DE19833894A1

DE19833894A1 - Wassermischbares Kühlschmierstoff-Konzentrat

Info

Publication number: DE19833894A1
Application number: DE19833894A
Authority: DE
Inventors: Heinz Gerhard Theis; Ruediger Schwab
Original assignee: Fuchs Dea Schmierstoffe GmbH and Co KG
Current assignee: Fuchs SE
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2000-02-03
Also published as: JP4084927B2; DE59911375D1; BR9912475A; WO2000006675A1; KR20010089140A; BR9912475B1; KR100451979B1; AU4510699A; ES2235490T3; HK1038375A1; EP1102830A1; EP1102830B1; US6511946B1; JP2002521555A

Abstract

Es wird ein wassermischbares Kühlschmierstoff-Konzentrat beschrieben, das natürliche oder synthetische Mineralöle, Emulgatoren, Korrosionsschutzadditive, Lösungsvermittler, Konservierungsstoffe, Metallinhibitoren und andere übliche Additive enthält, welches nach Verdünnung zu einer 2 bis 25 gew.-%igen wässrigen Lösung einen pH-Wert unter 7,7, vorzugsweise zwischen 7,0 und 7,5, aufweist.

Description

Der Gegenstand der Erfindung ist ein wassermischbares Kühlschmierstoff-Konzentrat, das sich in wassergemischtem Zustand sowohl durch hervorragende Gebrauchseigenschaften bei der spanenden oder spanlosen Metallbearbeitung als auch durch eine besonders hohe Hautverträglichkeit auszeichnet.

Kühlschmierstoffe werden bei der Metallzerspanung und bei der Metallumformung zum Kühlen und Schmieren von Werkstücken verwendet. Sie werden sowohl bei spanenden Bearbeitungs verfahren wie dem Fräsen, Drehen, Bohren und Schleifen als auch bei spanlosen Verformungen wie dem Walzen, Tiefziehen oder Kaltfließpressen verwendet. Nach der DIN 51385 unter scheidet man zwischen wassermischbaren und wassergemischten Kühlschmierstoffen. Unter dem Begriff "wassergemischt" ist der Endzustand des fertigen Mediums, meist in Form einer Öl-In- Wasser-Emulsion, und unter "wassermischbar" das Kühlschmier stoff-Konzentrat verstanden.

Wassergemischte Kühlschmierstoffe werden beim Verwender durch Mischen des Konzentrats mit Wasser hergestellt. Ihre Hauptauf gabe als Emulsion, Lösung oder auch in konzentrierter Form in der Metallbearbeitung ist das Kühlen, das Schmieren und der Abtransport des durch die Vielzahl von Fertigungsoperationen wie Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen usw. entstandenen Materialabtrags weg von Werkstück und Werkzeug. Daneben erfüllt der wassergemischte Kühlschmierstoff noch eine Vielzahl weiterer sekundärer Aufgaben, wie das Sauberhalten der Systeme und den Korrosionsschutz der Maschinenteile. Die üblicherweise verwendeten wassergemischten Kühlschmier stoffe weisen je nach Einsatzkonzentration und Kühlschmier stofftyp einen pH-Wert zwischen 8,2 und 9,4 auf, der nur ausnahmsweise auch noch höher liegen kann. Nachteilig ist dabei, daß ein hoher pH-Wert die Hautverträglichkeit des Kühlschmierstoffes senkt, weil der Säureschutzmantel der Haut dadurch zerstört und bei längeren Einwirkungszeiten Haut probleme beim Bediener der Metallverarbeitungsmaschine durch direkten Kontakt mit dem wassergemischten Kühlschmierstoff auftreten können. Eine Absenkung des pH-Wertes von wasserge mischten Kühlschmierstoffen bis zum Neutralpunkt hin hat sich bisher als unmöglich erwiesen, weil dann den hohen An forderungen an die Rostschutzwirkung von wassergemischten Kühlschmierstoffen nicht mehr genügt werden kann. Nach der Bearbeitung in Kühlschmierstoffen ist es im allgemeinen aus wirtschaftlichen Gründen oder wegen der Verknüpfung von Fertigungsprozessen unüblich, das bearbeitete Metallteil zu trocknen oder mit einem besonderen Korrosionschutz zu versehen. Die Teile werden normalerweise naß in Kästen gelegt und dürfen dann auch im nassen Zustand nicht rosten. Zur Prüfung der Rostschutzwirkung wird bei der Entwicklung und auch bei der Kontrolle von wassergemischten Kühlschmierstoffen. im allgemeinen der Test mit Gußspänen nach DIN 51360-1 und -2 verwendet. Dieser Test zeigt, daß die Gefahr der Rostbildung auf dem bearbeiteten Metallteil umso größer ist, je weiter der pH-Wert des wassergemischten Kühlschmierstoffes vom Alka lischen in Richtung auf den neutralen pH-Bereich verschoben wird.

Es stellte sich deshalb die Aufgabe, einen wassergemischten Kühlschmierstoff zur Verfügung zu stellen, dessen pH-Wert möglichst nahe am Neutralpunkt liegt und trotzdem nicht zur Rostbildung bei Metallteilen führt, die mit einer wässrigen Lösung des Kühlschmierstoffes bearbeitet worden sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein wassermischbares Kühl schmierstoff-Konzentrat, das natürliche oder synthetische Mineralöle, Emulgatoren, Korrosionsschutzadditive, Lösungsver mittler, Konservierungsstoffe, Metallinhibitoren und andere übliche Additive enthält, welches nach der Verdünnung zu einer 2 bis 25 gewichtsprozentigen wässrigen Lösung einen pH-Wert unter 7,7, vorzugsweise zwischen 7,0 und 7,5 aufweist.

Ein derartiges Kühlschmierstoff-Konzentrat enthält als natürliche oder synthetische Mineralöle paraffinische oder naphthenische Kohlenwasserstoffe, die auch im Mengenverhältnis 1 : 3 bis 5 : 1 miteinander gemischt sein können, Weißöle, Esteröle, Polyisobutene oder Polyalkylenglykole. Diese auch als Grundöle bezeichneten Verbindungen sind im allgemeinen in einer Menge von 5 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-% im Kühlschmierstoff-Konzentrat enthalten.

Unter den Additiven, die in das Grundöl eingearbeitet werden müssen, stellen die Emulgatoren bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlschmierstoff-Konzentrats die wichtigste Gruppe dar. Vor allem anionische Emulgatoren wie Alkalisalze von gesättigten oder ungesättigten Carbonsäuren, Alkalisalze von Sulfonaten und Sulfonsäuren sowie Salze von Phosphorsäu reestern haben eine ganz besondere Bedeutung. Daneben werden aber auch nicht-ionische Emulgatoren, vor allem Fettalkoho lethoxylate, Fettalkoholpropoxylate, Zuckerester, Neopentyl glycolester und Trimethylolpropanester zur Herstellung des erfindungsgemäßen wassermischbaren Kühlschmierstoff-Konzen trats mit Erfolg eingesetzt.

Ganz besondere Bedeutung hat die Auswahl geeigneter Korro sionsschutzmittel. Besonders bewährt haben sich neutrale Umsetzungsprodukte von Borsäure mit primären oder tertiären Alkanolaminen sowie ethoxylierte oder propoxylierte Säuren oder Fettsäurealkanolamide. Durch den Einsatz von Borsäure verbindungen läßt sich zudem die Kühlschmierstoffbiostase und die Pufferkapazität anheben. Dadurch werden im praktischen Einsatz höhere Standzeiten des Kühlschmierstoffes erreicht und damit dessen Wirtschaftlichkeit verbessert. Die deutlich erhöhte biozide Wirksamkeit von Borsäureverbindungen, die vor allem im niedrigen pH-Bereich beobachtet wird und durch eine Blockade der Enzyme des Phosphatstoffwechsels der Mikroorga nismen zu erklären ist, erlaubt es außerdem, die Menge anderer zuzusetzender Hemmstoffe gegen das Wachstum von Mikroorga nismen zu reduzieren. Überraschenderweise wird der Korrosions schutz von Borverbindungen erheblich gesteigert, wenn sie zusammen mit Imiden, vor allem mit Alkylbernsteinsäureimiden oder mit anderen, auch in konventionellen Kühlschmierstoff- Formulierung enthaltenen Korrosionsschutzadditiven, z. B. Phosphorsäure- estern, Triazolen oder Thiadiazolen verwendet werden, wobei das Korrosionsschutzmittel in einer Menge von 5 bis 25 Gew.-% zugesetzt werden soll. Ein mit den genannten Korrosionsschutzadditiven ausgerüsteter wassergemischter Kühlschmierstoff zeigt selbst bei einem pH-Wert zwischen 7,0 und 7,7 in wässriger Lösung einen nach DIN 51360-1 und -2 gleichwertigen Korrosionsschutz wie die bisher im Einsatz befindlichen Kühlschmierstoffe. Setzt man borsäurefreie Formulierungen ein, die aus ethoxylierten und/oder propox ylierten Fettsäurealkanolamiden bestehen, reicht eine Konzentration von 2 bis 15 Gew.-% aus, um einen Korrosions schutz zu erreichen, der den höchsten, bisher an Kühlschmier stoffe gestellten Anforderungen genügt. Werden als Korrosions schutzmittel Fettsäuren, insbesondere Ethercarbonsäuren eingesetzt, dann ist ein Ethoxylierungsgrad von 2 bis 12 Mol Ethylenoxid pro Mol Ethercarbonsäure besonders vorteilhaft. Derartige ethoxylierte Ethercarbonsäuren werden als Antikorro sionsmittel in einer Konzentration von 2 bis 15 Gew.- eingesetzt.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß durch den niedrigen pH-Wert und die dadurch bedingte gezielte Auswahl der Basisemulgatoren und Korrosionschutzadditive ansonsten nicht mit ausreichender Stabilität versehene biozide Verbindungen auch bei langen Lagerzeiten und erhöhter Temperatur eine Wirkstoffstabilität von deutlich größer 95% behalten. Zu diesen Verbindungen gehören vor allem 3-Jod-2-propinyl-butylcarbamat, Methyliso thiazolinion und andere Isothiazolinonderivate.

Basierend auf der Problematik, daß insbesondere sekundäre Alkanolamine und ihre Derivate während des praktischen Einsatzes mit nitrosierenden Substanzen wie Nitrit, das durch bakterielle Aktivität aus dem Nitrat des Ansatzwassers gebildet wird, zu cancerogenen Nitrosaminen reagieren und deren Bildung abhängig vom pH-Wert insbesondere im saurem Bereich stattfindet, ist dem pH-Bereich von 7,0 bis 7,7 besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Wie Untersuchungen zeigen, kann die Nitrosaminbildung durch die Verwendung von Inhibito ren unterbunden werden. Als derartige Inhibitoren wirken unter anderem freie primäre Amine, die in dem erfindungsgemäßen Kühlschmierstoff infolge eines Dissoziationsgleichgewichtes in geringen Mengen aus Fettsäurealkanolamiden entstehen, oder z. B. Ascorbinsäure. Eine Nitrosaminbildung wird dadurch unterbunden.

Die in dem erfindungsgemäßen Kühlschmierstoffkonzentrat enthaltenen Wirkstoffe können nur dann ihre optimale Wirkung entfalten, wenn sie homogen verteilt sind und das Kühlschmier stoffkonzentrat sich nicht in mehrere Phasen trennt. Deshalb müssen dem Konzentrat Lösungsvermittler zugesetzt werden. Neben Wasser sind hierfür Glykole wie Ethylenglykol und vor allem Butyltriglykol, außerdem auch geradkettige und ver zweigte Fettalkohole mit 16 bis 24 Kohlenstoffatomen geeignet, wenn sie in Mengen von 5 bis 50 Gew.-% zugesetzt werden.

Im Allgemeinen ist der wassergemische Kühlschmierstoff ein guter Nährboden für Mikroorganismen. Eine verstärkte Kontami nation mit Bakterien, Pilzen und Hefen führt zu chemischen Veränderungen der Emulsionsbestandteile und beeinflußt die Brauchbarkeit des wassergemischten Kühlschmierstoffes. Sind gesundheitsschädliche Mikroorganismen eingebracht, z. B. coliforme Bakterien, so kann dies auch gravierende Aus wirkungen auf die Gesundheit der Mitarbeiter haben. Aus diesem Grund ist eine Ausrüstung des Kühlschmierstoff-Konzentrates mit entsprechenden biozid oder fungizid wirkenden Verbindungen meist unerläßlich.

Hier hat es sich nun gezeigt, daß bei den erfindungsgemäßen Formulierungen ansonsten im Kühlschmierstoff-Konzentrat unübliche Komponenten wie Isothiazolinone oder 3-Jod-2- propinyl-carbamat ein interessantes und wirtschaftliches Wirkungsspektrum aufweisen, wie es vorher nicht bekannt war. Als weitere besonders geeignete Konservierungsstoffe sind unter Beachtung des pH-Wertes von < 7,7 vor allem Guanidinde rivate, Imidazolderivate und aromatische Carbonsäuren wie die Salicyl- oder Benzoesäure und deren Derivate zu nennen. Die Konservierungsstoffe werden im allgemeinen in Mengen von 0,1 bis 5 Gew.-% dem Kühlschmierstoff-Konzentrat zugesetzt.

Die erfindungsgemäßen wassermischbaren und wassergemischten Kühlschmierstoffe können weitere funktionelle Zusatzstoffe enthalten, z. B. Castoroilethoxylate, Petrolsulfonate bis zu einer Total Base Number TBN < 400, Festschmierstoffe, Toluyltriazole, Entschäumer und/oder Antinebelzusätze. Zur Anwendung bei der Metallbearbeitung enthalten die aus dem wassermischbaren Kühlschmierstoff-Konzentrat hergestellten wässrigen Lösungen oder Emulsionen diese Additive im all gemeinen in Mengen von 1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das wassermischbare Kühl schmierstoff-Konzentrat.

Das erfindungsgemäße wassermischbare Kühlschmierstoff- Konzentrat wurde gemäß den nachfolgenden Rezepturbeispielen hergestellt.

Beispiel 1 Semisynthetisches, borhaltiges Kühlschmierstoff-Konzentrat

Paraffinischer Kohlenwasserstoff	30%
Borsäurealkanolaminester/amid-Gemisch	20%
Talloelfettsäure	5%
Rüboelfettsäurealkanolamid	11%
Oleylethercarbonsäure (Ethoxylierungsgrad 9)	3%
Trimethylolpropan-Trioleat	16%
C₁₆-Guebertalkohol	5%
Methylisothiazolinon	0,5%
Carbamat	0,5%
Wasser	9%

Beispiel 2 Semisynthetischer, borhaltiger Kühlschmierstoff

Paraffinisches Solventraffinat	24%
Borsäure-Triethanolamin-Reaktionsprodukt	25%
Fettsäuremonoethanolamid (Ethoxylierungsgrad 4)	12%
Alkylbernsteinsäureimid	4,5%
Castoroilethoxylat (Ethoxylierungsgrad 5)	3%
Synthetisches Natriumpetrolsulfonat	5%
Ethylen-Propylenglykol	4,3%
Polypropylenglykolmonobutylether	2%
Ethylhexyloleat	16%
Hexitidin	3,5%
3-Jod-2-Propinylbutylcarbamat (IPBC)	0,5%

Beispiele 3a und 3b Semisynthetisches, borfreies Kühlschmierstoff-Konzentrat

3a) Medizinisches Weißoel oder	45%
3b) Trimethylolpropanadipat (Emkarate® 1080)	45%
KOH-verseiftes Rüboel	25%
Rüboelfettsäurealkanolamid (Ethoxylierungsgrad 4)	12%
Alkylbernsteinsäureimid	3,5%
Polypropylenglycolmonobuthylether	5%
Synthetisches Natrium-Petrolsulfonat (Petronate® CR)	4%
Cocosalkylguanidiniumderivat (Dodigen®)	1%
n-Octylisothiazolinon	0,6%
Wasser	3,9%

Beispiel 4 Synthetisches, mineralölfreies Kühlschmierstoff-Konzentrat

Triethanolaminsalz einer cyclischen Tricarbonsäure (Irgacor® L 190)	50%
Rüboelfettsäurealkanolamid (Ethoxylierungsgrad 4)	2,5%
Phosphorsäureteilester, neutralisiert mit einem primären Alkanolamin	7%
C₁₀ Monocarbonsäure (Neodecansäure)	3%
n-Octylisothiazolinon	0,3%
Polymeres kationisches Mikrobizid (Butrol® 77)	0,15%
Wasser	37,05%

Typkennwerte der erfindungsgemäßen Rezepturbeispiele als 5%ige Emulsion/Lösung

Claims

1. Wassermischbares Kühlschmierstoff-Konzentrat, das natürliche oder synthetische Mineralöle, Emulgatoren, Korrosionschutzadditive, Lösungsvermittler, Konservierungs stoffe, Metallinhibitoren und andere übliche Additive enthält, dadurch gekennzeichnet, daß es nach Verdünnung zu einer 2 bis 25 Gew.-%igen wässrigen Lösung einen pH-Wert unter 7,7, vorzugsweise zwischen 7,0 und 7,5 aufweist.

2. Kühlschmierstoff-Konzentrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als natürliche oder synthetische Mineralöle paraffinische oder naphthenische Kohlenwasser stoffe, Esteröle, Polyisobutene oder Polyalkylenglykole in einer Menge von 5 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-% enthält.

3. Kühlschmierstoff-Konzentrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen oder mehrere anionische oder nicht-ionische oberflächenaktive Verbindungen als Emulgatoren und gegebenenfalls als Coemulgator zusätzlich eine oder mehrere Mono- oder Dicarbonsäuren mit 16 bis 54 Kohlen stoffatomen oder deren Alkalisalze in einer Menge von 2 bis 20 Gew.-% enthält.

4. Kühlschmierstoff-Konzentrat nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Korrosionschutzmittel Umsetzungsprodukte von Borsäure mit primären oder tertiären Alkanolaminen, ethoxylierte oder propoxylierte Fettsäuren oder Fettsäurealkanolamide, Phosphorsäureester, Triazole oder Thiadiazole entweder allein oder in Kombination miteinander in Mengen von 5 bis 25 Gew.-% enthält.

5. Kühlschmierstoff-Konzentrat nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als Lösungsvermittler Wasser, Ethylenglykol, Butyltriglykol, geradkettige oder verzweigte Fettalkohole mit 16 bis 24 Kohlenstoffatomen in Mengen von 5 bis 50 Gew.-% enthält.

6. Kühlschmierstoff-Konzentrat nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es als Konvervierungsstoffe bakterizide und fungizide Wirkstoffe in Mengen von 0,1 bis 5 Gew.-% enthält.

7. Kühlschmierstoff-Konzentrat nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als weitere Additive Alkylbern steinsäureimide, Castoroilethoxylate, Petrolsulfonate, Festschmierstoffe, Toluyltriazole, Entschäumer und/oder Antinebelzusätze enthält.

8. Wassergemischter Kühlschmierstoff, dadurch gekenn zeichnet, daß er das Kühlstoff-Konzentrat der Ansprüche 1 bis 7 in einer Menge von 2 bis 25 Gew.-% enthält und einen pH-Wert zwischen 7,0 und 7,7 aufweist.

9. Verwendung des wassergemischten Kühlschmierstoffes von Anspruch 8 in Form einer wässrigen Lösung oder als Emulsion für die spanende und spanlose Metallbearbeitung.