СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЫЖНОЙ СМАЗКИ НА ОСНОВЕ ПЕРФТОРУГЛЕРОДОВ
METHOD OF PRODUCING PERFLUOROCARBON-BASED SKI LUBRICANT

Изобретение относится к транспортным средствам, предназначенным для передвижения по снегу, а именно к разработке новых покрытий, предназначенных для нанесения на скользящую поверхность с целью улучшения скоростных и эксплуатационных характеристик лыж.
Известен состав лыжной смазки, включающий выско-и низкофтористые парафины, в который введен фторированный модификатор (журнал «Лыжный спорт», Россия №4 за 1998 г., стр.53.
Основным направлением снижения коэффициента трения при скольжении является использование в составах связок фторсодержащих химических соединений.
6
3
n
2n
2
3
В USP 5423994 Int Cl, C10M 139/00, C10M, опубл. 13.06.95 предлагаются соединения общей формулы CF-CF-CmH-CH, имеющие хорошую адгезионную прочность с полиэтиленовой поверхностью лыжи, что обеспечивает высокую степень гидрофобности. В результате данный состав повышает износостойкость покрытия из предлагаемого смазочного состава. Однако органический синтез такого химического продукта очень сложен и практически не реализован на практике.
2
3
2
2
2
n
£w
Известен состав лыжной мази (патент RU 2203300, МКИ С09ОЗ/00,опубл.27.04.2003), в котором фторированный модификатор адсорбирован на мелкодисперсный твердый носитель - оксид кремния, либо оксид титана. В качестве модификатора данный состав содержит композицию на основе олигомеров метакриловых эфиров фторсодержащих спиртов-теломеров общей формулы CH=С(CH)COOCH(CFCF)Y, (А) в сочетании C - хлор-перторпарафинами. Присутствие компонентов с высокой температурой плавления несколько повышает износостойкость лыжной смазки, однако на длинных дистанциях-марафонах этот эффект полностью исчезает, поскольку смазка истирается и, как следствие, резко повышается коэффициент трения.
18
46
56
114
В патенте RU 2426757, МКИ C09G 3/00, опубл.20.08.2011, который является наиболее близким аналогом и может быть выбран в качестве прототипа, описан состав для обработки пластиковых лыж, а также способ его получения, который осуществляется многостадийным способом при температурах 250-450°C и до 350°C. Основным отличием данной полимерной композиции является использование дополнительно введенных перфторалканов, выбранных из группы CF9÷CF или их смеси в количестве 2-50 мас.%.
К недостаткам прототипа следует отнести невозможность получения лыжной смазки высокой гидрофобности и износоустойчивости, а также его значительную энергоемкость и невозможность получения конечного продукта в таблетированном виде, что снижает удобство его применения в условиях соревнований.
Другим недостатком прототипа является отсутствие в процессе производства обеспыливания, что отрицательно влияет на условия труда при производстве лыжной смазки.
Кроме того, обеспыливание в процессе измельчения создает безопасные условия при работе с фторсодержащими продуктами на производстве и улучшает экологическую обстановку при нанесении смазочного состава на месте применения.
Вышеприведенные лыжные смазки, включая прототип, изготовленные описанным выше способом обладают недостаточно высокой гидрофобностью, что увеличивает коэффициент трения скольжения, и низкой износоустойчивостью.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу получения лыжной смазки высокой гидрофобное™ и износоустойчивости, снижения энергозатрат при производстве лыжной смазки, а также повышение экологической безопасности в процессе производства и эксплуатации.
6
9
Указанная техническая задача в предлагаемом способе получения лыжной смазки на основе перфторуглеродов, включающим отгонку хладона, измельчение и сушку, достигается за счет того, что перед отгонкой растворителя с помощью декарбоксилирования и демиризации перфторановых кислот С-С при температуре 180-210° получают перфторуглероды, пропитку полученной порошковой смеси перфторуглеродов осуществляют 0,5 раствором перфторполиоксапропиленкарбоновывой кислоты в течение двух часов, после чего производят отгонку хладона, полученный смазочный состав подвергают сушке, кристаллизации и измельчению до 0,5÷0,8 микрон с помощью дисмембратора и таблетированию.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся, признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из технического уровня, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
6
9
Предлагаемый способ получения фторсодержащего смазочного состава основан на реакциях декарбоксилирования и демиризации перфтортрованных кислот С-С, в результате которых синтезируют перфторуглероды, затем пропитывают их порошкообразную смесь в течение двух часов модифицирующим раствором фторсодержащих ПАВ (поверхностно-активных веществ), после чего отгоняют органический растворитель. Полученный порошок высушивают и таблетируют.
Отличительной особенностью заявляемого способа является использование фторсодержащих ПАВ, которые по химическому составу представляют собой перфторполиоксапропиленкарбоновые кислоты, синтезированные из перфторполиэфиров. При нанесении смазочного состава на скользящую поверхность лыж фтор ПАВ они образуют структуры Ленгмора в виде спиралей с направленными к скользящей поверхности когерентными связями, которые обеспечивают высокую адгезионную прочность полимерной пленки к субстрату. При этом благодаря высокой степени гидрофобности полимерной пленки и большому значению угла смачивания (>130 дуговых градусов), вода легко скатывается и не пристает к скользящей поверхности, в результате чего снижается коэффициент трения и улучшаются эксплуатационные показатели скольжения лыж. Мономолекулярный слой фторсодержащих ПАВ образует пленку толщиной 10-15 Ангстрем и обеспечивает поверхностное натяжение 15-16 дин/см.
Способ получения лыжной смазки на основе перфторулеродов состоит из нескольких этапов, которые заключаются в следующем.
6
13
Получение исходных перфторуглеродов осуществляют декарбоксилированием и демиризацией перфторэнантовой -CFCOOH-кислоты, после чего их очищают путем растворения в легколетучих растворителях и высаживания. Вакуум-фракционное разделение перфторугеродов производят на ректификационнй колоне периодического действия.
Способы получения фторуглеродов указанных структур описаны в следующих источниках информации:
1. Промышленные фторорганические продукты: Справочное издание В. Н. Максимов, В.Г. Барабанов, И.Л. Серушкин и др. Изд.2-е переизданное СПб Химия 1996 год;
2. Игумнов В.Н., Леконцева Г.И., Шипигусев А.А., Гомзякова О.Д. Способ декарбоксилирования производных перфторированных карбоновых кислот патент РФ №2188187 приор. От 14.09.1999.
3. Игумнов В.Н., Леконцева Г.И., Шипигусев А.А. Новые методы синтеза базовых фторуглеродных органических соединений» доклад на VIII Всероссийской конференции «Химия фтора» Нерюгоровка 23-25 ноября 2009 г.
Обработку перфторугеродов с помощью фторсодержащих ПАВ осуществляют модифицирующим раствором в течение двух часов при периодическом перемешивании. Обработанный продукт подвергают высушиванию.
Описанный способ может быть проиллюстрирован конкретными примерами:
Пример 1
Приготовление модифицирующего состава осуществляют в конической стеклянной колбе, в которую предварительно заливают навеску перфторполиоксанпропиленовой кислоты марки 6МФК-180 массой в 200 г, предварительно растворенную в 100 мл хладона марки 113. Раствор тщательно перемешивают с помощью магнитной мешалки в течение 5-7 минут. Полученный модифицированный состав после добавки необходимого количества хладона представляет собой 0,5 процентный раствор перфторполиоксанпропиленовой кислоты марки 6МФК-180 в хладоне марки 113.
Пример 2.
3
14
26
Модифицированным раствором заполняют металлическую эмалированную емкость объемом 500 см, в которую добавляют фторуглерод CF в соотношении по массе 1,5:1 соответственно. Смесь тщательно перемешивают в течение 50-60 минут, после чего перекачивают в аппарат-испаритель, где ее нагревают до температуры 55°-58°C в течение 40 минут. Полученную массу подвергают кристаллизации за счет охлаждения, затем измельчают в дисмембраторе до размера 0,5-0,8 микрон, после чего таблетируют. Готовый смазочный состав предназначен для нанесения на скользящие пластиковые поверхности спортивного оборудования, эксплуатирующегося в температурном диапазоне от +5° до -15°C.
Пример 3.
6
13
12
26
Процессом декарбоксилирования и демиризации перфторэтантовой кислоты (CFCOOH) получают смесь, в основном состоящую из фторуглеродов CF. Затем порошкообразную массу этих фторуглеродов пропитывают в течение 2 часов модифицирующим раствором, после чего растворитель отгоняют, а полученный продукт таблетируют. Полученный смазочный состав при нанесении на пластиковые поверхности различного спортивного оборудования обеспечивает надежную гидрофобную пленку, т.е. усиленное водоотталкивание и, следовательно, повышенное скольжение.
Пример 4.
8
17
18
38
Декарбоксилированием и демиризацией перфторпеларгоновой кислоты (CFCOOH.) получают смесь фторуглеродов общей формулы CF. Модифицирующим раствором в течении полутора часов их пропитывают, после чего порошкообразную массу высушивают при температуре 50°-55°C в течение 60 минут. Полученный продукт таблетируют, в результате чего получается готовый к использованию смазочный состав. Достигаемый технический результат обеспечивает защиту поверхности скольжения от загрязнений, в т.ч. минеральными и синтетическими машинными маслами и остатками нефтепродуктов, находящихся на снеге.
Для подтверждения возможности реализации изобретения с получением конкретных технических преимуществ были проведены лабораторные и натурные испытания эксплуатационных свойств лыжного смазочного состава, полученного по предлагаемому способу производства.
1. Определение степени гидрофобности пленочного покрытия смазочного состава на поверхности пластиковой лыжи по краевому углу смачивания водой.
Испытания проводили на лабораторной установке для определения равновесного краевого угла смачивания водой полимерного слоя смазки, нанесенной толщиной 32-35 микрон на рабочую скользящую поверхность из политетрафторэтилена пластиковой лыжи фирмы «Fisher» (Австрия). Смазочные составы в таблетированной выпускной форме, изготовленные по примерам №2,3, 4 с помощью специального утюжка с температурой «подошвы» 130-132°C наносили на указанную поверхность, после чего лыжу устанавливали в штатив-держатель в строго горизонтальном положении. После каждого натурного испытания лыжи подвергают циклеванию для снятия слоя испытуемой смазки.
На испытуемый слой смазочного состава до и после прохождения спортсменом на контрольных лыжах дистанции длиной 20 км наносили каплю воды, полученную в лабораторной колбе в результате таяния естественного снега с дистанции, далее по стандартной методике определяли величину краевого угла смачивания при следующих условиях:
Наименование параметра
до старта
после финиша
шероховатость поверхности «пик-впадина» (определяли на профилографе-профилометре)
1-2 мкм
3-5 мкм
температура капли воды
+1,3°C-+1,5°C
+1,8°C-+2,0°C
температура воздуха в камере для измерения
+4,3°C
+4,5°C
Измерение краевого угла смачивания в каждом случае проводили при трехкратном повторении, вычисляя среднее значение в дуговых градусах.
Полученные результаты приведены в таблице
Таблица
Смазочный состав по примеру в заявке
Величина краевого угла смачивания в дуговых градусах
До старта
После финиша
2
135
130
3
141
129
4
139
132
Из данных таблицы очевидны большие значения краевого угла смачивания, что указывает на высокую гидрофобность слоев, изготовленных на основе предложенного способа получения лыжных смазочных составов, которая создает противодействие налипанию загрязнений при скольжении по снегу и, таким образом, обеспечивает высокую скорость на дистанции при сохранении низкого коэффициента сопротивления, т.е. хорошие эксплуатационные свойства.
После каждого натурного испытания лыжи подвергают циклеванию для снятия слоя испытуемой смазки.
3
3
Освоено опытно-промышленное производство лыжных смазочных составов по предлагаемому способу. Смонтирована пилотная установка, состоящая из комплекса емкостного оборудования с мешалками объемом от 500 см до 1,5 м, подающих насосов, ректификационной колонны, аппарата для сушки продукта, механического измельчителя с фракционированием порошка, пресса для таблетирования и группы контрольно-измерительной аппаратуры. Оборудована лаборатория, в которой осуществляется входной контроль сырья, а также проверка соответствия выпущенных партий лыжных смазочных составов требованиям разработанных технических условий на опытно-промышленные партии. Весь производственный цикл подробно описан в разработанной технологическом регламенте, в котором особое значение уделено контролю за проведением реакции декарбоксилирования и демиризации перфторуглеродных кислот, а также глубине отгонки растворителей. Предусмотрен пофазный контроль продукта для обеспечения идентичности физико-механических свойств лыжных смазочных составов каждой опытной партии, что отмечается в прилагаемом техническом паспорте.
Современный технический уровень технологии производства смазочных составов позволяет обеспечивать их стабильное качество в широком диапазоне температур применениния и длительный гарантийный срок хранения (18 месяцев).
Предлагаемый способ получения лыжной смазки осуществляют при более низких температурах синтеза (максимум 210°C против 350°C у прототипа), что позволяет существенно снизить расход дорогостоящих энергоносителей.
Современный тип технологического оборудования для измельчения кристаллической массы - дисмембратор - позволяет получить заявленным способом не только более мелкодисперсный порошок (0,5÷0,8 мкн), но и успешно его таблетировать, что обеспечивает более удобную форму смазочного состава при применении спортсменами на соревнованиях в условиях дефицита времени для подготовки лыж между стартами в течение одного гоночного дня. Кроме того, обеспыливание, предусмотренное в способе при измельченнии, создает безопасные условия труда при работе с фторсодержащими продуктами на производстве и улучшает экологическую обстановку при нанесении смазочного состава на месте применения.
Подготовлена подробная техническая документация по применению разработанных смазочных составов на различных видах спортивного инвентаря. Рекомендованы конкретные способы и инструменты для нанесения смазочных составов применительно к различным погодным условиям. Инструкции изложены в форме доступной как для профессиональных спортсменов, так и для любителей, имеющих опыт применения современных лыжных смазочных составов.