СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ
WATER-BASED LUBRICATING MATERIALS

Настоящее изобретение относится к смазочным материалам на водной основе. В особенности изобретение относится к применению смазочных материалов на водной основе для смазывания пар трения в элементах привода, а также к их применению.
Разработка новых смазочных материалов должна происходить одновременно с общим совершенствованием техники, которое предъявляет новые и более высокие требования к составам смазочных материалов. При этом, в частности, также необходимо принимать во внимание охрану окружающей среды и выброс диоксида углерода. Требования к известным смазочным материалам на основе минерального масла или синтетического масла больше не возрастают.
В частности, смазочные материалы применяют в элементах привода, таких как, например, цепи, коробки передач, подшипники качения и подшипники скольжения или уплотнения вращающихся валов. Эти смазочные материалы основываются на минеральном масле или синтетических углеводородах. В особенности в подшипниках качения и подшипниках скольжения смазочное средство обеспечивает то, что между скользящими или обкатывающимися друг на друге частями создается разделяющая, переносящая нагрузку смазочная пленка. Таким образом, достигается то, что металлические поверхности не соприкасаются и тем самым также не происходит износ. Поэтому смазочные средства должны удовлетворять высоким требованиям, принимая во внимание:
- охлаждение места трения,
- предельные условия эксплуатации, такие как очень высокие и очень низкие частоты вращения,
- высокие температуры, которые обусловлены высокими частотами вращения и нагрузками и вместе с тем сопровождающимся саморазогревом или внешним нагревом,
- очень низкие температуры в холодной окружающей среде,
- особые требования пользователя к антифрикционным свойствам, например незначительное трение, бесшумность,
- предельно длительные сроки службы без промежуточного пополнения смазкой,
- способность к биологическому расщеплению.
Из заявки WO 2007/098523 A2 известны готовая к эксплуатации коробка передач, рабочая жидкость для такой коробки передач и способ ее первого ввода в эксплуатацию. Рабочая жидкость состоит из смеси из воды и алифатического углеводорода, в котором графитовые частицы суспендированы как твердый смазочный материал. Этот твердый смазочный материал находится в виде хлопьевидных графитовых частиц, которые имеют крупность зерен менее чем 50 мкм. Другие компоненты этого смазочного материала и охлаждающего вещества представляют собой диспергирующие присадки, антивспениватели, ингибиторы коррозии. Невыгодными в этой рабочей жидкости являются находящиеся в твердой, соответственно хлопьевидной форме графитовые частицы, которые с одной стороны осаждаются из суспензии и тем самым могут склеивать подлежащие смазке рабочие детали. Другим недостатком является стойкое загрязнение деталей, которые вступают в контакт с графитсодержащими смазочными материалами. Если при эксплуатации необходима фильтрация смазочного масла, то графит может привести к засорению пор фильтра. Кроме того, рабочая жидкость обладает очень низкой вязкостью, которая при высоких нагрузках может привести к выходу из строя смазочной пленки.
Поэтому в основе настоящего изобретения лежала задача предоставить смазочный материал на водной основе, который соответствует указанным выше требованиям, в особенности является способным к биологическому расщеплению и способствует тому, что существенно снижается выброс диоксида углерода.
Эта проблема согласно изобретению решается благодаря тому, что применяют смазочный материал, состоящий из воды, водорастворимых полиалкиленгликолей, водорастворимых эмульгаторов и обычных для смазок добавок. Водорастворимые полиалкиленгликоли выбирают из группы статистически распределенных полиоксиэтиленовых и полиоксипропиленовых единиц и/или других полиоксиалкиленовых элементарных звеньев с одной или несколькими гидроксильными концевыми группами, из блок-сополимера из полиоксиэтиленовых и/или полиоксипропиленовых единиц и/или других полиоксиалкиленовых элементарных звеньев. В качестве эмульгатора используют анионные тензиды, например сульфонаты, неионогенные тензиды, например этоксилаты спиртов жирного ряда или этоксилаты нонилфенола, или катионные тензиды, например, четвертичные аммониевые соединения, водорастворимые или эмульгируемые в воде сложные эфиры карбоновых кислот.
Неожиданно было обнаружено, что определенные препараты на водной основе (содержание воды>10%) превосходят смазывающие характеристики обычных смазочных материалов и существенно снижаются коэффициенты трения.
Вследствие этого и благодаря хорошему внутреннему охлаждающему действию получают уменьшенное термопроявление в трибосистеме. Подобные смазочные материалы на водной основе хорошо подвергаются биологическому расщеплению и являются экологически безвредными в водной среде. Кроме того, они отличаются хорошей совместимостью с обладающими эластичностью резины материалами.
В зависимости от применения, например, можно значительно улучшить свойства смазочных материалов на водной основе при низких температурах путем добавления антифризов, например низкомолекулярных гликолей, глицерина, солей или ионных жидкостей.
Далее добавки могут быть добавлены для того, чтобы целенаправленно оказать влияние на свойства смазочного материала. Они могут находиться в растворимом или диспергированном, коллоидном или наношкальном виде.
В случае необходимости также смазочные материалы на водной основе могут быть приготовлены пенящимися. При этом особый интерес представляет применение в виде распыляемой пены, так как вследствие этого возможен визуальный контроль нанесения смазочного материала. В случае загрязнения текстильных изделий или деталей машины жидким смазочным материалом на водной основе их можно легко очистить.
Для окрашивания смазочных материалов на основе минерального масла или синтетического масла чаще всего необходимы вредные для здоровья и/или экотоксикологические красители. В случае смазочных материалов на водной основе можно использовать большое количество токсикологически безопасных водорастворимых красителей вплоть до пищевых красителей.
«Базовое масло» согласно изобретению также может подвергаться взаимодействию путем смешивания с мыльными порошками и порошками мочевины, слоистыми силикатами или другими распространенными загустителями смазочных материалов до получения консистентной смазки или пластичной смазки.
Одна предпочтительная форма осуществления смазочного материала на водной основе согласно изобретению содержит:
от 5 до 80 мас.% водорастворимого полиалкиленгликоля, выбранного из группы, состоящей из статистически распределенных полиоксиэтиленовых и/или полиоксипропиленовых единиц и/или других полиоксиалкиленовых элементарных звеньев, блок-сополимера из полиоксиэтиленовых и/или полиоксипропиленовых единиц и/или других полиоксиалкиленовых элементарных звеньев,
от 0,5 до 20 мас.% пенящихся или непенящихся эмульгаторов из класса анионных (например, сульфонаты), неионогенных (например, этоксилаты спиртов жирного ряда или также этоксилаты нонилфенола) или катионных (например, четвертичные аммониевые соединения) тензидов или водорастворимых или эмульгируемых в воде сложных эфиров карбоновых кислот,
от 0,5 до 50 мас.% антифриза, выбранного из группы, состоящей из алкиленгликоля, глицерина, солей или ионных жидкостей,
от 0,05 до 10 мас.% антикоррозионных добавок, таких как алканоламины, производные борной кислоты или карбоновой кислоты,
от 0,001 до 1 мас.% добавок для предотвращения пенообразования, например полидиметилсилоксанов или акрилатных полимеров и
от 0,05 до 5 мас.% средств, защищающих от износа воду до 100 мас.%.
Дополнительно композиция смазочного материала может содержать следующие компоненты:
от 0,001 до 0,5 мас.% биоцидов, например, сорбиновой кислоты и/или
от 0,05 до 5 мас.% наночастиц.
Кроме того, композиция смазочного материала может содержать:
от 0,5 до 40 мас.% загустителей смазочного материала, выбранных из группы, состоящей из металлических мыл из моно- и/или дикарбоновых кислот, мочевин, слоистых силикатов, твердых смазочных материалов и аэросила.
Примеры
Пример 1
Для получения трансмиссионного масла смешивают следующие компоненты, мас.%:
Дист. вода
45,0
Пропиленгликоль
20,0
Высокомолекулярный полиэтиленгликоль
25,0
Полигликолевый эфир жирного спирта
5,0
Алканоламин и производное борной кислоты
2,0
Сернистая жирная кислота
3,0
Речь идет о практически бесцветном прозрачном, как вода, растворе ISO VG 32 с незначительной вспениваемостью. Смазочный материал остается жидким до температур от -35°C.
По сравнению с традиционными смазочными материалами резко сниженный уровень трения приводит к явно улучшенной энергетической эффективности и к незначительному уровню шума, а также к удлинению срока службы в процессе эксплуатации. Посредством замены минерального масла или соответствующего ему базового масла водой преимущество заключается в долговечности этого смазочного материала.
Составленный таким образом смазочный материал благодаря решению с отсутствием твердого смазочного материала является особенно пригодным для применений, при которых смазочный материал непрерывно фильтруется, как, например, редуктор в ветросиловых установках.
В таблице 1 приведены свойства примерного состава 1 по сравнению с продуктом на основе минерального масла.
Таблица 1
Пример 1
Продукт минерального масла
Состояние вязкости при 40°C
ISO VG 32
ISO VG 32
Температура текучести
-35°C
-10°C
Коэффициент трения, SRV-тест
0,058
0,100
Индекс окраски по Хазену
35
140
Пример 2
Для получения трансмиссионного масла, допускающего большую нагрузку, смешивали друг с другом следующие компоненты, мас.%:
Дист. вода
38,0
Пропиленгликоль
20,0
Высокомолекулярный полиэтиленгликоль
24,644
Полигликолевый эфир жирного спирта
5,0
Производное карбоновой кислоты М-528, Cortec
10,0
Сернистая жирная кислота
2,3
Наночастицы Ceroxid
0,05
Сорбиновая кислота
0,003
Акриловые сополимеры
0,003
Здесь также имеются уже описанные в примере 1 преимущества смазочного материала. Посредством добавления наночастиц повторно обеспечивается повышенная защита от износа.
В таблице 2 приведены свойства примерного состава 2 по сравнению с продуктом на основе минерального масла. Несмотря на явно низкую вязкость, водный состав обладает существенно улучшенной защитой от износа (более высокое достижимое контактное напряжение) согласно Рейхерту.
Таблица 2
Пример 1
Продукт минерального масла
Состояние вязкости при 40°C
110 мм<sup>2</sup>/с
460 мм<sup>2</sup>/с
Температура текучести
-35°C
-10°C
Пример 1
Продукт минерального масла
Контактное напряжение согласно установке для испытаний на износ Рейхерта в соответствии с операционной таблицей VKIS
3500 Н/см<sup>2z</sup>
2800 Н/см<sup>2</sup>
Индекс окраски по Хазену
130
230
Пример 3
Масляная пена состоит из, мас.%:
Дист. вода
50,0 мас.%
Пропиленгликоль
15,0 мас.%
Высокомолекулярный полиэтиленгликоль
25,0 мас.%
Пенящийся этоксилат жирного спирта
5,0 мас.%
Алканоламин и производное борной кислоты
2,0 мас.%
Сернистая жирная кислота
3,0 мас.%
Здесь также имеются преимущества смазочного материала, которые уже описаны в примере 1, температура текучести композиции составляет -20°C.
Этот состав обладает высоким пенообразованием, что способствует применению с помощью распылителя/пульверизатора в виде пены.
Преимущество применения подобного рода состоит в том, что смазочный материал можно хорошо распознавать визуально на поверхности даже при минимальных количествах смазки непосредственно после применения, например, фокусом гарантии качества. Другим преимуществом применения в виде пены является улучшенное увлажнение общей поверхности трибосистемы, что способствует сокращению времени обкатки и улучшению прирабатываемости.
Фигура 1 демонстрирует явно более низкий момент вращения подшипника качения, снабженного пенящимся (не на водной основе) смазочным материалом, в течение первых 120 минут времени работы.
Фиг.1: Потребление энергии смазанного смазочным материалом А подшипника качения. Серая кривая: стандартное применение, черная кривая: применение в виде пены.
Пример 4
Получение консистентной смазки на водной основе, пригодной при низких температурах, содержащей, мас.%:
Дист. воду
32,0
Пропиленгликоль
15,0
Высокомолекулярный полиэтиленгликоль
15,0
Гидроксистеарат Li
35,0
Себацинат Na
3,0
В таблице 2 приведены свойства примерной композиции 4.
Таблица 2
Пенетрация перемешанной смазки DIN ISO 2137
NLGI 2
Вязкость базового масла, DIN 51562
90 сСт
Давление истечения при -30°C, DIN 51805
<1400 мбар
Пример 5
Смазочный материал, состоящий из, мас.%:
Дист. вода
27,5
Высокомолекулярный полиалкиленгликоль
50,0
Алкиленгликоль
10,0
Производное карбоновой кислоты М-528, Cortec
2,0
Водорастворимый эфир карбоновой кислоты
10,0
Акриловый сополимер
0,5
Этот смазочный материал пригоден для смазывания уплотнений вращающихся валов и в противоположность известным смазочным материалам из минеральных масел или синтетических углеводородов хорошо поддается биологическому расщеплению и поэтому утилизируется экологически безвредным способом. Он отличается низким трением, хорошим охлаждающим действием, хорошей совместимостью с обладающими эластичностью резины материалами и обладает низким потенциалом загрязнения воды. Является выгодным, что при разбавлении с водой он изменяет вязкость только незначительно и поэтому способствует образованию эффективной смазочной пленки.
Смазочный материал на водной основе согласно изобретению может применяться для смазывания элементов привода в цепях, коробках передач, подшипниках качения и подшипниках скольжения или для смазывания уплотнений вращающихся валов в виде пены, спрея или эмульсии, которые наносятся с помощью распылительных устройств или пульверизаторов с фокусом улучшенного увлажнения поверхности и улучшенной способности к обнаружению тонких смазочных пленок.