기름의 분산

  기름과 같은 전하하지 않는 물질은 위의 현상은 일어나지 않는다. 이러한 물질을 물에 풀 수 있게 하기 위해서는, 물과 결합되는 부분과 기름에 결합되는 부분의 양쪽 모두를 겸비하는 양쪽 모두에 친한구조의 중개역이 필요하다.
  그것들을 유화제, 전문 용어에서는 계면활성제라고 불러 이것들을 취급하는 학문을 계면화학이라고 말한다. 이 조작으로 기름이 물에 진입한 경계를 유화(가용화 또는 분산)라고 말해, 그것은 물과 기름의 두개의 형상으로 나누어지는데 대항하는 정도를 가리키고 있는 것이다. 이 행위는 자연의 법칙을 거역한(엔트로피의 개념) 형태의 것이기 때문에, 이러한 경계의 안정화 이론에 관해서는 많은 학문이 있다.
  이러한 물리화학적으로 자세한 것은 접어두고 유화액의 과정으로부터 구체적인 수용성 윤활제에 대해 설명한다.

유화제의 구조

  수중에 기름을 미립자로서 안정하게 분산시키는 작업을 유화라고 말해 그 결과 완성된 경계를 유화액이라고 표현하는데, 그 구조는 분자 중에 2개의 성질을 가지고 있어 한편은 물과 친숙해지는 수용성기(친수기라고도 함)고 다른 한쪽은 기름과 친숙해지는 유성기 (소수기라고도 함)가 결합한 양쪽모두에 친한 구조가 되어 있다.

  계면활성제의 분자와 물, 기름과의 관계를 확대한 이미지를 아래에 나타낸다.

  수중에 기름이 계면활성제 분자로 둘러싸여(캡슐상), 분산하고 있는 모습을 아래에 나타낸다.

유화액 크기의 결정

  유화액의 입경은 계면활성제의 양과 분산하는 기름의 양(입경=표면적)으로 결정한다. 즉, 계면활성제의 양이 많으면 입경은 작아지고 적으면 커진다.
  입경은 0.1~50미크론을 형성시킬 수가 있다. 또 에멀션을 백탁액이라고 말하는데 이 현상은 기름 방울이 커서 빛(파장과 관계한다.)이 반사해 보이는 것이다.
  반대로 투명해 연속층이라고 보이는 것은 기름 방울이 작고 빛이 통과해 버리기 때문이다.
  일반적으로 백탁액을 에멀션형, 투명액을 소류불형이라고 정의하고 있다. (입경은 에마르션이 10~1.0, 소루블은 1~0.1미크론 정도 이다.)

  입자의 크기에 의한 색의 변화(파장과 관계한다.)의 이미지를 아래에 나타낸다.

용존 상태의 문제

  용존상태란, 물속에 용해·분산하고 있는 물질이 수중에서 어떠한 움직임을 하는 것이다.
  만약 물이 물엿과 같은 높은 점도라고 생각하면, 그 속의 입자는 끈끈한 상태의 가운데를 이동하게 되어 운동을 할 수 없게 된다.
  반대로 입자의 농도가 높고 입경이 큰 경우도, 동일한 현상이 일어난다.
  즉, 입자가 이동하기 쉬운 환경조건 만든 것이 기능의 발휘에 가장 중요한 요소인 것이다.

유화액의 성질

▶ 유화 안정성의 문제
  유화액의 안정성을 결정하는 인자는, 기름 방울을 계면활성제로 형성한 경계막의 강도와 입자 지름이 중요하여 계면활성제의 양이나 종류 등으로 결정하는 것이다.   그러나 이러한 상태는 온도·점도·비중차 등, 많은 물리적 요인이 복잡하게 얽히고 있어 특히 온도의 영향은 현저하게 받아 파괴에 이른다.
  이와 같이 유화액의 환경은 많은 요인이 얽히고 있는 것으로 장기의 안정성은 기대 할 수 없는 것으로 있다.
 

▶ 기능을 발휘하는 조건
 유화액의 성질 중에서 가장 중요한 것은 언제, 어떠한 상태에서 유화상태가 형성되어 목적으로 하는 세정이나 윤활등의 기능을 발휘하도록 하는 농도는 어느 정도인지의 근거이다.
  세정 효과는 더러운 물질의 표면을 계면활성제가 흡착해 캡슐이 되었을 때에 나타난다.
  즉, 오염물질을 감싸는 데에 필요한 계면활성제의 양이 존재하면 좋은 것이다. 그 최저한도 필요한 양을 CMC(한계 미셀 농도)라고 해서, 그것을 측정하는 것에 의해 유화액의 상황이나 추세를 알 수 있다.
  동시에 이 지표는 윤활 성능의 평가에도 이용 할 수 있는 경우도 있어(폐사의 논문을 참조해 주세요.) 다양한 현상을 해명하는 원점이 되는 것이다.

  구체적으로 아래의 그림은 인발유의 태선용 수용성 윤활제의 상태를 설명한다.
  유막 강도 곡선은 유화액 입자의 안정성을 나타내, 그 추이는 윤활 성능 곡선의 최대치로 대응한다. 주목해야 할 점은 윤활 성능 곡선의 농도 7~8%에 윤활 성능의 최대치를 가지는 것이다.
  또, 세정 효과 곡선은 6%로부터 급격하게 세정 효과가 변화하기 시작해 9%근처에서 평형 상태가 된다.
  모두 공통되는 현상은, 어느 농도에서 특성이 변화하는 특이점이 있는 것이다. 따라서 그 최대치의 전후가 그 신선유의 특성이 되는 것이다.

수용성 윤활제의 성분과 각각의 역할

  에멀션 입자가 접촉 물질과 흡착·반응하는 모습을 미시적이게 본 모델을 아래에 나타낸다. (계면활성제는 비누로 접촉 물질이 금속인 경우에 반응물질은 금속 비누가 되어 금속 표면에 강한 막이 형성된다.)

수용성 윤활제의 사용 목적과 효과

※수용성 윤활제는, 비수용성 오일(비수계)에는 없는 많은 특징을 가진다.※

① 냉각성
  비수용성유와 비교해 수용성계는 비열이 높고, 금속을 가공할 때에 발생하는 마찰열을 냉각하는 효과가 높다.

② 불연성
  사용상 안전성이 높다.

③ 경제성
  물이 주체이기 때문에 경제적이다.
 

수용성 윤활제의 특징

※수용성 윤활제를 사용하는 데 있어서 다음 사항을 미리 이해해 둘 필요가 있다.※

① 물은 100℃로 비등한다. 가공열이 물의 비점을 넘었을 경우, 표면에서 핵비등이 일어나 가공 표면은 물윤활(증기)이 되어 기능을 잃는다. (수용성 윤활제의 사용 한계 온도는 약 60℃까지 이다)

② 수용성 윤활제의 이점은 냉각 효과에 있으므로, 기름 성분 농도를 높이면 열확산 효과는 저하된다.

③ 극압첨가제(인·할로겐·유황 화합물등 E.P첨가제)는 100℃이상에서 기능을 발휘하기 때문에 수용성에서의 첨가 효과는 기대할 수 없다.

④ 유화제로서 비누를 사용하고 있는 경우는 희석하는 수질에 의해 크게 영향을 받는다.

⑤ 가공 금속종류 대부분의 금속은 물과 반응하므로 방청 대책이 필요하다.

⑥ 장기간 사용하면 유화액은 기계적·화확적인 영향을 받아 손상하여 본래의 기능을 발휘 할 수 없기 때문에, 액의 성질을 이해해 관리·조정할 필요가 있다.

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