Методы определения стабильности СОЖ

Стабильность является важнейшим свойством, определяющим срок службы СОЖ. Помимо общих характеристик стабильности, на практике при эксплуатации СОЖ учитывают также различные внешние воздействия, которым материал подвергается в процессе работы. Например, к факторам стабильности относятся электролитическая стабильность, термическая стабильность и стабильность выкипания, а также (во многих случаях) стойкость к микроорганизмам.

2.1. Определение физической стабильности эмульсий

Выделение масла и расслоение эмульсии часто оценивают визуально в химическом стакане статическим методом испытания через определенный период времени (например, 24 ч). Дальнейшее статистическое испытание проводят в разделительной воронке путем измерения изменений в концентрации. В этом случае изменение концентрации эмульсии в нижней части разделительной воронки по истечении заданного времени также определяют и сравнивают с исходной концентрацией эмульсии непосредственно после смешения. Стабильность, или индекс стабильности (в %), является частным от концентрации в нижней части разделительной воронки после соответствующей выдержки и исходной концентрации, умноженным на 100 (см. также DIN 51 367 «Испытание стабильности СОЖ, смешиваемых с жесткой водой»). В принципе, определение стабильности может быть также проведено методом центрифугирования таким же образом, как в статическом методе. После центрифугирования может быть отобран образец эмульсии известной концентрации из-под слоя выделенного масла с помощью пипетки для определения концентрации. В эмульсиях, масляная фаза которых тяжелее воды, иногда вместо выделения масла или расслоения происходит осаждение или седиментация. В результате могут быть получены значения >100% при определении индекса стабильности в разделительной воронке. Это может произойти с противозадирными эмульсиями с высоким содержанием присадок, в которых значительная часть масляной фазы представлена хлорированными парафинами.

2.2. Электролитическая стабильность

Ионы солевых компонентов воды, а также ионы внешних жидкостей, особенно из водных бань для обезжиривания, могут оказывать значительное влияние на стабильность эмульсий. Стойкость к ускоренному выделению масла или расслоению СОЖ по сравнению с уловленными электролитами, растворенными в этой СОЖ, называют электролитической стабильностью. В этом контексте качество воды, применяемой для получения водосмешиваемой СОЖ, имеет большое значение. Испа¬рение воды из СОЖ в процессе нормальной работы приводит к концентрированию и обогащению солей электролита, содержащихся в жидкости, что также необходимо учитывать. Обогащение солей зависит не только от специфических условий циркуляционной системы, но и от температуры СОЖ, площади поверхности циркуляционной системы, кратности циркуляции и, прежде всего, от коэффициента сопротивления. В случае СОЖ с высоким коэффициентом сопротивления увеличение содержания солей сдерживают путем непрерывной подпитки свежей эмульсии. Существует общее правило, в соответствии с которым низкие значения коэффициента сопротивления могут привести к опасным уровням концентрации солей. Поэтому для систем с очень низкими коэффициентами сопротивления рекомендуется применение частично или полностью обессоленой воды. Содержание солей в воде можно приблизительно оценивать по ее электропроводности или по остатку от испарения. Электропроводность выражают в микросименсах (мкСм) или миллисименсах (мСм). Проводимость, при которой эмульсия становится нестабильной, называют «предельной проводимостью», и в обычных эмульсиях она может быть очень низкой (2500 мкСм), что означает, что в эмульсиях масла или кремообразного вещества и при низком содержании масла проводимость может превышать 5000 мкСм.
     Остаток от испарения, который определяют испарением воды и гравиметрическим измерением остатка, содержит весь набор неорганических компонентов воды, в отличие от определения жесткости воды. Часто в случаях, когда остаток от испарения превышает 3000 мг/л, эмульсия становится нестабильной. Это означает, что для воды, применяемой для получения СОЖ, с остатком от испарения 750 мг/л эту величину можно получить после четырехкратного концентрирования (см. также VDI Директивы 3397). При постоянных рабочих условиях, с учетом происхождения соли, концентрацию солей можно также определить по содержанию хлоридов или сульфатов.
     Под жесткостью воды мы понимаем содержание ионов щелочноземельных металлов, особенно кальция и магния. В Германии в качестве единицы измерения жесткости воды используют °d, однако в последнее время применяется также ммоль. 1 °d соответствует 10 мг СаО/л или 0,179 ммоль/л. Вода с высокой степенью жесткости имеет, соответственно, высокий остаток от испарения и высокую проводимость, что также приводит к высокой электролитической напряженности СОЖ. Следует, однако, иметь в виду, что мягкая и особенно умягченная вода может иметь высокую проводимость и высокий остаток после испарения.
     Жесткость воды особенно важна для разработки мыл на основе щелочноземельных металлов (главным образом кальциевых мыл). Осаждение может происходить в реакции с анионными ПАВ, загрязняющими смазочно-охлаждающие системы и снижающими срок службы эмульсий вследствие снижения концентрации эмульгатора (см. также DIN 53 905 «Определение стойкости поверхностно-активных веществ к жесткой воде»).
     Часто нижний предел жесткости определяется вспениваемостью СОЖ. Однако практика показывает, что непрерывная тенденция к увеличению сроков службы эмульсий и применению частично или полностью обессоленной воды для подпитки объемов оказалась очень привлекательной. Для определения электролитической стабильности в эмульсию или воду для смешения добавляют соль (NaCl) и хлорид магния (MgCl₂). Могут возникнуть существенные расхождения в зависимости от того, вводится ли соль в эмульсию после ее приготовления или в воду перед смешением с эмульсией. Во многих лабораториях для определения электролитической стабильности вводят 3 г NaCl/л. Непосредственное определение стабильности производится методом, описанным для определения физической стабильности.

2.3. Термическая стабильность

В особых случаях эмульсии должны также сохранять стабильность в условиях зна¬чительных термических нагрузок. Термическую стабильность определяют по описанной выше методике, но при подогреве эмульсии. Испытания обычно проводят при 80 °С в течение 24 ч. Если, наряду с применением в качестве СОЖ, эмульсии используются также для зашиты от коррозии или в качестве закалочных сред при высоких температурах (60-90 °С), то они должны обладать стойкостью к кипению. Для испытания ста бильности во время кипения эмульсии доводят до кипения в сосуде с обратным холодильником в течение определенного времени, после чего визуально оценивают выделение масла и расслоение. Термическую стабильность можно также определить в процессе рециркуляции, схематически показанной на рис.1.

В случае применения аппарата с циркуляционным насосом тонкий слой СОЖ пропускают через трубку из нержавеющей стали, нагреваемую с помощью горелки. Таким способом достигается краткосрочная и воспроизводимая термическая нагрузка СОЖ путем пропускания над сильно разогретыми поверхностями. Термостатический контроль сосуда с жидкостью достигается с помощью устройства охлаждения и подогрева. Термическую стабильность можно оценивать по различным критериям. В качестве критерия оценки термической стабильности обычно используют объем воды, необходимый для восполнения потерь на испарение вплоть до момента разрушения эмульсии.

2.4. Стабильность к металлической стружке

Частый контакт СОЖ с поверхностями крупной стружки может привести к химической реакции вследствие образования мыл металлов, при этом поверхность стружки может ускорить каталитическое старение эмульсии и привести к потере эффективности СОЖ, особенно при высоком отношении поверхности стружки к объему жидкости. Это свойство можно испытать посредством циркуляции через систему тонко упакованной стружки в течение продолжительного времени (нескольких дней или нескольких недель). Такое испытательное устройство схематично изображено на рис. 2.

Образование мыла, потерю концентрации или другие изменения исследуют путем анализа азличных компонентов после циркуляционного периода.