Структура, вязкостные свойства и водопоглощение составов на базе трансформаторного масла и ИФХАН-29А

УДК 620.193

СТРУКТУРА, ВЯЗКОСТНЫЕ СВОЙСТВА И ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ СОСТАВОВ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА И ИФХАН-29А

© Н.В. Габелко, В.И. Вигдорокнч

Ciabelko N. V., Vigdorovitch V.l. The stmcture, viscosity characteristics and water uptake of the compounds based on transformer oil and IFHAN-29A. The authors have investigated the activation of transformer oil by introducing the IFHAN-29A product and the rheological characteristics of the compositions being formed as a function of dope, temperature and shift shift stress observable concentration. The influence has also been studied of the temperature and kinematic viscosity on the thickness of the oil composition being formed on the steel sheet.

ВВЕДЕНИЕ

Разработка новых и модификация существующих антикоррозионных неметаллических материалов обычно ведется посредством оценки воздействия различных факгоров непосредственно на их защитную эффективность. Исследованиям структуры, вязкостных и реологических характеристик составов, и даже кислородо- и влагопроницаемос'ш придается гораздо меньшее значение. Вместе с тем, эти факгоры опосредованно влияют на защитные свойства и непосредственно определяют энергозатраты и технологичность нанесения композиций, условия формирования защитных пленок. Разработка научных основ создания защитных неметаллических масляных составов, в том числе и малокомпонентных, требует изучения и учета их объемных свойств.

В настоящей работе исследовано загущение трансформаторного масла (ТМ, ГОСТ 10121-76) продуктом ИФХАН-29А (кубовые остатки дистилляции галловых масел). Изучена водоиоглощающая способность композиций, их кинематическая вязкость v„ реологические свойства и структура как функция концентрации присадки, температуры t и величины напряжения сдвига. Исследована связь толщины формирующейся пленки с t и V, .

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Вискозиметрические измерения (вискозиметр тина ЫТЖ) проведены по ГОСТ 33-82 в интервале температур 20-80° С с точностью термостатирования ±1° С. Абсолютный эффект загущения оценивали как разность v* - (С ИФХАН-29А = const, t = coiist, где V* И VM - СООТВЄТ-ственно кинематическая вязкость масляной композиции и товарного масла, используемого в качестве растворителя - основы (РО). Концентрация ИФХАН-29А - 1 ...20 мас.%. Для количественной оценки водопоглощения (делительная воронка с рубашкой, в которую вводили равные объемы дистиллированной вода и масляной композиции, интенсивно перемешивали (механическая мешалка, 200 об/мин) и отстаивали до получения постоянных обі>емов масляной и водной фаз) использован коэффициент р, характеризующий объем воды, поглощенный единицей объема композиции (изотермические условия).

Р ~ f ВОДЫ. ПОГЛ І I КОМП.» I воды, погп — I воды, псх. — ^ вода, ост

Пленки на образцах стали СтЗ (55x30x3 мм), нред-варительно обрабоганных наждачной бумагой разных номеров, обезжиренных, высушенных и взвешенных, формировали ноіружением в ванну консервации (ВК), помещенную в специально сконструированный воздушный термостат. После 30-ти минутной выдержки их извлекали из ВК и подвешивали вертикально в воздушном пространстве без вскрыгия термостата (Т) для удаления избытка композиции (1-2 часа). В течение эксперимента температуру ВК и воздуха в Т задавали и поддерживали одинаковой. Толщину формирующейся защитной пленки как функцию температуры и СИфхан-29а рассчитывали из гравиметрических данных, учитывая массу исходных образцов и покрытых защитным составом Влияние величины напряжения сдвига (1-5 кПа) оценивали посредством вискозиметра Уббелоде.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На вязкостно-температурной кривой трансформаторного масла в полулогарифмических координатах

у) »мьЛг*;

Рио. 1. Зависимость кинематической вязкости составов ИФХАН-29А в ТМ от температуры. Сифхан-зод. мас. %: 1 - 0; 2-1; 3-3; 4-5; 5-10; 6-20

lg^, (^мм^с“1

Рис. 2. Зависимость кинематической вязкости составов ИФХАН-29А в ТМ от а) температуры водопоглощения, Сцфхан-29а = 3 мае. %, р = 1 и б) концентрации ИФХАН-29А при постоянной температуре водопоглощения, 40 °С, р = 1: а) температура водопоглощения. °С: 1 - НгО; 2 - ТМ; 3 - безводная композиция: 4 - 20; 5 - 40; 6 - 60; б) ИФХА11-29А в ТМ, мае. %: 1 -1; 2-3; 3-5; 4- 10; 5-20

идентифицируются два линейных участка (рис. 1) с точкой излома, соответствующей, =55 °С. Введение ИФХАН-29А в концентрации 1-20 мае. % не изменяет характера зависимости. Величина </lg v,/ dt < 0 и на высокотемпературном участке кривой практически не зависиг от СИфхан-29а- В области t < /|са ейgvj dt по абсолютной величине возрастает в 1,5-2 раза. Заедающий эффекте присутствии 1-5 мае. % ИФХАН-29А невелик и заметно повышается с 4-х кратным увеличением концентрации присадки во всем исследуемом интервале температур (рис. 1).

Все исследованные составы эффективно поглощают воду. Величина р равиа или близка к 1. Согласно микроскопическим данным с водо-растБоримым и маслорастворимым красителями, обводненные композиции представляют собой концегггрированные эмульсии (до 50 об. % Н20) типа в/м. Их кинематическая вязкость при постоянном напряжении сдвига существенно выше, чем чистых водь! и ТМ, слабо зависит от температуры формировать структуры (рис. 2), почти на порядок выше v, сухих композиций с Сифхан-29а = const и возрастаег с повышением СИФХАН-29А ('водопот = COIlSt, РИС. 26).

Трансформаторное масло при температурах выше и ниже /|ПЛ являегся ньютоновской жидкостью (рис. 3),

Р*Г,кПа *с

Рис. 3. Зависимость произведения Р г трансформаторного масла or величины напряжения сдвига Р при различных температурах. Т, °С: 1 - 20; 2 - 30; 3 - 40; 4 - 50; 5 - 60; 6 - 70; 7 -80. х - время истечения,с

т. к. произведение напряжения сдвига Р на время истечения т не зависит от Р. Уравнение Ньютона

Р = 1] (dvlcix),

где 1] и dv/dx - соответственно динамическая вязкость и градиент скорости между слоями, выполняется и в присутствии 1 и 10 мае. % ИФХАН-29А в масле (рис. 4) также при температурах композиции, соотвегствующих обоим линейным участкам вязкостно-температурных кривых.

Как и следовало ожидать, толщина L формирующихся на стали СтЗ защитных пленок понижается с ростом температуры композиции (рис. 5а). Повышение Сифхан-29а оказывает обратное действие. Толщины пленок, даже сформированных при 20 °С, не превышают 14 мкм. Та же картина характерна и для обводненных композиций (рис. 56), причем разрушение эмульсий не происходит и при 70 °С. Однако L пленок композиций по сравнению с сухими составами (СИФХан-29а = = const) возрастает в 1,3-1,5 раза, хотя вновь и при 20 °С не превышает 20 мкм.

Зависимость толщины формирующихся пленок сухой композиции от кинематической вязкости в логарифмических координатах подчиняется уравнению

lg h = к + в lg V,

с в = 0,300 ± 0.037 и к= 3,29 ± 0,35. Вечичина к представляет собой lgh0 при V, = 1 мм2 с_|

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Наличие излома на вязкостно-температурных кривых, наблюдаемого на рис. 1, ранее интерпретировалось как результат начала формирования мицеллярной структуры. В интервале t > /|ПЛ система представляет собой истинный раствор, при обращении неравенства наряду с мономерными частицами, либо исключительно существуют агрегированные образования. Таким образом, /1ВЛ - характеристическая для данной конкретной системы критическая температура мицеллооб-разования КТМ (Спав = const). В случае товарного трансформаторного масла роль мицеллообразователя могут выполнять молекулы ионола (4-метил-2,6-ди-третбутилфенол), вводимого в него (до 1 мае. %) в качестве антиоксиданта [2]. Обычно рост концентрации ПАВ смещает величину КТМ в область более высоких

ГЛ-.с"1

Рис. 4. Зависимость обратной величины времени истечения составов. ИФХАН-29А в ТМ от напряжения сдвига при различных температурах. СИфхан-29л, мае. %: а - 1; б - 10. Т, °С: 1 - 20; 2 - 30; 3 - 40; 4 - 50; 5 - 60; 6 - 70; 7 - 80

1,кп<

Рис. 5. Зависимость толщины формирующейся защитной пленки составов ИФХАН-29А в ТМ от температуры композиции: а - безводные системы. Сифханоял, мае. %: 1 - 0; 2 - 1; 3 -3; 4 - 5; 5 - 10; 6 - 20; б. р = 1. водопоглощение при 20 °С. Сцфхан-29а> мае. %: 1 — 1; 2 — 3; 3 — 5; 4 — 10; 5 — 20

температур [ 11. Такую картину можно было ожидать и с введением ИФХАН-29А, который, будучи кубовым остатком процесса дистилляции талповых масел, содержит высшие преимущественно непредельные одноосновные карбоновые и смоляные кислоты, а также фитостерины, высокомолекулярные спирта [3,4].

Однако при наличии и возрастании СИфхан-29а температура излома не изменяется (рис. 1), что также указывает на участие в образовании мицелл исключигельно молекул ионола. Видимо, поэтому и загущающий эффект ИФХАН-29А в области его СИфхан-29а ^ Ю мае. % мал во всем изученном температурном интервале.

Образование эмульсий типа в/м в присутствии воды возможно лишь при наличии эмульгатора. Им может выступать как ионол, так и компоненты кубовых остатков дистилляции галлового масла. Однако товарное ТМ, по нашим данным, не поглощает воду. Следовательно, присутствующий в нем ионол не обусловливает образование эмульсий. Роль эмульгатора выполняет ИФХАН-29А, молекулы компонентов которого образуют достаточно прочный слой на границе раздела фаз масло/вода.

Ранее было показано, что кинематическая вязкость эмульгированных составов может быть как больше [5],

так и меньше [ 11 сухих композиций. Для материалов на базе ТМ характерен первый вариант (рис. 2а). Рост v, при увеличении СИФХАН-29А (рис. 26) можно объяснить возрастанием вклада кооперативного эффекта взаимодействия образований водной фазы, расположенных в близлежащих слоях эмульсий. Это возможно, если функциональные группы молекул компонентов ИФХАН-29А находятся внутри водной фазы, а взаимодействующие между собой их углеводородные радикалы ПАВ, образующие мембрану, стабилизирующую капли воды, направлены в сторону неполярного растворителя, в роли которого выступает ТМ.

Для объяснения подчинения течения ТМ уравнению Ньютона следует принять, что уже при небольших напряжениях сдвига (Р > 1 кПа) происходит ориентировка мицелл вдоль направления течения. Тогда последующий рост Р в области t < /|13Л не изменяет динамической вязкости системы, т. е. i\ïF(Р). В интервале / > /1Ш1 мицел-лярная структура в масле отсутствует изначально и, естественно, 1] = const. Это же характерно и дня композиций ТМ с ИФХАН- 29А (рис. 4), т. к. его компоненты не дают мицелл яр ных образований, и в их присутствии природа мицелл, образованных молекулами ионола, не претерпевает принципиальных изменений.

Вместе с тем, рост кинематической вязкости композиций с повышением СИФхан-29а наблюдается весьма отчетливо. Видимо, ваи-дер-ваальсово взаимодействие молекул его компонентов в масле сильнее, чем последних друг с другом. Это ведет к увеличению кинематической вязкости близко расположенных слоев жидкости. Тем более, что карбоксильные группы кислот, входящих в состав ИФХАН-29А, расположенные в таких слоях, могут взаимодействовать за счет водородных связей.

ВЫВОДЫ

Составы на основе трансформаторного масла и ИФХАН-29А представляют собой ньютоновские жидкости, на структуру которых не оказывает существенное влияние добавка ИФХАН-29А. В частности, ее компоненты не способны к созданию мицеллярных образований.

Композиции ТМ и ИФХАН-29А легко образуют эмульсии типа в/м в присутствии замел n.ix количеств воды. За счет этого они обладают высокой водопоглощающей способностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шель И.В., Ликсутина А.П., Цыганкова Л.Е. II Вестн. ТГУ. Сер.

Естеств. и технич. науки Тамбов. 1999 T 4. Вып 1. С. 36-43.

2. Купчее АМ. Химия и технология присадок к маслам и топливам.

Л.: Химия. 1985.312 с.

3. Sondermann W. Naturharze. Terpentiol. Chemie und Technologie.

Berlin: Springer- Verlag, I960. 483 S.

4. Сумароков В.П., ВаньянМ. Л., Аскинази А. И. Талловое масло. М.:

Лесная пром-сть, 1965. 147 с.

5. Таныгина Е. Д., Шель И. В., Вигдорович В. И. и ор. // Химия и хим.

технология 1999 Т. 4. Вып 4 С. 128-134

Поступила в редакцию 10 сентября 2001 г.