Эксперт Ойл
Введите название продукта:



Эксперт-ойл / Статьи / Водосмешиваемые СОЖ (жидкости для металлообработки)
Главная страницаКарта сайтаe-mail

01.10.2012
Водосмешиваемые СОЖ (жидкости для металлообработки)

По объему потребления (в пересчете на количество концентрата, из которого потребители получают целевые продукты) водосмешиваемые СОЖ являются важнейшей группой жидкостей для обработки металлов в США и Европе. На Дальнем Востоке, особенно в Японии, потребление неводосмешиваемых продуктов явно превышает потребление водосмешиваемых продуктов. Здесь тенденция к увеличению доли зодосмешиваемых продуктов еще более очевидна, тогда как в Германии более очевидна тенденция к применению неводосмешиваемых продуктов, что в значительной степени обусловлено строгим законодательством по хранению и обращению со смазочными продуктами любого рода. Важная проблема эксплуатационных характеристик водосмешиваемых СОЖ в целом не имеет такого первостепенного значения для их выбора, что справедливо и для неводосмешиваемых СОЖ. Вторичные требования, предъявляемые к этим продуктам, часто обсуждаются более широко по сравнению с их основными функциями охлаждения и смазки. Все большее значение приобретают проблемы охраны здоровья на рабочих местах, микробиологии, гигиены и утилизации отработанных жидкостей. Изменение жидкостей вследствие загрязнения часто приводит к значительным затратам на очистку, что исключено в случае неводосмешиваемых СОЖ. Специальные затраты на обработку обычно определяются отдельно для каждого случая, но на основании этого трудно сделать вывод о более низкой стоимости водосмешиваемых СОЖ. Исходя из этих соображений экологические проблемы являлись объектом повышенного внимания в большинстве разработок последних лет, направленных на повышение стойкости СОЖ к внешним воздействиям, особенно к микробиологическим атакам.

1. Номенклатура и кодирование

Трудно найти другой сектор технологии смазки, где использовалось бы так много различных и в некоторой степени неточных терминов, как в случае водосмешиваемых СОЖ. В последние годы предпринималось несколько попыток классифицировать эту терминологию, ориентируя их на потребительские технические критерии или на состав продуктов (табл. 1).

 Таблица 1. Классификация СОЖ

 Тип

 Термины в соответствии с DIN 51 385

 Буквенный код

 0

 Жидкость для металлообработки

 S

1

 Неводосмешиваемая жидкость для металлообработки

 SN

2

 Водосмешиваемый концентрат для металлообработки

SE

2,1

 Эмульгируемый концентрат для металлообработки

SEM

2,2

 Водорастворимый концентрат для металлообработки

SES

3

 Разбавленная жидкость для металлообработки

EW

3,1

 Эмульсия («масло в воде») для металлообработки

SEMW

3,2

 Раствор для металлообработки

SESW



В этой статье определены важнейшие различия между концентратами и водосмешиваемыми продуктами в целом и дана интерпретация терминов «неводосмешиваемые охлаждающие жидкости» и «водосмешиваемые охлаждающие жидкости». Концентраты в таком виде, в котором их поставляют пользователю производители, называют водосмешиваемыми СОЖ; готовые продукты, разбавляемые водой пользователем, называются разбавленными СОЖ. Эти термины используюся в современной литературе, и в отличие от таких терминов, как, например, сверлильное масло, сверлильная или шлифовальная вода или хладагент, уже применяются большой группой пользователей. Вместе с тем в настоящее время еще трудно дифференцировать эмульгируемые и водосмешиваемые СОЖ при описании концентратов, которые будут использоваться для образования эмульсий или растворов. Разделение водосмешиваемых продуктов на эмульсии и растворы для металлообработки связано с их составом, при этом эмульсии всегда содержат химические эмульгаторы.
     Буквенные коды, также приведенные в табл. 1, используются в качестве аббревиатуры для самих смазочных материалов, маркировки бочек со смазочным материалом, смазочного оборудования и точек смазки. В этом случае первая буква S означает металлообрабатывающие жидкости, а буква Е — смазочные масла, применяемые в смеси с водой. Буква М в третьем положении означает водосмешиваемую СОЖ, содержащую минеральное масло, а буква S — продукты на синтетической основе. Перечисленное выше кодирование подробно описано в DIN 51 502, несмотря на то, что буквы N и W все еще не включены в это стандарт.
     Кроме этой немецкой терминологии, в международной литературе широко применяют ISO 6743, подробно рассматриваемый в разделе 7 группы жидкостей для металлообработки (табл. 2).


  Таблица 2. Классификация смазочных материалов для металлообработки
  (семейство М) по ISO 6743/7

  L-MHA    Жидкости, которые могут обладать антикоррозионными свойствами
  L-MHB    Жидкости типа МНА со свойствами, снижающими трение
  L-MHC    Жидкости типа МНА (ЕР), химически неактивные
  L-MHD    Жидкости типа МНА (ЕР), химически активные
  L-MHE    Жидкости типа МНВ (ЕР), химически неактивные
  L-MHF    Жидкости типа МНВ (ЕР), химически активные
  L-MHG    Пластичные смазки, пасты, воски, применяемые в чистом виде или разбавляемые жидкостью типа МНА
  L-MHH    Мыла, порошки, твердые смазочные материалы и т. д. и их смеси
  L-MAA    Концентрации, в смеси с водой образующие молочно-белые эмульсии с антикоррозионными свойствами
  L-MAB    Концентраты типа МАA со свойствами, снижающими трение
  L-MAC    Концентраты типа МАA с противоизносными свойствами L-MAI (ЕР)
  L-MAD    Концентраты типа МАA с противозадирными свойствами (ЕР)
  L-MAE    Концентраты, образующие в смеси с водой прозрачные эмульсии (микроэмульсии с антикоррозионными свойствами)
  L-MAF    Концентраты типа МАЕ со свойствами, снижающими трение и/или с противозадирными свойствами (ЕР)
  L-MAH    Концентраты типа МАЕ со свойствами, снижающими трение и/или с противозадирными свойствами (ЕР)
  L-MAI     Пластичные смазки и пасты, применяемые в смеси с водой
В этом очень подробном перечне буква L означает смазочные материалы, М — металлообработку, но каждая из последующих букв не имеет особого специфического значения.

2. Состав

Поскольку во всем мире доля СОЖ, не содержащих в своем составе минеральных масел (так называемых полностью синтетических СОЖ), составляет только от 5 до 15%, эмульсии несомненно являются наиболее важными продуктами. Основные ингредиенты могут быть сведены в следующие группы (табл. 3)


  Таблица 3. Основные ингредиенты СОЖ
  Минеральные углеводородные масла
  Синтетические углеводороды, синтетические сложные эфиры, натуральные жирные масла
  Эмульгаторы
  Ингибиторы коррозии
  Стабилизаторы, соединительные агенты
  Противозадирные присадки (противозадирные вещества)
  Противоизносные присадки
  Присадки, улучшающие смазочную пленку
  Антипенные агенты
  Микробиоциды
  Комплексообразующие агенты

Даже если минеральные масла являются основными компонентами СОЖ, то они частично или даже полностью могут быть заменены на такие синтетические углеводороды, как полиальфаолефины или алкилбензолы, жирные масла или даже синтетические сложные эфиры. Во многих случаях применение синтетических углеводородов ограничивается специальными областями, но синтетические сложные эфиры или натуральные жирные масла применяются регулярно. В принципе, масла, пригодные к применению в СОЖ могут быть получены как из парафиновых, так и из нафтеновых масел, однако нафтеновые масла обладают лучшей растворяющей способностью по отношению к присадкам и более благоприятными эмульгирующими свойствами. Однако применение нафтеновых масел снижается из-за того, что содержание ароматики в них выше, чем в парафиновых маслах. Это имеет критически важное значение, особенно по соображениям охраны здоровья и безопасности на рабочих местах.

2.1. Эмульгаторы

Эмульгаторы входят в большую группу химических веществ, известных как ПАВ. Все ПАВ образуют пену в водном растворе, что является нежелательным во всей области металлообработки, связанной с применением эмульгаторов. Водорастворимые ПАВ, к которым также относятся эмульгаторы, в литературе часто называют «детергентами». Кроме эмульгаторов, к группе детергентов относят другие важные классы химических веществ, в частности ПАВ, вещества для очистки, смачивающие и диспергирующие агенты. ПАВ обладают свойствами разделения на поверхности раздела. Наряду с достигнутым таким образом снижением их концентрации в жидкости по сравнению с концентрацией на поверхности раздела, эмульгаторы обладают и другими свойствами, которые несомненно отличают их от ПАВ (например, смачивающими). Снижение поверхностного натяжения придает эмульсиям термодинамическую стабильность. Это означает, что они утрачивают природную тенденцию эмульгируемой фазы к снижению площади раздела. Однако для хорошей или приемлемой стабильности эмульсии должны быть обеспечены и другие условия. Растворение молекул эмульгатора, обогащение поверхности раздела и, следовательно, процесс эмульгирования зависят от времени, и легко понять, что эффект кинетики эмульгатора имеет важное практическое значение для образования эмульсий. Помимо снижения поверхностного натяжения, эмульсии выполняют важную работу по обеспечению максимально возможной стабильности поверхности капелек масла (в случае эмульсии «масло в воде») с тем, чтобы столкновение капелек не приводило к их увеличению. Действие эмульгатора основано на следующем механизме: молекулы эмульгатора, содержащие биполярные вещества, выстраиваются на наклонной поверхности структуры, имеющей форму щетки. Если присутствуют капельки масла, то образуется маслорастворимая часть в масляной фазе (липофильная, гидрофобная) которая будет соответствовать водорастворимой (гидрофильной) части водной фазы. Это показано на рис. 1.

Ориентация молекул эмульгатора на поверхности раздела  масло-вода при применении эмульсии «масло в воде»
Гидрофильная часть эмульгатора, ориентированная в сторону водной фазы, приводит к образованию гидратного слоя. Теперь можно упрощенно представить себе увеличение вязкости воды и, следовательно, образование более прочной защитной оболочки вокруг капельки масла. Кроме того, заряд одинаковой полярности на внешней стороне приводит к электрическому отталкиванию при сближении двух капелек. В процессе эмульгирования большое значение имеет образование гидратного слоя. Эмульгаторы применяются для получения металлообрабатывающих эмульсий типа «масло в воде», имеющие ярко выраженный гидрофильный эффект. Энергия, выделяемая при образовании гидратного слоя, используется для увеличения поверхности. Для обеспечения стабильности концентратов при низких температурах должна учитываться растворимость всех компонентов. Однако растворимость масла в некоторых эмульсиях может быть несомненно улучшена с помощью так называемых совмещающих агентов {coupling agentss), в качестве которых применяют спирты и гликоли. Масла тоже применяются в качестве эмульгаторов, они легко растворяются и распределяются с помощью спиртов типа Eneberta. ПАВ склонны к образованию мицелл (молекулярных узлов). В этом случае молекулярные гидрофильные части водного раствора направлены наружу, а липофильные или гидрофобные части — внутрь. Равновесие между молекулами эмульгатора, ориентированными в сторону поверхности раздела, возможно, ионизированными в водной фазе и объединяемыми в мицеллы, представляет собой очень сложную коллоидную структуру. Это приводит к возникновению проблемы, особенно актуальной в случае металлообрабатывающих эмульсий, что имеет особое значение при оценке способности эмульсии эмульгировать работавшие масла.
     Как и все водорастворимые ПАВ, эмульгаторы делятся на ионные и неионные продукты. Ионогенные продукты расщепляются (диссоциируют) в воде с образованием компонентов с положительным зарядом и анионов с отрицательным зарядом. Если анион обладает поверхностно-активными свойствами, то эмульгатор является анионным. Если катион имеет биполярный характер, то речь идет о катионных продуктах. Наряду с этими двумя четко различаемыми группами, существуют также амфотерные вещества, которые в зависимости от своего окружения (особенно величины рН) могут действовать как катионные или анионные эмульгаторы. Однако их значение в качестве эмульгаторов в СОЖ настолько мало, что они не заслуживают подробного рассмотрения в этой главе.
     Неионогенные эмульгаторы не диссоциируют в воде, и их молекулы имеют четко выраженные поверхностно-активные свойства. Их растворимость в воде обычно обусловлена кислородсодержащими группами в молекуле с более высоким сродством к воде (водород, связывающий молекулы воды с атомами гидрофильной молекулярной группы). Ориентация молекул воды придает растворимость в воде, а расщепление при высоких температурах снижает растворимость, что проявляется помутнением раствора.
Важнейшие группы эмульгаторов для металлообработки более чем подробно описаны ниже. В табл. 4 и 5 приведены химические структуры ионных и неионогенных эмульгаторов.

 Таблица 4. Химическая структура ионных эмульгаторов
 Анионные эмульгаторы
 Натриевые мыла
 Аминные мыла (триэтаноламинные мыла)
 Нафтеновые кислоты
 
 Сульфонаты:
 пример «синтетических сульфонатов» —
 дедоцилбензосульфонат
 
 Сульфаты:
  особое значение: сульфированное
  касторовое масло (турецкое красное масло)
Аминные соли сложных эфиров фосфорной
кислоты
 
 Катионные эмульгаторы
 Четвертичные соли амония:
  соли жирных аминов
  соли имидазолина
 


Анионные эмульгаторы

Эти классические эмульгаторы являются лидерами по объему потребления в качестве обычных водорастворимых СОЖ и многих эмульсий другого назначения.
     Омыляющие вещества, к которым относятся соли натрия и калия, длинноцепочечные карбоновые кислоты, например стеариновые или олеиновые кислоты, применяются с давних пор. Важнейшими из щелочных омыляющих веществ для эмульсий типа «масло в воде» являются натриевые мыла. Ограничение областей их применения определяется главным образом тем, что они проявляют высокую эмульгирующую способность только при сравнительно высоких значениях рН (-10). Однако столь высокие значения рН нежелательны для многих процессов механической обработки из-за ряда проблем, связанных с раздражением кожи.
     Зависимость от величины рН может быть снижена за счет использования мыл на основе аминов. Они отличаются высокой эффективностью при меньшей чувствительности к свойствам среды и обеспечивают хорошую стабильность получаемых на их основе эмульсий при значениях рН около 8. Наиболее важными являются омыляющие вещества на основе моно-, ди- и триэтаноламинов (однако использование производных диэтаноламина и морфолина снижается из-за образования опасных нитрозаминов {TRGS 611).

 Таблипа 5. Химические структуры важнейших неионогенных эмульгаторов (этоксилатов)
 Полиэтиленоксидная цепь
 
 
 Общая формула этоксилированных продуктов:
 n — число молей этиленоксида

Эгоксилированные фенолы (особое значение -нонилфенолэтоксилаты)
 
 Эгоксилированные спирты
Эгоксилированные жирные кислоты
Эгоксилированные жирные амины
Эгоксилированные амиды жирных кислот

Полиолы (пример — экоксилированный сложный эфир сорбитовой кислоты)
 

Для их получения используют морфолин, дигликоль-амин, три-изопропаноламин и метиламинопропанол и другие химические вещества.
     Общими недостатками аминных и натриевых мыл являются образование нерастворимых (в воде) солей с ионами магния и кальция, содержащимися в воде, или с ионами тяжелых металлов в процессе механической обработки (например, в случае эмульсий с содержанием меди при протяжке медной проволоки). В результате это может привести к нестабильности эмульсии. С другой стороны, выпавшие в осадок нерастворимые мыла могут вызывать значительные проблемы во время механической обработки и в циркуляционных системах.
     Натриевые и аминные соли нафтеновых кислот также используются в качестве омыляющих веществ. Нафтеновые кислоты, получаемые из кислых дистиллятов нафтеновых минеральных масел нейтрализацией и экстракцией в рафинаты минерального масла, намного превышают по объему потребления другие источники сырья, применяемые для получения мылящих средств. В отличие от других мылящих средств, они сравнительно нечувствительны к веществам, определяющим жесткость воды, поскольку магниевые и кальциевые соли легче растворяются в воде, чем аналогичные компоненты мылящих средств на основе карбоновых кислот. Часто одним из недостатков щелочных мыл на основе нафтеновых кислот является их склонность к пенообразованию.
     Сульфонаты очень широко применяются в водосмешиваемых СОЖ. Наиболее распространенными из них являются так называемые природные, или нефтяные,сульфонаты. Раньше их получали в основном как вторичные продукты в процессе сернокислотной очистки дистиллятных масел, применяемой в производстве белых масел. Обшая тенденция к переходу на производство белых масел и даже рафинатов смазочных масел методом гидрирования привела к снижению доступности нефтяных сульфонатов. Благоприятные свойства этих продуктов, особенно их хорошие антикоррозионные свойства, привели к дальнейшему совершенствованию способа их производства. Вследствие этого нефтяные сульфонаты в настоящее время получают с использованием специального процесса сульфирования. С химической точки зрения этот класс материалов представляет собой натриевые соли сульфокислот ароматических/алифатических углеводородов минеральных масел, поэтому их называют также алкиларилсульфонатами. Молекулярная масса продуктов, представляющих интерес для металлообработки, находится в пределах 350—500. По мере увеличения молекулярной массы эмульгирующие свойства снижаются, а антикоррозионные свойства становятся более благоприятными.
     Все большее значение приобретают так называемые синтетические сульфонаты. Даже в чисто алифатических продуктах, применяемых в отдельных случаях, наибольшее значение имеют ароматические продукты на основе додецилбензолсуль-фонатов(натриевая соль). Соли, вызывающие жесткость воды, влияют на эффективность сульфонатов так же, как всех остальных анионных эмульгаторов, но в меньшей степени, чем на обычные омыляющие вещества. При значениях рН выше 8,5 эмульсии на основе сульфонатов проявляют хорошую стабильность. Сульфированием натуральных жиров получают сульфированные жирные масла — еще одну группу анионных эмульгаторов, часто применяемых в металлообрабатывающих эмульсиях. Они, в частности, пригодны для эмульгирования жирных масел. Особенно важны сульфированное касторовое масло, сульфированный рыбий жир и масло colza. В отличие от сульфонатов, сера в молекуле сульфата связана с атомом С не непосредственно, а через кислородный мостик. Склонность к кислотному гидролизу приводит к необходимости тщательного контроля рН при использовании эмульсий на основе сульфированных масел и применения специальных буферных систем. Аминные соли сложных эфиров фосфорной кислоты обладают хорошими антикоррозионными и противозадирными свойствами наряду с их основным назначением в качестве анионных эмульгаторов, что делает их перспективными для ряда областей применения. Однако многие из аминных фосфатов страдают нежелательной способностью к пенообразованию. Бесконечное множество других специальных соединений, применяемых в качестве ингибиторов коррозии в СОЖ, обладают таким же эффектом при применении в качестве эмульгаторов. В этом контексте, пожалуй, стоит, например, упомянуть о солях амидокарбоновых кислот (саркозин).
Катионные эмульгаторы
До недавнего времени катионные эмульгаторы не находили особо широкого применения в водосмешиваемых СОЖ и использовались лишь в некоторых особых случаях. Часто причиной ограниченного применения является несовместимость с анионными продуктами: катионные продукты сильно адсорбируются на металлических поверхностях, что приводит к такому нежелательному явлению, как гидрофобизация. Эффективность некоторых катионных эмульгаторов в нейтральных и кислых средах сделала их предпочтительными для ряда специальных целей при обработке алюминия. Благоприятными свойствами являются также хорошая стойкость к микробактериальной активности (бактериостатический эффект) и стабильность в жестких водах. Важнейшие примеры в этой группе веществ — четвертичные соли аммония.
Неионогенные эмульгаторы
Значение этой группы эмульгаторов в последние годы резко возросло. Особые преимущества этих эмульгаторов заключаются в их стойкости в присутствии веществ, увеличивающих жесткость воды, и электролитическая стойкость в целом. Их стабильность в широком диапазоне величин рН также выше, чем у ионных продуктов, хотя их низкую способность к защите от коррозии часто относят к недостаткам. В целом к данной группе веществ относятся лишь этоксилированные продукты, имеющие некоторое значение для металлообработки. По специальному заказу могут быть изготовлены эмульгаторы с определенными эмульгирующими свойствами на основе гидрофобных молекул путем присоединения гидрофильной полиэтиленоксидной цепи (полигликолевого эфира) с заданной длиной цепи.
     Степень этоксилирования определяется числом присоединенных этиленоксидных молекул. Предпочтительными для производства неионогенных эмульгаторов являются следующие вещества: алкилфенолы (нонилфенол, считавшийся важнейшее веществом для данного применения, в настоящее время не используется в связи с запретами законодательства по сточным водам в Европе), спирты, жирные кислоты, амиды жирных кислот и сложные эфиры полиолов (наибольшее значение имеют сложные эфиры сорбиновой кислоты). В Европейском союзе запрещено применение нонилфенолэтоксилатов директивой 2003/53 ЕС . В табл. 7 показана химическая структура групп продуктов, рассмотренных в данном разделе. Из-за низкой защиты от коррозии большинство рассмотренных выше неионогенных эмульгаторов применяют в металлообрабатыващих эмульсиях в сочетании с антипенными продуктами. Исключение составляют некоторые этоксилированные амиды жирных кислот, которые обеспечивают значительную защиту от коррозии.
Гидрофильно-липофильный баланс (HLB)
В качестве характеристики эмульгирующих свойств различных эмульгаторов принята величина гидрофильно-липофильного баланса HLB. Более подробную информацию по этому вопросу можно найти в специальной литературе.

2.2. Вязкостные эмульсии

Хотя эмульсии типа «вода в масле», применяемые в металлообработке, как правило, имеют пастообразную консистенцию, эмульсии типа «масло в воде» для резания, золочения проволоки или прокатки выпускают также в виде тонкодисперсных жидких систем. Для определения вязкости эмульсий типа «масло в воде» используется ряд формул, большинство из которых выведено эмпирическим путем. Интересно отметить, что на вязкость эмульсии не оказывают влияния ни размер частиц (степень диспергирования), ни вязкость дисперсной фазы. Вязкость эмульсии η определяют по уравнению Гатчека
 

η =ηo/(1 - Ф1/2)

,
где ηo — вязкость непрерывной фазы (воды) и Ф — объем фракции дисперсной фазы. Уравнение показывает, что вязкость эмульсии определяется только этими двумя параметрами. Однако при работе с металлооборудованием микродисперсные системы (с малым размером частиц) часто обнаруживают более высокие вязкости, чем грубые системы (с большим размером частиц) при одинаковой концентрации эмульсии.
На рис 2 показана зависимость вязкости от объема (%) дисперсной фазы, определенной по уравнению Гатчека.

Зависимость вязкости типа «масло в воде» при 20 °С от объемной доли дисперсной фазы

2.3. Инверсия фаз, определение типа эмульсии

Инверсия фаз представляет собой превращение эмульсии типа «масло в воде» в эмульсию типа «вода в масле» или наоборот. При смешивании эмульсии для механической обработки иногда образуется кремообразное вещество, которое, как правило, диспергируется необратимо. В большинстве случаев это кремообразное вещество представляет собой эмульсию типа «вода в масле» и создает проблемы, когда обратимость (разложение) в эмульсию типа «масло в воде» задерживается или предотвращается после стабилизации кальциевыми мылами. Эмульсия типа «вода в масле» может также возникнуть в случае неправильного смешения эмульсий, когда, например, воду добавляют в концентрат, а процесс не реверсирует. В определенных пределах фазовая обратимость многих эмульсионных систем зависит от концентрации. Несмотря на возможность получения эмульсий типа «масло в воде» с 99%-ным объемом дисперсной фазы, переход эмульсий «масло в воде» в эмульсии «вода в масле» часто возможен только при концентрации масла в пределах 70—80% (рис. 3).

Зависимость фазовой обратимости дисперсных систем «масло в воде»  от концентрации масла

Очень часто целесообразно определять тип эмульсии при работе с системами, близкими к переходному диапазону от эмульсий «масло в воде» в эмульсии «вода в масле». Это важно, например, в случае применения волочильных пластичных смазок для обработки листового металла или в случае высококонцентрированных эмульсий, применяемых для волочения проволоки. Знание типа эмульсии позволяет принимать более эффективные меры для улучшения характеристик таких систем. Для определения типа эмульсии существует ряд методов.
     При использовании индикаторного метода для этих целей применяют водорастворимый краситель (например, метиленовый синий) и жиро- и маслорастворимый краситель (например, суданский краситель). Если водорастворимый краситель проникает в эмульсию, то вода является внешней непрерывной средой, но если растворимый в жирах краситель проникает в эмульсию, то речь идет об эмульсии типа «вода в масле», в которой масло выступает в качестве внешней фазы.
     В случае комплексного метода одну каплю испытуемой эмульсии помещают в воду или масло. Эмульсия «масло в воде» распространяется на поверхности воды, а эмульсия «вода в масле» растекается по поверхности масла.
     Метод титрования разработан для эмульсий с вязкой консистенцией, в этом случае наблюдается адсорбция воды (из эмульсии «масло в воде») или масла (из эмульсии «вода в масле»).
     Превращение эмульсии «вода в масле» в эмульсию «масло в воде» всегда сопровождается значительным изменением электрической проводимости. Это означает, что для определения типа эмульсии можно также использовать измерение электропроводности. Однако в этом случае необходимо знать электропроводимость конкретного типа эмульсии. К ошибочным результатам может привести также обогащение отработанных эмульсий электролитом. При применении метода фильтровальной бумаги испытуемую эмульсию выливают на фильтровальную бумагу. В эмульсиях «масло в воде» вокруг эмульсионного пятна через некоторое время образуется влажная кромка, в то время как в эмульсиях типа «вода в масле» этого не происходит, а образуется кромка масла или жира. Иногда бывает трудно установить различия между этими двумя типами эмульсий. Данный метод может быть усовершенствован, если фильтровальную бумагу пропитать раствором хлористого кобальта (ярко розового цвета) с последующей полной просушкой (ярко голубого цвета). Вода, отдаваемая эмульсиями типа «масло в воде», окрашивает голубую бумагу в розовый цвет, что обеспечивает четкую идентификацию.

2.4. Степень диспергирования

Размер частиц дисперсной фазы имеет решающее значение для различных областей применения эмульсий по нескольким причинам. С одной стороны, размер частиц является одним из специфических параметров стабильности эмульсий, а с другой — это еще и один из важнейших факторов, определяющих смазочный эффект эмульсии, и, следовательно, имеет существенное трибологическое значение. Степень распределения дисперсной фазы характеризует степень диспергирования. Высокая степень диспергирования достигается при очень малом размере частиц дисперсной фазы, а низкая степень диспергирования имеет место при диспергировании относительно грубых эмульсий. Классификация диапазонов размеров частиц приведена в табл. 6.

 Таблица 6. Терминология классификации коллоидных частиц

 Тип коллоида  Размер, мкм
 Молекулярная дисперсия  < 0,001
 Тонкие коллоидные частицы  0,001—0,01
 Средние коллоидные частицы  0,01—0,1
 Грубые коллоидные частицы  0,1 — 1
 Коллоидные частицы  0,001 — 1
 Микроскопические частицы  1 — 1000



Все микроскопические и коллоидные диапазоны, упомянутые выше, применимы для металлообработки, если в них также включить мыльные растворы или другие системы, не содержащие неэмульгированных масел. Это показано на примерах, приведенных в табл. 7.

 

 Таблица 7. Диапазоны размеров частиц для металлообрабатывающих жидкостей

 Нестабильные эмульсии для проката тонколистовой стали, прямое  применение  > 50 мкм
 Полустабильные эмульсии для проката тонколистовой стали  10—50 мкм
 Типичные эмульсии для грубой обработки резанием  0,1 — 10 мкм
 Типичные эмульсии для шлифования (низкое содержание минерального масла)  0,1-0,01 мкм
 Мыльные растворы различного назначения  0,01—0,001 мкм



В случае технических эмульсий мы имеем дело не с монодисперсными системами, в которых все частицы одинакового размера. Напротив, перед нами полудисперсные системы с очень широким распределением частиц по размерам. Это можно лучше всего продемонстрировать, представив частотность как процентное содержание, деленное на диаметр частиц. Некоторые металлообрабатывающие эмульсии обнаруживают пики частиц одного размера, тогда как другие состоят из частиц нескольких диаметров, что выражается несколькими максимумами на кривых (рис. 4). 

Распределение частиц по размерам в эмульсиях

 

Распределение капель по размерам можно определить микроскопическим и фотографическим методами. Эти способы обычно основаны на методах рассеяния света (лазерная дифракция) и электрических методах (счетчик Кодтера). При работе с металлообрабатывающими эмульсиями распределение по размерам капелек в известных системах можно рассчитать по измерению стабильности. Современные методы измерений не очень пригодны для эмульсий, применяемых в процессах обработки резанием с высоким процентом частиц размером менее 1 мкм, поскольку они созданы для эмульсий, применяемых в прокате алюминия, и для другого проката плит и листового материала.

2.5. Стабильность

Стабильность эмульсии тесно связана с размером и распределением капель и является основным параметром для практического применения. В этой области физическая стабильность эмульсий должна быть определена независимо от внешних влияний на систему. По Стоксу, обратная величина скорости подъема и опускания капли обратно пропорциональна разности плотности между внутренней и внешней фазой и квадратом радиуса частицы и пропорциональна вязкости внешней фазы:
 

1/v=Kη/[r2g(d1- d2)]


где v — скорость подъема и опускания; К — константа; η — радиус капельки; g — гравитационная константа; r — радиус частицы; d1 — плотность тяжелой фазы; d2 — плотность легкой фазы.
     Скорость образования кремообразного слоя в нестабильных эмульсиях определяют по следующей формуле:
 

v = 2Kr2(d1- d2)/9η

     Предпринята попытка даже более точного определения стабильности эмульсий путем внесения поправок в уравнение Стокса. Тем не менее, это не имеет практического значения для металлообработки.
     Несмотря на то, что термин «стабильность» очень сложен по своей природе, из несложного уравнения Стокса можно сделать несколько выводов в отношении разработки и применения металлообрабатывающих эмульсий, в частности:
     1. Стабильность обратно пропорциональна разности между плотностями двух фаз:

1/v ~1/(d1- d2)

     Если масляная фаза используется для эмульсий «масло в воде» с плотностью близкой к плотности воды (например, путем введения таких тяжелых компонентов как хлорированные парафины), то существует тенденция к более высокой стабильности.
     2. Стабильность прямо пропорциональна вязкости внешней фазы:
 

l/v ~ η

     Применение высоковязких масел или эмульсий обычно приводит к получению более стабильных эмульсий.
      3. Стабильность прямо пропорциональна эффективной гравитационной константе:

l/v ~ l/g.

     Центробежные процессы для разделения грубых фракций, например прокатных эмульсий или эмульсий для обработки резанием, эффективны в результате центробежной силы, которая намного выше, чем гравитационная константа. Эти процессы успешно применяются для выделения работавших масел из центральных смазочных систем.
     Стабильность обратно пропорциональна квадрату радиуса частицы:

1/v ~ 1/r2

Размер частиц вносит наибольший вклад в стабильность эмульсии, поэтому большинство мер по стабилизации металлообрабатывающих эмульсий направлено на повышение степени диспергирования путем введения концентратов эмульгаторов.

Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.

Адрес: г. Москва, дер. Старосырово, Симферопольское шоссе д.20 стр. 1 (Щербинская нефтебаза 11 км. от МКАД)
Телефон: (495)77-11-093, E-mail: info@expert-oil.com