SE415107B - Metallbearbetningsemulsion innehallande triglyceridolja - Google Patents

Description

'7802533-5 'I ..- hudkontakt och risk för lungskador föreligger vid inandning av den oljebemängda luften. De Senaste åren har rapporterats från flera håll om förekomst av cancerogena ämnen i skärvätskor. Mineralolja inne- håller polyaromatiska kolväten, t.ex. benspyrener. Dessutom är det på grund av de höga temperaturer som råder i skärzonen sannolikt att polyaromater bildas när produkterna används.

Miljölagstiftningen ställer stora krav på verkstadsindustrins avfalls- vattenhantering. Tekniken för rening av förbrukade emulsioner och av- fettningsbad har blivit komplicerad, på grund av att produktutveck- lingen medfört allt fler additiver och allt stabilare tensidsystem.

Detta har medfört, att omhändertagandet av förbrukade skärvätskor, främst emulsioner, blivit mycket besvärligt och kostsamt.

De mindre företagen måste härvid utnyttja specialiserade destruktions- företag, och endast de största företagen har egna emulsionsspräck- ningsanläggningar, vilka emellertid inte alltid fungerar tillfreds- ställande. Separationen resulterar i en vattenfas, som måste behandlas vidare i ett konventionellt reningsverk, samt ett oljehaltigt slam, som måste deponeras, eller i bästa fall är användbart som bränsle. En återanvändning av oljan är otänkbar.

Från industrins sida är således intresset för en ny typ av skärvätska mycket stort, och kraven på en sådan omfattande: - vara minimalt skadlig på människa och miljö' - ge minimal bildning av oljerök och oljedimma - möjliggöra en enkel avfallshantering utan deponeríngsproblem - vara enkelt uppbyggd med få additiver - vara resistent mot angrepp av mikroorganismer.

Feta oljor, d.v.s. vegetabiliska eller animaliska oljor och fetter, är funktionellt lämpliga råvaror för smörjmedel, och har tidigare an- vänts i stor omfattning, innan de billigare mineraloljorna helt kom att dominera marknaden. I motsats till mineraloljor är feta oljor för- nyelsebara, miljövänliga och biologiskt nedbrytbara.

Vid skärande bearbetning av metall är det oftast mest fördelaktigt att använda en skärvätska i form av en vattenhaltig emulsion, av ty- pen olja-i-vatten, varigenom man uppnår on bättre kylande effekt, sam- tidigt som oljcdelens smörjeffokt kvarstår. Ur ekonomisk synpunkt 7802533-5 'ut u ställer sig dessutom användningen av en vattenhaltig emulsion betyd- 1 ligt gynnsammare{ Dessa emulsioner kan visserligen beredas i bruksfärdigt skick, men ur transport- och hanteríngssynpunkt är det lämpligare att först be- reda ett koncentrat, som sedan enkelt kan spädas med vatten hos an- vändaren - verkstadsindustrin. U Kraven på en dylik koncentrerad emulsion är, att stabiliteten skall vara mycket god, samtidigt som den skall vara lätt och obegränsat spädbar med vatten, och stabil som emulsion även i utspätt skick. För att kunna framställa en sådan emulsion måste man använda sig av spe- ciella emulgatorer (ytaktiva ämnen). Man kan härvid använda sig av kraftiga syntetiska tensider, men på grund av de hälso- och miljö- problem, som inledningsvis berörts, vill man undvika detta.

Uppgiften för föreliggande uppfinning har således varit att framställa en metallbearbetningsemulsion av typen olja-i-vatten, baserad på tri- glyceridoljor, som uppfyller kraven på stabilitet och spädbarhet, och som samtidigt har tillräckligt goda och smörjande egenskaper, liksom r dag använda, men ur miljö- och hälsosynpunkt icke önskvärda, produk- ter.

Det har nu överraskande visat sig, att man utgående från triglycerid- oljor kan framställa en emulsion, som uppfyller stabilítets- och späd- barhetskruvon, med hjälp av ett emulgatorsystom bestående av fettsyra- monoglycerider och alkalítvålar av fettsyror. Genom att endast "natur- liga" och helt ofarliga komponenter används uppfylles de krav, som ställes på produkten ur miljö- och hälsosynpunkt.

För att emulsionens smörjande och kylande egenskaper skall komma i paritet med de mineraloljebaserade produkternas erfordras emellertid införandet av ytterligare komponenter.

Det har sålunda visat sig, att användandet av en organisk amin, såsom en alkanolamin, t.ex. trietanolamin eller en fettamín, betydligt ökar emulsionens vätande egenskaper, och därmed dess kylande effekt. Det har vidare visat sig, att en tillsats av fri fettsyra till triglyce- ridoljnn ökar dennas smörjandc egenskaper. I själva verket föreligger amin och fettsyra till övervägande delen i sultform, d.v.s. som tvål m 7802533-5 Uppfinningen kännetecknas sålunda därav, att metallbearbetníngsemul- sionen innehåller en oljefas och en vattenfas, och att oljefasen, som består av: ' 0,5 -50 viktsdelar triglyceridolja, 0,1 -10 víktsdelar fettsyramonoglycerid, 0,05-10 viktsdelar fettsyra och 0,05-10 viktsdelar alkanolamin eller fettamin, emulgeras in i vattenfasen, som består av: 0,05- 3 viktsdelar alkalitvålar av fettsyror och 45 -98 viktsdelar vatten.

De högre mängderna av fettkomponenter användes vid beredning av de emulsionskoncentrat, som, enligt vad som tidigare omtalats, vanligtvis framställes av tillverkaren, medan de lägre mängderna användes vid framställning av bruksfärdiga emulsioner.

Vid beredningen av oljefasen löses fettsyramonoglyceriden, fettsyran och aminen i triglyceridoljan vid en temperatur av 40-70°C.

Vattenfasen beredes genom att alkalitvålarna upplöses vid en tempera- tur av zo-7o°c, förenradesivs zo-4o°c.

Oljefasen iblandas långsamt i vattenfasen under omrörning vid en tem- peratur av 20-50°C.

Vid framställning av bruksfärdíga emulsioner är det därefter tillräck- ligt med en kraftigare omrörning för att erhålla en stabil emulsion, medan det vid framställning av emulsionskoncentrat som regel erfordras en homogenisering av produkten. Homogeniseringen utföres lämpligen vid en temperatur av 40-60°C i konventionell homogeniseringsutrustning.

Triglyceridoljan kan utgöras av vilken som helst animalisk eller vege- tabilisk olja, eller oljeblandning, som har en tillräckligt låg stel- ningspunkt, för att tillåta en säker hantering av emulsionen i såväl koncentrerad, som bruksfärdig form, men som samtidigt är någorlunda fri från främst linolensyra, som annars kan vålla oxidations- och polymerisationsproblem. Oljan bör sålunda företrädesvis vara flytande vid rumstemperatur, och ha en oljesyrahalt på minst 40%. Särskilt lämpliga oljor ur funktionalitetssympunkt utgör olivolja, jordnötsolja 7802533-5 och lobraolja (rapsolja med låg erukasyrahalt). Även bottenfraktioner- na av fraktionerade fetter, såsom t.ex. "palmolein" har visat sig ypperliga för ändamålet.

Fettsyramonoglyceriden bör vara av den "mjuka typen" (soft product), d.v.s. ha en smältpunkt under 60°C. Den bästa produkten är ren olje- syramonoglycerid (monooleoglycerol), men även andra kommersiella pro- dukter kan användas, såsom t.ex. Dimodan S, en molekylardestillerad monoglycerid, framställd av Grindstedvaerket, Danmark, ur ätligt, raffinerat ister, med en approximativ fettsyrasammansättning av 30% palmitinsyra, 18% stearinsyra och 40% oljesyra.

Det är även möjligt att använda s.k. tekniska monoglycerider, fram- ställda genom glycerolys (glycerolförestring) av t.ex. lobraolja.

Dylika produkter, med en halt av 40-60% monoglycerid, är lätta att framställa utan invecklad apparatur, och därmed attraktiva. Givetvis måste, om sådana produkter användas, mängdförhållandet triglycerid- oljazglycerolysprodukt justeras så, att halten monoglycerid i emul- sionen blir den rätta.

Den oljelösliga monoglyceríden användes, i första hand på grund av sina ytaktiva egenskaper, som lipofil komponen^ . emulgatorsystemet.

Ytaktiviteten medför emellertid även en vätande effekt, varigenom oljans smörjande effekt ökar.

Fettsyran utgöres lämpligen av oljesyra. Kraven på denna komponent är desamma som för oljan och monoglyceríden, nämligen att den är flytande vid rumstemperatur, alltså har en titer lägre än Z5°C, samt att den inte innehåller väsentliga kvantiteter av mera omättade homologer.

Fettsyran har visat sig väsentligt bidra till en ökad smörjeffekt.

Närvaron av fettsyra förhindrar uppkomst av lukt vid hårdare bearbet- ningsoperationer, vilket dels kan antas bero på fettsyrans förbätt- ring av smörjeffekten, dels sammanhänga med bildningen av tvålar av amin och fettsyra.

Som alkanolamin användes lämpligen en amin med 2-4 kolatomer i alka- nolen. Särskilt lämplig ställer sig trietanolamin, som förutom sina goda vätande och rostskyddande egenskaper även har fördelen att vara dermatologiskt ofarlíg, vilket också visas av dess utbredda använd- ning i kosmetiska preparat. 7802533-5 6 Även aminen kan baseras på fettrâvara; varvid samma goda vätande och rostskyddande egenskaper kan uppnås. Lämpligen kan härvid en fettamin med 8 till 18 kolatomer i kedjan användas, och som särskilt lämplig anses dodecylamin vara. I Fettsyratvålen utgöres lämpligen av ett natríum- eller kalium-salt av en fettsyra med 12-22 kolatomer, vanligtvis 16 eller 18 kolatomer (palmitin- eller stearinsyra). Kaliumstearat ger något bättre resultat än natriumstearat, men överhuvudtaget gäller, att om stearintvålar skall användas, måste avjoníserat vatten användas, för att förhindra utflockníng av calcium- och magnesiumtvålar. Vid användning av olje- syratvålar (natrium eller kalium) undvikes detta problem helt, ehuru det vid framställning av koncentratet är lämpligast att använda av- joniserat vatten.

Vid bearbetningsoperationer med speciellt höga kontakttryck kan me- tallbearbetningsemulsíonens smörjande egenskaper om så erfordras yt- terligare förstärkas genom tillsats av lätt klorerade och/eller ' sulfurerade tríglyceridoljor. Dessa medel är väl kompatibla med me- tallbearbetningsemulsionen enligt uppfinningen. Företrädesvis ersättes, vid speciellt krävande bearbetningar 20-40% av triglyceridoljan med sådana medel.

För att förebygga oxidations- och polymerisatíonsproblem kan even- tuellt ett antioxidatíonsmedel tillsättas. Lämpliga antioxidanter är butylhydroxianisol, BHA, och butylhydroxitoluen, BHT. Med fördel kan t.eX. Eastman Kodaks produkter Tenox 2 eller Tenox 6 användas. Dessa medel tillsättes lämpligen i en mängd av 0,1-1,0 viktsprocent i den koncentrerade emulsionen.

Under de ogynnsamma betingelser, som verkstadsmiljön innebär, kan lätt angrepp av mikroorganismer äga rum. Får dessa mikroorganismer utveck- las ohämmat under en längre tid kan en obehaglig lukt utvecklas, sam- tidigt som emulsionens korrosionshämmande egenskaper nedsättes, genom bildningen av sura nedbrytningsprodukter, i likhet med vad som äger rum vid användningen av traditionella mineraloljebaserade produkter.

Detta undvikes genom att ett bakteriekontrollerande medel sättes till metallbearbetningsemulsionen. Med fördel kan ett formaldehydavspjälk- ande medel användas, t.ex. Grotan BK, som tillverkas av Schülke & Mayr GmbH. l I 7802533-s L Den enligt uppfinningen framställda produkten erbjuder således ur an- vändarens synpunkt en lång rad fördelar: Produkten har i sin helhet baserats på feta oljor eller beståndsdelar i dessa. Dessa oljor är förnyelsebara, miljövänliga och biologiskt nedbrytbara.

Förekomsten av hudirritationer, eksem och allergier kan väsentligen elimineras, och risken för cancer undanröjas.

På grund av triglyceridoljornas större molekylvikt, och därmed sam- manhängande betydligt högre ångtryck kommer någon besvärande oljerök icke att uppstå. Rent allmänt innebär detta en avsevärt renare arbets- miljö. ' Produkter baserade på feta oljor erbjuder ur avfallshantoringssyn- punkt inga svårigheter. Med rätt vald separationsteknik kan den feta delen lätt avskiljas, och vattendelen kräver ingen särskild rening före utsläpp. Den feta delen kan lätt med känd teknik spaltas hydro- lytiskt, och de därvid utvunna fettsyrorna återanvändas.

Jppfinningen åskådliggöres närmare i följande exempel: Exempel 1. Framställning av en metallbearbetningsemulsion i koncent- rerad form.

Oljefasz 34,7 viktsdelar palmolein 4,9 viktsdelar monoglycerid, Dimodan S 2,7 viktsdelar rapsfettsyror 2,7 viktsdelar trietanolamín Vattenfas: 1,1 viktsdelar natriumoleat 55,0 viktsdelar avjoniserat vatten.

Palmoleinet utgjordes av en bottenfraktíon från palmoljefraktionering.

Palmoleinets halt av oljesyra var 50%.

Oljefasens komponenter blandades vid 60-7006. Tvålen upplöstes i vatt- net vid ZSOC, varefter oljefasen långsamt och under omrörning tillsat- tes vattenfasen. Den så erhållna dispersion homogeniserades därefter vid 50°C i en homogenisator av konventionell typ. '7802533-5 e Emulsionskoncentratet var lätt och obegränsat spädbart med vatten av skiftande hârdhetsgrad (0-12 dH). Både emulsionskoncentratet och de utspädda emulsionerna visade sig vara lagringsstabila utan tendenser till oljeseparation.

Produkten provades i spädning 1:10 i en flerspindlíg borrmaskin i pro- duktionsdrift där arbetsoperationen var gängníng i aluminium. Efter l månads drift var emulsionens funktion oförändrad, och helt jämförbar med funktionen hos en konventionell mineraloljebaserad emulsion.

Exempel 2. En metallbearbetningsemulsíon framställdes för provning i en hårt belastad, numeriskt styrd automatsvarv. Bearbetníngen skedde med hårdmetallskär i ett flertal järnmetaller såsom t.ex. gjutjärn och härdat verktygsstâl. Metallbearbetningsemulsionen framställdes enligt följande: Oljefasz 27,9 viktsdelar rapsolja 11,7 viktsdelar teknisk monoglycerid av rapsolja 2,7 viktsdelar rapsfettsyra 2,7 viktsdelar trietanolamín 0,4 viktsdelar antioxidant, Tenox 6 Vattenfas: 1,1 viktsdelar natriumoleat 55,0 víktsdelar avjoniserat vatten.

Rapsoljan var av lågerukasyratyp med en oljesyrahalt av 52%.

Den tekniska monoglyceríden hade en halt av 40% monoglycerid.

Komponenterna i oljefasen blandades vid en temperatur av 40-50°C, och natriumoleatet upplöstes i vattnet vid en temperatur av 25-SOOC. Där- efter tillsattes oljefasen långsamt, och under omrörning till vatten- fasen. Den erhållna díspersionen homogeniserades vid 50°C i konven- tionell homogeniseringsutrustning.

Det på detta sätt erhållna emulsionskoncentratet späddes l:l5 i van- ligt stadsvatten och provades i en automatsvarv. Efter 3 månaders drift var metallbearbetningsemulsionens funktion oförändrad. De bear- betade detaljerna uppvísade inga som helst korrosionstendenser. Me- tallbearbetningsemulsionen gav inga torkande beläggníngar, tvärtom var t.ex. maskinytorna mycket lätta att hälla rena. '7802533-5 u Exempel 3. Exemplet avser att visa fettsyrans smörjförbättrande funk- tion i emulsionen.

Två metallbearbetningsemulsioner i bruksfärdig koncentration bereddes för testning i en rundslipmaskin. Metallbearbetningsemulsionerna till- verkades av följande komponenter: Prov A viktsdelar Prov B viktsdelar Oljefasz Oljefas: rapsolja 2,00 rapsolja 1,80 teknisk monoglycerid teknisk monoglycerid av rapsolja 0,78 av rapsolja 0,78 trietanolamín 0,18 rapsfettsyror 0,20 Z tríetanolamin 0,18 Vattenfas: Vattenfas: natriumstearat 0,10 natríumstearat 0,10 avjoniserat vatten 97 avjoniserat vatten 97 Rapsoljan var av lågerukasyratyp med en oljesyrahalt av 60%.

Den tekniska monoglyceriden hade en halt av 40% monoglycerid.

Komponenterna i oljefasen blandades vid 40-S0°C och na.riumstearatet upplöstes i vattenfasen vid 60-70°C. Därefter tillsattes oljefasen långsamt vattenfasen under intensiv omrörning varvid en stabil emul- sion erhölls.

De på detta sätt framställda metallbearbetningsemulsionerna provades i en rundslipmaskin genom insticksslipning i härdat verktygsstål.

Härvid befanns att vad beträffar det bearbetade materialets ytfinhet, samt relativa slipskíveförslitningar, prov B (med fettsyratillsats) gav bättre resultat än prov A (utan fettsyratíllsats). Genomsnittligt var ytfinheten 10% bättre och relativa slipskiveförslitningen 30% lägre med prov B än med prov A. Resultaten var helt jämförbara med vad som erhålles då konventionella mineraloljebaserade emulsioner utan EP-additiv används.

Exempel 4. Exemplet avser att visa trietanolaminens vätningsförbätt- rande funktion i emulsionen.

Två emulsionsprover framställdes enligt samma förfarande som i exem- pel 3. ' 7802533-5 10 Prov A viktsdclar Prov B viktsdelar Oljcfas: Oljcfusz rapsolja 3,50 rapsolja 4,00 monoglycerid av olje- monoglycerid av olje- syra 1,00 syra 1,00 trietanolamin 0,50 Vattenfas: ~ Vattenfas: natriumstearat 0,10 natriumstearat 0,10 avjoniserat vatten 95 avjoniserat vatten 95 Rapsoljan var av lågerukasyratyp med en oljesyrahalt av 60%.

Mätningar gjordes av dessa emulsionsßrovers vätning av stålytor. Här- vid befanns emulsionsprov B (utan trietanolamin) ge en vätningsvinkel av 40-450, och emulsionsprov A (med tríetanolamín) ge en vätningsvin- kel av 15-ZOO. Detta sistnämnda resultat var t.o.m. något bättre än vad som erhålles med konventionella mineraloljebaserade emulsioner.

Exemgel 5. En metallbearbetningsemulsíon framställdes enligt exempel l med följande ingredienser: Oljefasz 34.3 viktsdelar palmoleín 4.8 viksdelar monoglycerid Dimodan S 2 7 viktsdelar rapsfettsyror 5.4 viktsdelar trietanolamin Vattenfas: l.l viksdelar natrinmoleat 55.0 viksdelar avjoniserat vatten Skäremulsionen provades en längre tid i en numeriskt styrd verktygsmaskin för borrning och gängning. I maskinen bearbetades seghärdat stål med snabbstålsverktyg. Bearbetningsresültaten jäm- fördes med vad som erhölls då en traditionell skärvätska av emul- sionstyp med tillsats av EP-additíver användes. Den traditionella skärvätskan var speciellt avsedd för tung bearbetning såsom borrning, gängning, gängskärning och dragning í olika järnmateríal.

Båda skärvätskorna användes i samma spädning, ca 15 ggr, med vanligt kranvatten. 7802533-5 ll l Det bearbetade materialets ytjämnhet var samma för den traditio- nella skärvätskan och för skärvätskan enligt uppfinningen. Verktygs- livslängden var vid borrning lika bra och vid gängníng t.o.m. något bättre med skärvätskan enligt uppfinningen än med den traditionella skärvätskan.

Claims (1)

1. a 7802533-5 12 Patentkrav Metallbearbetníngsemulsion av typen olja i vatten, med god stabilitet och obegränsad spädbarhet, baserad på triglyceridoljor, vilken emulsíon är avsedd att an- vändas vid deformerande metallbearbetning, främst spån- avskiljande bearbetning, men även lämplig för pressning och valsning, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den består av en oljefas dispergerad i en kontinuerlig vattenfas och att oljefasen består av: 0.5 -50 viktsdelar triglyceridolja 0.1 -10 víktsdelar fettsyramonoglyceríd 0.05-10 víktsdelar fettsyra, och 0.05-10 viktsdelar alkanolamin eller fettamín, Samt att Vâttèflfaâen b6SïåT QVI -v 0.05- J víktsdelar alkalitvålar av fettsyror, och 45 -98 viktsdelar vatten. Metallbearbetningsemulsion enligt krav 1, i koncentrerad form, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att oljefasen består av: 1' St víktsdelar triglyceridolja, 2-10 viktsdelar fettsyramonoglyceríd, l-10 víktsdelar fettsyra och 1-10 viktsdelar alkanolamin eller fettamin, *och vattenfasen består av: 0.5- 3 viktsdelar alkalitvål av fettsyror och 45 -60 víktsdelar vatten. Metallbearbetníngsemulsion enligt krav 1 i bruksfärdig form, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att oljefasen består av: 0.5 -10 viktsdelar triglyceridolja, 0.1 - Z viktsdelar fettsyramonoglycerid, 0.05- Z víktsdelar fettsyra och 0.05- l viktsdelar alkanolamin eller fettamín OCh V8tt6nfaS6n B8Står 8V2 0.05- 0.5 viktsdelar alkalítvål av fettsyror och 90 -98 viktsdelar vatten. 10. 13 7802533-5 Metallbearbetningsemulsion enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att triglyceridoljan utgöres av en fet olja, flytande vid rumstemperatur, och med en cljesyrahalt (Cl8:l) på lägst 45 víkts%, såsom t.ex.: olivolja, jordnötsolja och lâgerukasyra- haltig rapsolja, samt bottenfraktionerna av fraktionerade fetter, såsom palmolein eller animaliska oleiner. Metallbearbetníngsemulsíon enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att fettsyrorna i fettsyramonoglyceriden utgöres av fettsyror med 16 och/eller 18 kolatomer, varav minst 40 viktsä utgöres av oljesyra (Cl8:l), företrädesvis ren oljesyramonogly- cerid. Metallbearbetningsemulsion enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att som fettsyramonoglycerid användes en teknisk pro- dukt, erhâllen genom glyccrolförcstring av en triglyceridolja _enligt krav 4. Metallbearbetningsemulsíon enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att fettsyran har en titer lägre än 25°C, och före- trädesvis utgöres av oljesyra. Metallbearbetningsemulsion enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att alkanolaminen företrädesvis utgöres av trietanol- amin, eller att fettaminen företrädesvis utgöres av en dodecyl- amin. Metallbearbetningsemulsion enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att alkalitvålen av fettsyror utgöres av natrium- eller kalium-tvål av fettsyror med en títer lägre än ZSOC, och företrä- desvis utgöres av natrium- eller kaliumoleat. Metallbearbetningsemulsion enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att eventuellt 20-40 víkts% av triglyceridoljan har ersatts av ett medel för högt kontakttryck, som utgöres av en lätt klorerad eller sulfurerad triglycerídolja. ANFÖRDA PUBLIKATIONER: Sverige 384 523 (c1om 1/40) Storbritannien 1 025 240 (23 c:1/04) us 2 258 552 (252-49.3)