Technisches Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Matrixflüssigkeit zur Herstellung von Zerspanungssuspensionen, eine mit der Matrixflüssigkeit hergestellte Zerspanungssuspension und ein Verfahren zur Fraktionierung der nach der Nutzung erhaltenen gebrauchten Zerspanungssuspension. Die Erfindung betrifft auch eine gleichartige Mischung aus einem Polymer oder verschiedenen Polymeren mit Wasser, die besonders vorteilhaft in allen technischen Anwendungen eingesetzt werden kann, in denen von einer Flüssigkeit Schmiereigenschaften gefordert werden.

Zerspanungssuspensionen bestehen aus einer Matrixflüssig¬ keit und einer darin suspendierten feinpartikulären Feststoff- fraktion, die aus scharfkantigen und harten Schneidkorn¬ partikeln wie Diamant, Korund oder Siliziumkarbid und ggf. einer Fraktion aus Abrieb vom bearbeiteten Material und vom Werkzeug besteht. Zerspanungssuspensionen kommen im Bereich der spanenden Fertigung von metallischen Werkstoffen zum Einsatz oder bei der Bearbeitung und beim Trennläppen von sprödharten Materialien wie Keramik, Quarz und Silizium.

Prozesse der spanenden Fertigung, in denen Zerspanungs¬ suspensionen eingesetzt werden, sind unter anderem Schleifen, Läppen, Trennläppen, Drahtsägen, Schmirgeln, Polieren und andere Prozesse, bei denen aus einem festen Material feine Späne abgetrennt werden. Beim Einsatz von ZerspanungsSuspensionen im Bereich Läppen, Trennläppen und Polieren werden die Suspensionen an den Ort gefördert, an denen sie ihre zerspanende Wirkung entfalten können. Dabei werden unter Druck die zu bearbeitenden Werk- stücke ggf. unter Zuhilfenahme eines Werkzeuges wie z.B. einer Drahtsäge mit dem Werkstück in Kontakt gebracht. Durch die Relativbewegung zwischen Schneidkorn und/oder Werkzeug und Werkstück werden feine Späne aus dem zu bearbeitenden Material geschnitten und in die ZerspanungsSuspension überführt. Die in der Zerspanungssuspension enthaltene Matrixflüssigkeit - die im Folgenden auch als Flüssigkeit bezeichnet wird - stellt dabei sicher, dass die Schneidkörner und Abriebpartikel in der Zer¬ spanungssuspension gleichmäßig verteilt und stabil dispergiert vorliegen. Darüber hinaus stellt die Flüssigkeit sicher, dass die Späne von dem Ort der Zerspanung abtransportiert werden und dass an der Stelle der Zerspanung der Temperaturanstieg begrenzt wird.

Während der Bearbeitung steigt der Anteil an Abrieb des Werkstückes (und ggf. des Werkzeuges) in der Zerspanungs¬ suspension an. Wenn der Abriebgehalt einen definierten Anteil in der Suspension erreicht hat, verändern sich die Gebrauchs¬ eigenschaften der Suspension, und die Zerspanungssuspension muss aus dem Prozess ausgetragen und entsorgt werden. Ein großer Teil der in der Suspension vorliegenden hochpreisigen Schneidkörner sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht verbraucht. Da sie in der Suspension stabil dispergiert vorliegen, können sie nur mit großem Aufwand aus der Suspension abgetrennt werden. Nach dem Abtrennen können die Schneidkörner - z.B. im Falle von Siliziumkarbid - für die Herstellung einer neuen ZerspanungsSuspension oder für andere technische Anwendungen wie die Herstellung von Keramiken, Feuerfestmaterialien, Schleifscheiben oder Schleifpapiere erneut genutzt werden. Dafür ist aber eine scharfe Trennung zwischen den einzelnen Inhaltsstofffraktionen der Zerspanungssuspension erforderlich. Die nachstehende Tabelle zeigt typische Bereiche der Zusammensetzung einer Zerspanungssuspension.

Stand der Technik

Zerspanungssuspensionen werden nach Stand der Technik durch Vermischen einer Matrixflüssigkeit mit partikulären Schneid- körnern hergestellt. Dabei wird typischerweise angestrebt, dass die Schneidkornfraktion weitgehend stabil dispergiert in der Flüssigkeit während der Nutzung der Suspension vorliegt. Die Schneidkornfraktion sedimentiert dann nicht am Boden des Vorlagebehälters oder in den Zuführungsleitungen der Suspension.

Die meisten der eingesetzten Zerspanungssuspensionen bleiben über viele Stunden, teilweise sogar über Wochen stabil dispergiert, ohne dass die Feststoffe vollständig sedimen- tieren. Erreicht wird das vor allem dadurch, dass die Zerspanungssuspensionen Matrixflüssigkeiten mit hohen Viskositäten enthalten. Es kommen Matrixflüssigkeiten zum Einsatz mit Viskositäten bei 20 0C von über 10 mPas - in Anwendungen des Trennläppens kommen Flüssigkeiten zwischen 10 mPas und 150 mPas zum Einsatz, in einigen Fällen werden Flüssigkeiten mit Viskositäten von bis zu 5.000 mPas verwendet. Die Vermischung aus feinpartikulären Schneidkörnern mit einem mittleren Durchmesser von unter 100 μm - vorzugsweise 5 bis 30 μm - mit viskosen Flüssigkeit führt zur Bildung einer dispersionsstabilen Zerspanungssuspension.

Die Flüssigkeit in Zerspanungssuspensionen besteht nach Stand der Technik aus auf Alkoholen basierenden Flüssigkeiten wie Polyglykolen oder aus nichtwassermischbaren Flüssigkeiten wie Mineralölen.

Beispiele für die verwendeten Alkohole in Zerspanungs- suspensionen sind Dipropylenglykol und Polyethylenglykol wie zum Beispiel PEG 200. Als Mineralöl basierte Matrixflüssig- keiten kommen unter anderem Schneidöle aus Erdölraffinaten zum Einsatz oder auf synthetischen Kohlenwasserstoffen - oder auch auf biogenen Olfinen - basierende Flüssigkeiten.

Diese Flüssigkeiten sind hochpreisig. Zerspanungs- suspensionen auf Basis von preiswerteren Flüssigkeiten sind in diesen Bereichen der spanenden Fertigung nicht bekannt.

Wasser kommt nach Stand der Technik als Matrixflüssigkeit nicht zum Einsatz, da Wasser nicht eine Viskosität aufweist, um eine stabile Zerspanungssuspension erzeugen zu können.

Nach der Bearbeitung der Werkstücke mit der Zerspanungs- suspension müssen die Werkstücke gereinigt und die Suspensionen und die Matrixflüssigkeit von den Werkstücken abgetrennt werden. Die Anforderungen an die Reinigung sind zum Beispiel beim Trennläppen von Siliziumblöcken zu Silizium-Scheiben besonders hoch.

Beim Einsatz von ZerspanungsSuspensionen, die ölhaltige Matrixflüssigkeiten enthalten, ist der Reinigungsaufwand besonders hoch, da Öle mit Wasser nicht von den Werkstücken abgewaschen werden können. Es werden organische Lösemittel oder spezielle wässrige Tensidlösungen benötigt, teilweise unter Zuhilfenahme von Ultraschall, mechanischen Scherkräften oder bei erhöhten Temperaturen. Die Aufbereitung und Reinigung der beladenen Waschflüssigkeiten muss auf Basis von chemischen, thermischen, destillativen oder physikalischen Reinigungs- verfahren erfolgen, da eine Behandlung der öligen Wasch¬ flüssigkeiten in einer biologischen Kläranlage nicht möglich ist.

Die Abtrennung von Alkohol-basierten Zerspanungs- Suspensionen von den Werkstückoberflächen gestaltet sich einfacher, da die Matrixflüssigkeiten auf Alkoholbasis vielfach mit Wasser mischbar sind. Die Matrixflüssigkeit und auch Partikel gehen dabei in das Waschwasser über. Dies führt im Wasser neben der Verunreinigung mit Schneidkorn und Abriebpartikeln auch zu einem hohen Maß an organischer Abwasserbelastung, da Alkohole hochkonzentrierte, organische Flüssigkeiten sind. Der Aufwand der Abwasserreinigung ist entsprechend der hohen Organikfrächt sehr hoch.

Neben den Aufwendungen für die Abwasserreinigung bei der Reinigung der Werkstückoberflächen gehen besonders bei der Entsorgung der Zerspanungssuspensionen große Mengen an hochpreisigem und unverbrauchtem Schneidkorn verloren. Zerspanungssuspensionen sollten zur Vermeidung dieses Verlustes deshalb derart zusammengesetzt sein, dass eine Abtrennung vor allem der Schneidkornfraktion aus der Suspension und eine Wiederverwertung des Schneidkorns einfach möglich ist. Dies ist derzeit nur mit Hilfe eines hohen technischen Aufwandes zu erreichen.

Die Verfahren nach EP 0786317 A2, US 3997359 A, EP 0916463 Al, WO 01/43933 A und Patent Abstract zu JP 09-109144 ermöglichen zwar eine Fraktionierung der verbrauchten Zerspanungssuspensionen und auch z.T. eine Rückgewinnung der Schneidkornfraktion, ihre Anwendung mit Kühlschmierstoffe nach Stand der Technik - also auf Alkohole und Öle - ist aber sehr aufwändig. So kommen zur Fraktionierung von Öl-Suspensionen zur Reduktion der Viskosität organische Lösemittel wie Kerosin oder Hexan zum Einsatz. Zur Fraktionierung von Alkohol basierten Zerspanungssuspensionen wird Wasser in - bis zur 20-fachen Menge der Zerspanungssuspension - sehr großem Überschuss zugegeben, um die Viskosität der Zerspanungssuspension zu reduzieren und um im verdünnten wässrigen, alkoholischen System eine Nassklassierung der Feststoffpartikel vornehmen zu können. Bei der .Viskositätserniedrigung mit Lösemitteln wird eine hohe Fracht an Öl in das organische Lösemittel überführt. Das Prozesswasser, das zur Viskositätserniedrigung verwendet wird, wird mit einer hohen Fracht an Alkohol verunreinigt. Die Überführung der Matrixflüssigkeit in das Prozesswasser macht hohe Aufwendungen zur Reinigung des Wassers erforderlich. Damit sind diese Verfahren für eine kostengünstige Trennung der Zer¬ spanungssuspensionen nicht geeignet.

Auf einem anderen technischen Gebiet sind Schmierflüssig¬ keiten bekannt, die vorwiegend aus Erdölfraktionen, synthetischen Ölen, Estern aus Fettsäuren, nativen Ölen und Fetten oder enthalten derartige Öle oder Fette. Die Öle stellen aufgrund ihrer Viskosität und ihrer BenetZungseigenschaften sicher, dass an der Kontaktstelle zwischen zwei gegeneinander bewegten Feststoffen Reibung und Verschleiß reduziert werden.

Ein Vorteil bei der Verwendung von Ölen ist deren Langzeit- Stabilität. Sie kommen z.T. über Monate oder Jahre z.B. als Getriebe- oder Hydrauliköl zum Einsatz, ohne dass sich ihre Eigenschaften merklich verändern oder sich ein biologischer Abbau einstellt.

Nachteilig bei derartigen Ölen sind der hohe Preis und die Umweltunverträglichkeit, so dass sie überwiegend als Gefahr¬ stoff eingestuft sind und bei Transport und Entsorgung einer besonderen Überwachung bedürfen. Werden Öle zur Kostensenkung mit Wasser vermischt und mit Hilfe von Emulgatoren emulgiert/stabilisiert, kommt es sehr schnell zu Veränderungen der Schmiereigenschaften z.B. durch Entmischung oder biologische Zersetzung zumindest einiger der organischen Komponenten. Derartige Mischungen sind somit nicht langzeitstabil und können nicht eingesetzt werden für Anwendungen, z.B. als Hydrauliköl oder als KühlSchmierstoff, bei denen sie lange in der Bearbeitungsmaschine verbleiben müssen.

Mischungen aus Wasser, Emulgatoren und Ölen müssen daher immer mit Konservierungsstoffen haltbar gemacht werden. Diese sind aber aus Gründen der Arbeitssicherheit zu vermeiden, da sie Reizungen, Allergien und Hautausschläge verursachen können. Damit wird die Gesundheit des Personals an den Bearbeitungs¬ maschinen z.T. massiv beeinträchtigt.

Ein weiterer Nachteil von Schmierstoffen, die Öle enthalten, liegt darin, dass Öl sehr schlecht von Oberflächen abgewaschen werden kann. Bearbeitete metallische Teile, die z.B. vor der Lackierung einer gründlichen Reinigung unterzogen werden sollen, müssen deshalb aufwändig in konzentrierten Tensidlösungen oder Lösemitteln gewaschen werden. Dies verursacht hohe Kosten und große Mengen an verunreinigtem Waschwasser oder Lösemittel. Diese Flüssigkeiten müssen u.a. aufgrund des Ölgehaltes, der biologisch nicht abgebaut werden kann, einer besonders überwachungsbedürftigen Abfallbehandlung unterzogen werden. Dies verursacht ebenfalls hohe Kosten.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Matrixflüssigkeit für die Herstellung dispersionsstabiler Zerspanungssuspensionen, eine mit der Matrixflüssigkeit herstellbare Zerspanungssuspension sowie ein Verfahren zur Fraktionierung der Zerspanungssuspension nach deren Gebrauch zur Verfügung zu stellen, welche die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeiden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, die schmierende Eigenschaften für Anwendungen mit Metallen und für Hydraulikanwendungen aufweist, die langzeitstabil ist, biologisch nicht oder nur sehr schwer abbaubar ist, niedrige Kosten verursacht, einfach von Oberflächen eines Werkzeuges oder Werkstückes abgewaschen werden kann und möglichst keinen Gefahrstoff darstellt.

Insbesondere sollte die Flüssigkeit einfach von Werkstück- Oberflächen abzutrennen sein. Außerdem sollte bei der Aufbereitung des Waschwassers aus der Werkstückreinigung nur eine geringe Organikfrächt ins Waschwasser überführt werden. Die Fraktionierung der ZerspanungsSuspension zur Rückgewinnung des hochpreisigen Schneidkorns sollte einfach durchführbar sein und der Einsatz von konzentrierten organischen Matrix- flüssigkeiten vermieden werden.

Darstellung der Erfindung

Gelöst wird die Aufgabe durch Verwendung einer Matrix- flüssigkeit oder Mischung mit den Eigenschaften nach Anspruch 1 oder 2, durch die ZerspanungsSuspension nach Anspruch 13 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 21 zur Fraktionierung der Zerspanungssuspension. In den Ansprüchen 30 und 31 ist auch ein Verfahren zur Behandlung der als Schmier- oder Bearbeitungs- flüssigkeit eingesetzten Mischung angegeben, mit dem die Abwaschbarkeit und biologische Abbaubarkeit der Schmier- oder Bearbeitungsflüssigkeit nach der Benutzung verbessert wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeit zur Herstellung einer Zerspanungssuspension handelt es sich um eine Mischung aus Wasser und einem Verdickungsmittel, welches in Wasser löslich oder dispergierbar ist und das in der Flüssigkeit die Viskosität derart erhöht, dass die Flüssigkeit geeignet ist, nach Vermischung mit Schneidkörnern und ggf. Abriebpartikeln eine stabile Zerspanungssuspension auszubilden.

Überraschenderweise können mit Verdickungsmitteln, die aus Anwendungen in den Bereichen Lebensmittel, Pharma und Kosmetik bekannt sind, auch Matrixflüssigkeiten für Zerspanungs¬ suspensionen hergestellt werden. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung von Matrixflüssigkeiten auf Basis von Wasser ist dabei die höhere Wärmekapazität des Wassers im Vergleich zu Alkoholen und Ölen, wodurch eine bessere Kühlwirkung am Ort der Zerspanung erreicht wird.

Als Verdickungsmittel sind prinzipiell einsetzbar: • organische natürliche Verdickungsmittel wie Agar-Agar, Carrageen, Tragant, Gummi arabicum, Alginate, Pektine, Polyosen, Guar-Mehl, Johannisbrotbaum-Kernmehl, Stärke, Cellulosen, Dextrine, Gelatine, Casein; • Organische abgewandelte Naturstoffe wie Carboxymethyl- cellulosen und andere Celluloseether, Cellulosen, Hydroxyethylcellulose und Hydroxypropylcellulose, und weitere modifizierte Cellulosen dergleichen oder Kernmehlether; • Organische vollsynthetische Verdickungsmittel wie Polyacryl- und Polymethacryl-Verbindungen, Vinylpolymere, Polycarbonsäuren, Polyether, Polyimine und Polyamide und • Anorganische Verdickungsmittel wie Polykieselsäuren, Tonmineralien wie Montmorillonite, Zeolithe, Kieselsäuren; sowie • Mischungen aus verschiedenen Verdickungsmitteln.

Als Verdickungsmittel für die erfindungsgemäße Flüssigkeit geeignet sind prinzipiell alle Stoffe, die in Mischung mit Wasser eine Viskositätserhöhung bewirken so auch Zucker und Salze. Bei der erfindungsgemäßen Schmier- und Bearbeitungs¬ flüssigkeit, im Folgenden auch als Flüssigkeit oder Schmierflüssigkeit bezeichnet, handelt es sich um eine Mischung aus Wasser und einem polymeren Zusatzstoff, der in Wasser löslich oder dispergierbar ist und der der Flüssigkeit eine schmierende Eigenschaft verleiht.

Überraschenderweise können vor allem mit verdickend wirkenden Polymeren, die u.a. aus Anwendungen in den Bereichen Lebensmittel, Verpackung, Pharma und Kosmetik bekannt sind, auch Flüssigkeiten hergestellt werden, die für den Einsatz in Anwendungen geeignet sind, in denen bislang Schmieröle oder Öl- Emulsionen verwendet werden.

Die Schmierflüssigkeit enthält vorzugsweise lediglich Wasser und die genannten ein oder mehreren Polymere sowie gegebenenfalls weitere die schmierende Wirkung nicht beeinflussende Stoffe, z.B. Konservierungsstoffe.

Ein Vorteil bei der Verwendung von Schmierflüssigkeiten auf Basis von Wasser ist dabei die hohe Wärmekapazität des Wassers im Vergleich zu Ölen, wodurch eine bessere Kühlwirkung am Ort der Reibung erreicht wird.

Als Polymere sind prinzipiell verdickende und Viskositäts- verändernde Polymere einsetzbar wie: • organische natürliche Polymere wie z.B. Carrageen, Pektine, Polyosen, Stärke, Cellulosen, Dextrine, Gelatine, Casein,- • organische abgewandelte natürliche Polymere wie Carboxymethylcellulosen und andere Celluloseether, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose und weitere modifizierte Cellulosen; • organische vollsynthetische Polymere wie Polyacryl- und Polymethacryl-Verbindungen, Vinylpolymere, Polycarbonsäuren, Polyether, Polyimine und Polyamide; • anorganische Polymere wie Polykieselsäuren; sowie • Mischungen aus verschiedenen dieser Polymere.

Die Konzentration des Verdickungsmittels oder Polymers wird bei den meisten Anwendungen Werte von 25 Mass.-% nicht übersteigen. Vorteilhafte Konzentrationen für die Verdickungsmittel oder Polymere sind kleiner als 10 Mass-%, besondere Vorteile ergeben sich bei Einsatz von weniger als 5 Mass-%. Es gibt besonders effiziente Verdickungsmittel oder Polymere, die mit weniger als 1 Mass.-% eingesetzt werden können. Das Polysacharid Xanthan weist sogar bei 0,25 Mass-% bei 400C mit ca. 40 mPas noch die gleiche Viskosität wie Polyethylenglykol 200 oder ein handelsübliches Schmieröl auf. Für die Herstellung der vorliegenden Schmierflüssigkeit ist es durch Variation der Konzentration des Polymers möglich, Viskositäten auf 1 mPas genau an die jeweilige Anwendung anzupassen. Das ist mit konventionellen Ölen nicht so einfach möglich, da zum Schmieren einzelne Fraktionen aus der Erdöldestillation eingesetzt werden, die hinsichtlich der Viskosität in Klassen von etwa 10 mPas, 20 mPas und 40 mPas unterteilt sind.

Der Fachmann ist in der Lage, aus den genannten Gruppen der Verdickungsmittel oder Polymere die geeigneten Stoffe auszuwählen. So werden an die Matrixflüssigkeit in den verschiedenen Anwendungen der spanenden Fertigung unterschiedliche Anforderungen gestellt. Durch die Wahl des Verdickungsmittels können die Viskosität, die rheologischen Eigenschaften und die Gleit- und Schmiereigenschaften der Matrixflüssigkeit z.B. spezifisch an die Prozesse Trennläppen, Polieren, Läppen oder andere Prozesse von verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Schneidkorngrößen und - materialien angepasst werden. Auch an die schmierend wirkende Flüssigkeit werden in den verschiedenen Anwendungen unterschiedliche Anforderungen gestellt. Durch die Wahl des Polymers können auch hier die Viskosität, die biologische Stabilität, die Abwaschbarkeit von der bearbeiteten Oberfläche und die Gleit- und Schmiereigenschaften den spezifischen Anforderungen und verschiedenen Materialien angepasst werden. Somit können durch Variation der Konzentration des Verdickungs- mittels oder Polymers oder durch Verwendung eines anderen oder eines zusätzlichen Verdickungsmittels oder Polymers gezielte Änderungen der Flüssigkeitseigenschaften erreicht werden.

Es ist durch Änderung der Verdickungsmittel-Konzentration auch möglich, eine niedrigere oder höhere Viskosität in der Zerspanungssuspension einzustellen. Dies ist mit reinen Matrixflüssigkeiten nach Stand der Technik nicht möglich.

Es ist möglich, durch Änderung der Verdickungsmittel- oder Polymer-Konzentration, niedrigere oder höhere Wärmekapazitäten in der Flüssigkeit einzustellen, wenn die Matrix- oder Schmier¬ bzw. Bearbeitungsflüssigkeit einen Kühleffekt bewirken soll. Dies ist nach Stand der Technik weder mit reinen Matrixflüssig¬ keiten noch mit Schmierölen möglich. Es ist möglich, in der erfindungsgemäßen Matrix- oder Schmierflüssigkeit die Wärmekapazität bei 20 0C auf Werte über 3 kJ/kgK, in einigen Anwendungen auf Werte über 4,1 kJ/kgK einzustellen. Die Wärmekapazitäten von Matrixflüssigkeiten oder Schmierölen nach Stand der Technik liegen im Vergleich dazu zwischen 1,5 und 2,5 kJ/kgK.

Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Matrix- oder Schmierflüssigkeit zur Kühlung der Werkstück-Oberflächen den Vorteil, dass durch eine teilweise Verdampfung des Wassers, z.B. am Ort einer Zerspanung, hohe Energien vom Werkstück abgeführt werden können. Die hohe Verdampfungsenthalpie des enthaltenen Wassers verhindert eine zu hohe Erwärmung des Werkstückes. Durch die geringe Konzentration an Verdickungsmittel oder Polymer im Wasser wird die Verunreinigung des Werkstückes durch das bei der Verdampfung zurückbleibende Verdickungsmittel bzw. mit Rückständen des Schmierstoffs minimiert. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Mischung aus Verdickungsmittel oder Polymer und Wasser zu einer einphasigen Mischung führt. Mehrphasensysteme können in einigen Anwendungen zur Entmischung führen, was die Stabilität der Suspension bzw. die Eigenschaften des Schmiermittels verändern kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Matrix- oder Schmierflüssigkeit natürliche oder modifizierte organische Polymere wie modifizierte Cellulosen, Proteine oder Polysacharide wie z.B. Xanthan.

Durch Zugabe weniger Mass. -Prozent einer modifizierten Zellulose in Wasser kann eine Flüssigkeit erzeugt werden, die sich hinsichtlich ihrer Viskosität und ihres rheologischen Verhaltens als Newtonsche Flüssigkeit fast nicht von Dipropylenglykol oder Polyethylenglykol 200 oder von Spindelölen unterscheiden lässt. Die Substitution von Alkoholen oder Ölen durch die erfindungsgemäße Matrix- oder Schmierflüssigkeit ist somit ohne Umstellung der bislang bestehenden Prozesse möglich.

Die erfindungsgemäße Flüssigkeit bietet sich im Besonderen als Ersatz von Polyglykolen in Zerspanungssuspension an, die bei der Herstellung von Silizium-Scheiben eingesetzt werden. Diese Zerspanungssuspensionen bestehen aus 35 bis 65 Mass-% Matrixflüssigkeit, 30 bis 60 % Siliziumkarbid, 7 bis 25 % Siliziumabrieb und bis zu 5 % Eisenabrieb von der Drahtsäge. Hier kann zudem - zur Vermeidung einer chemischen Reaktion des Siliziums - die Zugabe von Säuren zur pH-Wert Absenkung in der Matrixflüssigkeit vorteilhaft sein.

Die erzeugte Mischung aus Wasser und modifizierter Zellulose ist überdies nur durch wenige von Mikroorganismen herstellbare Enzyme spaltbar und deshalb biologisch nur sehr schwer zersetzbar bzw. abbaubar. Im Labor konnte die Mischung aus Wasser und modifizierter Zellulose bei Raumtemperatur über 5 Monate gelagert werden, ohne dass sich die Viskosität der Flüssigkeit veränderte. Damit weist die erfindungsgemäße Flüssigkeit eine gute Haltbarkeit auf.

Der Einsatz von Xanthan als Verdickungsmittel in der erfin¬ dungsgemäßen Flüssigkeit bewirkt hingegen einen anderen überraschenden Effekt. Diese Substanz in Mischung mit Wasser weist ein ausgeprägt strukturviskoses Verhalten auf. Die Viskosität in derartigen Flüssigleiten ist bei geringen Scherbeanspruchungen geringer als bei hohen Scherbeanspruchen. Die Zugabe von weniger als 1 Mass.-% an Xanthan in Wasser erlaubt die Herstellung einer äußerst stabilen Zerspanungssuspension, da die Viskosität bei strukturviskosen Flüssigkeiten im Falle der statischen Beanspruchung besonders hoch ist, wie es z.B. der Vermeidung der Sedimentation der Fall ist. Wird die Flüssigkeit aber hohen Scherbeanspruchungen ausgesetzt, die direkt am Ort der Zerspanung vorliegen, reduziert sich die scheinbare Viskosität auf Werte, nahe der Viskosität von reinem Wasser. Somit kann die Flüssigkeit am Ort der Zerspanung durch die niedrige Viskosität auch in die feinsten Ritzen und Hohlräume eindringen, was einen besonders guten Kühl- und Schmiereffekt bewirkt.

Darüber hinaus gelingt es beim Einsatz der erfindungs¬ gemäßen Flüssigkeit mit einfachen Verfahren, die Viskosität der Flüssigkeit deutlich zu reduzieren und damit die Zerspanungs- suspension einer Fraktionierung und einer Abtrennung der Schneidkornfraktion zugänglich zu machen. Bei der Schmierflüssigkeit ist es möglich, die Polymere zu kleinen Molekülsträngen zu spalten, damit die Viskosität zu senken und die Abwaschbarkeit und die biologische Abbaubarkeit der Schmierflüssigkeit zu verbessern. Geeignet sind hierfür z.B. Verfahren, welche die Moleküle der Verdickungsmittel oder Polymere spalten. Dies kann in Abhängigkeit vom Verdickungs- mittel oder Polymer z.B. erreicht werden durch: • Eintrag mechanischer Energie, wie z.B. Turrax, Rühren; bei Einsatz in Zerspanungssuspensionen führt auch der Zerspanungsprozess selbst schon zu einer teilweisen Spaltung von Molekülen der Verdickungsmittel oder Polymere; • Eintrag von thermischer Energie wie z.B. thermische Hydrolyse-Verfahren auch unter erhöhtem Druck; • Einsatz von Säuren oder Laugen zur chemischen Veränderung der Moleküle; • Enzymbehandlungen oder andere Verfahren, mit denen die Moleküle gespalten werden, wodurch z.B. die Viskosität der Matrixflüssigkeit der Zerspanungssuspension verändert wird.

So wird die Viskosität der Matrixflüssigkeit aus modifizierter Zellulose z.B. durch Zugabe einer Zellulase in die Zerspanungssuspension derart reduziert, dass die ZerspanungsSuspension destabilisiert wird und eine Sedimentation der Partikel einsetzt. Die Viskosität kann in vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens derart reduziert werden, dass die feinsten Partikel, wie z.B. die Abriebpartikel in Schwebe bleiben, während größere Partikel, z.B. Schneidkörner sedimentieren. Dieser Effekt ermöglicht in Verbindung mit einer Nassklassierung eine besonders scharfe Abtrennung zwischen Abriebpartikeln und Schneidkorn. Die Zugabe von Wasser unterstützt diesen Vorgang.

Ein weiteres vorteilhaftes und einfaches Verfahren zur Praktionierung einer Zerspanungssuspension, die die erfindungs¬ gemäße Matrixflüssigkeit enthält, sieht vor, in einem ersten Schritt die Viskosität der ZerspanungsSuspension nur durch Zugabe von Wasser zu reduzieren, um die Suspension zu destabilisieren. Überraschenderweise kann die Zerspanungs- Suspension trotz der in der Suspension enthaltenen Verdickungs¬ mittel alleine schon durch die Zugabe von Wasser derart destabilisiert werden, dass Teile der Feststoffe sedimentieren. Feinere Feststoffpartikel bleiben dabei stabil in Schwebe. Dies ermöglicht eine besonders scharfe Trennung der Feststoff¬ fraktionen z.B. in einer nachfolgenden Klassierung der Partikel .

Der Vorgang der Destabilisierung der Zerspanungssuspension durch Zugabe von Wasser kann mit weniger Wasser erreicht werden, wenn vor der Zugabe des Wassers Teile der Matrix- flüssigkeit oder Teile der Verdickungsmittels aus der Zerspanungssuspension entfernt werden. Dies kann neben der MolekülZersetzung auch z.B mechanisch durch Abpressen der Flüssigkeit oder mit anderen Verfahren wie Absorption erreicht werden.

Es zeigt sich bei der Verdünnung der Suspension mit Wasser, dass der Zeitpunkt der Zugabe des Wassers einen Einfluss auf die Viskosität der dabei erzeugten verdünnten Suspension hat. Es ergeben sich unterschiedliche Viskositäten in der gebrauchten Suspension, wenn eine definierte Menge an Wasser vor dem Zerspanungsvorgang zugesetzt wird, als wenn die identische Menge an Wasser nach dem Zerspanungsvorgang zugesetzt wird.

Die Viskosität in der gebrauchten Zerspanungssuspension wird niedriger, wenn nach dem Gebrauch der Suspension das Verhältnis aus Wasser zu Verdickungsmittel durch Zugabe von Wasser auf den gleichen Wert eingestellt wird, als wenn das gleiche Verhältnis aus Wasser und Verdickungsmittel durch Zugabe von Wasser vor dem Gebrauch eingestellt wurde. Dieser Effekt ist auch dann zu beobachten, wenn die Feststoffkonzentration und der Anteil an Feinkorn und Grobkorn in beiden Fällen identisch sind.

Die Reduktion der Viskosität in der erfindungsgemäßen Flüssigkeit und die Destabilisierung der gebrauchten ZerspanungsSuspension kann somit erreicht werden: • durch Verdünnung der Suspension mit Wasser und/oder • durch Erwärmung der Suspension und/oder • Reduktion der Konzentration des Verdickungsmittels. Es kann auch vorteilhaft sein, mehrere der beschriebenen Verfahren zur Verdünnung der Zerspanungssuspension zu verwenden.

Die Konzentration des Verdickungsmittels kann reduziert werden • durch eine enzymatische, thermische, chemische oder hydrolytische Spaltung des Verdickungsmittels und/oder • durch vorheriges mechanisches Abtrennen eines Teils der Flüssigkeit aus der Suspension und/oder • durch Auffüllen der fehlenden Flüssigkeit mit Wasser.

Eine Zerspanungssuspension, die eine erfindungsgemäße Matrixflüssigkeit enthält, kann viel einfacher und schneller mit Wasser vermischt werden, als alle nach Stand der Technik verfügbaren ZerspanungsSuspensionen, die wassermischbare Matrixflüssigkeiten wie z.B. Alkohole enthalten. Die Vereinze¬ lung der Partikel in der mit Wasser verdünnten Flüssigkeit - also das Aufspalten von bestehenden Partikelagglomeraten - kann mit der erfindungsgemäßen Zerspanungssuspension schneller erreicht werden als mit bekannten ZerspanungsSuspensionen nach Stand der Technik.

Der Aufwand zum Überführen der Matrixflüssigkeit in das Wasser wird reduziert, die Nassklassierung wird bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Flüssigkeit einfacher. Es wird weniger Prozesswasser benötigt und das Prozesswasser kann einfach biologisch gereinigt werden, es muss nicht aufwendig von der Alkoholfrächt befreit werden.

Damit kann aus Zerspanungssuspensionen, die die erfindungs- gemäße Flüssigkeit enthalten, eine Nassklassierung der Partikel zur Fraktionierung der Feststoffe aus der Zerspanungssuspension deutlich einfacher gestaltet werden und es genügt die Zugabe von weniger Wasser, um den gewünschten Klassiererfolg zu erreichen. Das Klassierergebnis kann im Einzelfall weiter verbessert werden, indem das für die Verdünnung eingesetzte Prozesswasser mit Tensiden oder Salzen versetzt wird.

Eine scharfe Abtrennung der Schneidkornfraktion vom Abrieb und von der Flüssigkeit mittels Nassklassierung kann durch bekannte mechanische Trennapparate wie Zentrifugen, Dekanter, Hydrozyklone, Sedimentation, Filtration oder anderen Trenn- und Klassierverfahren ermöglicht werden.

Es ist prinzipiell auch möglich, erst nach dem Entfernen der Flüssigkeit z.B. durch Abtrennen des Wassers mittels Trocknen, die Feststoffe aus der ZerspanungsSuspension in Fraktionen zu trennen. Hiefür können alle Trenn- und Klassierverfahren nach Stand der Technik z.B. Trockenklassieren, Windsichten oder andere genutzt werden. Mit Hilfe einer thermischen Nachbehandlung ist es dann möglich, sehr effizient noch Reste des trocknen Verdickungsmittels von den Oberflächen des Schneidkorns abzutrennen.

Überraschenderweise -können durch Aufspaltung der Molekülketten in der Matrixflüssigkeit neben der Reduktion der Viskosität auch Ladungsverschiebungen, Änderungen der Flüssigkeitspolarität und Änderungen der BenetZungseigenschaften der Flüssigkeit erreicht werden. Damit können Ladungen der Partikeloberflächen beeinflusst und die Ausbildung von Partikelagglomeraten reduziert werden oder sogar bestehende Agglomerate zerstört werden. Durch Zersetzung des Verdickungsmittels kann somit die Sedimentation der Schneidpartikel erreicht werden, wogegen die feineren Abriebpartikel nicht agglomerieren und stabil dispergiert bleiben. Der Aufwand für die Partikelklassierung wird damit weiter reduziert. Die Änderungen der Flüssigkeitseigenschaften können auch durch Zugabe von Salzen und Tensiden weiter verstärkt werden.

Darüber hinaus zeigt sich bei der Spaltung der Moleküle des Verdickungsmittels z.B. durch enzymatische, thermische oder s Säure- oder Laugenbehandlung, dass auch die biologische Abbaubarkeit der Organikfracht derart verbessert wird, dass eine einfache biologische Reinigung der organischen Stoffe möglich wird. So kann auch die biologische Abbaubarkeit der erfindungsgemäßen Schmierflüssigkeit bei Einsatz einer modifi- lo zierten Zellulose, die unter Einsatzbedingungen nicht biologisch abgebaut wird, z.B. durch Zugabe spezifischer Zellulasen, derart verbessert werden, dass die Flüssigkeit in einer biologischen Kläranlage einfach behandelt werden kann. Die Abwässer, die bei der Werkstückreinigung oder bei der i5 Fraktionierung der Suspension zur Rückgewinnung des Schneidkorns oder bei der Beseitigung der Flüssigkeit oder bei einer Beseitigung von Spänen anfallen, sind damit einfacher und kostengünstiger zu reinigen. Die Organik-Fracht der Abwässer ist aufgrund der geringen Konzentration an Verdickungsmitteln 2o oder Polymeren bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeit zudem um den Faktor 20 bis 100 geringer als beispielsweise beim Einsatz von Ölen.

Der Einsatz von biologisch schwer abbaubaren Stoffen wie 25 z.B. modifizierten Zellulosen hat den Vorteil, dass nur wenige Mikroorganismen in der Lage sind, Enzyme zu bilden, die einen biologischen Abbau bewirken können. Der Fachmann wird damit in Lage versetzt, die Milieubedingungen im erfindungsgemäßen Schmierstoff wie z.B. pH-Wert oder Sauerstoffkonzentration 3o derart einzustellen, dass die Mikroorganismen, die derartige Enzyme bilden können, nicht in der Flüssigkeit wachsen können. Somit können spezifische Konservierungsmethoden zur Vermeidung des Keimwachstums angewandt werden, die für den Menschen vollkommen unschädlich sind, wie z.B. die Absenkung des pH- 35 Wertes auf Werte um 4. Die Verwendung von Polymeren wie Zellulosen, modifizierten Zellulosen, Stärken, modifizierten Stärken oder auch Proteinen oder anderen polymeren Verdickungsmitteln oder Polymeren in der Matrix- oder Schmierflüssigkeit hat weitere Vorteile.

Bei Spaltung der Verdickungsmittel oder Polymere in kleine Bruchstücke wie z.B. Zucker, Stärken oder Aminosäuren entstehen Lösungen, die weitaus besser von den Werkstücken abwaschbar sind, als alle nach Stand der Technik verfügbaren Matrixflüssigkeiten oder Schmierflüssigkeiten. Gerade im Bereich der Siliziumbearbeitung oder im Bereich der Metallbearbeitung, wo eine nachfolgende Oberflächenbehandlung durch Galvanisieren, Phosphatieren oder Lackieren vorgesehen ist, können dadurch die Oberflächen der Werkstücke mit minimalem Reinigungsaufwand weitgehender als bislang gereinigt werden. Da bereits wenige Mass-% an Verdickungsmittel oder Polymer im Wasser ausreichen, um die gewünschte Viskosität und Schmierwirkung einzustellen, sind weit weniger organische Komponenten bei der Teilereinigung von der Oberfläche, z.B. der Siliziumscheiben, zu entfernen, als dies z.B. bei der Verwendung von Alkoholen als Matrixflüssigkeit oder von Schmierölen erforderlich ist. Darüber hinaus sind die erzeugten Spaltprodukte der Verdickungsmittel oder Polymere wie z.B. Zucker, Aminosäuren oder andere Monomere wie z.B. Caprolactam aus Polyamid weit besser in Wasser löslich und damit viel einfacher von den Oberflächen zu reinigen als die langkettigen Alkohole oder Öle oder Emulsionen nach Stand der Technik.

Obwohl sehr viele der beschriebenen Verdickungsmittel oder Polymere mit Wasser biologisch stabile Flüssigkeiten ausbilden, kann es hilfreich oder erforderlich sein, zusätzliche Konser¬ vierungsmittel in die Flüssigkeit zu geben, um das Wachstum von Mikroorganismen, beispielsweise in einer ZerspanungsSuspension, zu begrenzen oder zu vermeiden. Hier ist der Einsatz von Konservierungsmitteln möglich, die dem Fachmann aus den Bereichen Kühlschmierstoff-Konservierung, Lebensmittel- konservierung oder Konservierung von kosmetischen Produkten bekannt sind.

Es kann auch sinnvoll sein, den pH-Wert der Flüssigkeit zu verändern, um unerwünschte chemische Reaktionen des Werkzeuges oder des Werkstückes wie z.B. Korrosion zu vermeiden. Im Falle der Bearbeitung von Silizium ist ein alkalisches Milieu zu vermeiden, hier wird der Fachmann den pH-Wert in der Matrixflüssigkeit durch Zugabe von Säure reduzieren. Bei verschiedenen Metallen wird der Fachmann ein leicht alkalisches Milieu als Korrosionsschutz bevorzugen. Grundsätzlich können bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeit die gleichen Zusätze und Additive nach Stand der Technik verwendet werden, wie z.B. bei konventionellen Kühlschmierstoffen. Beispiele sind hierfür neben den genannten Konservierungsmitteln und Korrosions¬ schutzmitteln auch sog. EP-Zusätze (Extreme Pressure Additive) , Emulgatoren, Stabilisatoren, Lösungsvermittler und weitere Additive.

Es kann auch vorteilhaft sein, Matrix- oder Schmier¬ flüssigkeiten herzustellen aus synthetischen Polymeren, wie Polyamid oder anderen wassermischbaren und biologisch nicht oder schlecht abbaubaren Polymeren. Dies verbessert die biologische Stabilität der Matrix- oder Schmierflüssigkeit noch weiter. Darüber hinaus sind synthetische Polymere besonders gut von Werkstückoberflächen abwaschbar.

Zur Aufspaltung der Moleküle der Polymere bieten spezifische Enzyme Vorteile, wie bereits gezeigt wurde. Bei einem besonders vorteilhaften Verfahren zur Vorbehandlung der benutzten Flüssigkeit, z.B. vor einer biologischen Kläranlage, wird daher auf Enzyme zurück gegriffen. Der Einsatz von immobilisierten Enzymen auf einem Trägermaterial bringt hierbei den Vorteil, dass weniger Enzym verbraucht wird und damit die Behandlungskosten noch weiter gesenkt werden können. Die erfindungsgemäße Flüssigkeit kann beispielsweise in Anwendungen der spanenden Fertigung wie Bohren, Sägen, Fräsen, Schleifen, Drehen, Hobeln und in anderen Anwendungen als Kühlschmierstoff verwendet werden. Es ist möglich und ggf. erwünscht, derartige Flüssigkeiten als Ersatz von konventio¬ nellen wassermischbaren KühlSchmierstoffen wie Schneid¬ emulsionen oder nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen wie Schneidölen oder Spindelölen einzusetzen.

Die erfindungsgemäße Schmierflüssigkeit kann auch für Anwendungen als schmierend wirkende Hydraulikflüssigkeit als Ersatz für Hydrauliköl Verwendung finden. Hier werden nach Stand der Technik fast ausnahmslos Öle verwendet, da sie schmierend wirken, langzeitstabil sind und da sie während des Betriebes biologisch nicht abgebaut werden. Das Gleiche gilt für Anwendungen, in denen bislang Motorenöle und Getriebeöle eingesetzt werden. Auch als Ersatz für Bearbeitungsöle z.B. zum Walzen von Blechen, zum Stanzen oder Tiefziehen von Metallen kann die erfindungsgemäße Flüssigkeit genutzt werden.

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1

Aus 100 g Wasser und 2,9 g modifizierter Zellulose wurde eine klare, einphasige Matrixflüssigkeit hergestellt. Sie zeigt ein Newtonsches Fließverhalten und hat bei 40 0C eine Viskosität von 35,5 mPas. Polyethylenglykol 200 hat bei dieser Temperatur eine Viskosität von 35 mPas. In die erzeugte Flüssigkeit wird Siliziumkarbidpulver (SiC) mit einer mittleren Partikelgröße von 15 μm eingerührt. Es bildet sich eine stabile Suspension aus, die auch nach 1 Tag noch nicht vollständig sedimentiert ist.

Nach Zugabe von 1 g einer Zellulase wird die Matrixflüssigkeit bei 40 0C gerührt. Nach 120 Minuten hat sich die Viskosität der Flüssigkeit auf 2 mPas reduziert. Mit Hilfe der erhaltenen Flüssigkeit kann keine stabile Zerspanungssuspension mit dem SiC-Pulver hergestellt werden. Die eingerührten Partikel sedimentieren nach wenigen Minuten vollständig.

Beispiel 2

Es wurden 10 kg einer ZerspanungsSuspension hergestellt. Diese besteht aus 5 kg Siliziumkarbid und 5 kg der Matrixflüssigkeit, die wie in Beispiel 1 hergestellt wurde. Die Suspension wird in den Drahtsägeprozess zum Schneiden von Silizium-Wafer aus Siliziumblöcken gegeben. Nach Austrag der gebrauchten Suspension enthält diese 15 Mass-% Siliziumabrieb mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,8 μm und 3 % Abrieb vom Sägedraht mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2 μm.

Es werden zu 1 kg der gebrauchten Suspension 3 kg Wasser gegeben. Die SiC-Partikel sedimentieren nach 1 Stunde zu mehr als 80 %, die Siliziumpartikel verbleiben weitgehend in Schwebe. Nach Abtrennung des Überstandes vom Sediment, wird dieses mit weiteren 3 kg Wasser vermischt. Diese Mischung wird mit einem Hydrozyklon behandelt . Das Grobgut aus der Klassierung enthält weniger als 1 % Silizium und Eisen.

Beispiel 3

Es werden zu 1 kg der gebrauchten Suspension aus Beispiel 2 10 g einer Zellulase und 1 kg Wasser gegeben. Die SiC-Partikel sedimentieren nach 1 Stunde zu mehr als 85 %, die Silizium¬ partikel verbleiben weitgehend in Schwebe.

Nach Abtrennung des Überstandes vom Sediment, wird dieses mit weiteren 3 kg Wasser vermischt. Diese Mischung wird mit einem Hydrozyklon behandelt. Das Grobgut aus der Klassierung enthält weniger als 1 % Silizium und Eisen.

Beispiel 4

1 kg der gebrauchten Suspension aus Beispiel 2 wird getrocknet . Der trockne Feststoff enthält das trockene Verdickungsmittel, die Schneidkornfraktion sowie Abriebpartikel aus Eisen und Silizium. Anschließend wird der Feststoff fein zermahlen und mit Hilfe eines Windsichters mehrfach behandelt. Die dabei entstehende Schneidkornfraktion enthält weniger als 5% Silizium und weniger als 1% Verdickungsmittel . Die Reste des Verdickungsmittels werden anschließend in einem Ofen bei 400 0C von der Oberfläche der Schneidkornpartikel abgetrennt. Das entstehende Schneidkorn kann im Sägeprozess erneut eingesetzt werden.

Beispiel 5

Es wurde eine erfindungsgemäße Schmierflüssigkeit aus 400 g einer modifizierten Zellulose und 50 kg entionisiertem Wasser durch Einrühren des Polymers hergestellt. Diese wurde in eine Bearbeitungsmaschine zum Schleifen eines Werkstückes aus Stahl gegeben. Die Schmiereigenschaften hinsichtlich Rauhigkeits¬ tiefe, Werkzeugverschleiß und erreichbarer Zerspanungs- geschwindigkeit (Masse an abgetrenntem Metall pro Zeiteinheit) waren nahezu identisch mit den Schmiereigenschaften, die am gleichen Tag an der gleichen Schleifmaschine bei Einsatz einer konventionellen Schneidemulsion nach Stand der Technik erhalten wurden. In einem weiteren Test wurde als Vergleichs- Schmierflüssigkeit an der gleichen Schleifmaschine reines Wasser eingesetzt. Bereits nach wenigen Sekunden wurde die Schleifscheibe bei Einsatz von reinem Wasser vollständig zerstört.