微乳金屬加工液

微乳金屬加工液背景20世紀70年代的石油危機。

基本介紹

• 中文名：微乳金屬加工液
• 外文名：WHI
• 背景：20世紀70年代的石油危機
• 組成：基礎油，水和表面活性劑
• 油性劑：有動植物油脂、高級脂肪酸

簡介

20世紀70年代的石油危機把世界帶入了水基金屬加工液時代，油基金屬加工液的消費量逐年下降，而水基金屬加工液的需求呈現快速增長趨勢。微乳化液由於兼具乳化油的潤滑性和合成液的冷卻性與清洗性而備受用戶青睞。已開發國家早就開始了微乳化液的開發，而我國從20世紀80年代才開始研製，微乳化液是目前乃至將來金屬加工液的主流產品。

組成

微乳化液主要由基礎油，水和表面活性劑組成，按照加工場合要求再添加一些添加劑，如油性劑、防鏽緩蝕劑、殺菌劑、消泡劑和助表面活性劑等。在金屬加工實際過程中，根據加工條件將母液稀釋成不同質量分數的工作液，通常將母液稀釋成質量分數為5%的工作液。

1)微乳化液的油相和水相

通常將一些油溶性的添加劑溶解於基礎油中即得油相，基礎油的質量分數一般為10%一30%，不僅可以起潤滑作用，同時也是油溶性添加劑的載體。目前可以作為基礎油的有礦物油，改性植物油和合成油。選擇基礎油時，從基礎油與添加劑的配伍性和適應性考慮，石蠟基油(SN)與環烷基(DN)油的性能比中間基(ZN)油的性能優異，目前深度精製的石蠟基油正逐步代替未精製或淺度精製的環烷基油。高粘度基礎油調配的乳化油潤滑性和防鏽性較好，但其乳化性較差，表面活性劑用量會相對增加，同時乳液穩定性下降。基礎油粘度過低，形成的油膜太薄，不利於防鏽潤滑。因此微乳化液基礎油的粘度要適中，通常選粘度較低易乳化的礦物油。
將水溶性添加劑溶於水中即得水相，水質量分數一般為10%～70%。水的硬度對微乳化體系的穩定性有重要的影響，軟水的乳化安定性、潤滑效果和防鏽性較好，微乳化液壽命長，但易產生大量的泡沫；硬水不易起泡，但會使某些水溶性添加劑和表面活性劑失效，析出不溶水的金屬皂，微乳化液的安定性差。
微乳化液的形成是一個複雜的相變過程，各組份的加入有嚴格的要求。有研究表明，當水與基礎油(礦物油十油酸)的質量比大於4：1時，不能形成微乳化液。

2)表面活性劑

表面活性劑在微乳化液中的用量依據其親油親水平衡值(HLB)和乳化效率來確定，有些乳化劑的質量分數可達到40%，以保證分散相油滴足夠細化均勻，使整個體系高度穩定。表面活性劑是使油和水乳化的重要媒介，主要有離子型和非離子型表面活性劑及高分子生物表面活性劑等。
陽離子型表面活性劑在加工液中易滋生細菌，使加工液發臭，腐敗變質，故很少使用。陰離子型表面活性劑具有高效的清洗、潤濕和乳化作用，主要有磺酸鹽、聚氧乙烯醚磷酸鹽、烷基醇醯胺磷酸鹽、烷基咪唑啉類等。陰離子表面活性劑在低溫下比較難溶解，在酸性環境下易分解，所以一般在鹼性條件下使用。陰離子表面活性劑抗硬水能力差，易起泡，易與水中的鈣、鎂、鋅等金屬離子生成難溶的金屬皂，影響工作液的性能和穩定，但乳化效率高，價廉易得，有一定的清洗、防鏽和潤滑性能，故在水基加工液中常與非離子型表面活性劑復配使用。
非離子型表面活性劑大多在水中不電離，以分子或膠束狀態存在於溶液中，其親水基團一般由氧化乙烯基和羥基的含氧基團構成(調整分子中氧化乙烯基的數目可以改變非離子型表面活性劑的水溶性或油溶性)，不受強電解質無機鹽的影響，也不易受溶液酸鹼性的影響。目前水基加工液中常用的非離子表面活性劑有脂肪醇聚氧乙烯醚AEO(俗稱平平加)、十二烷基酚聚氧乙烯醚(NPEO)和辛基酚聚氧乙烯醚(OPEO)、脂肪酸聚氧乙烯酯、烷醇醯胺、失水山梨醇脂肪酸酯(俗稱司本)、聚氧乙烯山梨醇脂肪酸酯(俗稱吐溫)。在水基切削液中常將烷基酚聚氧乙烯醚與烷基苯磺酸鈉、平平加等復配使用。研究發現，烷基多苷(APG)具有良好的綜合性能，與聚氧乙烯型非離子表面活性劑不同的是它沒有濁點，與其他的表面活性劑復配效果好。目前研究出一種叫樹形高分子表面活性劑，具有較高的表面活性，在金屬加工液中套用取得了良好的效果.
配製水基加工液時通常將陰離子表面活性劑和非離子型表面活性劑搭配使用，使得HLB值相互匹配，乳化效率高，乳化劑用量少，微乳化液穩定，具有協同增效作用。含矽的表面活性劑有很高的表面活性和潤濕性，能顯著降低水的表面張力，特別是聚矽醚活性劑在不同的溫度範圍里既能消泡又能穩泡。含硼的表面活性劑沸點高，不揮發，高溫穩定性好，有抗菌作用，其在切削液領域的套用還有待進一步開發。

3)防鏽劑

微乳化液中常用的油溶性防鏽劑種類繁多，如石油磺酸鈉：環烷酸鋅、烷基磷酸咪唑啉鹽、氧化石油脂鋇皂、十二烯基丁二酸及羊毛脂鎂皂等。油溶性防鏽劑的機理與油性劑的機理類似，防鏽劑與油性劑在金屬表面發生競爭吸附，使微乳化液的極壓性能下降，故選擇防鏽劑要綜合考慮與其他添加劑的配伍性能，提高微乳化液整體加工性能，通常將不同類別的防鏽劑複合使用。
水溶性防鏽劑主要有三乙醇胺、六次甲基四胺、苯乙醇胺、苯甲酸鈉、矽酸鈉、鉻酸鹽、鉬酸鈉、亞硝酸鈉、長鏈二元酸等。水溶性防鏽劑多是電解質，用於微乳化液時會發生電解而影響微乳化液的穩定性。亞硝酸鈉具有優良的防鏽性能，但因會與有機胺反應生成有致癌作用的亞硝胺而被禁用，故出現了一系列可以替代亞硝酸鈉的新型防鏽劑，如硼酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽及改性亞硝酸鈉衍生物等。在用量相當的情況下，硼酸鹽與羧酸鹽復配後的防鏽性能與亞硝酸鈉相當。目前，環境友好型緩蝕劑受到了各國廣泛的關注，研發防鏽性能良好、低毒性和生物降解性的水溶性防鏽劑是近年來的主要方向。

4)油性劑

微乳化液中常用的油性劑有動植物油脂、高級脂肪酸，醇、酯、胺及金屬皂等。油性劑的性能取決於其本身的油性強弱，油性強，附著力大，油膜厚度增加，摩擦因數低。動植物油脂穩定性差，易被氧化，極易滋生細菌導致微乳化液腐敗發臭。但動植物油具有很高的生物降解性，非常符合現代環保理念，可通過對動植物油脂進行改性，提高其抗氧化性能。

5)極壓添加劑

國內常用的極壓添加劑有氯化石蠟、硫化脂肪、硫化棉子油、亞磷酸二丁酯、磷酸三乙酯等。氯化石蠟活性較強，極壓效果好，生成的氯化鐵化學反應膜熔點較低，但在有水時極易水解，生成具有強腐蝕性的氯離子，因此在微乳化液中時使用時必須加入腐蝕抑制劑。近年來研究發現，含氯系極壓添加劑的廢切削油(液)在燃燒處理時會生成具有強致癌性和致畸性的二惡烯類化合物，所以含氯極壓添加劑的使用受到嚴格限制，正逐漸退出使用。硫化異丁烯、長鏈烷基硫化烯烴等含有活性硫的極壓添加劑潤滑效果好，形成的硫化亞鐵化學反應膜熔點高，抑制積屑瘤和鱗刺的能力強。磷酸三丁酯、亞磷酸酯在金屬表面的吸附力較大，反應活性高，防燒結效果好。磷系極壓劑在引入氮、硫、硼等雜原子後減摩、抗磨性能優異，具有較高的承載能力。

6)殺菌劑

添加殺菌劑可以有效地增加微乳化液的使用壽命。常用的殺菌劑有鄰苯基苯酚、四氯代酚、對氯間二甲基苯酚、六氫化三吖嗪、三溴水楊醯胺等。酚類化合物和甲醛衍生物殺菌效果非常明顯，但有很多對人體，環境和水生物有毒害作用。在微乳化液中加入0.5%～0.2%的三丹油可以在3個月內不長細菌，胺基酸與環氧化物的加成物能長期抑制微乳化液腐敗。近年來，一些具有高效殺菌作用且對人員和環境危害小的新型殺菌劑成為研究的熱點，如羧酸製備的銅鹽具有1年以上的抗腐敗效果，檸檬酸單銅也有較好的抗菌效果，硼酸酯與表面活性劑復配也有較強的抗菌能力。

7)其他輔助添加劑

在微乳化液中經常使用到的輔助添加劑有消泡劑、助溶劑、偶聯劑、pH值調整劑、抗氧抗腐蝕劑、油霧抑制劑以及金屬離子掩蔽劑等。含表面活性劑多的微乳化液極易產生泡沫，故一般都要添加消泡劑，常用的消泡劑有矽油、油酸鉻和豆類植物油等。目前市場上出現的各種改性聚矽氧烷抗泡劑，效果很好。矽油難溶於水，通常將其溶於有機溶劑中，採用噴霧等方式讓其分散於微乳化液體系中。矽油不能多加，否則會使微乳化體系不穩定，易渾濁，用量一般在0．1%～0．3%。助溶劑和偶聯劑用來增加微乳化體系的穩定性，其性能取決於自身的親水親油值。
pH值調整劑用於調節微乳化液體系的pH值。微乳化液的pH值一般保持在8～10之間，過低則易滋生細菌，發生霉變；過高則腐蝕嚴重。常用pH值調整劑有三乙醇胺和碳酸鈉。抗氧抗腐蝕劑可以延長微乳化加工液的使用壽命，有效地降低使用成本。金屬離子掩蔽劑能絡合水中的鈣、鎂離子，有助於微乳化液體系的穩定。