СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОРАЗЛАГАЕМОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КОНСИСТЕНТНОЙ СМАЗКИ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
METHOD OF PRODUCING BIODEGRADABLE LOW-TEMPERATURE GREASE BASED ON CELLULOSE

Изобретение относится к областям нефтехимии и целлюлозно-бумажной промышленности, более конкретно, к созданию многоцелевой низкотемпературной биоразлагаемой консистентной смазки на основе целлюлозы, и может быть использовано для работы узлов трения в диапазоне температур от минус 50 до плюс 200°С. Среди возможных областей применения низкотемпературной консистентной смазки следует указать широкий круг машин и механизмов, эксплуатируемых в условиях Арктики и Крайнего Севера, в том числе все виды транспорта, буровые установки, оборудование для переработки нефти и газа.
К известному техническому решению в области получения низкотемпературной консистентной смазки относится способ получения пластичной смазки для смазывания и герметизации запорной арматуры магистральных и газораспределительных станций (см. патент RU 2214449 С10М 161/00, опубл. 20.10.2003). Способ заключается в загрузке части минерального масла в обогреваемую мешалку, введении при перемешивании стеариновой кислоты и добавлении гидроокиси лития, нейтрализующей стеариновую кислоту при 85-95°С, испарении воды и загрузки в мешалку оставшегося количества минерального масла и полимера с перемешиванием до получения однородной смеси, которую затем прогревают до 240°C с последующим охлаждением до 40-80°С и введением при перемешивании диалкилдитиофосфата цинка, графита и целлюлозы при следующем соотношении компонентов (мас. %): стеариновая кислота - 12.0-18.0, гидроокись лития - 2.0-3.0, полимер - 0.4-8.0, графит - 0.5-5.0, диалкилдитиофосфат цинка, модифицированный бором - 0.1-1.0, целлюлоза - 0.5-5.0, минеральное масло с температурой застывания ниже минус 45°С - до 100. В качестве полимера используют полиизобутилен, бутандиен-стирольный термоэластопласт, этиленпропиленовый синтетический каучук или атактический полипропилен. Технический результат изобретения заключался в повышении герметизирующих свойств и улучшении смазочных свойств пластичной смазки благодаря расширению температурного интервала работоспособности от минус 60 до плюс 120°С, обеспечение экологической безопасности.
К недостаткам данного изобретения можно отнести использование в рецептуре полиолефинов, минерального масла и гидроксида лития, что делает смазку не биоразлагаемой.
Известен способ получения низкотемпературной пластичной смазки (см. RU 2476588, кл. МПК С10М 169/06, опубл. 27.02.2013), заключающийся в приготовлении раствора присадки неозона А в трикрезилфосфате при перемешивании и нагревании с последующей подготовкой дисперсионной среды путем смешивания в варочном аппарате полиальфаолефинового масла ПАОМ-4, диоктилсебацината и триоктилфосфата, в одной части которой затем растворяют полиизоцианат, а во второй - смесь октадециламина и анилина, совмещении двух частей дисперсионной среды, ее нагревании, выдерживании в течение некоторого времени и охлаждении с получением готовой пластичной смазки по изобретению при следующем соотношении компонентов, % мас.: ПАОМ-4 - 37.46-39.44, диоктилсебацинат - 37.46-39.44, триоктилфосфат - 22.08-24.08, загуститель - продукт взаимодействия октадециламина - 3.57, полиизоцианата - 3.47-3.89 и анилина - 1.18-1.32, фенил-альфа-нафтиламин (неозон А) - 0.45-0.55, трикрезилфосфат - 3.9-4.1. Полученная смазка пригодна для высокоскоростных радиально-упорных подшипников, для гироскопов и синхронных гиромоторов и работоспособна в интервале рабочих температур от минус 50°С до плюс 150°С.
Недостатком данного изобретения является достаточно высокое содержание небиоразлагаемого компонента - полиальфаолефинового масла, а также сложный способ приготовления.
Наиболее близкий к изобретению способ получения низкотемпературной пластичной смазки (см. RU 2697057, кл. МПК С10М 169/06, опубл. 09.08.2019) заключается в добавлении к сложноэфирному маслу органомодифицированной глины, перемешивании смеси при 25°С на роторном смесителе в течение трех минут, введении микрокристаллической целлюлозы с последующим перемешиванием и выдержкой в течение суток с получением готовой консистентной смазки при следующем соотношении компонентов, % мас.:
Микрокристаллическая целлюлоза
10-30;
Органомодифицированная глина
10-30;
Сложноэфирное масло
остальное.
Способ позволяет получать низкотемпературную консистентную смазку на основе нетоксичных компонентов и, как следствие, с высокой экологичностью и безопасностью, а также расширенным температурным диапазоном применения от -50 до +150°С.
Недостатком изобретения является достаточно высокое содержание небиоразлагаемого компонента - органомодифицированной глины, а также ее высокая густота (низкий показатель пенетрации), приводящая к невозможности ее применения в узлах трения, эксплуатирующихся в условиях невысоких скоростей и высоких нагрузок, например, закрытых зубчатых передачах, центральных смазочных системах, низкоскоростных шариковых и роликовых подшипниках.
Задача данного изобретения состоит в разработке способа получения биоразлагаемой смазки на основе сложноэфирного масла, целлюлозы и органомодифицированной глины, обеспечивающего смазке повышенную биоразлагаемость и более жидкую консистенцию для расширения возможностей ее применения.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ получения биоразлагаемой низкотемпературной консистентной смазки путем введения в сложноэфирное масло органомодифицированной глины и микрокристаллической целлюлозы с получением исходной смеси компонентов и перемешивания при комнатной температуре, в котором исходную смесь компонентов сначала перемешивают в течение 3-10 мин, нагревают до 150-250°С, выдерживают при достигнутой температуре в течение 20-60 мин, не давая смеси остыть, перемешивают ее на роторном смесителе со скоростью вращения ротора 10000-30000 об/мин в течение 5-30 мин, затем смесь охлаждают и получают смазку при следующем соотношении компонентов, мас. %:
микрокристаллическая целлюлоза
5-25;
органомодифицированная глина
3-9;
сложноэфирное масло
остальное,
при этом более 95-99% об. органомодифицированной глины в составе смазки содержит частицы, размер которых не превышает 55-100 нм.
В качестве базового масла смазка содержит сложный эфир с двумя или тремя сложноэфирными группами, а в качестве органомодифицированной глины - монтмориллонит, модифицированный солями четвертичного аммония, по крайней мере, один из заместителей которого состоит из не менее 12 атомов углерода.
Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, заключается в улучшении антифрикционных характеристик получаемой низкотемпературной смазки, а именно, в уменьшении коэффициента трения до 0.078-0.125 по сравнению с 0.18-0.29 по прототипу, а также в достижении биоразлагаемости смазки до 80.1% по сравнению с 60.8% по прототипу.
Способ позволяет получать биоразлагаемую низкотемпературную многоцелевую смазку, предназначенную для смазывания самых разных узлов трения и работоспособную в интервале температур от -50°С до +200°С (от температуры замерзания сложноэфирного масла до температуры его вспышки).
Сочетание высокой температуры и высокой скорости перемешивания обеспечивает эксфолиацию слоистых микрочастиц монтмориллонита с образованием наноразмерных частиц, более эффективно загущающих сложноэфирное масло и стабилизирующих частицы микрокристаллической целлюлозы. Без проведения указанной процедуры получение устойчивых смазок, содержащих менее 10 мас. % органомодифицированной глины, не возможно.
Нижеперечисленные примеры иллюстрируют техническое решение. В качестве них рассмотрены смеси с различным содержанием целлюлозного загустителя, повышение содержания которого позволяет получать более густые консистентные смазки, что актуально в случае их применения в высокоскоростных узлах трения и при высоких температурах. При этом выбор типа сложноэфирного масла и модификатора глины заметного влияния не оказывает.
Антифрикционные и противоизносные свойства смазок выражают в коэффициентах трения и износа, измеренных с использованием пары трения шар-пластина (диаметр шара 6.35 мм, сталь марки 440С) при линейной скорости контртела 0.15 м/с и силе трения 30 Н. Консистентные смазки также можно охарактеризовать пределом прочности (ГОСТ 7143-73), биоразлагаемостью в аэробных условиях за десятидневный период в течение 28 дней испытания (OECD 301В, ISO 14852) и пенетрацией (ГОСТ 5346-78). Последний показатель определяет класс смазки согласно Национальному институту пластичных смазок США (NLGI). Класс 00 соответствует жидкой консистенции смазок, применяемых, как правило, в центральных системах смазывания. Смазки с классом 0 характеризуют как очень мягкие и применяют для смазывания закрытых зубчатых передач. Для смазывания подшипников скольжения и качения применяют, соответственно, мягкие смазки классов 1 и 2, тогда как полутвердые смазки класса 3 используют в насосных установках и других высокоскоростных системах. Твердые смазки классов 4 и 5 используют как уплотнительные смазки, а очень твердые класса 6 применяют для смазывания открытых зубчатых передач. Таким образом, использование способа по изобретению позволяет получать консистентные смазки любых типов повышением содержания целлюлозы в составе смазки. Во всех случаях смазка является легко и полностью биодеградируемой, поскольку показатель биодеградируемости превышает 60%.
Пример 1
В 90 г сложноэфирного масла (диоктилсебацината) добавляют 5 г органомодифицированной монтмориллонитовой глины (модифицирована диметилдиоктадециламмоний бромидом) и 5 г микрокристаллической целлюлозы. Смесь перемешивают на верхнеприводной мешалке в течение 3 мин, нагревают до 150°С и выдерживают при этой температуре 60 мин. Затем, не давая системе остыть, перемешивают ее на роторном смесителе со скоростью вращения ротора 10000 об/мин в течение 30 мин. После смесь охлаждают, получая готовую смазку.
Полученная консистентная смазка характеризуется свойствами, приведенными в таблице.
Пример 2
В 85 г сложноэфирного масла (триметилолпропантригептаноата) добавляют 5 г органомодифицированной глины (модифицирована метилдиэтанолгексадециламмоний бромидом) и 10 г микрокристаллической целлюлозы. Смесь перемешивают на верхнеприводной мешалке в течение 5 мин, нагревают до 200°С и выдерживают при этой температуре 30 мин. Затем, не давая системе остыть, перемешивают ее на роторном смесителе со скоростью вращения ротора 24000 об/мин в течение 10 мин. После смесь охлаждают, получая готовую смазку.
Полученная консистентная смазка характеризуется физико-механическими и трибологическими свойствами, приведенными в таблице.
Пример 3
В 80 г сложноэфирного масла (диоктилсебацината) добавляют 5 г органомодифицированной глины (модифицирована диметилдиоктадециламмоний бромидом) и 15 г микрокристаллической целлюлозы. Смесь перемешивают на верхнеприводной мешалке в течение 10 мин, нагревают до 250°С и выдерживают при этой температуре 20 мин. Затем, не давая системе остыть, перемешивают ее на роторном смесителе со скоростью вращения ротора 30000 об/мин в течение 5 мин. После смесь охлаждают, получая готовую смазку.
Полученная консистентная смазка характеризуется физико-механическими и трибологическими свойствами, приведенными в таблице. От образца берут пробу и проводят ее рентгеноструктурный анализ на дифрактометре Rigaku Rotaflex D-Max-RC (Фиг 1).
Пример 4
В 75 г сложноэфирного масла (диоктилсебацината) добавляют 5 г органомодифицированной глины (модифицирована метилдигептадециламмоний бромидом) и 20 г микрокристаллической целлюлозы. Смесь перемешивают на верхнеприводной мешалке в течение 5 мин, нагревают до 200°С и выдерживают при этой температуре 40 мин. Затем, не давая системе остыть, перемешивают ее на роторном смесителе со скоростью вращения ротора 20000 об/мин в течение 30 мин. После смесь охлаждают, получая готовую смазку.
Полученная консистентная смазка характеризуется физико-механическими и трибологическими свойствами, приведенными в таблице.
Пример 5
В 70 г сложноэфирного масла (диоктиладипината) добавляют 5 г органомодифицированной глины (модифицирована диметилдиоктадециламмоний бромидом) и 25 г микрокристаллической целлюлозы. Смесь перемешивают на верхнеприводной мешалке в течение 7 мин, нагревают до 220°С и выдерживают при этой температуре 30 мин. Затем, не давая системе остыть, перемешивают ее на роторном смесителе со скоростью вращения ротора 24000 об/мин в течение 30 мин. После смесь охлаждают, получая готовую смазку.
Полученная консистентная смазка характеризуется физико-механическими и трибологическими свойствами, приведенными в таблице.
Использование высокотемпературного высокоскоростного смешения позволяет провести преобразование загустителя - органомодифицированной глины - с переводом ее микроразмерных частиц в наноразмерные. На дифрактограмме смазки по прототипу можно обнаружить два пика (Фиг. 1, кривая 1): в области 3.5 и 7 градусов по 2θ, что соответствует межплоскостным расстояниям 25.7 и 12.4 . Последнее значение соответствует показателям нативной глины и свидетельствует о неполной модификации глины солью четвертичного аммония, которая увеличивает межплоскостное расстояние до 25.7 . В результате приготовления смазки по изобретению происходит уменьшение интенсивности пика, соответствующего межплоскостному расстоянию 12.4  (Фиг. 1, кривая 2), т.е. происходит интеркаляция сложноэфирного масла в межслоевое пространство глины. Это приводит к появлению пика в области 4.6°, что соответствует межплоскостному расстоянию 19.3 . Иными словами, сложноэфирное масло, проникая в глину, раздвигает ее слои, увеличивая между ними расстояние с 12.4 до 19.3 . Кроме того, в результате высокоинтенсивного перемешивания происходит исчезновение пика при 7°, что доказывает отрыв чешуек глины друг от друга. Поскольку толщина чешуйки глины составляет 0.96 нм, то в результате обработки происходит образование анизометричных наночастиц, эффективно загущающих сложноэфирное масло.
Размер частиц глины в смазках определяют на анализаторе Zetasizer Nano ZS (Malvern Instrument, Великобритания). В смазке по прототипу размер частиц глины лежит в пределах 1.9-5.4 мкм (Фиг. 2), тогда как высокотемпературное высокоскоростное смешение при приготовлении смазки по настоящему изобретению позволяет перевести 99 об. % частиц глины в наноразмерные с эффективным диаметром порядка 55-100 нм (Фиг. 3). Благодаря этому смазка по изобретению может содержать меньшую концентрацию глины по сравнению с прототипом и характеризуется меньшим коэффициентом трения с сопоставимой при этом величиной коэффициента износа.
Полученная таким образом многоцелевая биоразлагаемая низкотемпературная консистентная смазка может быть использована для работы узлов трения в диапазоне температур от минус 50 до плюс 200°С. Среди возможных областей применения низкотемпературной консистентной смазки следует указать широкий круг машин и механизмов, эксплуатируемых в условиях Арктики и Крайнего Севера, в том числе все виды транспорта, буровые установки, оборудование для переработки нефти и газа.