DE60107970T2

DE60107970T2 - Scherbeständige nebelunterdrückende zusammensetzungen

Info

Publication number: DE60107970T2
Application number: DE60107970T
Authority: DE
Inventors: A. Richard DENIS; Sanjay Kalhan; E. Robert QUINN
Original assignee: Lubrizol Corp
Current assignee: Lubrizol Corp
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: DE60107970D1; CA2423641A1; EP1322736B1; ATE285460T1; WO2002026920A1; ES2234868T3; US6475408B1; CA2423641C; EP1322736A1; AU2001281012A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Flüssigkeiten, die Wasser und ein nebelunterdrückendes Copolymer umfassen. Gegebenenfalls kann die Flüssigkeit eine Öl-in-Wasser-Emulsion sein, die Öl und einen Emulgator beinhaltet. Zusätzlich zu dem nebelunterdrückenden Copolymer beziehen Metallschneidevorgänge und andere Hochschervorgänge oft ein Werkstück, das bei relativ hoher Geschwindigkeit rotiert, und ein Schneidewerkzeug ein, die beide durch eine Metallbearbeitungsflüssigkeit geschmiert werden. Unter diesen Bedingungen wird die Metallbearbeitungsflüssigkeit häufig von der Oberfläche des Metalls in der Form von Tropfen weggeschleudert. Oft sind die Tropfen klein genug, um als ein Nebel klassifiziert zu werden. Ein Vernebeln oder die Bildung eines Nebels wird als unerwünscht betrachtet, da es einen Verlust der Schneideflüssigkeit darstellt, und der Schneideflüssigkeitsnebel wird als Verunreinigung in der Luft um die Schneidemaschine betrachtet.
Verschiedene Polymere sind zum Verdicken wässriger Materialien bekannt.
Die EP-Anmeldung EP 811 677 , veröffentlicht am 10. Dezember 1997, beschreibt wässrige Metallbearbeitungsflüssigkeiten, die ein nebelunterdrückendes Copolymer enthalten, das hydrophobe und hydrophile Monomere beinhaltet. Das hydrophobe Monomer ist ein Alkyl-substituiertes Acrylamid oder ein Acrylatester. Das hydrophile Monomer ist eine Acrylamidosulfonsäure, eine Acrylamidodisulfonsäure oder eine Styrolsulfonsäure.
Die PCT-Veröffentlichung WO 9966004, 23. Dezember 1999, beschreibt Verfahren zum Verwenden einer wässrigen Zusammensetzung, die ein wasserlösliches oder wasserdispergierbares synthetisches Polymer enthält, das ein Polymer umfasst, das durch Polymerisieren (A) eines hydrophoben Monomers, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Alkyl-substituierten Acrylamid und einem Acrylatester; und (B) eines hydrophilen Monomers, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylamidosulfonsäuren und einer Styrolsulfonsäure, gebildet wird. Gegebenenfalls können (C) Monomere eingebaut werden, einschließlich Vinylmonomere wie Vinylacetat, N-Vinyl-2-pyrrolidinon, N-Vinylcaprolactam, 4-Vinylpyridin und Styrol.
D.G. Peiffer et al., Polymer, 29, 716, 1988 ("Synthesis, solution viscosity and interfacial properties of random copolymers spanning a broad range of anionic character") beschreiben Polymere von Styrol und Na-AMPS und diskutieren deren Löslichkeit und Viskositätsverhalten in verschiedenen Lösungsmitteln, einschließlich Wasser.
Polymerische Antinebeladditive vermindern das Vernebeln von Maschinenflüssigkeiten bei der Quelle dadurch, dass sie diese gegen ein Aufbrechen während der extremen Scherbedingungen, die während einer Metallbearbeitung und ähnlichen Vorgängen auftreten, stabilisieren. Poly(ethylenoxid) mit einem hohen Molekulargewicht wird herkömmlich in dieser Anwendung verwendet. Ein typisches Polymer ist POLYOX^®, das von Union Carbide erhältlich ist. Typischerweise weisen diese Polymere ein Molekulargewicht von 1 bis 2 Millionen auf. Jedoch sind diese Polymere anfällig gegenüber einem Scheren. Metallbearbeitungsanwendungen beziehen oft ein hohes Scheren ein und demzufolge weisen Metallbearbeitungsflüssigkeiten, die Poly(ethylenoxid) mit einem hohen Molekulargewicht enthalten, oft eine schlechte Leistung auf, wenn sie einem Scheren unterworfen werden. Ein solcher Abbau ergibt sich, wenn Hochscherbedingungen bewirken, dass Poly(ethylenoxid) mit einem hohen Molekulargewicht zerfällt und seine Fähigkeit, eine Nebelbildung zu unterdrücken, verliert. In solchen Hochscheranwendungen muss das Polymer häufig ergänzt werden.
Die Erfindung löst demzufolge, neben anderen Vorteilen, das Problem einer Bereitstellung eines wasserlöslichen Antinebeladditivs für Metallbearbeitungsflüssigkeitszusammensetzungen und andere Hochscheranwendungen, das gegenüber einem Abbau durch Scheren beständig ist. In einer Ausführungsform verleiht das Additiv Eigenschaften an die Zusammensetzung derart, dass die sich ergebende Zusammensetzung eine Schergeschwindigkeit von etwa 1 bis etwa 1 000 000 s^–1 aushält und eine Scherkraft von etwa 1 bis etwa 500 000 Pascal aushält. Das Wort "aushält", wie hierin verwendet, bedeutet, dass die erfin dungsgemäßen Zusammensetzungen die Fähigkeit aufweisen, eine Schergeschwindigkeit von etwa 1 bis etwa 1 000 000 s^–1 und eine Scherkraft von etwa 1 bis etwa 500 000 Pascal über eine Zeitspanne in einer Sprühanwendung zu überleben, die an einem Zeitpunkt beginnt, bevor die Zusammensetzung entladen wird, und die in dem Moment endet, an dem die Zusammensetzung entladen ist. Das Wort "überleben" bedeutet, dass die Zusammensetzung ihre Nebelsteuerungseigenschaften von dem Punkt vor einem Entladen zu dem Zeitpunkt nach einem Entladen derart beibehält, dass eine wirksame Nebelsteuerung erreicht wird. Der Ausdruck "wirksame Nebelsteuerung" bedeutet, dass etwa 10 bis etwa 100% Nebelverminderung durch die Zusammensetzung während und nach einem Entladen erreicht wird.
Hochscheranwendungen, die von Metallbearbeitungsanwendungen verschieden sind und die von der Erfindung profitieren können, beinhalten Anwendungen von Druckfarben und Beschichtungen durch Sprüh- und andere Technologien, Anwendung von Enteisungs- und Antivereisungszusammensetzungen, Verwendung von Hydrometallurgie/elektrolytischen Extraktionszusammensetzungen, Verwendung und Anwendung von Reinigungszusammensetzungen wie Haushalts- oder Industriereinigungszusammensetzungen, Anwendung von Klebstoffzusammensetzungen, Anwendung von Feuerlöschzusammensetzungen, Anwendung von Körperpflegeproduktzusammensetzungen, einschließlich Handlotionen, Körpercremes, Seifen, Sonnencremes, Haarkonditionierern, Aftershavelotionen, Lippenbalsamen, Kältecremes, Schaumbad, Reinigungslotionen, Haarspray, Deodorants und Parfümen, Anwendung von Textilappreturzusammensetzungen, wie Textilstrickflüssigkeitszusammensetzungen oder Faserveredelungsformulierungen, Verwendung von Hydraulikflüssigkeiten auf Wasserbasis, Verwendung von Latex und anderen Zusammensetzungen auf Wasserbasis und Schmutzsteuerung während Bohrvorgängen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Vermindern einer Nebelbildung in einem wässrigen Hochschersystem, das eine Anwendung einer wässrigen Zusammensetzung auf das Hochschersystem beinhaltet, bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Einbringen in die wässrige Zusammensetzung eines wasserdispergierbaren, nebelunterdrückenden Copolymers, umfassend:
(A) hydrophobe Monomereinheiten, die mindestens einen ethylenisch ungesättigten Kohlenwasserstoff oder einen solchen Kohlenwasserstoff mit einem Hydrocarbylsubstituenten umfassen, wobei die Monomereinheiten 3 bis 30 Kohlenstoffatome enthalten, und
(B) hydrophile Monomereinheiten, die mindestens eine polymerisierbare Sulfonsäure oder ein Salz davon umfassen, ausgewählt aus Sulfonsäuren der Formeln:
und Salzen davon, worin R₄ ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe ist und R eine aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen ist,
wobei die Salze aus Alkalimetallsalzen, Erdalkalimetallsalzen, Salzen der Metalle Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ce und Zn und Ammoniumsalzen ausgewählt sind, wobei das Ammoniumion: R₅R₆R₇R₈N⁺ entspricht, worin R₅, R₆, R₇ und R₈ unabhängig voneinander Wasserstoffatome oder Hydrocarbylgruppen sind, mit der Maßgabe, dass die Gesamtanzahl an Kohlenstoffatomen in einem Ammoniumkation 21 Kohlenstoffatome nicht übersteigt.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Schmieren eines Metallwerkstücks in einem Schneidevorgang bereitgestellt, das umfasst: Zuführen zu dem Werkstück einer Zusammensetzung, umfassend (a) Wasser und (b) ein wasserdispergierbares, nebelunterdrückendes Copolymer, das umfasst
(A) hydrophobe Monomereinheiten, die mindestens einen ethylenisch ungesättigten Kohlenwasserstoff oder einen solchen Kohlenwasserstoff mit einem Hydrocarbylsubstituenten umfassen, wobei die Monomereinheiten 3 bis 30 Kohlenstoffatome enthalten, und
(B) hydrophile Monomereinheiten, die mindestens eine polymerisierbare Sulfonsäure oder ein Salz davon umfassen, ausgewählt aus Sulfonsäuren der Formeln:
und Salzen davon, worin R₄ ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe ist und R eine aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen ist,
wobei die Salze aus Alkalimetallsalzen, Erdalkalimetallsalzen, Salzen der Metalle Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ce und Zn und Ammoniumsalzen ausgewählt sind, wobei das Ammoniumion: R₅R₆R₇R₈N⁺ entspricht, worin R₅, R₆, R₇ und R₈ unabhängig voneinander Wasserstoffatome oder Hydrocarbylgruppen sind, mit der Maßgabe, dass die Gesamtanzahl an Kohlenstoffatomen in einem Ammoniumkation 21 Kohlenstoffatome nicht übersteigt.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Öl-in-Wasser-Emulsion bereitgestellt, die Wasser, darin dispergiertes Öl und das vorstehende Copolymer umfasst.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
COPOLYMER
Die wässrigen Antinebelzusammensetzungen enthalten ein Copolymer, das durch die Copolymerisation eines hydrophilen Monomers, oft eines wasserlöslichen Monomers, und eines hydrophoben Monomers, oft eines wasserunlöslichen Monomers, gebildet wird. Die hydrophoben Monomereinheiten umfassen mindestens einen ethylenisch ungesättigten Kohlenwasserstoff oder einen solchen Kohlenwasser mit einem Hydrocarbylsubstituenten. Die hydrophoben Monomereinheiten enthalten 3 bis 30, vorzugsweise 6 bis 24 oder 8 bis 18 Kohlenstoffatome.
Das hydrophobe Monomer kann ein Olefin und vorzugsweise ein alpha-Olefin mit 6 bis 18 Kohlenstoffatomen sein. Aliphatische alpha-Olefine dieses Typs beinhalten 1-Hexen, 1-Hepten, 1-Octen, 1-Nonen, 1-Decen, 1-Undecen, 1-Dodecen, 1-Tridecen, 1-Tetradecen, 1-Pentadecen, 1-Hexadecen, 1-Heptadecen und 1-Octadecen, einschließlich sowohl linearer Isomere als auch verzweigter Isomere wie 2-Ethylhex-1-en und Gemischen von linearen und verzweigten Olefinen, wie sie käuflich verfügbar sein können.
Der ethylenisch ungesättigte Kohlenwasserstoff kann auch Styrol (das auch als alpha-Olefin angesehen werden kann) oder ein jegliches der Hydrocarbyl-substituierten Styrole sein. Solche Materialien können typischerweise durch die Formel
dargestellt werden.
In der vorstehenden Struktur ist R¹ ein Wasserstoffatom oder eine Hydrocarbylgruppe, R² ist eine Hydrocarbylgruppe und "a" weist den Wert 0 bis 5, vorzugsweise 0 oder 1 auf. R¹, falls es eine Hydrocarbylgruppe ist, und R² werden jeweils vorzugsweise 1 bis 18, mehr bevorzugt 1 bis 12 und noch mehr bevorzugt 1 bis 4 Kohlenstoffatome enthalten und die Gesamtanzahl an Kohlenstoffatomen in allen solchen Hydrocarbylsubstituenten wird 0 bis 3, vorzugsweise 0 oder 1 und mehr bevorzugt 0 betragen. Zusätzlich zu der gezeigten Struktur mit der Gruppe R¹ an dem β-Kohlenstoffatom, ist es auch möglich, dass eine Hydrocarbylgruppe an dem α-Kohlenstoffatom der Doppelbindung vorliegt. Solche Materialien sollen erfindungsgemäß umfasst sein, obwohl sie aufgrund der verringerten Polymerisationsaktivität von Materialien mit nur inneren ethylenischen Bindungen weniger wünschenswert sein können. In ähnlicher Weise soll der Ausdruck "Hydrocarbyl-substituiertes Styrol" Strukturen umfassen, in denen die Gruppe R² eine kondensierte Ringstruktur bereitstellt, d.h. worin das Gesamtmaterial eine Vinylnaphthalen-Verbindung oder ein Hydrocarbyl-substituiertes Derivat davon ist. In dem letzteren Fall kann der Wert von "a" bis zu der Anzahl an austausch baren Wasserstoffatomen an der Ringstruktur betragen. Unter diesen Alternativen ist Styrol selbst ein bevorzugtes Monomer.
Bei der Polymerisationsreaktion polymerisieren die ethylenischen Bindungen in dem Styrol oder einem anderen olefinischen Monomer und in dem hydrophilen Monomer und das sich ergebende Polymer besteht aus einem Polyethylen-artigen Rückgrat mit hydrophilen und hydrophoben Seitenketten.
HYDROPHILE MONOMERE
Die hydrophilen Monomere, die erfindungsgemäß verwendbar sind, sind polymerisierbare Sulfonsäuren oder Salze der Formel:
und Salze davon, worin R₄ ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe ist und R eine aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 2 bis 12, typischerweise 2 bis 8 Kohlenstoffatomen ist. Die Gruppe R kann verzweigt sein, wie in dem Molekül 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, das die nachstehende Struktur aufweist:
Die Gruppe R kann auch Phenylgruppen, Alkyl-substituierte Phenylgruppen und cycloaliphatische Gruppen beinhalten.
Die Salze sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallsalzen, Erdalkalimetallsalzen, Salzen der Metalle Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ce und Zn und Ammoniumsalzen. Das Ammoniumion wird durch: R₅R₆R₇R₈N⁺ dargestellt, worin R₅, R₆, R₇ und R₈ unabhängig voneinander Wasserstoffatome oder Hydrocarbylgruppen sind. Der Begriff "Ammonium"-ion oder -salz, wie hierin verwendet, soll in einer allgemeinen Weise Ammoniumionen oder -salze in einer strikten Weise, wobei R₅, R₆, R₇ und R₈ jeweils Wasserstoffatome sind, als auch Aminionen oder -salze, bei denen bis zu drei der R-Gruppen Hydrocarbylgruppen sind, und quaternäre Ammoniumionen oder -salze, bei denen jede der R-Gruppen eine Hydrocarbylgruppe ist, beinhalten. Die Gesamtanzahl an Kohlenstoffatomen in einem Ammoniumkation übersteigt 21 Kohlenstoffatome nicht.
2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure und ihre Salze sind bekannte Materialien, die unter dem Handelsnamen AMPS^®-Monomere käuflich erhältlich sind. Solche Materialien und deren Herstellungsverfahren sind z.B. in der US-PS 3,544,597 beschrieben.
Das erfindungsgemäße Polymer ist wasserdispergierbar oder wasserlöslich. Darunter wird verstanden, dass das Polymer in Wasser in einer Menge von mindestens 50 Teilen pro Million, vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-% und mehr bevorzugt mindestens 1 Gew.-% oder sogar 10 Gew.-% bei Raumtemperatur dispergiert oder gelöst werden kann, wobei die Solubilität vorzugsweise für das Polymer selbst oder alternativ dazu für das Polymer mit Hilfe eines oberflächenaktiven Mittels bestimmt wird. Die Begriffe "dispergierbar" und "löslich" werden austauschbar in diesem Zusammenhang verwendet, um die feststellbare makroskopische Dispersion oder Lösung des Polymers anzugeben, ohne Rücksicht auf den mikroskopischen oder molekularen Mechanismus oder die mikroskopischen oder molekularen Strukturen, die beteiligt sein können. Um diesen Solubilitätsgrad zu erreichen, sollte eine bestimmte Minimalmenge des hydrophilen Monomers vorhanden sein. Vorzugsweise sollte das Verhältnis von Molen an A, dem hydrophoben Monomer, zu den Molen von B, dem hydrophilen Monomer, 1:99 bis 75:25 betragen. Mehr bevorzugte Bereiche für die Mole von A zu B betragen 5:95 oder 10:90 bis 50:50.
BILDUNG DES COPOLYMERS
Das Copolymer wird durch Radikalpolymerisation hergestellt. Die Polymerisation erfolgt durch bekannte Radikal-Verfahren. Die allgemeinen Eigenschaften von Acrylamidpolymeren als auch deren Herstellungsverfahren sind in The Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Bd. 1, John Wiley & Sons, 1985 (Sei ten 169–211), beschrieben. Die Enzyklopädie beschreibt Techniken, die zur Bildung von acrylischen Esterpolymeren geeignet sind (Seiten 265–273). Die Polymerisation kann in Lösung und durch verschiedene Suspensions- oder Emulsionsverfahren erfolgen. Bei einer Lösungspolymerisation wird ein Lösungsmittel ausgewählt, das ermöglicht, dass sowohl die hydrophilen als auch die hydrophoben Monomere in Lösung gehalten werden. Gemische von Wasser, Essigsäure, verschiedenen Alkoholen mit niedrigem Molekulargewicht wie Methanol, Ethanol und Butylalkohol als auch polare Lösungsmittel wie Aceton, Essigsäure, Tetrahydrofuran, Dimethylsulfoxid, Dioxan, Dimethylformamid und N-Methylpyrrolidinon sind verwendbar. Eine große Vielzahl von Radikalquellen kann als Starter verwendet werden, einschließlich Persulfate, Redox-Paare, Azoverbindungen und dergleichen. Insbesondere können Emulsionspolymerisationsverfahren verwendet werden, um erfindungsgemäß geeignete Polymere zu bilden. Das bevorzugte Polymerisationsverfahren ist eine Lösungspolymerisation und ist in den nachstehenden Beispielen veranschaulicht.
POLYMERHERSTELLUNG
Beispiel 1. Ein 250 ml-Harzkolben wird mit einem Überkopfrührer, einem Kühler und einem Stickstoffgasadapter ausgestattet. Der Kolben wird mit 13,6 g Styrol, 30 g des Natriumsalzes von 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, 30 g Dimethylformamid und 1 g Azobisisobutyronitril ("AIBN")-Starter beschickt. Das Gemisch wird auf 55°C unter einer Stickstoffspülung von 28 1/h (1 Std.-ft³/h) unter langsamem Rühren erhitzt. Das Gemisch wird unter diesen Bedingungen 8 Stunden gehalten, worauf 105 g Wasser zugegeben werden und das Rühren bei 55°C zusätzliche 8 Stunden fortgesetzt wird. Der Inhalt des Kolbens wird in eine Kristallisierungsschale überführt und bei 100°C unter vermindertem Druck 20 Stunden getrocknet, um das feste polymerische Produkt bereitzustellen.
Beispiel 2. Zu einem 250 ml-Harzkolben, der wie in Beispiel 1 ausgestattet ist, werden 6,5 g (57 mmol) 1-Octen, 40 g (175 mmol) festes Natriumsalz von 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, 40 g Dimethylsulfoxid und 0,0088 g (0,05 mmol) AIBN-Starter gegeben. Eine Stickstoffspülung wird bei 25 1/h (0,5 Std.-ft³/h) begonnen und der Inhalt wird auf 67°C erhitzt. Nach 25-minütigem Rühren wird das Gemisch viskos und 32 g Wasser werden zugegeben und nach einer zusätzlichen Stunde Rühren werden zusätzliche 20 g Wasser zugegeben. Nach einer noch weiteren Stunde Rühren werden 0,008 g zusätzliches AIBN zugegeben und das Gemisch wird bei 67°C für weitere 2,5 Stunden gerührt. Der Inhalt des Kolbens wird in eine Kristallisationsschale geschüttet und das Produkt wird bei 110°C unter vermindertem Druck (10 mm Hg) 16 Stunden getrocknet, um 44,4 g Produkt bereitzustellen.
TEST
Um die Leistung der erfindungsgemäßen Polymere zu bewerten, wird ein Verfahren zum Bewerten einer Fähigkeit des Polymers, Nebelbildung zu vermindern, verwendet. Dieses Verfahren beinhaltet einen "Mahlanlageantinebeltest", der auch in der US-Patentanmeldung Nr. 09/473068, eingereicht am 28. Dezember 1999, beschrieben ist. Die Testvorrichtung umfasst eine teilweise eingeschlossene Boyar-Schulz-Oberflächenmahlanlage, in der ein 152 mm (6") breites × 1,3 mm (1/2") dickes, harzgebundenes Rad mit mittlerer Körnung verwendet wird, um einen 1018-Stahlstab von 2,5 mm × 2,5 mm × 152 mm (1" × 1" × 6") bei 3 000 UpM zu bearbeiten. Eine Getriebepumpe wird verwendet, um die verdünnte Metallbearbeitungsflüssigkeit in dem System rückzuführen und die Metallbearbeitungsflüssigkeit von einer Ölwanne mit einer Kapazität von 19 l (5 Gallonen) zu der Arbeitsstück/Mahlrad-Grenzfläche bei einer Flussrate von etwa 7,6 l/min (2 gpm) und einem Druck von 550 kPa (80 psi) durch eine Düse mit 3,2 mm (1/8") zuzuführen. Das Mahlrad/Arbeitsstück ist innerhalb eines Plexiglas^TM-Gehäuses von 0,034 m² (1,2 ft³) eingeschlossen, um die während eines Mahlens erzeugten Nebel einzufangen und zu lokalisieren.
Ein transportabler Echtzeitaerosolmonitor DataRAM^® [MIE Instruments Inc., Bedford MA] wird verwendet, um kontinuierlich die Nebelmengen zu quantifizieren, die aus der verdünnten Endverwendungsmetallbearbeitungsflüssigkeit innerhalb des Mahlanlagengehäuses gebildet werden. Die Probenentnahmesonde wird bei einer Höhe von 1,4 m (5,5') in dem Gehäuse angebracht. Die Luftprobenentnahme in dem Mahlanlagenexperiment erfolgt unter stagnierenden Bedingungen, um die Nebelkonzentrationen in dem Gehäuse aufzubauschen und zu maximieren.
Das DataRAM ist ein nephelometrischer Monitor, der verwendet wird, um eine Luftpartikelkonzentration durch Abtastung der Menge an Licht zu messen, die durch die Population an Partikeln, die durch ein Probenvolumen treten, gestreut wird. Während seines Betriebs wird eine diskrete Menge an Luftvolumen (bei 2 l/min) durch eine Diode, die gepulste Strahlung emittiert, mit dem engen Band bei 880 nm bestrahlt. Die Konzentration an Luftpartikeln wird sodann basierend auf der Antwort einer Siliciumnachweisgerät-Hybrid-Amplifier-Einheit hinsichtlich der vorwärts gestreuten Strahlungsintensität gemessen. Das DataRAM stellt Konzentrationsmessbereiche von 0,0001 mg/m³ bis 400 mg/m³ (als Arizona-Staub-primäre Standardkalibrierung) bereit.
Eine Nebelkonzentration, die durch eine Endverwendungsmetallbearbeitungsflüssigkeit ohne jegliches Polymer gebildet wird, wird zunächst verwendet, um eine Basislinie aufzustellen. Der Mahltest besteht aus einem Leerlaufzyklus, bei dem die rückgeführte Metallbearbeitungsflüssigkeit auf die sich drehende Rad/Stahlarbeitsstück-Grenzfläche 15 Minuten gesprüht wird [Schritt A]. Nach dem Leerlaufzyklus wird ein Mahlen begonnen, bei dem die Stahlstückoberfläche in schrittweisen Schwüngen von 0,39 mm (0,001") für einen Zeitraum von 30 Minuten behandelt wird [Schritt B]. Die Sequenz von Schritten A und B wird zweimal mit der Endverwendungsmetallbearbeitungsflüssigkeit (ohne dem Polymer) wiederholt, um Basisliniennebelmengen aufzustellen.
Nach Aufstellen von Basisliniennebelmengen wird die Metallbearbeitungsflüssigkeit in der Mahlanlagenölwanne mit dem zu testenden Polymer behandelt. Die Sequenz einer Umgebungsluftprobenentnahme von Leerlauf- und Mahlschritten A und B, wie vorstehend beschrieben, wird unter identischen Mahl- und Nebelprobenentnahmebedingungen, wie für die Basislinie verwendet, wiederholt. Die Nebelverminderungsleistung, die von den in den Metallbearbeitungsflüssigkeiten vorhandenen Polymeren abstammt, wird durch Vergleichen der Nebelmengen, die von der Basislinienmetallbearbeitungsflüssigkeit (ohne Polymer) gebildet werden, mit denjenigen, die mit dem Antinebelpolymer behandelt wurden, berechnet.
Der Grad einer Nebelverminderungsleistung (% Antinebel oder % Nebelverminderung), die von Kandidatenantinebelpolymeren erreicht (gezeigt) wird, wird wie folgt berechnet: % Nebelverminderung = (Nebelkonzentration nach Polymerzugabe/Nebelkonzentration vor einer Polymerzugabe) × 100
Wasser, das relativ leicht in einen feinen Nebel atomisiert werden kann, erzeugt ein Muster mit dem größten Durchmesser. Wenn ein bekanntes Nebelunterdrü ckungsmittel, POLYOX^®, zu dem Wasser gegeben wird, wird eine große Verminderung des Musterdurchmessers festgestellt. In ähnlicher Weise wird das hierin beschriebene Polymer in Wasser gelöst und es wird festgestellt, dass es wesentlich den Durchmesser der Sprühmuster, die auf dem Schirm erzeugt werden, vermindert. Eine Verminderung von 52% wird für das in dem vorstehenden Beispiel 2 hergestellte Polymer festgestellt.
ZUSAMMENSETZUNGEN
Die erfindungsgemäßen Metallbearbeitungsflüssigkeiten beinhalten auf Wasser basierende, ölfreie Zusammensetzungen. In ihrer einfachsten Form beinhalten diese Zusammensetzungen Wasser und das Antivernebelungspolymer. Es ist wünschenswert, das Polymer in einer Menge einzubringen, die wirksam ist, Nebel zu unterdrücken. Jedoch geht auch mit einer Wiedergewinnung von verwendeten Metallbearbeitungsflüssigkeiten einiges beim Gebrauch verloren und das Antivernebelungspolymer wird verbraucht. Dementsprechend ist es auch wünschenswert, die Antivernebelungspolymere bei den unteren Mengen ihres wirksamen Konzentrationsbereichs zu verwenden. Viele Faktoren beeinflussen die Menge an Polymer, die benötigt wird, um eine Antivernebelungswirkung zu erreichen. Die Form des Werkzeugs und des Werkstücks, der Schergrad bei der bestimmten Anwendung und die Geschwindigkeit der Bewegung des Werkstücks beeinflussen alle das Ausmaß an benötigter Nebelunterdrückung. Das Antivernebelungspolymer wird typischerweise in einer Konzentration von so wenig wie 0,005 bis zu 10 Gew.-% , vorzugsweise 0,02 bis 1 Gew.-% und mehr bevorzugt 0,05 bis 0,1 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung, verwendet. Ein Gemisch der Antivernebelungspolymere kann auch zur Herstellung der Zusammensetzungen verwendet werden.
Zusätzlich zu dem Antivernebelungspolymer können die wässrigen Metallbearbeitungsflüssigkeiten Additive enthalten, um die Eigenschaften der Zusammensetzung zu verbessern. Diese Additive beinhalten Antischaummittel, Metalldeaktivatoren und Korrosionsinhibitoren, antimikrobielle Mittel, Antikorrosions-, Hochdruck-, Antiverschleiß-, Antireibungs- und Antirostmittel. Solche Materialien sind dem Fachmann bekannt.
Die erfindungsgemäßen Metallbearbeitungsflüssigkeiten können auch Öl-in-Wasser-Emulsionen sein. Die Emulsionszusammensetzungen enthalten die glei chen Arten und Mengen von Antivernebelungspolymeren wie die vorstehend beschriebenen rein wässrigen Zusammensetzungen. Die Zusammensetzungen können auch die eigenschaftsverbessernden Additive enthalten, die in den vorstehend beschriebenen rein wässrigen Flüssigkeiten verwendet wurden.
Die in den Emulsionszusammensetzungen verwendeten Öle können Petroleumöle wie Öle mit Schmierviskosität, Rohöle, Dieselöle, mineralische Trane (mineral seal oils), Kerosine, Brennstofföle, Weißöle und aromatische Öle beinhalten. Flüssige Öle beinhalten natürliche Schmieröle wie Tieröle, Pflanzenöle, mineralische Schmieröle, lösungsmittel- oder säurebehandelte mineralische Öle, Öle, die sich von Kohle oder Schiefer ableiten, und synthetische Öle. Synthetische Öle beinhalten Kohlenwasserstofföle und Halogen-substituierte Kohlenwasserstofföle wie polymerisierte und copolymerisierte Olefine, z.B. Polybutylene, Polypropylene, Propylen-Isobutylen-Copolymere, chlorierte Polybutylene, Poly(1-hexene), Poly(1-octene), Poly(1-decene), Alkylbenzole wie Dodecylbenzole, Tetradecylbenzole, Dinonylbenzole, Di(2-ethylhexyl)benzole, Polyphenyle wie Biphenyle, Terphenyle und alkylierte Polyphenyle und alkylierte Diphenylether und alkylierte Diphenylsulfide und Derivate, Analoga und Homologe davon.
Alkylenoxidpolymere und Derivate davon, bei denen terminale Hydroxygruppen durch z.B. Veresterung oder Veretherung modifiziert wurden, bilden eine weitere Klasse von synthetischen Ölen. Diese werden durch Polyoxyalkylenpolymere, die durch die Polymerisation von Ethylenoxid oder Propylenoxid hergestellt werden, die Alkyl- und Arylether von diesen Polyoxyalkylenpolymeren wie Methylpolyisopropylenglykolether, Diphenyl- und Diethylether von Polyethylenglykol und Mono- und Polycarbonsäureester davon, z.B. die Essigsäureester, gemischten C₃-C₈-Fettssäureester und C₁₃-Oxo-Diester von Tetraethylenglykol veranschaulicht. Einfache aliphatische Ether können als synthetische Öle verwendet werden, wie Dioctylether, Didecylether, Di(2-ethylhexyl)ether.
Eine weitere geeignete Klasse von synthetischen Ölen umfasst die Ester von Fettsäuren wie Ethyloleat, Laurylhexanoat und Decylpalmitat. Die Ester von Dicarbonsäuren wie Phthalsäure, Bernsteinsäure, Maleinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Fumarsäure, Adipinsäure, Linolsäure-Dimer, Malonsäure, Alkylmalonsäuren, Alkenylmalonsäuren mit einer Vielzahl von Alkoholen wie Butylalkohol, Hexylalkohol, Dodecylalkohol, 2-Ethylhexylalkohol, Ethylenglykol, Diethylenglykolmonoethylether, Propylenglykol sind auch geeignet. Spezifische Beispiele für diese Ester beinhalten Dibutyladipat, Di(2-ethylhexyl)sebazat, Di-n-hexylfumarat, Dioctylsebazat, Diisooctylazelat, Dioctylphthalat, Didecylphthalat, Dieicosylsebazat, den 2-Ethylhexyldiester von Linolsäure-Dimer und den Komplexester, der durch Umsetzen eines Mols Sebacinsäure mit zwei Molen Tetraethylenglykol und zwei Molen 2-Ethylhexansäure gebildet wird.
Das Verhältnis von Öl zu Wasser kann typischerweise von 1:5 bis 1:200 variieren. Ein jeglicher Öl-in-Wasser-Emulgator kann verwendet werden, um die erfindungsgemäßen Emulsionen herzustellen. Emulgatoren können einzelne Materialien sein oder können Gemische von Tensiden sein. Typische Emulgatoren beinhalten Alkalimetallsulfonate und -carboxylate, Salze, die von dem Reaktionsprodukt von Carboxyl-Acylierungsmitteln mit Aminen und Hydroxylaminen abgeleitet sind, Polyole, Polyetherglykole, Polyesher und Polyester und dergleichen. The Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (3. Auflage, Bd. 8, Seiten 900-930) stellt eine gute Beschreibung von Emulsionen bereit und stellt eine Liste von Emulgatoren bereit, die bei der Herstellung von Öl-in-Wasser-Emulsionen verwendbar sind.
In den erfindungsgemäßen Verfahren und in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung wird die Menge des wasserlöslichen nebelunterdrückenden Copolymers typischerweise 1 bis 5000 Teile pro Million (ppm) nach Gewicht der Zusammensetzung, vorzugsweise 10 bis 2000 ppm und mehr bevorzugt 100 bis 1000 ppm nach Gewicht betragen.
ANDERE BESTANDTEILE
Eine typische Metallbearbeitungsflüssigkeit würde andere Komponenten beinhalten wie Antischaummittel, Metalldeaktivatoren, Korrosionsinhibitoren, antimikrobielle Mittel, Hochdruck-, Antiverschleiß-, Antireibungs- und Antirostmittel. Typische Antireibungsmittel beinhalten überbasifizierte Sulfonate, sulfurierte Olefine, chlorierte Paraffine und Olefine, sulfurierte Esterolefine, Amin-terminierte Polyglykole und Natriumdioctylphosphatsalze. Geeignete Antischaummittel beinhalten: Alkylpolymethacrylate und Polymethylsiloxane. Metalldeaktivatoren beinhalten Materialien wie Tolyltriazol. Korrosionsinhibitoren beinhalten Carbonsäure/Borsäure-Diaminsalze, Carbonsäureaminsalze, Alkanolamine, Alkanolaminborate und dergleichen. Diese Bestandteile werden in deren herkömmlichen Mengen verwendet.
Wie hierin verwendet, wird der Begriff "Hydrocarbylsubstituent" oder "Hydrocarbylgruppe" in seinem herkömmlichen Sinn verwendet, der dem Fachmann bekannt ist. Insbesondere betrifft er eine Gruppe, die ein Kohlenstoffatom, das direkt an den Rest des Moleküls gebunden ist, und einen vorherrschenden Kohlenwasserstoffcharakter aufweist. Beispiele für Hydrocarbylgruppen beinhalten:

(1) Kohlenwasserstoffsubstituenten, d.h. aliphatische (z.B. Alkyl- oder Alkenyl-), alicyclische (z.B. Cycloalkyl-, Cycloalkenyl-) Substituenten und aromatisch-, aliphatisch- und alicyclisch-substituierte aromatische Substituenten als auch cyclische Substituenten, wobei der Ring durch einen anderen Teil des Moleküls vervollständigt wird (z.B. bilden zwei Substituenten zusammen einen Ring),
(2) substituierte Kohlenwasserstoffsubstituenten, d.h. Substituenten mit Nichtkohlenwasserstoffgruppen, die im Zusammenhang mit der Erfindung den vorherrschenden Kohlenwasserstoffsubstituenten nicht verändern (z.B. Halogen-(insbesondere Chlor- und Fluor-), Hydroxy-, Alkoxy-, Mercapto-, Alkylmercapto-, Nitro-, Nitroso- und Sulfoxygruppen),
(3) Heterosubstituenten, d.h. Substituenten, die, während sie im Zusammenhang mit der Erfindung einen vorherrschenden Kohlenwasserstoffcharakter aufweisen, von Kohlenstoffatomen verschiedene Atome in einem Ring oder einer Kette enthalten, der/die ansonsten aus Kohlenstoffatomen aufgebaut ist. Heteroatome umfassen Schwefel-, Sauerstoff- und Stickstoffatome und umfassen Substituenten wie Pyridyl-, Furyl-, Thienyl- und Imidazolylgruppen. Allgemein werden nicht mehr als zwei, vorzugsweise nicht mehr als ein Nichtkohlenwasserstoffsubstituent für jeweils 10 Kohlenstoffatome in der Hydrocarbylgruppe vorhanden sein. Typischerweise wird kein Nichtkohlenwasserstoffsubstituent in der Hydrocarbylgruppe vorhanden sein.

Es ist bekannt, dass einige der vorstehend beschriebenen Materialien in der Endformulierung wechselwirken können, so dass die Komponenten der Endformulierung von denjenigen, die anfangs zugesetzt wurden, verschieden sind. Zum Beispiel können Metallionen (z.B. von einem Detergenz) zu anderen sauren oder anionischen Stellen anderer Moleküle wandern. Die dadurch gebildeten Produkte, einschließlich der Produkte, die beim Verwenden der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bei ihrer beabsichtigten Verwendung gebildet werden, können einer leichten Beschreibung nicht zugänglich sein. Nichtsdestotrotz sind alle solche Modifikationen und Reaktionsprodukte in dem Umfang der Erfindung eingeschlossen. Die Erfindung umfasst die Zusammensetzung, die durch Mischen der vorstehend beschriebenen Komponenten hergestellt wird.
Jedes der Dokumente, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, wird hierin durch eine Referenz eingeschlossen. Ausgenommen in den Beispielen oder wo es ausdrücklich anders angegeben ist, sollen alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Mengen von Materialien, Reaktionsbedingungen, Molekulargewichte, Anzahl von Kohlenstoffatomen und dergleichen spezifizieren, durch das Wort "etwa" modifiziert verstanden werden. Wenn nicht anders angegeben, soll jede Chemikalie oder Zusammensetzung, auf die hierin Bezug genommen wird, als ein Material käuflicher Güte angesehen werden, das die Isomere, Nebenprodukte, Derivate und andere solche Materialien enthalten kann, von denen normalerweise verstanden wird, dass sie in der käuflichen Güte vorhanden sind. Jedoch wird die Menge einer jeden chemischen Komponente ausschließlich eines jeglichen Lösungsmittels oder Verdünnungsöls angegeben, das herkömmlicherweise in dem käuflichen Material vorhanden sein kann, wenn nicht anders angegeben. Es soll verstanden werden, dass die hierin angegebenen oberen und unteren Mengen-, Bereichs- und Verhältnisgrenzen unabhängig kombiniert werden können. Wie hierin verwendet, erlaubt der Ausdruck "im Wesentlichen bestehend aus" den Einbau von Substanzen, die die grundlegenden und neuen Eigenschaften der unter Betracht stehenden Zusammensetzung nicht materiell beeinflussen.

Claims

Verfahren zum Vermindern einer Nebelbildung in einem wässrigen Hochschersystem, das eine Anwendung einer wässrigen Zusammensetzung auf das Hochschersystem beinhaltet, umfassend: Einbringen in die wässrige Zusammensetzung eines wasserdispergierbaren, nebelunterdrückenden Copolymers, umfassend: (A) hydrophobe Monomereinheiten, die mindestens einen ethylenischungesättigten Kohlenwasserstoff oder einen solchen Kohlenwasserstoff mit einem Hydrocarbylsubstituenten umfassen, wobei die Monomereinheiten 3 bis 30 Kohlenstoffatome enthalten, und (B) hydrophile Monomereinheiten, die mindestens eine polymerisierbare Sulfonsäure oder ein Salz davon umfassen, ausgewählt aus Sulfonsäuren der Formeln:
und Salzen davon, worin R₄ ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe ist und R eine aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen ist, wobei die Salze aus Alkalimetallsalzen, Erdalkalimetallsalzen, Salzen der Metalle Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ce und Zn und Ammoniumsalzen ausgewählt sind, wobei das Ammoniumion: R5R6R7R8N+ entspricht, worin R₅, R₆, R₇ und R₈ unabhängig voneinander Wasserstoffatome oder Hydrocarbylgruppen sind, mit der Maßgabe, dass die Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen in einem Ammoniumkation 21 Kohlenstoffatome nicht übersteigt.
Verfahren zum Schmieren eines Metallwerkstücks in einem Schneidearbeitsgang, umfassend: Zuführen zu dem Werkstück einer Zusammensetzung, umfassend (a) Wasser und (b) ein wasserdispergierbares, nebelunterdrückendes Copolymer, umfassend (A) hydrophobe Monomereinheiten, die mindestens einen ethylenischungesättigten Kohlenwasserstoff oder einen solchen Kohlenwasserstoff mit einem Hydrocarbylsubstituenten umfassen, wobei die Monomereinheiten 3 bis 30 Kohlenstoffatome enthalten, und (B) hydrophile Monomereinheiten, die mindestens eine polymerisierbare Sulfonsäure oder ein Salz davon umfassen, ausgewählt aus Sulfonsäuren der Formeln:
und Salzen davon, worin R₄ ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe ist und R eine aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen ist, wobei die Salze aus Alkalimetallsalzen, Erdalkalimetallsalzen, Salzen der Metalle Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ce und Zn und Ammoniumsalzen ausgewählt sind, wobei das Ammoniumion: R5R6R7R8N+ entspricht, worin R₅, R₆, R₇ und R₈ unabhängig voneinander Wasserstoffatome oder Hydrocarbylgruppen sind, mit der Maßgabe, dass die Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen in einem Ammoniumkation 21 Kohlenstoffatome nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Verhältnis der Mole von A zu B 1:99 bis 75:25 beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die hydrophoben Monomereinheiten (A) aus 1-Octen, Styrol und Hydrocarbyl-substituierten Styrolen ausgewählt sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die hydrophile Monomereinheit 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäurenatriumsalz umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wasserlösliche nebelunterdrückende Copolymer 1 bis 5000 Gewichtsteile pro Million der Zusammensetzung umfasst.
Öl-in-Wasser-Emulsion, umfassend Wasser, Öl und ein wasserdispergierbares, nebelunterdrückendes Copolymer, umfassend: (A) hydrophobe Monomereinheiten, die mindestens einen ethylenischungesättigten Kohlenwasserstoff oder einen solchen Kohlenwasserstoff mit einem Hydrocarbylsubstituenten umfassen, wobei die Monomereinheiten 3 bis 30 Kohlenstoffatome enthalten, und (B) hydrophile Monomereinheiten, die mindestens eine polymerisierbare Sulfonsäure oder ein Salz davon umfassen, ausgewählt aus Sulfonsäuren der Formeln:
und Salzen davon, worin R₄ ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe ist und R eine aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen ist, wobei die Salze aus Alkalimetallsalzen, Erdalkalimetallsalzen, Salzen der Metalle Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ce und Zn und Ammoniumsalzen ausgewählt sind, wobei das Ammoniumion: R5R6R7R8N+ entspricht, worin R₅, R₆, R₇ und R₈ unabhängig voneinander Wasserstoffatome oder Hydrocarbylgruppen sind, mit der Maßgabe, dass die Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen in einem Ammoniumkation 21 Kohlenstoffatome nicht übersteigt.
Emulsion nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Emulgator.
Emulsion nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die hydrophobe Monomereinheit Styrol oder 1-Octen umfasst.
Emulsion nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die hydrophile Monomereinheit eine Sulfonsäure der Formel
und Salze davon umfasst.
Emulsion nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die hydrophilen Monomereinheiten 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäurenatriumsalz umfassen.
Emulsion nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das wasserlösliche nebelunterdrückende Copolymer etwa 1 bis 5000 Gewichtsteile pro Million der Zusammensetzung umfasst.