表面活性剂在水基切削液中的应用
发布于 2024-08-07 12:11:09
表面活性剂在水基切削液中应用十分广泛，它是水基金属切削液的主要成分之一，其作用有多种，如乳化、防锈、润湿、润滑、防腐等。表面活性剂的用量和种类将直接影响水基切削液的性能。所谓乳化作用就是使两种互不相溶的液体借助于表面活性剂的作用，降低它们之间的界面张力，使一种液体以极微小的状态均匀稳定低分散在另一种液体中。乳化剂都属表面活性剂，其分子由亲水、亲油两个基团组成。它能使乳化液稳定的因素有两个：其一是降低了油一水界面张力，即降低了界面自由能，有利于乳状液的稳定存在；二是乳化剂分子在界面处定向吸附，生成具有一定机械强度的薄膜，阻止分散相液滴的合并聚积。选用乳化剂一般可根据分散相的类型及乳状液的类型确定需要的亲水亲油平衡值HLB。HLB值低的表面活性剂通常形成W/O型乳状液，而HLB值高的表面活性剂则形成O/W型乳状液。表1给出了对于各种不同应用目的所需的HLB值范围。不管是油包水型(W/O)乳状液，还是永包油型(0/W)乳状液，其乳化剂的HLB值要与乳化物的HLB值相近，这是乳化的必要条件。目前切削液用的乳化油几乎都是水包油型(0/W)。在配制这种乳化液时，要使油相成分全部乳化。各种油相所需乳化剂的HLB值范围如表2所示。在实际应用中，也不能单靠HLB值来断定乳化剂。因为HLB值不能包括被乳化物和乳化剂的化学结构以及两者之间的关系。所以还要考虑其他一些因素：①一般选用乳化剂要考虑其离子型，以便得到比较稳定的乳液，这是因为乳化液粒子带同种电荷相互排斥之故；②选用乳化剂的憎水基和被乳化物结构相似以及选用乳化剂在被乳化物中易于溶解的表面活性剂，换句话说，乳化剂的憎水基和被乳化物的结构越接近就越易被乳化，因为它们的结构越接近就越容易互溶，也就是亲和力越强，这样不但乳化力强，而且乳化剂用量也少；③当乳化油中还含有其他添加剂时，还应考虑其影响。在水溶性切削液中，表面活性剂最主要的用途就是作乳化剂。用作乳化剂的表面活性剂通常为阴离子型和非离子型表面活性剂，如聚乙二醇二油酸酯、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、吐温80、油酸三乙醇胺、石油磺酸盐、烷基苯磺酸盐、脂肪酸盐等。而且阴离子型和非离子型表面活性剂复配使用，效果更好。多种乳化剂复配，可以发挥它们的协同效应，从而提高乳化效率，有助于减少乳化剂的用量，而且具有不同HLB值的非离子表面活性剂复配时，其增溶能力大大超过其中任何一个。在金属切削过程中，工件表面常粘有金属粉末、砂粒、油等污垢。为除去这些污垢，使切削液具有一定的洗涤能力，可在切削液中加入适量碱性物质如纯碱、三乙醇胺，或其他表面活性剂如非离子表面活性剂如平平加、0P-7、OP-10等；阴离子表面活性剂如脂肪酸皂、烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠等。切削液的清洗作用是润滑、渗透、分散等综合作用的结果。若采用非离子性表面活性剂和阴离子表面活性剂复配能起到显著降低切削液表面张力的作用，从而满足切削液的清洗作用。在水溶性切削液中防锈剂必不可少。防锈性能对于加工部位的质量、产品合格率以及机床的保养等有着十分重要的意义。切削液中使用的防锈剂许多都是表面活性剂，如油溶性防锈剂有石油磺酸盐（钠、钙、钡盐等）、金属皂等；水溶性防锈剂有一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、油酸三乙醇胺、十二烷基二乙醇酰胺等。开发防锈性能良好、环境友好的水溶性防锈剂是近年来的发展趋势。水溶性防锈剂是合成液中的主要添加剂，最常用的水溶性防锈剂是亚硝酸钠，但因其与有机胺反应能生成有致癌作用的亚硝胺，已相继被各国禁用。为此开发了一系列能够替代亚硝酸钠的新型防锈剂，主要替代品有硼酸盐、羧酸盐、磷酸盐、磺酸盐等几大类。一般认为硼酸盐与羧酸盐的作用机理属吸附型，其分子中极性基韧吸附于金属表面而起到防锈效果，但也有人认为硼酸盐具有阳极钝化作用。研究发现硼酸盐及羧酸盐单独使用时，防锈效果均不理想。但硼酸盐和羧酸盐两者复配后，其防锈效果良好。硼酸盐和羧酸盐复合配比为2：1时防锈性能加强，该复配体系在用量相当的条件下，防锈性能与亚硝酸钠相当。环已六醇六磷酸酯，外观为褐色黏稠状液体，是一种从粮食作物中提取的无毒化工产品，因其分子结构中具有能同金属配合的24个氧原子、12个羟基和6个磷酸基，与金属接触时极易在金属表面形成一层致密的有机单分子保护膜，使金属的电极电位变得和铂、金一样，从而有效地阻止了金属的腐蚀。实验结果表明，环己六醇六磷酸酯对钢、铸铁、铜、铝均有优良的防锈能力。将环己六醇六磷酸酯与防霉剂、润滑剂、消泡剂、表面活性剂等配制成水基金属切削液具有优良的润滑、冷却、洗涤、防锈等综合功能。其配方为：0.4%润滑剂（合成），0.3%消泡剂，0.85%环己六醇六磷酸酯复合防锈剂，余量为水。切削液的pH值为8.5~9.5。在切削液的研制中，发现油酸二乙醇酰胺在油基切削液中对黑色金属有很好的防锈性能，但不适用于水基合成切削液，它对酸、盐等电解质很敏感，易水解，不宜在酸性环境和硬水条件下使用。为此，应对油酸酰胺改性，以制备既具有良好的防锈性，而且耐水解能力强的水溶性油酸酰胺基表面活性剂。我们知道欲提高疏水性油的亲水性，可向疏水性油的分子上引入亲水性基团，如-COOH、-CONH2、-S03H、-NH2、-SH等。另外，在油酸的长链烷基和羧基之间嵌入极性基团，不仅可以增加水溶性，而且能够改善电离性和提高耐硬水能力。若在同一分子中含有多个附着力强的极性基团，也会大大改善防锈能力。采用油酸与顺丁烯二酸歼加成，可在分子中引入两个羧基，提高了官能度。再与二乙醇胺进行酰胺化反应，可制得水溶性极好的油酸酰胺基非离子表面活性剂（简称0MA，结构如下）。由于OMA分子中同时含有多个羟基、酰胺基等极性基团和长碳链烃基，因此，0MA水溶性好，抗硬水、耐水解能力强，在pH值5~10水溶液中均能稳定存在，具有很好的稳泡性和较好的润湿、乳化能力。实验结果表明，在水溶液中0MA对钢和铸铁有优良的防锈作用，对铜也有一定的防腐蚀能力。但由于0MA的水溶液呈弱碱性，不适于做铝的腐蚀抑制剂。如果添加其他铝缓蚀剂，使之构成具有协同防腐蚀能力的体系，将获得满意的结果。OMA适用于水基金属切削液、水基难燃液压液等。通常认为乳化油含油较多，其润滑性要比不含油的透明切削液好。这是由于乳化油中的基础油是油性基团，依靠物理吸附作用黏附在摩擦表面，从而起润滑作用。但有关文献，表明，乳化油起润滑作用的并不是基础油，而是带极性基团的表面；活性剂。单独用这些表面活性剂溶于水所得溶液的摩擦系数和乳化；铀本身的摩擦系数相近，甚至更小。而乳化油中如不含极性基团的；表面活性剂，摩擦系数就变大。这是由于带极性基团的表面活性剂在金属表面能形成物理或化学吸附，吸附膜比较牢固，能起到效果良好的润滑作用。
合成切削液不含油，其润滑作用也主要取决于表面活性剂，只要选择合适的表面活性剌，合成切削液完全有可能达到或超过乳化切削液的润滑水平。HW-5型高水基切削液配方中，选择水溶性润滑剂（如聚乙烯醇、甘油等），并用阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂进行复配，取得了较好效果。5%的HW-5水溶液，其最大无卡咬负荷Pb值达到61kg，相同浓度下的乳化液Pb值低于40kg。研究发现烷基咪唑啉硼酸酯是一类性能优良的多功能金属加工液添加剂。它与油酸复合后，可明显提高耐负荷性能和极压性能，且随着油酸咪唑啉硼酸酯的比例增大，水溶液的耐负荷性能(Pb值)增大。当油酸咪唑啉硼酸酯和油酸的复配比例为2：1时，Pb值达到最大。油酸咪唑啉硼酸酯与二硫代氨基甲酸钠的配伍性也良好，当两者的比例为1：1时，协同效果最好。此外，含稀土元素的有机化合物、无机硅酸盐、有机硅化合物在水基切削液中有良好表现，如硅酸钠与亚磷酸二正丁酯有较好的配伍性，比例合适时能更好地发挥硅酸钠在水基液中的抗磨减摩性能。林峰等合成了一种水溶性稀土配合物Ce-DOP（二壬基酚聚氧乙烯醚磷酸铈），实验结果表明，Ce-DOP在水中的含量为2％（质量分数）左右时，可显著改善水的极压性能。切削液中常用的防腐剂有：邻苯基苯酚、四氯代酚、对氯间二甲基酚、六氢化三吖嗪、三溴水杨酰胺和二溴水杨酰胺的混合物等。这些防腐剂只能暂时抑制微生物的繁殖，没有持久性，在使用中需要频繁地向切削液中添加防腐剂。
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