乳化油配方優化及水質對冷軋乳化液穩定性的影響

戈曉達，孫建林，劉翹楚

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083)

乳化油配方優化及水質對冷軋乳化液穩定性的影響

戈曉達，孫建林，劉翹楚

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083)

建立了1套乳化液穩定性的簡易評價標準，考察了油性劑、防銹劑劑量及乳化油用量對在新鮮自來水、去離子水和久置水條件下配制的乳化液穩定性的影響。結果表明：對于含干擾成分較多、自身穩定性較差的乳化油，采用含雜質較多的久置水配制的乳化液穩定性優于含雜質較少的新鮮自來水和去離子水配制的乳化液穩定性；當乳化油配方經過優化、剔除干擾穩定性的成分后，水質越純凈，乳化液的性能越穩定；乳化油配方的優化不僅有利于強化乳化液的穩定性，而且可以提升其潤滑性能和極壓性能。

乳化液 穩定性 油性劑 防銹劑

軋制乳化液是冷軋工藝的重要影響因素，乳化液的潤滑性能不佳會導致軋后帶鋼表面清潔度的降低，進而惡化冷軋產品的表面質量[1]。生產過程中要求乳化液以一定流量噴到板面和輥面上時，既能有效吸收熱量，又能保證油劑以較快速率均勻地從乳化液中離析并粘附在板面與輥面之上，從而及時形成均勻完整且厚度適中的油膜，后者是保證乳化液具有良好的潤滑性能以及防銹性能的必要條件[2-6]。目前國內各大鋼廠普遍使用的進口乳化液均要求使用工業軟水配制，原因是硬水中含有鈣、鎂離子和溶解性固體物中的其它2價及高價金屬離子，會使乳化油中陰離子乳化劑的鈉、鉀鹽或皂類被分解成相應的鈣、鎂鹽或皂類，導致陰離子乳化劑濃度降低甚至喪失乳化能力，破壞親油、親水平衡，最后破乳[7]。如果鈣皂和鎂皂未被及時清除，長期存在于乳化液中，最終會影響到板面清潔度[8]。因此，找到能適應不同水質并能較好鋪展的乳化油對節約生產成本、提高國內乳化油競爭力具有重要意義。本課題考察了油性劑、防銹劑劑量及乳化油用量對在新鮮自來水、去離子水和久置水條件下配制的乳化液穩定性的影響。

1 實 驗

1.1 乳化液的配制

乳化油配制完成后，用3種不同水質的水稀釋成乳化液，對比觀察乳化液的穩定性。3種水質分別為：硬度較高的新鮮自來水、不含Ca2+和Mg2+的去離子水以及半露天環境下敞口靜置2個月后含有較多雜質的久置水。

前期優化實驗結果證明，油性劑劑量在9%～11%時，乳化液的綜合穩定性較好；選用某公司品牌油性劑季戊C8～C10醇為油性劑，探究其最佳劑量。

為了滿足產品表面質量要求，乳化液中需添加防銹劑，防銹劑也屬于表面活性劑，選用T702為防銹劑。

乳化油的原始配方是以動植物油和機械油的混合物為基礎油，油性劑、防銹劑、乳化劑、助乳化劑等為添加劑。在實際應用中，乳化油加劑量會不斷減小。為探究油性劑、防銹劑劑量以及乳化油用量對乳化液穩定性的影響，找到能適應不同水質的乳化油配方，對乳化油原始配方進行優化，棄用原配方中的助乳化劑，采用油性劑季戊C8～C10醇劑量(9%，10%，11%)、防銹劑T702劑量(2%，3%，4%)和乳化油用量(3%，4%，5%)作為因素，設計了三因素三水平的正交實驗方案，如表1所示。

表1 乳化液穩定性測試正交實驗方案 %

1.2 乳化液穩定性評價

一般情況下，乳化液靜置后從上到下分為油層、皂化層和乳化液層，乳化液又分為水清色、淡乳白色和乳白色3種狀態。合格的乳化液應該為乳白色，無油層，皂化層(或漂皂量) 越少越好[9]。根據法國CNOMO 655202方法(同時測定金屬加工液濃縮液分散在水中的難易程度和稀釋液的穩定性)以及德國DIN 51367方法(測定乳化液的穩定性)，參照石油化工行業標準SH/T 0579—1994，建立了1套乳化液穩定性的簡易評價標準。在100 mL量筒中加入50 mL左右的水，然后加入5 mL乳化油，再加水至100 mL，用保鮮膜封口，用力震搖至充分混合均勻后放置24 h，觀察乳化液的分離狀況，并以析油、析皂情況評定其穩定性，用分層指數表示乳化液的穩定性，評分標準見表2。從表2可以看出，從最穩定至不穩定分為3類，分別計1～9分，分為無明顯皂化層(1～3分)、有明顯皂化層無油層(4～6分)、有明顯皂化層和油層(7～9分)，3類又分好、中、差。實際評定中為便于評定不同添加劑的影響，可根據乳化液實際情況取中間值。

表2 乳化液穩定性分層指數

1.3 軋制液的摩擦學性能評價

在MRS-10A四球摩擦磨損試驗機上，采用GB/T 12583—1998方法測定軋制液的最大無卡咬負荷PB值，評價各軋制液的承載能力。在載荷(392±5) N、轉速(1 200±5) rmin的條件下，進行30 min摩擦磨損試驗，用四球試驗機附帶的隨機軟件計算軋制液的平均摩擦系數；采用德國產NEOPHOT-21型光學顯微鏡測量鋼球的磨斑直徑。試驗所用鋼球為上海鋼球廠生產的一級GCr15標準鋼球，直徑為Φ12.7 mm，硬度為61～65 HRC。

2 乳化油在不同水質下的穩定性

2.1 原始配方

在按原始配方制備的乳化油(油性劑劑量為15%)中，分別加入新鮮自來水、去離子水以及久置水，稀釋至乳化油體積分數為5%，充分混合均勻后靜置24 h后發現油水分層嚴重，根據表1評分標準，新鮮自來水、去離子水和久置水的分層指數分別為8.5分、9分和8分，即去離子水分層現象比自來水嚴重，自來水又比久置水嚴重，不僅與傳統認知相反，且無法滿足實際生產需要，因此需要通過配方調整與優化得到性質更穩定更能適應不同水質的乳化液。

2.2 優化配方

9種乳化油在新鮮自來水、去離子水和久置水的分層指數正交實驗結果見表3。用極差法分析整理數據，結果見表4，其中kj為第j列因素各水平所對應的試驗指標的平均值，Rj為第j列因素的極差，即第j列因素各水平下平均指標值的最大值與最小值之差。

表3 乳化液的分層指數 分

從表3可以看出，自來水、去離子水、久置水的分層指數總分(即將9個樣品得分相加之和)分別為46，42，49.5，即去離子水的穩定性優于自來水，自來水的穩定性又優于久置水。說明在整體配方優化、雜質較少時，配制乳化液的水質所含雜質越少，乳化液越穩定。

從表4可以看出：油性劑劑量和乳化油用量對乳化液穩定性影響較大，且油性劑劑量較高時，乳化液較穩定，乳化油用量對乳化液穩定性的影響略大于油性劑劑量，在乳化油用量為5%時，乳化液穩定性最高；防銹劑劑量對乳化液穩定性的影響較小，劑量較低時，乳化液較穩定，劑量增加時，乳化液穩定性下降。

表4 乳化液穩定性極差分析結果 分

從表4還可以看出：使用自來水和久置水配制乳化液的極差較大，而使用去離子水配制乳化液的極差較小，去離子水的穩定性優于自來水，自來水又優于久置水，即配制乳化液的水質所含雜質越少，乳化液越穩定。因此，去離子水的穩定性得到了整體提升后，對各因素敏感性較低，說明當乳化油中干擾穩定性的成分(助乳化劑)被剔除后，水質越純凈，乳化液的性能越穩定。對于自來水，油性劑劑量的影響最大，乳化油用量次之，防銹劑劑量的影響最小；去離子水對各因素的整體敏感性均較低，其中對油性劑劑量和乳化油用量表現出了相對較高的敏感性，而對防銹劑劑量則不太敏感；久置水則對防銹劑劑量的敏感度要明顯高于油性劑劑量和乳化油用量，對乳化油用量的敏感性又高于油性劑劑量。

分析其機理可知，由于防銹劑T702為磺酸鹽，本身不與Ca2+、Mg2+結合形成不溶物，耐硬水性能好，因此在含雜質越多的水中作用越突出，即在久置水中的作用大于自來水，在去離子水中的作用不明顯。石油磺酸鈣是清凈劑，還可以防止潤滑劑中的某些成分氧化降解或熱降解成油垢，但其同時也是乳化劑，過量添加會破壞原有的親油、親水平衡值，因此在劑量較低時，乳化液的穩定性較好。

由于季戊C8～C10醇油性劑屬于弱酸，在一定程度上不會受水質干擾，因此其劑量的影響隨水質變化不大。乳化油用量同時影響油性劑和防銹劑的劑量，且影響程度介于二者之間。

表3中9組乳化液樣品靜置15天后，除9號乳化液(9%油性劑+4%防銹劑+4%乳化油)外的樣品，雖然油水分層較為徹底，但均保持了較好的品質，在振蕩后可以復原成均一的乳化液，僅9號乳化液出現了腐敗現象。由于本實驗中乳化液未添加任何防腐劑，也未采取特別的防腐手段，因此可以認為除9號外其余乳化液均有較好的穩定性，不易腐敗，可以長期存放。在本實驗范圍內，選擇11%的油性劑劑量、2%的防銹劑劑量和5%的乳化油用量時乳化液的整體穩定性較好。

3 乳化液穩定性對其摩擦學性能的影響

選用自來水配制的乳化液測試軋制液的摩擦學性能，配方優化前后乳化液的摩擦學性能對比見表5。從表5可以看出，對乳化液的配方進行優化后，不僅乳化液的穩定性上升，而且潤滑性能和極壓性能也得到了同步提升，摩擦系數和磨斑直徑降低、PB值增大。說明配方優化后，使用自來水就可以配制性能優良的乳化液，可以節省實際應用成本。

表5 優化前后自來水配制的乳化液摩擦學性能對比

在一定范圍內，乳化液的穩定性越好，乳化液的離水展著性越差，使乳化液難以在軋輥與軋件表面形成有效潤滑油膜，所以潤滑效果變差。但若乳化液穩定性過差，軋件表面殘油量增大，不但增加軋制油耗，而且降低軋件退火表面清凈性。因此乳化液的穩定性應控制在合理范圍內[10]。

4 結 論

(1) 建立了1套乳化液穩定性的簡易評價標準，以靜置24 h析油、析皂情況評定其在不同水質下的穩定性。

(2) 對于含干擾成分較多、自身穩定性較差的乳化油，用含雜質較多的久置水配制的乳化液穩定性反而優于使用含雜質較少的新鮮自來水和去離子水配制的乳化液；而當乳化油經過成分優化、剔除干擾穩定性的成分后，水質越純凈，所配制乳化液的性能越穩定。

(3) 對乳化油的配方進行優化后，不僅乳化液的穩定性上升，而且潤滑性能和極壓性能也得到了同步提升，不需要使用去離子水，只需自來水即可配制性能優良的乳化液，可以節省實際應用成本。

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INFLUENCE OF EMULSION FORMULA AND WATER QUALITY ON STABILITY OF COLD-ROLLING EMULSION

Ge Xiaoda， Sun Jianlin， Liu Qiaochu

(BeijingUniversityofScienceandTechnology，InstituteofMaterialsScienceandEngineering，Beijing100083)

A simple evaluation criterion was established to compare the influence of dosage of oiliness agents，antirust agent and emulsified oil on the stability of emulsion prepared with fresh water， deionized water， or water placed for a long time. It is found that for the poor stable emulsified oil with more interference components， the emulsion prepared with the long placed water containing more impurities is more stable than the one prepared with other two waters. However， for the emulsified oil with optimized formula and with less interference impurities， the more clean water used， the more stable emulsion is. Formula optimization for emulsified oil is not only beneficial to strengthen the stability of the emulsion and can improve its lubricity and extreme pressure properties.

emulsion； stability； oiliness agent； antirust agent

2014-04-28； 修改稿收到日期： 2014-08-12。

戈曉達，碩士研究生，主要從事金屬軋制潤滑方面的研究工作。

孫建林，E-mail：sjl@ustb.edu.cn。