。ホスホネートベタイン(phosphonatebeaine)は、化学構造R-N(CH3)2-L-P(=O)(OR)OXで表され得る。Lは、例えば、プロピレンであってもよい。
一実施形態において、両性界面活性剤は、アルキルジメチルアンモニウムアルキルスルファートとしても知られるスルファトベタインであり、化学構造R-N(CH3)2-L-OSO3Xで表され得る。スルファトベタインは、ベタイン基も含有するスルファートイオン含有両性界面活性剤の例である。
一実施形態において、両性界面活性剤は、スルホベタイン両性界面活性剤である。基本化合物の化学構造は、R-N(CH3)2-L-SO2OXで表され得る(-L-SO3Xと表される場合もある)。市販のように、多数のスルホベタインはLをプロピレンとして有し、かかる両性界面活性剤は、本開示の一実施形態において使用され得る。スルホベタインは、ベタイン基も含むスルホン酸含有両性界面活性剤の一例である。この分類のベタイン両性界面活性剤としては、アンモニウムアルカンスルホネート及び2-(N-アルキル-N,N-ジメチルアンモニウム)エタンスルホネートが挙げられる。スルホベタインは、アルキルベタインに類似しているがカルボキシル基がアルキルスルホネート基で置換されている、トリアルキルアンモニウム化合物も挙げられる。Rが親油性アルキル基の場合、この分類のスルホベタインは、アルキルスルホベタインと呼ばれ得る。アルキルスルホベタイン界面活性剤は、一般に、その構造内に存在する長鎖アルキル基から命名される。例えば、Rが12個の炭素原子を直鎖内に有する、すなわちラウリルである場合、対応するスルホベタインは、ラウリルスルホベタインとして知られる。
上記の古典的構造の変形であるスルホベタイン界面活性剤はきわめて数多く存在する。例えば、「L」で表記されるプロピレン((CH2)3)基は、様々な官能基、例えば、ハロゲン、ヒドロキシル、及びメキシで置換され得る。R基は、直鎖アルキル基である必要はなく、分枝状、又は脂環式若しくはは香族炭化水素でさえあり得る。実際には、R基は炭化水素である必要さえない。第1に、R基は親油性である必要があり、非常に多くの化学構造がこの特性をもたらす。本発明での使用に好適であるが、上記の古典的構造の範囲に入らないスルホベタイン界面活性剤は、N-(3-ココアミドプロピル)-N,N-ジメチル-N-(2-ヒドロキシ-3-スルホプロピル)アンモニウムベタイン、及び3-[(3-クロロアミドプロピル)ジメチルアンモニウム]-1-プロパンスルホネートである。
一実施形態において、本開示の流体組成物は、少なくとも1種、任意選択で1種以上の、アニオン界面活性剤を包含する。好適な代表的アニオン性界面活性剤としては、限定するものではないが、アルキルスルファート、アルキルエーテルスルファート、アルキルスルホネート、アルキルアリールスルホネート、アルキルスクシネート、アルキルスルホスクシネート、N-アルキルサルコシネート(N-alkoylsarcosinate)、アシルタウレート、アシルイセチオネート、アルキルホスフェート、アルキルエーテルホスフェート、アルキルエーテルカルボキシラート、α-オレフィンスルホネート、並びにこれらのアルカリ金属及びアルカリ土類金属塩並びにアンモニウム及びトリエタノールアミン塩が挙げられる。かかるアルキルエーテルスルファート、アルキルエーテルホスフェート及びアルキルエーテルカルボキシラートは、1分子当たり1~10個のエチレンオキシド又はプロピレンオキシド単位を有し、いくつかの実施形態では1~3個のエチレンオキシド単位を有する。簡便のため、アニオン性界面活性剤は、界面活性剤の帯電部分を形成するアニオン性基を参照して呼ぶ場合がある。例えば、スルホン酸基を含むアニオン性界面活性剤はスルホネート界面活性剤と呼ばれる場合があり、又は状況が許す場合には、更に簡単にスルホネートと呼ばれる場合がある。更なる例として、スルファート基を含むアニオン性界面活性剤は、スルファート界面活性剤と呼ばれる場合があり、又は状況が許す場合には、更に簡単にスルファートと呼ばれる場合がある。
アニオン性界面活性剤の更なる具体例としては、限定するものではないが、ラウリルスルホコハク酸アンモニウム、ラウリル硫酸ナトリウム、ラウリルエーテル硫酸ナトリウム、ラウリルエーテル硫酸アンモニウム、ドデシルベンゼンスルホン酸トリエタノールアミン、ラウリルサルコシン酸ナトリウム、ラウリル硫酸アンモニウム、オレイルコハク酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム、及びドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムが挙げられる。
以下の成分は、本開示の組成物中に任意選択で存在するが、本開示は、以下の成分の各々が本開示の組成物中に存在することが明確に除外されてもよいことも規定する。
一態様において、増粘剤は、グリセロール等のポリヒドロキシ小分子である。ポリヒドロキシ小分子は、分子量が500g/モル未満であり、少なくとも3個のヒドロキシル基を有する。
一態様において、増粘剤はセルロース系であり、これはセルロース樹脂の誘導体を含む。好適なセルロースは、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)である。HECは-CH2OH基が-CH2OCH2CH2OCH2CH2OH基に変換され、-OH基が-OCH2CH2OH基に変換されている、セルロース誘導体である。HECは、多数のグレードで市販されており、各グレードは分子量及び誘導体化度が異なり、そのため異なる溶液粘度をもたらす(典型的には、水中固形分2%で測定)。好適なHECは、Dow Chemical(Midland,Ml)のCellosize(商標)及びAshland Chemical(Covington,KY)のAqualon(商標)である。
その他の好適なセルロース系増粘剤としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、及びアニオン性(塩)形態、例えばナトリウムカルボキシメチルセルロース、セルロースのジヒドロキシプロピルエーテル(例えば、米国特許第4096326号明細書参照)が挙げられる。
セルロース系以外の好適なポリヒドロキシポリマーとしては、トウモロコシデンプン又は変性トウモロコシデンプン、ジャガイモデンプン又は変性ジャガイモデンプン、及びペクチン又は変性ペクチンが挙げられる。
組成物中に存在する無機成分の量は、広い範囲で変動し得る。組成物中に存在する固体の総質量を基準にして、無機成分は、当該質量の1%~約15%を構成する。様々な実施形態において、無機成分は、組成物の固体成分の総質量の少なくとも2%、又は少なくとも3%、又は少なくとも4%、又は少なくとも5%、又は少なくとも6%、又は少なくとも7%、又は少なくとも8%、又は少なくとも9%、又は少なくとも10%、又は少なくとも11%、又は少なくとも12%、又は少なくとも13%、又は少なくとも14%、又は少なくとも15%である。様々な実施形態において、無機成分は、組成物中に存在する固体の総質量の30%以下、又は25%以下、又は20%以下、又は15%以下、又は10%以下を占める。上述のように、一実施形態において、無機成分は無機塩である。
しかしながら、別の実施形態において、第3の界面活性剤はフルオロ界面活性剤ではない。フッ素含有化合物は、望ましくない生体内持続性を有する可能性があること、及び/又は分解して有害物質になり得ることから、注意して使用する必要がある。一実施形態において、本発明の濃縮物及び組成物はフルオロカーボンを含有しないが、別の実施形態において、本発明の濃縮物及び組成物はいかなるハロカーボンも含有しない。
本開示は、材料加工流体、例えば金属切削流体を、濃縮形態並びに希釈(すぐに使用できる)形態で提供する。濃縮形態は、様々な成分の量に関して記載される場合があり、これらの量は濃縮物中に存在する界面活性剤の総量を基準としている。
例えば、界面活性剤の1質量部当たり(例えば、界面活性剤1g当たり、又は1kg当たり等)に対して、濃縮物は1~10質量部の防錆剤を含有し得る。従って、濃縮物が10gの界面活性剤を含有する場合、濃縮物は10~100gの防錆剤も含有し得る。任意選択で、濃縮物は、少なくとも1、又は少なくとも2、又は少なくとも3、又は少なくとも4、又は少なくとも5質量部の防錆剤(1質量部の界面活性剤に対して)を含有し、10質量部未満、又は9質量部未満、又は8質量部未満、又は7質量部未満、又は6質量部未満、又は5質量部未満の防錆剤を含有し得る。代表的実施形態において、濃縮物は、濃縮物中に存在する全界面活性剤の1グラムにつき1~10、又は2~8、又は3~7、又は4~6質量部の防錆剤、例えば亜硝酸ナトリウムを含有する。
1質量部の界面活性剤に対して、濃縮物は0.05~0.25部の無機塩を含有し得る。従って、濃縮物が合計10gの界面活性剤を含有する場合、濃縮物は0.5~2.5gの無機塩も含有し得る。任意選択で、濃縮物は、少なくとも0.05、又は少なくとも0.1、又は少なくとも0.15、又は少なくとも0.2質量部の無機塩(濃縮物中に存在する1質量部の界面活性剤(複数可)に対して)を含有し、0.25質量部未満、又は0.2質量部未満、又は0.15質量部未満、又は0.1質量部未満の無機塩を含有し得る。代表的実施形態において、濃縮物は、0.05~0.25、又は0.1~0.2質量部の塩化カルシウム等の無機塩を含有する。
1質量部の界面活性剤に対して、濃縮物は、0.01~0.1質量部の不揮発性、水溶性の有機溶媒を含有し得る。従って、濃縮物が合計10gの有機溶媒を含有する場合、濃縮物は0.1~1gの有機溶媒も含有し得る。任意選択で、濃縮物は、少なくとも0.01、又は少なくとも0.02、又は少なくとも0.03、又は少なくとも0.04、又は少なくとも0.05、又は少なくとも0.06、又は少なくとも0.07質量部の有機溶媒(濃縮物中に存在する1質量部の界面活性剤(複数可)に対して)を含有し、0.1質量部未満、又は0.09質量部未満、又は0.08質量部未満、又は0.07質量部未満、又は0.06質量部未満、又は0.05質量部未満の有機溶媒を含有し得る。代表的実施形態において、濃縮物は、0.01~0.1、又は0.02~0.9、又は0.03~0.8質量部の有機溶媒、例えばエチレングリコールブチルエーテルを含有する。
界面活性剤の1質量部に対して、濃縮物は0.2~1.0部の消泡剤を含有し得る。従って、濃縮物が合計10gの界面活性剤を含有する場合、濃縮物は2~10gの消泡剤も含有し得る。任意選択で、濃縮物は、少なくとも0.2、又は少なくとも0.3、又は少なくとも0.4、又は少なくとも0.5質量部の消泡剤(濃縮物中に存在する1質量部の界面活性剤(複数可)に対して)を含有し、1.0質量部未満、又は0.9質量部未満、又は0.8質量部未満、又は0.7質量部未満、又は0.6質量部未満の消泡剤を含有し得る。代表的実施形態において、濃縮物は、0.2~1.0、又は0.3~0.8、又は0.4~0.6質量部の消泡剤、例えばシリコーン消泡剤を含有する。
上述のように、本開示の組成物は、両性界面活性剤(及び任意選択で1種以上の両性界面活性剤)及びアニオン性界面活性剤(及び任意選択で1種以上のアニオン性界面活性剤)の両方を包含し得る。一態様において、1種以上の両性界面活性剤(複数可)は、1種以上のアニオン性界面活性剤(複数可)とほぼ等しい質量で組成物に含まれる。他の態様において、再度質量基準で測定した場合、両性界面活性剤(複数可)は、組成物の総質量に対してアニオン性界面活性剤(複数可)よりも少ない質量で含まれ、様々な実施形態において、両性界面活性剤(複数可)は、アニオン性界面活性剤と両性界面活性剤の総質量の1~50%、又は5~40%、又は10~30%又は15~25%で含まれる。
組成物が、2種の両性界面活性剤、又は2種のアニオン性界面活性剤を含有する場合、その2種の界面活性剤は必ずしも等質量で存在しない。様々な実施形態において、組成物は、第1及び第2のアニオン性界面活性剤を含み、第1の界面活性剤は、第1及び第2の界面活性剤の総質量の1~50%を提供する。更なる実施形態では、第1の界面活性剤は、第1及び第2のアニオン性界面活性剤の総質量の1~40%、又は1~30%、又は1~20%、又は1~10%、又は1~5%を提供する。同様に、様々な実施形態において、組成物は第1及び第2の両性界面活性剤を含み、第1の両性界面活性剤は、第1及び第2の界面活性剤の総質量の1~50%を提供し、更なる実施形態では、第1の両性界面活性剤は、第1及び第2の両性界面活性剤の総質量の1~40%、又は1~30%、又は1~20%、又は1~10%、又は1~5%を提供する。
上記のように、一実施形態において、本開示は、組成物中に2種の両性界面活性剤が存在する。様々な実施形態において、これらの2種の両性界面活性剤は以下の相対量で存在し得る:1:1;1:(1~5);1:(1~10);1:(1~15);1:(1~20);1:(1~25);1:(1~30);1:(5~10);1:(5~15);1:(5~20);1:(5~25);1:(5~30);1:(10~15);1:(10~20);1:(10~25);1:(10~30);1:(15~20);1:(15~25);1:(15~30);1:(20~25);及び1:(25~30)。
上記のように、一実施形態において、本開示は、組成物中に2種のアニオン性界面活性剤が存在する。様々な実施形態において、これらの2種のアニオン性界面活性剤は、以下の相対量で存在し得る:1:1;1:(1~5);1:(1~10);1:(1~15);1:(1~20);1:(1~25);1:(1~30);1:(5~10);1:(5~15);1:(5~20);1:(5~25);1:(5~30);1:(10~15);1:(10~20);1:(10~25);1:(10~30);1:(15~20);1:(15~25);1:(15~30);1:(20~25);及び1:(25~30)。
1)水、第1の界面活性剤、セルロース系増粘剤等の増粘剤、及び防錆剤を含む金属切削組成物。
2)水、第1の界面活性剤、塩化カルシウム等の無機塩、及び防錆剤を含む金属切削組成物。
3)第1の界面活性剤がアニオン性界面活性剤である、実施形態1又は2の金属冷却組成物。
4)第1の界面活性剤が、スルホナート基を含むアニオン性界面活性剤である、実施形態1~3のいずれか1つの組成物。
5)第1の界面活性剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムである、実施形態1~4のいずれか1つの組成物。
6)第2の界面活性剤を含み、第2の界面活性剤が両性界面活性剤である、実施形態1~5のいずれか1つの組成物。
7)第2の界面活性剤を含み、第2の界面活性剤が、ベタイン基を含む両性界面活性剤である、実施形態1~6のいずれか1つの組成物。
8)第2の界面活性剤を含み、第2の界面活性剤がコカミドプロピルベタインである、実施形態1~7のいずれか1つの組成物。
9)第3の界面活性剤を含み、第3の界面活性剤がアニオン性界面活性剤である、実施形態1~8のいずれか1つの組成物。
10)第3の界面活性剤を含み、第3の界面活性剤がスルファート基を含むアニオン性界面活性剤である、実施形態1~9のいずれか1つの組成物。
11)第3の界面活性剤を含み、第3の界面活性剤がラウレス硫酸ナトリウムである、実施形態1~10のいずれか1つの組成物。
12)防錆剤が亜硝酸ナトリウムである、実施形態1~11のいずれか1つの組成物。
13)セルロース系増粘剤である増粘剤を含み、セルロース系増粘剤がヒドロキシエチルセルロースである、実施形態1~12のいずれか1つの組成物。
14)消泡剤を含む、実施形態1~13のいずれか1つの組成物。
15)消泡剤を含み、消泡剤がシリコーンポリマーである、実施形態1~14のいずれか1つの組成物。
16)スルホン酸基を含む第1の界面活性剤及びスルファート基を含む第2の界面活性剤を含む、実施形態1~15のいずれか1つの組成物。
以下に論じるように、本開示は、実施形態1~16のいずれかの組成物を含む組成物を、機械加工されている金属から熱を放散するのに有効な量及び時間で、機械加工されている金属片に適用することを含む、金属を機械加工する方法も提供する。機械加工工程は、金属の切削によって達成されてもよく、従って切削工程と呼ばれ得る。機械加工工程は、ブローチ加工(broaching)、タップ加工(tapping)、ホブ切り(hobbing)、切削(cutting)、ドリル加工(drilling)、ミリング(milling)、旋削(turning)、のこ引き(sawing)、ホーニング(honing)又は研削(grinding)のうちのいずれかであってもよく、これらは本開示の方法に使用され得る機械加工工程の例である。
一態様において、本開示は、本明細書で識別される材料加工流体、例えば金属切削流体濃縮物組成物及び対応する金属切削流体組成物の調製方法を提供する。概して、濃縮物は、水を、アニオン性界面活性剤及び両性界面活性剤から選択される1種以上の界面活性剤、及び任意の成分と組み合わせることによって調製される。組成物は、この濃縮物を水又は水溶液で希釈することによって調製される。
次いで、1種以上の界面活性剤が水に添加される。一実施形態において、両性界面活性剤が水に添加され、その後第1及び第2のアニオン性界面活性剤が逐次的に添加される。代替的実施形態では、アニオン性界面活性剤が最初に水に添加され、その後両性界面活性剤が添加され、更にその後、第2のアニオン性界面活性剤又は第2の両性界面活性剤のいずれかが添加される。別の実施形態では、第1及び第2のアニオン性界面活性剤は逐次的に添加され、その後両性界面活性剤が添加される。
界面活性剤を水に添加した後、得られた混合物を撹拌して、均質又はほぼ均質な状態をもたらす。撹拌は、穏やかに行っても激しく行ってもよいが、いずれの場合も、過度に大量の泡が発生しないように行うことが好ましい。泡は、典型的には、混合物への空気の閉じ込めから生じ、混合工程の間に十分な渦が発生する場合及び/又は撹拌装置が混合物への出入りを繰り返した場合に、空気が閉じ込められる傾向がある。混合物の粘度が大きくなるほど、泡の保持も大きくなる傾向がある。これらの状況は、泡の発生を最小限に抑えるために避けることが好ましい。良好な混合を確保するために、界面活性剤の添加の都度、約15~60分の撹拌時間を用いてもよい。
界面活性剤が水に添加されるにつれて、混合物の粘度は増加する傾向がある。粘度が増加した溶液は、他の要因が全て等しい場合、低粘度溶液よりも容易に空気を捕捉する傾向がある。混合物の粘度を低下させるため、第1、第2又は第3の界面活性剤のいずれかの添加後に混合物に追加の水を添加してもよい。例えば、濃縮物中の水の総量の約5~40%、又は約10~30%である量の水を、界面活性剤の最初の添加後に混合物に添加してもよい。更に、又は別の方法として、濃縮物中の水の総量の約5~40%、又は約10~30%である量の水を、界面活性剤の2回目の添加後に濃縮物に添加してもよい。
様々な成分の混合を容易にするため、並びに渦発生及びその結果の泡生成を最小限に抑えるために、バッチ又は連続反応器内にバッフルを設置してもよい。好適な混合装置、例えば、撹拌機、インペラ、スタティックミキサー、コロイドミル、及びホモジナイザーは、例えば、Chemineer(Dayton,Ohio)及びSulzer(Winterthur、Switzerland)によって製造及び販売されている。
連続工程の代替的実施形態では、3つのTバルブが導管の初めの、水が既に導管に添加された後の位置に配置される。第1、第2及び第3の界面活性剤は、各々、この3つのTバルブの1つを通じて導管内に送達される。このやり方で、3種の界面活性剤の全てが、本質的に同時に組み合わされ、その後、得られた混合物が導管内のインラインミキサー又はスタティックミキサーを通過して、均質な水性混合物をもたらす。任意選択成分は、その後、所望に応じて均質な水性混合物に添加されて、最終的な濃縮物を提供する。
連続工程又はバッチ工程のいずれかにおいて、水及び/又は水性混合物は、周囲温度を超える温度、例えば50℃~90℃の温度まで加熱される。加熱は、当該技術分野において既知の通常方法によって実施されてもよい。高温は、成分の迅速な混合による均質混合物の形成を促進するために、必要に応じて維持され得る。
本開示は、加工流体、例えば金属切削に有用な流体であって、材料加工、例えば、金属切削の過程において使用できる流体を提供する。一実施形態において、本開示の流体濃縮物は水で希釈されて、材料加工に関与する工具に適用され得る組成物、例えば、金属に直接適用される金属切削流体組成物を提供する。濃縮物は、濃縮物中の非水性成分の質量の合計を濃縮物の総質量で除算して測定した、ある固体レベル又は固形分を有する。水を濃縮物と組み合わせて金属切削流体組成物を形成したとき、金属切削流体組成物は、同様に、ある固体レベル又は固形分を有し、これは、濃縮物の固体レベル又は固形分よりも低くなる。様々な実施形態において、組成物は、組成物の総質量を基準にして、0.1%、又は0.5%、又は1%、又は1.5%、又は2%、又は2.5%、又は3%、又は3.5%、又は4%、又は4.5%、又は5%、又は5.5%、又は6%、又は6.5%、又は7%、又は7.5%、又は8%、又は8.5%、又は9%、又は9.5%、又は10%、又は10.5%、又は11%、又は11.5%、又は12%、又は12.5%、又は13%、又は13.5%、又は14%、又は14.5%、又は15%、又は15.5%、又は16%、又は16.5%、又は17%、又は17.5%、又は18%、又は18.5%、又は19%、又は20%の固体質量%、又は上記の固体%値のいずれか2つで規定される範囲内の濃度、例えば、0.5%~4%の濃度を有する金属切削流体組成物をもたらすように、十分な水を濃縮物と組み合わせることによって生成される。
冷却剤系内の切削流体は、細菌繁殖並びにトランプオイル及び機械加工操作からの微細な金属屑による汚染により、時間と共に劣化する。定期的な補給操作によって流体を保全することが非経済的となる場合は、流体が廃棄される。流体は、下水系に流れ込む前に、流体組成物を処理して安全な廃棄レベルにする必要がある。
容易な機械加工操作(旋削、成形、ドリル加工、ミリング等)は、より高速で実施され、中程度のEP能力と高レベルの冷却を必要とし得る。より低粘度の、添加剤が少ない流体で、より緩やかな操作を実施できる。困難な機械加工操作は、より低速で実施しなければならず、大量の耐溶接保護を必要とする。ねじ切り又はブローチ加工等の最も困難な操作用に特に設計された油は、総じて、粘度が高く、活性硫黄及び塩素等のEP添加剤が添加されている。
機械装置の種類も、切削油特性の一部を決定する。例えば、ねじ切り盤は、潤滑油と切削油との間で重度の交差汚染を起こす。この理由から、これらの機械は、潤滑油ボックス、油圧油及び切削油の油だめに使用できる、2機能又は3機能の油で作動する。
研削盤、ガンドリル及び深穴ボール盤は、高速冷却、優れた切粉・切屑洗浄、工具通過式の供給及び発泡のない高圧適用のための、より低粘度の油を必要とする。CNC OEMは、切削流体と機械要素(封止材など)との間の潜在的不適合から、切削油に制約を設けている場合がある。心なし研削盤は、平面研削盤よりも強靭な流体を必要とする。
例えば、加工流体が金属切削流体である場合、流体は、機械加工及び鍛造等の金属ワーク加工工程の必要に応じて、冷却及び潤滑特性を提供する。金属切削は、摩擦による熱を発生し、これは材料を変形し得る。冷却剤は、機械装置及び材料から熱を取り除く働きをすることから、切削工程のスピードを上げ、機械の生産性を高めることができる。切削流体は、冷却に加えて、工具の切刃と切粉との間の境界面を潤滑することによって切削工程の補助も行う。この境界面における摩擦を予防することによって、発熱の一部が予防される。この潤滑は、切粉が工具上に溶接されるのを防ぐ。溶接はその後の切削を妨害する。大部分の金属ワーク加工及び機械加工工程は、ワークピース材料に応じて切削流体の使用による利益を受ける。
加工機器の一部は、加工されているワークピースと接触する。例えば、加工装置は、加工中に材料を切削するブレードを有し得る。ブレードは、金属、例えばステンレス鋼であってもよく、又はダイヤモンドがちりばめられていてもよい。あるいは、加工装置は、旋盤等の旋削工具、ドリル、又は研磨若しくはサンド加工装置であってもよい。
このように、本開示は、加工流体、例えば金属冷却組成物を、本明細書に記載のように供給する方法を提供する。一実施形態において、本開示は、本開示の加工組成物を提供するステップ、加工されている材料及び使用されている工具の一方又は両方に組成物を適用するステップ、並びに本開示の組成物の存在下で、材料を工具で加工するステップを含む。本方法は、工具が加工材料と接触する界面において冷却及び温度制御を付与し、及び/又は当該界面において潤滑をもたらす。
別の例として、本開示は、金属、石、プラスチック等の固体材料を加工する方法を提供し、当該方法は、本開示の組成物、例えば水、第1の界面活性剤、無機塩、及び防錆剤を含む組成物を準備するステップ;組成物を、加工されている材料及び/又は加工を行っている工具上に、例えば、刷毛塗り、噴霧、又は注入によって適用するステップであって、組成物は加工工程中に工具/材料の境界面に移る、ステップ;並びに組成物の存在下で材料を工具で加工するステップを含む。
石は、例えば、花崗岩、石灰岩、大理石、砂岩、粘板岩、玄武岩、トラバーチン又は珪岩であってもよい。他の石も、本開示の組成物を使用して加工され得る。
プラスチックは、例えば、ポリプロピレン及びポリエチレン等の純粋なポリマーであってもよく、又はポリマーと石の複合材、例えば、CORIAN(商標)等のプラスチック複合材であってもよい。プラスチックは、シリコンチップ又はその他のシリコン製品、例えばシリコンウェハ若しくは半導体業界で使用されるその他のシリコンであってもよい。
約10kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約9kg、水中固形分約60%の分枝鎖ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、例えば、Stepan CompanyのSULFONIC100、水酸化ナトリウムで中和後)、両性界面活性剤溶液(約4.5kg、水中固形分約35%のコカミドプロピルベタイン、例えば、Stepan CompanyのAMPHOSOL CA)、温水(約9kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約11kg、水中固形分約3%のラウリルエーテル硫酸ナトリウム、例えば、Pilot Chemical Co.のCALFOAM ES-703)、及び無機塩溶液(約2kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Ashland Chemicals(Covington,KY)のAQUALON)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な金属切削流体濃縮物を得る。
約10kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約9kg、水中固形分約53%のトリエタノールアミンドデシルベンゼンスルホナート、CALSOFT T60(Pilot Chemical))、両性界面活性剤溶液(約4.5kg、水中固形分約35%のコアンホ酢酸ナトリウム、AMPH ITOL 20Y-B(花王株式会社))、温水(約6.5kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約14kg、水中固形分約7%のラウリルエーテル硫酸ナトリウム、EMAL AD-25R(花王株式会社))、及び無機塩溶液(約2kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Dow ChemicalのWALOCEL CRT)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
約8kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約8.5kg、水中固形分約53%のラウリルスルホ酢酸ナトリウム、LATHANOL LAL flake(Stepan Co.)、両性界面活性剤溶液(約6.3kg、水中固形分約30%のラウリルヒドロキシスルタイン、AMPHITOL 20HD(花王株式会社)、温水(約6.5kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約14kg、水中固形分約7%のオクチルフェノールエトキシル化硫酸ナトリウム、POE-3、POLY-STEP C-OP3S(Stepan Co.))、及び無機塩溶液(約2kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Ashland Chemicals(Covington,KY)のAQUALON)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
約8.5kggの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約9kg、水中固形分約53%のポリオキシエチレン(10)ノニルフェノールホスフェート、FOSFODET 9Q/22(花王株式会社))、両性界面活性剤溶液(約5.3kg、水中固形分約35%のココアンホ二プロピオン酸二ナトリウム、CRODATERIC CADP 38(Croda))、温水(約6kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約14kg、水中固形分約7%のジオクチルスルホコハク酸ナトリウム、STEPWET DOS-70(Stepan Co.))、及び無機塩溶液(約3.3kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Dow ChemicalのWALOCEL CRT)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
約15kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約5kg、水中固形分約53%のポリオキシエチレン(8)オクチルエーテルカルボン酸、AKYPO LF2(花王株式会社))、両性界面活性剤溶液(約8.3kg、水中固形分約30%のコカミドプロピルアミンオキシド、CALOXAM IN E CPO(Pilot Chemical))、温水(約14kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約7.5kg、水中固形分約20%のラウロイルサルコシン酸ナトリウム、MAPROSYL 30-B(Stepan Co.))、及び無機塩溶液(約3.3kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Ashland Chemicals(Covington,KY)のAQUALON)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
約14kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約5.6kg、水中固形分50%のオレイン酸カリウム、ICTEOL K-50(花王株式会社))、両性界面活性剤溶液(約8.3kg、水中固形分約30%のコカミドプロピルベタイン、CALTAINE C-35(Pilot Chemical)、温水(約15kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約6kg、水中固形分約20%の直鎖デシル置換を有するジスルホン化ジフェニルオキシド、DOWFAX C10L(Dow Chemical))、及び無機塩溶液(約3.3kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Dow ChemicalのWALOCEL CRT)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
約15kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約5kg、水中固形分約50%のイソプロピルアミンドデシルベンゼンスルホナート、NINATE 411(Stepan Co.))、両性界面活性剤溶液(約10kg、水中固形分約30%のコカミドプロピルヒドロキシスルタイン、AMPHOSOL CS-50(Stepan)、温水(約15kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約5kg、水中固形分約30%のドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、MELIOSOL 50X(花王株式会社)、及び無機塩溶液(約3.3kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Ashland Chemicals(Covington,KY)のAQUALON)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
約20kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約8.4kg、水中固形分約50%のジスルホン化ジフェニルオキシドのアルキル置換体、DOWFAX C10L(Dow Chemical))、両性界面活性剤溶液(約6.7kg、水中固形分約30%のラウラミドプロピルベタイン、AMPHITOL 20AB(花王株式会社)、温水(約12kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約4kg、水中固形分約20%のC14~C16オレフィンスルホン酸ナトリウム、ALFANOX 46(花王株式会社)、及び無機塩溶液(約1.7kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Dow ChemicalのWALOCEL CRT)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
約10kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約9kg、水中固形分約60%の直鎖ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、例えば、CALSOFT F90(Pilot Chemical))、両性界面活性剤溶液(約4.5kg、水中固形分約35%のコカミドプロピルベタイン、例えば、Stepan CompanyのAMPHOSOL CA)、温水(約9kg)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約11kg、水中固形分約3%のラウリルエーテル硫酸ナトリウム、例えば、Pilot Chemical Co.のCALFOAM ES-703)、及び無機塩溶液(約2kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Ashland Chemicals(Covington,KY)のAQUALON)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
約10kgの温水(約75℃)に、以下の成分を逐次的に添加し、各成分の添加後に、発泡を最小限に抑える方法で約30分間撹拌した:第1のアニオン性界面活性剤溶液(約9kg、水中固形分約60%の直鎖ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、例えば、CALSOFT F90(Pilot Chemical))、両性界面活性剤溶液(約4.5kg、水中固形分約35%のコカミドプロピルベタイン、例えば、Stepan CompanyのAMPHOSOL CA)、エチレングリコールブチルエーテルが溶解された温水(約9kgの水及び約1kgのエーテル)、第2のアニオン性界面活性剤溶液(約11kg、水中固形分約3%のラウレス硫酸ナトリウム、例えば、Pilot Chemical Co.のCALFOAM ES-703)、及び無機塩溶液(約2kg、水中固形分約30%の塩化カルシウム、塩化カルシウムは固体及び溶液の両方の形態で、例えば、OxyChem(Ludington,MI)から入手できる)。得られた混合物を、周囲温度まで自然冷却し(約8時間)、次いで増粘剤(約4kgの水中固形分約1.5%のナトリウムカルボキシメチルセルロース、例えば、Ashland Chemicals(Covington,KY)のAQUALON)を添加する。この混合物に、所望量の防錆剤を添加し、任意選択で消泡剤及び着色剤の一方又は両方を更に添加して、最終的な切削流体濃縮物を得る。
本開示は、高固形分(高固体濃度とも呼ばれる)の切削流体を提供し、これは濃縮物(又は切削流体濃縮物)と呼ばれ、機械加工又は製作加工操作に使用する前に水で希釈され得る。表1は、機械加工されている金属及び当該金属に適用されている工程によって特徴付けられる様々な機械加工操作を識別している。工程は、ブローチ加工、タップ加工、ホブ切り、切削、ドリル加工、ミリング、旋削、のこ引き、ホーニング、及び研削等、金属ワーク加工に使用される工程の代表的なものである。これらの工程の各々は、金属ワーク加工又は機械加工工程の間に金属に切削流体を適用することから利益を受ける、その際、切削流体の所望量は、具体的な工程だけでなく、工程に供される金属の特性によっても変わる。表1は、様々な工程の識別に加えて、8種の一般的な金属すなわち、アルミニウム(Al)合金、真鍮、鋳鉄(キャストアイアンとしても知られる)、青銅、低炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、及びチタン(Ti)合金を識別している。選択した各工程及び金属について、表1は、有効な切削流体を調製するために本開示の切削流体濃縮物1部に添加され得る水の部数を示す。例えば、青銅は、10部の水と1部の本開示の切削流体濃縮物から調製される切削液を用いてブローチ加工され得る。別の実施例では、チタン合金は、本開示の切削流体濃縮物1部につき5~10部のいずれかの水を組み合わせることによって調製される切削流体を用いて旋削され得る。
例えば、18質量%のドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、9質量%のコカミドプロピルベタイン、8質量%のヒドロキシエチルセルロース、5質量%のラウレス硫酸ナトリウム、4質量%の塩化カルシウム、2質量%のエチレングリコールブチルエーテル及び54質量%の水を有する濃縮物を利用した場合、これは水で10倍に希釈される。防錆剤は、1:150の混合比に基づき、1.5×濃縮物/10000ppmで添加される。消泡剤は、1:150の混合比に基づき、0.15×濃縮物/1000ppmで添加される。着色剤は、1:150の混合比で0.0000095×濃縮物(リットル)/10ppmで添加される。防錆剤は、濃縮物の完全希釈の1%に基づく(1:150の混合比)。消泡剤は、濃縮物の完全希釈の0.01%に基づく(1:150の混合比)。抗微生物剤は、任意選択で添加されてもよい。
例えば、振動試験を実施して、実施例11に記載の切削流体組成物を市販の乳化油と比較した。切削は、3,000rpmのブレード運動で、250mm/分にてミリング操作中に実施した。x軸方向の振動は、市販乳化油の0.08179268に対し、実施例11の金属切削流体では0.056828924と測定され、振動振幅は30.5%低下した。y軸方向の振動は、同じ市販乳化油の0.07328386に対し、実施例11の金属切削流体では0.044023185と測定され、振動振幅は39.9%低下した。z軸方向の振動は、同じ市販乳化油の0.077851914に対し、実施例11の金属切削流体では0.059323387と測定され、振動振幅は23.8低下した。
中炭素鋼のミリング操作を用いて粗さ試験を実施した結果、市販の乳化油は、平均Rmax(μm)としての粗さが4.972であったのに対し、実施例11の金属切削流体はRmax(μm)が3.913であった。従って、本開示の金属切削流体は、市販の乳化油と比較して、切削部品の粗さの21.3%低下をもたらした。
表1に示すように、本開示の材料加工濃縮物の5~15倍希釈は、好適には、多種多様な金属及びその他の機械加工操作に使用される。一実施形態において、本開示は、本開示の濃縮物の5~15倍希釈から得られる組成物を提供する。一実施形態において、本開示は、本開示の濃縮物の5倍希釈から得られる組成物を提供する。別の実施形態において、本開示は、本開示の濃縮物の15倍希釈から得られる組成物を提供する。
この組成物は、表1に示した機械加工操作、すなわち、アルミニウム(Al)合金、真鍮、鋳鉄(キャストアイアンとしても知られる)、青銅、低炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、及びチタン(Ti)合金のいずれかのブローチ加工、タップ加工、ホブ切り、切削、ドリル加工、ミリング、旋削、のこ引き、ホーニング又は研削の各々に使用できる。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔1〕水、第1の界面活性剤、増粘剤、及び防錆剤を含む、加工流体組成物。
〔2〕水、第1の界面活性剤、無機塩、及び防錆剤を含む、加工流体組成物。
〔3〕前記第1の界面活性剤がアニオン性界面活性剤である、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔4〕前記第1の界面活性剤が、スルホナート基を含む又はスルファート基を含むアニオン性界面活性剤である、前記〔3〕に記載の組成物。
〔5〕前記第1の界面活性剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムである、前記〔3〕に記載の組成物。
〔6〕前記第1の界面活性剤がラウレス硫酸ナトリウムである、前記〔3〕に記載の組成物。
〔7〕前記第1の界面活性剤が両性界面活性剤である、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔8〕前記両性界面活性剤がベタイン基を含む、前記〔7〕に記載の組成物。
〔9〕前記第1の界面活性剤がコカミドプロピルベタインである、前記〔7〕に記載の組成物。
〔10〕2種の界面活性剤を含み、前記2種の界面活性剤の各々がアニオン性界面活性剤である、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔11〕前記2種の界面活性剤がスルファート含有界面活性剤及びスルホナート含有界面活性剤である、前記〔10〕に記載の組成物。
〔12〕前記2種の界面活性剤がラウレス硫酸ナトリウム及びドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムである、前記〔10〕に記載の組成物。
〔13〕2種の界面活性剤を含み、1種がアニオン性界面活性剤であり、もう1種が両性界面活性剤である、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔14〕前記2種の界面活性剤がスルファート含有アニオン性界面活性剤及びベタイン含有両性界面活性剤である、前記〔13〕に記載の組成物。
〔15〕前記スルファート含有アニオン性界面活性剤がラウレス硫酸ナトリウムであり、前記ベタイン含有両性界面活性剤がコカミドプロピルベタインである、前記〔14〕に記載の組成物。
〔16〕前記2種の界面活性剤がスルホナート含有アニオン性界面活性剤及びベタイン含有両性界面活性剤である、前記〔13〕に記載の組成物。
〔17〕前記スルホナート含有アニオン性界面活性剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムであり、前記ベタイン含有両性界面活性剤がコカミドプロピルベタインである、前記〔16〕に記載の組成物。
〔18〕3種の界面活性剤を含み、前記3種の界面活性剤のうち2種が同一ではないアニオン性界面活性剤であり、前記3種の界面活性剤のうち1種が両性界面活性剤である、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔19〕前記3種の界面活性剤がスルファート含有界面活性剤、スルホナート含有界面活性剤、及びベタイン含有界面活性剤である、前記〔18〕に記載の組成物。
〔20〕前記3種の界面活性剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウレス硫酸ナトリウム、及びコカミドプロピルベタインである、前記〔19〕に記載の組成物。
〔21〕前記防錆剤が亜硝酸ナトリウムである、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔22〕前記防錆剤が亜硝酸ナトリウムである、前記〔20〕に記載の組成物。
〔23〕セルロース系増粘剤である増粘剤を含む、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔24〕前記セルロース系増粘剤がヒドロキシエチルセルロースである、前記〔23〕に記載の組成物。
〔25〕セルロース系増粘剤である増粘剤を含む、前記〔20〕に記載の組成物。
〔26〕前記セルロース系増粘剤がヒドロキシエチルセルロースである、前記〔25〕に記載の組成物。
〔27〕塩化カルシウムである無機塩を含む、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔28〕無機塩を含む、前記〔20〕に記載の組成物。
〔29〕前記無機塩が塩化カルシウムである、前記〔28〕に記載の組成物。
〔30〕消泡剤を含む、前記〔1〕又は〔2〕に記載の組成物。
〔31〕前記消泡剤がシリコーンポリマーである、前記〔30〕に記載の組成物。
〔32〕消泡剤を含む、前記〔20〕に記載の組成物。
〔33〕前記消泡剤がシリコーンポリマーである、前記〔32〕に記載の組成物。
〔34〕セルロース系増粘剤、無機塩、及び消泡剤のうちの1つ以上を含む、前記〔20〕に記載の組成物。
〔35〕セルロース系増粘剤、無機塩、及び消泡剤を含む、前記〔20〕に記載の組成物。
〔36〕水、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウレス硫酸ナトリウム、コカミドプロピルベタイン、セルロース系増粘剤等の増粘剤、及び防錆剤を含む、前記〔1〕に記載の組成物。
〔37〕水、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウレス硫酸ナトリウム、コカミドプロピルベタイン、塩化カルシウム等の無機塩、及び防錆剤を含む、前記〔2〕に記載の組成物。
〔38〕金属、石、ガラス及びプラスチックから選択される材料を機械加工する方法であって、前記〔1〕~〔37〕のいずれか一項に記載の組成物を含む組成物を、前記機械加工されている材料からの熱を放散するのに有効な量及び時間で、機械加工されている材料ピースに適用することを含む、方法。
〔39〕前記機械加工されている材料が、アルミニウム合金、真鍮、鋳鉄、青銅、低炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、及びチタン合金から選択される金属である、前記〔38〕に記載の方法。
〔40〕前記加工されている材料が石である、前記〔38〕に記載の方法。
〔41〕前記機械加工されている材料がプラスチックである、前記〔38〕に記載の材料。
〔42〕前記材料がガラスである、前記〔38〕に記載の材料。
〔43〕前記機械加工されている材料ピースが、ブローチ加工、タップ加工、ホブ切り、切削、ドリル加工、ミリング、旋削、のこ引き、ホーニング、及び研削から選択される工程に供されている、前記〔38〕に記載の方法。
Claims (20)
- 水、ベタイン基を含む両性界面活性剤から選択される第1の界面活性剤、スルホネート基を含むアニオン性界面活性剤から選択される第2の界面活性剤、スルファート基を含むアニオン性界面活性剤から選択される第3の界面活性剤、消泡剤、及び防錆剤を含み、前記第3の界面活性剤は前記第2の界面活性剤とは異なる、加工流体組成物。
- 前記第1の界面活性剤がコカミドプロピルベタインである、請求項1に記載の組成物。
- 前記第2の界面活性剤がドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムである、請求項1に記載の組成物。
- 前記第3の界面活性剤がラウレス硫酸ナトリウムである、請求項1に記載の組成物。
- 前記消泡剤がシリコーンポリマーである、請求項1に記載の組成物。
- 前記防錆剤が亜硝酸ナトリウムである、請求項1に記載の組成物。
- さらに増粘剤を含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記増粘剤がセルロース系増粘剤である、請求項7に記載の組成物。
- 前記セルロース系増粘剤がヒドロキシエチルセルロースである、請求項8に記載の組成物。
- さらに無機塩を含む、請求項1に記載の組成物。
- 無機塩が塩化カルシウムである、請求項10に記載の組成物。
- さらに有機溶媒を含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記有機溶媒がエチレングリコールブチルエーテルを含む、請求項12に記載の組成物。
- 水、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウレス硫酸ナトリウム、コカミドプロピルベタイン、ヒドロキシエチルセルロース、シリコーンポリマー、エチレングリコールブチルエーテル、塩化カルシウム、及び亜硫酸ナトリウムを含む、請求項1~13のいずれか一項に記載の組成物。
- 金属、石、ガラス及びプラスチックから選択される材料を機械加工する方法であって、請求項1~14のいずれか一項に記載の組成物を含む組成物を、前記機械加工されている材料からの熱を放散するのに有効な量及び時間で、機械加工されている材料ピースに適用することを含む、方法。
- 前記機械加工されている材料が、アルミニウム合金、真鍮、鋳鉄、青銅、低炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、及びチタン合金から選択される金属である、請求項15に記載の方法。
- 前記加工されている材料が石である、請求項15に記載の方法。
- 前記機械加工されている材料がプラスチックである、請求項15に記載の方法。
- 前記材料がガラスである、請求項15に記載の方法。
- 前記機械加工されている材料ピースが、ブローチ加工、タップ加工、ホブ切り、切削、ドリル加工、ミリング、旋削、のこ引き、ホーニング、及び研削から選択される工程に供されている、請求項15に記載の方法。
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