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發(fā)明背景
本發(fā)明涉及不含油的金屬加工(metalworking)流體，也稱作合成的金屬加工流體。
金屬加工被定義為將金屬工件成形以使其符合期望的一組幾何規(guī)格。金屬加工包含基本的兩類：切削和成型。切削操作包括磨削，車削，銑削，攻絲，拉削和滾銑。成型操作包括熱和冷軋，拉伸，鍛造，沖壓和沖切。
金屬加工流體是切削和成型操作二者中都必需的。它們必須在工件和工具之間提供潤滑，以及通過除去在金屬加工操作過程中產(chǎn)生的熱來提供冷卻。
潤滑被定義為在兩個移動表面之間的摩擦力的降低。金屬加工操作中兩個主要類型的潤滑是流體動力學(xué)潤滑和邊界或者極壓(EP)潤滑。流體動力學(xué)潤滑涉及通過流體潤滑劑膜來隔開移動表面。當(dāng)表面一起摩擦?xí)r，邊界或者EP潤滑使得所遭受的磨損最小化。聚合物潤滑劑可以提供這兩種類型的潤滑。
金屬加工流體被分為兩種主要的種類，含油的和不含油的。含油的種類包含直鏈油，可溶性油和半合成油，其全部都利用了礦物油作為主要的潤滑劑。不含油的種類被稱作合成加工流體，其包括在含水傳送體系或者稀釋劑中產(chǎn)生潤滑性的添加劑的組合物。可溶性油和半合成產(chǎn)品占據(jù)了80％的市場份額，非水的可還原直鏈油種類具有10％的份額，而合成的加工流體占據(jù)了10％的市場份額。
現(xiàn)有類型的金屬加工流體具有優(yōu)缺點。含油產(chǎn)品的優(yōu)點是優(yōu)異的潤滑性，寬范圍的應(yīng)用性，和保護貯槽(sump)抗腐蝕的屏障作用。含油的金屬加工流體的缺點是水硬度經(jīng)常影響該流體的穩(wěn)定性，泡沫是一種經(jīng)常性的問題，這歸因于它們包含了更高級去垢性的乳化劑，它們攜帶了更大的污垢負荷，它們的處置和將它們從槽中清潔掉的成本更高，并且它們具有更大的微生物問題。
因為從環(huán)境問題到微生物優(yōu)點的諸多因素，使用合成加工流體受到鼓勵。但是，大部分消費者繼續(xù)使用含油產(chǎn)品，這是因為它們在相對低的成本情況下具有良好的潤滑性，以及因為與合成加工流體有關(guān)的增加的維護腐蝕問題。合成加工流體的貯槽，缺乏由油提供的保護性屏障膜，會腐蝕和“冷凍”機加工系統(tǒng)螺栓，使得維護變困難。此外，高潤滑性合成產(chǎn)品比類似潤滑性的含油產(chǎn)品昂貴。半合成加工流體在成本基礎(chǔ)上的物理潤滑性的降低限制了它們在重負荷操作中的用途
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的一方面涉及一種全新種類的金屬加工流體產(chǎn)品。這些新型化學(xué)品并入了羧酸鹽、邊界潤滑劑脂肪酸和EO/PO聚合物的增效共混物，其反應(yīng)以形成這樣的部分(moiety)，其在某些實施方案中可以任選地具有增加的粒度，優(yōu)異的潤滑性或者二者兼具。另外，某些實施方案使用的稀釋劑是不透明的，并且模擬了油基溶液的外觀。
在某些實施方案中，該金屬加工流體組合物在稀釋到0.1-50體積％時的體積平均粒度可以是125nm或者更大。該組合物包含：
(a)一種或多種聚合物潤滑劑；
(b)一種或多種羧酸鹽；
(c)一種或多種乳化劑或者分散劑；和
(d)傳送組分。
某些實施方案可以是合成的金屬加工流體，其展現(xiàn)出潤滑性的工程化增加，同時仍然提供了腐蝕保護和微生物控制。
附圖說明
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具體實施方式
在一種實施方案中，本發(fā)明的金屬加工潤滑劑在稀釋到0.1-50體積％時的體積平均粒度可以是125nm或者更大。在一種實施方案中，該組合物可以包含：
(a)一種或多種聚合物潤滑劑；
(b)一種或多種羧酸鹽；
(c)一種或多種乳化劑或者分散劑；和
(d)傳送組分。
更具體的，該組合物可以包含：
(a)1-80體積％的一種或多種嵌段共聚物作為聚合物潤滑劑；
(b)1-40體積％的一種或多種羧酸鹽；
(c)1-20體積％的一種或多種乳化劑或者分散劑；和
(d)1-97體積％的傳送組分。
在另外一種實施方案中，該組合物可以包含：
(a)5-40體積％的一種或多種嵌段共聚物作為聚合物潤滑劑；
(b)3-30體積％的一種或多種羧酸鹽；
(c)2-12體積％的一種或多種乳化劑；和
(d)18-90體積％的傳送組分。
在又一種實施方案中，該組合物可以包含：
(a)15-25體積％的一種或多種嵌段共聚物作為聚合物潤滑劑；
(b)5-15體積％的一種或多種羧酸鹽；
(c)3-8體積％的一種或多種乳化劑或者分散劑；和
(d)52-77體積％的傳送組分。
每種組分及其實例在下面進一步描述。
聚合物潤滑劑
該聚合物潤滑劑可以是例如EO/PO共聚物。該EO/PO聚合物可以包括例如下面的一種或多種。該EO/PO共聚物可以是具有在中心的聚氧丙烯嵌段和在兩端的聚氧乙烯鏈的嵌段共聚物。該EO/PO共聚物可以是包含在中心的聚氧乙烯嵌段和在兩端的聚氧丙烯鏈的嵌段共聚物。該EO/PO共聚物可以是衍生自環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷對1,2-乙二胺相繼加成的四嵌段共聚物。該EO/PO共聚物可以是具有至少一個端羥基的環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷共聚物。該EO/PO共聚物可以是環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷無規(guī)共聚物的水溶性潤滑劑基料(base stock)。該EO/PO共聚物可以是水溶性聚氧乙烯醇或者聚氧丙烯醇或者這樣的醇的水溶性羧酸酯。該EO/PO共聚物可以是全部聚氧丙烯基團帶有一個端羥基的醇起始基料。該EO/PO共聚物可以是一元或二元酸酯，多元醇酯，聚亞烷基二醇酯，用有機酸、磷酸酯、聚異丁烯、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、以及丙烯酸或甲基丙烯酸和丙烯酸酯的共聚物接枝的聚亞烷基二醇。
明確可以設(shè)想的聚合物包括聚丙二醇嵌段共聚物，聚乙二醇嵌段共聚物，或者聚乙二醇/聚丙二醇嵌段共聚物。
羧酸鹽
部分中和的羧酸鹽打算用來將用于聚合物潤滑劑的親脂性部分提供給具有更大粒度的網(wǎng)絡(luò)和提供工程化的更大的粒度。該鹽可以例如通過使用在本說明書中所述的任何堿性試劑(alkaline agent)來部分中和游離羧酸，脂肪或者油而制造。明確設(shè)想的該鹽的陽離子包括堿金屬或者鏈烷醇胺鹽，例如鈉鹽(例如通過用氫氧化鈉處理酸來制造)。該部分中和的pH取決于所使用的堿性試劑。許多這些羧酸鹽還另外提供了它們本身的邊界潤滑。
作為原料使用的羧酸可以是線型的或者支化的，飽和的或者不飽和的游離羧酸。該酸可以是飽和的或者不飽和的，并且不飽和的部位可以是順式或者反式構(gòu)造的。該酸可以是二羧酸，三羧酸，或者羧酸的酯，胺，酰胺或者乙氧基化的衍生物?？晒┻x擇的是，動物或者植物來源的脂肪或者油可以直接中和來提供羧酸鹽。
下面的是一些設(shè)想的羧酸或者其來源的例子：己酸(caproic acid)(也稱為己酸(hexanoic acid))，庚酸(enanthic acid)也稱為庚酸(heptanoic acid))，辛酸(caprylic acid)也稱為辛酸(octanoic acid))，壬酸(pelargonic acid)也稱為壬酸(nonanoic acid))，異壬酸，癸酸(capric acid)也稱為癸酸(decanoic acid))，新癸酸，月桂酸(也稱作十二烷酸)，硬脂酸(也稱作十八烷酸)，花生酸(也稱作二十烷酸)，棕櫚酸(也稱作十六烷酸)，芥酸，油酸，花生四烯酸，亞油酸，亞麻酸，肉豆蔻酸(也稱作十四烷酸)，山萮酸(也稱作二十二烷酸)，α-亞麻酸，二十六烷酸，蓖麻油酸，丁酸，豬油，牛油，黃油，椰子油，棕櫚油，棉籽油，小麥胚芽油，大豆油，橄欖油，玉米油，葵花油和菜子油或者低芥酸菜子油。
乳化劑或者分散劑
用水稀釋該金屬加工流體組合物形成了不透明的乳液。在高于10％的濃度時，該乳液會需要穩(wěn)定化。乳化劑或者分散劑打算用來提供對于工程化大顆粒乳液的穩(wěn)定。
該乳化劑或者分散劑可以是下面的一種或多種：鏈烷醇酰胺，烷基芳基磺酸鹽，烷基芳基磺酸，氧化胺，酰胺皂和胺皂，嵌段共聚物，羧基化的醇，羧酸或者脂肪酸，乙氧基化的醇，乙氧基化的烷基酚，乙氧基化的胺或者酰胺，乙氧基化的脂肪酸，乙氧基化的脂肪酯和油，乙氧基化的酚，脂肪胺和酯，甘油酯，二元醇酯，咪唑啉類和咪唑啉衍生物，木質(zhì)素和木質(zhì)素衍生物，馬來酸酐或者琥珀酸酐，甲基酯，單酸甘油酯和衍生物，環(huán)烷酸，烯烴磺酸鹽，磷酸酯，聚亞烷基二醇，聚乙二醇，多元醇，聚合的(多糖，丙烯酸，丙烯酰胺)，丙氧基化的和乙氧基化的脂肪酸，醇或者烷基酚，季鹽表面活性劑，肌氨酸衍生物，皂類，山梨聚糖衍生物，蔗糖和葡萄糖的酯和衍生物，油和脂肪酸的硫酸鹽和磺酸鹽，乙氧基化的烷基酚的硫酸鹽和磺酸鹽，醇的硫酸鹽，乙氧基化的醇的硫酸鹽，或者脂肪酯的硫酸鹽，十二烷基和十三烷基苯的磺酸鹽，萘的磺酸鹽，烷基萘的磺酸鹽，石油的磺酸鹽，磺基琥珀酰胺酸鹽，磺基琥珀酸鹽和衍生物，或者十三烷基和十二烷基苯磺酸。
腐蝕抑制性組分
含油產(chǎn)品很大程度上依靠該油本身來形成腐蝕保護的屏障涂層。不含油的產(chǎn)品任選地可以通過化學(xué)手段來獲得這種腐蝕保護。腐蝕抑制劑是化學(xué)化合物，其在低濃度加入時能夠阻止或者延緩金屬和合金的腐蝕。
腐蝕抑制劑的某些機理是形成鈍化層(在材料表面上的薄膜，其阻止腐蝕性物質(zhì)接近該金屬)，抑制氧化還原腐蝕體系的氧化或者還原部分(陽極和陰極抑制劑)，或者清除溶解的氧。
這里有落入這個組中的許多不同的材料。一些例子是羧酸的堿金屬鹽和鏈烷醇胺鹽，十一烷二酸或十二烷二酸或者它們的鹽，C4-22羧酸或者它們的鹽，硼酸及其鹽，甲苯基三唑及其鹽，苯并三唑類及其鹽，咪唑啉類及其鹽，鏈烷醇胺和酰胺，磺酸鹽，環(huán)烷酸的堿金屬鹽和鏈烷醇胺鹽，磷酸酯胺鹽，堿金屬亞硝酸鹽，堿金屬碳酸鹽，羧酸衍生物，烷基磺酰胺羧酸，芳基磺酰胺羧酸，脂肪肌氨酸(fatty sarkoside)，苯氧基衍生物和鉬酸鈉。
堿化劑(ALKALINITY AGENT)
堿化劑為產(chǎn)品提供了期望的pH，并且在某些情況中保持了堿度和pH緩沖。堿化劑的例子包括但不限于鏈烷醇伯胺、仲胺和叔胺，氨基甲基丙醇(AMP-95)，二甘醇胺(DGA)，單乙醇胺(MBA)，單異丙醇胺(MIPA)，丁基乙醇胺(NBEA)，二環(huán)己基胺(DCHA)，二乙醇胺(DEA)，丁基二乙醇胺(NBDEA)，三乙醇胺(TEA)，堿金屬氫氧化物，氫氧化鉀，氫氧化鈉，氫氧化鎂，氫氧化鋰，金屬的碳酸鹽和碳酸氫鹽，碳酸鈉，碳酸氫鈉，碳酸鉀和碳酸氫鉀。用于某些實施方案的優(yōu)選的堿化劑是堿金屬氫氧化物。
所述組合物設(shè)想的pH任選地是3或者更大，任選地是3-10，任選地是4-9，任選地是4-8。
其它成分
該組合物還可以包含消泡劑和/或殺生物劑或者殺真菌劑，以及任何其它常規(guī)的或者新的添加劑。
傳送組分(TRANSPORT COMPONENT)
優(yōu)選的傳送組分(其也可以稱作分散介質(zhì)或者載體)大部分地、任選全部是水。但是，任選地，該組合物可以包含一種或多種油，優(yōu)選小于10體積％的油。這些組分可以是任何常規(guī)的潤滑油。如果設(shè)想的是復(fù)合的油和水傳送組分，則乳化劑可以用來制造油和水的穩(wěn)定乳液。
目前可以利用的非油產(chǎn)品的積極性能任選地保持在這種組合物中以及任選地包括下面的一種，大于一種或者全部性能：環(huán)境依從性(environmental compliance)，良好的冷卻，良好的排屑或者沉降特性，長貯槽壽命和良好的抗生物性。
在請求保護的本發(fā)明中，該金屬加工流體組合物在稀釋到0.1-50體積％時能夠具有小于8000牛頓-cm-1的潤滑性，該潤滑性是用攻絲扭矩測定儀來測量的。
該組合物在低油(即，不大于10體積％的油)或者基本上或者完全無油配制劑中可以任選的具有下面的一種或多種有利的性能：
·含油產(chǎn)品的潤滑性，
·接近于含油產(chǎn)品的潤滑性/成本性能點，
·減少對工人的刺激性(刺激性與高pH產(chǎn)品有關(guān))，
·含油產(chǎn)品的生銹或者其它腐蝕保護性，或者
·無鏈烷醇胺的化學(xué)品。
粒度
如將在下面的實施例中所見的那樣，所配置的本發(fā)明的組合物包含顆粒。較大的顆粒被打算用來提供更大的潤滑性，雖然本發(fā)明不局限于這種理論的正確性。任何實施方案的設(shè)想顆粒任選地具有下面的體積平均直徑：120-100000納米(nm)，可供選擇的是(alternatively)120-100000nm，可供選擇的是120-10000nm，可供選擇的是120-5000nm，可供選擇的是125-10000nm，可供選擇的是125-5000nm，可供選擇的是125-2000nm，可供選擇的是140-10000nm，可供選擇的是140-5000nm，可供選擇的是140-2000nm，可供選擇的是200-10000nm，可供選擇的是200-5000nm，可供選擇的是200-2000nm，可供選擇的是220-10000nm，可供選擇的是220-5000nm，可供選擇的是220-2000nm，可供選擇的是350-10000nm，可供選擇的是350-5000nm，可供選擇的是350-2000nm。
實施例
通過參考下面的實施例能夠更好的理解前述的內(nèi)容，下面的實施例目的是說明實施本發(fā)明用的方法，并且目的并非限制本發(fā)明的范圍。
實施例1
表1
表1的材料A-E被用于攻絲扭矩操作中，該攻絲扭矩操作涉及6061鋁的攻絲。在測試之前將該濃縮物首先稀釋成7.5體積％的溶液。該攻絲扭矩測試是金屬加工流體的潤滑性的定量測量。它的ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法名稱為D5619。攻絲扭矩以比其它測試更好的方式反映了工業(yè)機加工過程，其通常是通過一起摩擦兩個金屬表面來進行的。它是在實驗室中辨別金屬加工流體(MWF)產(chǎn)品機加工性能的優(yōu)異方法。攻絲扭矩結(jié)果已經(jīng)被證明是與現(xiàn)場(field)機加工性能密切相關(guān)的。
該攻絲扭矩測定儀被設(shè)計來測量MWF的潤滑性，同時進行實際的切削。在攻絲操作過程中，在攻絲前進通過切削深度時，該攻絲扭矩測定儀測量了250次瞬間扭矩。專門的軟件然后促進了對于數(shù)據(jù)的分析。攻絲扭矩是用N-m(牛頓-米)或者N-cm(牛頓-厘米)單位來表示的。高潤滑性產(chǎn)品將產(chǎn)生低的扭矩值。相反，低潤滑性產(chǎn)品將產(chǎn)生高扭矩值。以此方式，該儀器量化了產(chǎn)品之間的潤滑性差異。
攻絲扭矩測定儀的一個缺點是所測量的絕對扭矩值依賴于并且將隨著所用的攻絲的直徑而變化。所以，為了消除掉這些幾何影響，有效的是將潤滑性表示為每單位面積上的扭矩，來描述攻絲旋轉(zhuǎn)一周所消耗的能量。用于此的等式是
E/A＝(2’r)/r2，
這里t＝扭矩值，r＝攻絲半徑，E/A＝每單位面積的能量，并且單位是N-m-1(牛頓/米)或者N-cm-1(牛頓/厘米)。
潤滑性數(shù)據(jù)表示在表1中，確定為E/A。E/A值越低，潤滑性和機加工性能越好。全部的樣品在測試前用水稀釋到7.5體積％。
實施例2：
將表1的材料用于粒度操作中，該粒度操作涉及以納米為單位的體積平均粒度的測量。在測試之前首先將該濃縮物用水稀釋到7.5體積％的溶液。顆粒測量儀器(particle-sizing instrument)使用高效動態(tài)光散射來量化20-100000納米的粒度。
在測試之前將全部的樣品稀釋到7.5體積％。所形成的粒度表示在表1中。
實施例3
將表1的材料C在兩個不同的濃度測試粒度，并且在每個濃度評價外觀和乳液穩(wěn)定性。結(jié)果表示在表2中，其在每個濃度顯示出大的平均粒度，不透明的外觀和優(yōu)異的穩(wěn)定性。較大的粒度是更好的潤滑劑的特征。典型的合成MWF在稀釋時形成了粒度小于100納米的澄清溶液。稀釋的樣品C的粒度為對典型的合成MWF所觀察到的最大尺寸的3.5-20倍大。
表2
從實施例1–3可以看出用樣品C獲得了最佳的潤滑性和粒度，樣品C將10％的羧酸-堿金屬鹽(carboxylic acid-alkali salt)和20％Pluronic“R”嵌段共聚物合并。這種比例得到了最大的體積平均粒度和最大的潤滑性。
從該實施例中同樣很顯然的是組合物的潤滑性在很大程度上是它的體積平均粒度的函數(shù)。提高體積平均粒度產(chǎn)生了提高的潤滑性。
從實施例3中可以看出樣品C濃度的增加導(dǎo)致了明顯更大的體積平均粒度。這解釋了乳化劑對于穩(wěn)定高濃度樣品C的必要性。沒有乳化劑時，據(jù)信高濃度的粒度將連續(xù)的聚結(jié)成不穩(wěn)定的狀態(tài)。
應(yīng)當(dāng)理解的是本文所述的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的不同變化和改變對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的?？梢赃M行這樣的變化和改進而不脫離本發(fā)明的主旨和范圍以及不減少它的目標(biāo)優(yōu)點。因此旨在用所附的權(quán)利要求來覆蓋這樣的變化和改變。