Зеленая химия или sustainable chemistry – подход, направленный на снижение вредного воздействия химических процессов на окружающую среду. СОЖ, применяемые в металлообработке, преимущественно представлены эмульсолами с высокой долей содержания минерального или синтетического масла и синтетических присадок, негативно влияющих как на рабочий персонал, так и на окружающую среду при их утилизации. Несколько меньшее распространение получили синтетические СОЖ, образующие раствор, а не эмульсию, но и они не лишены всех тех же недостатков. Настоящая публикация посвящена созданию зеленых СОЖ на основе растительных масел, не оказывающих негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека, при этом одновременно превосходящих по свойствам даже лучшие образцы традиционных СОЖ.
Растительные масла в чистом виде существенно превосходят минеральные масла по характеристикам: износостойкость, коэффициент трения, прочность сцепления. Более того, растительные масла по вышеприведенным параметрам не уступают не только минеральным, но и синтетическим маслам, в частности ПАО и эфирам, включая их смеси. Однако их применение в составе СОЖ (чистых масляных и эмульсолов) не получило широкого распространения, а эффективность СОЖ на основе растительного масла на практике значительно уступает даже относительно простым СОЖ на базе минеральных масел.
Такое значительное отличие между свойствами исходных растительных масел и СОЖ на их основе объясняется очень низкой окислительной стойкостью и наличием присадок в классических СОЖ, не лучшим образом сочетающихся с растительными маслами и принципами зеленой химии. Следовательно, в том случае, если решить две вышеобозначенные проблемы, возможно получение зеленого СОЖ на базе растительного масла, не только не уступающего лучшим аналогам классических СОЖ, но и во многом превосходящего их.
Проблема плохой окислительной стойкости растительных масел обусловлена наличием в составе триглицеридов масел с двойной связью. Принципиально существует три способа устранить негативное влияние двойной связи на свойства растительного масла. К таким способам относят проведение четырех типов химических реакций с целью модификации растительного масла:
• Процесс гидрирования
• Процесс переэтерификации
• Процесс эпоксидирования
• Процесс изомеризации.
Процесс гидрирования практически не применим на практике в силу резкого изменения температуры плавления растительного масла, делающего его при нормальной температуре твердым веществом. Процесс переэтерификации с заменой глицерина на другие полиолы, в частности пентаэритрит или триметилолпропан (ТМП), позволяет существенно поднять окислительную стойкость масла и улучшить его температурные свойства, но процесс относительно дорог, а в ходе самого процесса образуется глицерин, нуждающийся в дополнительной переработке с целью доведения его качеств до товарного продукта. К тому же при экстремальных условиях резки металла окислительная стойкость всё еще проигрывает стойкости минеральных масел. Наиболее оптимальным, на наш взгляд, является процесс модификации растительных масел в мягких условиях путем их эпоксидирования по двойной связи. Получаемые масла обладают низкой вязкостью в сочетании с высокой текучестью и стабильностью, что важно для их применения в составе СОЖ. Процесс изомеризации применим ограниченно, по той же причине, что и процесс гидрирования – он существенно изменяет вязкость масла, делая её неоптимальной для СОЖ.
Решая проблему модификации масла путем его эпоксидирования на примере наиболее распространённого при использовании в технических целях рапсового масла, удалось достичь более чем приемлемых результатов в части окислительной стойкости и прочности образуемой на металле пленки. При этом в качестве эпоксидирующего агента использовался безвредный пероксид водорода в мягких условиях (температура реакции не выше 65 °С).
Вторая проблема, решение которой необходимо для создания эффективных зеленых СОЖ на базе растительных масел, это выбор и разработка присадок: смазывающих, биоцидных, противозадирных, ингибирующих коррозию и ряда других присадок. Как уже было сказано выше, традиционные присадки часто оказываются не в полной мере совместимыми с модифицированными растительными маслами, кроме того, оказывают негативное влияние на окружающую среду.
В качестве новых присадок большой интерес представляет использование ультрадисперсных частиц (наночастиц). При этом наиболее интересными свойствами обладают частицы углерода (углеродные нанотрубки) и дисульфида молибдена, однако их применение в СОЖ часто невозможно из-за способности окрашивать СОЖ в черный цвет, что часто затрудняет необходимый обзор детали в процессе её обработки. Другими ультрадисперсными частицами, представляющими интерес в качестве присадок для СОЖ, являются частицы оксидов цинка, алюминия и кремния. Причём эффективность частиц оксида цинка равна эффективности ZDDP.
Наночастицы по своей морфологии можно разделить на частицы с луковичным, сферическим, слоистым и волокнистым/трубчатым строением. Для улучшения противозадирных, противоизносных и антифрикционных свойств масла и СОЖ на его основе оптимальны частицы с луковичным строением и сферические частицы, которые за счёт «эффекта шарика» и «эффекта заполнения» обеспечивают не только значительное улучшение указанных трибологических характеристик, но и способны улучшить несущую способность масляной пленки. В свою очередь слоистые частицы при условиях высокой температуры способны адсорбироваться на поверхности металла, образуя плотные оксидные пленки, которые обладают превосходными противоизносными и антифрикционными эффектами.
Ультрадисперсные частицы оксидов цинка, алюминия и кремния идеальны для применения в СОЖ, сочетая низкую стоимость и безвредность с очень высокой эффективностью, даже при низких концентрациях (менее десятой доли процента от масла, при этом в рабочем растворе СОЖ, как правило, содержится лишь 1-3% масла).
Другие типы присадок – это продукты зеленого органического синтеза, преимущественно амиды и сложные эфиры, например эфиры себациновой кислоты, обладающие не только противозадирными свойствами, но и свойствами биоцидов.
На основе изложенных подходов специалистам компании удалось создать образцы масел по своим основным характеристикам, превосходящие на 10-15% такие продукты, как Bechem Avantin 361 и Bechem Avantin 320, при этом обладающие очень хорошей биостабильностью в области рабочих концентраций и легкой биодеструкцией при разбавлении водой.
Немаловажным аспектом зеленых СОЖ является их цена, но стоимость рапсового масла вполне сопоставима со стоимостью минерального масла, что делает удорожание зеленых СОЖ незначительным, и оно легко нивелируется в смысле технико-экономической целесообразности их применения за счет большего срока службы и лучших характеристик. Однако, если необходимо снизить стоимость СОЖ практически без потерь его свойств, возможно использование в качестве сырья соапстока (отхода при производстве растительных масел). Единственным незначительным недостатком получаемых СОЖ из соапстока является незначительная окраска их рабочего раствора; по всем другим характеристикам СОЖ, полученные на базе соапстока, сопоставимы с СОЖ из растительных масел.