СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD OF PRODUCING DIAMOND-CONTAINING COMPOSITION

Изобретение относится к способу получения смазочной композиции на основе минеральных и синтетических масел и детонационного алмазосодержащего углерода (ДАУ) (детонационных наноалмазов (ДНА) и детонационной алмазосодержащей шихты (АШ) - постдетонационного углеродного продукта). Данное изобретение может быть использовано для получения антифрикционных и противоизносных масел для машин и механизмов различного рода.
Широко известны смазочные композиции, в которых в качестве антифрикционных добавок используют твердые материалы, в частности порошки металлов, графита, соединений молибдена и вольфрама, природные и синтетические микропорошки алмазов. Из металлов широко применяют порошки меди, олова, свинца, серебра и бронзы [Горюнов В.М. Металлоплакирующая смазка в тяжелонагруженных шарнирах. Тепловая динамика и моделирование внешнего трения. М.: Наука, 1975, С. 102-105; Колесниченко Л.Ф. «Влияние халькогенидов молибдена на триботехнические свойства смазочных материалов», Порошковая металлургия, 1987, №11, С. 67-71]. Анализ литературных данных дает основание для следующих выводов: наилучшие антифрикционные свойства композиции придают порошки меди, серебра и дисульфида молибдена; максимальная концентрация порошков в масле - не более 5 мас. %; оптимальными являются размеры порошков не менее 1 мкм. Использование этих добавок обеспечивает снижение коэффициента трения и износа, повышает предельные нагрузки в узлах трения. Однако применение широко известных композиций ограничено в силу низких реологических и антикоррозионных свойств, а также седиментационной устойчивости композиций. В то же время эксплуатационные свойства могут быть улучшены за счет подбора новых антифрикционных добавок и функциональных присадок.
Наноразмерность частиц детонационного алмаза и их округлая форма делают их применение очень эффективным для антифрикционных и противоизносных смазочных композиций различного рода [T. Xu, J. Zhao, Q. Xue "Study on the Tribological Properties of Ultradispersed Diamond Containing Soot as an Oil Additive", Tribology Transactions, 1997, V. 40, Nol, P. 178-182]. Преимущества ДНА как модификатора трения перед другими типами веществ такого рода заключаются в следующем:
- эффективность при очень низких концентрациях в базовом масле;
- совместимость с различными видами синтетических и минеральных масел;
- экологическая безопасность углеродной добавки в масла по сравнению с металлическими или фторуглеродными частицами и веществами.
Известна смазочная композиция, состоящая из масляной основы и АШ, причем состав последней был следующим: 2,0-99,0 мас. % - неабразивный алмаз (ДНА) и 1,0-98,0 мас. % - графит. Соотношение компонентов в смазочной композиции: кластерный углерод (АШ) - 0,01-1,0 мас. %, масляная основа - остальное. [Пат. РФ, МПК WO 91/04311, Г.В. Сакович, П.М. Брыляков, А.И. Шебалин, Ю.Н. Привалко, Ф.З. Бадаев, О.А. Беседина и др., публ. 04.04.1991 г.].
В качестве основы смазочной композиции с АШ можно использовать минеральные или синтетические смазочные масла, смазочно-охлаждающие жидкости. Основа может быть сложной по составу и содержать необходимые функциональные добавки, обеспечивающие стойкость к окислению, устойчивость к пенообразованию, моюще-диспергирующие, антикоррозионные и другие свойства.
Седиментационная устойчивость известной композиции не велика - не более 1 месяца. Кроме того, указанная композиция имеет большой разброс конгломератов АШ по размерам и плохую смешиваемость высокодисперсного углеродного порошка с маслом при приготовлении композиции.
Способ получения смазочной композиции с твердым модификатором трения достаточно прост в технологическом исполнении и осуществляется следующим образом. Кластерный углерод, получаемый по известной технологии, например детонационным синтезом, обезвоживают путем вакуумной сушки и в требуемых количествах загружают в емкость предварительного смешения, куда вводят и масляную основу, например минеральное масло. После тщательного перемешивания смесь с помощью насосов продавливается через сетчатые фильтры и магнитные сепараторы и затем через устройства окончательного диспергирования, например дезинтеграторы, акустические (ультразвуковые) смесители или мельницы, с последующим фильтрованием через фильтры тонкой очистки для удаления крупных включений и примесей [Пат. РФ, МПК WO 91/04311, Г.В. Сакович, П.М. Брыляков, А.И. Шебалин, Ю.Н. Привалко, Ф.З.Бадаев, О.А. Беседина и др., публ. 04.04.1991 г.].
Известен пат. РФ №2054456, кл. С10М 133/16, приор. 15.05.1992 г., публ. 20.02.1996. В нем описана антифрикционная присадка, содержащая нефтяное масло, АШ и винилсукцинимид (ПАВ). Причем содержание АШ составляет 0,2-0,5 мас. %, а винилсукцинимида - 0,01-0,05 мас. %. Композицию готовят механическим смешиванием.
Данная присадка обладает низкой седиментационной устойчивостью - не более 6 недель.
В пат. РФ №2356938, кл. С10М 125/02, приор. 15.06.2007, публ. 27.05.2009 описана смазочная композиция, содержащая ДНА в количестве 0,01-40 мас. %, остальное - смазочный компонент. Для обеспечения коллоидной стабильности ДНА должны иметь дзета-потенциал от -40 до -85 мВ.
Недостатком способов приготовления рецептур является использование для их получения простого перемешивания ингредиентов, в лучшем случае - использование ультразвуковой обработки. Все это приводит в реальной практике к малой стабильности смазочных композиций.
В качестве прототипа выбран способ получения смазочной композиции (WO 9301261, МПК С10М 125/02, публ. 21.01.93), заключающийся в смешении минерального масла, поверхностно-аквтивного вещества (ПАВ) в количестве 0,15-5,0 мас. % и алмазосодержащего углерода в количестве 0,01-8,0 мас. %. В качестве ПАВ используют неионогенное поверхностно-активное вещество: амин синтетической жирной кислоты (С6-С18), сложный эфир синтетической жирной кислоты (С6-С18), эфир высшего первичного спирта (С10-С16), синтетическая жирная кислота (С10-С16). ПАВ растворяют в неполярной жидкости, в которую вводят алмазосодержащий углерод. Полученную композицию диспергируют известными способами и вводят непосредственно в минеральное масло в заданных соотношениях.
Седиментационная устойчивость смазочной композиции составляет 18 месяцев.
Способ, выбранный в качестве прототипа, не обеспечивает высокую седиментационную устойчивость.
Задачей изобретения является получение смазочной композиции высокой седиментационной устойчивости высокоэффективным способом по достаточно простой технологии. Полученная смазочная композиция должна обладать, кроме того, высокими антифрикционными (низким коэффициентом трения) и противоизносными свойствами и низкой температурой масла в зоне трения.
2
Предложен способ получения алмазосодержащей смазочной композиции путем механического смешения исходного масла с растворенным в нем поверхностно-активным веществом и предварительно обезвоженного вакуумной сушкой детонационного алмазосодержащего углерода в количестве 5-10 мас. % при 80-110°C, в котором в качестве поверхностно-активного вещества используют катионное азотсодержащее поверхностно-активное вещество в количестве 2-10% от массы детонационного алмазосодержащего углерода, а после смешения осуществляют выдержку не менее 60 мин для удаления избытка воздуха с последующей обработкой композиции на виброкавитационном гомогенизаторе при температуре 80-110°C и подачей ее на сепаратор, причем композицию подают на рабочую поверхность ротора виброкавитационного гомогенизатора не более 0,5 г/см·с при скорости вращения ротора не менее 15 м/с.
Время обработки на виброкавитационном гомогенизаторе составляет 20-60 мин.
Виброкавитационный гомогенизатор представляет собой корпус с крышкой, на которой расположен входной патрубок. В корпусе соосно с входным патрубком находится вал с закрепленным на нем ротором, который состоит из концентрических колец с перфорацией. Неподвижный статор закреплен в корпусе.
Проведение смешения исходного масла и обезвоженного вакуумной сушкой детонационного алмазосодержащего углерода в присутствиии ПАВ, имеющего химическое сродство с поверхностными функциональными кислородосодержащими группами АШ или ДНА (в основном, гидроксильными и карбонильными), помогает сформировать на поверхности частиц ДАУ структурно-механический барьер, который не позволяет частицам слипаться и, соответственно, предотвращает агрегацию частиц. При содержании в масле КА-ПАВ менее 2% от массы вводимого ДАУ коллоидная стабильность алмазно-смазочной композиции (АСК) составляет не более 12 месяцев, при введении ПАВ от 2 до 10 мас. % коллоидная стабильность композиции составляет не менее 24 месяцев. Введение ПАВ в АСК более 10 мас. % не увеличивает ее коллоидную стабильность и экономически не целесообразно.
После механического перемешивания обезвоженного под вакуумом ДАУ с маслом (с ПАВ) необходима выдержка не менее 60 мин для удаления избытка воздуха из смеси. При выдержке менее 60 мин не обеспечивается полнота удаления из АСК воздуха, который негативно влияет на процесс последующей виброкавитационной дезинтеграции частиц ДАУ.
Коллоидная стабильность АСК находится в сложной зависимости от размеров и химической природы частиц ДАУ, наличия стабилизаторов и ПАВ, химической природы масляной основы. Виброкавитационное воздействие оптимизирует массообменные процессы, высокую степень гомогенизации частиц за счет их дезагрегации, равномерное распределение в массе масла и стабилизацию частиц ДАУ путем образования структурно-механического барьера при взаимодействии поверхности частиц с ПАВ. Виброкавитационное воздействие повышает поверхностную активность дисперсных частиц и, соответственно, ускоряет процессы формирования поверхности раздела с требуемыми свойствами, обеспечивающими высокую гомогенность и стабильность композицию не менее 24 месяцев.
Экспериментальным путем было установлено, что при обработке АСК виброкавитационным воздействием менее 20 мин не достигается коллоидная стабильность композиции 24 месяцев, так при 15-минутной обработке стабильность композиции сохраняется не более 9 месяцев. Более 60 мин обработка не целесообразна, т.к. коллоидная стабильность АСК не увеличивается и также составляет 24 месяца.
Температура обработки виброкавитационным воздействием 80-110°C устанавливается в АСК за счет выделения тепла от самого процесса дезинтеграции при работе виброкавитационного гомогенизатора. Этот температурный диапазон, тем не менее, способствует более эффективному взаимодействию ПАВ с новой поверхностью дезинтегрируемых частиц ДАУ.
2
2
При отработке процесса было установлено, что максимальная скорость подачи композиции составляет не более 0,5 г/см·с на рабочую поверхность ротора. Если скорость подачи больше, то эффективность дезинтеграции частиц ДАУ падает, что снижает коллоидную устойчивость АСК, так при увеличении скорости подачи композиции в виброкавитационный гомогенизатор 0,6 г/см·с коллоидная стабильность композиции составляет 14 месяцев.
Минимальная скорость вращения ротора для обеспечения достигнутого уровня коллоидной стабильности 24 месяца составляет не мене 15 м/с, при ее уменьшении падает уровень коллоидной стабильности. Так, при скорости вращения ротора 10 м/с стабильность композиции ограничивается 8 месяцами.
Поскольку в АШ и ДНА могут находиться посторонние включения, крупные частицы или неразрушаемые агрегаты, после получения АСК ее пропускают через сепаратор для извлечения этих включений.
Сущность способа поясняется примерами его осуществления.
2
Пример 1. В 500 г базового масла И-20А вводят 3 г ПАВ «Амфора» (ТУ 9154-004-46242932-2003), нагревают до температуры 90°C. В полученный раствор вводят 45 г АШ, полученную в результате подрыва заряда тротил-гексоген и содержащую 44% ДНА, механически перемешивают до однородной консистенции и выдерживают при нормальных условиях 60 мин. Затем полученную композицию обрабатывают в течение 30 мин на виброкавитационном гомогенизаторе, при этом температура смеси поддерживается на уровне 80-105°C за счет подвода тепла от работающего гомогенизатора. Расход АСК равен 0,5 г/см·с с рабочей поверхности ротора и скорости вращения последнего 15 м/с. После этого АСК пропускают через сепаратор для удаления посторонних включений и крупных частиц. Максимальный размер твердых частиц в АСК не более 1 мкм. После 24 месяцев хранения изменений не обнаружено.
2
Пример 2. В 500 г базового масла И-20А вводят 5 г ПАВ "PIBSA' (фирма Lubrizol"), нагревают до температуры 105-110°C. В полученный раствор вводят 50 г ДНА, полученных азотнокислой очисткой АШ из Примера 1, механически перемешивают до однородной консистенции и выдерживают при нормальных условиях 70 мин. Полученную композицию обрабатывают в течение 45 мин на виброкавитационном гомогенизаторе, при этом температура смеси поддерживается на уровне 100-110°C за счет подвода тепла от работающего гомогенизатора. Расход АСК равен 0,4 г/см·с с рабочей поверхности ротора и скорости вращения последнего 20 м/с. После этого АСК пропускают через сепаратор. Максимальный размер твердых частиц в АСК не более 0,5 мкм. После 24 месяцев хранения изменений не обнаружено.
В качестве ПАВ можно использовать КА-ПАВ, разработанное по запросу СГПТУ(ТУ).
Другие примеры использования предлагаемого способа приведены в табл. 1, где отражены основные параметры синтеза АСК и характеристики полученного продукта.
АСК, полученная по предлагаемому способу, пригодна для использования в моторах и механизмах в качестве антифрикционной и противоизносной смазочной композиции.