НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
УДК 665.765-404.9:621.892.8; 033; 033:532.74
СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ ТА ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА
КОМПЛЕКСНИХ НАДЛУЖНИХ СУЛЬФОНАТНИХ МАСТИЛ
05.17.07 - хімічна технологія палива та паливно-мастильних матеріалів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ЛЬВІВ – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті нафтопереробної промисловості „МАСМА” та ВАТ „АЗМОЛ”.
Науковий керівник: кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник
Кобилянський Євгеній Васильович,
завідувач лабораторії оцінки якості мастил та мастильно-холодильних технологічних засобів Українського науково-дослідного інституту нафтопереробної промисловості „МАСМА”, м. Київ
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
заслужений діяч науки РФ
Грішин Ніколай Ніколаєвіч,
головний науковий співробітник Федерального державного унітарного підприємства “25 ГосНИИ Минобороны Росии”, м. Москва
доктор технічних наук, професор,
Бойченко Сергій Валерійович,
завідувач кафедри хіммотології Національного авіаційного університету, м. Київ
Захист дисертації відбудеться „___” __________2008 р о ____ годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.07 в Національному університеті „Львівська політехніка” (79013, Львів, в , VIII н. к., ауд. 339).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка”, 79013 (Львів, в).
Автореферат розісланий „___” ___________ 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 35.052.07
к. т.н., доцент Б. О.Дзіняк
|
Актуальність роботи. Експлуатація сучасних машин і механізмів характеризується підвищеними швидкостями, температурами і навантаженнями. Названий „стрес-фактором” показник оцінки якості мастильних матеріалів, який враховує жорсткість і тривалість їхньої роботи, має тенденцію до неухильного збільшення і розглядається нині як один з показників оптимальності умов їхньої роботи, зокрема, роботи пластичних мастил.
До високоефективних мастил відносяться комплексні літійові, алюмінійові, кальційові, полісечовинні та деякі інші мастила. Зазначені мастила мають позитивні фізико-хімічні, реологічні та трибологічні характеристики, які визначають довготривалість ресурсу їхнього функціонування. Однак, вони не спроможні забезпечити надійну експлуатацію машин і механізмів, що працюють в умовах одночасної дії декількох „стрес-чинників”: високих температур, швидкостей, навантажень, дії агресивних середовищ, водо - і газоутворення тощо.
Одним із способів забезпечення ефективності змащування вузлів тертя, які функціонують в екстремальних умовах, є розробка та застосування мастил, здатних працювати в умовах одночасної дії кількох стрес-чинників. Відомо, що основні властивості мастил визначаються природою загусника. Тому дослідження елементів структури та властивостей нових загусників, синтезованих на базі надлужного сульфонату кальцію, та розробка технології комплексних надлужних сульфонатних мастил є актуальними.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках планової тематики науково-дослідних робіт ВАТ „АЗМОЛ”, теми яких, зокрема, мають державні реєстраційні номери: 0197U 0105U007577.
Мета і завдання дослідження.
Мета дисертації – вивчення особливостей фізико-хімічної та колоїдної структури тиксотропних систем надлужного сульфонату кальцію як складової пластичних мастил, дослідження його будови і властивостей, а також характеристик комплексного надлужного сульфонатного мастила (КНСМ), що містить простий надлужний сульфонат кальцію, метаборат кальцію (МБК) і 12-гідроксистеарат кальцію [Ca(oSt)2]. Розробка на основі одержаних результатів оптимальної рецептури і технології виробництва КНСМ та визначення його експлуатаційних характеристик, що залежать від будови дисперсної фази.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання:
· вивчення будови міцел комплексного надлужного сульфонату кальцію як елементарних частинок тиксотропної колоїдної системи – джерела утворення структурного каркасу мастил;
· вивчення надміцелярних утворень комплексного надлужного сульфонату кальцію як елементів структурного каркасу мастил;
|
· розробка рецептури і технології одержання КНСМ та нормативно-технічної документації на їх виробництво;
· визначення впливу будови дисперсної фази та складу КНСМ на їхні експлуатаційні характеристики.
Об’єкт дослідження – комплексне надлужне сульфонатне мастило, комплексний надлужний сульфонат кальцію, що є дисперсною фазою комплексного надлужного сульфонатного мастила, та перехідні системи, які окрім простого надлужного сульфонату кальцію містять метаборат кальцію та/або 12-гідроксистеарат кальцію.
Предмет дослідження – будова міцел, властивості та будова надміцелярних утворень комплексного надлужного сульфонату кальцію як складових елементів структурного каркасу мастил, рецептура і технологія одержання комплексного надлужного сульфонатного мастила.
Методи дослідження. Будову міцел і надміцелярних утворень надлужного сульфонату кальцію вивчали методами інфрачервоної спектроскопії, спектроскопії комбінаційного розсіяння світла, просвічуючої та скануючої електронної мікроскопії, рентгенівського структурного аналізу, малокутової рентгенівської дифрактометрії, електронної Оже-спектроскопії та потенціометричним титруванням; властивості КНСМ оцінювали стандартизованими методами: зовнішній вигляд, в’язкість, границя міцності, пенетрація, колоїдна стабільність, механічна стабільність, температура крапання, трибологічні характеристики, корозійна дія на метали, випарність, водовимивання, лужне число, термозміцнення, скидання мастила на приладі „АДАМС”, що імітує маточину (ступицю) колеса автомобіля, а також спеціальними науково-обгрунтованими методами: вологозміцнення, антиокиснювальні властивості у динамічних умовах і вплив додатків (присадок) на процеси тертя.
Наукова новизна отриманих результатів:
· вперше встановлено будову міцел комплексного надлужного сульфонату кальцію та з’ясовано, що карбонатні ядра міцел як простого, так і комплексного надлужного сульфонату кальцію мають поліморфну модифікацію кальциту;
· визначено, що тиксотропна колоїдна структура надлужних сульфонатних мастил утворюється завдяки кальцитній поліморфній модифікації карбонатних ядер, низька хемосорбційна здатність яких сприяє їхньому об’єднанню в конгломерати;
· вивчено вплив модифікуючих додатків [МБК і Ca(oSt)2] на реологічні та трибологічні характеристики КНСМ і встановлено, що в процесі утворення міцели комплексного надлужного сульфонату кальцію, МБК і Ca(oSt)2 входять до її складу, причому молекули МБК проникають у карбонатне ядро, а молекули Ca(oSt)2 – в оболонку міцели.
|
Практичне значення одержаних результатів. Встановлення будови міцел і надміцелярних утворень комплексного надлужного сульфонатного загусника як складових структурного каркасу мастил і вивчення впливу модифікуючих додатків [МБК і Ca(oSt)2] на фізико-хімічні, реологічні та трибологічні властивості КНСМ є науковим підґрунтям розроблення рецептури та технології виготовлення високоефективних комплексних надлужних сульфонатних мастил.
Розроблено технічні умови на мастило Суллена (ТУ У ., літера А) та технологічний регламент на виготовлення мастила і організовано дослідно-промислове його виробництво на потужностях ВАТ „АЗМОЛ”.
Отримані результати є цінними і актуальними для створення низки нових високоефективних мастил.
Особистий внесок здобувача. Автором дисертаційної роботи було виконано літературний пошук і планування експерименту. Ним синтезовані комплексні надлужні сульфонатні мастила, досліджена їхня будова та оптимізована технологія. Постановка завдання та формулювання основних теоретичних положень і висновків виконані спільно з науковим керівником к. х.н., с. н.с. Є. В. Кобилянським, а обговорення результатів – з д. т.н., професором Ю. Л. Іщуком. Співавторами опублікованих робіт за темою дисертації, крім Є. В. Кобилянського та Ю. Л. Іщука, були к. х.н., с. н.с. – обговорення результатів дослідження будови міцел комплексного надлужного сульфонату кальцію методом потенціометричного титрування; к. ф.-м. н., доцент – спільне виконання експерименту з дослідження будови сульфонатного мастила рентґенівськими методами та методом комбінаційного розсіяння світла; іонова – спільне виконання експерименту з електронно-мікроскопічного дослідження будови мастила; іна – спільне виконання експерименту з оптимізації технології одержання комплексного надлужного сульфонатного мастила.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідалися на 15-й Міжнародній конференції ELGI (Відень, 2003 р.), Міжнародній науково-технічній конференції „Розробка, виробництво та застосування мастильних матеріалів та присадок” (Бердянськ, 2003 р.), 3-й науково-технічній конференції „Поступ в нафтогазопереробній і нафтохімічній промисловості” (Львів, 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції „Прогрес в технології горючих копалин та хіммотології паливно-мастильних матеріалів” (Дніпропетровськ, 2005 р.).
Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 5-ти друкованих працях у фахових вітчизняних і зарубіжних наукових журналах, патенті України та в тезах 4-х доповідей на наукових конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних публікацій (178 найменувань) та 3 додатків. Загальний обсяг дисертації – 140 сторінок. Вона містить 43 таблиці та 10 рисунків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначена основна мета та завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети, наведені отримані автором основні результати, що мають наукову цінність та практичну значимість.
Перший розділ присвячений огляду опублікованих джерел, що стосуються прототипів надлужних сульфонатних мастил – високолужних сульфонатних додатків, карбонатні міцелярні ядра яких мають поліморфну модифікацію фатериту, та надлужних сульфонатних мастил, карбонатні міцелярні ядра котрих мають поліморфну модифікацію кальциту, низька хемосорбційна здатність якого спричинює аґреґацію і утворення тиксотропної колоїдної системи – мастила.
КНСМ, що окрім надлужного сульфонату кальцію, фізико-хімічні властивості якого не дозволяють використовувати його як мастило, містять метаборат і 12-гідроксистеарат кальцію і можуть застосовуватися у вузлах тертя, що працюють у екстремальних умовах. Огляд публікацій засвідчує, що в доступній літературі відсутня інформація щодо будови дисперсної фази КНСМ, тобто їх структурного каркасу, та характеру взаємодії основних компонентів мастила, а визначення „комплексне” подається як гіпотеза. Тому дослідження будови їхньої дисперсної фази і утворення елементів структури актуальні, оскільки є ключовими для покращення якості КНСМ і розширення їхніх експлуатаційних можливостей.
У другому розділі обґрунтований вибір сировинних компонентів для отримання КНСМ, а саме: сульфонат кальцію (напівпродукт виробництва ВАТ „Нафтан” сульфонатного додатку С-150 за ГОСТ 38.101685) – розчин сульфонату кальцію (RC6H4SO3)2Ca, де R = С16-С40, в суміші індустріальних олив И-20А та И-40А; гідрат окису кальцію (ТУ У .005-99); двоокис вуглецю (ГОСТ 8050); борна кислота (ГОСТ 18704) з масовою часткою Н3ВО3 98,6%; 12-гідроксистеаринова кислота – 12-HoSt (ТУ 38.6); вода водопровідна (ГОСТ 2874). Як промотор застосовували метанол-отруту технічний (ДСТУ 3057-ГОСТ 2222) та органічний леткий розчинник – толуол нафтовий марки „ч” (ГОСТ 14710). Дисперсійним середовищем мастил слугували олива МС-20 (ГОСТ 21743) – залишковий компонент селективного очищення малосірчистих нафт, олива С-220 (ГОСТ 8453) – промислова фракція нафтено-парафінових вуглеводнів та пластифікатор нафтовий ПН-101/1 (ТУ У .) – екстракт нафтовий з підвищеним вмістом ароматичних вуглеводнів. Як антиокиснювальні додатки використовували: фентіазін (тіодифеніламін, ТУ ), борін (оброблений борною кислотою продукт
|
Властивості і склад вихідних компонентів, напівфабрикатів і мастила оцінювали стандартизованими і спеціальними науково обґрунтованими методами, описаними на стор. 4.
КНСМ синтезували на спеціально розробленій лабораторній установці (рис. 1), конструкція якої забезпечує контроль і регулювання основних параметрів реакції: температуру, тиск, швидкість перемішування, витрати СО2.
Рис. 1. Лабораторна установка для одержання комплексного надлужного сульфонатного мастила: 1 – реактор для карбонатації; 2 – блок управління; 3 – перехідник; 4 – перемішуючий пристрій; 5 – холодильник; 6 – редуктор; 7 – гліцериновий затвір; 8 – лічильник бульбашок; 9 – балон з СО2; 10 – термостат, 11 – манометр.
КНСМ синтезували у дві стадії. На першій за оптимізованою рецептурою в реактор завантажували з розрахунку на нелеткі вихідні компоненти 15,5% Ca(OH)2, 5,7% CO2, 8,0% сульфонату кальцію, решта – нафтова олива і за температури 308-313 К в процесі карбонатації одержували простий надлужний сульфонат кальцію. На другій з простого надлужного сульфонату кальцію, додаючи за температури 423 К борну (6,0% H3BO4) та 12-
гідроксистеаринову кислоти (10,0% 12-HoSt), одержували комплексне надлужне сульфонатне мастило.
|
З метою вивчення впливу компонентів мастила на внутрішню будову його дисперсної фази досліджені структура і властивості загусників вихідного надлужного сульфонату кальцію, природа зв’язування сульфонату кальцію з карбонатом в міцели як джерела утворення структурного каркасу мастила, а також проаналізовані зміни будови колоїдного карбонату кальцію і його властивостей під впливом МБК і Ca(oSt)2. Для цього одержали простий тиксотропний надлужний сульфонат кальцію (ТНСК) – система МС-1, системи, що містять крім ТНСК ще МБК (МС-2) або Ca(oSt)2 (МС-3), а також три різні системи, що містять ТНСК, МБК і Ca(oSt)2 у різних співвідношеннях: МС-4 – система, що містить загусник у концентрації, яка забезпечує оптимальну якість мастила (табл.1), МС-5 – система, яка характеризується заниженою концентрацією загусника і МС-6 – система, що характеризується підвищеною концентрацією загусника. Системи МС-1÷МС-4 мають ідентичне співвідношення СаСО3:НС (нейтральний сульфонат). Одержані зразки порівнювали з комплексним надлужним сульфонатним мастилом фірми “Вітко” – G-2000, одержаним на сировині, відмінній від тієї, яка використовувалася нами.
Таблиця 1
Фізико-хімічні характеристики модельних систем надлужних сульфонатних мастил
ЗразокХарактеристика | МС-1 | МС-2 | МС-3 | МС-4 | МС-5 | МС-6 | G-2000 |
Пенетрація, м.10-4 | 365 | конус тоне | 236 | 262 | 280 | 196 | 245 |
Температура крапання, К | > 503 | - | > 503 | > 503 | 329 | 484 | > 503 |
Колоїдна стабільність, % | 1,5 | - | 1,1 | 1,2 | 1,5 | 1,0 | 1,7 |
Для розширення можливостей вивчення складу і структури надлужних сульфонатних мастил із модельних систем виділяли дисперсну фазу, тобто, надлужний компонент (ЛК), а також нейтральний компонент (НК), оскільки в процесі виділення із системи дисперсної фази змін її структури не відбувається. Дані про склад і властивості цих систем і виділених із них надлужних компонентів (ЛК-1÷ЛК-6), наведені в табл. 2.
|
непрореагованого Са(ОН)2 (рядок 4); загальне лужне число ЛК знаходиться в межах 547-660 мг КОН/г (рядок 2).
Надлужний компонент модельної системи містить карбонат кальцію і адсорбований на ньому сульфонат кальцію (рядки 1, 5, 6, 8).
Незначна розчинність надлужних компонентів ЛК-1÷ЛК-3 у спирто-толуольній суміші пояснюється недостатньою ліофілізацією в цих системах поверхні частинок СаСО3 сульфонатом кальцію (співвідношення СаСО3 : НС = 17,2; рядок 7). Невисокий ступінь адсорбції поверхнево-активного сульфонату кальцію на поверхні частинок СаСО3 у надлужних компонентах мастильних систем пояснюється кристалічною структурою карбонату кальцію, утворення якої залежить від умов проведення синтезу золя чи геля.
Карбонат кальцію має декілька поліморфних модифікацій, які характеризуються різною адсорбційною здатністю і мають різні піки поглинання на ІЧ-спектрах. Для визначення поліморфної модифікації колоїдного карбонату кальцію у модельних системах методом ІЧ-спектроскопії досліджені їхні надлужні компоненти. У надлужному компоненті ЛК-1 максимальне поглинання карбонату кальцію спостерігається при 874 см-1, а слабке – при 713 і 1084 см-1, що відповідає модифікації кальциту (рис 2, ЛК-1). ІЧ-спектр надлужного компонента ЛК-4 засвідчує, що введення МБК і Ca(oSt)2 в ТНСК не міняє кальцитну структуру карбонату кальцію (рис. 2, ЛК-4), вона обумовлюється лише способом одержання геля.
Рис. 2. ІЧ-спектри надлужних компонентів ЛК-1 та ЛК-4 сульфонатного мастила.
Таблиця 2.
Характеристика комплексних модельних систем і одержаних з них надлужних компонентів
№ | ХАРАКТЕРИСТИКА | ЗРАЗОК | ||||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | G-2000 | ||||||||||
МС-1 | ЛК-1 | МС-2 | ЛК-2 | МС-3 | ЛК-3 | МС-4 | ЛК-4 | МС-5 | ЛК-5 | МС-6 | ЛК-6 | МС-2000 | ЛК-2000 | |||
1 | Експериментальний вміст надлужного компоненту (ЛК), % мас, | 30,5 | 26,5 | 43,8 | 49,8 | 38,4 | 53,0 | 33,0 | ||||||||
2 | Загальне лужне число, мг КОН/г | 239 | 612 | 268 | 660 | 278 | 640 | 280 | 576 | 205 | 547 | 373 | 635 | 183 | 619 | |
3 | Лужне число за рахунок Ca(BO2)2 + Ca(oSt)2, мг КОН/г | - | - | 42,1 | 34,3 | 39,1 | 43,1 | 56,6 | 57,6 | 57,2 | 51,8 | 51,8 | 37,8 | - | - | |
4 | Вміст, % мас. | Са(ОН)2 / [Са(ОН)2 + СаСО3] | 10,2 | 3,0 | 8,8 | - | 6,7 | - | - | - | - | - | 2,8 | 7,1 | - | - |
5 | СаСО3 | 21,3 | 54,7 | 20,2 | 56,0 | 21,8 | 53,0 | 20,0 | 46,3 | 13,2 | 44,2 | 28,8 | 53,3 | 16,3 | 55,3 | |
6 | сульфонат кальцію | 8,7 | 40,0 | 10,0 | 39,0 | 12,0 | 30,0 | 15,6 | 32,1 | 12,0 | 42,0 | 29,0 | 34,0 | 11,8 | 40,0 | |
7 | Співвідношення СаСО3 : НС, моль/моль | - | 17,2 | - | 17,2 | - | 17,2 | - | 17,2 | - | 12,6 | - | 18,7 | - | 16,8 | |
8 | Розрахунковий вміст надлужного компоненту (ЛК), % мас. | 30,0 | 94,7 | 30,2 | 95,0 | 33,8 | 83,0 | 35,6 | 78,4 | 25,2 | 86,2 | 57,8 | 87,3 | 28,1 | 95,3 | |
|
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 |
