Разработка и исследование негорючих смазочных композиций на водно-гликолевой основе

Пик развития синтетических смазочных материалов приходится на 50-е годы XX века, когда появилась скоростная авиация, для которой минеральные масла оказались непригодными. Требовались принципиально новые смазочные масла, которые могли быть созданы только химическим путем. За короткий срок были синтезированы и испытаны десятки классов химических соединений. Наиболее эффективными оказались синтетические масла на основе сложных эфиров. Появилось первое промышленное производство синтетических масел, удовлетворяющих требованиям авиационной техники. Затем наступил некоторый спад и поток научной информации о новых исследованиях в области синтетических масел сократился. По-видимому, это было связано с тем, что военная авиация удовлетворила потребность в синтетических маслах, а гражданские отрасли не могли их использовать из-за высокой стоимости. Кроме того, качество минеральных масел было значительно улучшено за счет модернизации существующих технологических процессов. Вместе с тем в 70-х годах вновь возрос интерес к синтетическим маслам и резко увеличился поток патентной информации. Этому способствовал возникший нефтяной кризис. Важную роль сыграли также отдельные попытки использования синтетических масел в соприкасающихся с военной техникой отраслях, в которых их применение оказалось экономически более выгодным, чем минеральных масел. Было синтезировано большое число углеводородных, эфирных и гетероорга-нических соединений в качестве основы синтетических смазочных масел (ССМ). Проводились широкие испытания предложенных продуктов почти во всех отраслях народного хозяйства. Особенно большие успехи были достигнуты в разработке синтетических масел на основе поли-а-олефинов. Тем не менее ни одна из этих разработок не получила практической реализации, за исключением опытно-промышленных производств в некоторых развитых странах [1]. Начиная с ВО-х годов поток патентной информации резко сократился. В этом, помимо других причин, возможно, сыграло роль и то обстоятельство, что синтетические масла стали продуктом стратегического назначения.

Как видно из таблицы 1, синтетические масла могут найти применение во всех областях, где применяют нефтяные масла. ССМ обеспечивают более высокую эффективность и надежность работы оборудования в условиях повышенных скоростей и нагрузок, приводят к снижению расхода топлива на (5−10)% [2], снижению токсичности выхлопа, увеличению срока службы двигателя и уменьшению расхода масла в (2−3) раза за счет повышения срока смены масла.

Таблица 1.

Перспективные области применения синтетических масел [ 2 ].

Область хозяйства Применение.

Наземный транспорт Моторные масла, включая масла для двухтактных двигателейтрансмиссионные жидкоститормозные жидкостипластичные смазки.

Промышленность Смазочные масла для газовых турбин, компрессоров и зубчатых передачмасла для циркуляционных систем, подшипников, воздушных, газовых и охлаждающих компрессоровгидравличнские жидкостиизоляционные маслажидкости для обработки металловпластичные смазки.

Авиация и морской транспорт Смазочные масла для газовых турбингазовые и охлаждающие компрессорыгидравлические жидкости и пластичные смазки.

Таблица 2.

Использование ССМ в промышленности [ 3 ].

Применение Условия ССМ Преимущество.

1 2 <> 4.

Резиновые, пластиковые каландры Высокие температуры (180−260)°С Синтетические углеводороды, полигликоли Большой срок службы, меньшие отложения, окисление и разложе-ние.Экономия около 10% энергии, сокращение времени разгона.

Подшипники ширильных машин и ленточных транспортеров Высокие температуры (180−260)°С Синтетические углеводороды, полигликоли Меньшие отложения и улучшенные противоиз-носные свойства.

Закрытые приводы Большие и ударные нагрузки Синтетические углеводороды, полигликоли Меньшие отложения и улучшенные противоиз-носные свойства. Лучшая устойчивость при высокой температУе, большой срок службы.

Гидравлические приводы Огнеопасная среда Эфиры фосфорной кислоты, водные растворы полигли-колей Устойчивость против воспламенения.

Гидравлические жидкости Возможность накопления рудного газа Водные растворы полигликолей Устойчивость против воспламенения.

Металлургическая промышленность Огнеопасная среда Эфиры фосфорной кислоты, водные растворы полигликолей Устойчивость против воспламенения.

Использование синтетических смазочных материалов сдерживается прежде всего высокой стоимостью, однако расширение мощностей производства должно привести к некоторому снижению их себестоимости. Среди недостатков ССМ отмечают их несовместимость с некоторыми лакокрасочными материалами и резинотехническими изделиями, а также повышенную коррозионную активность водосодержащих композиций.

В качестве синтетических масел испытаны почти все классы органических соединений, и как видно из данных, приведенных Nehls Н. в табл. 2, наибольшим спросом будут пользоваться смазочные масла для зубчатых передач, все виды компрессорных масел, гидравлические масла, теплоносители и продукты для переработки металлов [ 3 ].

По данным Williamson E.I. [ 4 ], четыре продукта из основных синтетических смазочных материалов, а именно: поли-а-олефины, ал-килбензолы, эфиры двухосновных кислот и эфиры многоатомных спиртов уже оспаривают между собой рынок синтетических смазочных материалов, разрабатываемых в США и Европе для использования в качестве моторных масел. Полиалкиленгликоли для этох целей оказались непригодными из-за несовместимости с минеральными малами, но могут быть рекомендованы для производства жидкостей для закалки и обработки металлов, гидравлических жидкостей и смазок для зубчатых систем.

Из вышеизложенного следует, что разработка синтетических смазочных материалов с улучшенными показателями для замены минеральных масел является актуальной задачей.

Цель данной работы — разработка негорючих синтетических смазочных композиций на водной основе из сырья, выпускаемого крупным тоннажом, для эксплуатации в различных режимах трения, а также разработка технологии получения указанных жидкостей.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

— изучение влияния загустителей на эксплуатационные свойства синтетических смазочных композиций;

— оптимизация состава композиций, исходя из взаимного влияния загущающих и функциональных присадок на реологические и трибо-технические свойства;

— исследование коррозионной активности разработанных водно-гликолевых композиций к материалам пар трения и подбор эффективных ингибирующих добавок;

— выдача рекомендаций для промышленного использования разработанных смазочных композиций.

Настоящая работа выполнена в соответствии с техническим заданием хоздоговоров № 24.02.92/93 «Разработка составов и наработка опытных партий ВСК „Акванол“ для замены минеральных масел в отделочном производстве» (Ивановский камвольный комбинат, 1992г) — ]Чс 24.234.93 «Разработка составов и наработка опытных партий смазочных композиций типа „Акванол“ для оборудования кислородно-конверторного цеха НТМК» < АО «Уралмаш», 1993) — № 24.384.94/95 (АО НТМК, 1994 г.) — ИНТП «Нефтехимия и выпуск химических товаров бытового назначения» на 1995;97г.г.(Пр. № 45−10 Минобразования РФ от 11.03.1993 г) — ИНТП «Прецизионные технологии и системы», раздел П.И.503 «Нефтехим» на 1998;2000 г. г.(Пр. № 258 Минобразования РФ от 02.02.1998 г.) — единым заказ-нарядом Минобразования РФ на 1995;2000 гг. по направлению «Теоретическое и экспериментальное моделирование свойств многокомпонентных водно-гликолевых систем» .

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1Л .Требования, предъявляемые к негорючим смазочным и гидравлическим жидкостям.

Идеальная смазочная или гидравлическая жидкость должна обеспечивать рабочим органам необходимые силовые и кинематические параметрыобладать хорошими противоизносными свойствамибыть пожаробезопасной в условиях эксплуатации и хранения, нетоксичной и не иметь неприятного запахаиметь большой срок службы и сохранять свои свойства в условиях эксплуатации и при хранениимало изменять вязкость в рабочем диапазоне температуриметь температуру застывания на (20−10)°С ниже наименьшей температуры окружающей средыбыть совместимой с материалами рабочей системыиметь низкую упругость насыщенных паров и высокую температуру кипениямало растворять в себе газы и обеспечивать их быстрое отделениепредотвращать коррозию металловобеспечивать хороший теплоотводмало изменять свои эксплуатационные свойства при попадании в нее водыиметь невысокую стоимость и быть недефицитной.

В гидравлических приводах металлургических машин рабочая жидкость является средством передачи мощности от ее источника к местам потребления, осуществляет смазку трущихся пар, отвод тепла, удаление из гидросистем продуктов износа и т. д. В условиях работы металлургических производств на одно из первых мест выступает требование пожаробезопасности рабочих жидкостей, т.к. пожары наносят не тольи и ^ ко значительный материальный ущерб, но и нередко связаны с тяжелым травматизмом обслуживающего персонала.

Одной из основных проблем, общей для всех областей техники, является повышение надежности и долговечности машин, механизмов, приборов. Повышение надежности машин увеличивает ее экуплуатаци-онные и межремонтные сроки, сокращает время простоя в ремонте и снижает его стоимость, повышает безопасность работы. Увеличение долговечности машин практически равноценно увеличению их выпуска, что в конечном счете повышает производительность труда и уменьшает стоимость продукции.

Статистика показывает, что более 80% машин и механизмов выходят из строя в результате износа деталей, работающих в условиях трения — подшипников, зубчатых колес, деталей уплотнений, скользящих направляющих и др. [ 5 ]. Одним из наиболее экономически выгодных путей увеличения долговечности узлов трения в различных машинах и механизмах являются правильный подбор и повышение качества смазочных материалов, что может быть достигнуто введением в них противоизносных, противозадирных и антифрикционных присадок.

Замена минеральных масел синтетическими негорючими или трудногорючими жидкостями является актуальной и важной задачей, позволяющей обеспечить пожаробезопасные условия эксплуатации механизмов. В этой связи разработка негорючих смазочных композиций с высокими триботехническими показателями на основе отечественного доступного сырья являлась целью данной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработаны новые негорючие смазочные композиции на водно-гликолевой основе (с общим названием «Акванолы»), обеспечивающие эффективную замену минеральных масел в различных узлах трения (патент РФ JNb 2 081 154).

2. Обнаружен синергизм загущающей способности проксанолов и ОЖК при совместном их введении в водно-гликолевые растворы, и антагонизм при введении ПЭП15 и ОЖК.

3. В результате реологических исследований выявлен неньютоновский характер течения загущенных водно-гликолевых композиций, взаимосвязь напряжения и скорости сдвига, определена энергия активации вязкого течения и симбатность изменения вязкостно-температурных и триботехнических показателей трехкомпонентных систем «вода-гликоль-загуститель» при увеличении концентрации вязкостных добавок.

4. Установлено, что фактором, определяющим коэффициент трения и нагрузочную способность пар трения, смазанных разработанными ВГСК, являются поверхностно-активные свойства загустителей и прочность структуры композиций. Использованные в качестве загустителей ВМС обладают хорошими смазывающими свойствами, высокой адгезионной способностью к металлу и снижают коэффициент трения в водно-гликолевых растворах в (7−10) раз по сравнению с минеральным маслом. Прочность структуры ВГСК, обусловленная особенностями взаимодействия макромолекул загустителей с их окружением в растворе, обеспечивает нагрузочную способность пары трения в (1,7−2) раза более высокую, чем масла соответствующей вязкости.

5. При исследовании структуры загущенных композиций с помощью дальней ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием при температурах (55−65)°С выявлены конформационные изменения и качественно новые текстурные образования, характер которых подобен картине фазовых превращений в нематических мезофазах.

6. Исследованы свойства водно-гликолевых композиций с присадками на основе этилендиамина с различными функциональнымии группами. Установлено, что:

• введение таких присадок приводит к увеличению вязкости и прочности структуры композиций;

• указанные соединения являются антифрикционными присадками. Во всех испытанных составах они снижают коэффициент трения на (20−80)% в области средних нагрузок и повышают нагрузочную способность до (16 — 18) МПавведение этилендиаминтетраацетата натрия увеличивает коррозионную активность водно-гликолевой композиции, которая не блокируется введением пакета ингибиторов коррозии (триэтаноламин + двузамещенный фосфат натрия + нитрит натрия + бензоат натрия) — при совместном введении М-(2оксиэтил)этилендиамина и комплекса ингибирующих добавок годовой показатель коррозии составляет 0,0067 мм/год, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к негорючим смазочным жидкостямстабильность структуры разработанных композиций подтверждена с помощью физико-химических исследований.

7. Разработаны и утверждены технические условия на смазочную композицию «Акванол» (ТУ 2422−047−10 968 286−98). Негорючая смазочная композиция «Акванол-10» успешно применена в узлах трения различного оборудования: в редукторах ВКУ-550 ККЦ-1.

Нижнетагильского металлургического комбината и направляющих скольжения клуппных цепей линии заключительной отделки ткани Ивановского камвольного комбинатакомпозиция «Акванол-22» испытана в гидростанции шиберных затворов ККЦ-1 НТМК.