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절삭유제의 개념 및 이론에 관하여
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절삭유제의 기능
절삭유제의 개념
금속가공(metal machining) 과정에서 가공을 돕기 위해 사용되는 유제(油劑)를 말한다. 기계요소(machine tool), 절삭요소 (cutting tool), 가공금속(workpiece metal)의 세 가지와 여기에 가공유(machiningfluids)가 포함된 네 가지 요소로 이루어진다.
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절삭공구와 가공금속 간의
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① 마찰(friction)을 줄이고,
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② 마멸과 마모(wear and galling)를 줄이고,
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③ 가공표면의 특성을 좋게 하며,
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④ 표면이 유착되거나 녹아 붙는 것을 줄이고,
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⑤ 발생되는 열을 빼앗아가고(열로 인한 변형(thermal deformation) 방지),
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⑥ 절삭된 토막이나 조각, 미세한 가루, 잔여물 등을 씻어 내는 것이다
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① 비수용성 금속가공유(straight(insoluble) : 물을 포함하지 않으며 윤활작용이 좋으나 냉각 작용은 나쁘다.
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② 수용성 금속가공유 (soluble) : 석유계 기유(mineral oil)와 물의 에멀젼 형태로 가격이 저렴하다.
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③ 합성유(synthetic) : 석유계 기유를 포함하지 않으며 냉각 능력이 좋다.
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④ 준합성유(semisynthetc) : 기유와 물의 에멀젼 형태이나 에멀젼 정도가 심한 것으로 때로는 수용성 금속가공유에 포함시키기도 한다.비용과 열전달 능력에 있어서 수용성과 합성유의 중간이다.
이외에 2차적인 기능으로 가공된 표면의 부식을 방지하는 것과 뜨거워진 가공표면을 냉각시켜 취급을 용이하게 하는 것 등이 있다.
절삭유제의 명명법과 관련 용어
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명명법 |
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통칭 |
Straight Oil |
Emulsified oil |
Synthetic fluid |
Machining fluid |
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널리 사용되는 동의어 |
Mineral oil |
Soluble oil Water-based |
Chemical fluid |
Cutting fluid Coolants |
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통칭 |
비수용성유 |
수용성유 |
합성유 |
금속가공유 |
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널리 사용되는 동의어 |
비수용성 오일 광물유 광유(鑛油) |
수용성 오일 유제 |
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절삭유(제) 연삭유(제) |
우리나라에서는 광(물)유, 절삭유 또는 연삭유 등으로 통칭되며, 특성에 따라 수용성/비수용성 오일, 합성유 등으로 구분되기도 한다. 한국공업규격(KS)에서는 금속의 절삭 및 연삭가공에 사용 하는 유제를 절삭유제라고 부르고 있다. 절삭유제는 분류방법에 따라 종류별 명칭이 달라진다. 사용되는 분류방법에는 여러 가지가 있지만 두 가지만 소개한다.
첫 번째 분류방법으로는 NIOSH에서 분류한 방법으로 다음의 4가지로 분류
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절삭유제의 사용
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절삭유제의 성분 및 분류
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기유(base oil)
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탄소수의 파라핀계
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첨가제(additive)
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극압첨가제(extreme pressure additives)
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절삭유제의 일반적 조성
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유성제(surfactant wetting)
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기타 첨가제
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금속가공유의 분류
절삭유제를 적용하는 형태는 flood(범람식), jet(분사식), mist(연무식)의 3가지이며 때로는 수동으로 절삭부위에 뿌려지기도 한다. 범람식 적용은 저압펌프에 의해서 절삭면에 끊임없이 쏟아지는 형태로 금속 조각이나 찌끄러기를 씻어내는 방식이며, 연무식 적용은 빠른 속도의 공기흐름과 절삭유제를 이용해 미스트 형태로 전달하여 사용하는 것으로 가공된 제품을 세척하는데도 쓰인다. 절삭유제는 대개 모아져서 재순환되며, 이런 재순환 시스템은 복잡하고 많은 양이 이용된다. 절삭유제 시스템의 관리는 수분의 제거, 110℃에서 살균, 필터에 의한 고체물질의 제거, 점도의 조절 등으로 이루어진다. 매년 시스템 용량의 약 38%가 여러 경로로 유실되어 재 주입된다고 한다.
성분은 크게 기유(base oil)와 첨가제(additive)로 나뉜다. (합성유는 기유가 포함되지 않음). 절삭유제의 사용 초기에는 기유 단독으로 사용되었으나, 점차로 용도에 맞는 첨가제의 조합과 개발이 이루어져왔다. 비수용성과 수용성 절삭유에서 기유는 혼합매제(blending medium) 또는 첨가제 운반체(additive carrier)로 작용한다.
기유는 포화 탄화수소가 주성분이며 탄소수는 15-35이다.파라핀계 기유 : 탄소원자가 사슬모양 으로 배열되고 수소원자에 의해 탄소원자가 포화된 상태이다. 점도지수와 유동점이 높고 열적 화학적으로 안정되어 산화안정성이 우수하다. 나프텐계 기유 : 탄소원자가 고리모양으로 배열되고 수소 원자에 의해 탄소원자가 포화된 상태이다.
탄소고리의 탄소수는 대부분 C5 또는 C6이다. 우수한 저온 유동성을 가지며 동일한기유보다 비점이 높고 비중도 크며 점도지수는 중간 정도이다. 방향족계 기유 : 나프텐계 기유와 구조는 비슷하나 벤젠고리나 축 합환이 포함된 불포화 상태이다. 전단안정 및 열안정성이 우수하고 점도 지수 및 유동점은 사슬의 길이에 의존한다. 산화 안정성은 떨어진다. 방향족계는 거의 기유로 사용되지 않는다
절삭유를 기유 단독으로 사용하는 경우 : 알루미늄, 마그네슘, 황동 및 황 또는 납이 첨가된 쾌삭강 등과 같이 절삭성이 좋은 금속을 경절삭(輕切削)하는데 국한되며 대부분 각종 첨가제를 넣어 사용하게 된다. 첨가제에는 기능에 따라 20가지 정도로 분류할 수 있으며, 다시 성분에 따라서 세분된다. 유화제, 용접방지제, 유성제, 소포제, 산화방지제, 부식방지제, 극압첨가제, 방부제 등을 들 수 있다. 이것은 윤활유에 첨가되는 첨가제와 함량과 종류면에서 구별된다. 윤활유에 첨가되는 첨가제는 극압첨가제, 내마모 첨가제, 부식방지제, 녹방지제, 유화제, 유동점 강하제, 청정분산제, 산화안정제 등을 들 수 있다.
난삭금속재 : 유성첨가제, 경계윤활제,극압윤활제를 비수용성 유제에 첨가하여 보다 탄력 있고 안정된 고체 막윤활이 되도록 한다. 극압윤활은 반응성황, 염소 또는 인을 포함하는 물질을 기유에 첨가함으로써 부여될 수 있다. 극압첨가제가 금속가공 시 발생되는 열에 의해 활성화되면 절삭저항을 감소시키고, 칩 두께를 얇게 하며, 용융(welding)을 방지하고, 과다한 금속의 깎임과 표면의 파쇄를 방지하여 가공면을 곱게 한다. 절삭유제는 일반 윤활유에 비하면 극압첨가제의 함유량이 많다. 극압첨가제 작용은 황, 염소 또는 인이 칩의 표면뿐만 아니라 상당한 깊이까지도 곧잘 반응하여 전단역(專斷域)의 전단강도를 감소시킨다, 즉 내외에서의 화학반응이두 면에서 저항을 감소시킨다는 이론이 주를 이룬다. 이와 같은 현상에 의하여 에너지의 총감소량은 50-80%이며, 모서리 생성(built-up edge)이 억제되고, 가공 정도가 향상되며, 공구수명의 조정이 용이하다. 황이 첨가된 광유 또는 황이 첨가된 지방의 형태로 황을 비수용성 절삭유제에 첨가할 수 있다. 황으로 처리된 극압첨가제를 포함한 비수용성 절삭유제는 부식을 유발하는 경향이 있는데 광유에 용해된 황이 더 쉽게 구리나 황동 및 청동과 같은 비철금속을 부식 시킨다. 염소도 효과적인 극압첨가제로서 기능을 한다. 염소는 긴 연쇄상의 염소로 처리된 왁스 또는 고분자로 염소 처리된 에스테르의 형태로 기유인 광유에 넣어서 사용하는 것이 일반적이다. 계면에서 염소의 반응과 기능은 황의 경우와 근본적으로 같은 것이다. 그러나 황보다 반응이 더 활발히 되며 비철금속에 대한 부식이 적다. 극압첨가제로 사용되는 염소화 파라핀(chlorinated paraffins): 긴 사슬상과 짧은 사슬상의 염소화 파라핀(C23, 43% 염소, C12, 60% 염소) 독성과 발암성 있다 . 인의 경우는 약한 극압첨가제나 내마모첨가제의 역할을 한다. 이것은 인산염막이 황이나 염소 막보다 저온에서 파괴되기 때문이다. 인은 마찰과 마모를 줄이는데 효과적이고, 대부분의 철금속과 비철금속에 녹이 생기지 않는다.
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Component |
Function |
Insoluble
oils |
Soluble
oils |
Synthetics |
Semisynthetics |
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Mineral oil |
Lubrication Carrier |
60-100% |
60-85% |
- |
5-30% |
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Emulsifier |
Emulsifies |
- |
5-20% |
5-10% |
5-10% |
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Chelating agents |
Ties up ions in solution |
- |
0-1% |
0-1% |
0-1% |
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Coupling agents |
Stabilizes |
- |
1-3% |
1-3% |
1-3% |
|
Anti-weld agent |
Prevents welding |
0-20% |
0-20% |
0-10% |
0-10% |
|
Surfactant wetting |
Reduce surface tension |
0-10% |
5-20% |
10-20% |
10-20% |
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Anti-foaming agents |
Prevents foaming |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
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Alkaline reserve |
Buffer control |
- |
2-5% |
2-5% |
2-5% |
|
Dyes |
Identifies, leak detection |
- |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
|
Corrosion inhibitors, anti-rust |
Prevent rust film barrier |
0-10% |
3-10% |
10-20% |
10-20% |
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Biocides bioresistant components |
Control of bacterial and fungal contaminants |
- |
0-2% |
0-2% |
0-2% |
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Extreme pressure additives |
Reaction lubricant films |
0-95%(?) |
0-20% |
0-10% |
0-10% |
유성제 : 내하중력(耐荷重力), 절삭능력 증가 (기름(oil), 지방, 왁스 성분 및 합성물질 등). 지방유 : 비수용성 절삭유제 사용. 지방유분의 함유량은 절삭 성능의 표준. ( 채종유(평지 기름), 쌀겨 기름, 면실유. 우지 (牛脂), 돈지(豚脂) 등). 지방산의 유도체인 에스테르유도 유성제로 사용 (지방유, 지방산, 복합 알코올 등). 에스테르유는, 지방유에 비해 점도가 낮고 침투성이 우수하다. 지방유도체는 비수용성 절삭유제 뿐만 아니라 수용성 절삭유제에도 사용된다. 지방산의 알칼리 비누, 아민 비누, 아미드 등의 유도체는 유화제이고, 방청제인 동시에 유성제이기도 하다. 또한 지방유에 염소나 유황을 반응시키면 유성제의 작용을 가진 극압첨가제가 된다. 지방유 또는 유성첨가제는 기유와 금속 사이의 계면장력을 감소시킴으로써 칩-공구 계면을 적시고 침투한다. 이것은 금속표면에 대한 유성첨가제(지방산)의 양극성, 즉 화합성에 의하여 이루어지는 것이다. 금속절삭에서 발생하는 열이 흡착 막으로 하여금 금속표면과 반응을 하게 하여 극성물질이 전단강도가 낮은 유기질 금속막(금속비누)을 생기게 하고, 이 막이 칩-공구간의 마찰을 줄여 줌으로써 윤활효과를 내게 된다. 단점으로는 이 막의 융점이 낮기 때문에 인성(靭性)에 제한이 있다. 따라서 혹독한 조건에서는 여기에 황 및 염소와 같은 첨가제를 보충하여야 한다. 극성물질은 금속에 대한 화합성 때문에 방청첨가제로서도 중요한 역할을 한다. 이 극성물질이 점착성이 큰 극성막을 형성하여 대기로부터 의 보호막 역할을 한다. 금속염막이 경계 또는 극압 윤활제의 역할을 하지만 상용하는 극압첨가제 중에서 효과가 가장 낮은 것에 속하며, 그 이유는 융점이 상대적으로 낮기 때문이다.
산화방지제는 산화중합에 의해 사용중인 유제의 점도가 증가되거나 검(gum)화 되거나 해서 기 계의 접동 부분이 무거워지는 것을 방지하기 위해서 사용된다. 특히, 지방유나 염소화 지방유가 많이 함유된 유제는 산화 중합을 일으키기 쉬우므로 이러한 유제에는 없어서는 안될 첨가제이다. 유황계 극압첨가제는 산화방지제의 작용도 가지고 있으므로 산화방지제를 사용하지 않을 때도 많 다. 일반적으로 사용되고 있는 산화방지제는 디터셔리부틸-p-크레졸(ditertiarybutyl-p-cresol) 등 의 페놀 화합물이 많으나 일반 윤활유에 사용되는 아민 화합물이나 황화합물을 사용할 경우도 있 다. 첨가 사용량은 1% 이하이다. 염소계 극압첨가제가 많이 함유된 유제에서는 탈염소에 기인하는 녹이 문제가 될 경우가 있다. 그러므로, 녹의 발생 방지에 방청 첨가제나 중화제가 첨가된다. 중화제로서는 염기성 석유 술폰산 염이나 아민 화합물이 사용되고 있다. 사용량은 3% 이하이다. 동 및 동합금의 부식 방지에는 벤 조트리아졸이나 메르캅토벤조티아졸이 1% 이하의 첨가량으로 유효하게 작용한다. 탭 가공의 유제처럼 높은 점도 또는 페이스트 모양의 절삭유제에는 산화 아연이나 이황화 몰 리브덴, 그라파이트 등의 고체 윤활제가 사용되기도 한다. 고체 윤활제를 액 중에 균일하게 분산 시키기가 어렵고 순환 사용의 급유 방식에서는 파이프를 막히게 하거나 탱크 밑에 침전되므로 고 체 윤활제는 일반적으로 사용되지 않고 있다.
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비수용성 금속가공유(straight (insoluble)
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수용성 금속가공유제(soluble)
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유화유형
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용해형
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1870년 : 감압증류(vaccume distillation) 기술이 도입
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1861년 : 상압증류(atmospheric distillation)
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1932년 수소첨가 (hydrogenation, sulfur의 제거),
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1933년 용매추출(solvent extrating, 윤활유의 점도지수 향상),
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1935년 용매탈납(solvent dewaxing, pour point 향상),
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1960년 수소접촉분해(hydrocracking) 등의 공정이 개발.
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1970년대부터 용매처리(solvent refining) 수소처리(deephydrotreating)
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절삭유제의 사용 시작 시대
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Straight oil : 1900년대 초 도입
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Soluble oil : 1940년대 도입
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Synthetic oil : 1970년대 중반부터 광범위하게 사용
- 절삭유제 제조 및 사용 영향요소
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절삭유제 : 공정의 성격, 경제성에 의해 결정. 작업자의 건강 영향
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공정 성격 : 윤활기능, 열제거, 절삭 잔여물 제거, 부식방지
- 비수용성 오일(Straight oil) : 점도의 영향을 받는 윤활기능이 높게 요구되는 절삭공정수용성 오일(Soluble oil) : 열제거의 역할이 보다 강조되는 연삭공정 절삭유제는 EPA법인 독성물질관리법(Toxic Substances Control Act)에 의하여 관리되고 있다.
비수용성 금속가공유(또는 비수용성 오일)의 기능은 윤활기능, 가공표면 마무리 향상, 녹방지 등이다. 사용되는 광유의 종류는 적용분야에 따라 잘 정제된 나프텐계열과 파라핀계 오일이 사용된다. 필요에 따라 방청 첨가제나 산화방지제 등의 첨가제가 가해진다.
수용성 금속가공유(또는 수용성 오일) 기능은 냉각, 절삭용구와 가공표면의 용접현상(welding) 방지, 고온에서의 마모 방지와 잔열로 인한 뒤틀림(distortion) 방지 등이다. 대체로 비수용성에서 사용되는 나프텐계 및 파라핀계 오일보다 잘 정제된 기유를 사용하기 직전에 60-85 % 정도로 물로 희석하여 사용하는 유제이다. 수용성 유제의 사용 농도는 1-10%이므로 물의 성질이 성능에 관여하는 역할은 크다. 물은 비열이 크고 열전도율도 좋으며 증발 잠열도 크므로 냉각제로서는 가장 뛰어난 물질이다. 그러나, 금속이 녹슬게 되어 습윤성이나 윤활성은 오일에 비해 떨어진다. 이러한 결점을 보완하기 위해 방청첨가제나 계면 활성제를 사용하여 윤활성을 높인 것이 수용성 금속가공유이다. 수용성 금속가공유의 방청과 방부식성이 약한 단점을 보완하기 위해 최근에는 새로운 첨가제의 개발로 수일에서 1주일정도는 부식방지가 가능하다
수용성 금속가공유 : 작업환경 깨끗하나 부패되는 단점이 있다.
수용성 금속가공유의 장점
① 냉각작용이 크므로 고속절삭이 가능하고,
② 청정작용을 하며
③ 물을 사용하므로 경제적이고,
④ 냉각 및 청정작업에 의하여 운전자가 안전조건에서 작업할 수 있다.
수용성 금속가공유 : 유화유형 (乳化油形, 에멀젼형) 반투명 또는 반투명한
겉모양의 용해형(溶解形, 솔러블형). 희석액이 백탁하게 보이는 것은 유화입자가 투사광을 반사하는데 충분한 크기임을 나타내는 것이고, 투명하게 보이는
것은 입자가 매우 작아서 투사광을 대부분 통과시키기 때문이다. 유화유 형은 광유와 유화제(계면활성제)가 주성분이고, 용해형은 계면활성제가 주성분이
된다.
일반적으로 원액중의 수분 함량이 10% 이하이고 유화제(乳化劑)의 분량은 15 ~ 35% 정도. 유화유형은 기름방울(油滴, 즉 파라핀계 기유나 나프텐계 기유)이 물에 부유한 형태를 띠게 된다. 사용되는 광유는 보통급 윤활유인데, 윤활성을 좋게 하기 위해 일부를 지방유 나 극압첨가제로 바꾸는 경우도 있다. 유화에 사용되는 계면활성제는 올레인산, 라우린산 등의 지 방산이나 나프텐산 등의 알칼리 비누, 아민 비누, 석유 술폰산 소다, 알킬아릴술폰산 소다 등의 음이온계 활성제와 폴리옥시에틸렌알킬에테르나 에스테르, 소르비탄의 지방산 에스테르, 지방산의 알킬롤아미드 등의 비이온계 활성제이다. 이들 계면활성제는 광유를 유화시키는 유화제의 작용을 하는 동시에 방청제, 침투제 및 세정제 역할을 하며, 지방산 비누는 윤활제작용도 한다. 방청성은 음이온계 활성제나 아미드계의 활성제가 우수하고 침투성이나 세정성은 비이온계 활성제가 우수 하므로 적절히 배합하면 성능을 조절할 수 있다. 원액이나 유화유의 안정성을 좋게 하기 위해서 다가(多價) 알코올이나 그 유도체를 커플링제(coupler)로 사용하는 경우도 있다. 황, 염소, 인의 함유물을 첨가하면 윤활성이 크게 향상. 흔히 극압유화유제라 한다.
유화유형 유제는 용해형에 비해 부패되기 쉬우므로 부패 방지를 위해 살균제나 방부제가 사용 방부살균제 트리아딘 화합물, 티아졸 화합물 등이 흔히 사용. 방부살균제는 의약품처럼 사용 농도가 알맞지 않으면 해를 끼치는 약제가 많으므로 사용량에 주의. 방부살균제 함유량이 많은 유제는 종종 작업자에게 피부 질환을 일으키는 원인. 그밖에 산화방지제, 동합금의 부식방지제, 소포제(주로 실리콘) 등의 첨가제가 필요에 따라 사용 된다. 유화유형이 부패하게 하는 이유는 유층 즉 분해된 유화유에 의하여 형성되는 유봉(oil seal) 밑 에서 살아 번식하는 혐기성 박테리아의 활동 때문이다. 따라서 유화유에서는 유기체가 서식할 수 있는 높은 농도의 지방성 윤활제와 유화제를 포함하고 있기 때문에 좋은 서식조건을 제공한다. 그러나 합성유는 혐기성 박테리아의 먹이가 되는 광유나 윤활제가 아닌 다른 종류가 들어있기 때 문에 안정 상태가 유지되고, 광물유의 유봉이 부유하지 않고, 탱크의 수명이 길어지게 된다.
사용하는 계면활성제의 종류는 유화유형과 같으나 피유화제량(被乳化劑量)에 비해서 유화제인 계면활성제의 양이 대단히 많기 때문에 희석액은 콜로이드 모양의 미립자가 된다. 희석 액의 안정성, 침투성, 세정성은 우수하지만 거품이 일기 쉽고, 또한 거품이 잘 없어지지 않는 결점이 있다. 용해형은 완전용해형과 표면활성형으로 구분하기도 한다. 용해형의 유제는 일반적으로 알카놀아민이 많이 함유되어 있으므로 유화유형에 비하면 pH 유지 능력이 높아 잘 부패되지 않지만, 필요에 따라 방부살균제가 사용되기도 하고 동합금방식제 (銅合金防蝕劑)나 소포제 등의 첨가. 수용성 금속가공유에 유화제로 사용되는 비누, 습윤제 및 커플링제(coupling agent)가 표면장력을 크게 감소시킨다. 이와 같이 표면장력의 감소와 더불어 전단 및 난류가 발생할 때 거품을 일으키는 경향이 증가한다. 이와 같은 성질 때문에 수용성 금속가공유는 심공 드릴링, 평면 판 (bed) 연삭 및 양면 원판 연삭의 경우에 거품의 문제를 야기시킨다. 그러므로 이 타입에 속하는 유제에는 소포제가 불가결의 첨가제이다. 침투성이나 세정성이 좋다는 것이 작업자의 손이 거칠어지기 쉬운 결점이 될 수도 있다. 일반적으로 10-70% 정도의 수분이 함유되어 있다.
수용성 절삭유제의 조성
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조성성분 |
유제의 종류 |
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|
에멀젼(KS W1종) |
솔러블(KS W2종) |
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광유 |
50-80% |
0-30% |
|
유지 지방산 |
0-50 |
5-20 |
|
극압첨가제 |
0-50 |
0-20 |
|
계면활성제 |
15-35 |
20-80 |
|
알카놀아민, 무기알칼리 |
0-5 |
5-40 |
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폴리올, 글리콜 |
0-10 |
0-20 |
|
유기 인히비터 |
0-5 |
5-20 |
|
방부살균제 |
< 2 |
< 1 |
|
동합금 방식제 |
< 5 |
< .5 |
|
소포제 |
< .5 |
< .5 |
|
물 |
0-10 |
0-70 |
|
사용 희석 배율(倍) |
10-50 |
30-80 |
합성유(synthetic oil, synthetic )
광유(mineral oil)는 아무리 정제를 잘해도 원유의 종류, 산지, 정제방법에 따라 조성이 달라지는 각종 화합물의 혼합물이다. 그러나, 합성유는 필요한 성분만 계획적으로 합성하여 만들었기 때문 에 오직 하나 혹은 소수의 화학구조를 가지고 있다. 때문에 저온에서 석출, 결정화되는 왁스, 고 온에서 증발하는 가벼운 성분, 쉽게 산화되어 산화생성물을 만드는 불안정성분 등이 없다. 합성유는 화학유제(chemical type)라고도 한다. 합성유와 준합성유의 구분을 입자가 작아서 입 사빛을 거의 전부 투과시켜 투명한 합성유와 입자의 크기가 중간 정도로서 다소 흐릿한 투명 용 액 준합성유로 구분하기도한다. 합성유는 냉각제와 윤활제로 작용을 한다. 가장 간단한 합성유는 무기염 또는 유기염을 물에 녹임으로써 만들 수 있다. 합성유는 녹을 방지하고 열 제거에는 좋지만 윤활능력은 떨어진다. 다른 합성유들은 탄화수소, 유기에스테르, 폴리글리콜, 인산에스테르 등과 다른 합성 윤활액 등으로 만들어진다. 합성유는 안정하며, 항생능력(抗生能力)이 있게 만들 수 있고, 높은 속도에서 효과적 인 냉각능력을 제공한다'
준합성유(semi-synthetic fluid)
준합성유는 유화유형 수용성 오일보다 오일의 양이 작고 유화제 또는 계면활성제의 양이 많다 (농도비로 5-30%). 조성은 지방산과 황, 염소, 인 계열의 극압첨가제로 이루어진다. 준합성유는 수용성 오일과 항상 구분되는
것이 아니다. 준합성유는 합성유와는 달리 적은 양의 광유와 윤활성을 향상시켜주는 첨가제를 포함하고 있 다. 준합성유는 유화유형과 합성유의 장점을
서로 조합한 것이기 때문에 오늘날 공장에서 선호되 고 있다. 극압 효과와 경계윤활 효과를 부여하는 염소, 황, 인의 첨가제를 함유한다. 이들 첨가제
때문에 합성유나 준합성유를 난삭, 난연삭의 경우에도 사용할 수 있으며, 이 때 농도는 2-10% 정도이다.
합성유와 준합성유의 장단점
① 열의 제거속도가 크고 치수 조정이 용이하다.
② 공작기계 및 탱크를 청결하게 유지할 수 있다.
③ 개방 및 자유절삭 연삭 숫돌(open and free-cutting grinding wheel)을 유지하는데 도움이 되는 청정제이다.
④ 공작물을 선명하게 볼 수 있다.
⑤ 잔류막이 극히 얇아서 제거하기가 용이하다.
⑥ 약간의 교반만으로도 쉽게 혼합할 수 있다.
⑦ 항부패성이 양호하여 유제의 수명이 길다.
⑧ 타유 분리성이 우수하여 농도관리가 용이하다.
합성유와 준합성유는 모두 유화형 유제보다 광유를 훨씬 적게 함유하고 있다. 합성유는 광유를 함유하고 있지 않다. 입자 크기도 유화형보다 작기 때문에
유화형보다 장기간 안정하다.
합성유나 준합성유를 사용하기 부적절한 경우.
① 유성이 부족하여 공작기계의 부품운동부에 응착을 초래할 수 있다.
② 세척성이 너무 강하기 때문에 작업자의 손에 장시간 접촉하게 되면 피부를 손상시키고 자 극하게 된다.
③ 오일에 비교하여 방청성이 적고 부식방지능도 크게 떨어지며, 막의 강도와 윤활성도 낮고 거품을 발생시키는 성질이 다소 있다.
(5) 기타 분류
한국공업규격(KS) 비수용성 절삭유제 : 극압첨가제의 유무에 따라 1종과 2종, 유황계 극압첨가제의 활성도에 따라 1종은 1-6호로 2종은 1-6호와 11-17호로 분류. 수용성 절삭유제 : 희석액의 겉모양 및 광유와 계면활성제의 비율에 의해 W1종과 W2종 각각 1-3호.
절삭유제 제조 및 사용현황
절삭유제 기유의 정제기술
절삭유제 : 산업혁명기로부터 출발. 고래기름 등의 생물체 로부터 추출한 윤활유가 금속을가공하는 기계의 수명을 연장해 준다는 사실을 알게되면서 생물 체 추출 윤활유(biological lubricant)가 사용. 1900년대 초부터 원유의 정제과정에서 나온 오일로 대체
기유의 제조과정
원유(crude oil) 100%,- 벙커C유 45% - 20% 연료 - 25% 윤활기유(base oil) 감압증류 과정을 거친 기유에는 유황, 질소, 산소 화합물, 다환 방향족, 수지, 아스팔트 등과 wax분도 많이 함유, PAHs(polyaromatic hydrocarbons) : 발암물질로 분류되는 원인
- 절삭유제의 사용현황
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1980년 Bigda & Associates의 조사 : Straight oil이 45%, Soluble oil이 50%, Synthetic fluids 4-5%,
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비수용성 절삭유제(straight oil) : 파라핀계. 나프텐계 비율 85 : 15 정도로 사용 수용성 절삭유제 : 90-95%의 물과 섞여 사용
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합성유: 광유 없음, 가격이 비싸다, 적용가능한 곳이 한정. 열적 안정성, 산화안정성, 저온유동성, 높은 점도지수 등 우수한 성질
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윤활유중 절삭유제가 차지하는 양
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자동차용 및 기타 엔진오일 소비의 약 60%,
-
기타 산업 : 제조업, 광산업, 건설업 약 40% (이중에서 약 3.6%)
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국내 윤활유정제업체 현황
2000. 12. 31 산업자원부에 신고를 필한 국내 윤활유 정제 업체수는 약 160개 업체, 윤활유 상품 절삭유제 생산업체는 약60개. 대부분의 윤활유 정제업체들은 1960년대와 1970년대에 설립되었으며, 외국자본과의 합작투자 를 통해 설립되거나, 기술 제휴를 통해 설립 운영하는 업체가 다수를 차지. 국내 절삭유제 생산량은 꾸준히 증가하고 있으며. 국내생산과 수입을 통한 절삭유제 제품은 거의 대부분이 국내 유통 소비.
절삭유제와 건강장해
절삭유제(metal working fluids)를 사용하는 사업장은 매우 다양하여 일일이열거하기 어렵다. 대표적인 사업장으로는 자동차 제조공장, 농기구 제조공장,비행장, 각종기계와 기구 생산공장이며 이 작업장에서 연마, 절단, 천공, 드릴링, 터닝(turning)등을 행하는 많은 근로자가 다량의 금속가공유에 노출되고 있다. 절삭유제의 역할은 냉각작용, 윤활작용, 부식방지작용 등이 있다. 구성성분은 매우 복잡하며 오일, 세척제, 계면활성제, 미생물억제제, 윤활제, 부식방지제, 기타 첨가물질이 들어가 있다. 현재 미국 산업안전보건청(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)의 허용기준인 PEL(permissible exposure limit)은 5 ㎎/㎥이지만 OSHA에서는 이 수준이하에서도 여러 건강장해가나타나 허용기준을 낮추려 하고 있다.미국 국립산업안전보건연구원(National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH) 에서도 그들의 기준인 REL(recommened exposure limit)을 현재 5 ㎎/㎥에서 0.5 ㎎/㎥으로 낮추려고 기준 제안 초안 보고서를 제출.
절삭유제 노출에 의한 건강장해
① 암
② 비악성 호흡기계 영향
③ 피부병- 피부자극, 습진, 홍반, 기름성 여드름(Oil acne)
④ 미생물 오염
절삭유제가 건강장해에 미치는 영향은 많이 조사되었지만 어떤 구성성분이 어떤 장해를 주 는지는 명확하지 않은데 그 이유는 다음과 같다.
① 종류가 다양하고 같은 사업장이라도 다양한
종류의 절삭유를 사용한다.
② 종류의 구체적인 구성성분이 잘 알려져 있지 않으며 복잡하다. 또한
사용조건에 따라 변화한다.
③ 미생물을 억제하기 위한 biocide가 문제를 악화시키기도 한다.
④ 첨가제로 아민류을 넣을 경우 니트로사민(nitrosamine)이 발생할 수 있고 일부 방부제 (biocide)는 포름알데하이드(formaldehyde)가
발생할 수 있다.
Triethanolamine(TEA)
Alkanolamine 또는 ethanolamine(TEA, DEA, MEA)은 가공유의 pH를 안정화시키고, 표면제 또는 부식방지제로 사용된다. TEA는 동물발암물질일 가능성이 있고 직업성 천식과 관련될 지도 모른다고 추측되고 있다
Biocides
방부제(biocide-방부제가 적절한 번역용어아님, 산업계에서 통상 방부제로 번역하여 사용함)는 절삭유제 제조 또는 사용전에 미생물의 생장을 막기 위해 첨가된다. 방부제는 크게 포름알데하이드 방출 방부제와 포름알데하이드 비방출(non-formaldehyde release) 방부제로 나눈다. 포름알데하이드 방출형은 대부분 오일보다는 물에 용해가 잘되고, 곰팡이(fungi,균류)보다는 박테리아 사멸에 효과가 좋다.
한편, 포름알데하이드 비방출형은 방출형보다 곰팡이류에 대해 효과가 좋고, 박테리아 사멸에도 효과가 좋다. 페놀계 화합물은 지용성이고, morpholin의 유도체와 dioxiane은 부분적으로 물과 오일에 용해된다. 방부제는 알러지성 또는 접촉성 피부염을 일으킨다는 연구가 있다. 포름알데하이드 방출형은 포름알데하이드의 발암성이 의심되기는 하지만, 이에 대한 자세한 연구는 없는 형편이다. Bromal(2-bromo-2-nitro-1,3-propanediol), 2-methyl-2-nitro-1,3-propanediol, 5-methyl-5- nitro-1,3 dioxane 등의 질산계(nitrated) biocid는 아질산염을 방출하여 금속가공유에서 질화인자(nitrosating agent)로 작용할 가능성이 있다는 보고가 있다. Bioban P-1478은 아질산 이온을 형성하여 니트로사민 Bioban P-1487이 되어 결국 NMOR(동물발암성물질(IARC 1978b))을 형성한다는 보고도 있다.
미생물과 절삭유제
미생물 생태환경
미생물은 : 매우 특수한 영양물질을 필요로하는 경우와 특별한 영양물질에 제약을 받지 않는 것이 있다. 대부분의 미생물들은 후자의 경우로 물, 탄소원, 약간의 무기염만 있다면 충분히 생장할 수 있다. 수용성 절삭유제에서 주종을 이루는 세균군은 Pseudomonas종이고 무엇이나 먹고 빈약한 영양상태에서도 자랄 수 있다. pseudomonas와 같은 G(-)세균은 세포의 바깥쪽 막의 한 부분인 내독성 지질다당질(lipopolysaccharide)을 포함한다. 미생물들에 의한 절삭유제의 오염문제는 금속가공 산업에서 오래된 문제점중의 하나였다. 특히 미생물에 오염된 절삭유제는 점도의 변화, 미생물들에 의한 발효산물로 인한 pH의 저하, 부패 등을 유발하여 절삭유제의 질을 크게 저하시키게 된다.
절삭유제에서 발견된 미생물
혐기성 황 환원 세균(anaerobic sulfate reducer) : 특히 Desulfovibrio desulfuricans, 호기성 세균(aerobic bacteria) : 특히 Pseudomonas 종과 대장균통성진균류( facultative fungi) :Fusarium종, Cephalosporium, Candida, 황산환원성세균(Sulfate-reducing bacteria)는 "월요일 아침 악취"로 잘 알려져 있는데, 이들 세균들은 혐기성이고 수용성 금속가공유 오수의 바닥, 공기공급이 없는 곳, 큰 시스템의 바닥 근처 의 순환이 없는 곳에서 자라며 황화 수소를 만들어 작업자의 불만을 일으킨다.호기성 균중 Pseudomonas군은 가장 흔하고, 거의 모든 수용성 금속가공유에 있으며, 몇몇 시 스템에서는 109/ml까지 보고되었다. 의심할 바 없이 화학적인 기준으로 볼 때 수용액의 부패를 야기시키는 첫번째 원인이다.항진균 효과보다 항세균 효과가 큰 biocide가 존재하면진균(곰팡이류)이 더 많이 증가할 수 있다. 주된 것은 보통 Fusarium종이고, cephalosporium종도 흔히 발견되며 candida종도 보고되었다. 그러나 고 지방산 함유액에서는 드물며, 이런 다양한 개체를 조절하는데 있어, 광범위 제제나 여러 제제의 병용이 필요하다. 그러나 만족할 만한 억제농도는 알려져 있지 않다.
건강 장해
절삭유제에 있는 대부분의 미생물들은 비병원성이거나 기회 감성(opportunistic pathogens)이라 할 수 있다. 기회 감염성이란 일반적인 모든 사람들을 감염시키기 보다는 우선적으로 질병(예, 당뇨병, 암, 백혈병, 낭포성 섬유증, 알콜중독, 선천성 혹은 후천성 면역 결핍증, 화상, 외상, 항생제나 면역저하제 등의 약물투여 등)으로 숙주의 저항력이 약해진 사람들을 감염시키는 특성을 말한다. 절삭유제에서 가장 많이 분리동정되는 Pseudomonas속의 세균들은 면역체계의 손상을 받지 않은 건강한 어른의 경우 Pseudomonas에 감염되어도 건강상 문제는 크지 않는 것으로 알려져 있다.
수용성 절삭유제에서 분리된 미생물(H.W. Roossmoore, 1981)
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종류 |
오염된 수용액중의 발현빈도 |
성장/생존 |
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Pseudomonas
aeruginosa |
Very
high |
Excellant |
미생물 감염에 의한 건강장해는 미생물들이 생성해 내는 항원물질(antigen), 내독소(endotoxin), 외독소(exotoxin)와 세포외 효소, 진균 등이 주요 요인이라 할 수 있다. 생화학적으로 질환을 일으키는 것에는 내독소, 진균독소(mycotoxin), (1->3)-β-D-glucan이 있는데, 내독소는 그람음성 세균의 세포벽에서 발견되고 저농도에서도 호흡기계 기능에 상당히 영향을 준다. 또한 내독소는 먼지 진드기와 진균과같은 항원물질과 상승작용을 하고, 진균독소는 인간과 동물에 독성을 나타내는 진균에 의해 만들어진 화학물질 이다. 또한 내독소, 염류, 사상균 (mold)에 있는 세포벽 구성성분으로 특별한 화합물인 (1->3)-β-D-glucan endotoxin에 노출되면 두통뿐 아니라 목과 코에 대한 자극 등이 있다. 미생물이나 항원물질은 에어로졸의 형태(bioaerosol)로 흡입되어 노출된다. Bioaerosol은 비특이 적으로 기도를 자극하고 감염, 독성, 이물노출에 대한 방어 시스템의 능력을 감소시킨다. 초기 반 응은 대식세포(macrophage)에 의해 이물질에 대해 식작용(phagocytosis)이 일어난다. Bioaerosol 을 세포표면의 수용체가 인식하면 일련의 내부의 세포변화가 일어난다. 대식세포는 대사경로를 변화시키고 세포표면 특성의 변화를 일으킨다. 이 반응이 특별히 중요한 것은 다른 세포계의 활 성을 유도하는 능력을 가진 여러가지 단백질(cytokines)을 만들기 때문이다.
항원(Antigen)
모든 미생물들은 항원물질(antigen)을 생성해 낸다. 항원물질은 대부분 단백질과 다당류로 이루어진 물질이며, 면역계에 특이한 자극을 주어 감작반응을 일으킨다. 이렇게 민감해 진 사람은 다시 같은 항원에 노출될 때, 일반적인 사람은 해를 입지 않는 적은 양에도 알러지성 반응 (allergic response)을 일으킨다. 항원을 흡입한 사람은 알러지성 비염, 알러지성 천식, 알러지성 폐포염(allergic alveolitis or hypersensitivity pneumonitis) 등의 증상을 보인다. 아직까지 절삭유제에 있는 세균성 항원이 직업적 영향에 어떻게 작용하는지에 대해서는 밝 혀지지 않았다.
내독소(Endotoxins)
절삭유제를 오염시킨 미생물들은 대개 독소를 생성한다. 특히 그람음성(Gram negative) 세균들이 생성하는 내독소는 미생물에 오염된 절삭유제와 절삭유제 aerosol에서 발견되었으며, 내독소가 영향을 주는 건강장해는 만성적 기관지염, 폐기능의 저하, 천식 등의 호흡기 장해가 일반적이다. 내독소의 관찰은 거의 30년전에 Johns Hopkins University의 Ivan. L. Bennett, Jr.에 의해 이루어 졌다. 내독소는 많은 세균에 의해 만들어지는 치명적인 분자이다. 내독소의 가장 유해한 영향 은 한기(chill)나 열을 느끼는 것에서 불가역적인 쇼크나 죽음까지의 질병증상을 유발하는 힘 때 문이다. 분자는 내독소를 함유하는 세균에서 단단한 보호물을 형성하여 감염에 대해 세균과 싸우는 항생제의 작용을 방해한다.
진균류(Fungi)
많은 종류의 진균이 생산하는 독성물질을 진균독소(mycotoxin)라 한다. 이들의 대부분은 열에 안정하고 분자량이 작은 물질이다. 진균독소의 주요 예들 중 하나인 아플라톡신(aflatoxin)은 Aspergillus속에 의해 생성되며, 심한 간손상을 일으키는 것으로 유명하다. 아플라톡신은 DNA에 결합하여 RNA합성을 억제함으로써 숙주에 영향을 미친다. 또한 강력한 돌연변이 유발원이며 발암원으로서 실험동물에서 간암을 유발한다. 수용성 절삭유제에는 진균류가 존재하는데, 이들은 대개 부패하는 유기물질에 기생하는 경우가 많아 절삭유제의 미생물오염에는 크게 영향을 주지 않는다.
예방법
(1) 미생물 번식위험을 고려하여 고성능의 환기시설이 필요하고, 공간을 밀폐시키거나, biocide 를 적절한 양만 사용할 것을 권장한다.
(2) 내독소 파괴는 120℃에서 여러시간 가열해야 없앨 수 있다.
(3) 작업자보호가 중요하므로 작업자가 개인 보호장비를 사용하고, 작업장소변경과 주기적인 순환근무가 필요하다.
(4) 교육과 훈련을 강화하여 노출을 최소화해야 한다.
노출농도에 대한 guideline
절삭유제에 노출된 작업자는 절삭유제에 노출되지 않은 작업자에 비해 흡입성 에어로졸의 여러 측정에서 높게 노출되었다. mass 농도, 내독소에 노출, 철, 염소, 황원소 등이다. 더구나 절삭유제에 노출 작업자는 공기역학적 직경이 8㎛이하의 에어로졸 크기 분획에서 배양가능한 세균 에 고농도로 노출되었다. 만약 노출된 작업자가 금속가공유에 노출되었다면 pseudomonas이고, 금속가공유에 노출되지 않았다면 Bacillus이다. International Commission of Occupational Health(ICOH)에서는 중독성 폐렴에 대한 내독소는 1mcg/m3, 기도염증에 대해서는 0.001mcg/m3 으로 권장수치를 정했다. 과민성 폐렴과 천식은 직접 내독소에 의해 야기되는 것이 아니므로 이 런 질병에 대해서는 지침이 없다. 기계 종류와 금속가공유의 사용유속, 생산공정의 속도, 밀폐정도와 sampling하는 동안 작업장 기계의 밀도, 금속가공유 에어로졸 양, 내독소, 배양가능한 세균에 대한 노출량 결정의 통계학적 modeling과 같은 방출 과정과 환경적인 요소에 대한 노출정보와 보충 데이타를 획득해야 한다.금속가공유 에어로졸의 구성 성분을 이해하여 성공적이고 경제적인 방법이 개발되어야 한다.
Biocide와 건강장해
biocide의 정의
Biocide는 미생물을 정균 및 살균할 목적으로 사용, 용도에 따라 5가지 그룹으로
구분
1) 건강관련 방부제(Health-related biocide) - 방부제, 소독제, 약품보호제
2) 음식관련 방부제(Food-related preservatives)
3) 작물 및 식물 보호용 방부제
4) 화장품 및 피부보호용 방부제
5) 산업용 방부제(Industrial biocide)
산업용 방부제는 생산공정 및 제품의 특성에 따라 다시 두가지 기본 그룹으로 구분.
1)첫번째는 절삭유제, 라텍스, 수지, clay, slurry, 냉각탑, pulp & paper mill, silicone emulsions, printing solutions 등의 각종 산업공정의 효율성과 안전성을 높이기 위해 부가적으로 사용되는 경우이다. 즉, 절삭유제의 부패와 질저하를 막기위해서나, 냉각탑의 파이프 벽에 미생 물에 의한 제품의 질 저하를 방지하기 위한 목적으로, 또는 제지공장에서 지력강화제 처럼 물이 많이 사용되는 공정에서 미생물에 의한 제품의 질 저하를 방지하기 위한 목적 등으로 사용되는 경우이다.
2)두 번째는 생산된 물품의 질저하 방지, 모양의 변형을 방지하기 위해 제조업자가 완성된 제품에 투여하는 경우로, 그 예로는 목재, 합판, textile, 왁스, 가죽, 생고무, 고무제품, 시멘트, 수성페인트를 비롯한 물이 함유된제품의 통칭인 수성에멀젼 제품, 접착제, 액체 광택제 등에 사용 되는 경우이다. 산업용 방부제라는 이름하에 사용되는 biocide는 사용범위를 일일이 열거하기 조차 힘들다.
산업용 방부제중 절삭유제에 사용되는 biocide의 경우는 다음과 같다.
절삭유제에 사용되는 biocide는 그 사용 방법에 따라 원액첨가용 biocide와 저장탱크 첨가용 biocide로 나누어 볼 수 있다. 원액첨가용은 절삭유제 중 비수용성을 제외한 모든 절삭유제에 첨가되어 사용되며, 세균과 진균 모두를 정균, 또는 살균시키는 기능을 가지고 있다. 저장탱크 첨 가용은 저장탱크의 절삭유제가 저장 기간이 길어질수록 미생물에 오염 정도가 심해지고 pH가 저하되는데, 이를 방지하기 위해 적절한 시기에 첨가해 주는 경우를 말하며, 통상 tankcide라고 불리운다.금속가공유의 교체 이유는 여러 가지가 있지만 그 중에서도 부패가 진행되어 악취가 발생되었을 때 교체하는 사례가 가장 많았다. 또한 수용성 절삭유의 평균 사용기간의 실태조사 결과 3 ∼ 6개월이 45%를 차지하고 있다.
금속가공유의 교체이유별 비율
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교체이유 |
교체비율(%) |
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공구수명, 가공정밀도의 저하 |
10 |
금속가공유의 사용기간
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사용기간 (개월) |
교체비율(%) |
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< 0.5 개월 |
4 |
사용량
Biocide는 첨가제의 일종으로 비수용성유를 제외한 수용성유, 합성유, 준합성유 등에서 0 - 2% 를 차지한다. 따라서, 국내에서 사용되는 biocide 사용량은 절삭유제 사용량 을 이용해 추정해 볼 수 있다. 한국윤활유 공업협회의 자료에 의하면, 2000년 수용성 절삭유 생산 량이 9,637 ㎘이며, 이 양의 약 2%를 취하면 연간 192.74 ㎘의 biocide를 사용한다고 볼 수 있다.
종류
포름알데하이드 방출형 biocide와 포름알데하이드 비방출형
(1)Formaldehyde release biocides
Formaldehyde release biocides는 일반적으로 오일보다는 물에 잘 녹으며, 진균류(fungi)보다는 세균류(bacteria)에 더 효과적이다. 대개 Formaldehyde release biocide는 formaldehyde와 alkylamine과의 반응에 의해 만들어지며, 반응결과 cyclic, satured, symmetrical triazine을 형성한다. 따라서, 이러한 종류의 biocide 중에는 성분에 triazine이 있는 것이 많다. 아래의 표에는 Onyxide 200, Grotan-Bk, Vancide TH 외에도 Bioban, Nalco ASP-636, Oakite, Surcide-P, Triadine 등이 있는데, triazine(정확한 성분명은 Tris(2-hydroxyethyl)hexahydrox-S-triazine이다)이 약 78.5%정도 함유되어 있고, Triadine의 경우 그 외에 Sodium pyrithione (hydroxy-2-(1H)-pyridinethione이 6.4% 함유되어 있다. Triazine은 원래 제초제(herbicide)로 사용되어 왔으며, 식물의 광합성을 억제하여 제초제로서의 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 일반적인 구조는 대칭형이다. Triazine의 육각형 구조는 HCN이 3개 결합된 형태이며, 실제로 (HCN)3으로 쉽게 분리된다. 이때 "R"들이 분리되면서 제품의 목적에 따른 작용을 하게 된다. Biocide에 함유되어 있는 Tris(2-hydroxyethyl) hexahydrox- S-triazine의 경우 일반적인 triazine과는 약간 다른 형태를 띤다. "R"이 탄소(C)에 연결된 것이 아니라 질소(N)에 연결되어 있기 때문이다.
Formaldehyde release biocide의 종류, 성분 및 함량
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상품명 |
작용성분 및 함량 |
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Tris Nitro |
Tris(hydroxymethyl)nitromethane 용액50%, 분말100% |
또한, Tris(2-hydroxyethyl)hexahydrox-S-triazine는 농축된 포름알데히드라고 불리워지기도 하는데, 이는 탄소와 질소로 구성된 육각형 구조가 틀로서 작용하고, 이에 연결되어 있는 3개의 알코올이 포름알데히드로 전환되어Tris(2-hydroxyethyl)hexahydrox-S-triazine 하나로 터 여러개의 포름알데히드를 내놓을 수 있기 때문이다.
(2) Non-formaldehyde realese biocides
Non-formaldehyde realese biocides는 Formaldehyde release biocides와 비교할 때, 상대적으로 bacteria보다는 fungi에 더욱 효과적이며, 대게 페놀계 화합물과 기타 혼합물로 이루어져 있다.
Non-formaldehyde realese biocides의 작용성분 및 함량
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상 품 명 |
작 용 성 분 및 함 량 |
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Givgard DNX |
6-Acetoxy-2,4-dimethyl-dioxane |
Biocide에 의한 건강장해
건강장해는 주로 피부접촉에 의한 피부염, 습진 있으며, 특히 non-formaldehyde release biocide호흡기에 대한 영향의 연구는 부족함. Triazine을 함유한 biocide의 경우 formaldehyde 노출에 의한 건강장해는 단기간 노출의 경우 눈, 코, 기관지에 심한 자극, 두통, 어지러움, 눈물을 야기. 장기간 노출된 경우 피부에 알레르기성 접촉성 피부염 및 습진, 호흡기계에 기침, 가래, 천식, 만성기관지염 등의 폐쇄성 폐증상을 일으키며, 생식기계에 대한 영향으로 자연유산과 저체중아 출산, 임신중독증 등을 유발.
대책
수용성 절삭유제의 부패가 미생물의 번식에 의한 것임이 판명되어도 사용유의 상황은 미생물의 번식 조건에 적합하며, 또한 미생물의 혼입을 방지하는 것도 어려운 상황에 있으므로 부패를 완전히 방지하기는 곤란하다. 부패를 방지하기 위해서는 먼저 미생물의 영양원이 되기 쉬운 염, 유황, 유지, 광유 등의 성분이 적고 항균성이 있는 유제를 선택함과 더불어 살균 및 항균성이 있는 biocide를 사용하여 미생물의 번식을 저지해야 한다. 그러나 biocide 사용에 있어서 주의해야 할 것은 안전성에 대한 문제이다. 살균력이 뛰어난 biocide는 그 사용 농도가 맞지 않으면 작업자에 게 피부염을 일으킬 염려가 있고, 또한 폐유처리에 있어서는 응집처리 공정에서 회수되지 않을 경우 종말처리의 활성인 진흙탕 속의 미생물을 살균하거나 배수에 의해서 하천을 오염시키고, 어류가 나쁜 영향을 받을 위험이 있다. 그래서, 미국의 경우 절삭유제에 쓰이는 biocide에 대해 EPA 에서 독성 실험을 하도록 하였으며, 대개 1)급성 경구 치사량, 2)급성 피부 흡수 치사량, 3)급성 피부자극성, 4)급성 눈 자극성의 4가지 실험을 수행.Biocide 사용에따른 대표적인 유해성의 문제는 formaldehyde를 방출하여 살균효과를 내는 biocide 경우 발암성의 위험성을 들수 있다. formaldehyde의 방출은 사용중인 오일내에서 물의 첨가에 따른 가수분해에 의해 이루어지는데, pH의 영향이 매우 크다. formaldehyde는 알칼리 성에서 매우 안정성을 갖으며, 잘 분해되지 않는다. Bennett의 실험결과에 의하면 pH가 8.5이하에서 생균수가 급격히 증가한다고 밝히고 있기도 하다. 따라서, formaldehyde를 방출하여 살균효과 를 내는 biocide를 사용할 경우 적정 pH를 유지하여 살균효과도 내면서도 , 허용기준을 초과하지 않는 범위 내에서 사용해야 한다 [금속가공공정의 오일함유폐액의 감량화 및 재이용 System 개발]에 관한 연구에서는 항균ceramic tube에서 미생물의 생장이 급속히 감소되었다는 주장을 하고 있으며, 특히 기계의 가동에 사용되는 오일이 절삭유제 저장용기에 흘러들어갈 경우 이것이 미생물의 양분이 되므로 이를 차단하는 것이 중요하다고 한다.
각종 biocide의 독성
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구분 |
biocide의 종류 |
경구 치사량 |
눈에 대한 자극성(토끼) |
피부에 대한 자극성 (토끼, 사람) |
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페놀계 |
o-Phenylphenol |
2,700mg/kg |
자극의 가능성 있음 |
농후한 액은 자극의 가능성 있음 위와 같음 위와 같음 위와 같음 |
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포름알데하이드방출형 |
2-Hydroxymethyl-2-nitro-1,3-propanediol |
1,900mg/kg |
자극의 가능성 있음 원액은 약간 자극하지만 희석하면 자극성 없음 자극의 가능성 있음 원액은 약간 자극 |
1차적으로는 자극성없음 위와
같음 |
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살리실산계 |
3,4',5-Tribromosalicyl
anilide (76-88%) |
410mg/kg |
자극성 없음 |
1차적으로는 자극성없음 위와 같음 |
triazine을 함유한 biocide의 경우 강산이 흘러 들어가는 것을 주의, 이는 강산이 있을 경우 다량의 H+가 triazine으로 부터 formaldehyde를 갑작스럽게 많이 생성되도록 하기 때문인 것으로 보인다.
절삭유제의 관리대책
절삭유제의 사용으로 인한 관리대책
① MWFs의미스트와 증기를 제거할 수 있는 공학적인 대책 - 공정의 밀폐와 국소배기장치 설치 - 오일미스트의 발생을 줄일 수 있는 공정운영 개선 - 정화장치에 대한 개발
② 광물유로 인한 건강장해 예방 프로그램 - 안전보건교육 - 적절한 작업행태 - MWFs의 보관 및 유지 - 보호의와 보호구
공학적 대책
공정의 밀폐와 국소배기시설의 설치 시기
절삭유제를 취급하는 공정에는 공정의 특성으로 인해 오일미스트가 외부로 비산될 수 있다. 오일미스트의 공기중 비산을 방지하기 위해 밀폐시설(machine enclosure)과 국소배기시설을 설치해야 한다. 이러한 시설의 설치시기와 방법에 따라 절삭유제의 미스트농도가 다른 것으로 보고되고 있다. 절삭유제가 취급되는 공정이 운영될 때와 동시에 설치된 밀폐시설(original enclosure machine, OEM)과 국소배기시설에서 측정한 MWFs의 공기중 농도가
① 공정이 운영되고 후에 필요에 따 라서 밀폐시설과 국소배기시설이 설치된 경우나 ② 전혀 밀폐시설이 없는 경우에 비해서 통계적으로 유의하게 낮다. 주목할 만한 것은 공정시설이 운영되는 과정에서 추후에 부분적으로 밀폐를 하거나 국소배기시설을 설치하는 경우에는 전혀 밀폐시설이 없는 경우와 별다른 농도차이가 없고 미스트 억제에 효과가 없다. 따라서 절삭유제가 취급되는 공정에서 발생되는 오일미스트의 공기중 비산을 방지하기 위한 방법은 밀폐시설과 국소배기시설을 철저히 하는 것이다.
설치시기와 설치방법 주의사항
① 밀폐와 국소배기시설은 MWFs가 취급되는 공정이 설치될 때와
동시에 하는 것이 좋다.
② 공정이 운영되고 추후에 밀폐와 국소배기시설을 설치하는 경우에는 밀폐시설을 해체할 우려도 있고, 탈락할 수도 있으며, 누출될 가능성이 항상 존재할
수 있다. 따라서 특별한 관리와 성 능에 대한 주기적인 점검이 필요하다.
③ 밀폐되는 부위가 있거나 국소배기시설이 없는 경우에는 설치를 하고 그 관리는 철저히 해야 한다.
(1)공정시설과 동시에 밀폐와 국소배기시설을 설치
오일미스트의 공기중 분산을 막기 위한 가장 적절한 공학적 대책은 밀폐와 국소배기시설을 공 정시설과 동시에 설치하는 것이다. 즉, 공정이 가동될 때부터 밀폐와 국소배기시설을 함께 함으로써 근로자가 작업을 하는데 작업방법의 일부로 인식하도록 하고 해체하거나 누출되지 않도록 하는 것이다.
(2)공정운영 후에 설치된 밀폐와 국소배기 시설은 특별한 관리 필요
공정시설이 운영되고 필요에 따라 또는 행정적인 조치에 따라 밀폐시설을 하거나 국소배기시 설을 추가로 설치한 경우가 많다. 이러한 경우에는 근로자가 기존에 수행한 작업방법과 다르거나 작업에 영향을 미칠 수 있기 때문에 밀폐시설을 해체할 우려도 있고, 작업으로 인해 밀폐시설의 일부가 탈락할 수도 있으며, 작은 부위라도 누출될 가능성이 항상 존재할 수 있다. 이러한 이유로 인해 밀폐와 국소배기시설을 하고도 오일미스트에 대한 억제효과가 미흡할 수 있다.
따라서 공정이 설치된 후에 밀폐와 국소배기시설을 설치하는 경우에는 해체, 탈락, 누출 등에 대한 지속적인 관리가 필요하다. 순간적으로 밀폐시설이 탈락되거나 이탈되는 경우에 공기중 절삭유제 농도는 높아 근로자 노출은 클 수 있다. 따라서 공정의 시설과 마찬가지로 작업시간 동안 밀폐와 국소배기시설의 적정성을 수시로 검사하여야 한다. 우리나라에서 절삭유제를 취급하는 공정에서는 공정이 가동된 때부터 밀폐와 국소배기시설을 설 치한 경우가 많지 않을 것으로 판단되므로 지속적인 관리가 필요할 것으로 판단된다.
(3)밀폐가 되지 않은 경우 철저한 밀폐와 국소배기시설의 설치
절삭유제가 취급된 공정에서 밀폐가 되지 않은 부분이 있는 경우 철저한 밀폐를 하고 위 (2)항에서 설명한 사후 관리를 철저히 해야 한다. 시설을 하는 경우에는 근로자가 해체하지 못하도록 견고하게 하고 가능하면 작업에 지장이 없도록 설계를 하는 것이 필요하다.
국소배기시설의 설계
국소배기시설을 설계할 때 가장 큰 원칙은 오일미스트 입자를 가능하면 크게 하여 증발을 억제하도록 설계해야 한다. 이러한 목적을 달성하려면 소요풍량과 반송속도를 가능하면 줄임으로써 공기와의 접촉을 억제하는 것이다. 소요풍량을 줄이기 위해서는 포위식 후드로 하고 제어속도를 낮게 하는 것이다. 즉 불필요하게 제어속도를 높이지 말아야 한다. 포위식후드의 개구면적은 공정에 지장이 없다면 가능하면 적게 하고 국소배기시설에서의 공기의 흐름은 최소한의 음압만 유지 하도록 설계하는 것이 필요하다. 반송속도를 줄이기 위해서는 덕트의 면적을 적정한 한계에서 크 게 하는 것을 고려할 필요가 있다. 설계인자별로 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
(1) 제어속도
제어속도는 가능하면 낮게 설정해야 한다. 공정이 운영됨에 따라 오일미스트는 필연적으로 발생될 것이다. 미스트는 여러 가지 크기의 입자가 생길 수 있으나 중요한 것은 가능하면 증발되지 않도록 하는 것이 필요하다. 가능하면 미스트가 적게 발생되는 공정방법을 택하면 가장 바람직하다. 그러나 공정의 특성상 공기 중으로 미스트가 발생된다면 이들은 공기와 계속적으로 접촉하기 때문에 증발이 될 수밖에 없다.
절삭유제는 일반적으로 상온에서 휘발성이 아닐지라도, 이들이 공기 중으로 작은 입자인 미스트로 발생되면 빠른 시간 내에 증발할 수 있는 것으로 주장하였다. 즉, 오일미스트는 공기와 접촉하므로 증발될 수 있는 것이다. 미스트 입자가 작을수록 증발의 가능성은 높다. 이러한 증발의 원리를 국소배기장치의 제어속도에 적용시켜 보면 시설내에서 발생된 미립자의 오일미스트는 제어속도가 높을수록 그 증발속도는 빠를 것이다. 흔히 제어속도는 빠른 것이 좋은 것으로 여겨 지나친 제어속도를 설정하고 운영되는 경우가 있다. 이런 경우 미스트의 농도는 감소될 지는 모르나 오히려 절삭유제의 증기농도는 증가될 수 있다. 또한 시설을 점검하는 경우에도 제어속도가 크다고 혹은 후드의 공기 유입상태가 매우 빠르다고 하여 적정한 시설로 판정하는 경우가 많은데 주의를 기울여야 할 사항이다.
(2)반송속도
동일한 이론으로 공기와의 접촉을 줄이기 위해 반송속도도 가능하면 낮게 하는 것이 바람직하 다. 덕트내에 퇴적되면 절삭유제의 입자는 더욱 커지므로 증발의 가능성은 공기 중에 있을 때보다 낮 을 것으로 판단된다. 반송속도를 줄이기 위해서는 덕트면적을 크게 하는 것이 필요하다.
(3)덕트의 길이
덕트는 가능하면 짧게 하는 것이 좋다. 즉 발생된 오일미스트를 공기와 접촉을 가능하면 줄이 면서 빠른 시간 내에 정화장치에 도달하도록 하기 위해서이다. 이렇게 하면 발생된 미스트는 공 기 중에 있는 시간이 줄어 들고 입자크기는 크게 할 수 있어 오일미스트의 증발을 억제는 줄일 수 있다.
(4)정화장치
정화장치는 최대한 후드와 가깝게 설치한다. 즉, 오일미스트가 발생되는 지점(후드)에서 정화장 치까지 가능하면 덕트를 짧게 한다. 덕트가 짧아지면 ① 미스트의 이동은 짧아지고 ② 공기와의 접촉은 줄어 들고 ③ 정화장치에는 오일미스트의 농도가 높고 입자가 커지게 된다. 이로 인해 MWFs의 증발은 최소화될 수 있을 것이다.
(5)오일미스트의 증발 억제
① 정화장치(well-maintained collector)를
절삭유제가 사용되는 기계공정과 가능하면 가까운 위치에 설치,
② 제어속도와 반송속도를 가능하면 줄이고,
③ 절삭유제를 사용하는 기계공정의 운영속도를 가능하면 줄이고(미스트가 발생되지 않도록) 미스트 형성을
억제할 수 있는 제재를 첨가하고,
④ 공정에 지장이 없는 전제에서 휘발성이 덜한 절삭유제로 교체하는 방법이다.
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