Влияние размера капель дисперсной фазы на трибологические свойства водных эмульсий олеиновой кислоты

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 532.64.541

Влияние размера капель дисперсной фазы на трибологические свойства водных эмульсий олеиновой кислоты

Н. Е. Есипова, Н. Н. Лознецова, А. И. Малкин, Г. Ф. Павелко, В. Д. Соболев, Ю. П. Топоров

Изучены трибологические свойства водных эмульсий олеиновой кислоты. Обнаружена зависимость про-тивоизносных свойств эмульсии от размера капель дисперсной фазы.

Ключевые слова: эмульсии, смазочно-охлаждающие жидкости, износ.

В современной технике при механической обработке различных материалов широко используются смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), предназначенные не только для охлаждения и уменьшения износа режущего инструмента, но и для облегчения процессов резания и деформирования обрабатываемых материалов.

К наиболее распространенным типам СОЖ относятся водные эмульсии нефтяных масел (эмульсолы), свойства которых изменяются в широких пределах благодаря добавкам ПАВ различного назначения (эмульгаторов, стаби-зизаторов и т. д.) [1].

Известно [2], что свойства эмульсий зависят от размеров капель дисперсной фазы. При этом влияние размера капель на разные свойства (в том числе и на смазочно-охлаж-дающие) эмульсионных СОЖ проявляется по-разном [3]. Например, в многочисленных теоретических и экспериментальных работах показано, что вязкость эмульсий (так же как и суспензий) с уменьшением размера частиц увеличивается. Причем на вязкость эмульсий влияет не только размер, но и характер распределения капель по размерам. С уменьшением размера капель увеличивается и стабильность эмульсий, поскольку кинетическая устойчивость обратно пропорциональна квадрату радиуса капель. Поэтому оптимальный размер частиц (капель) дисперсной фазы сма-зочно-охлаждающих эмульсий должен определяться конкретными требованиями, предъ-

являемыми к СОЖ [4]. В то же время зависимость технологических свойств эмульсионных СОЖ от гранулометрического состава дисперсной фазы изучена недостаточно, хотя в работе [5] было обнаружено влияние дисперсности эмульсионных СОЖ на эффективность магнитно-абразивной обработки металлов. В частности, совершенно не изучено влияние гранулометрического состава дисперсной фазы на свойства экологически безопасных СОЖ на основе водных эмульсий олеиновой кислоты, в последнее время широко применяемых в технике [6].

Работа посвящена выяснению влияния размеров капель дисперсной фазы на триболо-гические (противоизносные и противозадир-ные) свойства водных эмульсий олеиновой кислоты.

Методика экспериментов

В качестве исследуемого объекта была выбрана 2%-ная эмульсия олеиновой кислоты в 0,1-ммольном водном растворе катионоак-тивого ПАВ (цетилтриметиламмонийброми-да — ЦТАБ). Использовалась стандартная процедура приготовления эмульсий. Смесь раствора ПАВ и кислоты размешивалась на магнитной мешалке в течение 5-10 мин до образования однородной по внешнему виду системы (являющейся неустойчивой эмульсией). Полученную систему сразу же подвер-

№ 4(94)/2016

МЕТАЛЛОМ

,РАБОТКА

гали дальнейшей обработке для получения устойчивой эмульсии.

Известно [7], что структура эмульсий определяется способом диспергирования дисперсной фазы.

Для получения эмульсий с различным размером капель дисперсной (олеиновой) фазы были применены два разных метода гидромеханического диспергирования кислоты в водном растворе ПАВ.

В первом методе использовалась кавита-ционная обработка неустойчивой эмульсии с помощью УЗ-диспергатора МЭФ-392 (фирмы МЭЛФИЗ, Москва) в режиме максимальной мощности излучения при частоте 16 кГц и времени обработки (не допуская перегрева эмульсии выше 50 °С) около 10 мин. Готовая эмульсия (эмульсия № 1) представляла собой однородную гомогенную жидкость молочно-белого цвета.

Во втором методе использовался лабораторный дезинтегратор, в котором смесь воды

и кислоты (неустойчивая эмульсия) дважды пропускалась через зазор между двумя быстро вращающимися в разных направлениях параллельными дисками с выступающими в зазор кулачками (битами) и подвергалась многократным сильным ударным воздействиям.

В результате дезинтеграторной обработки получалась устойчивая полупрозрачная эмульсия (эмульсия № 2).

Для определения гранулометрического состава дисперсной фазы полученных эмульсий было измерено распределение частиц по размерам обеих суспензий методом ДСР (динамического светорассеяния) на приборе Malvern-Nano ZS (Zeta Sizer) при комнатной температуре. Результаты измерений в виде зависимостей интенсивности светорассеивания от размеров капель показаны на рис. 1 и 2.

Приведенные на рисунках значения диаметров капель представляют собой средние значения из 8-10 измерений. Отклонение от-

10

0,1

10

100

1000

10 000

d, нм

Рис. 1. Зависимость интенсивности светорассеяния от размера капель ё эмульсии № 1

8

6

4

2

0

1

0,1 1 10 100 1000 10 000

ё, нм

Рис. 2. Зависимость интенсивности светорассеяния от размера капель ё эмульсии № 2

№ 4 (94)/2016

дельных измерений от среднего не превышало 5 %.

Анализ приведенных кривых свидетельствует о том, что суспензия, полученная с помощью уз-диспергатора (суспензия № 1), характеризуется широким спектром размеров весьма крупных капель (от 100 до 10 000 нм). При этом на спектре распределения частиц по размерам наблюдаются три пика: при 162 нм (ширина пика 35,4 нм, 10 % общей интенсивности светорассеяния), 808,4 нм (ширина пика 477,3 нм, 74 % интенсивности светорассеяния) и 3664 нм (ширина пика 1042 нм, 14,8 % интенсивности светорассеяния). При этом средний диаметр капель эмульсии № 1 оказался 625 нм.

Суспензия № 2, полученная с помощью кулачкового дезинтегратора, характеризуется узким бимодальным спектром существенно более мелких капель (от 10 до 100 нм). При этом в спектре распределения частиц по размерам наблюдаются два пика при 36,8 нм (ширина пика 10,15 нм, 27,3 % общей интенсивности светорассеяния) и 133 нм (ширина пика 47,19 нм, 72,1 % интенсивности светорассеяния).

Среднее значение диаметра капель в суспензии № 2, рассчитанное прибором, составило 75,35 нм.

Технологические свойства полученных эмульсий оценивались в соответствии с Национальным стандартом Российской Федерации на методы испытаний СОЖ [8] по результатам определения трибологических (в том числе противозадирных) свойств [9].

Трибологические свойства полученных систем оценивались по стандартной методике на четырехшариковой машине трения 4МТ-1, узел трения которой представляет собой пирамиду из четырех контактирующих друг с другом стальных

и предельной нагрузочной способности (по нагрузке сваривания Рс); противозадирные (по индексу задира Из). Противоизносные свойства оценивались по диаметру пятна износа Би после непрерывного трения в течение 60 мин при постоянных нагрузках 200 Н (^20) и 500 Н (050).

Результаты экспериментов

Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2, из сопоставления данных которых четко проявляются существенные различия в три-бологических характеристиках исследуемых эмульсий.

Как видно из приведенных в таблицах данных, результаты исследования не только подтверждают известный факт зависимости технологических свойств СОЖ от технологии их получения, но и четко отражают влияние размера капель дисперсной фазы на триболо-гические свойства эмульсионных СОЖ. При этом анализ данных табл. 1 свидетельствует о том, что уменьшение размера капель эмульсии сопровождается существенным улучшением ее технологических свойств — увеличением несущей способности (критическая нагрузка увеличивается с 780 до 1100 Н, а нагрузка сваривания повышается с 1040 до 1170 Н). Наблюдается также улучшение противоза-дирных свойств (индекс задира увеличивается с 300 до 500 Н).

Таблица 1

Зависимость среднего диаметра пятна износа от нагрузки при испытаниях эмульсий на машине трения ЧМТ-1

Осевая нагрузка, Н Диаметр пятна износа мм

Эмульсия № 1 Эмульсия № 2

235 0,32 0,29

314 0,32 0,31

392 0,32 0,32

490 0,36 0,33

617 0,39 0,39

784 0,44, Рк 0,41

980 2,70 0,45

1039 Рс -

1098 - 0,46, Рк

1166 - Рс

№ 4(94)/2016

Таблица 2

Сопоставление трибологических характеристик водных эмульсий олеиновой кислоты

Эмульсия Размеры капель кислоты, нм Индекс задира Из, Н Рк, Н Рс, Н Ди, мм, при осевой нагрузке, Н dср, мм

196 490

№ 1 100-10 000 371 784 1039 0,63 0,70 0,44

№ 2 20-120 521 1120 1170 0,67 0,87 0,46

П р и м е ч а н и е. ^ср — средний диаметр пятна износа при критической нагрузке.

В то же время при реализации легких режимов трения (при малых контактных давлениях) с уменьшением размера капель наблюдается (см. табл. 2) некоторое ухудшение противоизносных свойств эмульсии (диаметры пятна износа и dи увеличиваются на 5-20 %).

Зависимость трибологических свойств эмульсии от размера частиц дисперсионной фазы естественно объясняется влиянием размера капель на реологические свойства и смачивающую способность водных эмульсий, поскольку именно эти свойства определяют скорость проникновения эмульсии в зону контакта [10, 11].

Исследования вязкости полученных эмульсий на вискозиметре Гепплера показали, что кинетическая вязкость эмульсии № 2 (2,1 спз) существенно выше вязкости эмульсии № 1 (1,4 спз). При этом исследования растекания эмульсий показали, что скорость растекания эмульсии № 1 по поверхности стали, стекла и некоторых других материалов оказалась существенно меньше, чем скорость растекания

Ь, мм

100

200

Т, с

Рис. 3. Кинетика растекания по поверхности стали эмульсий № 1

эмульсии № 2, что наглядно видно из рис. 3, на котором приведены кривые растекания исследуемых эмульсий по поверхности стали.

Проявлению смазочно-охлаждающего действия СОЖ всегда предшествует проникновение среды на контактирующие поверхности. Каким бы ни был механизм проникновения жидкой среды (капиллярным, диффузионным или за счет поверхностной миграции), главную роль в нем играют размеры атомов или молекул жидкости, а в случае эмульсии — размеры дисперсной фазы. Меньшие размеры капель эмульсии № 2 облегчают ее проникновение в зону контакта, а повышенная вязкость способствует удержанию СОЖ на трущихся поверхностях.

Современные представления о механизме действия СОЖ [12] базируются на работах П. А. Ребиндера, открывшего эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел. В зависимости от размера капель дисперсной фазы эмульсии эффект адсорбционного понижения прочности материалов (эффект Ребиндера) проявляется по-разному.

Установленная в работе зависимость три-бологических свойств прямых эмульсий от степени дисперсности дисперсной фазы и возможность существенного изменения свойств эмульсий без изменения их компонентного химического состава позволяют направленно модифицировать эмульсионные технологические жидкости путем увеличения дисперсности дисперсной фазы. Это заключение представляется очень важным, так как прямые эмульсии типа «масло в воде» находят широчайшее применение не только в качестве СОЖ, но и в качестве антиадгезионных, разделительных, защитных и чисто смазочных технологических жидкостей в различных областях промышленного производства, строительства, сельского хозяйства, пищевой промышленности, медицины и спорта.

№ 4(94)/2016

49И

0

Выводы

Таким образом, исследования показали, что изменение размера капель дисперсной фазы в эмульсии может существенно изменять не только ее реологические, но и трибологи-ческие свойства. На примере водной эмульсии олеиновой кислоты, используемой в качестве смазочно-охлаждающей жидкости, показано, что уменьшение размера капель олеиновой кислоты в эмульсии увеличивает ее вязкость и существенно улучшает ее технологические (противоизносные и противозадирные) свойства.

Показана возможность изменения свойств эмульсионных СОЖ (в том числе водных эмульсий олеиновой кислоты) в нужном направлении без изменения их химического состава, например улучшения смазочных или «режущих» свойств, за счет изменения технологии диспергирования дисперсной фазы.

Кроме того, проведенные эксперименты свидетельствуют о перспективности использования кулачковых дезинтеграторов для реализации гидромеханического способа получения устойчивых водных эмульсий.

Литература

1. Смазочно-охдаждающие технические среды и их применение при обработке резанием: справ. / Под ред. Л. В. Хундобина. М.: Машиностроение, 2006. 544 с.

2. Микроэмульсии. Структура и динамика / Ж. Биэ, Б. Клэн, П. Лалан [и др.]; под ред. С. Е. Фридберга, П. Ботореля. М.: Мир, 1990. 397 с.

3. Виноградов Д. Г. Применение смазочно-охлаж-дающих жидкостей при резании металлов и их функциональное действие. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2013. 92 с.

4. Берлинер Э. Д., Буяновский И. А. Подбор СОЖ для обработки металлов с учетом их смазочно-охлаж-дающего действия // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2012. № 6. С. 34-37.

5. Толочко Н. К., Сергеев К. Л. Влияние дисперсности эмульсионной смазочно-охлаждающей жидкости на эффективность магнитно-абразивной обработки // Технология машиностроения. 2014. № 10. С. 31-35.

6. Абдулгазис Д. У. Композиционные смазочно-охлаждающие технологические среды на основе растительных масел для операций сверления // Резание и инструмент: международ. науч.-техн. сб. Харьков НТУ «ХПИ». 2007. Вып. 73. С. 38-42.

7. Марков В. В., Киселева Е. В. Влияние способа перемешивания технологических жидкостей на их структуру // Вестн. Иван. гос. энергет. Ун-та. 2009. Вып. 9. С. 1.

8. ГОСТ Р 52338-2005. Методы испытаний смазочно-охлаждающих жидкостей. М.: Стандартинформ, 2005.

9. ГОСТ 32502-2013. Жидкости смазочные. Определение противозадирных свойств на 4-шариковой машине трения. М.: Стандартинформ, 2013.

10. Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия. 1976. 232 с.

11. Проникающая способность смазочно-охлаждаю-щей технологической среды как фактор эффективности обработки резанием / В. А. Годлевский, А. В. Волков, В. Н. Латышев, Л. Н. Маурин // Трение и износ. 1995. Т. 16. № 5. С. 938-949.

12. Шумячер В. М. Механохимические основы действия и оптимизации смазочно-охлаждающих технологических средств при абразивной обработке металлов: дис. ... д-ра техн. наук. Саратов: СГТУ, 1996.

Уважаемые коллеги!

Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.

Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки, новые технологии и материалы.

Тираж 2500 экз., объем 56 е., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10 % скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.

Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.

Для рекламодателей по запросу высылаем расценки. Подписной индекс: по каталогу «Роспечать» — № 14250.

150

№ 4(94)/2016