DE102024103809B3

DE102024103809B3 - Wassermischbarer Kühlschmierstoff und anwendungsfertige Emulsion

Info

Publication number: DE102024103809B3
Application number: DE102024103809.8A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2024-02-12
Filing date: 2024-02-12
Publication date: 2024-08-14
Anticipated expiration: 2044-02-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen wassermischbaren Kühlschmierstoff als Ölkonzentrat, bestehend aus den Inhaltsstoffen: Rapsöl, Sonnenblumenöl, Glycerin, Färberdistelöl, Propylenglykol und Rimulgan als Emulgator sowie eine wässrige Emulsion unter Verwendung des wassermischbaren Kühlschmierstoffes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen wassermischbaren Kühlschmierstoff (KSS) zum Einsatz an Werkzeugmaschinen sowie die zugehörige anwendungsfertige Emulsion.
Allein in Deutschland werden jährlich bis zu 50.000 t Kühlschmierstoffe eingesetzt, die entweder bereits fertig als Emulsion oder als wassermischbare Konzentrate vorliegen. Der Ölanteil der Emulsionen liegt meist zwischen 5 und 8 Prozent. Aus dem wassermischbaren Konzentrat wird die Emulsion in-situ an der Werkzeugmaschine durch Mischen mit Wasser erzeugt und die fertige Emulsion in ausreichender Menge in der Maschine zum Verbrauch vorrätig gehalten.
Hochleistungs-CNC-Fräsmaschinen und alle Maschinen, bei denen spanende Bearbeitung erfolgt, benötigen aufgrund der auftretenden Kräfte der hohen Drehzahlen von bis zu 20.000 s^-1 und des großen Materialabtrags leistungsfähige Kühlschmierstoffe. Je nach Schnittgeschwindigkeit zunehmend von Sägen/Flachschleifen über Drehen/Fräsen bis hin zu Verzahnen/Gewindeschneiden/Räumen nimmt die benötigte Kühlwirkung des jeweiligen KSS zu und die benötigte Schmierwirkung ab, letztere ist daher besonders beim Drehen/Fräsen gefordert.
Die bei Zerspanungs- und Umformungsverfahren entstehende Wärme muss durch den KSS abgeführt werden, um die Eigenschaften von Werkzeug und Werkstücks nicht zu verändern. Die Kühlkomponente des KSS ist in der Regel das Wasser der Emulsion.
Die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück wird durch schmierende Bestandteile des KSS herabgesetzt, was deren Verschleiß verringert, und die Oberflächenqualität des Werkstückes verbessert. Die Schmierung wird durch eine Ölkomponente im Kühlschmierstoff erreicht.
Bekannte KSS weisen neben Ölen auf Mineralölbasis solche auf Basis synthetischer organischer Verbindungen oder auf Basis nachwachsender Rohstoffe auf. Hinzu treten Additive, die eine Alterung verzögern sowie Antinebelzusätze, Emulgatoren, Haftfähigkeitsverbesserer, Hochdruckzusätze, Biozide und Korrosionsschutzinhibitoren. Weitere übliche Additive sind Additive zur besseren Schmierung, wie zum Beispiel Esteröle und geschwefelte Additive, Korrosionsschutzzusätze, Schaumbrecher und Schaumbildungsverhinderer.
Bekannte Kühlschmierstoffe weisen damit eine ganze Reihe von Inhaltsstoffen auf, die gesundheitsgefährdend sind und bei Kontakt mit verletzter Haut insbesondere zu eitrigen Wunden führen können. Es ist ebenfalls bekannt, dass derartige bekannte Kühlschmiermittel zu einer Erosion der Werkzeugmaschinen führen, insbesondere im Laufe der Zeit Gummidichtungen, Kunststoffe und insbesondere Isolierungen von elektrischen Leitungen auflösen, was zu Kurzschlüssen führen kann.
Aus der DE 22 05 692 C3 wird ein Rüböl(Rapsöl)-Petroleum-Gemisch als nachteiliges Kühlschmiermittel beschrieben, dessen Fettöle leicht zersetzlich und damit ungeeignet seien. Vorgeschlagen wird ein Gemisch aus insbesondere Triethanolamin, Diethanolamin, p-tert-Butylbenzoesäure und Benzoesäure. Ebenso bekannt sind Fluorchlorkohlenwasserstoffe enthaltende Kühlschmiermittel.
Es sind auch mineralölfreie wassermischbare Kühlschmierstoffe bekannt, die Pflanzenöle oder polymere Alkohole enthalten. Unter den Pflanzenölen, bzw. deren Methylester sind insbesondere Rapsöl bzw. Rapsölmethylester (RME) zu nennen. Daneben sind zum Beispiel auch Olivenöl, Kürbiskernöl, Sonnenblumenöl und Rizinusöl zur Verwendung als Schmieröl prinzipiell geeignet. Sie alle sind in der Natur biologisch gut abbaubar. Diese Rohöle enthalten eine Reihe von Begleitstoffen, die in der Regel durch Raffination entfernt werden müssen, um so die Lagerbeständigkeit zu erhöhen oder den Geruch zu verändern. Je mehr Veredelungsaufwand betrieben wird, desto geringer wird der Vorteil der biologischen Abbaubarkeit gegenüber den klassischen KSS.
Weiter nachteilig an Pflanzenölen sind die Doppelbindungen in den in ihnen enthaltenen Fettsäuren. Diese sind sehr reaktiv und daher auch relativ leicht mit anderen Verbindungen umzusetzen. Pflanzenöl-Raffinate ohne Additive sind daher nur bei niedrigen thermischen Belastungen einsetzbar. Beim ihrem Einsatz in wassermischbaren Kühlschmierstoffen wird bislang durch verstärkte Biozidzugabe eine mikrobielle Resistenz erreicht, aufgrund der Hydrolyseempfindlichkeit müssen Art und Menge der Emulgatoren stark geändert werden. Chemisch unbehandelte Fettöle verharzen leicht, sind oxidationsempfindlich und weisen eine geringe thermische Stabilität auf. Ihr Einsatz in der Praxis ist auch dadurch eingeschränkt, dass sie ungünstige Entfettungseigenschaften aufweisen. Bislang wurden diese pflanzenölbasierten KSS daher vor allem als Sägekettenöle, Zweitaktmotoröle und Schalöle eingesetzt.
Aus der DE 37 28 094 A1 ist ein Kühlschmierstoff bekannt, der Ascorbinsäure, Gallussäure, Fettalkoholsulfonate und P,S- Additive sowie weitere Stoffe enthält.
Aus der DE 10 2009 019 698 A1 sind Schmierleistungsadditive bekannt, die ein Reaktionsprodukt aus mindestens einem Alkylenoxid und mindestens einem Standöl oder einem geblasenen nativen Öl enthalten.
Aus der DE 11 2009 002 292 T5 ist eine Schmiermittelzusammensetzung bekannt, bei der neben Sojaöl zwingend auch Molybdändisulfid enthalten sein muss.
Aus der EP 1 944 353 B1 ist eine wasserlösliche Schmiermittelzusammensetzung bekannt, basierend auf einem Destillationsrückstand der Biodieselproduktion mit einem Gewichtsanteil von 20-95 Gew.-%. Zusätzlich enthalten sind 5 bis 70 Gew.-% Additive, unter denen auch Mineralölprodukte sein können.
Schließlich sind aus der EP 2 311 926 A1 Additive für die Schmiermittelherstellung in Form von sphärischen Nanoteilchen, insbesondere keramischen Nanoteilchen bekannt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kühlschmierstoff anzugeben, der diese Nachteile nicht aufweist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Zusammensetzung des wassermischbaren Kühlschmierstoffes ausschließlich aus den Inhaltsstoffen: Rapsöl, Sonnenblumenöl, Glycerin, Färberdistelöl, Propylenglykol und Rimulgan als Emulgator diese Nachteile nicht aufweist. Mit anderen Worten ist bei dieser Zusammensetzung des wassermischbaren Kühlschmierstoffes - nachfolgend auch als Ölkonzentrat bezeichnet - der Zusatz von Additiven nicht erforderlich.
Rimulgan ist dabei ein biologisches Formulierungshilfsmittel auf der Basis von Rizinusöl (68%), Ölsäuren (25%), Calciumsalzen (5%) und Alkohol mit guter Emulgierwirkung für Naturöle in Wasser und ermöglicht die Herstellung feindisperser Emulsionen.
Hierbei mindert das Rapsöl die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug und baut mit großem Vorteil nicht auf dem Werkstück auf, so dass eine hohe Oberflächengüte des Werkstücks gewährleistet ist. Das Sonnenblumenöl verleiht der erfindungsgemäßen Zusammensetzung Hitzebeständigkeit und dient daher auch als Konservierungsmittel. Glycerin hemmt die Entmischung des erfindungsgemäßen Gemisches.
Gleichzeitig dient es der Viskositätseinstellung, so dass der erfindungsgemäße Kühlschmierstoff auch bei kälteren Temperaturen flüssig bleibt. In dieselbe Richtung wirkt das erfindungsgemäß vorgesehene Propylenglykol, das ebenfalls biologisch abbaubar ist, zur Einstellung der Viskosität dient und als Frostschutzmittel. Das Färberdistelöl wirkt antibakteriell und der eingesetzte Emulgator hemmt die Entmischung. Dieses Gemisch stellt mit großem Vorteil einen biologisch abbaubaren, umweltfreundlichen KSS zur Verfügung.
Mit großem Vorteil verwendet die Erfindung weder Palmöl noch Kokosöl, keinerlei Gefahrstoffe, sondern ausschließlich nachwachsende Rohstoffe. Überraschenderweise reichen es aus, die Öle und weiteren Bestandteile kalt zu rühren, um das erfindungsgemäße Ölkonzentrat herzustellen. Eine zusätzliche Erwärmung kann mit Vorteil entfallen.
Überraschend zeigte sich weiter, dass auch ein mehrmonatiges Stehenlassen des Konzentrat es nicht zu seiner Entmischung führte. Der erfindungsgemäße wasserlösliche Kühlschmierstoff ist daher im Umfang der bekannten Kühlschmierstoffe auch über einen längeren Zeitraum bis hin zu mehreren Jahren einsetzbar.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zuvor genannten Inhaltsstoffe des Ölkonzentrats in folgendem Verhältnis vorliegen: Rapsöl: 10-50 Vol.-%, insbesondere 25-45, bevorzugt 40 Vol.-%, Sonnenblumenöl: 10-50 Vol.-%, insbesondere 15-40, bevorzugt 40 Vol.- %, Färberdistelöl: 5-20 Vol.-%, insbesondere 10-15, bevorzugt 10 Vol.-%, Emulgator Rimulgan: 1 bis 5 Vol.-%, bevorzugt 2,5 Vol.-%; Gemisch aus Glycerin und Propylenglykol im Verhältnis 30:70 bis 70:30: 1 bis 5 Vol.- %m, insbesondere 2-4 Vol.-%, bevorzugt 2,5 Vol.-%. Diese Vol.-%-Bereiche weisen sämtlich die zuvor genannten Vorteile auf und erlauben so die Anpassung des Ölkonzentrats der späteren einsatzfähigen Emulsion an die jeweiligen Einsatzbedingungen vor Ort.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass insbesondere Rapsöl und Sonnenblumenöl, bevorzugt jedoch sämtliche der zuvor genannten Öle in DAB-Qualität eingesetzt werden. Diese Qualität stellt sicher, dass die dem Fachmann bekannten Nachteile der Pflanzenöle im KSS nicht oder nur in sehr geringem Maße auftreten.
Erfindungsgemäß ist auch eine Emulsion unter Verwendung des zuvor beschriebenen Ölkonzentrats, insbesondere in einer Konzentration von 3 bis 12 Vol-%, vorzugsweise 5 bis 10 Vol.-%, bevorzugt 5 bis 8 Vol.-%. Das Ölkonzentrat, bzw. der wasserlösliche Kühlschmierstoff werden erfindungsgemäß in einem Konzentrat angeliefert, und erst an der Werkzeugmaschine mit Wasser im gewünschten Verhältnis verdünnt. Messungen mit einem Refraktometer, einem pH-Wert-Messgerät, einem Nitrat-Teststäbchen sowie einem Gerät zur Messung der Wasserhärte ergaben, dass die verwendete Dreiachs-Fräsmaschine die erfindungsgemäße Emulsion mit dem erfindungsgemäßen Ölgemisch problemlos herstellen kann.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Emulsion ist mit Vorteil vorgesehen, dass das verwendete Wasser vorbehandelt ist, insbesondere entionisiert, deionisiert oder destilliert. Im Vergleich zu einfachem Leitungswasser ist ein so vorbehandeltes Wasser auch aufgrund der höheren Reinheit und geringeren Fremdionenkonzentration besonders geeignet und führt zu einer haltbareren Emulsion.
Die benutzte Kühlschmierstoff-Emulsion enthält Späne und metallische Mikropartikel. Diese werden in einer Ausgestaltung der Erfindung insbesondere mittels eines 5 µm Filters aus dem Kühlschmierstoff entfernt, um dies für die erneute Verwendung vorzubereiten. Zusätzlich ist vorgesehen, dass dem Filtrat mittels Vakuumdestillation Wasser entzogen wird, um das Ölkonzentrat möglichst rein zurückzugewinnen. Es ist vorgesehen, das rückerhaltene Konzentrat mit einem Anteil von 10-50 % in den Vorratsbehälter mit dem Konzentrat rückzuführen.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Ölkonzentrat durch Rühren bei Raumtemperatur hergestellt mit der Zusammensetzung: 40 Vol.-% Rapsöl: 40 Vol.-% Sonnenblumenöl, 10 Vol.-% Färberdistelöl, 5 Vol.-%, eines Gemisches aus Glycerin und Propylenglykol im Verhältnis 70:30 und 5 Vol.-% Rimulgan.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Ölkonzentrat durch Rühren bei Raumtemperatur hergestellt mit der Zusammensetzung: 42,5 Vol.-% Rapsöl: 42,5 Vol.-% Sonnenblumenöl, 11 Vol.-% Färberdistelöl, 2 Vol.-%, eines Gemisches aus Glycerin und Propylenglykol im Verhältnis 70:30 und 2 Vol.-% Rimulgan.
Ein drittes, ebenso hergestelltes Ausführungsbeispiel wies die Zusammensetzung auf: 35 Vol.-% Rapsöl: 35 Vol.-% Sonnenblumenöl, 20 Vol.-% Färberdistelöl, 5 Vol.-%, eines Gemisches aus Glycerin und Propylenglykol im Verhältnis 70:30 und 5 Vol.-% Rimulgan.
Ein viertes, ebenso hergestelltes Ausführungsbeispiel wies die Zusammensetzung auf: 50 Vol.-% Rapsöl: 35 Vol.-% Sonnenblumenöl, 10 Vol.-% Färberdistelöl, 2,5 Vol.-%, eines Gemisches aus Glycerin und Propylenglykol im Verhältnis 70:30 und 2,5 Vol.-% Rimulgan.
Ein fünftes, ebenso hergestelltes Ausführungsbeispiel wies die Zusammensetzung auf: 35 Vol.-% Rapsöl: 50 Vol.-% Sonnenblumenöl, 10 Vol.-% Färberdistelöl, 2,5 Vol.-%, eines Gemisches aus Glycerin und Propylenglykol im Verhältnis 30:70 und 2,5 Vol.-% Rimulgan.
Es zeigte sich, dass sämtliche Ausführungsbeispiele des Ölkonzentrats sich über den Verlauf eines Monats nicht entmischten und sich aus ihnen Emulsionen mit einem 8%-Ölanteil an der Dreiachsfräsmaschine herstellen ließ. Es wurden bis zu 1.500 Werkstücke mit einem Volumen Ölkonzentrat eines Ausführungsbeispiels gefertigt, teilweise bei Drehzahlen von 20.000 s^-1. Besonders gute Werkstück-Oberflächen ergaben Ausführungsbeispiele mit gleichem Anteil von Raps- und Sonnenblumenöl.
Hierbei mindert das Rapsöl die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug und baut mit großem Vorteil nicht auf dem Werkstück auf, so dass eine hohe Oberflächengüte des Werkstücks gewährleistet ist.
Mit großem Vorteil gibt die Erfindung in überraschender Weise einen wasserlöslichen Kühlschmierstoff an, der aus nachwachsenden Pflanzenölen und biologisch abbaubaren Inhaltsstoffen besteht und damit die bislang erforderlichen Additive nicht enthält und entgegen der Auffassung der Fachwelt dennoch langzeitstabil einsetzbar ist.

Claims

Wassermischbarer Kühlschmierstoff als Ölkonzentrat, bestehend aus den Inhaltsstoffen: Rapsöl, Sonnenblumenöl, Glycerin, Färberdistelöl, Propylenglykol und Rimulgan als Emulgator.
Wassermischbarer Kühlschmierstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhaltsstoffe des Ölkonzentrats in folgendem Verhältnis vorliegen: Rapsöl: 10-50 Vol.-%, insbesondere 25-45 Vol.-%, bevorzugt 40 Vol.-%, Sonnenblumenöl: 10-50 Vol.-%, insbesondere 15-40 Vol.-%, bevorzugt 40 Vol.-%, Färberdistelöl: 5-20 Vol.-%, insbesondere 10-15 Vol.-%, bevorzugt 10 Vol.-%, Emulgator Rimulgan: 1 bis 5 Vol.-%, bevorzugt 2,5 Vol.-%, Gemisch aus Glycerin und Propylenglykol im Verhältnis 30:70 bis 70:30: 1 bis 5 Vol.-%, insbesondere 2-4 Vol.-%, bevorzugt 2,5 Vol.- %.
Wassermischbarer Kühlschmierstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein vorzugweise alle Inhaltsstoffe in DAB-Qualität vorliegen.
Wassermischbarer Kühlschmierstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Anteil von 10-50 % an Ölkonzentrat aufweist, der aus einer wässrigen Kühlschmierstoffemulsion rückgewonnen ist.
Wässrige Emulsion unter Verwendung des wassermischbaren Kühlschmierstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Konzentration von 3 bis 12 Vol-%, vorzugsweise 5 bis 10 Vol.-%.
Wässrige Emulsion gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Wasser vorbehandelt ist, insbesondere entionisiert, deionisiert oder destilliert.