水基切削磨削液的種類選擇及其微生物滋生
摘要：和切削磨削油相比，水基切削磨削液具有良好的冷卻性能和清洗性能，在機(jī)械加工過程中應(yīng)用越來越廣泛。水基切削磨削液包括乳化液，合成液和半合成液，一般認(rèn)為半合成液較乳化液穩(wěn)定，綜合了乳化和合成的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最多。本文首先比較和分析了乳化液的優(yōu)缺點(diǎn)并簡(jiǎn)要論述了水基切削磨削液中的細(xì)菌滋生過程，指出乳化液不穩(wěn)定主要是因?yàn)樗菀鬃躺⑸?如果能夠通過先進(jìn)的生物穩(wěn)定技術(shù)如好富頓HOCUT 795系列 生物穩(wěn)定技術(shù)，較徹底地防止微生物滋生，則乳化液穩(wěn)定性就能大幅提高，而乳化液的優(yōu)點(diǎn)如良好的潤(rùn)滑性能、防銹性能、廢液處理性能也能得到充分發(fā)揮，所以，乳化液產(chǎn)品應(yīng)該應(yīng)成為水基金屬加工液中的優(yōu)先選擇。
關(guān)鍵詞：乳化液，切削液，磨削液，生物穩(wěn)定性
1. 前言
金屬加工過程中的摩擦和形變會(huì)釋放出大量熱量。 例如，切削時(shí)切屑和刀具溫度達(dá)到800℃,磨削時(shí)達(dá)到1200℃[1]，切削液的冷卻作用至關(guān)重要。表1比較了水基和油基切削磨削液的冷卻參數(shù)[2]。
表1 水、油冷卻性能比較
對(duì)比類型 | 熱導(dǎo)率 W/(mžK) | 比熱容 J/(kgžK) | 汽化熱 J/ kg | 運(yùn)動(dòng)粘度 （ |
水 | 0.628 | 4184 | 2259360 | 1.0 |
油 | 0.126-0.210 | 1674-2092 | 167360-313800 | 20-300 |
根據(jù)表1，水的導(dǎo)熱系數(shù)是油的3-5倍，比熱也大1倍以上，水基切削磨削液的冷卻能力遠(yuǎn)比油基的好，加之，在加工區(qū)域良好的滲透能力和清洗能力，水基切削液的應(yīng)用越來越廣泛，例如在加工中心，加工量大的粗加工序幾乎都是使用水基切削磨削液。
2. 水基切削磨削液的種類及其性能特點(diǎn)
國(guó)內(nèi)外對(duì)水基切削磨削液有不同的分類。1986年通過實(shí)施的ISO6743/7將水基切削磨削液分為從MAA到MAI共9類，日本JISK2241將其分為A1-A3三類，美國(guó)ASTM D2881-03則分為含石油制品液體和不含石油制品液體兩種。我國(guó)在1989年制訂的GB/T7631.5-1989等效采用ISO6743/7[3]，也按9類歸分。雖然不同標(biāo)準(zhǔn)的具體歸類有所不同，但從大類及業(yè)界共同觀點(diǎn)是將水基切削磨削液分為三類：乳化液(含礦物油量在50%以上，基本不含水)、半合成液或微乳化切削液(含油量一般少于25%)和合成液或化學(xué)溶液(不含礦物油)。也有資料[2]認(rèn)為將化學(xué)溶液稱為合成液以及將微乳化液叫做半合成液是不正確的，因?yàn)楹秃铣蓻]有任何關(guān)系，從化學(xué)觀點(diǎn)看，這個(gè)說法是正確的，也更準(zhǔn)確，但業(yè)界目前仍然普遍流行乳化，合成和半合成的稱謂和分類。
乳化、合成、半合成這三類水基產(chǎn)品中，含油量不同，必然帶來組成和性能上的明顯差異，可從以下幾個(gè)方面對(duì)比分析。
2.1. 第二相尺寸[4]。
乳化液是油分布在水中形成的宏觀均勻體系。油粒尺寸一般在1-10微米;半合成液只含不到20%的礦物油卻含更多乳化劑，油粒尺寸比乳化液小得多，只有0.05-1微米;而合成液被認(rèn)為是真溶液，是均勻的單相體系，尺寸是原子級(jí)的，即就是為了防銹等而添加的添加劑，形成的也是膠體溶液，粒子尺寸在0,05微米以下。第二相尺寸差異影響到液體外觀�？梢姽獠ㄩL(zhǎng)在0.4-0.7微米，顯然，乳化液中的油粒能反射太陽(yáng)光，故外觀呈乳白色;半合成液中油粒散射太陽(yáng)光，呈現(xiàn)藍(lán)色半透明;合成液中因太陽(yáng)光直接穿過而顯現(xiàn)透明狀態(tài)。
2.2. 防銹性能
乳化液含油量高，油粒尺寸大，加工后在工件和機(jī)床上殘留一層油膜，起到防銹作用。加之，乳化液中很多帶極性的潤(rùn)滑和防銹添加劑都是油溶性的，它們也會(huì)隨同油一起析出，極性添加劑的吸附力強(qiáng)，極性端吸附在金屬表面，能排開表面水膜同時(shí)疏水端向外，形成新的低能量的表面，較難被水潤(rùn)濕，配合油膜一起提供良好的防銹性。合成液不含油，防銹能力較差，且表面張力小(約4x10-4N/cm),潤(rùn)濕穿透能力強(qiáng)，對(duì)機(jī)床防銹漆膜有侵蝕作用。半合成液的防銹性能介于乳化液和合成液之間。
2.3. 潤(rùn)滑能力
乳液中油粒尺寸大，在摩擦接觸區(qū)域，油相容易從乳液中析出，起到潤(rùn)滑作用，潤(rùn)滑能力高。乳化液潤(rùn)滑能力好，不僅在于含油量高及油粒尺寸大，還在于很多潤(rùn)滑劑如形成有機(jī)吸附膜的油性抗磨劑或者憑借化學(xué)反應(yīng)形成無機(jī)膜的極壓潤(rùn)滑劑，大都是油溶性的，因此，乳化液潤(rùn)滑能力的實(shí)現(xiàn)手段相當(dāng)豐富，容易滿足苛刻加工的潤(rùn)滑要求。另外，有些加工工序?qū)Ψ磻?yīng)性強(qiáng)的極壓劑敏感，例如鋁合金加工，在這種情況下，采用較大油粒尺寸，較高油含量和油性劑就成為潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)的重要手段。
2.4. 廢液處理
乳化液廢液處理方法相對(duì)簡(jiǎn)單容易，通過破乳去除大部分油及溶于油的多種有機(jī)物。乳化液大都采用陰離子乳化劑，陰離子乳化劑在pH大于7才有明顯乳化作用，破乳時(shí)，添加無機(jī)酸如硫酸、鹽酸或者弱堿強(qiáng)酸鹽如AlCl3,FeCl3等降低pH，或者添加陽(yáng)離子乳化劑，使陰離子乳化劑失去作用，達(dá)到破乳。對(duì)于半合成和合成液，由于含有大量的水溶性添加劑，顯著增加了廢液處理困難。據(jù)介紹，廢液處理成本高在美國(guó)是乳化液回歸成為用戶主要選擇的重要原因。
根據(jù)以上分析，乳化液有潤(rùn)滑、防銹和廢液處理性能好的突出優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)乳化液，半合成液和合成液使用方面的不足之處也值得注意。例如，半合成液含油少，但為了達(dá)到細(xì)小的油粒尺寸，卻含有比乳化液更多的乳化劑(表面活性劑)，降低了表面張力，使得合成液和半合成在使用過程中容易產(chǎn)生泡沫，而泡沫又對(duì)冷卻和潤(rùn)滑不良影響。再如，使用過程中不可避免地存在外來油品泄漏如液壓油、齒輪油和軸承油的泄漏等，合成液和半合成液的設(shè)計(jì)思路是不含油或者含油量少油粒尺寸小，但外來泄漏的油品卻不可避免地被乳化進(jìn)來，和合成液和半合成液的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路不符，對(duì)應(yīng)用造成比乳化液更大的不利影響。當(dāng)然，合成液具有透明、冷卻沖刷性能好的優(yōu)點(diǎn)，適合用在磨削加工上，這也是業(yè)界的共識(shí)。
乳化液具有這些優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際中不少客戶更青睞半合成液，主要是出于穩(wěn)定性上的考慮。乳液穩(wěn)定性較差主要在于其含油量高更容易滋生細(xì)菌，但采用先進(jìn)的生物穩(wěn)定技術(shù)，可較為徹底地抑制微生物滋生，大幅提高乳液穩(wěn)定性，在這種情況下，選用乳化液，能給用戶帶來更多益處。
3. 水基切削磨削液的中的微生物滋生
微生物滋生需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有：1)水;2)碳源;3)氮源;4)能源;5)礦物質(zhì);6)生長(zhǎng)因子。除生長(zhǎng)因子外，其它都是所有微生物生長(zhǎng)的必備營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。顯然，水基切削磨削液具備微生物滋生的所有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是微生物滋生的理想場(chǎng)所。水基切削磨削液中的組分還可能兼具不同的營(yíng)養(yǎng)效果，例如在乳化液中大量存在的礦物油和各種有機(jī)物添加劑既是微生物滋生的碳源，同時(shí)也能提供其生長(zhǎng)的能源。乳化液中的有機(jī)碳源最多，所以乳化液更易滋生細(xì)菌，是造成乳化液穩(wěn)定性低、壽命短的主要原因。
水基切削磨削液出現(xiàn)的微生物種屬包括革蘭氏染色陰性細(xì)菌(氣桿菌屬、假單胞菌屬、布魯氏桿菌屬、變形桿菌屬等)，革蘭氏染色陽(yáng)性細(xì)菌(巴迭球菌、葡萄球菌、鏈球菌)，霉菌(在合成液中更容易出現(xiàn))和酵母等[5] 。實(shí)際上，微生物的滋生會(huì)形成菌落群體，包含種類繁多的各種菌體，圖1顯示了菌落中的多種菌體組合。
對(duì)菌落中微生物的歸類命名繁多復(fù)雜，似無必要，但了解微生物滋生的生理特性無疑是有意義的。例如，按照微生物生長(zhǎng)過程中對(duì)氧氣的需求程度，分為專性好氧菌(有氧條件下生長(zhǎng))、專性厭氧菌(無氧條件下生長(zhǎng))和兼性厭氧菌。專性好氧菌具有完備的呼吸系統(tǒng)，能夠利用多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而好氧菌生長(zhǎng)一方面為厭氧菌提供了食物條件，即其新陳代謝的產(chǎn)物構(gòu)成厭氧菌食物，如圖2所示[6];另一方面，好氧菌生長(zhǎng)消耗了氧氣，在菌落心部為厭氧菌生長(zhǎng)創(chuàng)造了無氧條件，如圖3所示[7]。
圖2 好氧菌和厭氧菌的新陳代謝過程
圖3 好氧菌滋生所形成的低氧高硫環(huán)境
圖2中的第一階段，好氧菌代謝生成的糖和蛋白質(zhì)，促進(jìn)了第二階段菌類即厭氧菌的繁殖生長(zhǎng)，并進(jìn)而促進(jìn)了第三階段的菌類生長(zhǎng)，硫酸還原菌將S還原為-2價(jià)，生成有臭味的H2S。圖3中，好氧菌生長(zhǎng)消耗了氧氣，在菌落心部，氧氣含量極低，促進(jìn)了厭氧菌的繁殖生長(zhǎng)，硫含量是和氧成反比，在這種環(huán)境下，硫酸還原菌會(huì)滋生，生成產(chǎn)物H2S。
4. 微生物滋生的危害
微生物的滋生有多種危害。
4.1. 降低系統(tǒng)的pH
水基加工液大多采用有機(jī)胺如醇胺等作為系統(tǒng)的緩沖體系或堿性保持劑，維持系統(tǒng)較高的pH。但胺可能作為細(xì)菌滋生的氮源被消耗(固氮微生物可利用空氣中的氮分子作為氮源)，導(dǎo)致系統(tǒng)pH下降;更重要的，如圖2、圖3所示，水基系統(tǒng)中的硫被還原成H2S，降低了系統(tǒng)的pH，同時(shí)散發(fā)出臭雞蛋類的臭味。實(shí)際上，微生物的新陳代謝涉及和促進(jìn)了有機(jī)物氧化，伴隨多種酸性物質(zhì)產(chǎn)生，這些都降低了體系的pH。
圖4 不同pH下的ESI
4.2. 降低了乳化液穩(wěn)定性
乳化液主要采用陰離子乳化劑，在較高pH下起到乳化作用。pH下降，降低陰離子乳化劑的乳化效率，從而降低乳化液穩(wěn)定性。圖4是在不同pH值下測(cè)定的乳化液的ESI(Emulsion Stability Index,乳液穩(wěn)定指數(shù))，可見pH降低，乳化液穩(wěn)定性顯著下降。
4.3. 降低乳液的潤(rùn)滑能力
乳液穩(wěn)定性降低，會(huì)出現(xiàn)油析，不僅濃度難以維持，而且因乳化液中的潤(rùn)滑成分大都是油溶的，會(huì)隨之一起析出，進(jìn)一步降低了乳化液的潤(rùn)滑能力，降低加工精度，增加刀具后刀面磨損。極壓劑的隨同析出，促使刀尖部位積屑瘤產(chǎn)生，而積屑瘤的反復(fù)剝落生長(zhǎng)，增加了刀具磨損，也降低了表面加工精度。
4.4. 降低了乳化液防銹能力[8]。
圖5 毒血癥所引起的肝部細(xì)胞死亡
pH降低，乳化液穩(wěn)定性降低導(dǎo)致油析，也會(huì)使乳液中的防銹添加劑隨同析出，降低防銹性能。不僅如此，微生物滋生還通過如下機(jī)制加速腐蝕：1)在形成菌落心部，硫酸還原菌滋生，產(chǎn)生H2S, pH很低，直接產(chǎn)生腐蝕，形成微生物誘發(fā)腐蝕MIC(Micro-induced-corrosion);2)絕大多數(shù)腐蝕是電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕速度會(huì)因極化減慢，但硫酸還原菌和某些可能形成內(nèi)孢子的革蘭氏陽(yáng)性桿菌含有氫化酶，去除在陰極上積累的氫離子，去氫屏障，加速腐蝕;3)生物膜的電位差加速了電子流動(dòng)，加劇了腐蝕;4)有機(jī)弱酸與無機(jī)鹽形成無機(jī)強(qiáng)酸(主要是鹽酸)，侵蝕金屬表面。
4.5. 增加生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效率
金屬加工液腐敗變質(zhì)顯著增加了使用成本，可能包括[9]：
· 更換腐敗金屬加工液的直接費(fèi)用
· 換油損失的生產(chǎn)工時(shí)
· 降低質(zhì)量引起的質(zhì)量成本
· 換液的人工成本
· 廢液處理成本
· 刀具磨損成本
4.6. 對(duì)健康、安全和環(huán)境的危害[10]
微生物滋生惡化了工作環(huán)境，危害操作者人身健康。微生物新陳代謝過程產(chǎn)生的多種有害氣體 MVOC (含菌氣體有機(jī)組分)，菌體的內(nèi)毒素、以及新陳代謝產(chǎn)生和死尸上仍舊發(fā)出的外毒素等都對(duì)人體健康有多方面危害：皮膚過敏發(fā)炎，呼吸道感染，可能還會(huì)有敗血癥產(chǎn)生，引發(fā)多種疾病。圖5切片顯示因菌體釋放的外毒素而引起的毒血癥，三分之一的細(xì)胞已死亡。
5. 切削磨削液中微生物的防控
水基切削磨削液中的微生物防控可從以下幾個(gè)方面著手。
5.1. 做好維護(hù)管理工作
監(jiān)控配液用水質(zhì)量，保持合適濃度和pH.
配液水中的磷酸根離子、硫酸根離子和較高硬度促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，最好的配液用水是去離子水。電磁波在純水中穿透度深，短光波紫外線具有較強(qiáng)的殺菌能力，如圖6所示[11]。故可用紫外線、高能電子束或超聲波照射滅菌，特別是在配液用水中含有較多微生物時(shí)。
金屬加工液組分包括殺菌劑與濃度成正比，因此使用過程中維持乳液濃度在規(guī)定范圍對(duì)乳液性能穩(wěn)定發(fā)揮具有重要意義。
系統(tǒng)pH值與微生物滋生相互關(guān)聯(lián)。一方面，如前所述，微生物滋生降低pH，故現(xiàn)場(chǎng)可通過pH監(jiān)控微生物滋生;另一方面，低pH又促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。大多數(shù)微生物最適合生長(zhǎng)的pH范圍是6.5-7.5，放線菌在8.0-8.5生長(zhǎng)，只有個(gè)別細(xì)菌在pH大于9.0 環(huán)境中生長(zhǎng)，因此，維持較高pH有助于控制微生物滋生。只是如有細(xì)菌滋生，則很難維持穩(wěn)定的pH。另外，加工鋁合金等有色金屬時(shí)，乳液pH值不宜太高。
5.2. 使用殺菌劑[12]
使用殺菌劑是控制微生物的常用方法，金屬加工原液中大都含有殺菌劑。 不同殺菌劑在作用靶位、機(jī)理、適應(yīng)性上有差異。常用廣譜殺菌劑如甲醛釋放型，異噻唑啉酮類和碘丙炔正丁胺甲酸酯類等。沒有一種殺菌劑對(duì)環(huán)境和人體健康是絕對(duì)無害的，很多殺菌劑的副作用相當(dāng)強(qiáng)，歐盟國(guó)家已經(jīng)不允許使用甲醛釋放型殺菌劑。
殺菌劑在儲(chǔ)存期間，效力不斷下降，而且細(xì)菌抗藥性也在不斷增加，所以，殺菌劑的作用效果逐步降低，如圖6所示。顯然，使用殺菌劑只能在一定范圍內(nèi)抑制細(xì)菌滋生。
5.3. 配方改進(jìn)
要從根本上解決問題，還需從產(chǎn)品配方進(jìn)行改進(jìn)，采用先進(jìn)的生物穩(wěn)定技術(shù)，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)負(fù)擔(dān)。
不少水基加工液利用硼酸鹽組分抑制細(xì)菌，盡管被稱為生物穩(wěn)定，但事實(shí)證明只能在一定程度上減緩菌類滋生，而且，硼有不良的環(huán)保性能。因此，需要尋求更先進(jìn)的生物穩(wěn)定技術(shù)，例如，有報(bào)道稱采用銅鹽來達(dá)到生物穩(wěn)定的目的[13]。好富頓公司生產(chǎn)的HOCUT 795系列乳化液,應(yīng)用最先進(jìn)的生物穩(wěn)定技術(shù)，從根本上防止微生物滋生。表2是嚴(yán)重滋生細(xì)菌的乳液分別放在傳統(tǒng)乳液和HOCUT 795系列乳液后的細(xì)菌滋生情況。試驗(yàn)在培養(yǎng)箱中進(jìn)行，樣品不攪拌，測(cè)菌時(shí)才攪拌，乳液濃度6%，含菌乳液約10%。 試驗(yàn)結(jié)果表明，HOCUT 795系列能完全抑制細(xì)菌滋生。
表3 HOCUT 795系列生物穩(wěn)定性試驗(yàn)
時(shí)間 | 傳統(tǒng)乳液 | HC795 |
0 | 1×107 | 1×107 |
3天 | 5×106 | 4×106 |
7天 | 8×106 | 1×106 |
14天 | 2×107 | 1×103 |
使用HOCUT 795系列，能完全抑制細(xì)菌，消除維護(hù)壓力并帶來加工性能、環(huán)保和成本等多方面益處。據(jù)介紹，在全球共約有2億加侖的系統(tǒng)在使用HOCUT 795系列生物穩(wěn)定技術(shù)乳液。
采用好富頓HOCUT 795系列或者類似的先進(jìn)生物穩(wěn)定技術(shù)后，能徹底抑制乳化液中微生物滋生，乳化液的穩(wěn)定性得以有效維持，這樣，如果選用乳化液型水基金屬加工液，就能充分發(fā)揮乳化產(chǎn)品優(yōu)異的潤(rùn)滑性能、防銹性能和廢液處理性能，提高加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。因此，采用先進(jìn)生物穩(wěn)定技術(shù)的乳化液應(yīng)該成為水基加工液的首要選擇。
6. 小結(jié)
· 和油相比，水基切削磨削液冷卻性能優(yōu)異，得到了越來越多應(yīng)用。
· 水基切削磨削液有乳化液型，合成型和半合成型。相比較而言，乳化液的潤(rùn)滑性能、防銹性能和廢液處理性能最優(yōu)，但乳化液容易滋生細(xì)菌，穩(wěn)定性差，因此不少用戶更傾向于選用半合成產(chǎn)品，部分地利用到乳化液的優(yōu)點(diǎn)。
· 金屬加工液中微生物滋生是一個(gè)復(fù)雜的群體過程，采用殺菌劑只能部分地控制微生物滋生。
· 以HOCUT 795系列為代表的先進(jìn)生物穩(wěn)定技術(shù)，能夠徹底抑制微生物滋生，有效維持乳液穩(wěn)定性。選用采用生物穩(wěn)定技術(shù)的乳化液水基產(chǎn)品，能夠充分發(fā)揮乳化液潤(rùn)滑、防銹和廢液處理性能好的優(yōu)點(diǎn)，帶來多種益處。因此，采用先進(jìn)生物穩(wěn)定技術(shù)的乳化液應(yīng)該成為水基加工液的首要選擇。摘自中國(guó)潤(rùn)滑油信息網(wǎng)
