Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Структура, состав и свойства комплексных литиевых пластичных смазок 10
1.1. Тенденции развития производства и потребления пластичных смазок в Российской Федерации 11
1.2. Коллоидная природа пластичных смазок и особенности их свойств 15
1.3. Влияние состава пластичных смазок на их свойства 17
1.4. Пластичные смазки на комплексных мылах 20
1.4.1Дисперсионная среда комплексных литиевых смазок 23
1.4.2Дисперсная фаза комплексных литиевых смазок 28
1.5. Заключение по обзору литературы 35
1.6. Технические требования к разрабатываемой комплексной литиевой смазке 36
Экспериментальная часть 38
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 38
2.1. Дисперсная фаза 38
2.2. Дисперсионная среда 40
2.3. Характеристика методов исследования
2.3.1. Стандартные методы оценки свойств сырьевых компонентов и пластичных смазок 42
2.3.2. Сканирующая электронная микроскопия 46
2.4. Приготовление пластичных смазок в лабораторных условиях 47
2.4.1. Конструкция лабораторного оборудования для приготовления смазок 47
2.4.2. Технология приготовления пластичных смазок 50
ГЛАВА 3. Влияние состава комплексного литиевого мыла на свойства пластичных смазок 52
3.1. Влияние молекулярной массы алифатической дикарбоновой кислоты на структуру и свойства пластичных смазок з
3.2. Влияние количественного соотношения кислот, входящих в состав дисперсной фазы 58
3.3. Влияние наличия свободных щелочей и кислот на свойства комплексных литиевых смазок 62
ГЛАВА 4. Влияние дисперсионной среды на свойства комплексных литиевых пластичных смазок 66
4.1. Зависимость вязкостно-температурных свойств от фракционного состава синтетических полиальфаолефиновых масел 66
4.2. Свойства комплексных литиевых смазок на основе ПАОМ различной вязкости 70
4.3. Зависимость загущающей способности комплексного мыла от выбора дисперсионной среды и ее содержания в смазке 76
4.4. Влияние массового соотношения омыляемых кислот на свойства комплексных литиевых смазок на основе смеси ПАОМ-4+ ПАОМ-40 (23/77) при общем содержании дисперсной фазы 17,0% 79
ГЛАВА 5. Влияние технологических факторов на характеристики комплексных литиевых пластичных смазок 83
5.1. Омыление кислот дисперсной фазы 83
5.2. Термомеханическое диспергирование
5.2.1. Скорость нагрева технологической среды 88
5.2.2. Максимальная температура нагрева
5.3. Способы охлаждения и свойства комплексных литиевых смазок 92
5.4. Получение лабораторного образца комплексной литиевой смазки 95
Заключение 99
Список сокращений и обозначений 103
Список иллюстративного материала
- Влияние состава пластичных смазок на их свойства
- Стандартные методы оценки свойств сырьевых компонентов и пластичных смазок
- Влияние количественного соотношения кислот, входящих в состав дисперсной фазы
- Зависимость загущающей способности комплексного мыла от выбора дисперсионной среды и ее содержания в смазке
Введение к работе
Актуальность. Суммарное потребление пластичных смазок в
Российской Федерации за период 2011-2014 гг. составляет 52,2-57,0 тыс. т/год. За три года спрос на натриевые и натриево-кальциевые смазки сократился с 27% до 8%, объем реализации кальциевых гидратированных смазок упал с 36% до 30%. В то же время потребление некоторых высокоэффективных пластичных смазок, например, комплексных литиевых, возросло на 391%, увеличив их рыночную долю с 2 до 9%, комплексных кальциевых – на 300%, доля их потребления выросла с 3 до 11%.
Рынок высокоэффективных смазок в основном представлен импортными продуктами. Их годовое потребление в 2014 г. составило 16 тыс. т, в том числе 38,6% – продукты компании Shell; 15,7% – ExxonMobil; 9,7% – Total.
Основная доля выпуска смазочных материалов в Российской Федерации приходится на литиевые, гидратированные и комплексные кальциевые, натриевые и натриево-кальциевые пластичные смазки. Это объясняется обеспеченностью сырьем, технологиями и мощностями для производства «морально устаревших» смазок, а также их низкой себестоимостью.
Пополнение ассортимента отечественными высококачественными
пластичными смазками происходит очень медленно, несмотря на то, что тенденции мирового производства неуклонно смещаются в сторону выпуска перспективных комплексных литиевых, полимочевинных, безводных и сульфонатных кальциевых пластичных смазок.
Комплексные литиевые пластичные смазки (кLi-смазки) обладают целым рядом преимуществ по сравнению с простыми литиевыми смазками: прекрасными механическими свойствами, хорошей водостойкостью, лучшей коллоидной стабильностью, и, самое главное, высокой температурой каплепадения (>230С), что расширяет верхний температурный предел работоспособности смазок до 160-180С.
В России кLi-смазки выпускаются в очень ограниченном количестве, в качестве основ используются в основном остаточные нефтяные масла, имеющие температуру застывания не выше минус 15С и кинематическую вязкость при 100С около 20 мм2/с, что существенно сказывается на
температурном диапазоне их применения. В то же время в развитых странах ассортимент кLi-смазок на основе как нефтяных, так и синтетических масел очень широк. Объемы производства таких смазок составляют десятки тысяч тонн и продолжают расти за счет снижения выпуска простых литиевых, гидратированных и комплексных кальциевых пластичных смазок.
Таким образом, разработка состава и технологии получения комплексных литиевых смазок, доступных к применению в широком интервале как положительных, так и отрицательных температур, является актуальной.
Цель работы: разработка рецептуры и технологии получения комплексных литиевых смазок с улучшенными низкотемпературными свойствами.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
провести анализ рецептур, технологий и современного состояния производства пластичных смазок на комплексных литиевых мылах;
изучить влияние состава дисперсной фазы и дисперсионной среды на физико-химические и эксплуатационные свойства комплексных литиевых смазок;
разработать компонентный состав комплексной литиевой смазки, по реологическим и физико-химическим характеристикам не уступающей товарным пластичным смазкам зарубежного производства и превосходящей их по низкотемпературным свойствам;
исследовать влияние технологических факторов на реологические и физико-химические свойства комплексных литиевых смазок.
Научная новизна работы:
-
Впервые установлено, что введение алифатических дикарбоновых кислот с длиной цепи не менее 9 атомов углерода в состав дисперсной фазы пластичных смазок на основе полиальфаолефиновых масел (ПАОМ) позволяет получать комплексные литиевые смазки с высокой температурой каплепадения (>250С).
-
Впервые обоснован выбор себациновой кислоты как наиболее эффективного комплексообразователя в сочетании с 12-оксистеариновой кислотой при получении дисперсной фазы комплексных литиевых смазок на основе ПАОМ, что выражается в увеличении предела прочности на сдвиг и улучшении коллоидной стабильности.
-
Установлена обратная зависимость между вязкостью дисперсионной среды (ПАОМ) и пределом прочности комплексных литиевых смазок (с увеличением вязкости ПАОМ уменьшается предел прочности) и прямая зависимость между увеличением вязкости ПАОМ и увеличением эффективной вязкости пластичных смазок.
-
Экспериментально доказано, что использование в качестве дисперсионной среды смеси ПАОМ-4+ПАОМ-40 в процентном соотношении 23/77 при общем содержании 83,0% (что соответствует содержанию дисперсной фазы 17,0%) обеспечивает относительно малую эффективную вязкость смазки при низких температурах (до 800 Пас при минус 30С и до 2200 Пас при минус 40С) и относительно высокий предел прочности на сдвиг при высокой температуре (в пределах 250-550 Па при 50С).
Практическая значимость работы:
разработан компонентный состав комплексной литиевой пластичной смазки, не уступающей импортным аналогам по эксплуатационным показателям и превосходящей их по низкотемпературным свойствам;
показано, что получение заданных характеристик пластичной смазки достигается при сочетании следующих технологических операций: совместной нейтрализации кислот, выпарки воды, термомеханического диспергирования мыло-масляной смеси до максимальной температуры нагрева не ниже 220С, выдержки технологической среды при этой температуре не менее 10 минут, охлаждении смазки за счет дробной подачи дисперсионной среды и постоянного перемешивания до температуры 20-30С, гомогенизации готовой пластичной смазки;
предложена принципиальная технологическая схема производства комплексных литиевых смазок;
результаты проведенного исследования используются при организации производства комплексных литиевых смазок на ПАО «НК «Роснефть» - МЗ «Нефтепродукт».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы доложены и обсуждены на двух научно-практических конференциях:
IV Международная конференция «Отечественная наука в эпоху изменений:
постулаты прошлого и теории нового времени», Екатеринбург, ноябрь 2014 г.; XIX Международная научно-практическая конференция «Современное состояние естественных и технических наук», Москва, июнь 2015 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи в научных изданиях, включенных в перечень Высшей Аттестационной Комиссии (ВАК) Министерства образования и науки Российской Федерации, 1 статья в издании, не включенном в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, 2 приложений, списка использованной литературы из 143 наименований. Общий объем диссертационной работы состоит из 126 страниц машинописного текста, включая 24 рисунка и 25 таблиц.
Влияние состава пластичных смазок на их свойства
Существует два определения пластичной смазки – реологическое и коллоидное. В.В. Синицыным сформулировано определение [2], основанное на реологических характеристиках смазок: «пластичной смазкой называют смазочный материал, который при воздействии на него малых нагрузок в условиях обычных температур проявляет свойства твердого тела, при достижении нагрузкой критического значения начинает пластично деформироваться и течь подобно жидкости, а после снятия усилия вновь приобретает свойства твердого тела».
В этом определении отражена главная и весьма важная отличительная особенность пластичных смазок от смазочных масел. Еще одним отличительным признаком смазок от масел является их аномальное внутреннее трение – вязкость, не подчиняющаяся закону Ньютона и являющаяся не только функцией температуры, но и изменяющаяся в зависимости от скорости деформации. С повышением градиента скорости деформации вязкость смазок резко понижается, что также выгодно отличает их от масел.
В отличие от смазочных масел, пластичные смазки способны удерживаться в негерметичных узлах трения, работоспособны в широком интервале температур и нагрузок, проявляют высокие защитные свойства от коррозии, работоспособны при контакте с водой и другими агрессивными средами, имеют меньший расход. К недостаткам пластичных смазок можно отнести низкий коэффициент теплопередачи, их большую подверженность окислению по сравнению с маслами, иногда сложность подачи смазки к узлу трения [6,14,24,25].
Особенности свойств пластичных смазок, обусловливающие сформулированное выше их реологическое определение, аномалия вязкости и другие специфические характеристики связаны с коллоидной природой (структурой) смазок. Пластичные смазки в современном представлении коллоидной химии можно рассматривать как высокоструктурированные тиксотропные дисперсии, образованные трехмерным структурным каркасом дисперсной фазы, частицы (элементы) которой в одном или двух измерениях имеют коллоидные и в третьем – макроскопические размеры, а в ячейках структурного каркаса капиллярными, адсорбционными и другими физическими связями удерживается дисперсионная среда – смазочное масло.
Кроме того, в смазках всегда содержатся поверхностно-активные вещества (ПАВ). Их количество незначительно, они специально вводятся в качестве присадок для изменения некоторых свойств, либо образуются в процессе изготовления смазки [26,27,28].
Естественно, что особенности строения структурного каркаса и другие факторы, определяющие устойчивость системы, зависят от физико-химических свойств компонентов каркаса и среды, его наполняющей, а также от наличия ПАВ, наполнителей, существенно влияющих на размеры и форму элементов структурного каркаса и на энергию связей в системе [29].
Однако при изучении процесса структурообразования удобнее рассматривать пластичные смазки как двухкомпонентные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы. Дисперсионная среда составляет 75-95% массы смазки. Это нефтяные, реже синтетические масла и другие смазочные жидкости. В качестве дисперсной фазы, составляющей 5-25% массы смазки, используются соли высокомолекулярных карбоновых кислот (мыла), твердые углеводороды (парафин, церезин, озокерит и т.п.), неорганические материалы (высокодисперсный силикагель, бентониты, лиофильный, а также вспученный графит и т.п.), материалы, а также другие высокодисперсные вещества с хорошо развитой удельной поверхностью, способные к структурообразованию в неводных средах. Стабильность свойств и устойчивость коллоидной системы пластичной смазки определяются сочетанием состава и технологии изготовления.
Образование структуры мыльных пластичных смазок (в том числе смазок на комплексном литиевом мыле) возможно только при нагревании, так как изначально система представляет собой суспензию измельченного мыла в среде смазочной жидкости. В результате набухания мыла при нагревании и перемешивании (термомеханического диспергирования), оно образует изотропный расплав в среде масла. Из изотропного расплава начинается кристаллизация мыла. В процессе охлаждения с установленной для данного типа пластичной смазки скоростью из волокон мыла формируется структурный каркас смазки. Возникновение трехмерного структурного каркаса характеризуется появлением у коллоидной системы предельного напряжения сдвига. Мыла в зависимости от катиона, аниона и условий приготовления образуют частицы различной формы – лепестковой, игольчатой, пластинчатой, нитевидной либо жгутообразной. Количественно прочность образующейся структуры пластичной смазки определяется силой сцепления частиц в контакте, числом контактов в единице объема, дисперсностью, формой частиц. Прочность структуры тем больше, чем меньше размер частиц и чем больше степень их анизометричности [28, 30].
Основными компонентами пластичных смазок являются дисперсная фаза и дисперсионная среда, поэтому их состав определяет свойства смазок.
Температурные пределы применения смазок во многом определяются температурами плавления и разложения дисперсной фазы, а также ее концентрацией и растворимостью в масле. От природы загустителя зависят антифрикционные и защитные свойства, водостойкость, коллоидная, механическая и антиокислительная стабильность пластичных смазок.
На долю пластичных смазок, загущенных мылами, приходится большая часть всех пластичных смазок, выпускаемых в промышленных масштабах. Загустителем в мыльных смазках служат соли природных или синтетических высших жирных кислот. В производстве мыльных смазок широко используют животные и растительные жирные кислоты [10,31].
Из жиров животного происхождения в производстве пластичных смазок нашли применение говяжий и кашалотовый жир, конское, баранье и свиное сало и др. По химическому составу они представляют собой полные сложные эфиры глицерина и высших одноосновных карбоновых кислот (насыщенных – миристиновой и пальмитиновой кислот, ненасыщенных – линолевой кислоты).
В производстве натриевых и кальциевых смазок широко используют растительные масла в чистом виде: касторовое, сурепное, соевое, хлопковое, рапсовое, пальмовое и др., а также саломасы – продукты их гидрогенизации, а в производстве литиевых смазок – только касторовое масло. Растительные жиры и масла представляют собой сложные смеси эфиров, главным образом, моно-, ди- и триглицеридов насыщенных кислот (лауриновой, пальмитиновой, стеариновой) и насыщенных кислот с одной, двумя (олеиновой, линолевой) и тремя (линоленовой) двойными связями с небольшим количеством свободных жирных кислот, фосфатидов, восков, витаминов, пигментов и других примесей [32].
Стандартные методы оценки свойств сырьевых компонентов и пластичных смазок
Все образцы пластичных смазок приготовлены в специально разработанном лабораторном реакторе Р-1ЖВ, выполненном из стали и закрывающемся герметично (рисунок 6).
Реактор состоит из корпуса (емкости 1), куда помещают различные компоненты смазок. Снаружи корпуса расположена емкость 2, куда заливают теплоноситель – кремнийорганическую жидкость типа ПМС-200. Для заливки и контроля наличия жидкости служит расширительная емкость 3 и штуцер 4 с заглушкой 5. Объем заливаемой жидкости составляет 1,1 дм3. Вокруг емкости 3 размещен специальный термоэлектрический нагреватель 6 (ТЭН), прижатый кожухом 7 и заизолированный теплоизоляцией из базальтового картона 8. Вся конструкция закрыта наружным кожухом 9. В емкость с кремнийорганической жидкостью встроен датчик температуры 10. ТЭН подключен к силовому разъему 11, датчик температуры подключен к клеммнику 12. Загрузка компонентов осуществляется через съемную крышку 13, а для их перемешивания в объеме – смеситель 14, который вращается приводом 15 через резиновую муфту 16. Привод закреплен на траверсе 17. На крышке расположены два штуцера 18 и 19 и закрытое пробкой 20 отверстие, которые предназначены для подачи в рабочий объем реактора твердой, жидкой или газовой фракций компонентов в процессе работы реактора.
Корпус реактора крепится на основании 21. Траверсы с приводом перемешиваются вверх-вниз по стойкам 22 и закрепляются в нужном положении по высоте при помощи двух ручек 23.
Для подключения реактора к силовой сети, регулировки и управления работой реактора предназначен электронный блок управления.
Технология приготовления пластичных смазок Для обеспечения воспроизводимости свойств смазок на этапе обоснования состава дисперсной фазы и дисперсионной среды технология их приготовления оставалась неизменной. Она может быть разделена на 5 последовательных стадий.
На первой стадии происходит совместное растворение высокомолекулярной жирной кислоты и двухосновной предельной карбоновой кислоты в части дисперсионной среды (70%) с получением кислотно-масляной смеси. Процесс растворения происходит при нагревании компонентов до температуры, при которой образуется расплав кислоты-комплексообразователя.
Следующая стадия характеризуется охлаждением кислотно-масляной смеси до температуры ниже точки кипения воды и нейтрализацией кислот избыточным количеством 15-20% водного раствора LiOH (омыление in situ). Во избежание сильного вспенивания технологической среды раствор щелочи приливали тонкой струей. Далее необходимо поддержание условий реакции на заданном уровне не менее 30 минут для завершения процесса омыления. Полноту нейтрализации контролировали по достижению постоянного содержания свободной щелочи в мыло-масляной смеси.
На третьей стадии происходит постепенное увеличение температуры для выпарки воды из реакционной смеси.
Четвертая стадия характеризуется нагревом технологической среды до температуры 220С и выдержкой при этой температуре в течение 15 минут. На данной стадии образуется расплав литиевого мыла 12-HoSt и происходит формирование комплексного мыла в масле.
Пятая стадия включает процессы охлаждения и гомогенизации смазки. После выдержки мыльного расплава при максимальной температуре приготовления отключали электрообогрев и загружали оставшуюся часть масла (30%). Дальнейшее охлаждение образцов проводили в объеме при перемешивании до температуры окружающей среды (20-30С). Через сутки смазка подвергалась механической обработке вручную посредством перетирания через капроновую ткань для сит (артикул 76К). Анализ полученных образцов проводился через сутки после механической обработки. Для проверки сходимости качественных характеристик приготовленных в лабораторном реакторе смазок образцы готовили параллельно (не менее 2-3 варок).
Влияние количественного соотношения кислот, входящих в состав дисперсной фазы
Как показано на рисунке 10, изменение предела прочности полученных образцов носит экстремальный характер с максимумом в точке, соответствующей массовому соотношению 12-HoSt : HSe = 3 : 1 (обр.18 и обр.21). Дальнейшее уменьшение массовой доли дикарбоновой кислоты ухудшает загущающую способность комплексного мыла (обр.19 и 22). № образца смазки Массовое соотношение 12-HoSt:HSe ПАОМ Температуракаплепадения,С Предел прочностина сдвигпри 50С,Па Коллоидная стабильность,%выделенногомасла Вязкость эффективнаяпри минус30С среднемградиентескоростидеформации10/с, Пас Пенетрация при 25С с перемешиванием 60 двойных тактов, 0,1 мм Массоваядолясвободнойщелочи впересчетена NaOH,%
Изменение величины коллоидной стабильности и пенетрации носит аналогичный характер (рисунок 11). С увеличением массового соотношения высокомолекулярной к низкомолекулярной кислоте до значения 3 : 1 наблюдается уменьшение количества отпрессовываемого масла и величины пенетрации смазки (обр.18 и обр.21). При дальнейшем увеличении содержания 12-HoSt, показатель коллоидной стабильности резко ухудшается, пенетрация также резко возрастает (обр.19 и обр.22).
Несмотря на то, что образцы смазок на основе комплексной литиевой соли 12-HoSt и HSe в соотношении 3 : 1 характеризуются максимальным загущающим эффектом, они обладают более высокими значениями эффективной вязкости при минус 30С (рисунок 12).
Так как целью работы является получение кLi-смазки с улучшенными низкотемпературными свойствами, решено проводить работы по подбору дисперсионной среды на основе соотношения кислот, равного 2 : 1.
При пересчете массовых соотношений кислот в мольные установлено, что диапазон исследованных массовых соотношений 12-HoSt : HSe 1,0 – 2,0 – 3,0 – 4,0 : 1 соответствует мольным 0,7 – 1,3 – 2,0 – 2,7 : 1. Таким образом, массовое соотношение высоко- и низкомолекулярной кислот, равное 3 : 1 является мольным соотношением 2 : 1 (обр.18 и обр.21). Это подтверждает выдвинутые авторами [106] предположения о строении комплексного литиевого мыла (рисунок 13):
Влияние наличия свободных щелочей и кислот на свойства комплексных литиевых смазок Реологические свойства и структура пластичных смазок, бесспорно, зависят от присутствия в них свободных щелочей или кислот. Такие исследования проведены для смазок, загущенных оксистеаратом лития [119,126]. Выявлено, что нейтральной реакции смазки соответствуют максимальные значения предела прочности, вязкости, минимальное количество отпрессовываемого масла. Также установлено, что свойства смазок на литиевых мылах 12-HoSt менее чувствительны к изменению щелочности (кислотности) по сравнению со смазками других типов [41,114,119,127,128,129]. Пластичные смазки на комплексных литиевых мылах в этом отношении изучены не были.
Влияние концентрации свободных щелочей и кислот на структуру и основные характеристики кLi-смазок было исследовано на смазке, загущенной мылами 12-HoSt и HSe в среде смеси ПАОМ-4+ПАОМ-40 (23/77), массовое соотношение кислот составило 3 : 1. Суммарный расход мыла на смазку составил 17,0%. Щелочность (кислотность) образцов регулировали введением избытка (недостатка) водного раствора LiOH на стадии омыления. Образцы готовились по технологии, описанной в главе 2. Результаты исследования влияния щелочности (кислотности) на свойства кLi-смазок приведены в таблице 15.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что объемно-механические характеристики кLi-смазок изменяются в зависимости от присутствия в них свободных кислот (щелочей). Наибольший загущающий эффект комплексного литиевого мыла характерен для образцов смазок, имеющих кислую реакцию (обр.23 и обр.24). Но наличие свободных кислот в смазках отрицательно сказывается на таком важном показателе, как температура каплепадения. Образцы смазок, имеющие нейтральную (слабощелочную) среду (обр.25 и обр.26), по прочностным свойствам незначительно уступают кислым смазкам, но превосходят последние по низкотемпературным характеристикам и по величине температуры каплепадения ( 250С).
Увеличение содержания свободных щелочей выше 0,06% NaOH (обр.27 и обр.28) приводит к резкому ухудшению таких показателей, как предел прочности на сдвиг, коллоидная стабильность и пенетрация. Температура каплепадения с ростом щелочности остается выше 250С. Введение LiOH в количестве более 3,0% приводит к существенному понижению загущающего эффекта комплексного литиевого мыла, поэтому является нежелательным.
В результате исследования дисперсной фазы кLi-смазок в среде ПАОМ установлено: Формирование сложного молекулярного комплекса возможно при введении в дисперсную фазу алифатических дикарбоновых кислот с числом атомов углерода не менее 9 (HAz, HSe, додекандиовой кислоты).
С ростом молекулярной массы кислоты-комплексообразователя, загущающий эффект комплексного литиевого мыла увеличивается до точки максимума, соответствующей введению HSe. Это выражается в увеличении предела прочности и улучшении коллоидной стабильности образцов. Исследованные в работе комплексообразователи практически не влияют на низкотемпературные свойства пластичных смазок. Благодаря максимальной загущающей способности HSe, снижение концентрации дисперсной фазы на её основе позволит улучшить низкотемпературные свойства, изменяя предел прочности и коллоидную стабильность в меньшей степени.
Загущающий эффект комплексного литиевого мыла максимален для смазок на основе 12-HoSt и HSe, взятых в массовом отношении 3 : 1. Вместе с тем, полученные образцы характеризуются худшими низкотемпературными свойствами.
Присутствие свободных кислот в смазке вызывает снижение ее температуры каплепадения. Присутствие свободной щелочи сверх стехиометрически рассчитанной более 0,06% NaOH на смазку нежелательно, так как приводит к резкому снижению загущающего эффекта комплексного литиевого мыла. Таким образом, работы по выбору оптимальной дисперсионной среды, обеспечивающей требуемые физико-химические характеристики разрабатываемой пластичной смазки, будут проводиться на основе комплексного литиевого мыла, состоящего из 12-HoSt и HSe в массовом соотношении 2 : 1 с общей щелочностью не более 0,06% NaOH на смазку.
Зависимость загущающей способности комплексного мыла от выбора дисперсионной среды и ее содержания в смазке
Пластичные смазки на основе всех использованных смесей с концентрацией загустителя 21,0-22,0%, характеризуются неудовлетворительными значениями эффективной вязкости при минус 30С (обр.11,32-34,40,46).
Образцы смазок на основе смеси ПАОМ-4+ПАОМ-40 (50/50) с содержанием дисперсной фазы от 16,0 до 20,0% отвечают предъявляемым в разрабатываемой смазке требованиям по величине эффективной вязкости при минус 30С и минус 40С (рисунки 19 и 20, обр.32-39). Вместе с тем они характеризуются низкой коллоидной стабильностью (в пределах 13,9-18,7%), вследствие чего использование данной смеси в рецептуре пластичной смазки не представляется возможным.
КLi-смазки на основе смеси ПАОМ-4+ПАОМ-40 (30/70) с концентрацией дисперсной фазы от 16,0 до 20,0% отвечают предъявляемым к разрабатываемой смазке требованиям по величине предела прочности на сдвиг (обр.41-45). Однако образцы с содержанием загустителя менее 19,0% не проходят по показателю коллоидной стабильности (12,9-13,9%); образцы, содержащие 19,0% и 20,0% комплексного литиевого мыла, не проходят по показателю эффективной вязкости при минус 40С и минус 30С, соответственно.
Установлено, что значениями предела прочности, коллоидной стабильности, пенетрации, эффективной вязкости при температурах минус 30С и минус 40С, отвечающими предъявляемым требованиям, обладает образец, приготовленный в среде смеси ПАОМ-4+ПАОМ-40 (23/77) с общим содержанием дисперсной фазы 17,0% (обр.50, таблица 18). При дальнейшем уменьшении концентрации комплексного литиевого мыла, полученные образцы характеризуются значениями предела прочности и пенетрации, не соответствующими уровню требований. Поэтому принято решение о дальнейшей разработке состава и технологии приготовления кLi-смазки с улучшенными низкотемпературными свойствами на основе образца с общим содержанием дисперсной фазы 17,0%.
В главе 3 представлены результаты исследования зависимости характеристик кLi-смазок от соотношения кислот в дисперсной фазе при общем содержании мыла на смазку 22,0%. В разделе 4.3 установлено, что оптимальным балансом прочностных и низкотемпературных свойств, а также коллоидной стабильности, характеризуется образец 50 на основе смеси ПАОМ-4+ПАОМ-40 (23/77) с концентрацией мыла 17,0%. Так как содержание дисперсной фазы снизилось на 5,0%, требуется повторное изучение зависимости характеристик кLi-смазок от ее состава. С этой целью приготовлены образцы с соотношениями 12-HoSt : HSe в диапазоне 1,0 – 4,0 : 1 (шаг 0,5 : 1). Модельные смазки получены по классической технологии (глава 2). Результаты исследования представлены в таблице 18.
Согласно данным таблицы 18 при массовом соотношении 12-HoSt к HSe, равном 1,0 : 1 (обр.52), очевидно, что загущающего эффекта полученного мыла недостаточно для формирования устойчивой структуры смазки. В интервале массового соотношения омыляемых кислот от 1,5 : 1 до 4,0 : 1 температура каплепадения смазок выше 250С.
С увеличением содержания 12-HoSt в составе комплексного литиевого мыла от 1,5 до 3,0 массовых частей наблюдается улучшение прочностных свойств образцов смазок. Также улучшается коллоидная стабильность и уменьшается пенетрация. Это согласуется с данными, полученными в главе 3. Очевидно, что независимо от вязкости ПАОМ и количества дисперсной фазы на смазку, наибольшей загущающей способностью характеризуется комплексное литиевое мыло, состоящее из 12-HoSt и HSe в диапазоне соотношений 2,0-3,0 : 1 (обр.25, 50, 54).
Дальнейшее увеличение массовой доли 12-HoSt резко ухудшает загущающую способность комплексного литиевого мыла (обр.55 и обр.56). Изменение состава дисперсной фазы при ее общем содержании на смазку 17,0% практически не сказывается на низкотемпературных характеристиках полученных образцов. При содержании мыла 22,0% зависимость свойств смазок от соотношения 12-HoSt к HSe более очевидна. Таблица 18 – Зависимость свойств пластичных смазок от состава аниона комплексного литиевого мыла (среда – смесь ПАОМ-4+ ПАОМ-40 (23/77), содержание дисперсной фазы 17,0%)
В результате исследования зависимости свойств кLi-смазок от вязкости полиальфаолефиновых масел, установлено что с увеличением средней молекулярной массы ПАОМ снижается предел прочности на сдвиг, улучшается коллоидная стабильность и увеличиваются пенетрация и эффективная вязкость образцов. Это согласуется с данными молекулярно-массового распределения углеводородов в ПАОМ и также подтверждается микрофотографиями структуры дисперсной фазы смазок. При увеличении вязкости масел волокна мыла укрупняются, что сказывается на характеристиках полученных образцов.
В ходе проведенного эксперимента установлено, что использование нефтяного масла веретенного АУ (100 = 3,46 мм2/с), синтетических маловязких ПАОМ-4 (100 = 4 мм2/с), ПАОМ-6 (100 = 6 мм2/с), ПАОМ-8 (100 = 8 мм2/с) и высоковязкого ПАОМ-40 (100 = 40 мм2/с) не эффективно, так как полученные на их основе образцы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к разрабатываемой пластичной смазке. Поэтому были приготовлены и исследованы составы кLi-смазок с использованием смесей ПАОМ в различных соотношениях.
Применение в качестве базы смесей ПАОМ-4+ПАОМ-40 в процентных соотношениях 50/50 (100 = 10 мм2/с) и 30/70 (100 = 16 мм2/с) в диапазоне концентраций от 78,0% до 84,0% также не эффективно ввиду частичного несоответствия характеристик полученных образцов техническим требованиям (таблица 6).
Существенное влияние на качество пластичных смазок оказывают условия их производства. Богатая номенклатура и высокие требования к качеству товарных продуктов, широкий ассортимент сырья и материалов, входящих в их состав, а также сложная коллоидная структура пластичных смазок определяют особенности технологии их производства. Получение мыльных смазок является сложным многостадийным процессом. Вместе с тем именно смазки на основе мыльных загустителей являются самыми массовыми по объему производства и применения [4]. Таким образом, для достижения поставленной цели по получению смазок на комплексных литиевых мылах 12-HoSt и HSe, работоспособных при температурах до минус 50С, необходимо оптимизировать не только рецептуру, но и технологию их производства.
Основные источники, в которых приведены составы и особенности производства кLi-смазок, относятся к патентной литературе, что не исключает возможность неполной публикации данных, либо искаженность рекомендаций.
Данная глава посвящена исследованию влияния технологических факторов на характеристики кLi-смазки на основе полученной композиции. Основными задачами при разработке технологии являлись: исследование влияния продолжительности стадий приготовления, температурного режима, очередности подачи компонентов и способа охлаждения на свойства смазок.