Синтез и исследование функциональных свойств комплексных полифункциональных присадок

С использованием вязкостных присадок получают всесезонные, северные и арктические масла. Присадки этого типа, наряду с присадками, улучшающими смазывающие свойства масел, позволяют создавать смазочные масла, обеспечивающие меньший расход топлив в двигателях. В качестве вязкостных присадок используют различные полимерные и сополимерные продукты: полиизобутены, полиметакрилаты (высокомолекулярные полимеры эфиров метакриловой кислоты и алифатических спиртов), поливинилалкиловые эфиры, а также стиролдиеновые сополимеры и полимеры на основе этилена и пропилена [38, 39].

Молекулярная масса  вязкостных присадок, применяемых для получения загущенных масел, колеблется от 5000-10000 до 100000-200000 и более. С увеличением молекулярной массы загущающая способность вязкостных присадок возрастает; одновременно ухудшается их механическая стабильность, т. е. способность препятствовать механической деструкции [1].

В связи с этим при  выборе вязкостных присадок для того или иного смазочного масла следует  учитывать специфику условий  его работы, преобладающего влияния  температуры, величины градиента скорости сдвига или других факторов на работоспособность данного масла.

Отдельные вязкостные присадки могут одновременно выполнять также  функции депрессора (т. е. понижать температуру застывания масла) и дисперсанта (т. е. обеспечивать сохранение взвешенных в масле загрязнений в мелкодисперсном состоянии).

Одними из наиболее распространённых отечественных вязкостных присадок являются присадки ПМА «В-1» и ПМА «В-2».

Они представляют собой  масляные растворы полимеров эфиров метакриловой кислоты и смеси  синтетических первичных жирных спиртов фракции С₇-С₁₂ (ПМА «В-1») или спиртов фракции С₈-С₁₀ (ПМА «В-2»).

Присадка ПМА  «В-1» (ТУ 6-01-979-84) – 58-65%-ный раствор полиметакрилатов в масле МС-8. Применяют в моторных, трансмиссионных, гидравлических маслах в концентрациях до 18%. Обладает высокой стабильностью к механической деструкции и умеренной загущающей способностью в связи со сравнительно небольшой условной молекулярной массой.

Присадка ПМА  «В-2» (ТУ 6-01-692-77), высшей категории качества – 30-35%-ный раствор полиметакрилатов в масле И-20А. Применяют в моторных маслах и рабочих жидкостях для гидравлических систем в концентрации до 6%. Обладает лучшей, по сравнению с присадкой ПМА «В-1», загущающей способностью, но уступает ей по стабильности к механической деструкции.

Антипенные присадки

Смазочные масла склонны  к образованию стабильной пены в  процессе работы двигателей, узлов  и механизмов. Тенденция к образованию  пены, усиливающаяся за счёт присутствия  в масле моюще-диспергирующих и  других присадок, приводит к нежелательному выбросу и потере масла, а также к снижению эффективности его использования. Чтобы предотвратить образование пены или ускорить её разрушение в масло вводят в небольших количествах антипенные присадки. В качестве таких присадок используют многие соединения различной структуры, среди которых широко применяемыми являются силоксановые полимеры [2]. Используют также соединения, включающие эфиры и соли жирных кислот, фосфорсодержащие соединения, фторированные углеводороды, производные полиспиртов и т. д.

Силоксановые полимеры, обладая высокой эффективностью при малых концентрациях, в то же время имеют ограниченную растворимость в масле и нестабильны в кислой среде.

Механизм действия антипенных присадок основан на повышении поверхностного натяжения на границе раздела жидкости и воздуха, что приводит к разрушению пузырьков пены [2].

Наиболее распространённой антипенной присадкой является ПМС-200А (ОСТ 6-02-20-79), представляющая собой полиметилсилоксан. Эту присадку применяют в маслах различного назначения в концентрации 0,001-0,005%.

Многофункциональные присадки

Как указывалось ранее, присадки, являющиеся носителями одновременно нескольких важнейших свойств (моющих, антиокислительных, антикоррозионных, противоизносных, нейтрализующих и  др.), относятся к многофункциональным.

К таким присадкам  относятся: сульфонаты (моющие, диспергирующие, нейтрализующие (высокощелочные сульфонаты)), алкилсалицилаты (моющие, антиокислительные, нейтрализующие), алкилфенольные присадки (моюще-диспергирующие, антиокислительные, противоизносные (фенаты за счет серы), нейтрализующие), дитиофосфаты (антикоррозионные, антиокислительные, противоизносные).

Комплексные присадки

Добиться того, чтобы  одно соединение, представляющее собой  сложную молекулярную структуру  с набором различных функциональных групп, в достаточной степени улучшало все  свойства масел, сложно и практически неосуществимо; поэтому чаще всего прибегают к сочетанию ряда соединений различных типов и назначений. Такие присадки называют комплексными (многокомпонентными) (они содержат два, три и более компонентов), обеспечивающих те или иные функциональные свойства масел. 

Многокомпонентные присадки (их также называют пакетами присадок) создаются с учётом описанных выше синергетических эффектов. Обращает внимание то, что практически во всех многокомпонентных присадках к моторным маслам (исключение составляет Amoco 1570) имеется кальцийсодержащий моющий компонент; в некоторых случаях его сочетают с магнийсодержащим детергентом. Большая часть многокомпонентных  присадок содержит также беззольный дисперсант (о чём можно судить по наличию в присадке азота) и дитиофосфат цинка (Zn, P) – основной антиокислительный и антикоррозионный агент [1].

Получают многокомпонентные  присадки чаще всего простым смешением  нужных компонентов (индивидуальных присадок).

Как уже отмечалось ранее, моторные масла представляют собой  сложную смесь базовых масел  и химических соединений, которые  придают моторным маслам необходимые  эксплуатационные свойства, – присадок. Эффективность функционального действия присадок в товарных маслах определяется не только их химическим составом и строением, а в значительной степени зависит и от их коллоидного состояния в масляном растворе [69]. Установлено, что изменение коллоидного строения моюще-диспергирующих присадок, в том числе и размеров мицелл [70], происходит при их взаимном сочетании (например, сульфонатов и фенолятов металлов), а также при смешении с присадками другого функционального назначения [71]. Такие изменения установлены при сочетании сукцинимидов с дитиофосфатами металлов [72]. Наблюдается взаимодействие сукцинимидов с зольными детергентами, причём интенсивность этого взаимодействия увеличивается в ряду феноляты – сульфонаты – салицилаты [71]. Выявлены взаимодействия между салицилатами, сульфонатами и дитиофосфатами [73,74].

По этой причине товарные масла получают как смешением  базовых масел с отдельными присадками, учитывая изложенное выше, так и  смешением базовых масел с  заранее приготовленной смесью присадок, так называемым пакетом присадок. В этом случае взаимодействие присадок при приготовлении товарных масел исключается, поскольку этот процесс уже имел место при приготовлении пакета.

Можно было ожидать, что  приготовление товарных масел с  использованием пакетов присадок позволит уменьшить расход самих присадок (из-за усиления описанных выше синергетических эффектов).

Целью данной работы было экспериментально установить возможность  уменьшения расхода присадок при  приготовлении товарных масел с  использованием пакетов присадок, а также предложить возможный механизм получения пакетов присадок методом карбонатации.

В качестве объектов исследования были выбраны масла М-10 Г₂ К по ГОСТ 8581-78 и М-14 В₂ по ГОСТ 12337-84.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Экспериментальная часть

Приготовление масла М-10 Г₂ К на основе композиции индивидуальных присадок

Опыт 1

Для приготовления масла  М-10 Г₂ К по ГОСТ 8581-78 было взято базовое масло SAE-30 и следующие товарные индивидуальные присадки: диалкилдитиофосфат цинка Lz-1395 (95 %-ный раствор) фирмы Lubrizol, США; среднещелочной сульфонат кальция C-150 (ТУ 38 101685-84) (28 %-ный раствор) производства ПО «Нафтан», Белоруссия, среднещелочной сульфидалкилфенолят (фенат) кальция Lz-6589G (60 %-ный раствор) фирмы Lubrizol, США; алкенилсукцинимид C-5A (ТУ 38 101146-77) (40 %-ный раствор) производства ПО «Нафтан», Белоруссия. Характеристики этих присадок и базового масла SAE-30 приведены в таблицах 4–8.

Таблица 4

Характеристика  диалкилдитиофосфатной присадки Lz-1395

№ п/п	Показатель	Значение
1	Кинематическая вязкость при 100 ºС, сСт	16
2	Содержание фосфора, % масс.	9,5
3	Содержание цинка, % масс.	10
4	Щелочное число, мг КОН/г	7,9
5	Показатель кажущегося рН	6,2
6	Содержание воды	Следы

Таблица 5

Характеристика  сульфонатной  присадки С-150 (ТУ38.101685-84)

№ п/п	Показатель	Значения
		Норма		Фактические
		Высший сорт	Первый сорт
1	Вязкость кинематическая при 100 ºС, сСт, не более	60	80	20,6
2	Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, ºС, не ниже	180	180	182
3	Щелочное число, мг КОН  на 1 г масла, в пределах	120-150	120-150	168
4	Содержание сульфоната кальция, % масс., не ниже	28	28	28
5	Содержание кальция, % масс., не ниже	6,3	6,3	6,3
6	Зольность сульфатная, % масс., в пределах	17-24	17-24	21,4
7	Содержание воды, % масс., не более	0,12	0,15	0,1
8	Содержание механических примесей, % масс., не более	0,08	0,1	0,07

 

 

 

Таблица 6

Характеристика  сукцинимидной  присадки С-5А (ТУ38.101146-77)

№ п/п	Показатель	Значения
		Норма				Фак-ти-ческие
		Марка А	Марка Б	Марка В	Марка Г
1	Вязкость кинематическая при 100 ºС, сCт, не более	420	300	300	300	270
2	Щелочное число, мг КОН  на 1 г присадки, не менее	30	27	20	20	30,6
3	Кислотное число, мг КОН  на 1 г присадки, не более	4,0	4,0	4,0	4,0	2,7
4	Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, ºС, не ниже	180	180	160	160	180
5	Массовая доля азота в присадке, %, не менее	1,7	1,5	1,4	1,1	1,9
6	Массовая доля воды, %, не более	0,1	0,1	0,1	0,1	Сле-ды
7	Массовая доля механических примесей, %, не более	0,06	0,06	0,06	0,06	0,05
8	Массовая доля активного  вещества, %, не менее	50	42	40	40	40
9	Массовая доля свободных полиаминов, %, не более	0,6	0,6	0,8	0,2	0,3

Из таблицы 6 видно, что  использованная нами сукцинимидная  присадка С-5А имеет марку В.

Таблица 7

Характеристика  фенатной  присадки Lz-6589 G

№ п/п	Показатель	Значение
1	Кинематическая вязкость при 100 ºС, сСт	13,25
2	Температура вспышки  в открытом тигле, ºС	180
3	Щелочное число, мг КОН/г	126
4	Зола сульфатная, % масс.	15,4
5	Содержание кальция, % масс.	4,53

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 8

Характеристика базового масла SAE-30

ТУ 38. 1011270-89 с изменением №1

№ п/п	Показатель	Норма	Метод испытания
1	Вязкость кинематическая при 100 ºС, мм2/с, в пределах	11±0,5	По ГОСТ 33-82
2	Индекс вязкости, не менее	90	По ГОСТ 25371-82
3	Коксуемость, %, не более	0,25	По ГОСТ 19932-74
4	Кислотное число, мг КОН на 1 г масла, не более	0,02	По ГОСТ 5985-79
5	Зольность, %, не более	0,005	По ГОСТ 1461-75
6	Содержание водорастворимых  кислот и щелочей	Отсутствие	По ГОСТ 6307-75
7	Массовая доля механических примесей	Отсутствие	По ГОСТ 6370-83
8	Массовая доля воды, %, не более	Следы	По ГОСТ 2477-65
9	Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, ºС, не ниже	230	По ГОСТ 4333-87
10	Температура застывания, ºС, не выше	Минус 15	По ГОСТ 20287-74 Метод А
11	Цвет на колориметре  ЦНТ, единицы ЦНТ, не более	3,5	По ГОСТ 20284-74
12	Содержание серы, %, не более	1,1	По ГОСТ 1437-75
13	Содержание селективных  растворителей	Отсутствие	По ГОСТ 1057-88 или ГОСТ 1520-84
14	Плотность при 20 ºС, кг/м3, не более	900	По ГОСТ 3900-85