Olej a voda v tribodiagnostice

Olej nebudeme řešit olivový, arašídový, dýňový, kokosový, konopný, lněný, mandlový, palmový, sezamový, slunečnicový nebo sójový. Bude řeč o starém dobrém minerálním oleji tedy na ropném základě.

Voda jako problém

Voda v průmyslovém odvětví může způsobovat, jak si každý dobře uvědomuje, řadu problémů. Asi nejčastějším neduhem je koroze nebo tvorba úsad v podobě uhličitanu vápenatého na nejrůznějších místech. Jsme pak nucení díky těmto dějům měnit konstrukční materiály, upravovat korozní prostředí, zavádět elektrochemickou ochranu či volit nějakou formu povrchové úpravy materiálu. Vzhledem ke snížení celkové tvrdosti vody a vodivosti uvažujeme také nad zavedením iontoměničů či reverzní osmózy.

Voda jako pomocník

Voda má několik nesporných výhod. Zejména má velmi vysokou tzv. měrnou tepelnou kapacitu a funguje také jako vynikající rozpouštědlo. Voda disponuje jednou z největších tepelných kapacit mezi všemi látkami. Měrná tepelná kapacita vody je cca 4 200 J·kg-1·K-1. U vzduchu je tato hodnota asi 1 000 J·kg-1·K-1 a měrná tepelná kapacita minerálního oleje je cca 2 100 J·kg-1·K-1. Tato hodnota nám pro náš účel vyjadřuje schopnost ochlazovat okolní prostředí díky absorbci tepla, aniž by se sama dramaticky ohřála. Díky své specifičnosti (tvorba vodíkových můstku v molekule) rozpouští voda hydrofilní, polární látky plynné, kapalné i pevné fáze a vznikají tak vodné roztoky.

Olej jako problém

Zde je velmi patrné riziko bezpečnosti. Tvorba olejové mlhy při obrábění materiálů, kluzká podlaha a úkapy, dýchací potíže při používání velmi lehkých olejových podílů. Riziko spojené s nevhodným výběrem oleje.

Olej jako pomocník

Okřídlená věta zní: Kdo maže, ten jede. Olej nám obecně pomáhá tam kde chceme eliminovat neblahý efekt třecí síly nebo chceme vliv tření korigovat. Stejně jako voda je olej schopen ochlazování svého okolí a jak bylo řečeno výše, současně významně snižuje vliv třecí síly. Toto vše je samozřejmě závislé na tekutosti/viskozitě oleje a jeho dalších parametrech včetně zvolené výkonnostní úrovně.

Voda a olej problém

Ano pokud neřídíme kontakt vody a oleje je výsledkem heterogenní směs dvou oddělených kapalin, které spolu interagovaly do té míry, kolik jim dovolovala vzájemná možnost
saturace, aktuální teploty a mezifázového rozhraní. Olej i voda nejsou při takovém kontaktu schopny přenést své přednosti do výsledného spojení obou kapalin, ale naopak negativně ovlivní jedna druhou. Tuto záležitost nejčastěji vnímáme při proniknutí vody do hydraulického nebo turbínového oleje.

Voda a olej jako pomocník

Pokud požadujeme, aby voda a olej využily svůj synergický potenciál musíme vytvořit emulzi. Emulze je tedy dočasně stabilní směs nemísitelných kapalin, například právě oleje a vody, která vzniká jemným rozdělením jedné fáze na velmi malé kapičky. Běžné emulze mohou být olej suspendovaný ve vodě nebo vodné fázi (o/w) nebo voda suspendovaná v oleji (w/o). Mohou existovat i složitější systémy, například olej ve vodě v oleji (o/w/o). Známé potraviny ilustrují příklady: mléko je emulze oleje ve vodě; margarín je emulze vody v oleji; a zmrzlina je emulze oleje a vzduchu ve vodě i s pevnými částicemi ledu.

Většina emulzí vyžaduje použití funkčních chemických látek, tzv. emulgátorů, které stabilizují suspenzi malých kapiček a zabraňují jejich koalescenci nebo spojování za vzniku větších kapiček. Hnací silou koalescence je zmenšení mezifázové plochy, což snižuje termodynamickou energetickou hladinu systému. Emulgátory vytvářejí fyzikální bariéry, které zabraňují spojování kapiček.

Emulgátory jsou charakterizovány hydrofilně lipofilní rovnováhou (HLB), číslem od 1 do 20, které udává, která tendence je dominantnější. Hodnota HLB menší než 6  upřednostňuje emulze vody v oleji; hodnota větší než 8 upřednostňuje emulze oleje ve vodě. Hodnoty 7–9 označují dobrá smáčedla.

Kromě emulgátorů patří mezi další faktory, které ovlivňují stabilitu emulzí, viskozita kontinuální fáze (vyšší je lepší), velikost kapek (menší je lepší, obvykle 1–10 μm) a rozdíl hustot mezi oběma fázemi (menší rozdíl je lepší). Některé složky mohou ovlivnit viskozitu; hustoty jsou obvykle poměrně dobře fixovány; takže velikost kapek se stává jedinou proměnnou, kterou lze při zpracování manipulovat.

Výroba emulze

Emulgace spočívá ve vytvoření malých kapiček a v tom, že jsou dostatečně obaleny vhodným emulgátorem. Vytvoření malých kapiček vyžaduje přidání energie k vytvoření velké mezifázové plochy. Například v kuchyni to může znamenat intenzivní šlehání mixérem.

Kromě správného dodání energie je rozhodující i pořadí přidávání složek. Správný postup je připravit nejprve kontinuální fázi včetně emulgátoru. Poté se za intenzivního míchání
pomalu přidává disperzní fáze. Dobrým příkladem je majonéza. Teoreticky mohou být homogenní kuličky hustě zabaleny tak, aby zabíraly 74 % daného objemu. V majonéze může olej tvořit více než 74 % složení, což znamená, že zatímco je dispergovanou fází, kontinuální fázi tvoří tenký film kolem mnoha kapiček oleje. To také znamená, že vzhledem k tomu, že tradičním emulgátorem je vaječný žloutek, hrozí nebezpečí inverze směsi vlivem cholesterolu, pokud není míchání pečlivě kontrolováno. Konkrétně se olej musí přidávat pomalu, aby lecitin mohl důkladně obalit malé kapičky.

Vysoké nebo nízké teploty mohou emulze destabilizovat, proto se obvykle nezmrazují. Nízké teploty mohou způsobit ztuhnutí tukové fáze, zatímco vysoké teploty mohou způsobit, že se kapičky energeticky srazí natolik, že dojde ke koalescenci.

Praxe

V naší praxi se nejčastěji setkáváme s emulzemi pro obrábění kovů. Kapaliny pro obrábění kovů (MWF) jsou skupinou průmyslových kapalin, které se používají ke snižování  teploty a/nebo mazání kovových obrobků při jejich obrábění. Při řezání a broušení může vznikat značné množství tepla a tření, což může způsobit nežádoucí termomechanické vedlejší účinky: pálení, deformace, kouř, drsnost povrchu, tepelné deformace atd. Pokud se obrobek spálí, může se stát nevhodným pro následné použití, zatímco zplodiny a kouř představují zdravotní riziko pro dýchací cesty pracovníků. Termomechanické nevýhody konvenčního obrábění kovů mohou představovat logistické zdravotní a bezpečnostní problémy, pokud nejsou řešeny.

Formulace různých typů kapalin pro obrábění kovů (MWF)

MWF jsou složité receptury obsahující minerální (ropné) nebo organické oleje a řadu přísad a stabilizátorů, které mohou být emulgovány až z 50 % ve vodě.

Složení různých tříd MWF jsou jmenovitá a existuje mnoho různých složek, které mohou být při formulaci zavedeny za účelem zlepšení funkčnosti a stability výrobku. Patří mezi ně mimo jiné látky proti mlžení, protipěnivé látky, biocidy, inhibitory koroze, dispergátory, stabilizátory atd. K dosažení požadovaných vlastností konečného použití MWF, jako je optimální mazivost, může být zapotřebí až 20 různých složek. V mnoha případech může být požadováno více různých přísad ze stejné kategorie. To může způsobit množství problémů s kompatibilitou mezi základními kapalinami a přísadami nebo mezi přísadami samotnými.

Problémy se stabilitou kapalin pro obrábění kovů

Obvykle se emulgované MWF připravují smícháním různých složení a individuálním posouzením účinků různých přísad. Tato metoda je sice užitečná při určování vlivu  jednotlivých složek na funkčnost a stabilitu, ale časově náročná a nákladná.

Problémy s chemickou a fyzikální nestabilitou v MWF mohou snížit výkonnost a nepříznivě ovlivnit kvalitu výrobku a existuje nespočet destabilizačních jevů, které je mohou ovlivnit: koalescence olejových kapek, rozpad emulze, pěnění, separace fází atd. Ačkoli základními faktory destabilizace jsou složení emulze a afinita složek, rozhodující roli při rozpadu koloidů hraje také vnější síla. Síla čerpání může urychlit mechanickou nestabilitu, což znamená, že výrobky se v podmínkách reálného použití destabilizují rychleji. Tato vlastnost přímo souvisí s účinností MWF.

Typy obráběcích kapalin

Kapaliny pro obrábění kovů na bázi vody (MWF) se obvykle prodávají jako koncentráty, které koncoví uživatelé ředí vodou. Používají se tři alternativní typy koncentrátů. První typ je založen na běžných rozpustných olejích, což je směs oleje a aditiv s vyšším podílem oleje. Další, tzv. syntetický typ, se skládá z vody a přísad v poměru 2:1.

Třetím typem koncentrátů jsou polosyntetické emulze, které se skládají ze zhruba stejných dílů oleje, vody a přísad. Polosyntetické emulze jsou stále oblíbenější, protože se ukázalo, že jsou velmi stabilní po delší dobu, zejména pokud se ředění a doplňování provádí demineralizovanou vodou (DEMI) nebo vodou s reverzní osmózou (RO), což výrazně zpomaluje nárůst tvrdosti vody v chladicím systému.

Problémy s emulzemi – Bakterie

Jak bylo uvedeno výše – voda je život. Určitou přirozeností je tedy tvorba bakterií. Bakterie jsou velkou skupinou jednobuněčných organismů o délce několika mikrometrů (mikrometr se rovná jedné miliontině metru). Na Zemi jich jsou známy tisíce druhů, které jsou schopny kolonizovat jakékoli prostředí, a to znamená, že bakterie se podílejí na většině biomasy planety.

Pro své přežití jsou bakterie, stejně jako všechny živé druhy, závislé na zdrojích energie, jako je světlo nebo chemické látky, a na dostupnosti živin, především uhlíku, nezbytných pro jejich metabolismus.

Pro jejich optimální rozmnožování jsou však klíčové tři parametry. Úroveň pH, teplota a především kyslík, který představuje klíčový rozlišovací znak pro identifikaci dvou velkých kategorií: aerobních bakterií, které ke svému metabolismu kyslík potřebují, a anaerobních bakterií, které ho naopak nepotřebují.

Mezi anaerobní bakterie patří například bakterie redukující síru (SRB), které vytvářejí typický zápach zkažených vajec a mohou způsobovat tmavé skvrny na průmyslových strojích a obráběných dílech. Dalšími typy v chladicích kapalinách velmi běžných anaerobních bakterií jsou echerichia coli, která se běžně vyskytuje ve střevech, bacillus cereus, rozšířený v půdě, a clostridium sp, všudypřítomný a schopný vytvářet spory.

Z aerobních je třeba zmínit pseudomonas oleovorans, který je nejčastější v chladicích kapalinách, stafylokoka sp, potenciálně patogenního, a konečně achromobacter sp, velmi častý ve vodách.

Problémy s emulzemi – Růst a šíření bakterií

V ideálních podmínkách bakterie rostou v počtu, přičemž se každých 10–20 minut duplikují a následují exponenciální růst, dokud nedosáhnou tzv. plató, tedy maximální držitelné
hustoty populace. Za touto hranicí dochází k pomalému poklesu (hladovění) počtu jednotek. Bakterie, které vidí, že jejich množení je ohroženo, tak aktivují řadu mechanismů.
Jedním z těchto mechanismů je produkce spor, v případě bakterií vytvářejících spory. Tvorba rezistentních spor umožňuje mnoha druhům bakterií odolávat extrémním podmínkám prostředí, zatímco čekají na dosažení lepších podmínek.

Problémy s emulzemi – Tvorba biofilmu

Další strategií, kterou mohou mnohé druhy bakterií uplatňovat, aby se mohly dále množit a zároveň se chránit před vnějším prostředím, jsou biofilmy: biofilmy vznikají, když se malý počet bakterií přichytí na substrát, jako je vnitřní strana stroje nebo potrubí, a podaří se jim nerušeně odolávat, a začnou se shlukovat. První kolonizující jedinci začnou  produkovat zvláštní buněčné mediátory neboli specifické molekuly používané jako komunikační jazyk, které podporují uvolňování velkého množství polymerů na bázi polysacharidů. To postupně umožňuje přilnutí dalších mikroorganismů, které časem vytvoří velmi odolnou komplexní strukturu.

Tento film vytváří základ, v němž často koexistují různé druhy mikroorganismů, které spojené dohromady vytvářejí vysoce stabilní konkrement, jímž je obtížné proniknout. Spolupráce různých druhů bakterií v rámci biofilmu podmiňuje projevy zvláštních vlastností samotných druhů tvořících biofilm, což vede k větší odolnosti jedinců vůči biocidům a detergentům.

V dalších článcích budou rozebrány důvody, proč jsou biofilmy vážným problémem v provozech na zpracování kovů: musí být fyzicky odstraněny vyprázdněním systémů a otevřením strojů a navíc většina baktericidů používaných k ošetření emulzí obtížně proniká do těchto biofilmů.

Problémy s emulzemi – Biodegradace emulzí

Vodné emulze používané při obrábění kovů se obvykle připravují přidáním nejrůznějších chemických látek do minerálně‑olejového základu, jako jsou mýdla mastných kyselin, sulfonáty, amidy, aminy, estery, neiontové povrchově aktivní látky zvané ethoxylované alkoholy, mazací přísady na bázi síry a fosforu a další sloučeniny.

Mnohé z těchto látek jsou živinami pro mikroorganismy jako zdroje uhlíku a dalších prvků. Současně existují další faktory, které působí jako kontaminanty: odpadní oleje z obráběcích strojů (tzv. ztrátové oleje) ovlivňující procesy, znečišťující látky jak ze zpracovávaných materiálů, tak z okolního prostředí, a dokonce i voda použitá k přípravě samotné emulze. Tyto znečišťující látky, kromě toho, že jsou spouštěčem kontaminace mikroorganismů, jim mohou poskytovat další výživu.

Problémy s emulzemi – Vliv na výkon emulze

Činnost mikrobů může ovlivnit výkonnost vodních roztoků několika způsoby. Povrchově aktivní látky a estery jsou degradovány na kyseliny, což způsobuje pěnění, tvorbu kaše
a oddělování emulze. Tvorba kyselin vede k poklesu pH, což následně způsobuje výrazné snížení antikorozní účinnosti, a tím i korozivní jevy na železných materiálech. Pokles pH rovněž snižuje biologickou stabilitu výrobku tím, že urychluje množení mikroorganismů. Degradace mazacích přísad proti opotřebení a takzvaných EP (Extreme Pressure) přísad snižuje řezné schopnosti emulze, což vede ke snížení životnosti nástroje a nepřijatelné povrchové úpravě. Degradace inhibitorů kovů může způsobit zabarvení a zbytky na neželezných materiálech (slitiny hliníku, mědi atd.), čímž se stávají nevhodnými pro obchod.

Vliv na pracovní prostředí

Emulze nejsou nikdy zcela sterilní a minimální mikrobiální aktivita je přítomna vždy, ale pokud dosáhne obzvláště významných hodnot, prvním a nejzřetelnějším příznakem je jistě zápach, jaký lze nalézt v provozech v pondělí ráno po dvou dnech nečinnosti strojů.

Viníkem tohoto nepříjemného zápachu je metabolismus mikrobů, při kterém vznikají látky jako kyseliny a aldehydy. Mezi tyto vedlejší produkty patří sulfan/sirovodík, který
poznáte podle charakteristického zápachu zkažených vajec. Tyto plyny se hromadí během odstávek a uvolňují se z emulze při opětovném spuštění recirkulace.

Přítomnost slizovitých zbytků v systému nebo ve filtrech je také jasným ukazatelem mikrobiologické aktivity: může se jednat o bakteriální biofilmy nebo houby.

Je důležité odstranit z povrchu emulze olej, pokud je přítomen, protože kromě toho, že působí jako živina pro mikroorganismy, zabraňuje okysličování tím, že podporuje činnost
anaerobních bakterií.

V neposlední řadě je třeba mít na paměti zdravotní rizika plynoucí z biologického rozkladu, mezi něž patří infekce, reakce na toxiny a senzibilizace (neboli alergické reakce), přičemž tato rizika se výrazně zvyšují tam, kde se nacházejí nesprávně ošetřené rány, jako jsou řezné rány a odřeniny.

Sledování podmínek

Vzhledem k uvedenému je nanejvýš důležité sledovat jak koncentraci a pH, které je relativně snadné kontrolovat, tak i vodivost emulze, alkalickou rezervu, tendenci k pěnění a tvorbu bakterií či plísní.

Autorem článku je Tomáš Prokop, Oma CZ. Příspěvěk prošel recenzním řízením.