Синтез и исследование функциональных свойств комплексных полифункциональных присадок

Министерство образования  и науки Украины

Национальный технический  университет Украины

«Киевский политехнический  институт»

Кафедра органической химии и технологии органических веществ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дипломная работа

Тема: «Синтез и исследование функциональных свойств комплексных полифункциональных присадок».

 

 

 

 

 

 

                                                               Выполнил:

 студент 6-го курса

                                                                  химико-технологического факультета

                                                                 группы ХО – 11

                                                            Товмаченко Андрей Валентинович

 

 

 

 

Научные руководители:

к. х. н., с. н. с.  Суховерхов В. Д.

к. х. н., доц. Черняев Б. В.

 

 

 

 

 

Киев - 2007

 

 

 

1. Реферат

Дипломная работа на тему: «Синтез и исследование функциональных свойств комплексных полифункциональных присадок» содержит: 114 страниц, 64 таблицы, 1 схему, 3 рисунка, 87 ссылок на литературные источники.

В данной дипломной работе осуществлён литературный обзор по присадкам к моторным маслам, приведен их синтез, обсуждены механизмы действия и функциональные свойства. Приведено технико-экономическое обоснование выбранного направления исследования, описаны методики синтеза комплексных полифункциональных присадок (то есть пакетов присадок) и расчёта их рецептур, приведены некоторые из методик анализа моторных масел и присадок к ним. Основное направление работы –   экспериментально подтвердить возможность уменьшения расхода индивидуальных присадок при производстве моторных масел на основе пакетов присадок, а также объяснить причину возникновения этого эффекта. В ходе проведения работы были разработаны пакеты присадок КП-2 (для производства автомобильного масла М-10 Г₂ К) и КП-3 (для производства тепловозного масла М-14 В₂), а также предложен механизм протекания процесса карбонатации, с помощью которого получают большинство современных пакетов присадок. Кроме того, проведен экономический расчёт себестоимости данной научно-исследовательской работы, и разработан ряд мероприятий по охране труда при её проведении.

Были использованы следующие ключевые слова: пакет присадок, рецептура, солюбилизация, карбонатация, перекарбонатация, мицелла, щёлочность, активные элементы, низкотемпературные шламы, синергетические эффекты, активные составляющие присадок, зольные отложения, сольватация, сукцинимиды, высокощелочные детергенты, катализаторы дожигания автомобилей, правило «Пескова-Фаянса».

 

 

 

 

 

2. Литературный обзор

Технические жидкости, применяемые для смазки различных механизмов, называют смазочными маслами. Смазочные масла делятся на моторные, индустриальные, консервационные, рабочее-консервационные, трансмиссионные, турбинные и др.

Моторные масла предназначены для смазывания двигателей внутреннего сгорания.

Индустриальные масла предназначены для смазывания трущихся частей металлорежущих станков, прессов, прокатных станов и другого промышленного оборудования.

Консервационные масла применяют для защиты от различных видов коррозии металлических поверхностей деталей механизмов при длительных (несколько месяцев) перерывах в работе последних.

Рабочее-консервационными маслами механизмы смазывают при частых, но кратковременных перерывах в работе.

Трансмиссионные масла предназначены для смазывания и охлаждения высокоскоростных и тяжелонагруженных шестерён в агрегатах механических трансмиссий.

Турбинные масла используются для смазывания высокооборотных турбин.

Основой всех смазочных масел, в  том числе и моторных, являются так называемые базовые масла, которые по способу производства могут быть дистиллятными, остаточными, компаундированными (смесь дистиллятного и остаточного масел) и загущенными (содержащими полимерные присадки).

Базовые масла

Для производства смазочных  материалов используются, как правило, минеральные (нефтяные) или синтетические базовые продукты; для специальных областей применения используют также масла растительного происхождения.

Минеральные масла

Минеральные базовые  масла получают путём переработки  сырой нефти с применением  различных процессов разделения. Поэтому выбор сырья для производства масел имеет большое значение. Наиболее предпочтительны парафинистые виды сырья, которые дают большой выход продуктов с высоким индексом вязкости, хотя в то же время они содержат много парафинов [64]. Для некоторых областей применения предпочтительны масла нафтенового основания, поскольку они дают большой выход продуктов со средним или низким индексом вязкости, очень малым содержанием парафинов и с низкой температурой застывания, которая обеспечена самой их природой [64].

Отметим, что индекс вязкости характеризует изменение вязкости смазочных масел в зависимости от температуры. У масел с высоким индексом вязкости при изменении температуры происходит относительно небольшое изменение вязкости; у масел с низким индексом вязкости – изменение значительное.

Перегонка нефти при  атмосферном давлении удаляет из неё бензин и дистиллятные компоненты топлива, оставляя мазут, который содержит смазочные масла и гудрон. Дальнейшая перегонка под вакуумом даёт так называемые «вакуумные дистилляты» в верхней части колонны и гудрон в виде остатка. Простая обработка серной кислотой, известью и отбеливающей глиной превращает дистилляты в приемлемые по качеству продукты с низким индексом вязкости. Для производства продуктов с высоким и средним индексом вязкости необходимо использовать определенные виды экстракции растворителями, отделяющими окрашенные, нестабильные и имеющие низкий индекс вязкости компоненты. На конечном этапе проводят депарафинизацию масла (то есть удаляют из него парафины) для получения продукта с температурой застывания от минус 10 ºС до минус 20 ºС. Этот процесс осуществляется путём растворения масла в метилэтилкетоне (МЭК) с последующим охлаждением и фильтрацией [64]. Изготовитель масла может подвергнуть его финишной гидродоочистке (обработке водородом для насыщения им с целью улучшения стабильности), чтобы удалить серу, азот и окрашивающие составляющие. Этот процесс показан на приведённой ниже диаграмме.

На большинстве заводов получают три или четыре фракции, смешением которых готовят весь ряд товарных масел.

Синтетические базовые продукты

Процессы синтеза позволяют  создавать из сравнительно простых  соединений молекулы, обладающие нужными  свойствами. Основные классы синтетических материалов, используемых в качестве компонентов масел [64], приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип	Основное применение
Алкилированная ароматика	Автомобильные и индустриальные масла
Олигомеры олефинов (ПАО)	Автомобильные и индустриальные масла
Эфиры двухосновных кислот	Авиационные и автомобильные  масла
Полиоловые эфиры	Авиационные и автомобильные  масла
Полиалкиленгликоли	Индустриальные масла
Эфиры фосфорной кислоты	Индустриальные масла

За исключением полигликолевых жидкостей, все синтетические базовые масла имеют вязкость в пределах, характерных для наиболее лёгких высокоиндексных дистиллятных минеральных масел. Их индекс вязкости и температура вспышки, однако, выше, а температура застывания значительно ниже. Это делает их ценным компонентом при компаундировании масел для экстремальных условий работы как при высокой, так и при низкой температуре [64].

Главным недостатком  синтетических масел является то, что они по самой своей природе  более дороги, чем минеральные, а  возможности их производства ограничены. Это ограничивает их использование областью специальных масел и смазок, которые достаточно дороги. Жидкости эфирного типа имеют ещё один недостаток – они вызывают большее набухание уплотнительных материалов, чем углеводороды, поэтому их следует с осторожностью использовать в тех областях применения, где они могут контактировать с эластомерами, предназначенными для работы с минеральными маслами.

Полиальфаолефины (ПАО) являются наиболее широко используемыми синтетическими маслами в США и Европе. Их получают, соединяя две или более деценовых молекулы в олигомер или полимер с короткими цепями.

ПАО – это чисто  углеводородные соединения, не содержащие серы, фосфора или металлов. Благодаря  отсутствию парафинов они имеют  низкую температуру застывания, обычно ниже -40 ºС. Вязкость при 100 ºС от 2 до 100 сСт, а индекс вязкости для всех, исключая наименее вязкие продукты, превышает 140 [64].

ПАО обладают хорошей  термической стабильностью, но требуют  использования антиоксидантов для  обеспечения стабильности против окисления. Растворяющая способность этих жидкостей ограничена по отношению к некоторым присадкам и они вызывают усадку уплотнений. Оба недостатка преодолевают добавлением небольших количеств сложных эфиров.

Сложные эфиры  двухосновных кислот синтезируются при взаимодействии органических кислот и спиртов. Диэфиры имеют более разнообразную структуру, чем ПАО, но также как ПАО, они не содержат серы, фосфора, металлов и парафинов. Температура застывания лежит в пределах от -50 до -65 ºС. Преимуществами диэфиров являются хорошая термическая стабильность и прекрасная растворяющая способность. Они «чистоработающие», поскольку более склонны растворять лаки и осадки, чем образовывать отложения. На практике, диэфиры способны удалять отложения, образованные другими смазочными материалами [64].

Для предотвращения гидролиза  и обеспечения стабильности против окисления важен правильный подбор присадок.

Эфиры полиолов, так же как и диэфиры, получают взаимодействием органических кислот и спиртов. Полиолами называют соединения, молекулы которых содержат две спиртовые функциональные группы, например триметилпропан, неопентилгликоль, пентаэритрит. 

Эфиры полиолов не содержат серы, фосфора или парафинов. Температура их застывания лежит в пределах от -30 до -70 ºС, индекс вязкости от 120 до 160. Эти жидкости обладают очень хорошей термической стабильностью и противостоят гидролизу несколько лучше, чем диэфиры. С соответствующими присадками эфиры полиолов более стабильны в отношении окисления, чем диэфиры и ПАО.

Алкилированная  ароматика образуется при реакции олефинов или хлорированных алканов с бензолом. Такие жидкости обладают хорошими низкотемпературными свойствами и хорошо растворяют присадки. Индекс вязкости составляет около 50 у жидкостей с линейной алкильной цепью и около нуля у жидкостей с разветвлённой алкильной цепью [64].

Полиалкиленгликоли (ПАГ) представляют собой полимеры окиси алкиленов. Свойства масла и характеристики отдельных ПАГ зависят от использованных в синтезе мономеров, молекулярной массы и характера конечных групп. Поэтому возможны ПАГ с широким спектром свойств. 

В общем, ПАГ обладают хорошей стабильностью при высокой  температуре и высоким индексом вязкости. Они могут использоваться в широком диапазоне температур. Они мало склонны к образованию отложений и способны стабилизировать продукты собственного разложения.

Эфиры фосфорной  кислоты синтезируются из оксихлорида фосфора и спиртов или фенолов. Они используются как базовые масла, а также как присадки в минеральных и синтетических смазочных материалах. У них хорошая термическая стабильность, температура застывания в пределах от -25 до -5 ºС. Однако их индекс вязкости очень низкий, в пределах от 0 до 30 [64].

Моторные масла

Как сказано выше, масла, применяемые для смазки двигателей внутреннего сгорания, называют моторными. Их, в свою очередь, в зависимости от назначения подразделяют на масла для дизелей, масла для бензиновых двигателей и универсальные масла, которые предназначены для смазки двигателей обоих типов.

По применимости в  различных погодных условиях моторные масла делят на моносезонные и всесезонные. Моносезонные масла в свою очередь делятся на зимние (М-8В₂, М-8Г₂, М-8Г₂ к и др.) и летние (М-10В₂, М-10Г₂, М-10Г₂ к и др.).

В качестве примера приведём расшифровку названия моторного масла М-10Г₂ К (ГОСТ 8581-78). Буква «М» обозначает моторное масло, цифра «10» обозначает уровень вязкости при 100 ºС в сСт, буква «Г» с индексом «2» обозначает, что масло по эксплуатационным свойствам относится к группе «Г» и предназначено для смазывания высокофорсированных дизельных двигателей, буква «К» обозначает, что масло предназначено для двигателей типа «Камаз».

Все современные моторные масла состоят из базовых масел  и улучшающих их свойства добавок, так  называемых присадок, представляющих собой химические соединения различных классов.

Моторные масла, в  зависимости от назначения, должны выполнять следующие функции:

- образовывать устойчивую  смазывающую плёнку, предотвращающую  контакт и износ трущихся деталей  при любых условиях работы  техники;