Emulgatoren zur Herstellung von Kühlschmierstoffen

Emulgatoren bewirken, dass alle Bestandteile wassermischbarer Kühlschmierstoffe während des Einsatzes gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt bleiben. Nur so lassen sich der reibungsmindernde Effekt von Ölen und die hervorragende Kühlwirkung des Wassers für die Zerspanung und die Umformung von Metallen nutzen. Erfahren Sie hier mehr über die Funktion von emulgierenden Stoffen im Kühlschmiermittel.

Was sind Emulgatoren?

Emulgatoren gehören zu den Tensiden. Dabei handelt es sich um chemische Stoffe mit einem besonderen Molekülaufbau. Die Moleküle setzen sich aus einem wasserliebenden (hydrophil) und einem ölliebenden (lipophil) Teil zusammen. Das Größenverhältnis der beiden Teile bestimmt, ob ein Tensid eher wasser- oder eher öllöslich ist. Der Aufbau der Moleküle hat zur Folge, dass sich diese an Grenzflächen ansammeln und zu ihrer Lieblingsseite ausrichten. Eine Grenzfläche ist zum Beispiel die Oberfläche einer Flüssigkeit, in der sie mit der Umgebungsluft in Kontakt steht.

Grenzflächen bilden sich auch zwischen Flüssigkeiten, die nicht ineinander löslich sind. Die schwerere Flüssigkeit sammelt sich am Boden (sedimentiert), die leichtere Flüssigkeit steigt nach oben (rahmt auf). Befinden sich Tenside im Gemisch, besetzen sie die Fläche, die die beiden Phasen voneinander trennt. Mischt man die beiden Phasen durch kräftiges Schütteln oder intensives Rühren miteinander, bilden sich Tropfen aus. Die Oberfläche eines Tropfens stellt ebenfalls eine Grenzfläche dar, an der sich die Tenside anlagern. Gelingt es dadurch, ein stabiles Gemisch zu erzeugen, wird dieses als Emulsion bezeichnet. Die Tenside fungieren in diesem System als Emulgatoren.

A) Zwei nicht mischbare Flüssigkeiten, noch nicht emulgiert
B) Eine (flüchtige) Emulsion (Vermischung) mit den zwei Flüssigkeiten
C) Die instabile Emulsion trennt sich fortschreitend
D) Erst das Tensid (Umriss um die Partikel) sorgt für eine stabile Emulsion

Anforderungen an Emulgatoren für wassermischbare Kühlschmierstoffe

Chemische Stabilität der Emulgatoren

Wassermischbare Kühlschmierstoffe sind Konzentrate, deren Hauptbestandteile Grundöle sind. Die Öle wirken als Schmiermittel. Damit sich die Schmierstoffe im Wasser verteilen können, enthalten die Konzentrate Emulgatoren. Außerdem sind den Konzentraten weitere Zusatzstoffe beigemischt, die unter anderem die Emulsionen zusätzlich stabilisieren, die Werkstoffe vor Korrosion schützen, die Vermehrung von Mikroorganismen behindern und eine übermäßige Schaumbildung unterbinden. Die einzelnen Bestandteile müssen ihre Eigenschaften während der Lagerung und im Betrieb beibehalten. Nur so können sie ihre unterschiedlichen Aufgaben im Kühlschmiermittel erfüllen. Das bedeutet, die Komponenten dürfen untereinander und mit Wasser keine chemischen Verbindungen bilden.

Anpassung der Emulgatoren an die Wasserhärte

Wassergemischte Kühlschmierstoffe sind Emulsionen, die sich aus Konzentraten und Wasser zusammensetzen. Für den Ansatz verwendet man in der Regel normales Leitungswasser, das stets einen bestimmten Anteil an gelösten Mineralien (hauptsächlich Magnesiumsalze, Kalziumsalze, Salze der Kohlensäure) enthält. Die Menge der gelösten Mineralien bestimmt die Wasserhärte, die in der Maßeinheit °dH angegeben wird. Liegt der Wert unter 5 °dH, neigen die Emulsionen zu starker Schaumbildung. Übersteigt er 20 °dH, können sich wasserunlösliche Kalkseifen bilden und auf den Oberflächen der Werkzeuge und Werkstücke ablagern. Die Auswahl von geeigneten Emulgatoren für Kühlschmierstoffe kann diese Probleme etwas entschärfen. Besser ist es jedoch die Wasserhärte durch Verdünnen mit vollentsalztem Wasser oder Aufhärten mit entsprechenden Salzen in den optimalen Bereich zu bringen.

Hydrophil-lipophiles Gleichgewicht

Das hydrophil-lipophile Gleichgewicht (englisch: hydrophilic-lipophilic balance, abgekürzt HLB) ist ein Maßstab zur Einteilung der Tenside nach ihren Anwendungsbereichen. Die Werte reichen von 0 bis 20, wobei der Wert 0 einen vollständig öllöslichen, wasserabweisenden Stoff kennzeichnet. Der Wert 20 steht für einen vollständig wasserlöslichen, ölabweisenden Stoff. Dazwischen sind die Tenside eingeordnet. Für die Auswahl geeigneter Emulgatoren ist das Mengenverhältnis von Öl und Wasser in der Emulsion ausschlaggebend. In den meisten Fällen überwiegt eine Komponente (kontinuierliche Phase). Die andere Komponente ist darin tropfenförmig verteilt (disperse Phase). Wassergemischte Kühlschmierstoffe haben in der Regel einen Konzentrat-Anteil von 5 – 10 %. Die kontinuierliche Phase ist demzufolge das Wasser. Für ein stabiles Kühlschmiermittel sind Emulgatoren erforderlich, die in Wasser gleichgut oder etwas besser löslich sind als in Öl. Ihr HLB-Wert liegt zwischen 8 und 18. Die Auswahl des optimalen Emulgators ist davon abhängig, welche Schmiermittel und welche weiteren Zusatzstoffe zu den Bestandteilen der Kühlschmierstoffe gehören.

Einfluss der Tropfengröße

Die Stabilität einer Emulsion ist auch von der Größe der Tropfen in der dispersen Phase abhängig. Je kleiner der Durchmesser ist, umso stabiler ist das Gemisch. Mit der Erzeugung sehr kleiner Tröpfchen ist allerdings ein hoher Aufwand verbunden. Zum einen wird sehr viel mechanische Energie benötigt, um Tropfen immer weiter zu zerkleinern. Andererseits vergrößert sich dabei die insgesamt vorhandene Grenzfläche, was einen höheren Verbrauch an Emulgatoren bedeutet. Es ist außerdem zu berücksichtigen, dass sich zwischen den an die disperse Phase angelagerten und den in der kontinuierlichen Phase gelösten Emulgator-Molekülen ein Gleichgewicht einstellt. Es wird also mehr Emulgator benötigt, als die Tropfenoberflächen aufnehmen können.

Herstellung von Kühlschmiermittel-Emulsionen

Die meisten Kühlschmierstoffe gehören zu den grobdispersen Makroemulsionen mit Tropfen, deren Durchmesser größer als 1 um sind. Das Anmischen der Kühlschmiermittel erfolgt häufig mit regelbaren Dosiergeräten, die an eine Frischwasserleitung angeschlossen sind. Kernstück der Geräte ist eine Venturidüse. Der freie Durchmesser dieser Düse verjüngt sich bis zu einer Engstelle, danach wird er wieder größer. Weil die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in der Engstelle sehr groß ist, sinkt der Druck dort stark ab (Gesetz von Bernoulli). Das reicht aus, um über einen an die Engstelle angeschlossenen Schlauch Kühlschmierstoffe anzusaugen. Während das Konzentrat von der Strömung mitgerissen wird, bildet sich die Emulsion mit den erforderlichen Tropfendurchmessern aus.

Eine andere Möglichkeit, wassermischbare Kühlschmierstoffe zu Emulsionen zu verarbeiten, besteht darin, eine exakt abgemessene Menge Wasser in einen Behälter zu füllen und die erforderliche Menge Konzentrat zuzufügen. Die Flüssigkeiten werden zunächst langsam miteinander vermischt. Anschließend lassen sich ausreichend kleine Tropfen mit Hilfe eines Rührwerks erzeugen.