KR100778914B1 - 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체에 무해한 금속 가공유에 생분해성 결합을 통해 항균성분을 접합시켜 시간에 따라 항균성분이 서서히 방출되도록 함으로써, 가공유의 항(抗)부패 성능이 향상됨과 더불어 인체나 대기 또는 수질 환경에 끼치는 유해성이 현저히 낮추어질 수 있는 친환경적인 수용성 금속 가공유를 제공하기 위한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 폴리알킬렌글리콜(Polyalkylene glycol:PAG)을 산화시켜 폴리알킬렌글리콜-디카르복실산을 만드는 단계와, 상기 폴리알킬렌글리콜-디카르복실산에 에스테르 결합을 이용하여 항균제를 접합시키는 단계를 포함하여서 된 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 제조방법이 제공된다.

한편, 본 발명은 [구조식]

로 표시되는 것을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유가 제공된다.

생분해성, 환경친화, 수용성, 금속, 가공유, 폴리알킬렌글리콜, 항균제

Description

생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 및 그 제조방법{biodegradable and environment-oriented type water soluble metal working fluid with good decomposition-resistance, and method for fabricating the same}

도 1은 본 발명의 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 제조 과정을 구조식을 통해 나타낸 도면.

본 발명은 수용성 금속 가공유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부패 방지 성능이 현저히 향상됨과 더불어 인체나 대기 또는 수질 환경에 끼치는 유해성이 현저히 낮아진 생분해성 친환경적인 금속 가공유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 금속 가공유(Metal working fluids, MWFs; 절삭유라고도 한다)란 금속 가공(metal machining) 과정에서 가공을 돕기 위해 사용되는 유제(油劑)를 말하는데, 절단 부위로부터 열을 추출하고 칩(chip)을 제거함으로써 공구의 연삭과 마찰을 감소시키는 목적으로 사용된다.

이러한 금속 가공유(MWFs)의 품질이 개선됨에 따라 마찰력의 감소에 의해 에 너지가 절약되고, 동시에 정밀한 작업과 마감된 제품의 표면 품질을 좋게 할 수 있으며 부가적으로 공구의 수명까지 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 수용성 절삭유는 NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)　 분류 방법에 따라 다음과 같은 4가지로 나뉘게 된다.

(1) 비수용성 금속 가공유 (Straight oil): 물을 포함하지 않으며 윤활 작용이 좋으나 냉각 작용이　나쁘다.

(2) 수용성 금속 가공유 (soluble): 석유계 기유(mineral oil)와 물의 에멀젼 형태.

(3) 합성유(Synthetic): 석유계 기유를 포함하지 않으며 냉각능력이 좋다.

(4) 준합성유(Semi-synthetic): 기유와 물의 에멀젼 형태이나 에멀젼 정도가 심한 것으로 때로는　 수용성 금속 가공유에 포함시키기도 한다. 비용과 열전달 능력에 있어서 수용성과 합성유의 중간이다.　　　　

이중 기유에 계면활성제, 극압첨가제, 살균방부제, 소포제, 부식방지제, 방청제, 착색제, 향료 등의 여러 가지 첨가제로 그 기능을 향상시킨 수용성 및 합성 금속 가공유의 사용이 점차 늘고 있으며, 이 수용성 금속 가공유는 사용하기 직전에 물로 10 ∼ 30 배 희석하여 사용함으로써 냉각성능 개선과 고온에서의 마모방지, 잔열로 인한 뒤틀림 방지 등의 효과를 얻을 수 있다.

그러나, 수용성 금속 가공유는 석유계 기유와 유화제 등 미생물의 영양원이 되는 물질을 많이 함유하고 있으며, 또 사용하는 공정에서 미생물의 혼입을 방지하는 것이 어렵기 때문에 쉽게 오염되게 되고, 이렇게 미생물이 과다 번식할 경우 pH 의 저하, 점도의 변화, 방청성의 저하 등 수용성 절삭유의 질이 저하되어 수명이 감소 될 뿐만 아니라 공구에 손상을 주고, 관을 막음으로써 공정에 지장을 주기도 한다.

한편, 이러한 미생물의 오염을 방지하거나 억제하기 위한 목적으로 방부제를 사용하는데, 이러한 살균 방부제에는 포름알데히드 비방출형(non-formaldehyde releaser)과 페놀 유도체, 트리아졸(triazoles)과 피리딘(pyridine)유도체 등이 있으며, 포름알데히드 방출형(formaldehyde releaser)에는 트리아진(triazine)과 이미다졸(imidazole) 등이 있다.

하지만, 수용성 금속 가공유에 많은 양의 부패방지제를 첨가하거나, 여러 종류의 부패방지제를 혼합하여 첨가 사용할 경우 인체에 대하여 경구독성을 유발하거나 피부 균열, 피부염, 피부암 등을 유발시키는 문제를 발생시킨다.

또, 수용성 금속 가공유를 통상적으로 사용하는 작업장에서는 작업유 미스트(mist)의 표류 때문에 특수한 냄새가 작업장 전 지역을 침투하게 된다.

이러한 환경은 인체에 유해하기 때문에 대기 또는 수질 등의 환경적 문제를 해결함과 함께 무해성이 강화된 금속 가공유의 개발 필요성을 더욱 절실히 부각시키고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속 가공유 중 환경에 가장 친화적인 합성유를 기반으로 하되, 인체에 무해한 것으로 알려져 있는 폴리알킬렌글리콜(Polyalkylene glycol:PAG)을 기본 성분으로 할 뿐만 아니라 항균 성분을 금속가공유 자체에 생분해성 화학적 결합을 통해 접합시킴으로써, 시간이 흐름에 따라 항균성분이 금속 가공유로부터 방출되어 향균성분의 농도가 오랜 시간동안 일정한 농도로 지속되게 하며, 이러한 항균성분의 지속성으로 인해 가공유의 항(抗)부패 성능이 향상되도록 하는 한편 인체나 대기 또는 수질 환경에 끼치는 유해성이 현저히 낮추어질 수 있도록 한 친환경적인 수용성 금속 가공유 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 생분해성 화학적 결합을 통해 항균성분이 서서히 방출되도록 함으로써, 가공유의 항(抗)부패 성능이 향상되도록 함과 더불어 인체나 대기 또는 수질 환경에 끼치는 유해성이 현저히 낮추어질 수 있도록 한 친환경적인 수용성 금속 가공유 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유는 다음의 [구조식]

으로 표시됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 항균제(biocide)로서는, 생분해성 화학적 결합이 가능한 항균제가 적용됨을 특징으로 한다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 폴리알킬렌글리콜 (Polyalkylene glycol, PAG)을 산화시켜 폴리알킬렌글리콜-디카르복실산 (Polyalkylene-dicarboxylic acid)을 만드는 단계와, 상기 폴리알킬렌글리콜-디카르복실산 (Polyalkylene-dicarboxylic acid)에 에스테르 결합을 이용하여 항균제(biocide)를 접합시키는 단계를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 제조방법이 제공된다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 알칸올아민 (Alkanolamine), 폴리글리콜 (Poly glycol), 폴리올 (Polyol) 중의 어느 하나에 대해 에스테르 또는 아미드 결합을 이용하여 항균제(biocide)를 화학적으로 결합시킴으로써, 자체적으로 항균성분을 지니도록 한 것을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 제조방법이 제공된다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 폴리알킬렌글리콜, o -페닐페놀, CMPI를 반응기에 투입하는 제1단계와; 용매 이염화메틸렌(CH₂Cl₂)와 벤젠(Benzene)을 섞은 후, DMAP를 넣어 녹이는 제2단계와; 제2단계에서 만들어진 이염화메틸렌 용액을 반응기에 투입하는 제2단계와; 반응기 내에 질소 기체를 공급하고 소정의 온도 분위기에서 반응이 이루어지도록 하는 제3단계와; 반응 완료 후 반응물로부터 필터링하여 결정화된 촉매를 제거하는 제4단계와; 촉매가 제거된 반응물을 분별 증류하여 층분리가 이루어지도록 하는 제5단계와; 층분리가 된 상태에서 이염화메틸렌 용액을 따로 증발시킴으로써, 항균제가 화학적으로 결합된 접합된 가공유를 얻는 제6단계;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 제조방법이 제공된다.

금속 가공유 및 그 제조방법에 있어서, 항균성분은 절삭유의 성능 저하와 항균제에 의한 독성문제로 인해 첨가될 수 있는 양이 제한되어 있다.

따라서 항균성이 좋으면서 독성은 적은 화합물을 이용하여 이러한 항균제 성분을 금속 가공유의 기본성분인 폴리알킬렌글리콜, 알칸올아민 (Alkanolamine), 폴리글리콜 (Poly glycol), 폴리올 (Polyol) 중의 하나에 결합시킴으로써 자체 내로 항균성분을 지니는 다기능 수용성 절삭유 첨가제를 합성하고자 한다.

또한, 본 발명의 환경친화형 금속 가공유는 알코올(-OH) 작용기 또는 아민(-NH2) 작용기를 가진 항균제의 경우에 적용이 가능하며, 다른 반응과 달리 반응 공정이 비교적 간단하고, 모두 실온 또는 낮은 온도에서 이루어지는 장점이 있다고 하겠다

본 발명에 따른 금속 가공유의 제조 공정의 전체적인 구성은 다음과 같다.

도 1은 항균제가 접합된 가공유의 제조 과정을 구조식을 통해 나타낸 것으로서, 도 1을 참조하면, 본 발명의 금속 가공유는, 폴리알킬렌글리콜(Polyalkylene glycol,PAG)을 준비한 후에(a), 크롬산과 황산으로 만든 시약을 이용하여 폴리알킬렌글리콜을 산화시키고(b), 에스테르 결합을 이용하여 항균제(biocide)를 산화된 폴리알킬렌-디카르복실산에 화학적으로 결합시켜 완성한다(c).

한편, 합성 물질인 본 발명의 금속 가공유는 핵자기공명분석기 (H1-NMR)와 고성능액체크로마토그래피 (High Performance Liquid Chromatography) 또는 자외선/가시광선 분광분석기 (UV/Vis spectrophotometer) 등을 이용해서 그 구조가 위에 표시된 구조식과 같음을 증명할 수 있다.

[실시예]

이하에서는 본 발명의 실시예에 대해 설명하고자 한다.

[1. 폴리옥시알킬렌 -디카르복실산 제조 합성 시험 ]

1.1 존스 리에이전트(Jone's Reagent) 제작

1) 실험 방법.

　　　- 10 ~ 15℃의 저온 항온 수조 안에 교반기와 함께 반응기를 설치한 후 500ml의 증류수에 CrO₃ 를 70g 천천히 투입하여 용해시켰다.

- 농축된 황산 , 61ml를 준비하여 스포이드를 이용하여 첨가하였고 이때 반응물이 격렬하게 반응하지 않도록 조금씩 첨가하였으며 황산의 첨가가 끝난 후 그 용액을 10~30 분간 더 교반하고, 실온에 도달할 때까지 기다렸다.

- 이로써 붉은 투명한 액체로 얻어졌다.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1.2 폴리옥시알킬렌-디카르복실산 3400품의 합성

1) 실험 방법.

- 폴리알킬렌글리콜의 한 종류인 폴리에틸렌글리콜(PEG-3400)을 이용하기로 하여, 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG-3400)을 아세톤에 혼합한 상태에서 40 ~ 50℃정도의 열에 의해 무색투명하게 녹였다.

- 존스 리에이전트(Jone's Reagent) 약 8 ~ 9ml 를 천천히 투입한 후 약 하루(18시간) 동안 교반하였다.

2) 실험 결과.

- 처음에는 파란색으로 혼탁해 지다가 나중에는 초록색으로 혼탁해지고, 다음날 초록색 결정이 반응기 벽면에 생성되어, 무색, 투명한 아세톤 POE 용액을 얻을 수 있었으며 생성된 용액은 아세톤을 증발시켰다.

　　　

1.3 폴리옥시알킬렌-디카르복실산 3400품의 크롬성분 제거 공정.

1) 실험 방법.

- 본 발명의 폴리알킬렌글리콜을 산화시키는 단계에서 크롬 성분이 완전히 제거되지 않음이 확인될 때에는 이를 제거하기 위해서 컬럼(column)을 이용하여 실리카겔과 활성 목탄(activated charcoal)을 구성으로 하는 필터를 이용하여 크롬을 제거한 폴리옥시알킬렌-디카르복실산 용액을 얻었다. 이때 사용한 활성 목탄의 양은 폴리알킬렌글리콜 중량의 8 ~ 15 wt% 를 산정하여 이용하였다.

[2. 항균제 접합 실험]

2.1 o -페닐페놀을 접합하는 합성 실험

1) 실험 방법

- 폴리옥시알킬렌-디카르복실산 1g 과 o -페닐페놀 0.05g 그리고 2-클로로-1메틸-피리디움 아오디드 (CMPI) 0.2g 을 반응기에 투입하고 여기에 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP) 0.1g을 녹인 MC(메틸렌 클로라이드)에 Benzene(벤젠)을 섞은 용액을 반응기에 추가 투입하였다.

이때 이염화메틸렌과 벤젠의 혼합비율은 3:7 ~ 5:5 ml 이며 질소 분위기에서 항온수조를 이용하여 약 35 ~ 50℃를 유지하며 4 ~ 5시간 정도 반응하도록 하였다.

반응 후 필터링 하여 잔여 촉매를 제거하였고, 합성물에 메틸렌 클로라이드와 물을 같은 양으로 100 ~ 200 ml 씩 넣어서 분별 증류하였다.

메틸렌클로라이드 층에 있는 용액을 증발 감압 건조시켜서 반응품을 얻었으며, 위의 과정을 통해 얻어진 반응 품은 바로 항균제(biocide)가 화학적으로 결합된 가공유 원액이 되며, 필요에 따라 물로 희석하고 첨가제를 첨가하여 금속 가공시 절삭유 등으로 사용가능하게 된다.

이하에서는, 위에서 제시한 [실시예]의 o-페닐페놀을 대신 할 수 있는 후보 물질 종류에 대해 설명한다.

금속 가공유는 미생물에 의해서 부패 되면서 점도의 변화, 미생물들의 발효 산물로 인한 pH의 저하 때문에 가공유의 질을 크게 저하시킴은 이미 언급한 바 있 다. 이러한 미생물에 의한 오염은 금속 가공유 산업의 오랜 문제점 중의 하나로 특별한 영양 물질 없이 물, 탄소원, 약간의 무기염으로도 충분히 생장 가능한, 세균(bacteria) 과 진균(fungi)들에게 수용성 금속 가공유는 생장하기 쉬운 기질이 된다고 할 수 있다.

그 중 주종을 이루는 세균군은 Pseudomonas 종으로 인체에 유해한 병원성 미생물도 많이 포함되어있으며, 수용성 금속 가공유의 부패를 야기시키는 주된 원인 중에 하나이다.

바이오사이드(Biocide)는 이런 미생물을 정균 및 살균할 목적으로 사용되며, 금속 가공유에 사용되는 바이오사이드는 포름알데히드 방출형(formaldehyde releaser)과 포름알데히드 비방출형(non-formaldehyde releaser), 페놀 유도체, 살리실산 유도체 등이 있으며 몇 가지 물질의 예를 아래 표 2에 표시하였다.

[표 2]

폴리알킬렌-디카르복실산 (Polyalkylene-dicarboxylic acid)에 알코올작용기 (-OH)를 화학적으로 결합하는 반응을 위해, 알코올 작용기를 가진 페놀 유도체 항균제 중에서 다음의 물질들이 본 발명에서 적합한 후보 항균제의 물질 예이다.

가. o-페닐페놀의 화학 구조식

나. o-벤질-p-염화페놀의 화학 구조식

다. 4-염화-2,3-디메틸페놀의 화학 구조식

이상에서와 같이, 본 발명은 인체에 무해한 금속 가공유에 생분해성 화학적 결합을 통해 항균성분을 접합시켜, 항균성분이 금속 가공유로부터 서서히 방출되도록 함으로써, 가공유의 항(抗)부패 성능이 향상되도록 함과 더불어 인체나 대기 또는 수질 환경에 끼치는 유해성을 현저히 낮출 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술 사상의 범주(category)를 벗어나지 않는 한, 여러 가지 다양한 형태로의 변경 및 수정이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따른 금속 가공유는, 기존의 금속 가공유와는 달리, 항균성분이 생분해성 화학적 결합을 통해, 금속 가공유의 항(抗)부패성이 향상된다.

따라서, 미생물이 쉽게 번식하지 못하며, pH, 점도, 방청성 등 수용성 금속 가공유의 질 저하를 막고 수명 감소를 방지할 뿐만 아니라, 공구의 손상 및 관 막힘을 방지하여 금속 가공 공정의 진행에 도움을 주게 된다.

한편, 본 발명에 따른 금속 가공유는 인체나 대기 또는 수질 환경에 끼치는 유해성이 현저히 낮아져 친환경적이므로, 작업장에서의 미스트(mist)의 표류로 인한 냄새 발생을 방지하며, 인체에 대하여 경구 독성을 유발하거나 피부 균열, 피부염, 피부암 등을 유발시키던 문제를 해소할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 다음의 구조식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유.

   [구조식]

   
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 항균제(biocide)로서는, 생분해성 화학적 결합이 가능한 항균제가 적용됨을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유.
3. 폴리알킬렌글리콜(Polyalkylene glycol:PAG)을 산화시켜 폴리알킬렌글리콜-디카르복실산 (Polyalkylene glycol-dicarboxylic Acid)를 만드는 단계와;

   상기 폴리알킬렌글리콜-디카르복실산 (Polyalkylene glycol-dicarboxylic Acid)에 에스테르 결합을 이용하여 항균제를 접합시키는 단계를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 제조방법.
4. 알칸올아민 (Alkanolamine), 폴리글리콜 (Poly glycol), 폴리올 (Polyol) 중의 어느 하나에 대해 생분해성 결합을 이용하여 항균제를 화학적으로 결합시킴으로써,

   자체적으로 항균성분을 지니며, 시간에 따라 지속적으로 방출되도록 한 것을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 제조방법.
5. 폴리알킬렌글리콜, o -페닐페놀, CMPI를 반응기에 투입하는 단계와;

   용매 이염화메틸렌(CH₂Cl₂)와 벤젠(Benzene)을 섞은 후, DMAP를 넣어 녹이는 단계와;

   이염화메틸렌 용액을 반응기에 투입하는 단계와;

   반응기 내에 질소 기체를 공급하고 소정의 온도 분위기에서 반응이 이루어지도록 하는 단계와;

   반응 완료 후 반응물로부터 필터링하여 결정화된 촉매를 제거하는 단계와;

   촉매가 제거된 반응물을 분별 증류하여 층분리가 이루어지도록 하는 단계와;

   층분리가 된 상태에서 이염화메틸렌 용액을 따로 증발시킴으로써, 항균제가 화학적으로 결합된 접합된 가공유를 얻는 단계;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 생분해성 환경친화형 수용성 금속 가공유 제조방법.

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