水基金屬加工液中微乳液形成規律的研究

陳志忠，杜恭，張杰，郎需進，曹正強

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060；2.中國石油蘭州潤滑油廠，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

水基金屬加工液可以按照含油量的不同或稀釋液粒徑的大小分為乳化油、微乳化油，以及全合成液三大類。乳化油一般含油量大于50%，其稀釋液的平均粒徑在1 μm以上，外觀呈現為乳白色，是不透明的，屬于熱力學上的不穩定體系。在調制乳化油時，一般可以通過繪制鐘形曲線來確定復配乳化劑最佳的HLB值與加量[1]。全合成液一般不含油，其分散粒子的直徑小于1 nm，外觀是完全透明的，屬于熱力學上的穩定體系[2]。由于體系中大多物質均溶于水，調制時難度最小。微乳化油中一般含油量為10%～40%，含水量為20%～50%，乳化劑含量為15%～40%[3]。微乳液能在合適的配比下自發形成，其外觀呈透明或半透明狀，一般分散粒子的直徑為10～100 nm，在熱力學上屬于穩定體系[4-5]。微乳化油調制過程中，由于水含量較高，容易出現黏度增大、體系稠化的現象，進而增加了其研制難度。以上三種加工液由于其成分的差異，使其具有不同的使用性能。微乳化油(又稱半合成液)作為一種介于乳化油與全合成液之間的水基加工液，既具有乳化油的潤滑性、防銹性，又具有全合成液的清洗性、滲透性，以及長壽命等優點，顯示出良好的綜合性能[6-8]，完全符合現代機床多功能發展方向的需要，目前廣泛地應用于金屬切削、研磨、鏜孔，以及各種成型工藝中[ 9-10]。

在水基加工液中，影響微乳液形成的因素有很多，如乳化劑加量及HLB值、乳化劑結構、油水比例、基礎油類型、助乳化劑的類型及加量、添加劑的類型及加量等。已有文獻報道了乳化劑的碳鏈長度、加成的環氧乙烷(EO)數等化學結構因素對形成微乳液的影響[11-13 ]，并提出了一些水基加工液中乳化劑類型的選用指南。但乳化劑的加量及HLB值對形成微乳液的影響規律未見相關報道，而這兩個因素是研制微乳液時需要考慮的最重要的因素之一。鑒于此，本文以簡單的基礎體系(油-水-乳化劑體系)為研究對象，考察了不同油水比例下乳化劑的加量與HLB值對體系的影響，對微乳液的形成規律進行了研究探索，為微乳化油的研制提供一些指導和建議。

1 試驗部分

1.1 原料與設備

原料：環烷基油T9(尼納斯，典型數據見表1)；壬基酚聚氧乙烯醚NP-4(AR，阿拉丁化學試劑，HLB=8.9)；失水山梨醇脂肪酸酯聚氧乙烯醚T80(AR，阿拉丁化學試劑，HLB=15)；去離子水(符合GB/T 6682-2008三級水的指標)。

表1 T9的典型數據

設備：WFZ UV-2100型紫外可見分光光度計(尤尼柯儀器有限公司)；馬爾文激光粒度儀MS2000(Malvern Panalytical)。

1.2 試驗方法

1.2.1 濃縮液外觀、5%稀釋液外觀與透明度試驗

在濃縮液外觀、稀釋液外觀與透明度試驗的檢測上，均參照GB/T 6144-2010中的方法。濃縮液外觀：在15～35 ℃溫度下，用100 mL量筒量取100 mL被測濃縮液，靜置24 h后觀察。稀釋液外觀：在15～35 ℃溫度下，用100 mL量筒量取100 mL被測稀釋液，靜置24 h后觀察。稀釋液透明度評定：將被測液倒入250 mL燒杯中，液層高度為(75±3)mm。把一個明亮的5 W、220 V燈泡對準燒杯的底部，從燒杯的上部透過稀釋液觀看燈泡，如能清晰地辨出燈絲，即認為改稀釋液是透明的；如模糊可見燈絲，判定為半透明；如看不見燈絲，則認為稀釋液是不透明的。

1.2.2 稀釋液透光率試驗

將紫外可見分光光度計的波長調節到550 nm，以去離子水作為空白，設定其透光率為100%，測定5%稀釋液的透光率。

1.2.3 粒度測定試驗

用濕法先開始測量背景，背景符合要求并測量完成后，將配好的稀釋液用滴管滴加到去離子水中，到控制的遮光度范圍內(一般為5%～10%)，開始測量。測量完成后，換新鮮的去離子水清洗兩到三次，以背景正常為準。

2 結果與討論

2.1 基礎體系的組成及測試項目

根據微乳液體系中常見的油水比例，設定了四組簡單基礎體系，其中，基礎油選用溶解性強、容易乳化、且易與各種添加劑配伍的環烷基油T9[14]，乳化劑以常見的兩種非離子表面活性劑NP-4與T80以一定比例復配而成，其具有很好的抗硬水作用，從1#至4#基礎體系，基礎油與去離子水的含量均以10%的比例增長，乳化劑的含量則相應降低，具體加量見表2。

依據30位相關專家的意見及在強度描述中的選擇結果,對初擬的評價指標篩選和歸并,去除重復指標、重要性低的指標,最終確立了有關縣域鄉村旅游公路選線適宜性評價的12項指標因子(圖4)。

表2 四組簡單基礎體系的組成 %

實驗室分別考察了以上4組基礎體系中，乳化劑HLB值變化對微乳液形成規律的影響。

在乳化劑總量一定的情況下，通過調節NP-4與T80的加量，配制成一系列不同HLB值的復合乳化劑，乳化指定的油-水體系。復合乳化劑的HLB值計算公式如下：

HLBAB=(HLBA×WA+HLBB×WB)/(WA+WB)

其中，WA和WB分別表示乳化劑A和B的量，HLBA和HLBB分別是A和B的HLB值，HLBAB為混合后乳化劑的HLB值。

測定不同HLB值下濃縮液的外觀、5%稀釋液的外觀與透明度，并檢測5%稀釋液的透光率，選出稀釋液外觀達到微乳液要求的體系，檢測其粒徑大小。

2.2 基礎體系1#中HLB值的變化對形成微乳液的影響

基礎體系1#中，乳化劑加量為40%，油-水比例不變，HLB值的變化對濃縮液和稀釋液外觀、透明度的影響見表3。透光率隨HLB值的變化情況見圖1。

表3 基礎體系1#中HLB值變化對體系的影響

從表3中可看出，HLB值越大，濃縮液黏度越大，越容易發生稠化呈凝膠狀或膏狀，HLB值大于13.4時，開始稠化出現凝膠狀液體，HLB值大于14.4時，濃縮液變為膏狀固體；HLB值越小，濃縮液黏度越小，外觀也呈現為透亮液體。稀釋液從外觀上來看，隨著HLB值的增加，從乳白色過度為灰白色，再到淡藍色，然后為灰白色、乳白色；從稀釋液的透明度來看，在較大或較小的HLB值下，均為不透明狀態，在合適的HLB值區間(13.0～14.4)內，稀釋液呈現半透明或透明狀態。通過稀釋液外觀和透明度的檢測，可以定性的判斷，在HLB值為13.0～14.4的區間內，形成了穩定的微乳液。

圖1 透光率隨HLB值的變化趨勢

圖1為稀釋液的透光率隨HLB值變化的趨勢。可以看出，在HLB值兩邊的區域透光率很小，甚至為0，HLB值中間的區域則透光率較高，在HLB值為13.0～14.4的區間內，透光率均大于40%，從外觀上來看為半透明或透明狀態。HLB值為13.4時，透光率為74.9%，達到峰值。通過對稀釋液透光率的檢測，從定量的角度進一步驗證了HLB值在中間區間內形成了透明或半透明的微乳液。

選取HLB值為13.0～14.4區間內的任意一個基礎體系，用馬爾文激光粒度儀測定其粒徑，結果見圖2。

圖2 HLB值在13.0時的基礎體系形成微乳液的顆粒分布

從圖2中可看出，HLB值為13.0的基礎體系的平均粒徑d(0.5)為0.071 μm，符合微乳液的粒徑分布。圖中只有一個單峰，且峰寬較窄，說明微乳液顆粒分布較為集中，比較穩定。

從上述單個體系的考察結果可看出，微乳化油在調制過程中，要尤其關注HLB值的變化，HLB值一旦超過某個臨界點，濃縮液便開始稠化。而在乳化油的調制中，很少出現稠化的現象。因此，微乳化油中大多采用一些助劑，如單丁醚、短鏈醇等來進一步拓寬HLB值范圍，降低體系黏度[15]。在1#基礎體系中，HLB值為13.0～13.2的區間內，可以調制出濃縮液和稀釋液外觀均合格的微乳化油。

2.3 乳化劑的加量及HLB值的變化對形成微乳液的影響

將乳化劑的加量從40%分別降低至34%、27.4%、20.14%，分別考察基礎體系2#、3#、4#中HLB值變化對體系的影響，具體結果見表4～表6。

表4 基礎體系2#中HLB值變化對體系的影響(乳化劑加量為34%)

表5 基礎體系3#中HLB值變化對體系的影響(乳化劑加量為27.4%)

表6 基礎體系4#中HLB值變化對體系的影響(乳化劑加量為20.14%)

從表4、表5中可看出，濃縮液隨著HLB值的增大逐漸由液態變為凝膠狀，再變為固態，趨勢同基礎體系1#的表現。稀釋液外觀與透明度的變化也與基礎體系1#的趨勢一致。所不同的是隨著乳化劑加量從40%分別降低至34%、27.4%，濃縮液開始稠化的HLB值由原來的13.4分別下移至13.0、12.8，稀釋液形成微乳液的區間也發生了移動，由原來的13.0～14.4分別下移至12.8～13.6、12.6～13.0，且區間寬度由原來的1.4分別下降至0.8、0.4。

從表6中可看出，當乳化劑的加量降低至20.14%時，濃縮液的外觀由透亮液體變為凝膠狀，再變為乳白色渾濁液體，而非固態；表現出與基礎體系1#、2#、3#稍有差異的趨勢。其開始凝膠化的HLB值也下降為12.6。稀釋液的外觀從乳白色變為藍白色，再至乳白色，且其均為不透明狀態，中間并沒有出現淡藍色透明液體的區間，而淡藍色透亮液體判定為微乳液的最直觀的表現。可見，在乳化劑加量低至一定程度時，已經無法形成微乳液體系。

表7總結了乳化劑加量與HLB值的變化對濃縮液和稀釋液的影響。在簡單基礎體系中，隨著乳化劑加量的減少，油與水含量增加，為了使體系達到平衡，復合乳化劑的親油性需要進一步提高，才能形成水包油(O/W)的微乳液，故乳化劑加量降低時，其HLB值也要相應降低，才能使體系再次達到平衡。此外，隨著乳化劑加量的減少，形成微乳液的區間也逐漸縮小，這與乳化油的鐘形曲線類似，當乳化劑加量降低至某個臨界點時，無法再形成透明均一的微乳液。

表7 乳化劑加量與HLB值對體系的影響

從表7中也可看出，即使乳化劑加量高達40%時，濃縮液和稀釋液均合格的HLB值區間(13.0～13.2)也非常窄，這也是微乳液調制難度遠高于乳化油的一個原因。因此，微乳液的調制中助劑的引入往往必不可少，其可有效地提高界面流動性，避免凝膠、液晶狀態的產生[16]。

3 結論

(1)在簡單基礎體系中，各組分加量不變的情況下，復合乳化劑的HLB值較小時，濃縮液呈現為透亮液體，隨著HLB值的增大，濃縮液的黏度變大，開始發生稠化逐漸呈凝膠狀或膏狀；對于稀釋液而言，HLB值較大或較小時均無法形成微乳液體系，在中間合適的HLB值區間內，稀釋液可以形成粒徑在10～100 nm之間的透明或半透明的微乳液體系。

(2)簡單體系中乳化劑加量降低時，濃縮液開始發生稠化的HLB值下移，形成微乳液的HLB值區間也出現下移，并且其區間寬度逐漸縮小，當乳化劑加量降低至某個臨界點時，無法再形成透明均一的微乳液體系。