Пенообразование СОЖ
Во всех процессах металлообработки и при использовании СОЖ пена на технологических жидкостях является нежелательным явлением. Наибольшей способностью к образованию поверхностной пены при соответствующем перемешивании обладают СОЖ.
3.1. Определение понятия и происхождение пены
Пена — это дисперсия газа в жидкости. Липофильные (олеофильные) части молекул поверхностно-активных веществ сами ориентируются на воздушной части поверхности раздела воздух—вода, что может приводить к образованию тонких чешуек жидкости, когда два воздушных пузырька сталкиваются между собой в воде или на поверхности, что фактически является пенным веществом поверхностной пены. Чешуйки накапливаются на обеих сторонах липофильных молекул поверхностно-активного вещества с тем же молекулярным зарядом, например молекул эмульгатора или молекулы поверхностно-активных ингибиторов коррозии, которые молекулярно растворены в жидкости или образуют коллоид-мицеллы при превышении определенного уровня концентрации (критическая концентрация мицелл). При увеличении числа молекул ПАВ, связанных с поверхностью чешуек, мицеллы снова выделяют молекулы, готовые занять дополнительные поверхности раздела. В зависимости от объемной концентрации заключенного газа образуется сферическая или полиэдрическая пена. В случае гомодисперсного распределения пена сферической формы образуется при концентрации ниже 74 об.%. При превышении предельной плотности упаковки сферических пузырьков они деформируются с образованием чешуек и полиэдрических ноздреватых пузырьков, которые создают фактическую поверхностную пену. На рис. 3 показана схема образования сферической и полиэдрической пены с развитием чешуек пены.
Термодинамическое объяснение пенообразования предложено Гиббсом и Марангони. Существует ряд сложных, практически только эмпирически определяемых явлений, ответственных за фактическую стабилизацию пены. Образование вязких поверхностных пленок является одной из важнейших причин стабилизации пены.
3.2. Предотвращение пенообразования
Важнейшей мерой является выбор СОЖ с малой склонностью к пенообразованию. Такие маловспенивающиеся продукты особенно часто встречаются среди обычных эмульсий. Это объясняется тем, что молекулы ПАВ (в данном случае в основном молекулы эмульгаторов и анионных ингибиторов коррозии) связаны главным образом с поверхностью раздела масло—вода (т. е. с каплей масла) и не способны размещаться на чешуйках пены. Ингибирование пены специальными ингибиторами пенообразования в водосмешиваемых СОЖ традиционно применяется с давних пор. Разрушение пены введением ингибиторов в водосмешиваемый продукт во время его применения в системе практически является лишь экстренной мерой, оказывающей очень непродолжительный эффект.
Эффект самой значительной группы ингибиторов пенообразования в СОЖ — силиконов — обусловлен их очень низким поверхностным натяжением и отсутствием растворимости как в масле, так и в воде. Если силиконы достигают границы поверхности чешуек в виде мельчайших капелек, они могут быстро распространяться, вытесняя молекулы ПАВ, и начинать разрушать пену. Эффективность таких антипенных агентов усиливается в случае, если они тонко диспергированы.
Часто проблемы пенообразования возникают из-за плохой конструкции систем циркуляции СОЖ. Высокие скорости циркуляции (малый объем СОЖ), высота капелек на входах и переливы, неправильно установленные гидроциклоны для разделения твердых частиц и гидравлическая транспортировка стружки через сопла для СОЖ являются основными факторами, приводящими к сбоям в работе циркуляционных систем. Некоторые процессы металлообработки, особенно процессы шлифования, очень чувствительны к пене, вследствие чего при разработке таких систем необходима особая осторожность.
Пенообразование, не поддающееся устранению с помощью ингибиторов, особенно в случае применения мягкой воды, может быть уменьшено за счет повышения жесткости воды. Жесткость воды можно увеличить добавлением ацетата калия, в частности, введением 3 г (безводного продукта) в 100 л воды для увеличения жесткости на 1 °d.
3.3. Методы определения способности к пенообразованию
Способность к различным видам пенообразования оценивают с использованием разных методов.
Метод введения тонко диспергированного воздуха через пористые колени, который иногда применяют для масел, оказался малопригодным для водосмешиваемых СОЖ (ASTM D 892). Образование пены в процессе перемешивания также не было признано в качестве лабораторного метода ввиду отсутствия взаимосвязи с реальными процессами пенообразования (например, с эмульгирующим стержнем типа Ultraturrax или лабораторными мешалками по ASTM D 3519-76). Очень часто применяют простые и нестандартные процессы встряхивания. Определенное количество СОЖ встряхивают определенное число раз в градуированном цилиндре со шлифовальной пробкой или в сосуде другого типа.
Затем определяют высоту пены и ее разрушение по истечении определенного времени. Эти методы широко распространены, поскольку не требуют дорогостоящей аппаратуры и затрат времени. Однако индивидуальное обращение с ручными шейкерами дает лишь умеренные сходимость и воспроизводимость результатов. Британский стандарт IP 312 «Характеристики пенообразования водосмешиваемых жидкостей для металлообработки» и американский метод ASTM D 3601 «Стандартный метод испытания пенообразования в водных средах (бутылочный метод)» являются стандартными методами определения высоты пены и ее разрушения путем встряхивания.
Насосный циркуляционный метод имитирует условия реальных процессов. Определенное количество жидкости циркулирует с помощью насоса, например через душевую установку. Поток жидкости ударяется о поверхность жидкости, вызывая пенообразование. В ходе испытаний проводят измерения уровня пены по истечении заданного времени испытания и времени до момента перетока пены через край контейнера со СОЖ, а также оценивают время разрушения пены после отключения насоса. На рис 2 показана схема аппарата для такого циркуляционного метода испытания с применением насоса.
Метод ВАМ представляет собой усовершенствованный метод Giuglardi. Варьирование и измерение давления струй позволяет дифференцировать СОЖ в широком диапазоне. Возможность измерения и регистрации уровня пены с помощью электрических контактов позволяет легко и удобно определять способность к пенообразованию и стойкость пены (к разрушению) с удовлетворительной воспроизводимостью. Совсем недавно в Великобритании были проведены исследования, направленные на введение нового IP стандарта, в котором применяются различные формы сопел для определения уровня пены за определенный период времени.
Следует отметить, что во всех методах испытания значительную роль играют тип смеси СОЖ и особенно время между моментом смешения СОЖ и временем испытания на пенообразование. В частности, было установлено, что некоторые СОЖ проявляют нежелательную способность к пенообразованию через 24 ч после смешения по сравнению с СОЖ сразу после смешения. Напротив, ряд других продуктов обнаруживает очень слабую склонность к пенообразованию через 24 ч после смешения.