Estabilidade de fluidos de usinagem: como prever a quebra da emulsão antes que ela pare sua produção

A instabilidade começa antes da separação visível

A quebra da emulsão nem sempre começa com uma separação visível. Alterações no tamanho e na concentração das gotas podem ocorrer muito antes de o operador perceber a formação de duas fases no reservatório. Por isso, confiar apenas na inspeção visual pode fazer com que a instabilidade seja identificada quando o problema já está avançado.

Floculação, coalescência, cremeação e sedimentação podem comprometer progressivamente a capacidade do fluido de controlar o atrito e a temperatura, remover resíduos, proteger contra corrosão e garantir o acabamento das peças.

Como identificar a instabilidade antes que ela seja visível

É possível antecipar esse processo acompanhando instrumentalmente as variações de tamanho e concentração das gotas. Métodos baseados em espalhamento múltiplo estático de luz analisam toda a altura da amostra e detectam mudanças nos sinais de retroespalhamento e transmissão, inclusive quando o fluido ainda parece homogêneo a olho nu.

Com esse acompanhamento, formuladores, laboratórios e responsáveis pelo controle de qualidade podem:

• comparar a estabilidade de diferentes formulações;
• detectar tendências de desestabilização antes da separação visível;
• avaliar a resistência do fluido à água dura e a contaminantes;
• acompanhar a condição da emulsão durante o uso;
• estabelecer critérios para manter, corrigir ou substituir o fluido;
• otimizar processos de separação e recuperação do óleo.

Em um dos estudos reunidos pela Microtrac, a análise instrumental permitiu prever a estabilidade da emulsão após oito horas. Para comparação, a observação visual exigiu 12 dias a 54 °C ou até quatro meses em temperatura ambiente. 

Esses resultados não estabelecem um valor universal para determinar a troca de qualquer fluido. Cada operação deve criar uma linha de base, relacionando as alterações medidas ao desempenho do fluido e à qualidade do processo. A vantagem está em identificar tendências e tomar decisões com dados antes que a instabilidade resulte em perda de desempenho, retrabalho, descarte prematuro ou parada da produção.

Como a análise instrumental reduziu meses de espera para oito horas

O resultado citado anteriormente vem do estudo Monitoring and Predicting Emulsion Stability of Metalworking Fluids by Salt Titration and Laser Light Scattering Method, de Y. P. Zhao e colaboradores.

O trabalho avaliou a estabilidade de emulsões de fluidos de usinagem combinando titulação com sal e análise por espalhamento de luz. O objetivo era verificar se as mudanças físicas da emulsão poderiam antecipar o comportamento observado nos testes tradicionais de envelhecimento.

Quanto tempo cada método exigiu?

• Turbiscan: 8 horas

• Observação visual a 54 °C: 12 dias

• Observação visual em temperatura ambiente: até 4 meses

Por que a diferença foi tão grande?

A inspeção visual depende de uma alteração macroscópica, como cremeação ou formação evidente de duas fases. Nesse estágio, a emulsão já passou por mudanças internas que podem ter começado muito antes.

O Turbiscan acompanha essas mudanças desde os estágios iniciais. Durante a medição, uma fonte de luz de 880 nm percorre toda a altura da amostra e registra os sinais de retroespalhamento e transmissão.

As variações desses sinais permitem acompanhar:

• mudanças no tamanho das gotas;

• alterações na concentração local;

• formação de agregados;

• migração para a parte superior ou inferior da amostra;

• velocidade de evolução da instabilidade.

O ganho não está apenas no tempo

Obter resultados em horas permite comparar formulações durante o desenvolvimento sem esperar semanas ou meses por uma separação visível. Isso acelera a seleção de emulsificantes, a avaliação da resistência à água dura e a identificação de formulações com maior estabilidade física.

Como o TSI permite comparar a estabilidade das formulações

Os sinais de retroespalhamento e transmissão mostram onde e como a amostra está mudando. Para facilitar a comparação entre diferentes formulações, o Turbiscan reúne essas variações no Turbiscan Stability Index, conhecido como TSI.

O TSI é um índice adimensional que considera as alterações registradas em toda a altura da amostra durante o período de análise. Sua interpretação segue uma lógica direta:

• TSI mais baixo: menor evolução da amostra e maior estabilidade física;

• TSI mais alto: maior intensidade de desestabilização e menor estabilidade física.

O índice não indica apenas se houve separação de fases. Ele também considera alterações provocadas pelo crescimento das gotas, formação de agregados e migração de partículas ou gotículas.

Tween 65, Tween 80 ou formulação de referência?

No ensaio apresentado pela Microtrac, foram comparadas três emulsões:

• formulação de referência, sem estabilizante adicional;

• formulação com Tween 65;

• formulação com Tween 80.

As amostras foram acompanhadas durante três dias em temperatura ambiente. Entretanto, após aproximadamente dez horas, as curvas de TSI já permitiam observar diferenças no comportamento das formulações.

A formulação com Tween 65 apresentou evolução semelhante à emulsão de referência, indicando que sua adição não produziu uma melhora relevante na estabilidade. Já a formulação com Tween 80 manteve valores de TSI consideravelmente menores durante o ensaio.

O resultado indica que o Tween 80 reduziu a velocidade de coalescência e apresentou melhor desempenho como estabilizante para aquela formulação específica.

O que essa comparação representa na prática?

Em vez de aguardar a separação visual das amostras, o formulador pode utilizar o TSI para:

• classificar formulações por estabilidade;

• comparar diferentes emulsificantes e concentrações;

• eliminar rapidamente combinações com baixo desempenho;

• acompanhar a cinética de desestabilização;

• selecionar candidatos para testes posteriores;

• documentar resultados quantitativos em pesquisa e controle de qualidade.

O TSI não substitui a avaliação do desempenho do fluido durante a usinagem. Ele funciona como um critério quantitativo de triagem, permitindo concentrar os testes operacionais nas formulações que apresentaram maior estabilidade física.

Como otimizar a formulação para condições de água dura

A qualidade da água utilizada na preparação do fluido pode alterar diretamente a estabilidade da emulsão. Cálcio, magnésio e outros cátions divalentes podem interagir com os emulsificantes, reduzir sua eficiência e favorecer a formação de depósitos.

Por isso, uma formulação estável em água de baixa dureza pode apresentar comportamento diferente quando preparada com a água disponível na planta industrial.

Como comparar diferentes formulações?

No estudo apresentado pela Microtrac, foi utilizado um planejamento de experimentos, conhecido como DOE, para identificar uma formulação capaz de atender simultaneamente a três critérios:

• maior estabilidade em água dura;

• boa capacidade de autoemulsificação;

• baixa formação de espuma.

O DOE permite alterar diferentes componentes da formulação de maneira planejada e avaliar como cada variável influencia o resultado. Para isso, porém, é necessário utilizar uma medida quantitativa de estabilidade.

A observação visual não fornece dados suficientemente objetivos para comparar pequenas diferenças entre as amostras. Além disso, esperar pela separação visível tornaria o processo de otimização muito mais demorado.

Nove formulações avaliadas em 24 horas

O estudo comparou nove formulações durante 24 horas a 50 °C. A estabilidade foi acompanhada pela variação do retroespalhamento na região central de cada amostra.

Alterações mais intensas no sinal indicam maior evolução da emulsão ao longo do ensaio. Com esses dados, foi possível classificar as nove formulações e inserir os resultados no modelo estatístico do DOE.

O que mudou após a otimização?

Os resultados instrumentais foram utilizados para determinar a combinação de componentes com melhor desempenho. Em seguida, a formulação otimizada foi comparada com a formulação original.

A nova composição apresentou uma variação de retroespalhamento consideravelmente menor. 

Qual é a aplicação prática?

A combinação entre DOE e análise instrumental permite avaliar de forma objetiva como diferentes componentes afetam a estabilidade do fluido.

Essa abordagem pode ser utilizada para:

• selecionar emulsificantes mais resistentes à água dura;

• ajustar concentrações de óleo e aditivos;

• comparar matérias-primas;

• reduzir o número de formulações levadas aos testes operacionais;

• acelerar o desenvolvimento de novos produtos;

• adaptar uma formulação às condições de água de diferentes clientes ou plantas.

Nesse contexto, o Turbiscan fornece a resposta quantitativa necessária para o planejamento experimental. O DOE identifica quais variáveis devem ser ajustadas, enquanto a análise de estabilidade mostra se a nova formulação realmente evolui mais lentamente.

Como determinar quando o fluido precisa ser substituído

A estabilidade não é importante apenas durante o desenvolvimento da formulação. Durante o uso, o fluido entra em contato com partículas metálicas, óleos estranhos, variações de temperatura e outros contaminantes que podem alterar progressivamente suas propriedades.

A questão prática é definir quando essa evolução começa a comprometer a eficiência do fluido. Substituí-lo antes do necessário aumenta o consumo e o volume de descarte. Mantê-lo por tempo demais pode afetar a qualidade das peças e o desempenho da operação.

Fluidos acompanhados durante dois anos

No estudo de Matos et al., citado no white paper da Microtrac, fluidos utilizados em processos com fios de cobre foram acompanhados durante dois anos.

Os pesquisadores compararam emulsões novas e usadas para verificar se as alterações no retroespalhamento poderiam ser relacionadas ao momento em que o fluido precisava ser substituído.

A análise mostrou uma diferença clara entre os dois estados. A emulsão usada apresentou uma evolução mais intensa do sinal ao longo do tempo, indicando que sua estrutura física já não se mantinha tão estável quanto a do fluido novo.

Uma indicação obtida após dez horas

Além de comparar os perfis completos, os pesquisadores acompanharam a inclinação da curva de retroespalhamento ao longo do tempo.

Após aproximadamente dez horas de medição, já era possível diferenciar a emulsão nova daquela que havia atingido a condição de substituição.

Como aplicar esse acompanhamento na rotina?

O método pode ser incorporado ao controle de qualidade por meio da comparação periódica entre o fluido em uso e uma referência em boas condições.

Uma rotina de acompanhamento pode considerar:

• perfil de retroespalhamento do fluido novo;

• velocidade de mudança do sinal ao longo do tempo;

• histórico das amostras coletadas durante o uso;

• desempenho do fluido no processo;

• acabamento e qualidade das peças;

• momento em que cada lote precisou ser substituído.

Com esse histórico, a empresa pode estabelecer critérios próprios para reconhecer quando a emulsão começa a se afastar do comportamento considerado adequado.

O limite precisa ser definido para cada processo

O estudo demonstra que o retroespalhamento pode funcionar como indicador da condição do fluido, mas não estabelece um valor universal para todas as aplicações.

O critério de substituição deve ser construído relacionando os dados instrumentais às condições reais da operação. Tipo de fluido, concentração, materiais processados, contaminação e exigências de acabamento podem alterar o limite aceitável.

A principal vantagem é substituir uma decisão baseada apenas em aparência, tempo de uso ou calendário por um acompanhamento quantitativo da evolução da emulsão.

Como otimizar a reciclagem do fluido usado

A substituição do fluido não significa que todos os seus componentes perderam valor. Emulsões usadas ainda podem conter óleo e outras matérias-primas recuperáveis, desde que as fases sejam separadas de maneira eficiente.

Uma das estratégias utilizadas para essa recuperação é a demulsificação química. Nesse processo, sais são adicionados para romper a estabilidade da emulsão e favorecer a separação entre a fase oleosa e a água.

A maior dosagem nem sempre produz o melhor resultado

No estudo de Pacholski et al., citado no white paper da Microtrac, diferentes concentrações de sulfato de alumínio, Al₂(SO₄)₃, foram utilizadas para promover a separação de uma emulsão de óleo em água.

O Turbiscan acompanhou a evolução da transmissão ao longo do tempo. Com a separação das fases, regiões da amostra tornam-se mais transparentes, permitindo avaliar:

• a velocidade da demulsificação;

• a eficiência da separação;

• o tempo necessário para o processo;

• a concentração de sal mais adequada;

• a qualidade da fase aquosa obtida.

Os resultados mostraram que simplesmente aumentar a quantidade de sal não garante uma separação mais rápida ou mais completa. Cada sistema pode apresentar uma faixa de concentração mais eficiente.

Como identificar a dosagem adequada?

A inclinação da curva de transmissão indica a velocidade com que a emulsão está se separando. Quanto mais rapidamente o sinal evolui, maior é a velocidade de clarificação naquela região da amostra.

O nível final de transmissão também ajuda a avaliar a qualidade da separação. Quanto mais o sinal se aproxima do comportamento da água pura, menor tende a ser a presença de óleo disperso na fase aquosa.

Qual é a aplicação prática?

O acompanhamento instrumental permite selecionar a dosagem com melhor equilíbrio entre velocidade de separação, recuperação do óleo e consumo de reagente.

Essa abordagem pode contribuir para:

• reduzir o uso excessivo de sais;

• aumentar a recuperação da fase oleosa;

• melhorar a qualidade da água separada;

• diminuir o volume destinado ao descarte;

• comparar diferentes agentes demulsificantes;

• desenvolver processos de reciclagem mais consistentes.

Nesse caso, a desestabilização deixa de ser um problema e passa a ser uma etapa controlada do processo. O objetivo não é preservar a emulsão, mas rompê-la de maneira rápida, previsível e eficiente.

Da formulação à reciclagem: decisões baseadas em estabilidade

A estabilidade dos fluidos de usinagem precisa ser acompanhada em diferentes etapas do seu ciclo de vida. Durante o desenvolvimento, a análise ajuda a comparar emulsificantes, matérias-primas e formulações. No controle de qualidade, permite identificar diferenças entre lotes antes do uso.

Durante a operação, o acompanhamento do retroespalhamento pode revelar alterações no fluido antes que a separação seja visível. Com a criação de uma linha de base própria, esses dados também podem apoiar a decisão sobre o momento de corrigir ou substituir a emulsão.

Após o uso, a mesma tecnologia pode acompanhar a demulsificação e ajudar a otimizar processos de recuperação do óleo.

Na prática, a análise instrumental permite:

• detectar alterações físicas em seus estágios iniciais;

• comparar formulações por meio do TSI;

• reduzir o tempo necessário para testes de estabilidade;

• avaliar o comportamento em condições de água dura;

• acompanhar a evolução do fluido durante o uso;

• estabelecer critérios próprios de substituição;

• otimizar a dosagem de agentes demulsificantes.

O Turbiscan não substitui a avaliação do desempenho do fluido na operação. Ele acrescenta uma medida quantitativa da estabilidade física, reduzindo a dependência da inspeção visual e permitindo decisões mais rápidas e fundamentadas.

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Fonte: METAL WORKING FLUIDS STABILITY MEASUREMENT WITH TURBISCAN AT EACH PRODUCT LIFE STAGE