Нові мастильні матеріали на основі індустріальних олив, тіоамідів та їх координаційних сполук

Світове споживання мастильних матеріалів, що отримують, головним чином, на базі мінеральних олив і, частково, на основі синтетичних, складає 0,8 % від споживання сирої нафти [1].

Сучасні технології, машини і механізми висувають до мастильних матеріалів цілий ряд жорстких вимог по навантажувальним, протизносним, протизадирним властивостям, густині, стійкості до окиснення та корозії, а також токсикологічній безпеці по відношенню до людини. Чисті оливи та мастила не в змозі задовольнити цілому ряду таких вимог, тому виникає нагальна потреба вводити до складу базових олив хімічні добавки (присадні матеріали). Задача створення поліфункціональних присадних матеріалів в світовій практиці вирішується за кількома напрямками:

– введення до складу однієї органічної сполуки (присадного матеріалу) декількох функціональних груп (карбоксильної, амінної, гідроксильної, трихлорметильної, тіоамідної, дитіокарбамідної, дитіофосфатної і т. д.);
– введення декількох органічних сполук (пакету присадних матеріалів), що можуть мати декілька або одну функціональну групу.
       Перший напрям не виправдав себе, оскільки в процесі тертя такі присадні матеріали швидко окиснюються, взаємодіють з продуктами реакцій окиснення і випадають із олив у вигляді суспензій або твердих речовин. Дещо по-іншому поводять себе координаційні сполуки, зазвичай метал-хелати, що мають низькі значення добутку розчинності та високі температури плавлення. В процесі тертя вони стійкі, не порушується їх хімічна структура, а при незначній дисоціації самі продукти цього процесу, наприклад, арилалкілтіокарбамідат-аніон, самі по собі є активними присадними компонентами, що покращують експлуатаційні характеристики базових олив та мастил. В другому варіанті (пакет присадних матеріалів) їх частка в оливах та мастилах досягає 30 % від загального об’єму, що призводить до суттєвого їх подорожчання [2]. Пошук нових ефективних вітчизняних присадних матеріалів, що мають поліфункціональні властивості, дає змогу суттєво скоротити їх процентний вміст в базових оливах та мастилах і в кінцевому варіанті зменшити їх собівартість, отримати суттєву економію мастильних матеріалів, металу та електроенергії. Так, в США зниження тертя дозволяє зменшити енергетичні витрати на 4,5 %, така економія, включно з опосередкованою, оцінюється в 40 млрд. дол. в рік.
       На сьогодні сучасні високоякісні моторні оливи мають у своєму складі до 12 % присадних матеріалів різного призначення. Причому, тенденція до їх збільшення має місце при виробництві у всіх розвинених країнах. Для забезпечення мастильних матеріалів необхідною кількістю присадок, випуск останніх за найближчі 10-15 років повинен різко збільшитись. Таким чином, виробництво присадних матеріалів можна розглядати як нову потужну галузь багатотоннажного виробництва.

       В умовах обмеженої сировинної бази в Україні та підвищення вимог до експлуатаційних характеристик олив, зростання обсягів мастильних матеріалів досягається не лише за рахунок зростання об’ємів їх виробництва, а, головним чином, в результаті підвищення їх якості. В цьому випадку різко зростає роль присадних матеріалів, використання яких з кожним роком різко зростає [3]. 

       З врахуванням вищевикладеного, нами були синтезовані і досліджені в якості присадних матеріалів до індустріальних олив (И-20, И-20А, И-40, И-40А, И-50, ИГП-114) багаточисельні органічні сполуки (заміщенні тіосечовини, ксантогенати, дитіокарбамати, тіоаміди) та їх метал-хелати, які реалізують ефект вибіркового переносу [4]. 

       Вибірковий переніс було встановлено ще у 1956 р. в парах тертя бронза-сталь [5], однак, не дивлячись на багаточисельні публікації [6], сутність цього явища до теперішнього часу не встановлена, що викликає гострі дискусії. Очевидно, причиною тому є те, що вибірковий переніс, як явище природи, включає в себе малодосліджені питання різних галузей наук: фізичної хімії (мезоморфізм), хімічної фізики (каталітичне окислення різних вуглеводнів, що складають основу мінеральних олив та мастил), органічної хімії (утворення полімерних структур в процесі тертя), металоорганічної хімії (утворення комплексів, їх стійкість, металолігандний каталіз і т.д.), а також координаційної хімії (синтез координаційних сполук в процесі тертя при високих навантаженнях, тиску та температурі; їх перекомплексування в процесі тертя та участь в реалізації динамічної рівноваги процесу Cu° + Fe²⁺ Fe° + Cu²⁺). Дослідження механізму вибіркового переносу ускладнюється не лише багаточисельними фізичними, хімічними та механічними явищами у вузлах тертя, відсутністю надійних інструментальних кількісних методів дослідження протизносних, антифрикційних і антиокиснювальних властивостей, а й відсутністю в теорії тертя і зносу фундаментальної залежності, яка б дозволила проводити розрахунки та управляти тертям [5]. 

       Дослідження протизносних і антифрикційних властивостей індустріальних мастил на основі тіоамідів та їх метал-хелатів проводили на машині тертя типу СМЦ-2 з парою тертя колодка-ролик зі швидкістю 1,5 м/с і шляхом тертя 5•103 м. Матеріал ролика – сталь 40 Х, колодки – бронза БрАЖ 9-4. Коефіцієнт взаємного перекривання дорівнював 0,13. Початкова шоркстість 0,30-0,60 мкм для стального зріза та 0,62-0,80 мкм для бронзового. При дослідженні знос реєстрували ваговим методом з використанням аналітичних вагів 2 кл. точності типу ВЛР-200. Вагову інтенсивність зносу І визначали за формулою:

де Q – втрата маси зразка, г;
S – площа контакту, м2;
L – шлях тертя, м.
       Температуру в зоні тертя вимірювали хромель-капелевою термопарою, а силу тертя – за допомогою тензобалки. Вибір оптимальних концентрацій проводили при навантаженнях, що були близькими до граничних. В одному із варіантів досліджень граничне навантаження складало 

Рmax = 33 МПа [6-9]. Результати досліджень наведено в табл. 1.

Таблиця 1
Результати досліджень протизносних та антифрикційних властивостей індустріальних олив ИГП-18 (Рязанський НПЗ, РФ), ИГП-114 („Куйбишевнафтооргсинтез”)

№ композиції	Склад мастильної композиції	Знос І, г	Коефіцієнт тертя fтр
1	База* олив ИГП-18	0,00140	0,01 – 0,02
2	База* + 0,05 % ПМ ДХТИ-Л	0,00045	0,01 – 0,02
3	База* + 0,1 % ПМ ДХТИ-Л	0,00050	0,017 – 0,025
4	База* + 0,2 % ПМ ДХТИ-Л	0,00036	0,012 – 0,020
5	База* + 0,1 МБТА	0,00072	0,015 – 0,020
6	База* + 0,1 РМ	0,00062	0,010 – 0,015
7	Базова олива ИГП-114	0,00400	0,050 – 0,070
8	ИГП-114 + 0,1 % ПМ ДХТИ-Л	0,00700	0,01 – 0,18
9	ИГП-114 + 0,1 Т4Г	0,00200	0,035

База* – нафтова фракція мінеральних олив, яку використовують при виробництві промислових індустріальних олив (ИГП-18, ИГП-114).

       Із наведених в табл. 1 результатів витікає, що присадка ПМ ДХТИ-Л в індустріальних оливах ИГП-18 в 3,1-4,0 рази зменшує протизносні властивості в інтервалі концентрацій 0,05- 0,20 % мас., при цьому антифрикційні властивості практично не змінюються. З метою вивчення технологічності процесу отримання присадки ПМ ДХТИ-Л були дослідженні на антифракційні та протизносні властивості як вихідні сполуки (№ 5), так і продукти реакції (№ 6) без їх додаткового розділення на компоненти. Було встановлено, що наявність у кінцевій реакційній масі вихідних сполук, що не вступили в реакцію, і продуктів взаємодії погіршують мастильні характеристики композицій у порівнянні з „чистими” діючими речовинами, але в 2 рази їх покращують у порівнянні з „Базою” оливи ИГП-18 (№ 1).

       Була досліджена серія присадок ПМ ДХТИ-1 – ПМ ДХТИ-4 в індустріальній оливі И-20А на протизносні, антифрикційні та антиокиснювальні властивості (тертя визначали на чотирикульковій машині; термоокиснювальні властивості визначали ампульним методом за кількістю поглинутого кисню за 5 годин).

       Результати досліджень протизносних (рисунок 1) та антифрикційних (рисунок 2) властивостей досліджених композицій показує, що як протизносні, так і антифрикційні властивості композицій з присадками серії ПМ ДХТИ значно переважають И-20А з промисловою присадкою ДФ-11.

       Таким чином, наведені дані показують, що тіоаміди та їх метал-хелати в базових індустріальних оливах суттєво покращують протизносні та антифрикційні властивості, реалізуючи при цьому ефект внутрішнього переносу.

 

 

1. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. – М.: Химия, 1988. – 486 с.
2. А. с. № 1027187 СССР, МКИ4 С 10 С. Смазочная композиция / Г. Г. Чмиренко // Открытия. Изобретения. – 1983. – № 23. – С. 105.
3. Современные тенденции развития производства и потребления смазочных материалов за рубежом. – М.: ЦНИИТнефтехим., 1990. – 86 с.
4. Ранский А. П. Координационные соединения некоторых 3d-металлов с ароматическими и гетероциклическими тиоамидами. – Дис… д.х.н. специальность 02.00.01 – неорганическая химия, Днепропетровск, 2003. – 327 с.
5. Шпеньков Г. П. Физико-химия трения // Под ред. проф. Д. Н. Гаркунова. – Минск: БГУ, 1978. – 204 с.
6. А. с. № 1409643 СССР, МКИ4 С 10 М 141/08 // (С 10 М 141/08, 135:14, 129:72), С 10 N 10:02, 30:06. Смазочная композиция / Б. А. Бовыкин, А. П. Ранский, И. Г. Плошенко, А. А. Митрохин, А. Я. Штанько, С. П. Суховой, В. Д. Седлецкий. – № 4029319/31 – 04; заявл. 26.02.1986; опубл. 15.07.1988, Бюл. № 26.
7. А. с. № 1471550 СССР, МКИ4. С 10 М159/18 // (С 10 М 159/18, 129:34) С 10 N 30: 06 Смазочная композиция / И. Г. Плошенко, А. П. Ранский, Б. А. Бовыкин, А. А. Митрохин, О. В. Коваленко, В. И. Коляда. – № 4149298/31 – 04; заявл. 24.10.86.
8. А. с. № 1547299 А 1 СССР, МКИ5 С 10 М 135/20 // (С 10 М 135/ 0, 135:14, 129:72)
С 10 N 30:06. Смазочная композиция / И. Г. Плошенко, Б. А. Бовыкин, А. П. Ранский, В. И. Коляда, А. А. Митрохин, В. И. Опаренко, О. В. Коваленко. – № 4465510/31 – 04; заявл. 26.07.1988.
9. А. с. № 1642752 А 1 СССР МКИ5 С 10 М 135/14 // (С 10 М 135/14, 129:72, 159:18)
С 10 N 30:06. Смазочная композиция / И. Г. Плошенко, Б. А. Бовыкин, А. П. Ранский, А. А. Митрохин, В. И. Коляда, С. М. Волков, С. Ю. Заседателев, В. В. Харитонов,
П. Н. Узункоян, Э. Б. Иванкина, Н. Г. Кожаев. – № 4719836/04; заявл. 11.07.1989.

Гаврилюк М. А., Ранський А. П., Кватернюк С. М. (Україна, Вінниця),
Ранський Т. А. (Україна, Дніпропетровськ)
Нові мастильні матеріали на основі індустріальних олив, тіоамідів та їх координаційних сполук
Збірник матеріалів ІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю
Скачати в форматі pdf:
http://eco.com.ua/sites/eco.com.ua/files/lib1/konf/2vze/zb_m/0107_zb_m_2VZE.pdf