环保型微乳化磨削液的研制及应用

2011-07-30王灿辉侯万果田前进王中原曹孝陈

轴承 2011年5期

王灿辉，侯万果，田前进，王中原，曹孝陈

(1.洛阳轴研科技股份有限公司化工材料开发部，河南洛阳 471039;2.常熟长城轴承有限公司，江苏常熟 215500)

金属磨削液是轴承零件磨削加工使用的重要附料，选用合适的磨削液可以起到良好的润滑、冷却、清洗和防锈作用，从而提高磨具的使用寿命，保证轴承零件加工精度和表面质量，提高加工效率，达到最佳经济效果[1-2]。然而普通乳化油类磨削液在使用时除可能危害操作人员的身体健康外，还会造成生态环境污染[3]。因此，在保证磨削液使用性能的基础上，研发对人体无害，处理后不污染环境的环保型微乳化磨削液就成为实现轴承绿色制造的一个重要内容。

1 微乳化液机理

微乳化液含油量一般为5%～30%，远小于乳化油的含油量，是介于乳化油和合成磨削液之间的中间产品[4]，实际上仍然属于乳化液，是水包油的乳化液(O/W)。从稀释液的外观和液滴直径上可以较为直观地区别出其与普通乳化液的差异(表1)。

表1 微乳化液和普通乳化液的稀释液区别

从表1可以看出，一般分散相液滴直径在0.1 μm以下的分散相体系即称微乳化液，外观呈半透明或透明状。

由于表面活性剂的增溶作用，使油/水的界面张力降至零左右，短期内甚至为负值。为了维持热力学的稳定，只有液滴分散得更小，总界面面积才能更大。因此，微乳化液能自发形成，且比普通乳化液更稳定，这也是微乳化液使用寿命较普通乳化液长的原因之一。

2 环保型配方的设计及选择

为满足磨削液的基本性能要求，同时使磨削液的制造工艺简单，性能稳定，原料来源丰富，需对配方组分进行合理选择。

2.1 基础油的选择

基础油主要起润滑作用，同时也是油溶性添加剂和表面活性剂的载体。虽然微乳化磨削液中基础油的含量远远低于乳化油中基础油的含量，但它直接影响产品的外观及乳化稳定分散等性能。在基础油的选择方面，可考虑选择矿物油，但必须了解各自的特点，例如：芳烃油易于产生腐蚀，刺激皮肤；环烷基油溶解性能优良，但价格较高，国内的资源也相对较少；石蜡基油黏温性能好，来源广泛，相对容易买到。考虑微乳化磨削液中需要加入大量的乳化剂和防锈剂等，一定程度上势必增加磨削液的黏度，因此综合考虑确定选用黏度较低的石蜡作为本例的基油。同时，为了保证运输和储存的安全，微乳化磨削液的闪点不宜太低，试验所用的石蜡基油技术指标见表2，其红外光谱如图1所示。

表2 石蜡基油技术指标

图1 石蜡基油的红外光谱

2.2 防锈剂的选择

常用的水溶性防锈剂有无机盐和有机盐两类。无机盐主要有亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐和钼酸盐等，其中亚硝酸盐、磷酸盐因其毒性而受到限制；硅酸盐容易凝胶；硼酸盐溶解度极小；钼酸盐价格昂贵，而且大量的无机盐还会形成盐析。因此，无机盐只能作为辅助添加剂。常用的有机防锈剂为羧酸盐或有机胺。一元羧酸防锈能力差；二元羧酸防锈性虽好，但通常为短链分子，润滑性差，且非饱和的羧酸盐在水中性能不稳定。有机胺类为黑色金属有效的缓蚀剂，但因有臭味而影响了其使用的广泛性[5-6]。作为水溶性的防锈剂，分子中不但要有起防锈作用的极性基团，而且要求分子具有一定的水溶性，疏水链越长的有机分子缓蚀效果越好，但随着烷基链的增长，其在水中的溶解度却减小。为了增加有机胺的水溶性，常用的方法是将有机胺与适当的有机酸反应生成有机酸的胺盐，其在水中的溶解度要大得多，并且具有很好的缓蚀性能。试验选用链长合适的有机羧酸与有机胺反应而得到的低毒、水溶性好、pH值缓冲性能佳和防锈优异的化合物作为防锈剂。

2.3 乳化剂的选择

由于微乳化磨削液中含有较多的乳化剂，使其渗透和清洗能力大大增强。乳化剂是由多种表面活性剂构成，而表面活性剂具有在界面上分离的特性，因此乳化剂在微乳化磨削液中除降低表面张力外，更重要是可保持油滴的表面尽可能地稳定。在O/W型微乳化磨削液中，即使碰撞也不会引起液滴的增大。使用表面活性剂时还要考虑毒性，其毒性用半致死量表示，阴离子表面活性剂约为1～3 g/kg，个别可达到4～6 g/kg；阳离子表面活性剂约为0.2～2.0 g/kg，其毒性要比阴离子大得多；而非离子表面活性剂则为10～50 g/kg，毒性最小。本试验选用由阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、醚类和高级磺酸盐等配合而成的复合表面活性剂作为乳化剂。

2.4 杀菌剂的选择

微乳化液本身具有微生物和菌类滋生繁衍的条件，容易腐败变质。杀菌剂的作用在于抑制细菌和毒菌的滋生，杀灭液体中已存在的细菌，延长磨削液的使用寿命。出于环保的要求，许多国家都在限制使用有毒的防腐杀菌剂。本试验选用主要成分为三嗪类化合物的杀菌剂，是一种性能卓越的水基、低毒性广谱杀菌剂，具有对金属无腐蚀性和对皮肤无刺激的优点。