NO145622B - Metallbearbeidningsemulsjon. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en metallbearbeidningsemulsjon

av typen olje-i-vann, med god stabilitet og ubegrenset fortynnbarhet, basert på triglyceridoljer. Emulsjonen har smørende og kjølende egenskaper, og den er beregnet på anvendelse ved deformerende metallbearbeidning, først og fremst sponavskillende bearbeidning, men den er også egnet for pressing og valsing.

Vanligvis anvendes ved sponavskillende metallbearbeidning, f.eks. boring, dreiing, fresing, gjengeskjæring og slipning, skjærevaesker basert på mineraloljeprodukter, først og fremst beroende på mineraloljenes relative lave pris. Som oftest utgjøres disse av vannemulsjoner, og for å imøtekomme verkstedindustriens krav an-vendes dessuten en lang rekke tilsetningsstoffer, f.eks. smøre-forbedrende EP-additiver (EP = Extreme pressure).

Den oppmerksomhet som i de senere år stadig mer er rettet mot arbeidsmiljø og beskyttelse av arbeiderne har vakt interesse for en ny type av metallbearbeidningsvæske. Utilfredsstillende arbeidsmiljø og medfølgende medisinsk besvær er vanlige problemer som er forbundet med de produkter som anvendes i verkstedindustrien i dag. De mineraloljebaserte produkter gir opphav til oljerøk og oljetåke i arbeidslokalene, samt tilsmussing i og rundt maskinene. Mineraloljen og de anvendte additiver kan forårsake hudirritasjon, eksem og allergi. Risikoen for kreft finnes ved langvarig hud-kontakt og risiko for lungeskader ved innåndning av den oljebe-fengte luft. I de senere år er det rapportert fra flere hold om forekomster av kanaerogene stoffer i skjærevæsker. Mineralolje inneholder polyaromatiske hydrokarboner, f.eks. benzpyrener. Dessuten er det på grunn av de høye temperaturer som hersker i skjære-sonen, sannsynlig at det dannes polyaromater når produktene anvendes.

Miljølovgivningen stiller store krav til • verkstedindustriens... avløpsvannhåndtering. Teknikken for rensning av forbrukte emulsjoner og avfettingsbad er blitt komplisert, fordi produktutvikling-en har medført stadig flere additiver og stadig mer stabile tensid-systemer. Dette har medført at ivaretagelsen av forbrukte skjærevæsker, først og fremst emulsjoner, er blitt svært besværlig og kostbar.

De mindre bedrifter må ved dette utnytte spesialiserte destruksjonsfirmaer, og bare de største bedrifter har egne emul-sjonsbrytningsanlegg, som imidlertid ikke alltid funksjonerer til-fredsstillende. Separeringen resulterer i en vannfase som må behandles videre i et konvensjonelt renseverk, samt et oljeholdig slam som må deponeres,\ eller som i beste fall kan anvendes som brensel. En gjenanvendelse av oljen er utenkelig.

Fra industriens side er således interessen for en ny type av skjærevæske meget stor, og kravene til en sådan omfatter:

- å være minst mulig skadelig for mennesker og miljø

- å gi minimal dannelse av oljerøk og oljetåke

- å muliggjøre en enkel avfallshåndtering uten deponerings-problemer

- å være enkelt oppbygd med få additiver

- å være resistent overfor angrep av mikroorganismer.

Fete oljer, d.v.s. vegetabilske eller animalske oljer og fett, er funksjonelt egnede råvarer for smøremidler og er tidligere blitt anvendt i stor utstrekning inntil de billigere mineraloljer helt kom til å dominere markedet. i motsetning til mineraloljer er fete oljer fornybaré, miljøvennlige og biologisk nedbrytbare.

Ved skjærende bearbeidning av metall er det som oftest mest fordelaktig å anvende en skjærevæske i form av en vannholdig emulsjon, av typen olje-i-vann, hvorved man oppnår en bedre kjølende effekt, samtidig som oljedelens smøreeffekt bevares. ut fra et økonomisk synspunkt stiller dessuten anvendelsen av en vannholdig emulsjon seg betydelig gunstigere.

Disse emulsjoner kan tilberedes i bruksferdig tilstand, men ut fra transport- og håndteringssynspunkter er det mer passende først å lage et konsentrat, som senere enkelt kan uttynnes med vann hos brukeren, nemlig verkstedindustrien.

Kravene til en slik konsentrert emulsjon er at stabili-teten skal være meget god, samtidig som den skal være lett og ubegrenset fortynnbar med vann, og stabil som emulsjon endog i for-tynnet tilstand. For å kunne fremstille en slik emulsjon må man benytte seg av spesielle emulgatorer (overflateaktive stoffer).

Man kan i denne forbindelse benytte seg av kraftige syntetiske ten-sider, men på grunn av de helse- og miljøproblemer som innlednings-

vis er berørt, vil man unngå dette.

Oppgaven for foreliggende oppfinnelse har således vært

å fremstille en metallbearbeidningsemulsjon av typen olje-i-vann, basert på triglyceridoljer, som oppfyller kravene til stabilitet og fortynnbarhet, og som samtidig har tilstrekkelig gode og smør-ende egenskaper i likhet med de i dag anvendte, men ut fra miljø-og helsesynspunkter ikke ønskelige, produkter.

Det har nå overraskende vist seg at man ved å gå ut fra triglyceridoljer kan fremstille en emulsjon som oppfyller stabili-tets- og fortynnbarhetskravene, ved hjelp av et emulgatorsystem , som består av fettsyremonoglycerider og alkalisåper av fettsyrer. Ved det at bare "naturlige" og helt ufarlige" komponenter anvendes oppfylles de krav som stilles til produktene ut fra miljø- og helsesynspunkter.

For at emulsjonens smørende og kjølende egenskaper skal komme i paritet med de mineraloljebaserte produkters egenskaper kreves det imidlertid å innføre ytterligere komponenter.

Dét har soledes vist seg at anvendelse av et alkanolamin, f.eks. trietanolamin, i betydelig grad øker emulsjonens fuktende egenskaper og dermed dens kjølende effekt. Det har videre vist seg at en tilsetning av fri fettsyre til triglyceridoljen øker dennes smørende egenskaper. Faktisk foreligger amin og fettsyre for en overveiende del i saltform, dvs. som såpe.

Oppfinnelsen er således karakterisert ved at metallbearbeid-ningsemuls jonen inneholder en oljefase og en vannfase og at oljefasen, som består av:

0,5 - 50 vektdeler triglyceridolje,

0,1 - 10 vektdeler fettsyremonoglycerid,

0,05 - 10 vektdeler fettsyre og

0,05 - 10 vektdeler alkanolamin,

er dispergert i den kontinuerlige vannfase, som består av;

0,05 - 3 vektdeler alkalisåper av fettsyrer og

45 - 98 vektdeler vann.

De større mengder av fettkomponenter anvendes ved tillaging av de emulsjonskonsentrater som, i henhold til det som tidligere er omtalt, vanliqvis fremstilles av produsenten. I dette tilfelle består oljefasen av:

15 - 50 vektdeler triglyceridolje

2-10 vektdeler fettsyremonoglycerid

1 - 10 vektdeler fettsyre og

1-10 vektdeler alkanolamin,

og vannfasen består av:

0,5-3 vektdeler alkalisåpe av fettsyrer og

45 - 60 vektdeler vann.

De mindre mengder av fettkomponenter anvendes ved tillaging av bruksferdige emulsjoner, og i dette tilfelle består oljefasen av:

0,5 - 10 'vektdeler triglyceridolje

0,1 - 2 ,vektdeler fettsyremonoglycerid

0,05 - 2 vektdeler fettsyre og

0,05 - 1 yektdel alkanolamin,

og vannfasen består av:

0,05 - 0,5 vektdeler alkalisåpe av fettsyrer og

90 - 98 1 vektdeler vann.

Ved tillagingen av oljefasen løses fettsyremonoglyceridet,

fettsyren og aminet i Itriglyceridoljen ved en temperatur på 40-70°C.

Vannfasen tillages ved at alkalisåpene oppløses ved en temperatur på 20-70°C,i fortrinnsvis 20-40°C.

Oljefasen blandes langsomt inn i vannfasen under omrøring ved en temperatur på 20-50°C.

Ved fremstilling av bruksferdige emulsjoner er det deretter tilstrekkelig med en kraftigere omrøring for å oppnå en stabil emulsjon, mens det ved fremstilling av emulsjonskonsentrat som regel kreves homogenisering av produktet. Homogeniseringen utføres passende ved en temperatur på 40-60°C i konvensjonelt homogeniser-ingsutstyr.

Triglyceridoljen kan bestå av hvilken som helst animalsk eller vegetabilsk olje eller oljeblanding, som har et tilstrekkelig lavt stivnepunkt til at emulsjonen blir sikker å håndtere i såvel konsentrert som bruksferdig form, men som samtidig er noenlunde fri for først og fremst linolensyre,•som ellers kan forårsake oksydasjons- og polymerisasjonsproblemer. Oljen bør således fortrinnsvis være flytende ved romtemperatur og ha et oljesyreinnhold på minst 40%. Særdeles egnede oljer ut fra et funksjonalitetssynspunkt ut-gjør olivenolje, jordnøttolje og lobraolje (rapsolje med lavt erukasyreinnhold). Endog bunnfraksjonerne av fraksjonerte fett, f.eks. "palmolein", har vist seg ypperlige for formålet.

Fettsyremonoglyceridet bør være av den "myke type" (soft product), d.v.s. ha et smeltepunkt under 60°C. Det beste produkt er rent oljesyremonoglycerid (monooleoglycerol), men også andre kommersielle produkter kan anvendes, f.eks. "Dimodan"S, et molekylær-destillert monoglycerid, fremstilt av Grindstedværket, Danmark, ut fra spiselig-, raffinert ister, med en tilnærmet fettsyresammen-setning på 30% palmitinsyre, 18% stearinsyre og 40% oljesyre.

Det er også mulig å anvende såkalte tekniske monoglycerider, fremstilt-ved glycerolyse (glycerolforestring) av f.eks. lobraolje. Den slags produkter, med et innhold av 40-60% monoglycerid, er lette å fremstille uten innviklet apparatur, og de er dermed attraktive. Givetvis må mengdeforholdet triglyceridolje:glycerolyseprodukt, om slike produkter anvendes, justeres slik at innholdet av monoglycerid i emulsjonen blir riktig.

Det oljeløselige monoglycerid anvendes, først og fremst på grunn av sine overflateaktive egenskaper, som lipofil komponent i emulgatorsystemet. Overflateaktiviteten medfører imidlertid endog en fuktende effekt, hvorved oljens•smørende effekt øker.

Fettsyren er passende oljesyre. Kravene til denne komponent er de samme som for oljen og monoglyceridet, nemlig at den skal være flytende ved romtemperatur, altså ha en titer som er lavere enn 25°C, samt at den ikke inneholder vesentlige mengder av mer umettede homologer.

Fettsyren har vist seg i vesentlig grad å bidra til øket smøreeffekt. Tilstedeværelse av fettsyre forhindrer forekomst av lukt ved strengere bearbeidningsoperasjoner, noe som til dels kan antas å bero på fettsyrens forbedring av smøreeffekten, dels ha sammenheng med dannelsen av såper av amin og fettsyre.

Som alkanolamin anvendes passende et amin med 2-4 karbonatomer i alkanolen. Særdeles egnet er trietanolamin, som foruten sine gode fuktende og rustbeskyttende egenskaper endog har den fordel å være dermatologisk ufarlig, noe som også vises av dets ut-bredte anvendelse i kosmetiske preparater.

Fettsyresåpen utgjøres passende av et natrium- eller kaliumsalt av en fettsyre med 12-22 karbonatomer, vanligvis 16

eller 18 karbonatomer (palmitin- eller stearinsyre). Kaliumstearat gir noe bedre resultat enn natriumstearat, men det gjelder i hoved-sak at hvis stearinsåper skal anvendes, må det anvendes avionisert

vann for å forhindre utflokkning av kalsium- og magnesiumsåper.

Ved anvendelse av oljésyresåper (av natrium eller kalium) unngås dette problem helt, mens det ved fremstilling av konsentratet er mest passende å anvende avionisert vann.

Ved bearbeidningsoperasjoner med spesielt høye kontakt-trykk kan metallbearbeidningsemulsjonens smørende egenskaper, hvis dette kreves, ytterligere forsterkes ved tilsetning av lett klor-erte og/eller sulfurerte triglyceridoljer. Disse midler er godt forlikelige med metallbearbeidningsemulsjonen i henhold til oppfinnelsen. Fortrinnsvis erstattes ved spesielt krevende bearbeid-ninger 20-40% av triglyceridoljen med slike midler.

For å forebygge oksydasjons- og polymerisasjonsproblemer kan det eventuelt tilsettes et antioksydasjonsmiddel. Egnede anti-oksydanter er butylhydroksyanisol, BHA, og butylhydroksytoluen,

BHT. Eastman Kodaks produkter "Tenox"2 eller"Tenox" 6 kan med fordel anvendes. Disse midler tilsettes passende i en mengde av 0,1-1>0 vekt% i den konsentrerte emulsjon.

Under de ugunstige betingelser som verkstedmiljøet innebærer, kan angrep av mikroorganismer lett finne sted. Hvis disse mikroorganismer får utvikle seg uhemmet i et lengre tidsrom, kan det oppstå ubehagelig lukt,i samtidig som emulsjonens korrosjons-hemmende egenskaper nedsettes ved dannelse av sure nedbrytnings-produkter, i likhet med hva som finner sted ved anvendelse av tradisjonelle mineraloljebaserte produkter. Dette unngås ved at et bakterieregulerende middel tilsettes til metallbearbeidnings-emuls jonen. Med fordel kan det anvendes et formaldehydavspaltende middel, f.eks. "Grotan", BK, som produseres av Schulke &Mayr GmbH.

Produktet i henhold til oppfinnelsen presen-

terer således ut fra brukerens synspunkt en lang rekke fordeler: Produktet har i sin helhet basis i fete oljer eller be-standdeler i disse. Disse oljer er fornybare, miljøvennlige og biologisk nedbrytbare.

Forekomst av hudirritasjoner, eksem og allergi kan vesentlig elimineres, og risiko for kreft unngås.

på grunn av triglyceridoljenes større molekylvekt, og

i sammenheng med dette betydelig høyere damptrykk, vil det ikke oppstå noen besværlig oljerøk. Rent generelt innebærer dette et betydelig renere arbeidsmiljø.

Produkter som er basert på fete oljer, presenterer ut fra ayfallshåndteringssynspunkter ingen vanskeligheter. Med riktig valgt separasjonsteknikk kan den fete del lett avskilles, og vann-delen krever ingen særskilt rensning før utslipp. Den fete del kan ved hjelp av kjent teknikk lett spaltes hydrolytisk, og de der-ved utvunne fettsyrer kan anvendes påny.

Oppfinnelsen skal i det følgende belyses ved hjelp av eksempler.

Eksempel 1 Fremstilling av en metallbearbeidningsemulsjon i konsentrert form.

Oljefase: 34,7 vektdeler palmolein

4,9 vektdeler monoglycerid, "Dimodan" S

2,7 vektdeler rapsfettsyrer

2,7 vektdeler trietanolamin

Vannfase: 1,1 vektdeler natriumoleat

55,0 vektdeler avionisert vann.

palmoleinet var en bunnfraksjon fra palmoljefraksjonering. <p>almoleinets innhold av oljesyre var 50%.

Oljefasens komponenter ble blandet ved 60-70°C. Såpen ble oppløst i vannet ved 25°C, hvoretter oljefasen langsomt og under omrøring ble tilsatt vannfasen. Den således oppnådde dispersjon ble homogenisert ved 50°C i en homogenisator av konvensjonell type.

Emulsjonskonsentratet var lett og ubegrenset fortynnbart med vann av skiftende hårdhetsgrad (0-12 dH). Både emulsjonskonsentratet og de fortynnede emulsjoner viste seg å være lagrings-stabile uten tendens til oljeseparasjon.

Produktet ble prøvd i fortynning l:lo i en flerspindlet boremaskin i produksjonsdrift hvor arbeidsoperasjonen var gjenging i aluminium. Etter 1 måneds drift var emulsjonens funksjon uforandret og helt sammenlignbar med funksjonen til en konvensjonell mineraloljebasert emulsjon.

Eksempel 2 En metallbearbeidningsemulsjon ble fremstilt for prøvning i en hårdt belastet, numerisk styrt automatgjengemaskin. Bearbeidningen skjedde med hårdmetallskjær i en rekke jernmetaller, f.eks. støpejern og herdet verktøystål. Metallbearbeidningsemul-sjonen ble fremstilt som følger:

Oljefase: 27,9 vektdeler rapsolje

11,7 vektdeler teknisk monoglycerid av rapsolje

2,7 vektdeler rapsfettsyre

2,7 vektdelér trietanolamin

0,4 vektdeler antioksydant, "Tenox" 6

Vannfase: 1,1 vektdeler natriumoleat

55,0 vektdelér avionisert vann.

Rapsoljen var av typen med lavt erukasyreinnhold og hadde et oljesyreinnhold på 52°/ o. Det tekniske monoglycerid hadde et innhold av 40% monoglycerid.

Komponentene i oljefasen ble blandet ved en temperatur på 40-50°C, og natriumoleatet ble oppløst i vannet ved en temperatur på 25-30°C. Deretter ble oljefasen langsomt og under omrøring tilsatt til vannfasen. Den oppnådde dispersjon ble homogenisert ved 50°C i konvensjonelt hombgeniseringsutstyr.

Det på denne måte oppnådde emulsjonskonsentrat ble for-

i

tynnet 1:15 i vanlig springvann og ble prøvet i en automatgjengemaskin. Etter 3 måneders drift var metallbearbeidningsemulsjonens funksjon uforandret. De bearbeidede detaljer oppviste ingen som helst korrosjonstendenser. Metallbearbeidningsemulsjonen ga ingen tørkende belegg, tvertimot var f.eks. maskinoverflatene meget lette å holde rene.

Eksempel 3 Eksemplet går ut på å vise fettsyrens smøreforbedrende funksjon i emulsjonen.

To metallbearbeidningsemulsjoner i bruksferdig konsentra-sjon ble tillaget for testing i en rundslipemaskin. Metallbearbeid-ningsemulsjonene ble laget av følgende komponenter:

Rapsoljen var av typen med lavt erukasyreinnhold, med et 61jesyreinnhold på 60%. Det tekniske monoglycerid hadde et innhold av 40% monoglycerid.

Komponentene i oljefasen ble blandet ved 40-50°C, og natriumstearatet ble oppløst i vannfasen ved 60-70°C. Deretter ble oljefasen langsomt tilsatt til vannfasen under intens omrøring, hvorved det ble oppnådd en stabil emulsjon.

De på denne måte fremstilte metallbearbeidningsemulsjoner ble prøvet i en rundslipemaskin ved innstikkslipning i herdet verktøystål. Det viste seg ved dette, hva det bearbeidede materialets overflatefinhet angår, samt relative slipeskiveslitasjer, at prøve B (med fettsyretilsetning) ga bedre resultat enn prøve A (uten fettsyretilsetning). Gjennomsnittlig var overflatefinheten 10% bedre og den relative slipeskiveslitasje 30% lavere med prøve B enn med prøve A. Resultatene var helt sammenlignbare med hva som oppnås når konvensjonelle mineraloljebaserte emulsjoner uten EP-additiv anvendes.

Eksempel 4 Eksemplet går ut på å vise trietanolaminets fukte-forbedrende funksjon i emulsjonen.

To emulsjonsprøver ble fremstilt ved samme fremgangsmåte som i eksempel 3.

Rapsoljen var av typen med lavt erukasyreinnhold, med et oljesyreinnhold på 60%.

Det ble gjort målinger av disse emulsjonsprøvers fukting av ståloverf l'ater. Ved dette fant man at emuls jonsprøve B (uten trietanolamin) ga en fuktevinkel på 40-45° og emulsjonsprøve A

(med trietanolamin) en fuktevinkel på 15-20°. Det sistnevnte resultat var til og med noe bedre enn hva som oppnås med konvensjonelle mineraloljebaserte emulsjoner.

Eksempel 5 En metallbéarbeidningsemulsjon ble fremstilt i henhold til eksempel 1, med følgende ingredienser:

Skjæremulsjonen ble prøvet i lengre tid i en numerisk

styrt verktøymaskin for boring og gjenging. I maskinen ble seig-herdet stål bearbeidet med hurtigstålverktøy. Bearbeidningsresul-tatene sammenlignes med hva som oppnås når en tradisjonell skjærevæske av emulsjonstype med tilsetning av EP-additiver anvendes.

Den tradisjonelle skjærevæske var spesielt beregnet på tung bearbeidning, f.eks. boring, gjenging, gjengeskjæring og trekking i for-skjellige jernmaterialer. Begge skjærevæsker anvendes i samme fortynning, ca. 15 ganger, med vanlig springvann.

Det bearbeidede materialets overflatejevnhet var lik for den tradisjonelle skjærevæske og for skjærevæsken i henhold til oppfinnelsen. verktøyets levelengde var ved boring like god og ved gjenging til og med noe bedre med skjærevæsken i henhold til oppfinnelsen enn med den tradisjonelle skjærevæske.

Claims (9)

1. Metallbearbeidningsemulsjon av typen olje-i-vann, med god stabilitet og ubegrenset fortynnbarhet, basert på triglycerid-ol jer, hvorved emulsjonen er ment for anvendelse ved deformerende metallbearbeidning, først og fremst sponavskillende bearbeidning, men også passende for pressing og valsing, karakterisert ved at den består av en oljefase som er dispergert i en kontinuerlig vannfase og at oljefasen består av:0,5 - 50 vektdeler triglyceridolje0,1 - 10 vektdeler .fettsyremonoglycerid 0,05 - 10 vektdeler fettsyre, og 0,05 - 10 vektdeler alkanolamin, samt at vannfasen består av:0,05 - 3 vektdeler alkalisåper av fettsyrer, og 45 -98 vektdeler vann.

2. Metallbearbeidningsemulsjon som angitt i krav 1, i konsentrert form, karakterisert ved at oljefasen består av: 15 - 50 vektdeler triglyceridolje 2-10 vektdeler fettsyremonoglycerid 1 - 10 vektdeler fettsyre og 1 - 10 vektdeler alkanolamin, og at vannfasen består av:0,5-3 vektdeler alkalisåpe av fettsyrer og 45 -60 vektdeler vann.

3. Metallbearbeidningsemulsjon som angitt i krav 1, i bruksferdig form, karakterisert ved at oljefasen består av:0,5 - 10 vektdeler triglyceridolje0,1 - 2 vektdeler fettsyremonoglycerid0,05 - 2 vektdeler fettsyre og 0,05 - 1 vektdel aikanolamin, og at vannfasen består av: 0,05 - 0,5 vektdeler alkalisåpe av fettsyrer og 90 - 98 vektdeler vann.

4. Metallbearbeidningsemulsjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at triglyceridoljen utgjøres av en fet olje, flytende ved romtemperatur, og med et oljesyreinnhold (Cl8:l) på minst 45 vekt%, f.eks. olivenolje, jordnøttolje og rapsolje med lavt erukasyreinnhold,eller bunnfraksjonene av frak-sjonert fett, f.eks. palmolein eller animalske oleiner.

5. Metallbearbeidningsemulsjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at fettsyrene i fettsyremonoglyceridet utgjøres av fettsyrer med 16 og/eller 18 karbonatomer, hvorav minst 40 vekt% utgjøres av oljesyre (Cl8:l), fortrinnsvis rent oljesyremonoglycerid.

6. Metallbearbeidningsemulsjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at det som fettsyremonoglycerid "anvendes et teknisk produkt, oppnådd ved glycerolforestring av en triglyceridolje som angitt i krav 4.

7. Metallbearbeidningsemulsjon som angitt i ktav 1, karakterisert ved at fettsyren har en titer på under 25°C og utgjøres av oljesyre.

8. Metallbearbeidningsemulsjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at alkanolaminet utgjøres av trietanolåmin.

9. Metallbearbeidningsemulsjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at alkalisåpen av fettsyrer utgjøres av natrium- eller kaliumsåpe av fettsyrer med en titer under 25°C, og utgjøres av natrium- eller kaliumoleat.