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表面活性劑在水基切削液中的應(yīng)用

1、乳化作用

所謂乳化作用就是使兩種互不相溶的液體借助于表面活性劑的作用，降低它們之間的界面張力，使一種液體以極微小的狀態(tài)均勻穩(wěn)定低分散在另一種液體中。乳化劑都屬表面活性劑，其分子由親水、親油兩個(gè)基團(tuán)組成。

它能使乳化液穩(wěn)定的因素有兩個(gè)：其一是降低了油一水界面張力，即降低了界面自由能，有利于乳狀液的穩(wěn)定存在；二是乳化劑分子在界面處定向吸附，生成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的薄膜，阻止分散相液滴的合并聚積。

選用乳化劑一般可根據(jù)分散相的類型及乳狀液的類型確定需要的親水親油平衡值HLB。HLB值低的表面活性劑通常形成W/O型乳狀液，而HLB值高的表面活性劑則形成O/W型乳狀液。表1給出了對于各種不同應(yīng)用目的所需的HLB值范圍。不管是油包水型(W/O)乳狀液，還是永包油型(0/W)乳狀液，其乳化劑的HLB值要與乳化物的HLB值相近，這是乳化的必要條件。

 

表1表面活性劑HLB值范圍及應(yīng)用類型

HLB值范圍	應(yīng)用類型	HLB值范圍	應(yīng)用類型
3~6	W/O乳化劑	13~15	洗滌劑
7~9	潤濕劑	15~18	增溶劑
8~18	0/w乳化劑

目前切削液用的乳化油幾乎都是水包油型(0/W)。在配制這種乳化液時(shí)，要使油相成分全部乳化。各種油相所需乳化劑的HLB值范圍如表2所示。在實(shí)際應(yīng)用中，也不能單靠HLB值來斷定乳化劑。因?yàn)镠LB值不能包括被乳化物和乳化劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及兩者之間的關(guān)系。所以還要考慮其他一些因素：
①一般選用乳化劑要考慮其離子型，以便得到比較穩(wěn)定的乳液，這是因?yàn)槿榛毫Ｗ訋N電荷相互排斥之故；
②選用乳化劑的憎水基和被乳化物結(jié)構(gòu)相似以及選用乳化劑在被乳化物中易于溶解的表面活性劑，換句話說，乳化劑的憎水基和被乳化物的結(jié)構(gòu)越接近就越易被乳化，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)越接近就越容易互溶，也就是親和力越強(qiáng)，這樣不但乳化力強(qiáng)，而且乳化劑用量也少；
③當(dāng)乳化油中還含有其他添加劑時(shí)，還應(yīng)考慮其影響。

 

表2  乳化不同油相所需乳化劑具有的HLB值

 

在水溶性切削液中，表面活性劑最主要的用途就是作乳化劑。用作乳化劑的表面活性劑通常為陰離子型和非離子型表面活性劑，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、吐溫80、油酸三乙醇胺、石油磺酸鹽、烷基苯磺酸鹽、脂肪酸鹽等。而且陰離子型和非離子型表面活性劑復(fù)配使用，效果更好。多種乳化劑復(fù)配，可以發(fā)揮它們的協(xié)同效應(yīng)，從而提高乳化效率，有助于減少乳化劑的用量，而且具有不同HLB值的非離子表面活性劑復(fù)配時(shí)，其增溶能力大大超過其中任何一個(gè)。
 

2、清洗作用
 

在金屬切削過程中，工件表面常粘有金屬粉末、砂粒、油等污垢。為除去這些污垢，使切削液具有一定的洗滌能力，可在切削液中加入適量堿性物質(zhì)如純堿、三乙醇胺，或其他表面活性劑如非離子表面活性劑如平平加、0P-7、OP-10等；陰離子表面活性劑如脂肪酸皂、烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉等。切削液的清洗作用是潤滑、滲透、分散等綜合作用的結(jié)果。若采用非離子性表面活性劑和陰離子表面活性劑復(fù)配能起到顯著降低切削液表面張力的作用，從而滿足切削液的清洗作用。
 

3、防銹作用
 

在水溶性切削液中防銹劑必不可少。防銹性能對于加工部位的質(zhì)量、產(chǎn)品合格率以及機(jī)床的保養(yǎng)等有著十分重要的意義。切削液中使用的防銹劑許多都是表面活性劑，如油溶性防銹劑有石油磺酸鹽（鈉、鈣、鋇鹽等）、金屬皂等；水溶性防銹劑有一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、油酸三乙醇胺、十二烷基二乙醇酰胺等。開發(fā)防銹性能良好、環(huán)境友好的水溶性防銹劑是近年來的發(fā)展趨勢。
 

水溶性防銹劑是合成液中的主要添加劑，最常用的水溶性防銹劑是亞硝酸鈉，但因其與有機(jī)胺反應(yīng)能生成有致癌作用的亞硝胺，已相繼被各國禁用。為此開發(fā)了一系列能夠替代亞硝酸鈉的新型防銹劑，主要替代品有硼酸鹽、羧酸鹽、磷酸鹽、磺酸鹽等幾大類。一般認(rèn)為硼酸鹽與羧酸鹽的作用機(jī)理屬吸附型，其分子中極性基韌吸附于金屬表面而起到防銹效果，但也有人認(rèn)為硼酸鹽具有陽極鈍化作用。研究發(fā)現(xiàn)硼酸鹽及羧酸鹽單獨(dú)使用時(shí)，防銹效果均不理想。但硼酸鹽和羧酸鹽兩者復(fù)配后，其防銹效果良好。硼酸鹽和羧酸鹽復(fù)合配比為2：1時(shí)防銹性能加強(qiáng)，該復(fù)配體系在用量相當(dāng)?shù)臈l件下，防銹性能與亞硝酸鈉相當(dāng)。

 

環(huán)已六醇六磷酸酯，外觀為褐色黏稠狀液體，是一種從糧食作物中提取的無毒化工產(chǎn)品，因其分子結(jié)構(gòu)中具有能同金屬配合的24個(gè)氧原子、12個(gè)羥基和6個(gè)磷酸基，與金屬接觸時(shí)極易在金屬表面形成一層致密的有機(jī)單分子保護(hù)膜，使金屬的電極電位變得和鉑、金一樣，從而有效地阻止了金屬的腐蝕。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)己六醇六磷酸酯對鋼、鑄鐵、銅、鋁均有優(yōu)良的防銹能力。將環(huán)己六醇六磷酸酯與防霉劑、潤滑劑、消泡劑、表面活性劑等配制成水基金屬切削液具有優(yōu)良的潤滑、冷卻、洗滌、防銹等綜合功能。其配方為：0.4%潤滑劑（合成），0.3%消泡劑，0.85%環(huán)己六醇六磷酸酯復(fù)合防銹劑，余量為水。切削液的pH值為8.5~9.5。
 

在切削液的研制中，發(fā)現(xiàn)油酸二乙醇酰胺在油基切削液中對黑色金屬有很好的防銹性能，但不適用于水基合成切削液，它對酸、鹽等電解質(zhì)很敏感，易水解，不宜在酸性環(huán)境和硬水條件下使用。為此，應(yīng)對油酸酰胺改性，以制備既具有良好的防銹性，而且耐水解能力強(qiáng)的水溶性油酸酰胺基表面活性劑。我們知道欲提高疏水性油的親水性，可向疏水性油的分子上引入親水性基團(tuán)，如-COOH、-CONH2、-S03H、-NH2、-SH等。另外，在油酸的長鏈烷基和羧基之間嵌入極性基團(tuán)，不僅可以增加水溶性，而且能夠改善電離性和提高耐硬水能力。若在同一分子中含有多個(gè)附著力強(qiáng)的極性基團(tuán)，也會(huì)大大改善防銹能力。采用油酸與順丁烯二酸殲加成，可在分子中引入兩個(gè)羧基，提高了官能度。再與二乙醇胺進(jìn)行酰胺化反應(yīng)，可制得水溶性極好的油酸酰胺基非離子表面活性劑（簡稱0MA，結(jié)構(gòu)如下）。由于OMA分子中同時(shí)含有多個(gè)羥基、酰胺基等極性基團(tuán)和長碳鏈烴基，因此，0MA水溶性好，抗硬水、耐水解能力強(qiáng)，在pH值5~10水溶液中均能穩(wěn)定存在，具有很好的穩(wěn)泡性和較好的潤濕、乳化能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水溶液中0MA對鋼和鑄鐵有優(yōu)良的防銹作用，對銅也有一定的防腐蝕能力。但由于0MA的水溶液呈弱堿性，不適于做鋁的腐蝕抑制劑。如果添加其他鋁緩蝕劑，使之構(gòu)成具有協(xié)同防腐蝕能力的體系，將獲得滿意的結(jié)果。OMA適用于水基金屬切削液、水基難燃液壓液等。
 

4、極壓潤滑作用
 

通常認(rèn)為乳化油含油較多，其潤滑性要比不含油的透明切削液好。這是由于乳化油中的基礎(chǔ)油是油性基團(tuán)，依靠物理吸附作用黏附在摩擦表面，從而起潤滑作用。但有關(guān)文獻(xiàn)，表明，乳化油起潤滑作用的并不是基礎(chǔ)油，而是帶極性基團(tuán)的表面活性劑。單獨(dú)用這些表面活性劑溶于水所得溶液的摩擦系數(shù)和乳化；鈾本身的摩擦系數(shù)相近，甚至更小。而乳化油中如不含極性基團(tuán)的表面活性劑，摩擦系數(shù)就變大。這是由于帶極性基團(tuán)的表面活性劑在金屬表面能形成物理或化學(xué)吸附，吸附膜比較牢固，能起到效果良好的潤滑作用。
 

合成切削液不含油，其潤滑作用也主要取決于表面活性劑，只要選擇合適的表面活性剌，合成切削液完全有可能達(dá)到或超過乳化切削液的潤滑水平。HW-5型高水基切削液配方中，選擇水溶性潤滑劑（如聚乙烯醇、甘油等），并用陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，取得了較好效果。5%的HW-5水溶液，其最大無卡咬負(fù)荷Pb值達(dá)到61kg，相同濃度下的乳化液Pb值低于40kg。
 

研究發(fā)現(xiàn)烷基咪唑啉硼酸酯是一類性能優(yōu)良的多功能金屬加工液添加劑。它與油酸復(fù)合后，可明顯提高耐負(fù)荷性能和極壓性能，且隨著油酸咪唑啉硼酸酯的比例增大，水溶液的耐負(fù)荷性能(Pb值)增大。當(dāng)油酸咪唑啉硼酸酯和油酸的復(fù)配比例為2：1時(shí)，Pb值達(dá)到最大。油酸咪唑啉硼酸酯與二硫代氨基甲酸鈉的配伍性也良好，當(dāng)兩者的比例為1：1時(shí)，協(xié)同效果最好。
 

此外，含稀土元素的有機(jī)化合物、無機(jī)硅酸鹽、有機(jī)硅化合物在水基切削液中有良好表現(xiàn)，如硅酸鈉與亞磷酸二正丁酯有較好的配伍性，比例合適時(shí)能更好地發(fā)揮硅酸鈉在水基液中的抗磨減摩性能。林峰等合成了一種水溶性稀土配合物Ce-DOP（二壬基酚聚氧乙烯醚磷酸鈰），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ce-DOP在水中的含量為2％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右時(shí)，可顯著改善水的極壓性能。
 

5、防腐作用
 

切削液中常用的防腐劑有：鄰苯基苯酚、四氯代酚、對氯間二甲基酚、六氫化三吖嗪、三溴水楊酰胺和二溴水楊酰胺的混合物等。這些防腐劑只能暫時(shí)抑制微生物的繁殖，沒有持久性，在使用中需要頻繁地向切削液中添加防腐劑。