СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ДЕПРЕССОРНОЙ ПРИСАДКИ В СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЯХ
METHOD FOR DETERMINING OPTIMAL CONTENT OF DEPRESSOR ADDITIVE IN LUBRICANT COMPOSITIONS

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью тепловых средств и может быть использовано для исследования вязкостно-температурных свойств жидкости и количественной оценки интенсивности и динамики структурных превращений в процессе подбора состава смазочных композиций моторных масел на стадии их разработки.
Современные смазочные композиции могут содержать до 15 компонентов для улучшения качества смазочных материалов и составлять до 25% масла основы. Для Российской Федерации и других северных стран актуальна проблема улучшения низкотемпературных свойств горючесмазочных материалов (холодная климатическая зона в РФ занимает около 80% территории страны).
Наиболее эффективным и экономически целесообразным способом улучшения низкотемпературных свойств нефтей, топлив и масел является использование депрессорных присадок. Это вещества, при введении которых в малых дозах достигается существенное снижение температуры застывания и улучшение текучести при низких температурах. В отличие от всех других способов это направление обеспечивает рациональное использование нефтяных ресурсов и комплексное улучшение низкотемпературных свойств различных нефтепродуктов и нефти. Обычно эффективность депрессоров определяется снижением температуры застывания нефтепродуктов, достигаемым в их присутствии, и концентрацией присадок, обеспечивающих максимальную депрессию температуры застывания
-1
Известен способ определения количества присадки ДЕТЕРСОЛ-140 в моторных маслах для автомобильной техники по патенту РФ №2304281, включающий отбор пробы, измерение оптической плотности на полосах поглощения 1604 и 2000 см при спектрофотометрировании и последующий расчет концентрации присадки по экспериментально полученной зависимости. Достигается расширение номенклатуры определяемых при помощи ИК-спектроскопии присадок для моторных масел, а также возможность идентификации только присадки ДЕТЕРСОЛ-140 и определения только ее количества, а не суммарного содержания всех присутствующих в моторном масле присадок. Способ представляется трудоемким.
Д
з мин
ОПТ
Известна методика количественной оценки эффективности депрессоров, которая заключается в установлении взаимосвязи между оптимумом действия присадок и содержанием твердых парафиновых углеводородов (Повышение эффективности процессов нефтепереработки и нефтехимии / Л.В. Таранова, С.Г. Агаев // Химическая технология переработки нефти и газа. - Казань: 1985. - С. 30-32). Для этого депрессоры испытывают в модельных системах нефтяного парафина марки Т (ГОСТ 23683 - 79) с температурой плавления 56°C в n-гептане при содержании парафина от 2,5 до 35%. Депрессорную эффективность присадок оценивают при введении в них от 0,02 до 2,0% депрессора. Вначале устанавливается зависимость температуры застывания модельной системы от концентрации депрессорной присадки при постоянном содержании парафина, затем графически определяют оптимальные концентрации присадок (С), при которых достигается минимальная температура застывания системы (t). После этого строятся зависимости этих показателей от содержания парафинов в системе.
Известно определение эффективности депрессорных присадок путем определения снижения температуры застывания нефтепродуктов и нефтей, достигаемое при введении выбранной дозы присадки (по ГОСТ 20287 - 74). По ГОСТу предусмотрена визуальная регистрация потери подвижности нефтепродуктов при понижении температуры. При этом необходимо обеспечить полное растворение и равномерное распределение в анализируемой среде активного вещества присадки. Для проведения анализа требуется подготовленный персонал, точность измерений неудовлетворительна.
Известные методы определения эффективности депрессорных присадок имеют следующие основные недостатки:
- значительные временные затраты на проведение испытаний,
- сложность и трудоемкость методов, требуется квалифицированный лабораторный персонал,
- чувствительность диэлькометрического метода к наличию примесей в исследуемой среде, что может значительно искажать получаемые результаты.
δ
δ
Наиболее близким изобретению является "Способ исследования термодинамического структуропреобразования жидких сред" по патенту РФ №2289125, при котором изменяют температуру исследуемой жидкости и определяют зависимость вязкости жидкости от температуры, отличающийся тем, что пробу жидкости объемом ≤1 мл циклически монотонно и непрерывно с заданной скоростью охлаждают и нагревают в заданном интервале температур, в каждом последовательном цикле определяют температурные области структуропреобразования жидкости по безразмерному динамическому критерию подобия температуровязкостных свойств η выражающего зависимость относительного изменения сдвиговой вязкости от относительного изменения абсолютной температуры жидкости при заданной скорости изменения ее температуры η=δη (Т, Θ)/δТ, а степень интенсивности структуропреобразования исследуемой жидкости в указанных температурных областях количественно выражают либо через изменение термоэнергетической функции жидкости Е(Т), определяемой по формуле
где: R - универсальная газовая постоянная; Т - текущая абсолютная температура жидкости; Θ - скорость изменения температуры,
либо через изменение свободной энергии активации ε(Т), определяемой путем решения дифференциального уравнения; при этом температуру и вязкость определяют посредством сферического миниатюрного металлического зонда низкочастотного вибровискозиметра, снабженного встроенным датчиком температуры и работающего в режиме вынужденных колебаний с амплитудой не более нескольких микрон. Известный способ позволяет определить температурный диапазон с максимальной интенсивностью микроструктурных процессов, но при этом не может обеспечить оценку температуровязкостных свойств жидкости в зависимости от количественного состава присадок, в частности, способ не позволяет определять оптимальное содержание депрессорной присадки в смазочной композиции.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы повысить точность и достоверность определения депрессорных присадок в смазочных композициях моторных масел.
Поставленная задача решена заявляемым изобретением.
δ
Способ определения оптимального содержания депрессорной присадки в смазочных композициях, включающий регистрацию процессов термодинамического структуропреобразования путем определения термоэнергетической функции каждой пробы, отличающийся тем, что приготавливают несколько проб масла с различным, точно известным количеством депрессорной присадки в них, для определения степени интенсивности структуропреобразования каждой пробы исследуемого масла пробу объемом ≤1 мл непрерывно с заданной скоростью 0.1-0.15°С/с охлаждают в заданном интервале температур от комнатной температуры до температуры застывания, определяют температурные области структуропреобразования исследуемого масла по безразмерному динамическому критерию подобия температуровязкостных свойств η, а степень интенсивности структуропреобразования исследуемого масла в указанных температурных областях количественно выражают через изменение термоэнергетической функции исследуемого масла Е(Т), определяемой по формуле
δ
E(T)=(1/2-η(T))·RT,
δ
где: R - универсальная газовая постоянная; Т - текущая абсолютная температура масла; Θ - скорость изменения температуры; η - динамическая вязкость; η=δη(Т, Θ)/δТ,
затем определяют среднюю интенсивность микроструктурных процессов в каждой пробе через среднеквадратическое отклонение термоэнергетической функции и оптимальное содержание депрессорной присадки определяют как соответствующее пробе с максимальной средней интенсивностью микроструктурных процессов.
Сущность заявляемого способа заключается в определении максимальной средней величины интенсивности микроструктурных процессов в пробе масла при одновременном определении температуры ее застывания. За оптимальное содержание депрессорной присадки в моторном масле принимается такое ее количество, при котором интенсивность образования микроструктур в масле является максимальной, а температура застывания - минимальной. Как и в прототипе, объем пробы составляет не более 1 мл. В этом случае тепловая постоянная времени не превышает единиц или десятков секунд, что позволяет исследовать достаточно быстро протекающие процессы структуропреобразования в пробе.
Результаты экспериментальных исследований показали, что в чистых маслах, без депрессоров, микроструктурные преобразования в процессе изменения температуры путем охлаждения и нагрева масла практически отсутствуют. Структуропреобразования проявляются только при добавке депрессора в моторное масло. С ростом концентрации депрессора интенсивность микроструктурных процессов, определяемая по амплитуде колебаний зонда вибровискозиметра, падает. Образующиеся в присутствии депрессора микроструктуры препятствуют росту кристаллов парафинов при понижении температуры моторного масла, блокируют центры роста кристаллов.
Определение оптимального содержания депрессора в масле по предлагаемому способу производят в следующей последовательности:
1) готовят несколько проб масла с различным, точно известным количеством депрессорной присадки в них,
2) регистрируют процессы термодинамического структуропреобразования путем определения термоэнергетической функции каждой пробы.
δ
Для определения степени интенсивности структуропреобразования каждой пробы исследуемого масла пробу объемом ≤1 мл непрерывно с заданной скоростью 0.1-0.15°C/c охлаждают в заданном интервале температур от комнатной температуры до температуры застывания, определяют температурные области структуропреобразования исследуемого моторного масла по безразмерному динамическому критерию подобия температуровязкостных свойств η, а степень интенсивности структуропреобразования исследуемого масла в указанных температурных областях количественно выражают через изменение термоэнергетической функции моторного масла Е(Т), определяемой по формуле
δ
где R - универсальная газовая постоянная; Т - текущая абсолютная температура пробы исследуемого масла; Θ - скорость изменения температуры; η - динамическая вязкость; η=δη (Т, Θ)/δТ;
4) определяют среднюю интенсивность микроструктурных процессов в каждой пробе через среднеквадратическое отклонение термоэнергетической функции Е(Т). При этом определено опытным путем, что при скорости охлаждения 0.1-0.15°C/c процессы микроструктурных преобразований в смазочных композициях проявляются с удовлетворительной воспроизводимостью результатов, что обеспечивает высокую точность анализа;
5) определяют оптимальное содержание депрессорной присадки соответствующее пробе с максимальной средней интенсивностью микроструктурных процессов.
Экспериментальные исследования заявляемого способа проводились на моторном масле И -20А с депрессорной присадкой ПМА - Д.
Количество присадки изменялось в пределах 0,2-1,5% масс. с шагом 0,2%, общее количество проб масла составило шесть.
з
В таблице приведены результаты экспериментального определения оптимального содержания присадки в масле И - 20А по предлагаемому способу. В таблице также показаны результаты исследования температуры застывания Т проб исследуемого масла с различным содержанием присадки по стандартному методу ГОСТ 20287. Каждая проба испытывалась по шесть раз по разработанному способу для проверки сходимости. При испытании стандартным методом проводилось два параллельных определения и за результат бралось среднее арифметическое значение, указанное в таблице.
При определении рационального содержания присадки в масле по ГОСТ 20287 минимальные температуры застывания имеют пробы масла с содержанием присадки 0,8, 1 и 1,5% масс. соответственно. Какое содержание присадки принимать за оптимальное в этом случае, непонятно, но, как правило, принимают максимальное, т.е. 1-1,5% масс., что, как видно из анализа экспериментальных данных, приводит к значительному перерасходу дорогостоящей присадки.
В результате анализа экспериментальных данных находим, что минимальную температуру застывания имеют пробы масла с содержанием присадки 0,8 и 1% масс. Однако максимальную среднюю интенсивность микроструктурных процессов имеет проба с содержанием присадки 0,8% масс. При этом достигается минимальная температура застывания смазочного масла и максимальная интенсивность микроструктурных процессов в нем. Это может свидетельствовать о том, что именно интенсивность структуропреобразования вносит решающий вклад в обеспечение минимальной температуры застывания исследуемого смазочного масла, что хорошо согласуется с теоретическими соображениями, приведенными выше. Заявляемый способ значительно уменьшает трудоемкость и повышает точность определения оптимального содержания депрессорных присадок в моторных маслах.