KR100193918B1 - 신규의 수용성 금속작업유 - Google Patents

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죤 에이치. 뷰센
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Abstract

본 발명은 철금속과 비철금속 모두에 있어서, 절삭, 굽힘, 연삭 및 성형 등의 공정에서 윤활제로서 유용한, 폴리아스파르트산과 이들의 염들을 포함하는 신규의 수용성 금속작업유에 대한 것이다. 본 발명의 폴리아스파르트산과 이들의 염들은 쉽게 생분해되므로 특별한 처리없이도 사용을 한 후에 용이하게 처리할 수 있다는 특별한 장점을 갖고 있다.

Description

[발명의 명칭]
신규의 수용성 금속작업유
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 생분해성이 있고, 재생을 필요로 하지 않는 신규의 수용성 금속작업유(working fluid)에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 절단, 연삭, 성형 및 윤활유를 필요로 하는 다른 금속작업에 유용한 폴리아미도 염들(polyamido salts)에 관한 것이다. 개시된 폴리아미도 화합물들은 또한 부식을 방지하며 유동유(current oil)를 기재로 한 유체들 보다는 환경적으로 더 만족하다.
[발명의 배경]
환경적 요인들에 대한 관심 때문에, 이미 공지된 오일을 포함하는 금속작업유는 재생이용 또는 폐수처리를 필요로 하게 되며, 다른 방법으로는 이들을 하수처리시스템으로 방출처리하게 된다. 어떤 경우에는 폐수처리비용이 유체의 초기비용과 거의 맞먹는 주요한 비용이 되기도 한다.
금속작업유는 여러가지의 금속작업 용도에서 수많은 기능을 한다. 전형적으로 이러한 기능은 공작물(work piece)과 공구(tool)로부터 열의 제거(냉각), 칩(chips)과 공구 및 공작물간의 마찰의 감소(윤활), 작업에 의하여 생성된 금속 파편의 제거, 부식의 감소 또는 억제와 공작물과 공구사이에서와 같은 가장자리상의 점착물의 침착(build-up on edges)의 방지 또는 감소를 포함한다.
통상적으로 이런 기능의 컴비네이숀(조화)은 특별한 금속 작업운전을 위하여 필요한 최선의 특성을 이룰 수 있도록 각성분들의 조제 또는 조합을 필요로 하게 된다.
일차 아미드, 에틸렌디아민, 테트라아세트산, 지방산 에스테르 및 알칸올아민 염들과 같은 오일함유 금속작업유를 대신하기 위하여 여러가지의 유체들이 최근에 제안되었다. 이러한 화합물들은 작업유의 유용한 사용기간동안에 이런 화합물을 포함하는 정제를 용해시킴으로써, 사용동안에 다시 보충될 수 있다(사토(Sato)의 미국특허 제4,144,188호 참조).
아민은 항균제로서 절삭유로 유용한 것으로 알려져 왔다. 이러한 아민은 아닐리노아민과 p-벤키실아미노페놀과 같은 아릴알킬아민 등을 포함한다(노다(Noda) 등의 EPO 90-400732호 참조).
상기한 바와 같이, 산업면에서 발생하는 문제점들중의 하나는 금속작업유의적절한 처리문제이다. 위에서 언급된 아민은 생분해(biodegradation)에 의하여 작업유로부터 제거되며, 이 분해는 침전탱크, 처리탱크와 슬러지처리탱크와 같은 시설을 필요로 한다. 이러한 시스템은 일본특허 제03181395호에 개시되어 있다. 폐기물처리와 오일제거시스템의 다른 방법들도 환경적 표준치에 따르도록 이용된다.
최근에 이용되는 오일함유 수용성 금속작업유의 경우 항상 작업자의 위생이 쟁점이 된다. 이러한 작업유는 절단, 굽힘, 나사절삭 및 다른 금속작업예에서 작업유를 사용하는 작업자들과의 접촉을 피할 수 없게끔 한다. 이러한 오일함유작업유는 계속 작동되는 공작물의 부위에 미스트(mist)를 만들고, 이 미스트는 기계와 운전자의 근접부위내에서 공기를 통하여 이동한다.
영국특허 제2,252,103호에 기재된 바와 같이, 미스트 문제를 감소시키기 위한 여러가지의 시도들이 이루어져 왔다. 아크릴아미드, 소듐 아크릴레이트와 N-n-옥틸아크릴아미드의 공중합체를 포함하는 폴리머 중점제(thickner)가 상기 특허에 개시되어 있다. 공중합체는 수용성 및 수불용성 모노머로 제조된다. 수용성 금속작업유를 통상적으로 사용하는 작업장에서는, 이들 작업유의 미스팅(misting)과 표류(drift) 때문에, 특수한 냄새가 작업장 전지역을 침투하게 된다. 대개 이러한 냄새는 불쾌하지만 피할 수 없는 조건이므로 참고 지내야 한다. 따라서, 고도의 생분해성의 냄새가 없고, 미스팅이 없으며, 절단작업에 특히 유용한 수용성 금속작업유가 필요하게 되었다. 이런 작업유는 폐수처리비용을 면제해 주고 작업을 할 수 있는 만족한 분위기와 더 좋은 위생시설을 지닌 작업장을 제공해 준다.
아스파르트산 무수혼합물을 중합시켜서 폴리숙신이미드를 생성하는 반응을 촉매화 하는 여러가지의 방법들이 발견되었다. 무수환경하에서 수행하는데 바람직한 촉매는 인산(phosphoric acid)이다.
인산은 아스파르트산의 열축합반응을 위하여 훌륭한 촉매로서 오랜동안 공지되어 왔으며, 액체 또는 페이스트상의 혼합물을 만들기 위하여 다량이 전통적으로 사용되어 왔다. 그러나, 실질적으로 유동성 분말을 유지하기 위해서는 대체적으로 소량 사용이 또한 공지되어 있다. 예를 들면, 이는 네벨(knebel) 등의 미국특허 제5,142,062호에 개시되어 있으며, 여기서 아스파르트산/촉매의 중량비는 1:0.1로부터 1:2 비율의 범위로 사용가능하다. 또한, 폭스(Fox)와 하라다(Harada)도 단백질 화학의 분석방법이라는 간행물에서 α-아미노산의 열축중합반응법을 설명했으며, 여기에서는 아스파르트산/촉매의 몰비가 1:0.07로 사용된다. 또한, 폭스와 하라다는 아미노산의 축중합반응을 위한 매우 효과적인 촉매로서 폴리포스포릭산의 사용을 설명하고, o-인산(o-phosphoric acid)의 사용시에 필요한 온도이하의 온도도 적용가능함을 보여준다.
[발명의 간단한 설명]
본 발명들은 아스파르트산의 중합반응으로부터 유래된 산, 염들 및 아미드들로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리아스파르틱 중합체들(polyaspartic polymers)을 포함하는, 냄새가 없고, 미스팅이 없는 높은 생분해성의 수용성 금속작업유를 발견하게 되었다. 이러한 중합체들은, L-아스파르트산의 열축합에 의하여 폴리숙신이미드를 생성시키고 이어서 이를 공지된 방법으로 가수분해시켜, 수용성이고, 고도로 생분해성인 폴리아스파르트산 또는 염들을 얻는 방법으로 제조된다. 이런 중합체들은 통상적으로 분자량이 약 1000∼약 40,000 범위내이다.
물에 용해시에, 이런 중합체들은 절단, 나사절삭, 굽힘, 연삭, 브로칭절삭, 태핑(tapping), 평삭가공, 기어형절삭, 리머가공, 심공드릴링/건드릴링(deephole drilling/gun drilling), 드릴링, 보링(boring), 호브절삭(Hobbing), 밀링, 터닝 및 여러가지 철금속과 비-철 금속의 소우잉(sawing) 성형과 같은 여러가지의 작동예에서 고도로 바람직한 물을 기재로 하는 금속작업유를 제공한다.
[발명의 상세한 설명]
전형적으로, 본 발명의 금속작업유는 폴리아스파르트산 또는 이들의 염을 물중에서의 중량으로, 약 0.5%∼약 70% 범위의 농도로 포함한다.
본 발명의 바람직한 조성물은 물중에 폴리아스파르트산 또는 이들의 염을 약 3∼약 15중량% 포함한다.
폴리아스파르트산 또는 이들의 염들은 물중에서 쉽게 녹기 때문에, 유용한 양을 혼입하기 위하여 특별한 방법을 취할 필요가 없다. 본 발명의 금속작업유는 물중에 단지 폴리아스파르트산, 이들의 염 또는 아민을 포함할 수 있으므로, 이러한 작업유내에서 바람직한 특성을 증진시키도록 다른 성분들을 포함시키는 것이 통상적이다. 금속작업 응용예에서 본 발명의 조성물의 사용에 따라 더 넓은 기능을 할 수 있도록 성능을 증진시키거나 성능발휘에 도움이 되도록 여러가지 첨가제들이 본 발명의 조성물에 사용될 수 있다. 첨가제들의 유형은 계면윤활제, 부식억제제, 산화방지제, 세척제와 분산제, 점도개선제, 유화개질제, 내마모 및 감마재와 발포(foam) 억제제 등을 포함한다.
예를 들면, 첨가제들은 마모억제제, 윤활제, 극압제(extreme pressure agents), 마찰개질제 등과 같이 계면윤활을 증진시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 첨가제들의 전형적인 에는 금속디알킬 디티오포스페이트, 금속디아릴 디티오포스페이트, 알킬포스페이트, 트리크레실포스페이트, 2-알킬-4-머캡토-1,3,4-티아디아졸, 금속디알킬 디티오카바네이트, 금속디알킬포스포로디티오에이트 등이며, 여기에서 금속은 전형적으로 아연, 몰리브덴, 텅스텐 또는 다른 금속들이고, 인산화된 지방(fats)과 올레핀, 황산화된 지방과 올레핀과 파라핀, 지방산, 카르복실산과 이들의 염, 지방산의 에스테르, 유기몰리브덴 화합물, 몰리브덴 디설파이드, 흑연과 붕산염 분산액이다. 이러한 계면윤활첨가제들은 선행기술에 잘 알려져 있다. 다른 첨가제들은 세제와 세척기능을 제공하는 분산제를 포함한다.
본 발명의 폴리아스파르트산 화합물들은 어떤 범위의 pH에서는 부식억제제로서의 기능을 하지만, 폴리아스파르트산, 염 또는 아미드가 부식억제제로서의 기능을 할 수 없는 pH 범위내에서도 이 기능을 할 수 있게끔 부식억제제를 본 발명의 조성물에 사용할 수 있다. 선행기술상에 공지된 부식억제제들의 전형적인 예는 크롬산아연, 아연디티오포스페이트와 같은 디티오포스페이트, 금속이 알카리금속인 금속설폰네이트, 에탄올아민과 같은 알칸올아민, 알킬그룹의 골격이 여러가지의 성질을 제공하도록 치환된 치환알칸올아민, 헥실아민과 트리에탄올아민과 같은 알킬아민, 붕산소다와 붕산염과 아민과의 혼합물들과 같은 붕산염화합물, 높은 pH 조건(10 이상)에서 폴리아스파르트산을 포함하는 카르복실산과 경수에 특히 유용한 알킬아미도 카르복실산, 소듐몰리브레이트, 모노벤질브레이트와 같은 붕산에스테르와 여러가지 에탄올아민과 붕산(또한 바이오스태트(biostat)로 작용), 벤조산, 벤조산의 니트로 유도체, 암모늄벤조에이트, 히드록시벤조산, 소듐벤조에이트, 1,1-(카르복시메틸티오) 운데카노익산트리에탄올 아민염과 같은 카르복시 메틸티오그룹을 갖는 카르복실산의 트리에탄올아민염 등이다. 부식억제제의 더 상세한 검토는 Aruna Bahadur의 Chromate Substitutes for Corrosion Inhibitors in Cooling Water System이라는 간행물, 11(1-2), pp 105∼122, 1993에서 제공된다.
본 발명의 전형적인 조성물은, 부식억제제를 중량으로 약 1%∼10% 포함하고, 이와 함께 폴리아스파르트산의 염 또는 아미드를 약 5%∼30% 포함하는 수용액이다.
본 발명의 조성물은 L-아스파르트산의 열축합반응에 사용되는 최소량의 촉매를 포함할 수도 있으며, 이 반응에 의하여 중합체가 만들어진다. 전형적으로 이런 촉매는 인산과 같은 산인데, 이는 이미드 중합체의 가수분해반응 동안에 상응하는 염으로 전환된다.
전형적인 산화억제제는 아민과 다른 금속의 디티오 포스페이트, 힌더드(hindered) 페놀, 금속페놀설파이드, 금속-유리(metal-free) 페놀설파이드, 방향족 아민을 포함한다.
본 발명의 조성물이 사용되는 많은 작업은 금속표면으로부터 제거되어져야만 하는 입자들을 만들기 때문에 본 발명의 조성물에는 세제와 분산제가 사용된다.
전형적인 분산제들은 폴리아민 숙신이미드, 알킬렌 옥사이드, 히드록시 벤질폴리아민, 폴리아민 숙신아미드, 폴리히드록시 숙신산에스테르 및 폴리아민 아미드 이미다졸린을 포함한다. 전형적인 세제들은 금속설포네이트, 오버베이스(overbased) 금속설포네이트, 금속페네이트 설파이드, 오버베이스 금속페네이트 설파이드, 금속살리실레이트와 금속 티오포스포네이트를 포함한다.
따라서, 본 발명의 조성물들은 또한 계면활성제, 극압제, 완충제, 중점제, 항균제 및 이러한 조성물에 통상적으로 사용되는 다른 보조제들도 포함한다.
본 발명의 폴리아스파르트산은 아스파르트산의 열축합에 의하여 제조된다. 이러한 목적을 위해서는 수많은 다른 방법들이 공지되어 있다. 예를 들면, 반응물질을 다음의 인접하는 더 낮은 레벨의 트레이(tray)로 인도하도록 수평면에서 원통형으로 이동하는 트레이의 상부레벨로 아스파르트산을 도입하는 트레이 드라이어를 이용하는 연속공정이 근래에 발견되었다. 드라이어에서 체재시간은 트레이레벨의 수, 드라이어를 통하는 공기와 같은 가열기체의 순환 및 온도에 의하여 조절된다. 이러한 장치에서 온도는 대개 약 200 ∼350℃ 사이이고, 체재시간은 약 1.5∼3시간 범위내이다.
전형적인 트레이 드라이어는 Fort Lee, New Jersey의 Wyssmont회사 제품이 사용될 수 있다.
이러한 방법에 사용할 수 있는 또 다른 트레이드라이어는 Florence, Kentucky의 Krauss Maffe사에서 제작한 트레이 드라이어이다. Krauss Maffe 트레이 드라이어에서 가열된 트레이는 고정된 상태이며, 반응물은 축을 따라서 회전하는 플로우(plow) 또는 쇼벨(shovel)에 의해 각각의 플레이트로 이동된다. 또 반응물은 선택적으로 트레이의 내부 또는 외부 가장자리에서 한 트레이레벨로부터 다음의 트레이레벨로 떨어진다. 반응물은 트레이에 의하여 바로 가열된다.
D-, L- 또는 DL-아스파르트산과 같은 폴리아스파르트산을 만들기 위하여 사용될 수가 있는 아스파르트산은 몇개의 이성질체가 있지만, 여기에서는 L-아스파르트산을 사용하는 것이 바람직하다.
촉매가 반응에 사용되면, 드라이어내에서 체재시간은 약 1시간∼1.5시간 사이로 작아질 수 있으며, 이는 상기한 바와 같은 여러가지 요인들에 따라 달라진다.
순환기체(circulating gas) 중의 이산화탄소가 적어도 체적비로 약 5% 존재시에는 열축합반응을 촉매화 할 수 있음이 최근에 발견되었다. 순환기체중의 CO2의 양은 보통 체적비로 약 10%이다.
본 발명의 폴리아스파르트산을 만들기 위해서는 여러가지의 반응물들을 사용할 수 있다. 전형적인 반응기는 스위스의 Aerni, A.G. Augst사의 상용품인 List 반응기와 모델 FM130 실험실용 믹셔와 같은 리틀포트반응기와 후로렌스, K.Y.의 Littleford Bros. Inc. 회사의 더 큰 생산품 모델을 포함한다.
리틀포드 믹서는 유체상 조건을 만들기 위하여 충분한 교반(agitation)을 제공하며, 전개되는 입자들의 어떠한 덩어리들을 분쇄하고, 또 유체상에 추가적인 전단력을 제공하도록 초퍼(chopper)를 설치할 수 있다. 믹서에 의하여 제공되는 교반반응기간 내내 실질적으로 분산이 유리된 상태(fro-flowing)로 입자를 유지하기에 충분해야 한다.
전형적으로, 리틀포드믹서는 최소한 약 180℃에서 작동하며, 아스파르트산을 중합시키기에 충분한 시간동안 약 180℃∼약 250℃ 또는 그 이상의 온도범위로 가열상을 유지할 수 있다. 믹셔는 반응기를 통하는 퍼지기체흐름(seream)을 제공하기에 바람직하게 설비된다. 본 발명에 따라서, 기체흐름은 축합반응을 촉매화하기 위하여 충분한 양의 이산화탄소가 제공되며, 따라서 아스파르트산이 완전한 축합반응에 도달하는 시간은 상당히 감소하게 된다.
아스파르트산의 통상적인 열축합반응은 폴리숙신이미드 중간화합물을 만든다. 이 중간화합물은 알카리용액에 의하여 쉽게 가수분해되어 폴리아미파르트산이나 염으로 된다. 수산화나트륨과 같은 알카리금속염기, 약 12중량% 용액이 중간화합물을 원하는 폴리아스파르트산 또는 염으로 임의로 전환시키는 것이 알려졌다.
L-아스파르트산의 열축합에 의해서 생성된 폴리아스파르트산의 수용성 염들중의 어떤 것도 본 발명의 금속작업유조성물에 사용될 수 있다.
전형적인 염은 알카리금속염, 암모늄, 유기암모늄과 이들의 혼합물을 포함한다. 용어 알카리금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘과 루비듐을 포함한다.
유기암모늄염은 약 270 이하의 저분자량을 갖는 유기아민으로부터 제조되는 것을 포함한다. 유기아민은 알킬아민, 알킬렌아민, 알칸올아민을 포함한다. 전형적인 유기아민은 프로필아민, 이소프로필아민, 에틸아민, 이소부틸아민, n-아밀아민, 헥실아민, 헵틸아민, 옥틸아민, 노닐아민, 데실아민, 운데실아민, 도데실아민, 헥사데실아민, 헵타데실아민과 옥타데실아민을 포함한다.
어떤 반응기가 사용되든간에 L-아스파르트산의 열축합에 의하여 생성된 폴리아스파르트산 또는 이들의 염은, 본 발명에 유용하다. 이 중합체는 철금속과 비철금속상에서 금속작업을 할때 충분한 윤활성을 제공한다는 것이 발견되었다. 다른 소스(sources)로부터 유래한 폴리아스파르트산 또한 본 발명의 조성물 및 방법에 유용하다.
예를 들면, 폴리아스파르트산은, 후지모토등의 미국특허 제3,486,380호, Boehmke의 미국특허 제4,839,461호 및 하라다등의 미국특허 제4,696,981호에 공지된 바와 같은 말레산 또는 이들의 유도체들을 이용하는 축중합 반응으로부터 유도할 수 있다. 바람직하지는 않지만, 아미노산의 공중합체들도 하라다등의 미국특허 제4,590,260호에 따라서 제조된 공중합체와 같이, 본 발명에 이용할 수도 있다.
본 발명의 물을 기재로 하는 금속작업유는 폴리아스파르트산 또는 이들의 염들의 수용액과 관련된 냄새가 없다는 것이 특히 장점이다. 더우기, 보통의 물을 기재로 하고 오일을 포함하는 작업유는 통상적으로 공구작업지역 주변에서 미스트를 생성하지만, 본 발명의 작업유는 미스트를 만들지 않는다는 것이 관찰되었다. 미스트가 생성되지 않으므로 작업장은 빗나간 작동유가 실질적으로 유리되며, 기계류나 작업자들이 금속작동유에 의한 오염으로부터 벗어나게 된다.
본 발명의 물을 기재로 하는 금속작업유는 활성성분인, 폴리아스파르트산 또는 이들의 염들이 신속한 생분해속도를 가졌다는 것이 가장 큰 장점이다.
본 발명 금속작업유은 생분해성이 있으므로 이들의 폐수처리시 정상적인 방법을 통하여 하수처리시스템으로 방출할 수 있다. 이러한 작업유의 비용상 이점은 다른 폐수처리 방법을 사용시 초래되는 환경적 관심의 관점과 비교해 볼때 분명하다.
황동과 구리와 같은 비철금속과의 테스트 결과에 따르면 작업상에서 오염이 대체적으로 없을 뿐만 아니라, 공작물이 변색된 침전물이 대체적으로 없다. 사실상, 폴리아스트파르트산의 염들이 수용액은 카로타(Kalota) 등의 미국특허 제4,971,724호에 설명된 바와 같이 부식억제제임이 알려졌다. 따라서, 본 발명의 금속작업유를 사용하게 되면 특히 철금속과 같은, 금속들은 해로운 침전물을 만들지 않으며, 부식이 사실상 억제된다.
그러나, 폴리아스파르트산 수용액의 부식억제효과는 pH가 약 9 또는 그 이상인 용액들에게 까지 미친다.
본 발명의 폴리아스파르트산 또는 이의 유도체를 함께 사용한 제제는 수용액의 pH가 약 10 또는 그 이하면, 본 발명의 금속작업유 제제(조성물)에 방부·억제제를 혼입하는 것이 권장된다. 그러나, 금속작업유를 장기간 사용하는 실질적인 실시에서는, 본 발명의 폴리아스파르트 조성물의 pH는 대기중의 이산화 탄소와 같은 산성화제들과의 접촉 때문에 감소하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명의 모든 조성물에는 부식억제제를 포함시키는 것이 통상적이다.
부식억제제의 양은 특별한 억제제와 작업유가 사용되는 환경에 따라서 아주 크게 달라질 수 있다.
예를 들면, 크롬산아연을 부식억제제로 사용시 효과적인 양은 50ppm을 상회하거나 50ppm 정도이다.
본 발명의 금속작업유는 상술한 바와 같은, 여러유형의 금속을 사용하는 여러가지 금속작업예에서 유용하다. 특히 이들은 철, 스틸(탄소강과 저합금탄소강)과 스테인레스스틸과 같은 철금속 작업에서 유용하다. 본 발명의 작업유로 작동할 수 있는 비철금속은 구리, 황동과 알루미늄이다. 이러한 금속들은 본 발명의 물을 기재로한 작업유를 공급해주므로서 윤활성 있게 완전히 작업된다. 절삭작업에서 본 발명의 금속작업유의 특히 중요한 기능은 작업온도 뿐 아니라 공구의 온도를 더 낮게 유지시켜주는 냉각기능이다. 이러한 온도조절은 공구의 마모와 공작물의 비틀림을 최소로 하는데 도움이 된다.
본 발명의 금속작업유의 또다른 기능은 공구와 공작물 사이에서의 마찰이 감소 뿐만 아니라 절단(삭) 공정동안에 발생하는 칩(chip)과 공구사이의 마찰을 감소시키는 윤활(작용)이다. 여러가지 유형의 절삭공정에는 전형적으로 작은 조각의 금속칩들이 생성되는데, 이들이 절삭공구를 메우지 않도록 가능한 빨리 공작물에서 제거하는 것이 바람직하다.
[바람직한 실시예의 설명]
[실시예 1]
다음의 실시예에서는, 반응물질을 한쪽으로부터 다른쪽으로 통과시키므로서, 상술한 바와 같은 상업적으로 이용할 수 있는 트레이드라이어의 조건을 시뮬레이팅(simulating)하는 두개의 트레이를 갖는 트레이 드라이어의 실험실용 모델이 사용되었다. 상업용 모델의 트레이레벨을 바람직한 수지가 되게 하기 위하여 반응물질은 한쪽 트레이로부터 다른 쪽으로 통과되었다.
뉴져지주 포트리에 있는 Wyssmont 회사제의 Wyssmont 터보(turbo) 드라이어를 시뮬레이팅한 트레이 드라이어가 트레이상에서 깊이 2.5cm로서 트레이레벨당 L-아스파르트산 1kg을 첨가시켜서 작동되었다. 전체 28 트레이레벨이 사용되었다. 실험을 하는 동안 드라이어내를 순환하는 공기온도는 305℃로 유지하였다. 공기속도는 114.3미터/분으로 유지했으며, 트레이 회전은 3분/회전으로 고정시켰다. 이산화탄소의 양은 체적비로, 전체량 10%가 되도록 공기속으로 유입되었으며, 공기중의 이산화탄소는 트레이상에서 반응물과 접촉하였다. 여러반응시간대에서 트레이로부터 시료를 취하여, 중합체로 전환된 량, pH 색깔(APHA)과 분자량을 분석하였다. 분석결과 얻는 데이타를 아래의 표 1에 나타내었다.
[실시예 2]
금속작업유에서 중요한 인자는 텀프, 스프레이의 작용과 이러한 작업유의 유동에 의하여 생긴 거품(foam)의 양이다. 본 발명 작업유의 거품특성을 예능하기 위하여 거품특성에 대한 ASTM 표준방법을 실행했다. 테스트는 폴리아스파르트산의 나트륨염의 5% 수용액과 28% 수용액으로 실시되었다. 테스트지속시간은 5분이였으며, 폴리아스파르트산의 각각의 농도들에서와 여러온도에서 얻어진 데이타는 아래의 표 II에 나타내었다.
이 테스트의 결과에 의하여 알 수 있듯이, 본 발명의 금속작업유는 발포경향성이 실질적으로 없다.
[실시예 3]
Falex 테스트(ASTM D3233B)는 작업유온도 49℃, 290RPM과 폴리아스파르트산의 소듐염을 중량비로 5% 농도에서 실시하였다. 여기서 얻은 데이타는 아래의 표 3a에 나타내었다.
테스트를 하는 동안 300kgf와 750kgf 사이에서 끽끽거리는 소리가 감지되었으며, 750kGt에서 연기(smoke)가 발생하였다. 이 테스트는 하중변동과 소음 때문에 2000Lbf 하중에서 끝냈다. 중량비로 50%의 시료증발이 있었으며, 검은색의 점착물 증대가 부분적으로 관찰되었다. 최종의 액체온도는 약 54℃였다.
두번째 Falex 테스트는 폴리아스파르트산의 소듐염 28% 수용액인 작업유로써 실시하였다. 여기서 얻어진 데이타는 아래의 표 3b에 나타내었다.
테스트하는 동안 300kgf와 1250kgt 사이에서 끽끽거리는 소리(squealing)가 감지되었으며, 1500kgf 하중에서 연기가 발생하였다. 테스트는 하중변동과 소음 때문에 1026Lbf 하중에서 끝냈다. 증발은 없었으며 점착성이 증가됨이 관찰되었다. 최종의 액체온도는 70℃였다.
[실시예 4]
녹(rust) 테스트(ASTM D3603)는 평면상의 디스크 마일드 스틸 쿠우폰(horizontal disc mild steel coupon)으로써 실시했다. pH10.2의 폴리아스파르트산의 소듐염 5% 수용액이나 또는 28% 수용액에서 녹(rust)은 감지되지 않았다.
[실시예 5]
4-볼(four-ball) 마모시험(wear test)은 폴리아스파르트산의 소듐염 5% 수용액과 28% 수용액에 대하여 1200RPM에서 40kg. 힘(force)으로 실시했다. 테스트는 실온에서 1시간동안 진행되었다. 얻은 데이타는 아래의 표 4에 나타내었다.
[실시예 6]
마찰테스트의 4-볼(four-ball) 계수(four-ball coeficient)(Falex 6)는 폴리아스파르트산의 소듐염 5% 수용액과 28% 수용액을 사용하여 실시하였다. 테스트는 최초의 실온에서 1200RPM의 속도로 실시되었다. 여기서 얻은 데이타는 아래 표 5에 나타내었다. 이 테스트결과는 절삭유(cutting fluid)의 마찰계수(coefficient of friction)가 바람직한 상태임을 보여준다.
[실시예 7]
실시예 1의 생성물을 NaOH 12% 용액으로 가수분해하였다. 여러가지 농도에서 일련의 수용액을 소듐염으로부터 제조하고, 열/가수분해 안정성 테스트를 실시하였다. 테스트는 유기용기내에서 11일동안 78℃에서 실시되었다. 안정성은 pH 값으로 측정하였다. 테스트 결과는 아래의 표 6에 나타내었다.
[실시예 8]
7일 안정성테스트는 유리용기내에서 78℃의 온도로 실시예 8의 소듐염으로써 실시하였다. 안정성은 테스트기간동안의 분자량 손실의 변화로 측정하였다. 데이타상에서 약간의 분자량 손실이 나타나지만, 오래된 시료의 크로마토그래피 분석결과 테스트시료중에 아스파르트산은 나타나지 않았다. 테스트의 결과는 아래의 표7에 나타내었다.
[실시예 9]
4-볼 마모시험(ASTM D2266)은 나트륨 폴리아스파르트산염 28% 수용액을 이용해서 실시하였다. 또한 동일한 조건하에서 테스트했으며, 이는 롬 앤드 하스(Rohm Hass)사의 상표명 아큐솔(Acusol)로 시판되고 상용되는 물중에서 중량비로 28% 희석된 물을 기재로 한 금속작업유 첨가물이다. 비교를 위해서, 물(water)만을 사용하여서도 테스트하였다. 하중은 40kg이었으며, 속도는 625rpm이었다. 테스트는 49℃에서 1시간동안 실시되었다. 3회 판독의 평균값을 아래의 표 8에 나타내었다.
[실시예 10]
본 발명의 금속작업유를 다른 작업유와 비교하기 위하여 40kg 하중, 1200rpm과 최초온도 48.9℃로, 1시간동안 실시된 4-볼 마모테스트를 하였다. 폴리아스파르트산의 알킬아민염과 마찬가지로 4가지의 서로 다른 농도를 갖는 폴리아스파르트산의 소듐 염을, 다른 아미노산들, 사용되는 물을 기재로 하는 작업유, 윤활유 및 물현탁액과 비교하였다. 테스트의 결과를 아래의 표 9에 나타내었다.
[실시예 11]
선반(lathe), LeBlond Makino 모델 15-544은 카바이드로 코팅된 비트와 함께 256rpm의 속도로 작동시켰으며, 일련의 금속막대(흑색철, 마일드 스틸(mild steel), 스테인레스스틸과 알루미늄)를 비트셋트로 0.3125cm의 깊이로 절단하였다. 사용된 윤활제는 폴리아스파르트산(소듐염)의 14% 수용액이며, 이는 비트에 9.5l/분.의 비율로 유입된다. 금속의 리핑(ripping)은 없었으며, 매끄러운 절단이 이루어졌다.
[실시예 12]
폴리아스파르트산(PAA)의 여러가지 조제 수용액을 사용하여 일련의 4-볼 테스트를 실시하였다. 아래의 표 X는, 테스트로부터 얻은 데이타의 결과로서, 여기에서 TSPP는 테트라나트륨 피로포스페이트를 의미하고, CMC는 카르복시 메틸 셀룰로오스를 의미하며, 계면활성제는 브랜드명 폴리-터젠트(Poly-Tergent), SLF-18인 비이온성 계면활성제이다. 본 실시예의 테스트결과를 아래의 표 X에 나타내었다. 표 X에서 각 성분의 양은 중량%로 나타내었다. 점도는 37.7℃에서의 센티스톡스(centistokes)이며 홈의 직경은 mm 단위로 표시하였다. 아래의 표 10에서 LB400은 롱 프링회사 제품의 폴리옥시에틸렌 옥타 데케닐 에테르 포스페이트를 포함하는 상용할 수 있는 물을 기재로 하는 첨가제이다.
[실시예 13]
ASTM D2783의, 윤활유의 극압성질의 측정을 위한 표준방법(4 -볼 테스트)을 따른 공정으로 극압(Extreme-Pressure) 4-테스트를 실시하였다. 이 테스트는 일정한 조건들하에서 윤활유의 비교 하중운반성질을 등급을 매기기 위하여 사용하였다. 이 테스트에서는 하나의 스틸볼이 3개의 스틸볼이 정지된 상태로 있는 것과 대비하여 하중하에서 회전하였다. 테스트용 윤활유는 낮은 위치에 있는 3개의 볼을 덮었다. 하중의 테스트가 진행됨에 따라서 회전볼상에서 증가되며, 복상에서 홈 직경측정은 용접점(weld-point) 이하에서 열개의 상승하는 하중에 대하여 실시하였다. 데이타 결과는 아래의 표 13에서 하중마모지수(kgf)와 용접점(kgf)으로 표시하였다. 하중마모지수는 홈직경대 사용하중의 표로부터 계산하였다. 용접점 바로 이전의 가장 큰 10개 하중의 수정된 사용하중(헤르즈(Hertzian) 직경에 대한 보정)을 평균하였다. 홈직경(Scar diameter)은 동일한 사용하중에서 항상 측정되기 때문에 지수는 작업유와 금속의 함수이다. 모든 테스트들은 동일한 금속타입으로서 실행하므로 하중마모지수는 마모를 최소한으로 하기 위하여 일련의 윤활유 능력을 등급매기는데 사용된다. 표 13에서의 테스트데이타는 실험실 1과 2는 회전속도 1760rpm을 사용하는 반면에, 실험실 3은 회전속도 1800rpm을 사용하는 것을 제외하고는 동일한 조건을 사용하는 3개의 다른 실험실에서 얻어진다. 표에서, 고분자량의 폴리아스파르트산은 분자량 약 38,750의 중합체를 의미한다. 그렇지 않으면, 폴리아스파르트산의 분자량은 9200 범위내이다. 모든 경우에서, 소듐염은 이미드중합체의 가수분해결과로서 사용되었다.
[실시예 14]
이 실시예에서 테이핑 토크 테스트(Taping Torque Test)는 다른 작업유들로의 비교실험으로부터 데이타를 얻기에 특히 적합한 장치를 사용하여 금속제거 작업유를 비교하는데 사용되었다. 테이핑 작동동안에는 토크(torque)를 측정하기 위하여 사용된 이 방법과 장치는 J. A. S. L. E(Journal of the American Society of Lubrication Engineers) 36, 9, pp 513∼529, 1980년 9월호에서 T. H. Webb와 E. Holodnik에 의해 설명되었다. 이 방법은 금속제거유로서 윤활을 하는 동안에 블랭크 시편 너트(blank speciment nut)에서 나사를 테이핑하기에 필요한 토크를 측정해준다. 이 토크는 대조유로서 윤활을 하는 동안에 블랭크 시편를 나사절삭 하는데 필요한 토크에 비례하여 측정하였다. 테스트용작업유 대 대조 작업유의 평균토크값의 비는 효율로 정의된다. 두가지 이상의 작업유의 효율은 다른 탭(tap)상의 대조 작업유의 평균토크값이 통계학적으로 동등하다고 고려시에는 비교가능하다. 이 테스트에 사용된 금속은 1018스틸이다. 상표명 Sulkleer로 시판되고 있는 상용성 있는 금속제거유가 대조유로 사용되었으며, 효율은 상용성 있는 작업유를 사용시에 필요한 토크나누기 테스트용 작업유를 사용시에 측정한 토크 곱하기 100에 의해 결정된다. 더 낮은 효율은 테스트용 작업유를 사용해 측정한 더 높은 토크값에 의하여 나타난다. 이 테스트에서 얻은 데이타는 표 12에 설명된다. % 효율은 각 작업유에 대한 3회 실험값의 평균으로서 보고된다. 폴리아스파르트산의 소듐염을 수용액으로 테스트하고, 중화량은 표에서 pH로 나타난다. 각각의 경우에서, 폴리아스파르트 중합체는 L-아스파르트산의 열축합으로부터 생성된 이미드 중합체의 가수분해로부터 얻어진 소듐염이다.
폴리아스파르트산 용액의 테스트결과들은 모두가 폴리아스파르트산 작업유가 작동상으로는 비교할 수 있음을 나타내주는 상업용 절삭유 (commercial Cutting Oil )에 대하여 밝혀진 결과들의 범위내에 있다. 또한, 이 테스트에 의하여 측정한 바로는 분자량, 농도(5% 대 28%)와 윤활 첨가제 LB-400과 같은 변수들은 테이핑능력상에는 실질적으로 아무런 영향도 미치지 않는다.
표 12의 실험실 No. 3의 데이타에서 알 수 있듯이, 본 발명의 폴리아스파르트산 용액은 산용성이 있는 절삭유와 비교했을 때 상당히 높은 용접점을 제공한다. 이 데이타는 본 발명의 조성물들이 금속성형작업에 매우 유용하다는 것을 보여준다.
본 발명이 매우 상세하게 설명된 구체예들에 의하여 설명되었지만, 이 설명은 단지 예시이므로 본 발명은 여기에 제한되는 것이 아니며, 또 다른 구체예들과 작동기술들은 당업자들이 알 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 본 발명의 정신을 벗어나지 않는다면 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (28)

  1. 윤활제를 이용하는 금속작업방법에 있어서, 폴리아스파르트산과 그의 염 및 그의 아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리아스파르트 중합체를 0.5∼70중량% 포함하는 수용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 금속작업방법.
  2. 제1항에 있어서, 용액은 상술한 중합체를 5∼15중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 금속작업방법.
  3. 제1항에 있어서, 용액은 보조첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속작업방법.
  4. 제1항에 있어서, 금속작업은 나사절삭, 연삭과 성형으로 이루어진 군으로부터 선택된 절삭작업임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  5. 제1항에 있어서, 금속작업은 굽힘작업(bending)임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  6. 제5항에 있어서, 금속은 철금속임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  7. 제4항에 있어서, 금속은 비철금속임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  8. 제7항에 있어서, 금속은 황동임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  9. 제4항에 있어서, 금속작업은 나사절삭작업임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  10. 제9항에 있어서, 금속은 비철금속임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  11. 제10항에 있어서, 용액은 폴리아스파르트산을 5∼50중량% 포함함을 특징으로 하는 금속작업방법.
  12. 제9항에 있어서, 금속은 철금속임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  13. 제7항에 있어서, 금속은 알루미늄임을 특징으로 하는 금속작업방법.
  14. 제12항에 있어서, 용액은 폴리아스파르트산을 5∼50중량% 포함함을 특징으로 하는 금속작업방법.
  15. 폴리아스파르트산과 그의 염 및 그의 아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리아스파르트 중합체의 농도가 0.5∼70중량% 사이의 범위인 폴리아스파르트 중합체의 수용액과 부식억제제를 포함함을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  16. 제15항에 있어서, 부식억제제는 중량비로 50ppm∼15중량% 범위 내로 존재함을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  17. 제16항에 있어서, 중합체의 농도는 5∼10중량% 범위내임을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  18. 제16항에 있어서, 부식억제제의 농도는 1∼10중량% 범위내임을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  19. 제15항에 있어서, 조성물은 보조첨가제를 더 포함함을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  20. 제15항에 있어서, 중합체는 알카리금속염임을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  21. 제20항에 있어서, 염은 소듐염임을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  22. 제15항에 있어서, 중합체는 아미드임을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  23. pH 범위 8.5∼10을 갖는 나트륨 폴리아스파르테이트 수용액과 소량의 소듐 포스페이트와 부식억제제를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  24. 제23항에 있어서, 소듐 폴리아스파르테이트는 5∼30중량% 범위내로 존재함을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  25. 제24항에 있어서, 부식억제제가 1∼10중량% 범위내로 존재함을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  26. 제15항에 있어서, 부식억제제는 제조산 염임을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  27. 제26항에 있어서, 부식억제제는 나트륨 벤조에이트와 암모늄 벤조에니트로 이루어진 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
  28. 제25항에 있어서, 부식억제제는 나트륨 벤조에이트와 암모늄 벤조에이트로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 금속작업용 작업유 조성물.
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