Beschreibung der physikalischen Abläufe in einer Emulsion

Eine Emulsion ist ein Gemisch von Stoffen, welche sich gewöhnlich nicht vermischen lassen z.B. Wasser und Öl zu dem ein Emulgator hinzugefügt wird. Wenn nur Wasser und Öl gemischt werden, trennen sie sich durch die unterschiedliche Oberflächenspannung wieder auf, das leichtere Öl schwimmt auf dem Wasser. Emulgatoren helfen, dieses zu verhindern und bilden dabei eine Art Brückenverbindung zwischen Öl und Wasser. Die Tropfengröße des Öls spielt dabei eine große Rolle, da sie dafür sorgt, dass sich die Emulsion nicht wieder auftrennt.

Ein Alltagsbeispiel ist die Fruchtsaftlimonade, sie besteht aus Wasser, Zuckerstoffen und in Öl gebundene Aromen und Emulgatoren. Diese werden vermischt und anschließend mittels mechanischem Homogenisator unter hohem Druck (50 - 400 bar) durch einen Düsenspalt gepresst. Ziel dabei ist es, die Öltropfen auf einen Durchmesser von < 0,1 µm zu zerkleinern, so dass sie stabil im Getränk verteilt werden können. Ist das erreicht, ist auch sichergestellt, dass sich die Emulsion nicht mehr auftrennt und entmischt.

Bei Kühlschmierstoffen ist die Vorgehensweise ähnlich, die Mischung wird hier meist mittels Injektor hergestellt. Dabei wird Wasser als Treibmittel eingesetzt, welches die fertige Ölmischung ansaugt und diese so zu einer Emulsion vermischt. Allerdings werden so weniger kleine und gleichmäßig große Öltröpfchen gebildet. Die Größe bewegt sich meist im Bereich von 0,4 - 4 µm.



Durch das Mischen mittels der Venturi-Düse im Injektor, entstehen zunächst unterschiedlich große Öltröpfchen, welche gleichmäßig in der Emulsion verteilt sind.



In der Maschinenwanne trennen sich in der Ruhephase die größeren Öltröpfchen von den kleineren. Da Öl eine Dichte von nur 0,87 - 0,9 g/cm³ hat und somit im Wasser von 1 g/cm³ einen gewissen Auftrieb erfährt, steigen die größeren Öltropfen durch den größeren Auftrieb über die kleineren nach oben.


Mittels Partikelgrößenanalyse wird das sichtbar:


Auflösung:

33,89 % der Öltröpfchen sind < 0,55 µm, 75,51 % der Öltröpfchen sind < 1,29 µm und 78,83 % der Öltröpfchen sind < 3,51 µm.

Daraus resultiert eine mittlere Öltropfengröße von 2,22 µm. Würde diese Emulsion zum Bestreichen einer Oberfläche (Bohrer, Maschinenbahn Wände usw.) verwendet, würde sie für eine Fläche von 5,92 m²/cm³ ausreichen.


Die saubere Emulsion unterm Mikroskop



Zum Vergleich eine gebrauchte Emulsion:

In der Zerspanungsmaschine wird die Emulsion mit Fremdölen usw. belastet. Diese werden meist eingetragen durch Bettbahnöle und durch Korrosionsschutzöle von Werkstücken.


Die belastete Emulsion unterm Mikroskop



Hierbei bilden die grünlichen Punkte das ungelöste Öl. In einigen Öltropfen sind metallische Abriebe eingebettet. Diese beeinflussen die Standzeit der Werkzeuge. Die ungelösten Öle haften auf den bis zu 1000° C heißen Spänen und verbrennen (> 350° C), wobei Nitrosamine und Nitrite entstehen können.


Partikelgrößenanalyse:

19,55 % der Öltröpfchen sind < 0,76 µm, 59,60 % der Öltröpfchen sind < 1,71 µm und 79,05 % der Öltröpfchen sind < 4,70 µm. Die stetig zunehmende Fremdölbelastung verschlechtert die mittlere Öltropfengröße auf VMD 2,49 µm. Dies würde dann nur noch für eine Belegungsfläche von 4,43 m²/cm³ ausreichen. Das hat auch eine Verringerung der Wasserpufferung von 25 % zur Folge und verschlechtert zusätzlich die Kühleigenschaft und steigert den Öleinsatz auf mehr als 25 %.