Infoblatt:Inhaltsstoffe wassergemischter Kühlschmierstoffe


A. Einleitung

B. Aufbau wassermischbarer bzw. wassergemischter Kühlschmierstoffe

B.1 Emulgatoren

B.2 Korrosionsinhibitoren

B.3 Polare Wirkstoffe und EP-Additive

B.4 Mikrobiozide

B.5 Lösungsvermittler

B.6 Entschäumer

C. Literaturquellen


Das vom Hessischen Ministerium für Umwelt, Energie, Jugend, Familie und Gesundheit finanzierte Beratungsprogramm BIVA unterstützt die abfallerzeugende Industrie, Gewerbe- und Handwerksbetriebe, Maßnahmen zur Vermeidung und Verwertung von Sonderabfällen in Hessen zu ergreifen und dabei auch Kosten zu sparen.

In Ergänzung zu den kostenlosen Betriebsberatungen, den Branchenprojekten und Fachseminaren erstellt der BIVA-Projektträger HIMTECH GmbH in Zusammenarbeit mit anderen Projektträgern und Fachleuten Leitfäden und Infoblätter zu ausgewählten Themenbereichen.

Die nachstehenden Informationen basieren inhaltlich auf Veröffentlichungen der NGS, Hannover, (VV-Information 9; August/1994) und sind eine Ergänzung zum BIVA-Leitfaden “Kosten- und Abfallreduktion beim Einsatz von wassergemischten Kühlschmierstoffen“.

A. Einleitung

Kühlschmierstoffe werden in der Metallverarbeitung mit folgenden Zielen eingesetzt:

In der Bundesrepublik Deutschland werden jährlich rund 1 Mio. Tonnen Schmieröle verkauft. Der Kühlschmierstoffanteil davon liegt bei etwa 6 %. Der Oberbegriff "Kühlschmierstoff" umfaßt gemäß DIN 51385 nichtwassermischbare und wassermischbare bzw. wassergemischte Kühlschmierstoffe (siehe Abbildung 1).



Abbildung 1: Einteilung der Kühlschmierstoffe in Anlehnung an DIN 51385

Der Kühlschmierstoff-Verbrauch unterteilt sich in ca. 60 % nichtwassermischbare und ca. 40 % wassermischbare Kühlschmierstoffe. Bezogen auf das Fertigproduktaufkommen ergibt sich hieraus ein Kühlschmierstoffaufkommen von ca. 900.000 Tonnen bei einem Konzentratanteil von 3 %.

Dieses Infoblatt will dem Abfallerzeuger einen Einblick in die komplexe Struktur des Fertigungshilfsstoffes "wassergemischter Kühlschmierstoff" geben. Verbrauchte wassergemischte Kühlschmierstoffe sind unter dem LAGA-Abfallschlüssel 54402, "Bohr- und Schleifölemulsionen, Emulsionsgemische“ zu entsorgen. Ab dem 01.01.1999 gilt der EAK-Schlüssel 12 01 08, "Bearbeitungsemulsionen, halogenhaltig“ oder 12 01 09, "Bearbeitungsemulsionen, halogenfrei“. Der Entsorgungspreis orientiert sich - in Abhängigkeit vom Entsorgungsweg - an Eigenschaften des Kühlschmierstoffes wie Ölanteil, Feststoffgehalt, Heizwert, Nitratgehalt etc..

Die BIVA-Veröffentlichungsliste enthält Informationen zu weiteren Themen, die Sie kostenlos bestellen können.

B. Aufbau wassermischbarer bzw. wassergemischter Kühlschmierstoffe

Neben dem Mineralölanteil enthalten Kühlschmierstoffkonzentrate eine Vielzahl von Zuschlagstoffen. Diese als Additive bezeichneten Zuschläge - bis zu 500 mögliche Einzelkomponenten werden hierzu verwendet - garantieren die Funktion und Stabilität des Kühlschmierstoffes. Sie helfen somit die zu entsorgende Abfallmenge zu minimieren. Andererseits erschweren sie die Trennung (Spaltung) der verbrauchten und verworfenen Emulsion. Einige der Additive sind aus arbeitsmedizinischer Sicht bedenklich. Deshalb sind beim Einsatz von Kühlschmierstoffen einige "Technische Regeln" zu beachten, so z.B. die

Anlagen, in denen KSS eingesetzt werden, sollten also auch unter dem Aspekt des Arbeitsschutzes betrachtet werden.

Die wichtigsten Zuschlagstoffe sind:

B.1 Emulgatoren

Emulgatoren verhindern das Zusammenfließen der Öltropfen zur einen Phase und stabilisieren somit die Emulsion. Dieses wird durch Bildung eines geordneten Films von Emulgatormolekülen auf den Öltröpfchen erreicht. Dieser Emulgatorfilm hält die Öltröpfchen in der Wasserphase (siehe Wirkmechanismus).

Man unterscheidet:

B.1.1 Ionische Emulgatoren

Ionische Emulgatoren werden in Wasser in Kationen (positive Ladung) und Anionen (negative Ladung) gespalten (dissoziiert).

Liegen die grenzflächenaktiven Eigenschaften beim Anion, spricht man von anionaktiven Emulgatoren. Liegen die emulgierenden Eigenschaften bei dem Kation vor, so handelt es sich um kationaktive Emulgatoren. Da die Bedeutung der kationaktiven Emulgatoren in den handelsüblichen Kühlschmierstoff-Formulierungen eher gering ist, werden untenstehend aus dieser Gruppe nur die anionischen Emulgatoren beschrieben.

B.1.2 Nichtionische Emulgatoren

Die nichtionischen Emulgatoren dissoziieren nicht in Wasser. Die grenzflächenaktive Eigenschaft ist im Molekülaufbau begründet.

B.1.3 Wirkmechanismus

Emulgatoren dienen zur Herabsetzung der Grenzflächenspannung der beteiligten Flüssigkeiten "Wasser" und "Mineralöl". Die Emulgatormoleküle sind polar, d.h. sie bestehen aus einem lipophilen (öllöslichen) und einem hydrophilen (wasserlöslichen) Teil. Sie lösen sich bevorzugt an der Grenzfläche zwischen Öltröpfchen und Wasser. Der lipophile Molekülteil ragt, wie Abbildung 2 zeigt, in die Öltropfen hinein, der hydrophile Molekülteil in die Wasserphase.



Abbildung 2: Emulgatormoleküle an der Grenzfläche Öl/Wasser

1a. Anionische Emulgatoren

1b. Nichtionische Emulgatoren

B.2 Korrosionsinhibitoren

Neben der Kühlung und Schmierung besteht eine Aufgabe des Kühlschmierstoffes darin, die Werkstücke vor Korrosion zu schützen. Zu diesem Zweck werden den Kühlschmierstoffen Korrosionsinhibitoren (Hemmstoffe, Verzögerer) zugegeben, da Emulsionen allein keinen ausreichenden Schutz bieten. Sie wirken durch die Bildung einer nichtmetallischen Schutzschicht auf dem Werkstück.

Folgende Gruppen werden unterschieden:

Es handelt sich hierbei um alkylierte polare Moleküle, die als hydrophobe (wasserabstos-sende) Schicht an der Metalloberfläche angelagert (adsorbiert) werden.

Die chemisch wirkenden Inhibitoren reagieren mit dem Metall an der Oberfläche (Chemisorption). Die Reaktionsprodukte bilden eine Schutzschicht auf dem Werkstück.

Als Korrosionsinhibitoren können z.B. folgende Stoffe verwendet werden:

B.3 Polare Wirkstoffe und EP-Additive

a

Mineralöl

b

Polarer Wirkstoff

c

Mineralöl mit EP-Additiv

d

Mineralöl mit EP-Additiv und polarem Wirkstoff

Abbildung 3: Temperaturbezogene Wirkungsbereiche von EP-Additiven und polaren Wirkstoffen



Durch den Mineralölanteil im Kühlschmierstoff soll sich zwischen Werkzeug und Werkstück beim Bearbeitungsvorgang eine tragende Schmierfilmschicht bilden. Unter dem Einfluß hohen Druckes und den in der Folge temperaturbelasteten Gleitstellen geht die reine Flüssigkeitsreibung in eine Mischreibung über. Rauhigkeitsspitzen an den Metalloberflächen können verschweißen und so zu Verschleißerscheinungen an den Werkzeugen führen.

Die Schmierwirkung der Kühlschmierstoffe kann durch die Zugabe von polaren Wirkstoffen und EP (extreme pressure) -Additiven erhöht werden. Es bilden sich dann Schichten aus polaren Substanzen bzw. Reaktionsschichten. Hierdurch wird der Reibungskoeffizient gesenkt. Dieser ist abhängig von der Materialpaarung an der Kontaktstelle sowie von der Größe der angreifenden Kräfte. Abb. 3 aus Quelle 1)

Polare Wirkstoffe

Polare Wirkstoffe werden durch Adsorptions- und Chemisorptionsvorgänge an die Metalloberfläche gebunden. Fettsäuren z.B. werden an der Oberfläche unter Bildung von Metallseifen gebunden. Mit Erreichen der Schmelztemperatur der entsprechenden Metallseife im Bearbeitungsprozeß wird die Wirkung des polaren Wirkstoffes aufgehoben. Aus diesem Grunde endet die Wirksamkeit polarer Additive oberhalb einer Temperatur von ca. 150 oC.

EP-Additive

Als EP-Additive finden Verwendung z.B.:

Im Unterschied zu den polaren Substanzen reagieren die EP-Additive erst bei höheren Temperaturen mit der Metalloberfläche. Als EP-Additive werden zumeist schwefel- und phosphorhaltige Verbindungen verwendet. Nicht mehr bzw. kaum noch eingesetzt werden die problematischen chlorhaltigen Verbindungen. Schwefelhaltige Additive bilden bei Eisenwerkstoffen nach vorheriger Adsorption und Chemisorption an der Metalloberfläche Eisensulfidschichten. Der Reibungskoeffizient wird von 0,78 bei Stahl auf einen Wert von 0,39 bei Eisensulfid gesenkt.

B.4 Mikrobiozide

Kühlschmierstoffe sind ein idealer Lebensraum für Mikroorganismen. Im wäßrigen Milieu liegt bei günstigen Temperaturen ein Nährstoffüberangebot vor. Ein ungehemmtes Mikrobenwachstum führt zu einem Abbau von Einzelkomponenten, verändert den pH-Wert und destabilisiert folglich die Emulsion. Des weiteren können Ablagerungen von Biomaterial zu einer Verkürzung der Kühlschmierstoff-Badstandzeit führen. Mikrobiozide bewirken eine Abtötung von Bakterien, Hefen und Pilzen. In der Folge sind einige der eingesetzten biozid wirkenden Stoffe aufgelistet.

Mikrobiozide verlängern die Lebensdauer der Emulsion und tragen damit zu einer der wichtigsten VV-Maßnahmen bei, nämlich der Standzeitverlängerung.

In der jüngsten Zeit werden verstärkt sogenannte biostabile oder auch pflegeleichte Kühlschmierstoffkonzentrate auf Borsäurebasis angeboten.

B. 5 Lösungsvermittler

Lösungsvermittler erhöhen die Löslichkeit der Kühlschmierstoffadditive in der Ölphase, also in den Konzentraten. Verwendung finden hierfür vorwiegend Alkohole und Glykole. Sie tragen auch zur Stabilisierung der Konzentrate bei.

B.6 Entschäumer

Als Entschäumer werden unter anderem Silikone und Siliziumsäureester verwendet. Eine Schaumbildung im Kühlschmierstoffbad kann die Funktion des Kühlschmierstoffes behindern und erschwert die Abtrennung von Fremdölen.

C. Literaturquellen

1) Klamann D.
Schmierstoffe und verwandte Produkte.
Herstellung; Eigenschaften; Anwendungen.
Verlag Chemie; Weinheim; 1982

2) Mang Th.
Wassermischbare Kühlschmierstoffe für die Zerspanung.
Kontakt und Studium, Band 61.
expert verlag; Mannheim; 1980