ЖИДКАЯ МАТРИЦА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СУСПЕНЗИИ ДЛЯ СНЯТИЯ СТРУЖКИ, А ТАКЖЕ ИСПОЛЬЗУЕМАЯ КАК СМАЗОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ ИЛИ ОБРАБАТЫВАЮЩИЙ РАСТВОР
LIQUID MATRIX FOR RECEIVING OF SUSPENSION FOR REMOVING OF SHAVINGS, AND ALSO USED AS LUBRICATION LIQUID OR PROCESSING SOLUTION

Изобретение относится к жидкой матрице для получения суспензий для снятия стружки, к суспензии для снятия стружки, полученной с жидкой матрицей, и к способу фракционирования отработанной суспензии для снятия стружки, полученной после использования. Изобретение относится также к аналогичной смеси полимера или разных полимеров с водой, которая может особенно благоприятно использоваться во всех технических случаях применения, в которых жидкость должна обладать смазочными свойствами.
Суспензии для снятия стружки состоят из жидкой матрицы и суспендированной в ней тонкодисперсной фракции твердых веществ, которая состоит из таких имеющих острые края и твердых режущих частиц, как алмаз, корунд или карбид кремния, и в известных случаях из фракции продуктов истирания обрабатываемого материала и инструмента. Суспензии для снятия стружки применяются в области технологии резки металлических материалов или при обработке и разделении с доводкой таких хрупких твердых материалов, как керамика, кварц и кремний.
Способами технологии резки, в которых используются суспензии для снятия стружки, являются, кроме прочего, шлифование, притирка, разделение с доводкой, резка пильной проволокой, шлифовка наждаком, полирование и другие процессы, при которых из твердого материала отделяются мелкие стружки.
При использовании суспензий для снятия стружки в области притирки, разделения с доводкой и полирования суспензии необходимы в местах, где они могут проявить свое режущее действие. При этом обрабатываемые детали в определенных случаях с помощью инструмента, как, например, проволочной пилы, под давлением приводятся в контакт с деталью. Благодаря относительному движению между абразивным зерном и/или инструментом и деталью из обрабатываемого материала отрезаются мелкие стружки и переходят в суспензию для снятия стружки. Имеющаяся в суспензии для снятия стружки жидкая матрица, которая далее называется также жидкостью, обеспечивает при этом, что абразивные зерна и стершиеся частицы равномерно распределяются в суспензии для снятия стружки и находятся стабильно диспергированными. Кроме того, жидкость обеспечивает отведение стружки с места резки и ограничивает повышение температуры на месте резки.
При обработке возрастает доля продуктов истирания детали (а в известных случаях и инструмента) в суспензии для снятия стружки. Когда содержание продуктов истирания в суспензии достигает определенной величины, изменяются полезные свойства суспензии и суспензия для снятия стружки должна выводиться из процесса и утилизироваться. Большая часть присутствующих в суспензии дорогостоящих абразивных зерен к этому моменту времени еще не отработаны. Так как они находятся в суспензии стабильно диспергированными, отделить их от суспензии можно только с высокими затратами. После отделения абразивные зерна, например, в случае карбида кремния, могут снова использоваться для получения новой суспензии для снятия стружки или для других технических применений, таких как изготовление керамики, огнеупорных материалов, шлифовальных кругов или шлифовальной бумаги. Однако для этого требуется глубокое разделение отдельных фракций суспензии для снятия стружки.
В нижеследующей таблице показаны типичные интервалы составов суспензии для снятия стружки.
Фракция суспензии для снятия стружки
Типичная доля, мас.%
Жидкая матрица
от 20% до 98%
Абразивное зерно, как, например, карбид кремния, корунд, алмаз или другое
от 2% до 65%
Продукты истирания детали и инструмента, такие как кремний, металлическое железо и цветные металлы
от 0% до 40%
Согласно уровню техники суспензии для снятия стружки получают путем смешивания жидкой матрицы с частицами абразивных зерен. При этом обычно стремятся, чтобы фракция абразивных зерен при применении находилась в суспензии по существу стабильно диспергированной в жидкости. В этом случае фракция абразивных зерен не осаждается на дно приемной емкости или в линиях подачи суспензии.
Преобладающая часть применяемых суспензий для снятия стружки остается стабильно диспергированной в течение многих часов, иногда даже недель, без полного осаждения твердых веществ. Это достигается прежде всего тем, что суспензии для снятия стружки содержат жидкие матрицы с высокими вязкостями. Применяются жидкие матрицы с вязкостью при 20°C выше 10 мПа·с (в случаях разделения с доводкой используются жидкости с вязкостью от 10 мПа·с до 150 мПа, в отдельных случаях применяются жидкости с вязкостью до 5000 мПа·с). Смешение тонкодисперсных абразивных зерен со средним диаметром менее 100 мкм, предпочтительно от 5 до 30 мкм, с вязкой жидкостью приводит к образованию дисперсно-стабильной суспензии для снятия стружки.
Жидкость в суспензиях для снятия стружки состоит согласно уровню техники из жидкостей на основе спиртов, таких как полигликоли, или из несмешивающихся с водой жидкостей, таких как минеральные масла.
Примерами применяющихся спиртов в суспензиях для снятия стружки являются дипропиленгликоль и полиэтиленгликоль, как, например, ПЭГ-200. В качестве жидких матриц на основе минерального масла применяются, кроме прочего, масла из рафинатов нефти или из синтетических углеводородов для смазки и охлаждения режущего инструмента, а также жидкости на основе биогенных олефинов.
Эти жидкости являются дорогими. Суспензии для снятия стружки на основе недорогих жидкостей в этих областях технологии резания неизвестны.
Вода согласно уровню техники в качестве жидкой матрицы не применяется, так как вода не имеет такой вязкости, чтобы можно было создать стабильную суспензию для снятия стружки.
После обработки деталей суспензией для снятия стружки детали должны быть очищены и суспензии и жидкая матрица удаляются с деталей. Требования к чистоте особенно высоки, например, при разделении с доводкой кремниевых блоков в кремниевые пластины.
При применении суспензий для снятия стружки, содержащих маслосодержащие жидкие матрицы, расходы на очистку особенно высоки, так как масла не могут быть смыты с деталей водой. Требуются органические растворители или особые водные растворы ПАВов, отчасти помощь ультразвука, механических срезывающих усилий или высоких температур. Подготовка и очистка насыщенных промывочных жидкостей должны проводиться на основе химических, термических, дистилляционных или физических способов очистки, так как обработка масляных промывочных жидкостей на биологических очистных установках невозможна.
Удаление с поверхности деталей суспензий для снятия стружки на спиртовой основе реализуется проще, так как жидкие матрицы на спиртовой основе часто могут смешиваться с водой. При этом жидкая матрица, а также частицы переходят в воду. Это, помимо загрязнения воды абразивными зернами и истершимися частицами, приводит также к высокой степени нагрузки сточных вод органикой, так как спирты являются высококонцентрированными органическими жидкостями. Соответственно высокой доле органики затраты на очистку сточных вод очень высоки.
Помимо затрат на очистку сточных вод при очистке поверхностей деталей, при утилизации суспензий для снятия стружки теряются большие количества дорогостоящих и неотработанных абразивных зерен. Поэтому для уменьшения этих потерь суспензии для снятия стружки должны иметь такой состав, чтобы было возможным легкое выделение из суспензии прежде всего фракции абразивных зерен и повторное использование абразивных зерен. В настоящее время это достигается только при очень высоких технических издержках.
Хотя способы согласно документам EP 0786317 A2, US 3997359 A, EP 0916463 A1, WO 01/43933 A и согласно реферату к патенту JP 09-109144 делают возможным фракционирование отработанных суспензий для снятия стружки, а также частичную регенерацию фракции абразивных зерен, однако их применение со смазочно-охлаждающими жидкостями согласно уровню техники, то есть на спиртах и маслах, является очень дорогостоящим. Так, для фракционирования масляных суспензий для уменьшения вязкости применяются органические растворители, как керосин или гексан. Для фракционирования суспензий для снятия стружки на спиртовой основе добавляется вода в очень высоком избытке (до 20-кратного количества суспензии для снятия стружки), чтобы снизить вязкость суспензии для снятия стружки и чтобы в разбавленной водно-спиртовой системе можно было провести гидравлическую классификацию твердых частиц. При снижении вязкости с помощью растворителя очень высокая доля масла переходит в органический растворитель. Технологическая вода, которая применяется для уменьшения вязкости, загрязняется высокой долей спирта. Переход жидкой матрицы в технологическую воду требует высоких затрат на очистку воды. Таким образом, этот способ не подходит для экономически выгодного разделения суспензий для снятия стружки.
В других областях техники известны смазочные жидкости, которые состоят в основном из нефтяных фракций, синтетических масел, сложных эфиров жирных кислот, природных масел и жиров или содержат эти масла или жиры. Масла из-за их вязкости и смачивающих свойств обеспечивают, что в месте контакта между двумя движущимися относительно друг друга твердыми материалами снижается трение и истирание.
Преимуществом применения масел является их стабильность в течение длительного времени. Они используются иногда месяцы или годы в качестве, например, трансмиссионного или гидравлического масла без заметного изменения их свойств или начала биологического разложения.
Недостатком таких масел является высокая цена и экологическая небезопасность, так что они в подавляющем большинстве относятся к опасным веществам и при транспортировке и утилизации требуют особого контроля.
Если масла для снижения затрат смешиваются с водой и эмульгируются/стабилизируются с помощью эмульгаторов, это очень быстро приводит к изменению смазочных свойств, например к расслоению смеси или биологическому разложению по меньшей мере некоторых органических компонентов. Поэтому такие смеси неустойчивы при длительном хранении не могут применяться, например, как гидравлическое масло или как смазочно-охлаждающая жидкость, в таких случаях применения, в которых они должны долго оставаться в обрабатывающем станке.
Поэтому смеси из воды, эмульгаторов и масел должны всегда делаться стойкими при хранении с помощью консервантов. Однако этого следует избегать по причинам техники безопасности, так как они могут вызвать раздражения, аллергию и кожную сыпь. Таким образом, здоровью персонала, обслуживающего обрабатывающие станки, иногда причиняется сильный ущерб.
Другой недостаток смазок, которые содержат масла, состоит в том, что масло очень трудно смывается с поверхности. Обработанные металлические детали, которые, например, перед лакированием должны подвергаться основательной очистке, должны поэтому промываться в концентрированных растворах ПАВов или растворителей, что дорого. Это обуславливает высокие издержки и большое количество загрязненной промывочной воды или растворителя. Эти жидкости, в том числе из-за содержания в них масла, которое не может разлагаться биологически, должны подвергаться обработке отходов, требующей особого контроля. Это также обуславливает высокую стоимость.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить жидкую матрицу для получения дисперсионно-стабильных суспензий для снятия стружки, суспензию для снятия стружки, которая может быть получена с жидкой матрицей, а также способ фракционирования суспензии для снятия стружки после ее использования, которые не имеют описанных недостатков уровня техники. Следующая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить жидкость, которая имеет смазывающие свойства для применения с металлами и для применений в гидравлике, которая стабильна длительное время, биологически неразложима или очень плохо разложима, не требует высоких расходов, может быть просто смыта с поверхностей инструмента или детали и в максимально возможной степени не является вредным веществом.
В частности, жидкость должна просто удаляться с поверхности детали. Кроме того, при переработке промывочной воды после очистки детали в промывочную воду должна переходить лишь малая доля органики. Фракционирование суспензии для снятия стружки для извлечения дорогостоящих абразивных зерен должно быть осуществимо просто и применения концентрированных органических жидких матриц нужно избегать.
Эта задача решена путем применения жидкой матрицы или смеси со свойствами по пункту 1 или 2 формулы изобретения, посредством суспензии для снятия стружки по пункту 13, а также способом по пункту 21 фракционирования суспензии для снятия стружки. В пунктах 30 и 31 указан также способ обработки смеси, использующейся как смазочная жидкость или обрабатывающий раствор, благодаря которому улучшается смываемость и биологическая разложимость смазочной жидкости или обрабатывающего раствора после использования. Благоприятные формы осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов или могут быть взяты из последующего описания, а также примеров осуществления.
Под жидкостью согласно изобретению для получения суспензии для снятия стружки имеется в виду смесь из воды и загустителя, который может быть растворен или диспергирован в воде и который так повышает вязкость жидкости, что жидкость после смешения с абразивными зернами и в известных случаях с частицами продуктов истирания способна образовать стабильную суспензию для снятия стружки.
Неожиданно оказалось, что с помощью загустителей, которые известны из случаев применения в области пищевых продуктов, фармацевтики и косметики, можно получить также жидкие матрицы для суспензий для снятия стружки. При этом особым преимуществом при применении жидких матриц на водной основе является высокая теплоемкость воды по сравнению со спиртами и маслами, благодаря чему достигается лучший охлаждающий эффект на месте резки.
В качестве загустителей в принципе применимы:
- органические натуральные загустители, такие как агар-агар, карраген, трагант, гуммиарабик, алгинаты, пектины, полиоза, гуаровая мука, крупчатка плодов рожкового дерева, крахмал, целлюлоза, декстрин, желатин, казеин;
- органически модифицированные природные материалы, такие как карбоксиметидцеллюлоза и другие простые эфиры целлюлозы, целлюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза и гидроксипропилцеллюлоза, и другие модифицированные целлюлозы и подобные или простые эфиры крупчатки;
- органические полностью синтетические загустители, такие как полиакриловые и полиметакриловые соединения, виниловые полимеры, поликарбоновые кислоты, простые полиэфиры, полиимины и полиамиды, и
- неорганические загустители, такие как поликремневые кислоты, глинистые минералы, как монтмориллониты, цеолиты, кремневые кислоты, а также
- смеси различных загустителей.
В качестве загустителей для жидкости согласно изобретению подходят в принципе все вещества, которые в смеси с водой вызывают повышение вязкости, даже сахар и соль.
Под смазочной жидкостью и обрабатывающим раствором согласно изобретению, называемыми далее также жидкостью или смазочной жидкостью, имеется в виду смесь воды и полимерной добавки, которая растворима или диспергируема в воде и которая придает жидкости свойство смазки.
Неожиданно оказалось, что получить жидкости, которые подходят для применения в случаях, в которых до сих пор применялись смазочные масла или масляные эмульсии, можно также, в первую очередь, с загущающими полимерами, которые известны, помимо прочего, из случаев применения в области пищевых продуктов, упаковок, фармацевтики и косметики.
Смазочная жидкость предпочтительно содержит только воду и указанные один или несколько полимеров, а также при необходимости другие, не оказывающие смазочного действия вещества, например консерванты.
Преимуществом при применении смазочных жидкостей на водной основе является при этом высокая теплоемкость воды по сравнению с маслами, благодаря чему достигается лучший охлаждающий эффект на месте трения.
В качестве полимеров, в принципе, применимы загущающие и изменяющие вязкость полимеры, такие как:
- органические натуральные полимеры, как, например, карраген, пектин, полиоза, крахмал, целлюлозы, декстрин, желатин, казеин;
- органически модифицированные натуральные полимеры, такие как карбоксиметилцеллюлоза и другие простые эфиры целлюлозы, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза и другие модифицированные целлюлозы;
- органические полностью синтетические полимеры, такие как полиакриловые и полиметакриловые соединения, виниловые полимеры, поликарбоновые кислоты, простые полиэфиры, полиимины и полиамиды;
- неорганические полимеры, такие как поликремневые кислоты; а также
- различные смеси этих полимеров.
Концентрация загустителя или полимера в большинстве случаев применения не будет превышать значение 25 мас.%. Благоприятные концентрации загустителя или полимеров составляют меньше 10 мас.%, особенные преимущества получаются при использовании менее 5 мас.%. Имеются особенно эффективные загустители или полимеры, которые могут применяться в концентрации менее 1 мас.%. Полисахарид ксантан даже в концентрации 0,25 мас.% при 40°C еще имеет вязкость (примерно 40 мПа·с), равную вязкости полиэтиленгликоля-200 или стандартного смазочного масла. Для получения данной смазочной жидкости можно путем изменения концентрации полимера подбирать вязкость для конкретного случая применения с точностью 1 мПа·с. С традиционными маслами это сделать не так просто, так как для смазки применяются отдельные фракции перегонки нефти, которые в отношении вязкости разделяются на классы с примерно 10 мПа·с, 20 мПа·с и 40 мПа·с.
Специалист способен выбрать подходящие материалы из указанной группы загустителей или полимеров. Так, к жидкой матрице в разных случаях применения, относящихся к технологии резки, предъявляются разные требования. Выбором загустителя можно сделать вязкость, реологические свойства, способность к скольжению и смазочные свойства жидкой матрицы подходящими, например, для конкретного способа разделения с доводкой, полирования, притирки или для других способов обработки различных материалов при разных размерах и материалах абразивных зерен. Различные требования в разных случаях применения предъявляются также к жидкости, действующей как смазка. Выбором полимера здесь также можно подогнать вязкость, биологическую стабильность, смываемость с обработанной поверхности, способность к скольжению и смазывающие свойства к конкретным требованиям и различным материалам. Таким образом, изменением концентрации загустителя или полимера или применением другого или дополнительного загустителя или полимера можно достичь желаемых изменений свойств жидкости.
Изменением концентрации загустителя можно также установить более низкую или более высокую вязкость суспензии для снятия стружки. С чистыми жидкими матрицами согласно уровню техники это невозможно.
Изменением концентрации загустителя или концентрации полимера можно установить более низкие или более высокие теплоемкости жидкости, если жидкая матрица, или смазочная жидкости, или обрабатывающий раствор должны вызывать охлаждающий эффект. Согласно уровню техники это невозможно ни с чистыми жидкими матрицами, ни со смазочными маслами. В жидкой матрице или смазочной жидкости согласно изобретению можно установить теплоемкость при 20°C на значение выше 3 кДж/кгК, в отдельных случаях применения на значение выше 4,1 кДж/кгК. По сравнению с этим теплоемкости жидких матриц или смазочных масел согласно уровню техники составляют от 1,5 до 2,5 кДж/кгК.
Кроме того, жидкая матрица или смазочная жидкость согласно изобретению дает для охлаждения поверхности детали то преимущество, что путем частичного испарения воды, например, на месте резки от детали может быть отведена высокая энергия. Высокая энтальпия испарения присутствующей воды предотвращает слишком высокий нагрев детали. Из-за малой концентрации загустителя или полимера в воде загрязнение детали остающимся при испарении загустителем или остатками смазки сводится к минимуму.
Особые преимущества получаются, когда смешение загустителя или полимера с водой приводит к однофазной смеси. Многофазные системы могут в отдельных случаях применения приводить к расслоению смеси, что может изменить стабильность суспензии или свойства смазки.
В одном особенно выгодном варианте осуществления жидкая матрица или смазочная жидкость содержит натуральные или модифицированные органические полимеры, такие как модифицированная целлюлоза, белки или полисахариды, как, например, ксантан.
Добавлением нескольких массовых процентов модифицированной целлюлозы в воду можно получить жидкость, которая, как ньютоновская жидкость, по своей вязкости и реологическим свойствам почти не отличается от дипропиленгликоля, или полиэтиленгликоля-200, или от веретенных масел. Тем самым возможна замена спиртов или масел на жидкую матрицу или смазочную жидкость согласно изобретению без перестройки имеющихся до настоящего времени процессов.
Жидкость согласно изобретению предлагается, в частности, как замена полигликолям в суспензии для снятия стружки, которые применяются при изготовлении кремниевых пластин. Эти суспензии для снятия стружки содержат 35-65 мас.% жидкой матрицы, 30-60% карбида кремния, 7-25% продуктов истирания кремния и до 5% продуктов истирания железа от проволочной пилы. Кроме того, здесь может быть выгодным (для недопущения химических реакций кремния) добавление кислот для снижения значения pH в жидкой матрице.
Кроме того, полученная смесь воды и модифицированной целлюлозы может разлагаться только под действием немногих ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, и поэтому плохо подвержена биологическому разложению или деструкции. В лаборатории смесь воды и модифицированной целлюлозы может храниться при комнатной температуре более 5 месяцев без изменения вязкости жидкости. Тем самым жидкость согласно изобретению имеет хороший срок годности.
Использование же ксантана в качестве загустителя в жидкости согласно изобретению вызывает другой поразительный эффект. Это вещество в смеси с водой отличается выраженным структурно-вязким поведением. Вязкость таких жидкостей при малых срезающих нагрузках меньше, чем при высоких срезающих нагрузках. Добавление менее 1 мас.% ксантана в воду позволяет получить очень стабильную суспензию для снятия стружки, так как вязкость структурно-вязких жидкостей в случае статических нагрузок особенно высока, что, например, имеет место при предотвращении осаждения. Однако, если жидкость подвергается высоким срезающим нагрузкам, которые имеются непосредственно на месте резки, кажущаяся вязкость снижается до величины, близкой к вязкости чистой воды. Таким образом, жидкость благодаря низкой вязкости может проникнуть в месте резки даже в самые маленькие трещины и пустоты, что вызывает особенно хороший охлаждающий и смазывающий эффект.
Кроме того, благодаря применению жидкости согласно изобретению удается простым способом заметно снизить вязкость жидкости и тем самым сделать доступным фракционирование суспензии для снятия стружки и отделение фракции абразивных зерен. В случае смазочной жидкости можно разорвать полимеры на мелкие молекулярные ветви, чтобы тем самым уменьшить вязкость и улучшить смываемость и биологическую разложимость смазочной жидкости. Для этого подходят, например, способы, в которых молекулы загустителя или полимеров расщепляются. В зависимости от загустителя или полимера этого можно достичь, например, путем:
- приложения механической энергии, как, например, диспергирование с помощью аппарата Turrax, перемешивание; при использовании в суспензиях для снятия стружки уже сам процесс резки приводит к частичному расщеплению молекул загустителя или полимеров;
- приложение тепловой энергии, как, например, процесс термического гидролиза, также при повышенном давлении;
- использование кислот или щелочей для химического изменения молекул;
- обработка ферментами или другой способ, при котором молекулы разрываются, из-за чего, например, изменяется вязкость жидкой матрицы суспензии для снятия стружки.
Так, вязкость жидкой матрицы из модифицированной целлюлозы настолько снижается при добавлении в суспензию для снятия стружки, например целлюлазы, что суспензия для снятия стружки дестабилизируется и начинается осаждение частиц. Вязкость в благоприятных вариантах осуществления способа может быть снижена так, что самые мелкие частицы, как, например, частицы продуктов истирания, остаются во взвеси, а более крупные частицы, например абразивные зерна, осаждаются. Этот эффект в сочетании с гидравлической классификацией делает возможным особенно глубокое разделение между частицами снятого материала и абразивными зернами. Добавление воды способствует этому процессу.
Следующий выгодный и простой способ фракционирования суспензии для снятия стружки, которая содержит жидкую матрицу согласно изобретению, предусматривает на первом этапе понизить вязкость суспензии для снятия стружки только путем добавления воды, чтобы дестабилизировать суспензию. Неожиданно оказалось, что суспензия для снятия стружки, несмотря на содержащийся в ней загуститель, уже только добавлением воды может быть дестабилизирована настолько, что часть твердой фазы осаждается. При этом более мелкие твердые частицы остаются во взвешенном состоянии. Это делает возможным особо глубокое разделение фракции твердых частиц, например, в последующей классификации частиц.
Процесс дестабилизации суспензии для снятия стружки путем добавления воды может быть реализован с меньшим количеством воды, если перед добавлением воды часть жидкой матрицы или часть загустителя удалить из суспензии для снятия стружки. Этого можно достичь, помимо разрыва молекул, также механическим путем, например путем выжимания жидкости, или другим способом, таким как поглощение.
При разбавлении суспензии водой оказывается, что момент добавления воды влияет на вязкость получаемой при этом разбавленной суспензии. Вязкость отработанной суспензии, в которую определенное количество воды добавляется перед процессом резания, оказывается отличной от вязкости, которая получается, когда такое же количество воды добавляется после процесса резания.
Если после использования суспензии отношение воды к загустителю установить на некоторое значение путем добавления воды, то вязкость отработанной суспензии для снятия стружки будет ниже, чем вязкость, какая получилась бы, если такое же отношение воды к загустителю устанавливать путем добавления воды перед использованием суспензии. Этот эффект наблюдается также тогда, когда концентрация твердых веществ и доля мелкой фракции и крупной фракции в обоих случаях одинакова.
Уменьшение вязкости в жидкости согласно изобретению и дестабилизация отработанной суспензии для снятия стружки могут быть достигнуты:
- путем разбавления суспензии водой, и/или
- путем нагревания суспензии, и/или
- уменьшением концентрации загустителя.
Может также оказаться выгодным применять несколько из описанных способов для разбавления суспензии для снятия стружки.
Концентрацию загустителя можно понизить:
- путем ферментативного, термического, химического или гидролитического расщепления загустителя, и/или
- путем предварительного механического отделения части жидкости от суспензии, и/или
- путем дополнения недостающей жидкости водой.
Суспензию для снятия стружки, которая содержит жидкую матрицу согласно изобретению, можно смешать с водой намного проще и быстрее, чем все известные из уровня техники суспензии для снятия стружки, которые содержат смешивающиеся с водой жидкие матрицы, как, например, спирты. Изоляция частиц жидкостью, разбавленной водой, то есть разрушение образующихся агломератов частиц с суспензией для снятия стружки согласно изобретению может быть достигнуто быстрее, чем с известными суспензиями для снятия стружки согласно уровню техники.
Затраты на перевод жидкой матрицы в воду снижаются и гидравлическая классификация при использовании жидкости согласно изобретению становится проще. Требуется меньше технологической воды и технологическая вода может легко быть биологически очищена, она не должна с большими издержками освобождаться от спиртовой фракции.
Таким образом, для суспензий для снятия стружки, которые содержат жидкость согласно изобретению, гидравлическая классификация частиц в целях фракционирования твердого материала из суспензии для снятия стружки выполняется заметно проще и достаточно меньшего добавления воды, чтобы получить желаемый результат классификации. Результат классификации в отдельных случаях может быть дополнительно улучшен тем, что в технологическую воду, используемую для разбавления, добавляют ПАВы или соли.
Глубокое разделение фракции абразивных зерен от продуктов истирания и жидкости путем гидравлической классификации может осуществляться с помощью известных механических аппаратов разделения, таких как центрифуги, декантатор, гидроциклоны, а также осаждением, фильтрацией или другими процессами классификации и разделения.
В принципе, разделять на фракции твердые вещества из суспензии для снятия стружки можно также только после удаления жидкости, например путем удаления воды сушкой. Для этого могут применяться любые способы разделения и сортировки согласно уровню техники, например сухая классификация, воздушная сепарация или другие. В этом случае с помощью дополнительной термической обработки можно очень эффективно удалить остатки сухого загустителя с поверхности абразивного зерна.
Неожиданно оказалось возможным путем разрыва молекулярных цепей в жидкой матрице достичь, помимо уменьшения вязкости, также переносов заряда, изменений полярности жидкости и изменений смачивающих свойств жидкости. При этом можно было влиять на заряды на поверхности частиц и уменьшать образование агломератов частиц и даже разрушать существующие агломераты. Тем самым путем разложения загустителя можно получить осаждение абразивных частицы, в то время как более мелкие частицы продуктов истирания не агломерируют и остаются стабильно диспергированными. Тем самым затраты на разделение частиц на фракции еще больше уменьшаются. Изменение свойств жидкости можно еще больше усилить также добавлением солей и ПАВов.
Кроме того, при расщеплении молекул загустителя, например, путем ферментативной, термической обработки или обработки кислотами или щелочами, оказалось, что можно также настолько улучшить биологическую разложимость органической фракции, что становится возможной простая биологическая очистка органических веществ. Так, биологическую разложимость смазочной жидкости согласно изобретению, содержащей модифицированную целлюлозу, которая в условиях применения не является биологически разложимой, можно также настолько улучшить, например, путем добавления особых целлюлаз, что жидкость можно легко обрабатывать на биологических очистных установках. Благодаря этому сточные воды, которые накапливаются при чистке деталей, или при фракционировании суспензии для регенерации абразивных зерен, или при удалении жидкости, или при удалении стружек, очищаются легче и дешевле. Кроме того, содержание органики в сточных водах из-за малой концентрации загустителей или полимеров в жидкости согласно изобретению является в 20-100 раз меньшим, чем, например, при использовании масел.
Применение биологически трудноразложимых веществ, как, например, модифицированной целлюлозы, имеет то преимущество, что только немногие микроорганизмы способны образовывать ферменты, которые могут вызывать биологическое разложение. Тем самым специалист имеет возможность так установить окружающие условия для смазки согласно изобретению, как, например, значение pH или концентрацию кислорода, чтобы микроорганизмы, которые могут образовывать такие ферменты, не могли расти в жидкости. Таким образом, для предотвращения роста микроорганизмов можно применять особые методы консервации, которые вполне безвредны для человека, как, например, понижение значения pH до величины около 4.
Применение в жидкой матрице или смазочной жидкости таких полимеров, как целлюлоза, модифицированная целлюлоза, крахмалы, модифицированные крахмалы, а также белки или другие полимерные загустители или полимеры, имеет следующие преимущества.
При расщеплении загустителя или полимеров на малые фрагменты, как, например, сахара, крахмалы или аминокислоты, образуются растворы, которые намного лучше смываются с деталей, чем все существующие жидкие матрицы или смазочные жидкости согласно уровню техники. Благодаря этому именно в области обработки кремния или в области металлообработки, где предусматривается последующая обработка поверхности гальванизированием, фосфатированием или лакированием, поверхности деталей могут быть при минимальных затратах на очистку очищены лучше, чем до сих пор. Так как уже несколько массовых % загустителя или полимера в воде достаточно, чтобы установить желательные вязкость и смазочный эффект, при очистке деталей с поверхности, например кремниевых пластин, нужно удалять намного меньше органических компонентов, чем это требуется, например, при применении спиртов в качестве жидкой матрицы или смазочных масел. Кроме того, полученные продукты расщепления загустителя или полимеров, как, например, сахар, аминокислоты или другие мономеры, как, например, капролактам из полиамида, намного лучше растворяются в воде и тем самым намного проще счищаются с поверхности, чем длинноцепочечные спирты, или масла, или эмульсии согласно уровню техники.
Хотя очень многие из описанных загустителей или полимеров образуют с водой биологически стабильные жидкости, может быть полезным или необходимым добавлять в жидкость дополнительные консерванты, чтобы ограничить или предотвратить рост микроорганизмов, например, в суспензии для снятия стружки. Здесь возможно применение консервантов, которые известны специалисту из области консервации смазочно-охлаждающих жидкостей, консервирования продуктов питания или консервации косметических продуктов.
Может также оказаться целесообразным изменить значение pH жидкости, чтобы не допустить нежелательных химических реакций инструмента или детали, как, например, коррозии. В случае обработки кремния нужно избегать щелочной среды, и здесь специалист уменьшит значение pH в жидкой матрице путем добавления кислоты. Для различных металлов специалист предпочтет в качестве защиты от коррозии слегка щелочную среду. В принципе, для жидкости согласно изобретению могут применяться те же добавки и присадки уровня техники, как, например, в обычных смазочно-охлаждающих средствах. Примерами этого, помимо названных консервантов и средств защиты от коррозии, являются также так называемые EP-присадки (Extreme Pressure Additive - противозадирные присадки), эмульгаторы, стабилизаторы, агенты растворения и другие добавки.
Может также быть выгодным получать жидкие матрицы или смазочные жидкости из синтетических полимеров, как полиамид, или других смешивающихся с водой и биологически неразложимых или плохо разложимых полимеров. Это еще больше улучшает биологическую стабильность жидкой матрицы или смазочной жидкости. Кроме того, синтетические полимеры особенно хорошо смываются с поверхности деталей.
Для разрыва молекул полимеров ферменты, как уже было показано, предлагают особые преимущества. Поэтому в одном особо благоприятном способе для предварительной обработки отработанной жидкости, например перед установкой биологической очистки, снова прибегают к ферментам. При этом применение иммобилизованных ферментов на подложке дает то преимущество, что расходуется меньше ферментов и тем самым стоимость обработки можно еще больше уменьшить.
Жидкость согласно изобретению может применяться как смазочно-охлаждающая жидкость, например, в случаях применения, связанных с технологией резки, таких как бурение, пиление, фрезерование, шлифование, обработка на токарном станке, строгание, и в других случая применения. Можно, и в известных случаях желательно, применять такие жидкости как замену обычным смешивающимся с водой смазочно-охлаждающим жидкостям, как эмульсии для смазки режущего инструмента, или не смешивающимся с водой смазочно-охлаждающим жидкостям, как масла для смазки и охлаждения режущего инструмента или веретенные масла.
Смазочная жидкость согласно изобретению может также применяться в качестве действующей как смазка гидравлической жидкости в качестве замены гидравлическому маслу. Здесь согласно уровню техники применяются почти все без исключения масла, так как они оказывают смазывающее действие, являются стабильными длительное время, так как они при работе не подвержены биологическому разложению. Это же справедливо для случаев применения, в которых до сих применяются моторные масла и трансмиссионные масла. Жидкость согласно изобретению может использоваться также как замена инструментальным маслам, например, для валков листопрокатного стана, для штамповки или для глубокой вытяжки металлов.
Пример 1
Из 100 г воды и 2,9 г модифицированной целлюлозы получали прозрачную однофазную жидкую матрицу. Она проявляет ньютоновский характер течения и имеет при 40°C вязкость 35,5 мПа·с. Полиэтиленгликоль-200 имеет при этой температуре вязкость 35 мПа·с. В полученную жидкость вмешивают порошок карбида кремния (SiC) со средним размером частиц 15 мкм. Образуется стабильная суспензия, которая через 1 день еще не полностью осаждается.
После добавления 1 г целлюлазы жидкую матрицу перемешивают при 40°C. Через 120 минут вязкость жидкости снизилась до 2 мПа·с. С помощью полученной жидкости нельзя получить стабильную суспензию для снятия стружки с порошком SiC. Вмешанные частицы полностью осаждаются через несколько минут.
Пример 2
Было получено 10 кг суспензии для снятия стружки. Она состоит из 5 кг карбида кремния и 5 кг жидкой матрицы, которая была получена, как в примере 1. Суспензия вводится в процесс резки проволочной пилой для нарезания кремниевой подложки из кремниевых блоков. После удаления отработанной суспензии последняя содержит 15 мас.% продуктов истирания кремния со средним диаметром частиц 0,8 мкм и 3% продуктов истирания проволочной пилы со средним диаметром частиц 2 мкм.
К 1 кг отработанной суспензии добавляют 3 кг воды. Через один час осаждается более 80% частиц SiC, а почти все частицы кремния остаются во взвеси. После отделения того, что не осадилось, его смешивают еще с 3 кг воды. Эту смесь обрабатывают на гидроциклоне. Крупный продукт классификации содержит менее 1% кремния и железа.
Пример 3
К 1 кг отработанной суспензии из примера 2 добавляют 10 г целлюлазы и 1 кг воды. Через один час осаждается более 85% частиц SiC, а почти все частицы кремния остаются во взвеси.
После отделения того, что не осадилось, его смешивают с еще 3 кг воды. Эту смесь обрабатывают на гидроциклоне. Крупный продукт классификации содержит менее 1% кремния и железа.
Пример 4
Сушат 1 кг отработанной суспензии из примера 2. Сухой твердый материал содержит сухой загуститель, фракцию абразивных зерен, а также истершиеся частицы железа и кремния. Затем твердый материал мелко измельчают и несколько раз обрабатывают с помощью воздушного сепаратора. Образующаяся при этом фракция абразивных зерен содержит менее 5% кремния и менее 1% загустителя. Остаток загустителя затем удаляют с поверхности частиц абразива в печи при 400°C. Полученное абразивное зерно можно снова использовать в процессе пиления.
Пример 5
Смазочную жидкость согласно изобретению получали из 400 г модифицированной целлюлозы и 50 кг деионизированной воды путем добавления полимера. Ее подавали в обрабатывающий станок для шлифования детали из стали. Смазочные свойства, с точки зрения высоты неровностей, износа инструмента и достижимой скорости резки (масса отрезаемого металла за единицу времени), были почти идентичными смазочным свойствам, которые достигались в тот же день на том же шлифовальном станке при использовании обычной эмульсии согласно уровню техники для смазки инструмента. В другом испытании для сравнения в качестве смазочной жидкости на том же шлифовальном станке применялась чистая вода. Уже через несколько секунд шлифовальный круг при использовании воды был полностью испорчен.