LONGEVIDADE DO FLUIDO DE USINAGEM DE METAIS A PARTIR DO USO DE
COMBINAÇÃO DE AMINOÁLCOOL DE ALTO PESO MOLECULAR E
ETANOLAMINAS
Eduardo Lima
Dow Química, São Paulo, SP Brasil
Fluidos de usinagem de metais são amplamente utilizados na indústria metalúrgica nas
operações de usinagem, e a biodeterioração desses óleos pode causar corrosão nos equipamentos.
Os fluidos de usinagem, por sua própria natureza química, são susceptíveis a alterações
de suas propriedades. Tais alterações são causadas pelas condições as quais o fluido é exposto, e
sua resistência está diretamente relacionada ao tipo de formulação concentrada utilizada e seus
componentes.
OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da 3-Amino-4-Octanol em formulações de
fluido de usinagem,
Este estudo tem como proposta apresentar melhorias nas formulações relacionadas a
resistência à contaminação microbiológica, resistência à corrosão e estabilidade de pH. Foram
preparadas formulações com alcalinizantes à base de etanolaminas, assim como uma combinação
de aminoálcoois de alto peso molecular com etanolaminas, utilizando um bactericida como
preservante. Todas estas formulações foram expostas a condições estressantes para verificação
das melhorias propostas deste estudo.
1 - INTRODUÇÃO
Segundo Diniz (1982), a indústria tem exigido de um fluido de usinagem outras
propriedades além daquelas necessárias para refrigeração e lubrificação, entre elas a de anticorrosão, ou seja, sua capacidade de proteger a peça e a máquina de efeitos corrosivos[1].
Uma formulação de fluido de usinagem pode adequar-se a esta exigência, há produtos
químicos existentes que agregam propriedades às formulações garantindo uma melhoria no
processo de usinagem.
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Um dos maiores problemas nesta indústria é a presença de corrosão, sendo definida
como uma reação química ou eletroquímica entre materiais, normalmente um metal ou uma liga,
promovendo uma deterioração
do material e de suas propriedades. Este processo está
relacionado com as características do ambiente.[2]
A corrosão pode ser induzida pela presença de micro-organismos, chamada de
microbiana ou microbiológica. Neste caso, a corrosão do material metálico se processa sob a
influência de micro-organismos , mais frequentemente bactérias, embora existam exemplos de
corrosão atribuidos à fungos e algas. A biodeterioração dá-se pela formação de gases, que além
de causarem corrosão, são relativamente tóxicos para os operadores. Dada a variedade de
ambientes que podem proporcionar crescimento de bactérias , algas ou fungos, muitos são os
equipamentos que podem sofrer este tipo de corrosão induzida por micro-organismos. Daí a
importancia da utilização de biocidas nas formulações destes fluidos para evitar a
biodeterioração[1].
Biodeterioração inclui todos processos biológicos que resultam em perda econômica.
Biodegradação se refere ao processo pelo qual os micro-organismos rompem moléculas grandes
gerando moléculas menores.
O resultado da biodegradação é a conversão de moléculas
orgânicas em dióxido de carbono e desprendimento de energia. Certos tipos de bactérias são
capazes de estabelecer reações eletrolíticas sobre o metal ou outras superfícies, estas reações em
sistemas de fluido de corte podem causar corrosão tanto nas ferramentas como nas peças
acabadas. A contaminação bacteriana dos fluidos de corte pode causar indiretamente a corrosão
através do consumo dos inibidores de corrosão e/ou pela presença de subprodutos de suas
reações como os ácidos orgânicos[3], ocasionando a perda das propriedades do fluido de
usinagem.
Fluidos de corte compatíveis com sistemas aquosos são altamente susceptíveis à
contaminação microbiológica. Um fluido de corte apresenta em sua fase aquosa quantidades de
água que compreendem entre 85% e 99% da mistura com outros componentes como ésteres,
tensoativos, ácidos, óleos minerais, etc. Esta susceptibilidade a contaminação microbiológica é
uma das principais razões na busca por alternativas que aumentem a vida útil dos fluidos e que
contribuam com outras propriedades como controle da corrosão, manutenção do pH e controle
microbiologico. Moléculas multifuncionais que apresentam sinergia com outros componentes
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químicos da formulação podem ser utilizadas como alternativa para desenvolvimento de
formulações de fluidos mais robustas que atendam às exigências do mercado.
Aminas, em particular aminoalcóois (também chamados de alcanolaminas) têm sido
usadas por muitos anos em fluidos de usinagem solúveis em água, e suas principais funções são
de neutralização dos componentes de ácido-funcional, desenvolvimento e manutenção do pH
alcalino. A 3-Amino-4-Octanol, além das funções citadas acima, apresenta um efeito sinérgico
positivo na presença de biocida[5].
Esta amina, 3-Amino-4-Octanol, é uma molécula complexa se comparada à
monoetanolamina (MEA) e trietanolamina (TEA), e é sabido que este tipo de molécula tende a
ser mais resistente à biodegradação.
2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Formulações de fluidos de usinagem podem ser desenvolvidas para apresentarem uma
melhor bioresistência após diluição. Por exemplo: a uma diluição de 5% (1:20), um fluido pode
exibir um nível de resistência microbiológica adequado, porém a 2,5% (1:40) essa resistência
pode ser reduzida a níveis mínimos.
Os fluidos de usinagem são susceptíveis à contaminação tanto por bactérias quanto por
fungos, algas ou leveduras, onde o pH típico está na faixa de 8,5 até 9,5. Vale ressaltar que um
pH muito alcalino não é suficiente para inibir o crescimento de micro-organismos, tampouco um
pH próximo ao neutro permite um rápido desenvolvimento de bactérias; a contaminação e o tipo
de contaminante dependem da condição a qual o fluido de corte está exposto, sendo geralmente
por bacilos Gram-negativos, particularmente Pseudomonas ssp[6].
O processo de biodeterioração dos fluidos de usinagem pode ser dividido em 6 etapas:
1) degradação de emulsionante acompanhada por uma instabilidade e separação do óleo;
2) aumento da corrosão;
3) mau cheiro;
4) queda do pH;
5) queda dos níveis de componentes ativos específicos;
6) acúmulo de biofilme microbiano[7]
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O consumo e perda de atividade dos componentes anticorrosivos não são os únicos
efeitos da contaminação nos fluidos de usinagem, mas também a perda de lubricidade. Vários
estudos demonstram que os componentes dos fluidos podem parcialmente ser perdidos, ou
muitas vezes completamente degradados, na presença de contaminação por microrganismos. Esta
mudança na composição dos fluidos pode ser diretamente correlacionada com a perda da função
do fluido, particularmente nos casos dos óleos emulsionados onde o hidrocarboneto é degradado,
a perda de lubricidade pode ocorrer com este tipo de atividade microbiana[3].
Diversas estratégias são utilizadas para prevenir a biodeteriorização dos fluidos de corte,
dentre elas a utilização de fórmulas bioresistentes, com a adição de biocidas e a boa manutenção
das condições onde são utilizados os fluidos, que inclui a manutenção dos tanques e tubulações
em boas condições de higiene e limpeza[4].
Uma outra excelente estratégia é o uso de amino álcoois na formulação, em substituição
às etanolaminas, parcial ou total, devido às propriedades que este químico adiciona ao fluido.
Tais aminoálcoois são eficientes neutralizadores de compostos ácidos funcionais e auxiliam na
estabilidade de emulsões em pH elevado, apresentam bom desempenho com na presença de
diversos tipos de biocidas, melhoram o controle de corrosão de metais ferrosos e aumentam a
estabilidade do pH, promovendo a aplicação do fluido de usinagem de maneira favorável sob os
aspectos de saúde e segurança
[8]
. Neste estudo avaliamos a eficácia do uso da 3-Amino-4-
Octanol em formulações de fluido de usinagem.
3 – EXPERIMENTO
3.1 - Formulação
Foram utilizadas formulações sintéticas (Tabela 1) compostas por ácidos funcionais,
etanolaminas, base lubrificante sintética solúvel, aditivo lubrificante de extrema pressão,
bactericida, e água de rede da cidade de São Paulo (Região Sul). A formulação utilizada como
base deste estudo apresenta uma quantidade total de 20% de etanolaminas, sendo 15% TEA
(85%) e 5% MEA (99,2%). Para as demais formulações foram recalculadas as quantidades de
MEA (99,2%) e TEA (85%) e adicionado amino álcool. Nas formulações testadas foi reduzida a
quantidade de TEA de 15% para 4% e substituiu-se por 4% de 3-Amino-4-Octanol, e em uma
desta formulações foi testada também a substituição total da MEA por 2-Amino-2-Metil-1-
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Propanol. No caso das formulações EXT 2 e EXT 3, também foi otimizada a quantidade de ácido
funcional em 1% do total da fórmula, o que corresponde a uma redução de 25% do total de
inibidor de corrosão proporcional. Em todas formulações foi utilizada água de rede para
completar 100%.
Foi utilizada Triazina como biocida, não há fungicida nas formulações testadas.
Fluido Sintético
MEA/ TEA/ COR
Mistura de ácidos dibásicos
Ácido dodecanóico
3-Amino-4-Octanol
Trietanolamina 85
Monoetanolamina 99,2
2-Amino-2-Metil-1-Propanol
Polialquileno Glicol
Éster Fosfórico
Triazina
Água
Inibidor de Corrosão
Inibidor de Corrosão
Alcalinizante/ Neutralizante
Alcalinizante/ Neutralizante
Alcalinizante/ Neutralizante
Alcalinizante/ Neutralizante
Lubrificante Limite
Lubrificante EP
Biocida
MEA/ TEA /
DDDA
EXT 1 /
DDDA
4.00
EXT 1/ COR
EXT 2/ COR
EXT 3/ COR
4.00
3.00
3.00
4
4
5
4
4
5
4
4
4.00
Total
15
5
15
5
4.00
4
4
5
10
2
2
62.00
10
2
2
62.00
10
2
2
69.00
10
2
2
69.00
10
2
2
70.00
1.5
10
2
2
73.50
100
100
100
100
100
100
Tabela 1 – Formulações dos fluidos sintéticos.
3.2 - Protocolo de teste de corrosão em cavaco padrão
Na condução deste teste foi utilizada a metodologia baseada na Norma DIN 51360 ,
Parte 2. Os testes foram realizados utilizando as formulações de fluidos imediatamente após sua
diluição do concentrado, com as subsequentes inoculações semanais de fungos e bactérias, com
o propósito de simular o envelhecimento do fluido e sua resistência à contaminação. Foram
pesados precisamente 2g de cavaco de ferro fundido padrão sobre papel filtro quantitativo
(filtragem ultra lenta – diâmetro de 90 mm) previamente posicionado em uma placa de petri. Os
cavacos de ferro foram umidecidos uniformemente com 2 mL de fluidos em concentrações de 1,
2, 3, 4 e 5%. A placa de petri foi coberta com a tampa superior por um período de 2 horas, a
temperatura ambiente. Após este tempo, fluido e cavacos foram removidos utilizando água
destilada e deixados para secar a temperatura ambiente por 24 horas para então ser feita a análise
visual do grau de corrosão. Conforme a norma, os graus foram avaliados de 0 a 4, sendo 0 (zero)
nenhuma corrosão, 1 (um) corrosão leve e 4 (quatro) corrosão severa.
3.3 - Protocolo de teste de contaminação microbiológica e corrosão
Os testes microbiológicos foram conduzidos conforme modificação da Norma ASTM
E2275. Esta metodologia consiste em colocar 400 mL do fluido diluido (95% água de rede e 5%
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do fluido concentrado) em erlenmeyer de 1000 mL, e posteriormente ser inoculado
semanalmente, durante 20 semanas, por com uma mistura de bactérias/ fungos apropriados para
testes em fluidos de usinagem. A solução inoculante consiste em 10E6 de bactérias e 10E4 UFC/
mL , sendo UFC/mL definida como unidades formadoras de colônias por mililitros. Cavacos de
ferro foram adicionados ao fluido para simular o ambiente de campo. Para esta simulação foram
realizados ciclos de testes que consistem dos fluidos serem agitados continuamente em agitador
orbital por 5 dias, seguido por um repouso de 2 dias. Estes ciclos foram realizados até encontrar
no fluido, por 2 semanas consecutivas, uma contagem total de bactérias (UFC/mL) maior ou
igual a 1x10E5 e/ou 1x10E3 de fungos. Estas contagens são determinadas utilizando meios de
cultura apropriados para crescimento de fungos e bactérias em placa de Petri.
O pH do fluido foi medido semanalmente e quando necessário foi adicionado água para
compensar o volume perdido por evaporação. No momento em que o teste de envelhecimento
acelerado falhar, ou seja quando fôr detectada contaminação por bactéria ou fungo, a inoculação
semanal da mistura de microoganismos é cancelada.
4 - RESULTADOS
A seguir, serão apresentados os resultados dos testes microbiológicos, assim como o
impacto na manutenção do pH e resistência à corrosão.
4.1 - Resistência à Bactérias
O gráfico na Figura 1 apresenta as semanas de controle do crescimento de bactérias em
função das diferentes formulações de aminas testadas. À partir dos resultados apresentados,
conclui-se que a formulação que contém a amina 3-Amino-4-Octanol apresenta melhor
resistência ao crescimento de bactérias e fungos. Durante as 20 semanas testadas, as 4
formulações que continham 3-Amino-4-Octanol apresentaram significativa resistência ao
desenvolvimento de bactérias.
As formulações base, que continham apenas a combinação de TEA/ MEA, apresentaram
contaminação significativa após 4 semanas.
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Figura 1 – Resultados de contaminação microbiológica por bactérias
4.2 - Resistência à Fungos
O gráfico na Figura 2 apresenta as semanas de controle do crescimento de fungos em
função das diferentes formulações de aminas testadas. À partir dos resultados apresentados,
conclui-se que, apesar de não ter fungicida nas formulações, o crescimento de fungos não foi tão
expressivo quanto o das bactérias. As formulações base, que continham apenas a combinação de
TEA/ MEA, apresentaram contaminação maior à partir da semana 15, enquanto que aquelas
formuladas com 3-Amino-4-Octanol apresentaram um controle no desenvolvimento de fungos.
Figura 2 – Resultados da contaminação microbiológica por fungos
4.3 - Estabilidade do pH
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O gráfico na Figura 3 mostra as variações de pH em função do tempo. Nas formulações
base que continham apenas TEA/ MEA foi verificada uma acentuada variação de pH, enquanto
que as demais formulações que continham 3-Amino-4-Octanol apresentaram uma variação mais
controlada do pH no mesmo período.
Figura 3 – Resultados da estabilidade do pH
4.4 - Controle de Corrosão
As Figuras 4,5,6 e 7 apresentam as informações relacionadas ao controle de corrosão.
Este teste foi realizado simultaneamente ao de resistência à contaminação microbiológica, por
um período de 14 semanas, com todas as formulações.
À partir dos resultados apresentados, conclui-se que as formulações que contém o 3Amino-4-Octanol apresentaram melhores resultados do que as formulações base que continham
apenas TEA/ MEA.
Relembrando que os testes foram realizados nas diluições do fluido nas concentrações de
1 a 5%; e que os graus de corrosão foram avaliados de 0 a 4, sendo 0 (zero) nenhuma corrosão, 1
(um) corrosão leve e 4 (quatro) corrosão severa.
Os dados apresentados nas Figuras abaixo são relacionados apenas nos casos onde o
cavaco de ferro apresentou corrosão, numa determinada formulação, no período de testes
especificado.
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Fluido – Semana 1
Figura 4 – Resultados dos testes de corrosão na semana 1
Semana 1. A figura 4 mostra que durante este período as formulações que continham apenas
TEA/ MEA nas concentrações de 3%, 4% e 5% não apresentaram corrosão. A formulação com
5% não apresentou corrosão em nenhuma das formulações.
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Fluido – Após 4 Semanas
Figura 5 – Resultados dos testes de corrosão após 4 semanas
Semana 4. A Figura 5 mostra uma maior uniformidade entre os resultado de corrosão após 4
semanas de inoculações consecutivas
Fluido – Após 8 Semanas
Figura 6 – Resultados dos testes de corrosão após 8 semanas.
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Semana 8. A figura 6 demonstra uma tendência de melhor performance para as formulações que
continham a 3-Amino-4-Octanol. As formulações base que contém apenas TEA/MEA
basicamente falharam em quase todas as concentrações.
Fluido – Após 14 Semanas
Figura 7 – Resultados dos testes de corrosão após 14 semanas.
Semana 14. A Figura 7 mostra que os resultados foram melhores nas formulacões que
continham 3-Amino-4-Octanol e também na formulação em que a MEA foi substituida
totalmente pela 2-Amino-2-Metil-1-Propanol.
5 - CONCLUSÃO
Com base nos resultados apresentados, pode-se concluir que a presença de amina de alto
peso molecular, neste caso a 3-Amino-4-Octanol e sua combinação com a 2-Amino-2-Metil-1Propanol, influencia na performance do fluido de usinagem nas concentrações de diluição
comumente utilizadas entre 3% e 5% . Nestes casos ficaram evidentes a estabilidade do pH, a
melhoria na resistência à contaminação microbiológica, e uma melhor resistência à corrosão dos
metais. Tais benefícios não foram evidenciados nas formulações onde utilizou-se apenas
MEA/TEA, em qualquer das concentrações de diluição testadas.
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Conclui-se que a utilização de 3-Amino-4-Octanol proporciona uma maior longevidade
para os fluidos de usinagem, promovendo uma redução de custos no processo, considerando uma
menor frequencia na troca de fluido de usinagem e maior vida útil dos equipamentos
proporcionada pela redução na corrosão dos metais.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] DINIZ, A. E., “Tecnologia da usinagem dos materiais” Anselmos Eduardo Diniz, Francisco
Carlos Marcondes, Nivaldo Lemos Coppini – 3. Ed. – São Paulo: Artiliber, p. 165-181, 2001.
[2] YANG, L., “Techniques for corrosion monitoring” - Cambridge , Woodhead Publishing
Limited, p. 7-45, 2008.
[3] BYERS. J.P., “Metalworking Fluids” - 2. Ed. CRC Taylor & Francis, p. 175-229, 2006.
[4] ROSSMOORE, L.H. and ROSSMOORE, H.W., “Metalworking Fluid Microbiology in
Metalworking Fluids”. BYERS, J.P. – 2. Ed. Marcel Dekker, Inc, p. 247-271, 1994.
[5] BRUTTO, Patrick E. “The Influence of Amine Structure on Performance in MWFs”.
Tribology & Lubication Technology, p. 26-32, 2011
[6] LEE, M.; CHANDLER, A.C., “A study of the nature, growth and control of bacteria in
cutting compounds”. Journal of Bacteriology, p. 373–386, 1941.
[7] GENNER, C. and HILL, E.C. “Fuel and Oils. In Microbial Biodeterioration”, 1981.
[8] Disponível em ANGUS Chemical Company como CORRGUARD™ EXT Amino Alcohol
WWW.ANGUS.COM (Acessado em: 29 mai. 2011)
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Currículo resumido do autor:
Eduardo Galdino Alves Lima, é formado em Licenciatura e Bacharelado em Ciências Química
com Atribuições Tecnológicas pela Faculdade Fisolofia Ciências e Letras de São Bernardo do
Campo - FASB, Especialização em Gestão e Tecnologia em Projeto de Produto pela FEI e
Mestrando em Química Tecnológica pela Universidade Federal de São Carlos, atua há mais de
dez anos na área de aplicação de especialidades químicas industriais em diversos mercados.
Atualmente é Especialista Técnico e de Desenvolvimento de Aplicações de Dow Performance
Additives - ANGUS na América Latina.
Eduardo Lima
Diamond Tower
Av. das Nações Unidas, 14171
São Paulo/SP - 04794-000
Fone: 55 11 5188 9949
[email protected]
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