ПОРОШОК-УСКОРИТЕЛЬ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИКОВЫХ ЛЫЖ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ACCELERATOR POWDER FOR TREATING SURFACE OF PLASTIC SKIS AND PRODUCTION METHOD THEREOF

Изобретение относится к области спорта и отдыха, а именно к разработке новых порошков-ускорителей, предназначенных для нанесения на скользящую поверхность лыжи с целью улучшения скоростных и эксплуатационных характеристик лыжника.
Основными компонентами современных порошков-ускорителей являются фторсодержащие соединения. Благодаря наличию атомов фтора фторсодержащие порошки-ускорители обладают исключительной гидрофобностью и придают поверхности лыж высокие скоростные и скользящие свойства.
4
Известен состав лыжных порошков-ускорителей на основе линейных перфторалканов с числом углеродных атомов от 10 до 20 с температурой плавления от 50 до 130°С (ЕР 0132879, Int.Cl.: С10М 105/52, С10М 111/00, С10М 169/04, С07С 17/26, опубл. 11.07.84). Перфторалканы получают димеризацией перфторированных сульфонилфторидов. Недостаток данного состава порошков-ускорителей заключается в низкой износоустойчивости и быстром сходе порошка-ускорителя с поверхности лыж.
Для повышения износостойкости порошков-ускорителей, применяемых для нанесения на поверхность пластиковых лыж, могут использоваться частично фторированные соединения, которые имеют углеводородный и перфторированный фрагменты.
3
n
2n
m
2m
3
6
Так, описаны соединения формулы CF-CF-CH-СН (USP 5423994, Int.Cl.: С10М 139/00, С10М 111/04, А63С 5/00, C08L 91/06, опубл. 13.06.95). Эти соединения, благодаря углеводородному фрагменту, имеют большое сродство с поверхностью лыж, изготавливаемой, как правило, из полиэтилена, а фторированный фрагмент обеспечивает высокую гидрофобность. В результате повышается износоустойчивость порошка-ускорителя. Способ получения частично фторированных соединений включает присоединение перфторалкилиодида к алкену с последующим замещением атома иода на водород. Недостаток способа состоит в сложности синтеза, что сдерживает возможность его промышленного производства.
x
2
x
2
7
Известны также соединения общей формулы H-C(R)-C(R)H, где Rx представляет собой фторированный алкил (USP 6121212, Int.Cl.: С10М 131/04, опубл. 19.09.2000). Соединения данного класса обладают высокой молекулярной массой, низкой температурой плавления и отличными характеристиками при испытании в качестве лыжных смазок. Синтез этих соединений многостадиен и включает взаимодействие перфторалкилиодидов с аллилхлоридом, дегалоидирование полупродуктов с последующим присоединением перфторалкилиодида и димеризацию. Данный способ также неприемлем для производства в промышленном масштабе.
Известны фторсодержащие порошки-ускорители, которые по совокупности существенных признаков наиболее близки к предлагаемым.
12
16
Порошки-ускорители представляют собой смеси перфтор-, α-хлорперфтор- и α,ω-дихлорперфторалканов C-C (Пат. РФ №2264375, МПК 7 С07С 19/08, 17/361, опубл. 20.11.2005). Данные смеси представляют собой композиции из фторированных соединений перфтор-, α-хлорперфтор- и α,ω-дихлорперфторалканов с различной температурой плавления, причем температура плавления смесей ниже, чем температура плавления наиболее высокоплавкого компонента. Благодаря наличию в смесях высокоплавких компонентов увеличивается износоустойчивость порошков-ускорителей. Синтез смесей перфтор-, α-хлорперфтор- и α,ω-дихлорперфторалканов осуществляется путем взаимодействия перфтор- и ω-хлорперфторкарбоновых кислот с калийной щелочью при температуре до 60°С, а затем - с персульфатом калия при температуре 90-95°С.
К недостаткам порошков-ускорителей, представляющих собой смеси перфтор-, α-хлорперфтор- и α,ω-дихлорперфторалканов, является их низкая эффективность при использовании в условиях пониженных температур атмосферного воздуха и на длинных дистанциях. При трении лыжи о снег указанные смазки истираются и сходят. Сход смазки наиболее сильно наблюдается при низких температурах на жестком снегу и длинных дистанциях - марафонах. Кроме того, наличие атомов хлора, которые связаны с углеродным скелетом слабее, чем атомы фтора, обусловливает недостаточную химическую стойкость хлорфторалканов.
К недостаткам способа получения смесей хлорфторалканов следует отнести тот факт, что в качестве исходного сырья используются дефицитные и дорогостоящие перфтор- и хлорперфторкислоты.
К способам получения перфторированных продуктов на основе дешевого сырья относится фторирование с помощью трифторида кобальта. В литературе имеются сведения о получении перфторпропана исчерпывающим фторированием пропана (J.Burdon. The fluorination of propane over cobalt trifluoride - J.Fluor.Chem., 1991, v.54, p.50).
Способ исчерпывающего фторирования трифторидом кобальта применяется для синтеза перфторгептана, перфторметилциклогексана (Промышленные фторорганические продукты: Справ.изд. / Б.Н.Максимов, В.Г.Барабанов, И.Л.Серушкин и др. - СПб: Химия, 1996, с.376-377).
Техническая задача, решаемая с помощью заявляемого изобретения, состоит в повышении износостойкости и атмосферостойкости порошков-ускорителей для обработки пластиковых лыж, а также в разработке способа получении эффективных порошков-ускорителей на базе дешевого сырья.
12
26
16
42
18
46
56
114
Поставленная техническая задача решается тем, что порошок-ускоритель для обработки поверхности пластиковых лыж, содержащий перфторалканы, выбранные из группы, включающей CF÷CF, согласно изобретению дополнительно содержит перфторалканы, выбранные из группы, включающей CF÷CF, или их смеси, в количестве 2-50 мас.%.
В способе получения такого порошка-ускорителя для обработки поверхности пластиковых лыж, включающем фторирование соответствующих алканов трифторидом кобальта, согласно изобретению фторирование проводят в две стадии при температуре 250-450°С, причем температура на первой стадии не превышает 350°С, из продуктов фторирования отделяют фтористый водород, выделяют индивидуальные перфторалканы известными приемами, смешивают индивидуальные перфторалканы в заданном соотношении, нагревают смеси перфторалканов до температуры, превышающей температуру плавления смеси на 5-10°С, охлаждают с получением кристаллов и измельчают кристаллы до размера частиц 1-2 мкм.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1 (получение префторалканов)
26
54
Углеводород формулы СН в количестве 200 г в жидком состоянии в смеси с азотом прикапывают в реактор с трифторидом кобальта. Для исключения образования большого количества продуктов деструкции фторирование проводят в две стадии при температуре 250 и 400°С:
26
54
3
26
54
2
СН+108CoF→CF+54HF+108CoF
26
54
Сконденсированный в приемнике сырец после фторирования в количестве 668 г нагревают до 100°С для отпарки от основного количества фтористого водорода. Следовую кислотность отмывают 5%-ным раствором гидроксида натрия. В аппарате с мешалкой нейтральный сырец контактируют с этилацетатом при температуре 50°С с целью отмывки от частично фторированных примесей. После отмывки нижний слой отделяют, охлаждают до температуры 20°С и фильтруют под вакуумом для выделения кристаллов перфторалкана CF.
26
54
После всех операций очистки получают 184 г очищенного перфторалкана CF.
12
26
16
24
18
38
22
46
56
114
Аналогичным образом получают перфторалканы CF, CF, CF, CF, CF.
Пример 2
3
12
26
26
54
В химический стакан вместимостью 1000 см помещают 350 г перфторалкана CF, 350 г перфторалкана CF (50 мас.%). Смесь разогревают до полного расплавления всех компонентов (~140°С). Далее смесь охлаждают до кристаллизации полученного продукта и измельчают на мельнице до размера частиц 1-2 мкм. По окончании всех операций получают однородный белый порошок с температурой плавления 132°С, который наносят на скользящую поверхность лыжи с помощью утюга.
Пример 3
3
12
56
16
34
56
114
В химический стакан вместимостью 300 см помещают 80 г перфторалкана CF, 15 г перфторалкана CF, 5 г перфторалкана CF (5 мас.%). Смесь разогревают до полного расплавления всех компонентов (~150°С). Далее смесь охлаждают до кристаллизации полученного продукта и измельчают на мельнице до размера частиц 1-2 мкм. По окончании всех операций получают однородный белый порошок с температурой плавления 143°С, который наносят на скользящую поверхность лыжи с помощью утюга.
Пример 4
3
16
34
22
46
В химический стакан вместимостью 300 см помещают 80 г перфторалкана CF и 20 г перфторалкана CF (20 мас.%). Смесь разогревают до полного расплавления компонентов (~150°С). Далее смесь охлаждают до кристаллизации полученного продукта и измельчают на мельнице до размера частиц 1-2 мкм. По окончании всех операций получают однородный белый порошок с температурой плавления 145°С, который наносят на скользящую поверхность лыжи с помощью утюга.
Пример 5
3
14
30
18
38
38
78
В химический стакан вместимостью 300 см помещают 80 г перфторалкана CF, 10 г перфторалкана CF (10 мас.%), 10 г перфторалкана CF (10 мас.%). Смесь разогревают до полного расплавления всех компонентов (~135°С). Далее смесь охлаждают до кристаллизации полученного продукта и измельчают на мельнице до размера частиц 1-2 мкм. Получают однородный белый порошок с температурой плавления 127°С, который наносят на скользящую поверхность лыжи с помощью утюга.
Пример 6
Проведены испытания эксплуатационных свойств новых лыжных порошков-ускорителей.
На первом этапе испытания проводили в лабораторных условиях на специальной машине трения по схеме «сфера-поверхность». На пластину, изготовленную из материала, аналогичного лыжной подошве, с помощью утюга наносили смазку скольжения, после этого пластину устанавливали в прибор, зону контакта «сфера-поверхность» заполняли водой и проводили испытания при следующих условиях:
нагрузка на сферу
- 10 мН;
линейная скорость
- 20 мм/с;
диаметр сферы
- 5 м;
ход образца
- 10 мм.
Замеряли количество циклов до возрастания коэффициента трения, равного 70% от значения, замеренного при трении сферы о поверхность без нанесения смазки скольжения. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Состав смазки скольжения
Количество циклов до возрастания коэффициента трения, равного 70% от значения, замеренного при трении сферы о поверхность без нанесения смазки скольжения
C<sub>12</sub>F<sub>26</sub> - 50%, C<sub>26</sub>F<sub>54</sub> - 50% (по примеру 2 заявляемого изобретения)
2583700
C<sub>16</sub>F<sub>24</sub> - 38%, C<sub>16</sub>F<sub>33</sub>Cl - 31%, C<sub>16</sub>F<sub>32</sub>Cl<sub>2</sub> - 19%
1640900
(смесь фторалканов, полученная в пр.4 прототипа RU 2264375)
Второй этап проверки эксплуатационных свойств проводился двумя спортсменами на дистанции 50 км. На поверхность скольжения лыж утюгом наносили порошки-ускорители. С интервалом пробега 10 км лыжники скатывались с горки. При этом замерялся путь от подножья горы до места полной остановки лыжника. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
Погодные условия
Состав смазки скольжения у первого и у второго спортсмена, соответственно
Общий пробег лыжника, км
0
10
20
30
40
50
Путь, пройденный после скатывания с горки до полной остановки, м
Температура снега минус8°С, старый грязный снег, влажность воздуха 78%
C<sub>12</sub>F<sub>26</sub> - 50%,
28,12
28,33
28,29
28,27
28,23
28,05
C<sub>26</sub>F<sub>54</sub> - 50%
(по примеру 2 заявляемого изобретения)
C<sub>16</sub>F<sub>34</sub> - 38%,
28,20
27,63
27,31
26,85
26,05
25,95
C<sub>16</sub>F<sub>33</sub>Cl - 31%,
C<sub>16</sub>F<sub>32</sub>Cl<sub>2</sub> - 19%
(смесь фторалканов, полученная в пр. 4 прототипа RU 2264375)
18
46
56
114
Положительный эффект от использования изобретения заключается в том, что перфторалканы повышенной молекулярной массы (CF÷CF) обладают большей износостойкостью к кристаллам снега, их введение в порошки-ускорители способствует увеличению стойкости смазки к истиранию и сохранению смазывающего эффекта на длинных дистанциях. Кроме того, такие смазки эффективны при более низких температурах снега. Благодаря отсутствию атомов хлора увеличивается срок эксплуатации смазки без заметного изменения ее свойств.
Получение порошков-ускорителей согласно заявляемому изобретению основано на использовании дешевого доступного углеводородного сырья.
18
46
56
114
При введении перфторалканов CF÷CF в количестве менее 5 мас.% эффект стойкости к истиранию незначительный. При введении более 50 мас.% лыжный порошок-ускоритель начинает плавиться при температуре, близкой к температуре деструкции скользящей поверхности лыжи - выше 150÷155°С. Поэтому при нанесении смазки с помощью утюга увеличивается опасность подгорания лыжной подошвы.