Добавки для контроля пенообразования являются важными, хотя часто недооцененными, компонентами смазочных жидкостей. В процессе эксплуатации в смазочную жидкость попадает воздух, что приводит к аэрации и затем к пенообразованию. В контексте смазочных жидкостей пена нежелательна. Образование пены может приводить к снижению эффективности гидродинамической смазки и ухудшению теплоотвода. Иногда проблему удается решить путем корректного проектирования оборудования, в остальных случаях требуется введение добавок для контроля пены. В смазочных маслах такие добавки представляют собой мелкие порядка микрон нерастворимые жидкие капли, диспергированные в масляной фазе. Несмотря на потенциальную значимость, разработчики нередко пренебрегают выбором оптимальной антипенной добавки для конкретного смазочного материала.
За последние десятилетия достигнут заметный прогресс в понимании механизмов подавления пенообразования, включая процессы дезактивации для водных систем. Важная особенность пеногасителей, отличающая их от многих других присадок, заключается в том, что эффективность и стабильность сильно зависят от способа введения в готовый продукт. Это связано с тем, что нерастворимые капли формируются именно в процессе смешения. Поскольку добавки для снижения пенообразования представляют собой нерастворимые капли, возникает проблема их возможного оседания при транспортировке и хранении, что особенно критично для смазочных материалов.
Разбор причин пенообразования в СОЖ
Так почему же пенится СОЖ? В первую очередь из-за воздуха. Газы могут попадать в жидкость различными путями. В смазочных маслах типичным механизмом захвата воздуха является механическое перемешивание, но существуют и другие, например выделение растворенного воздуха в виде пузырьков при резком изменении давления. Когда газ диспергирован в жидкости, он обычно существует в виде подповерхностные пузырьки, которые всплывают за счет выталкивающей силы, если только жидкость не находится в состоянии интенсивного перемешивания. Достигнув поверхности жидкости, пузырьки выстраиваются слоями и образуют пену.
При приближении всплывающего пузырька к поверхности сначала формируется толстая ламелла. Изначально пена состоит из сферических пузырьков, разделенных относительно толстыми жидкими пленками так, называемая мокрая пена. После частичного дренажа формируется полиэдрическая пена, по сути, набор газовых ячеек, разделенных тонкими жидкими пленками ламеллами. Это хорошо видно на фотографии реальной пены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Макрофотография структуры пены
Ламеллы всегда пересекаются тройками, сходясь в каналах, называемых границами Плато. Эти каналы образуют внутри пены систему дренажа, где сосредоточена большая часть жидкости в полиэдрической пене. Границы Плато играют важную роль в механизме антипенного действия.
В чистых низковязких жидкостях, например в чистой воде или в маловязких растворителях пленка обычно разрывается очень быстро, и стабильная пена не образуется. Если же жидкость обладает заметной объемной вязкостью, то могут формироваться устойчивые пленки, а значит и стабильный пенный слой. Это актуально для СОЖ.
К материалам, стабилизирующим пену, обычно относятся поверхностно активные молекулы, включая низкомолекулярные ПАВы, полимеры и мелкие твердые частицы. Стабилизаторы пены в водных системах чаще всего амфифильные ПАВы, содержащие гидрофильные и гидрофобные фрагменты, как правило по одному каждого типа. Пример полимерных макромолекулярных стабилизаторов пены в воде белки, которые также должны иметь как гидрофобные, так и гидрофильные участки. В водных системах такие молекулы самопроизвольно адсорбируются на поверхности воды за счет гидрофобных групп, поскольку взаимодействие между молекулами воды сильнее, чем между водой и гидрофобной частью молекулы ПАВ, что ведет к снижению поверхностного натяжения. По мере роста концентрации ПАВ увеличивается их поверхностная адсорбция и поверхностное натяжение падает до насыщения. Выше критической мицеллярной концентрации поверхностное натяжение выходит на плато, а молекулы ПАВ образуют мицеллы за счет межмолекулярных взаимодействий. В водных системах гидрофобные группы ориентированы в ядро мицеллы, а гидрофильные наружу. В неполярных растворителях происходят аналогичные процессы, но роли гидрофильных и гидрофобных групп меняются местами, образуются обратные мицеллы, где гидрофильные группы обращены внутрь, а гидрофобные наружу.
Ряд присадок смазочных жидкостей относится к низкомолекулярным ПАВ, в том числе детергентные присадки, модификаторы трения и любые компоненты с полярной группой, присоединенной к длинноцепочечному углеводородному фрагменту. Некоторые модификаторы вязкости включая диспергирующие модификаторы вязкости относятся к поверхностно активным полимерам.
Твердые частицы также могут эффективно стабилизировать пленки и пену, если контактный угол промежуточный частичное смачивание. Частный случай частицы Януса с гидрофобной и гидрофильной сторонами, что обеспечивает особенно сильную адсорбцию на границе раздела. Пены, стабилизированные твердыми частицами, нехарактерны для смазочных жидкостей и далее не рассматриваются.
Как отмечалось, пены термодинамически неустойчивы. Количество пены в применении смазочных масел следует рассматривать как результат совокупности кинетических эффектов. На базовом уровне степень вспенивания определяется суммой двух конкурирующих процессов, протекающих одновременно: генерация пены в результате вовлечения воздуха механическим воздействием или иным механизмом и разрушение пены за счет дренажа и разрыва пленок. Поскольку не поддается прямому контролю со стороны разработчика рецептуры, дальнейшее внимание уделяется факторам, влияющим на дренаж и разрыв пленок.
Процессы дренажа и разрыва управляются рядом конкурирующих факторов. Движущие силы дренажа и истончения пленок включают гравитацию, стягивающую жидкость вниз в объемную фазу, и капиллярное давление, выдавливающее жидкость из ламелл в границы Плато.
Оценка пенообразования
Для оценки склонности жидкостей к пенообразованию и сравнения эффективности добавок разработан ряд эмпирических методик. Как правило, метод состоит из двух элементов: первый включает в себя ввод воздуха в жидкость с образованием поверхностной пены, далее измеряются высота пены и ее стабильность.
Идеальный метод испытаний для смазочных материалов должен удовлетворять следующим требованиям:
· охватывать типичные рабочие температуры с точным контролем температуры в процедуре
· быть сравнительно простым для выполнения и стандартизации, доступным широкому кругу пользователей
· обеспечивать хорошую воспроизводимость и повторяемость
· предусматривать удобную очистку многоразового оборудования между тестами, расходные материалы должны быть недорогими
· по возможности имитировать реальные условия эксплуатации сдвиг, турбулентность, температурный режим
На практике все существующие методы представляют собой компромисс между этими критериями и имеют свои достоинства и ограничения. Наиболее трудным и часто недооцениваемым является соответствие реальным условиям, так как их сложно воспроизвести в лаборатории, к тому же они существенно различаются между собой. Поэтому распространенные методы обычно оптимизируют остальные критерии. Следует отметить, что некоторые производители оборудования разрабатывают профильные методы испытаний пены с использованием релевантных узлов.
Методы можно классифицировать по способу ввода воздуха:
· Испытания встряхиванием. Жидкость встряхивают вручную или механизировано. Важно контролировать повторяемость особенно при ручном встряхивании различными операторами. Кроме того, такой режим течения слабо соответствует реальным условиям работы СОЖ, что может вносить систематическую погрешность в оценку пенообразования.
· Каскадные испытания жидкостным потоком тест Росса Майлза. Струя жидкости падает с фиксированной высоты на поверхность объема того же раствора.
· Испытания аэрацией. Воздух подают в жидкость через подводящую трубку ниже поверхности или аналогичное устройство. Этот тип подает фиксированный объем воздуха и позволяет точнее контролировать температуру. К нему относятся разработанные специально для смазочных материалов и широко используемые методы ASTM D892 и ASTM D6082. Недостаток – условия генерации пены далеки от реальной эксплуатации по величинам сдвига и режимам перемешивания.
· Испытания механическим перемешиванием. Жидкость аэрируют вращающимися мешалками.
Эти тесты лучше всего воспроизводят реальный механизм вовлечения воздуха. Во многих случаях на эти подходы опираются опубликованные стандартизованные методы.
Стандарты содержат подробные указания по выполнению испытаний, включая калибровку и очистку оборудования, обращение с пробами и используемыми материалами.
Необходимо понимать причины образования пены в СОЖ и методы борьбы с подобным явлением для разработки эффективных смазочно-охлаждающих жидкостей. В цикле разработки СОЖ «Likkor» отрабатывает различные сценарии пенообразования, для того чтобы получить высококачественный продукт. Обращайтесь к нашим специалистам за подбором СОЖ под ваши задачи.