水基金屬加工液用消泡劑的實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)效果評(píng)價(jià)

劉德明

(安徽鑾威化工科技開發(fā)有限公司馬鞍山市消泡劑工程技術(shù)研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

水基金屬加工液用消泡劑的實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)效果評(píng)價(jià)

劉德明

(安徽鑾威化工科技開發(fā)有限公司馬鞍山市消泡劑工程技術(shù)研究中心，安徽 馬鞍山 243000)

近年來水基金屬加工液迅速發(fā)展、用量增大，由此產(chǎn)生的泡沫問題尤其突出。文章就水基金屬加工液的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了該行業(yè)對(duì)消泡劑性能的特殊要求及其選擇方法；通過一系列的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)一種金屬加工液專用消泡劑XP-5025的消抑泡性能、相容性、穩(wěn)定性及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，XP-5025具有良好的消抑泡性能、相容性、穩(wěn)定性，適合在水基金屬加工液中使用。

金屬加工液；消泡劑；評(píng)價(jià)

1 概述

金屬的機(jī)械加工通常包括兩種類型：金屬的去除和金屬的變形。前者作業(yè)是靠刃具把金屬從被加工件上除掉，使用的潤(rùn)滑劑稱為切削液；后者則是用模具使金屬在應(yīng)力下塑性變形，如軋、 拉拔、沖壓、 擠壓等，使用的潤(rùn)滑劑稱為金屬加工成型液。金屬加工液則是上述兩類加工、作業(yè)用潤(rùn)滑劑的統(tǒng)稱。

金屬加工液按油品化學(xué)組成分為非水溶性(油基)液和水溶性(水基)液兩大類。ASTM D2881則把金屬加工用的液體劃為三類：(1)油和油基液體；(2)水基乳液及分散體；(3)化學(xué)溶液(真溶液及膠體溶液)。2類與3類之間的基本區(qū)別在于分散相的粒度和粒度分布。

近年來，水基切削液發(fā)展迅速。由于這類液體以水為基質(zhì)，其傳熱速度高(水的傳熱速度為油的2.5倍)。等量的水吸收一定熱量后，比油的溫升要慢得多，從而提高了冷卻效果，且可減少油霧，因此水基切削液的用量增大。但是水基切削液存在著潤(rùn)滑性差、銹蝕、膠體穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性、可濾性、泡沫性等問題。其中，泡沫性問題尤其突出。

產(chǎn)生泡沫的原因:水質(zhì)硬度偏小；機(jī)器系統(tǒng)；循環(huán)泵壓力過大；循環(huán)速度過快，使切削液在液槽中停留時(shí)間不充分；切削液液槽容積過小，導(dǎo)致切削液靜置時(shí)間不足；系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，尤其是回流管和液槽的布局不合理；防銹劑、乳化劑等表面活性的添加等等。

水基金屬加工液為滿足潤(rùn)滑、冷卻、除垢、化學(xué)鈍化等各種不同要求，要顧及乳化系統(tǒng)的穩(wěn)定，既要考慮諸成分的HLB值，又要達(dá)到各項(xiàng)性能的平衡，還要考慮諸成分的水溶性或在水中分散的性質(zhì)，其配方設(shè)計(jì)成分復(fù)雜。對(duì)水基金屬加工液各種起泡因素有針對(duì)性地消泡去沫，成為金屬材料加工液生產(chǎn)廠家的一個(gè)難點(diǎn)。

由于水質(zhì)所產(chǎn)生的泡沫，可以通過調(diào)整水的硬度或添加消泡劑解決。消泡劑可分為初始消泡劑、長(zhǎng)效消泡劑和快速消泡劑，可在配制水時(shí)用來提高水的初始硬度;在加工初期及過程中出現(xiàn)泡沫時(shí)投入，作用時(shí)效長(zhǎng)；采用快速消泡劑，作用時(shí)間迅速，現(xiàn)場(chǎng)效果明顯。若是由于機(jī)器系統(tǒng)所導(dǎo)致的泡沫問題，應(yīng)向用戶指明唯一的辦法是修改乳化液循環(huán)系統(tǒng)或者定期添加消泡劑。由于外界異雜物污染所致的泡沫問題，應(yīng)堵塞源流。有時(shí)沒有上述問題也會(huì)產(chǎn)生泡沫，可能是因?yàn)榇嬖谟谌榛簝?nèi)的鈣皂損失所致(鈣皂有防泡性)，如過濾后流失。此時(shí)可通過加入消泡劑進(jìn)行改善。

2 消泡劑的介紹

2.1消泡劑的基本特性

“不溶于或微溶于起泡介質(zhì)”和“表面張力比起泡介質(zhì)更低”。消泡劑在起泡介質(zhì)中是以細(xì)小微粒分散存在的。

2.2消泡劑的工作原理

消泡劑的工作原理有多種不同說法，較常規(guī)的解釋是由于消泡劑低的表面張力和良好的滲透性特性，吸附在泡膜表面時(shí)使局部表面張力降低，干擾被消泡物質(zhì)氣液界的表面張力，因泡膜表面張力不均勻而破泡，導(dǎo)致消泡效果。當(dāng)消泡劑加到泡沫介質(zhì)中時(shí)，消泡粒子分散到泡的表面時(shí)，有效地降低接觸點(diǎn)的表面張力，在泡外皮引起一個(gè)薄弱點(diǎn)，受力失衡，從而引起泡沫破裂，擠在一起的泡沫由于臨近處泡沫的破裂，引起不穩(wěn)定態(tài)，加快引起連續(xù)破泡的效果，至最后達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。

2.3消泡劑的評(píng)估

消泡劑的評(píng)估一般涉及到消泡性能(或初始瞬間消泡)、抑泡性能、稀釋穩(wěn)定性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、離心穩(wěn)定性、抗剪切性能、相容性等，但不同消泡劑的評(píng)價(jià)重點(diǎn)不同。

3 消泡劑的應(yīng)用實(shí)例

水基金屬加工液必須實(shí)現(xiàn)低泡、無泡，需要在加工液體系中添加消泡劑。但許多金屬加工液產(chǎn)品的高濃度、高酸堿值，使得一般的消泡劑不能適應(yīng)苛刻的化學(xué)環(huán)境，添加后，在體系中迅速被破壞，以致失去消泡活性。

3.1金屬加工液對(duì)消泡劑的要求

3.1.1 相容性好

加入消泡劑后，金屬加工液(或工作液)不能變渾濁(或清晰度達(dá)到一定要求)，尤其是在儲(chǔ)存一定時(shí)間后。

3.1.2 抑泡性好

一般金屬加工液對(duì)消泡(或初始瞬間消泡)要求不是很高，主要是側(cè)重于抑泡性能，也就是儲(chǔ)存一段時(shí)間以后，不能有泡沫反復(fù)出現(xiàn)，當(dāng)然，儲(chǔ)存一段時(shí)間后，消泡劑性能肯定會(huì)下降，出現(xiàn)少許的泡沫反復(fù)屬于正?，F(xiàn)象，前提是不能影響金屬加工液(或工作液)的使用。

3.1.3 對(duì)后續(xù)的加工物負(fù)面影響小

根據(jù)以上要求和金屬加工液的特性，安徽鑾威化工科技開發(fā)有限公司研發(fā)了一款金屬加工液專用消泡劑XP-5025(改性硅聚醚類)?，F(xiàn)將該消泡劑和現(xiàn)場(chǎng)2款金屬加工液用消泡劑做以下對(duì)比測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。

3.2消泡劑性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品：半合成切削液(A公司提供)；消泡劑XP-5025(有機(jī)硅，乳液型)；消泡劑X-32C(B公司提供，有機(jī)硅，乳液型)；TL-56-1(B公司提供，有機(jī)硅，乳液型)。

測(cè)試起泡介質(zhì)：半合成切削液的15%的工作液。

(1)消泡劑的消泡性能測(cè)試按照試驗(yàn)文獻(xiàn)[1]5.5的步驟進(jìn)行，用具塞量筒量取(50(±0.5))mL測(cè)試起泡介質(zhì)，恒溫至規(guī)定溫度，加入約0.2 g(精確到0.001 g)消泡劑，蓋上瓶塞，以2次/秒的頻率、(30～35)cm的擺幅上下?lián)u動(dòng)量筒10次、100次，靜置并用秒表開始計(jì)時(shí)，記錄泡沫消至液面出現(xiàn)所用時(shí)間，單位為s。所用時(shí)間越短，證明效果越好，消泡性能(消泡時(shí)間)結(jié)果見表1。

表1 不同消泡劑的消泡性能測(cè)試數(shù)據(jù) s

由表1數(shù)據(jù)可知，XP-5025的消泡性能略優(yōu)于TL-56-1,TL-56-1的消泡性能明顯優(yōu)于XP-32C。

(2)消泡劑的抑泡性能測(cè)試按照試驗(yàn)文獻(xiàn)[1]5.6的步驟進(jìn)行，開啟潤(rùn)滑油(消泡劑)泡沫特性測(cè)定儀(應(yīng)符合CB/T 12579的要求)的流量泵，開始測(cè)試，記錄氣鼓30 min的泡沫體積(mL)，以氣鼓30 min的泡沫體積來表示抑泡性能的結(jié)果。泡沫體積越小，證明效果越好，抑泡性能結(jié)果見表2( 測(cè)試起泡介質(zhì)為半合成切削液的15%的工作液)。

表2 不同消泡劑的抑泡性能測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可知，XP-5025的抑泡性能略優(yōu)于TL-56-1,TL-56-1的消泡性能明顯優(yōu)于XP-32C。

綜合表1和表2的數(shù)據(jù)可知，XP-5025的消、抑泡性能優(yōu)于TL-56-1，TL-56-1的消、抑泡性能優(yōu)于X-32C。

(3)采用循環(huán)鼓泡法[2]測(cè)試消泡劑的消、抑泡性能, 測(cè)試起泡介質(zhì)為半合成切削液的15%的工作液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

實(shí)驗(yàn)中，泡沫體積從300 mL到最低點(diǎn)所需的時(shí)間越短，說明消泡劑的消泡性能越好，反之消泡性能越差；泡沫體積重新達(dá)到300 mL時(shí)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，則說明消泡劑的抑泡性能越好，反之越差。

由表3的數(shù)據(jù)可知，重新達(dá)到300 mL時(shí)，XP-5025所用的時(shí)間最長(zhǎng)，效果最好，X-32C所用的時(shí)間最短，效果也最差。XP-5025的消、抑泡效果明顯優(yōu)于TL-56-1和X-32C。

表3 不同消泡劑的消、抑泡性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表3(續(xù))

3.3相容性及穩(wěn)定性

在半合成切削液(C公司提供)的15%的工作液中，加入0.15%的消泡劑，裝于具塞容器內(nèi)，然后將容器置于臺(tái)式振蕩器(型號(hào)：ZTY-70S)上連續(xù)高速震蕩剪切24 h，觀察液體的狀態(tài)。

因?yàn)橛袡C(jī)硅消泡劑是亞穩(wěn)定體系，所以它受到高溫或暴曬、暴凍、剪切、絮凝等時(shí)，其狀態(tài)就會(huì)變差甚至破乳。在24 h內(nèi)，工作液中無析出物或少許渾濁的，說明消泡劑的相容性和穩(wěn)定性比較好。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和表4數(shù)據(jù)可知：XP-5025相容性和穩(wěn)定優(yōu)于TL-56-1，TL-56-1的相容性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于X-32C。

表4 不同消泡劑的相容性及穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

表4(續(xù))

3.4現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)空位置(消泡劑添加點(diǎn))：C公司金屬切削液工作液循環(huán)槽(2 L)；

實(shí)驗(yàn)儀器或工具：秒表、鋼尺；

測(cè)試條件：在循環(huán)槽內(nèi)注入1.5 L金屬切削液的工作液(不含消泡劑)，靜止至泡沫為0 mL,再加入2.5 kg消泡劑XP-5025,此時(shí)啟動(dòng)循環(huán)槽開始工作，用秒表和鋼尺記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直至泡沫溢出。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，清洗循環(huán)槽，按照同樣的方法切換另外的消泡劑。實(shí)驗(yàn)時(shí)，泡沫溢出循環(huán)槽所用的時(shí)間越長(zhǎng)，說明消泡劑的消抑泡性能越好，反之，所用的時(shí)間越短，消泡劑的消抑泡性能越差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同消泡劑的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控

由以上現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表5來看，使用9 h后，使用消泡劑X-32C時(shí)循環(huán)池內(nèi)泡沫開始溢出，X-32C失去消泡作用；而使用XP-5025和TL-56-1消泡劑時(shí)泡沫的溢出時(shí)間均為16 h， XP-5025消泡劑的效果優(yōu)于TL-56-1,TL-56-1的效果優(yōu)于X-32C。

4 結(jié)束語

消泡劑作為工業(yè)生產(chǎn)中一種有效的消、抑泡手段，已日趨成熟。金屬加工液生產(chǎn)過程中的泡沫問題完全可以得到解決，關(guān)鍵在于消泡劑的選型要正確，一款匹配的消泡劑可以在不影響產(chǎn)品自身性能的前提下，達(dá)到優(yōu)良的消、抑泡效果。安徽鑾威化工科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的XP-5025的應(yīng)用之所以成功，是由于比較注重實(shí)驗(yàn)室相關(guān)測(cè)試和企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，從而取得了很好的應(yīng)用效果。

[1] GB/T 26527-2011有機(jī)硅消泡劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] 吳飛，曹治平.兩種新型消泡劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試[J].江蘇造紙，2007(2)：41.

Laboratory and Field Evaluation of Defoaming Agent for Water-based Metalworking Fluids

LIU De-ming

(Anhui Luanwei Chemical Technology Development Co.，Ma' anshan Defoaming Agent Engineering Technology Research Center, Ma' anshan 243000, China)

Water-based metalworking fluids have been developed rapidly in recent years，the consumption continues to increase. As a result, foam problem is particularly prominent. In this paper, based on the characteristics of water-based metalworking fluids, the special requirements for defoamer performance and selection methods of defoamer in this industry are described in detail. Through a series of experiments，the antifoaming performance，compatibility，stability and field application effect of the defoamer XP-5025 which is a special defoamer for water-based metalworking fluid are evaluated.The result shows the defoamer XP-5025 has good antifoaming performance，compatibility and stability in field application. It is a suitable defoamer for the application of water-based metalworking fluid.

metalworking fluid; defoamer; evaluation

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.010

1002-3119(2017)05-0045-04

TE624.82

A

2017-06-21。

劉德明,工程師，2005年畢業(yè)于周口師范學(xué)院化學(xué)系，現(xiàn)從事于消泡劑的應(yīng)用技術(shù)和研究工作，曾公開發(fā)表論文4篇。E-mail:ldmth88@163.com