Изучение пенообразования смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и эффекта ингибиторов пенообразования (пеногасителей)

Ценность заключается в образовании как можно меньшего количества пены при использовании смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), поскольку пена затрудняет обработку детали, ее постобработку и, наконец, переработку СОЖ. Вот почему ингибиторы пенообразования (пеногасители) часто добавляют до использования СОЖ или даже составляют часть рецептуры СОЖ. Склонность к пенообразованию и эффективность пеногасителя можно проверить в лаборатории, измерив высоту пены. В воспроизводимых условиях такие измерения могут способствовать улучшению состава СОЖ или оптимизации дозировки пеногасителя. Образцы трех используемых в промышленности СОЖ были изучены с помощью анализатора динамического пенообразования - DFA100, при этом количество образовавшейся пены отслеживалось как в ходе длительных испытаний, так и в процессах циклического пенообразования.

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), часто называемые «буровым раствором», почти всегда используются при механической обработке металлов, стекла или керамики. Основное внимание уделяется либо их охлаждающим, либо смазывающим свойствам - в зависимости от материала и скорости, для лучшего смазывания используются либо смазки с высоким содержанием масла, либо смеси на водной основе с низким содержанием масла или без масла для лучшего охлаждения.

В большинстве случаев следует избегать образования пены. Пена ухудшает как охлаждающий эффект, так и стекание жидкости из детали, затрудняет фильтрацию СОЖ перед ее циклической рециркуляцией и, в крайних случаях, может даже привести к остановке оборудования.

Степень, в которой необходимо противодействовать образованию пены, зависит от типа и скорости производственного процесса, для которого предназначена СОЖ. Эффект пеногасителя или склонность СОЖ к пенообразованию можно проверить перед использованием или во время разработки рецептуры путем проведения испытаний пены с помощью динамического анализатора пены DFA100.

Исследованы 5% растворы трех промышленных концентратов, некоторые из которых содержат пеногасители. Это были две безмасляные СОЖ (образцы A и B) и чистящее средство (образец C), которое используется после обработки детали.

Низкое пенообразование также важно для чистящего средства; не только для самого процесса очистки, но и потому, что на границе между частичными процессами обработки и очистки остаточное количество чистящего средства переносится в повторно используемый СОЖ. Образец A представляет собой СОЖ без пеногасителя. Состав образца C (чистящее средство) содержит пеногаситель; образец B также содержит его, но в два раза больше, чем в образце C. Производитель заявляет, что образец B является продуктом с особенно низким пенообразованием.

Пенообразование в основном зависит от жесткости используемой технологической воды, причем более мягкая вода имеет тенденцию к более сильному пенообразованию. Поскольку в некоторых процессах используется полностью деминерализованная вода, разбавленные образцы были созданы с дистиллированной водой.

50 мл конкретного образца помещали в сосуд для образца DFA100 (рисунок 2а). Постоянный поток воздуха (Q = 0,7 л / мин) пропускался через пористое основание (G2; размер пор 40-100 мкм) колонки для образца (рис. 2b)

Прибор используется для измерения общей высоты h (высота жидкости h_l + высота пены h_f) во время образования пены и, если требуется, во время последующего процесса разрушения пены. В случае прозрачных жидкостей высоту уровня жидкости hl можно записывать отдельно, чтобы получить данные о содержании влаги. В данном случае последнее не имеет значения, именно количество образовавшейся пены выступало на переднем плане, а не ее структура. Определение высоты происходит на месте путем зависящего от времени измерения проходящего света с помощью серии светодиодов и линейного датчика. Между ними расположена колонка (рисунок 3).

Помимо сравнения образцов, основное внимание уделялось долгосрочному поведению, поскольку пенообразование часто изменяется со временем в процессе рециркуляции СОЖ. Высота пены измерялась в течение 100 мин при непрерывном образовании пены. Кроме того, измерения высоты пены проводились в течение 30 циклов с DFA100, такие полностью автоматические повторные измерения в аналогичных условиях возможны без повторного заполнения, что существенно сокращает время, затрачиваемое на проведение эксперимента. В каждом случае время образования пены составляло 12 с, а время измерения 45 с, за этим последовал период ожидания 30 с. По истечении этого времени столбики пены для всех образцов полностью разрушились.

При длительных измерениях (рисунок 4) общая высота значительно увеличивается в первые 20–30 секунд. Затем устанавливается равновесие между пенообразованием и распадом пены; это можно увидеть в точке перегиба кривых. Для нестабильных пен типичны ранняя стагнация общей высоты и быстрое установление равновесия. Таким образом, можно утверждать, что образовавшаяся пена будет быстро разрушаться для образцов A и C со средней степенью пенообразования. Для процесса это означает, что пена может образоваться во время обработки детали, но, по всей вероятности, она будет разрушена раньше.

Склонность к пенообразованию снижается в последовательности A > C > B - продукт C, следовательно, соответствует заявлению производителя о низком пенообразовании. В то же время эта последовательность демонстрирует содержание пеногасителя (таблица 1). Во время длительного наблюдения за образцами А и С положение равновесия разрушения пласта изменяется: тенденция к пенообразованию значительно увеличивается, пока не будет достигнуто стабильное конечное значение между 1000 и 2000 с. Образец СОЖ ведет себя иначе: и без того небольшая склонность к пенообразованию со временем уменьшается. Измерения циклического образования пены показывают аналогичную картину (рисунок 5).

График измеренной максимальной высоты после образования пены в течение 12 секунд в зависимости от количества циклов для образцов A и C показывает, как и в долгосрочных испытаниях, увеличение высоты пены. Как и на долговременных кривых, кривые для циклических измерений также выходят на плато. В случае образца B с низким пенообразованием снижение вспениваемости также можно заметить в циклическом испытании. Увеличение пенообразования со временем и увеличение количества циклических повторов, обнаруженное с двумя образцами в испытании, также часто можно наблюдать при использовании СОЖ и чистящих средств в технических процессах. Здесь нельзя сделать никаких заявлений о причинах этого. Однако результаты не указывают на то, что действие пеногасителя уменьшается. Во-первых, образцы A и C ведут себя одинаково, хотя A не содержит пеногасителя. Во-вторых, сохраняется низкая вспениваемость образца В, содержащего пеногаситель.

Испытания на пенообразование двух промышленно используемых смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и одного чистящего средства (некоторые с пеногасителями в составе) продемонстрировали четкие различия в пенообразовании. Один из образцов СОЖ и чистящее средство показали умеренное образование пены, которая быстро разрушалась. Во втором образце СОЖ с повышенным количеством пеногасителя образование пены было очень низким. При длительном испытании образец СОЖ с более сильным пенообразованием и чистящее средство имели тенденцию к повышенному пенообразованию. Напротив, второй СОЖ с оптимальным низким пенообразованием, как правило, становился еще лучше в долгосрочном испытании.

Такое же поведение трех образцов можно было продемонстрировать в испытаниях циклического образования пены. Пенообразование образцов при испытании хорошо отражало содержание в них пеногасителя. В целом, измерение высоты после образования пены потоком газа оказалось эффективным методом исследования краткосрочного и долгосрочного пенообразования СОЖ, для количественной оценки эффекта пеногасителей и выявления различий между образцами.