Водные растворы полимеров

Вода и минеральные масла в течение многих десятилетий являлись наиболее распространенными закалочными охлаждающими средами. Однако их технологические свойства настолько различны, что они могут быть признаны отвечающими требованиям сегодняшнего дня только в строго ограниченных случаях применения. Для обоснования целесообразности введения в технологию термической обработки в последние время третьей группы охлаждающих сред, состоящих из водных растворов синтетических полимерных соединений, достаточно упомянуть только те недостатки масел, которые создают целесообразность применения полимерных охлаждающих сред. К таким существенным недостаткам закалочных масел относятся:
- недостаточная скорость охлаждения в области температур минимальной стойкости переохлажденного аустенита для некоторых мaрок стали, в основном углеродистых, а также малолегированных при больших сечениях;
- возгораемость, а также выделение вредных паров и газов для обслуживающего персонала;
- довольно большой расход за счет выноса с садкой и повышенное испарение;
- необходимость мытья в щелочных растворах и связанная с этим организация нейтрализации стоков.
В связи с существенными недостатками и ограничениями по применению масел и воды давно уже изыскиваются новые охлаждаю­щие среды со следующими свойствами:
- охлаждающая способность в температурной области перлитного превращения должна быть выше, чем у минеральных масел;
- охлаждающая способность в области температур мартенситного превращения должна быть близкой к охлаждающей способности масел;
- нейтральность и безвредность для обслуживающего персонала и природной среды.
Многочисленные исследования, проведенные во многих странах в течение последних 40 лет, показали, что перечисленные требования к свойствам можно получить, применяя водные растворы некоторых соединений полимеров. Таким образом, возникла новая многочислен­ная группа охлаждающих сред с различными свойствами.
Полимеры являются химическими соединениями, состоящими из длинных цепочек (макрочастиц), образованных в результате соединения одинаковых или различных микрочастиц, называемых мономерами [1]. Такая реакция носит название полимеризации. Физико-химические свойства полимеров определяются как химическим строением мономеров, так и способом их синтеза. Полимеры могут при комнатной температуре быть жидко­стями или твердыми телами, аморфными или кристаллическими.
Полимеры могут быть классифицированы [4] согласно источнику, растворимости, типу цепи, и так далее. Одна из первичных классификаций – на полимеры естественные и синтетические. Пример природных полимеров - это естественный каучук и целлюлоза. Большинство полимеров, используемых как закалочные жидкости при высокой температуре, искусственно получены промышленностью. Примеры синтетических полимеров: полиалкилен гликоль (PAG), поли натрий акрилат (PSA), и поливинилпирролидон (PVP).
Далее полимеры могут быть классифицированы на растворимые в воде и нерастворимые. Очевидно, полимеры, используемые в качестве водных закалочных жидкостей – растворимы в воде.

Полимеры могут также классифицироваться структурно на линейные, разветвленные, или сетчатые (сшитые) (рис. 2). Большинство полимеров, используемые как водные закалочные жидкости, линейные. Сетчатые полимеры вообще не используются, поскольку они обычно нерастворимы в любом растворителе. Одно исключение - полимер, который имеет небольшое взаимное соединение и необычные отношения вязкости/температуры, где вязкость увеличивается с температурой.
Наконец, полимеры могут быть классифицированы на ионные и неионные. Ионные полимеры - те, которые ионизируются при растворении в воде. Наиболее известные, это PSA и натрий полисобутилен малеат (малеинат) (PMI).
Одна из проблем, связанных с использованием ионных полимеров - их чувствительность к поливалентным катионам в закалочных жидкостях. Полианионные полимеры типа PSA и PMI формируют " комплексы полиэлектролита" с поливалентными катионами, которые могут формировать осадок или коацерват (нерастворимое масло, которое формируется в водных растворах в результате комплексообразования). Коацервация и осаждение следуют из образования поперечных связей. Это уменьшает гидратацию и отдает полимер и нерастворимый комплекс катиона. Источниками поливалентных металлических ионов являются кальций или магний от жесткой воды, растворимые (Fe+3) ионы от оксидной пленки железа или коррозия изделия в закалочном баке.
Большинство полимеров, используемых в качестве закалочных жидкостей - неионные. Например: PAG, PVP, и полиэтил оксасолин (PEOX). Неионные полимеры - не настолько восприимчивы к комплексообразованию полиэлектролита как ионные и более подходят для использования при высокой температуре.