Эффективность разных типов синтетических каучуков в качестве вязкостных присадок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

Факультет Химической и биотехнологии

Кафедра Технологии нефтехимических и углехимических производств

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Эффективность разных типов синтетических каучуков в качестве вязкостных присадок

РЕФЕРАТ

В работе 39 страниц, 1 рисунок, 4 таблицы, 21 библиографическая ссылка.

Ключевые слова: загущенные масла, каучук СКИ-3, термоэластопласты, вязкостные присадки, индекс вязкости, термоокислительная стабильность.

Данная работа посвящена изучению влияния и возможности использования синтетических каучуков и термоэластопластов в качестве вязкостных присадок к моторным маслам.

Объектами исследования в настоящей работе служили: индустриальное масло И-20А (ГОСТ 20799-88), штатная вязкостная присадка полиметакрилатная марки «Д» (ПМА-Д), (ТУ 6-01-270-74), синтетический каучук изопреновый (СКИ- 3), бутадиен-стирольный и изопрен-стирольный термоэластопласты: ИСТ-20, ДСТ- 30,продукт деструкции каучука СКИ-3. В ходе проведенной работы изучена эффективность каучуков и термоэластопластов в качестве вязкостных присадок, исследовано их загущающее действие, а также проведена оценка термоокислительной стабильности масла, загущенного исследуемыми продуктами.

Продукт деструкции каучука СКИ-3 характеризуется значительно более высокими вязкостно-температурными свойствами, чем термоэластопласты ИСТ-20 и ДСТ-30 и существенно превосходит штатную присадку ПМА-Д. Вместе с тем он ухудшает термоокислительную стабильность загущенного масла и вызывает осмоление металлических пластин. Деструктированный каучук СКИ-3, проявляющий самые высокие вязкостно-температурные свойства, нуждается в дополнительной стабилизации.

синтетический каучук термоэластопласт присадка

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Смазочные масла. Классификация. Требования к моторным маслам

1.2 Способы регулирования вязкости и области применения загущенных масел

1.3 Достоинства и недостатки загущенных масел. Требования к вязкостным присадкам

1.4 Дипы вязкостных присадок

1.4.1 Полимеры и сополимеры ненасыщенных углеводородов

1.4.2 Гидрированные полимеры и сополимеры диенов

1.4.3 Сополимеры стирола

1.4.4 Полимеры и сополимеры ненасыщенных эфиров

1.5 Загущающая способность вязкостных присадок и методы ее оценки

1.6 Механизм действия вязкостных присадок

2. Цель и задачи работы

3. Экспериментальная часть

3.1 Характеристика объектов исследования

3.2 Приготовление масляных концентратов исходных полимеров

3.3 Методы анализа

3.3.1 Определение кислотных чисел

3.3.2 Определение кинематической вязкости

3.3.3 Определение индекса вязкости

3.3.4 Определение термоокислительной стабильности масел

3.3.5 Определение величины коррозии металла и смолообразования

3.4 Эффективность каучуков в качестве вязкостных присадок

3.5 Влияние каучуков на термоокислительную стабильности загущенного масла

Выводы

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Вязкостные присадки предназначены для повышения вязкости и улучшения вязкостно-температурных характеристик масел. Масла, содержащие эти присадки, сочетают в себе хорошие пусковые и антифрикционные свойства, характерные для маловязких масел при низких температурах и хорошие смазываюшие свойства высоковязких масел при высоких температурах. В связи с этим вязкостные присадки широко распространены в, так называемых, загущенных (моторных и трансмиссионных) маслах.

Загущенные масла получают путем добавления к маловязким дистиллятным маслам полимеров с высокой вязкостью и молекулярной массой от 5 тыс. и более. Загущенные масла обладают достаточной вязкостью в области положительных и отрицательных температур, они сохраняют вязкость при высоких температурах и не теряют ее при низких температурах, вследствие чего имеют эффективную смазывающую способность в широком диапазоне температур. Они обеспечивают легкий и быстрый запуск двигателя при низких температурах и устойчивый режим в условиях высокотемпературной работы двигателя. Эти масла можно использовать как всесезонные.

Вязкостными присадками чаще всего служат соединения на основе полиметакрилатов (высокомолекулярные полимеры эфиров метакриловой кислоты и алифатических спиртов), полиизобутены, сополимеры алкенов разной длины цепи, гидрированные низкомолекулярные каучуки.

В России наибольшее применение нашли полиметакрилаты, производство которых освоено отечественной промышленностью. Вместе с тем в ряде случаев лучшие результаты достигаются при использовании углеводородных полимеров. Разработаны и используются в промышленных масштабах отечественные присадки на основе сополимеров алкенов.

В настоящей работе в качестве вязкостных присадок исследованы некоторые каучуки и эластомеры. Оценены их достоинства и недостатки.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Смазочные масла. классификация. требования к моторным маслам

Основным назначением смазочных масел является снижение трения и износа трущихся поверхностей. В наиболее распространенных условиях жидкостного трения смазочные свойства масла определяются его вязкостью.

Смазочные масла подразделяются на следующие виды: моторные, индустриальные, авиационные, трансмиссионные, турбинные и компрессорные. Наибольшее значение имеют моторные масла, на их долю приходится 50-60 % общего объема производства масел. Второе место по масштабам производства занимают индустриальные масла, их доля в общем производстве масел составляет около 30 %. Суммарных объем производства всех остальных масел, таким образом, имеет порядок 15 % [1].

В процессе работы моторное масло подвергается воздействию таких факторов, как высокая температура; интенсивные контакты с кислородом воздуха, и с продуктами сгорания; каталитическое воздействие металлов и сплавов; высокие удельные нагрузки в подшипниках и других узлах трения. Эти факторы, воздействуя на смазочное масло, приводят к возникновению в нем сложных физико-химических процессов, приводящих к изменению первоначальных качеств масла.

В соответствии с функциональным назначением моторные смазочные масла должны обладать следующими свойствами: заданным уровнем вязкости, высоким индексом вязкости, высокой термоокислительной устойчивостью и хорошими противокоррозионными и низкотемпературными характеристиками [2].

1.2 Способы регулирования вязкости и области применения загущенных масел

Наиболее важной и объективной характеристикой масел является их вязкость. Эта характеристика входит в обозначение моторных масел. ГОСТ 17479.1-85 классифицирует моторные масла по вязкости и эксплуатационным свойствам.

Вязкость определяет возможность и целесообразность применения масла для конкретных узлов и механизмов, а также способность обеспечения жидкостного трения, эффективность охлаждения, уплотнения узлов трения, легкости запуска двигателей и т. д.

Различают вязкость динамическую, кинематическую и условную.

Динамическая вязкость - это коэффициент внутреннего трения слоев жидкого смазочного материала, или более точно и полно - сила сопротивления двух слоев жидкого смазочного материала площадью 1 см², находящихся на расстоянии 1 см и перемещающихся один относительно другого под действием внешней силы со скоростью 1 см/с. Единица измерения - Па с.

Кинематическая вязкость характеризует подвижность жидкости и равна отношению динамической вязкости смазочного материала к его плотности:

где н- кинематическая вязкость, м²/с, мм²/с,

Jм- динамическая вязкость, Па* с

Р- плотность

Условная вязкость (ВУ в условных градусах) - это отношение кинематической вязкости масла к вязкости воды (при ее истечении при t = 20°С).

Для смазочных масел нормируется, в основном, кинематическая вязкость. Для моторных, гидравлических и трансмиссионных масел кинематическая вязкость нормируется при 100°С, для индустриальных - при 40°С.

Вязкость масла зависит от природы и фракционного состава. Дистиллятные масла имеют низкую вязкость. Это соляровое масло, веретенное, трансформаторное, индустриальные масла И- 5А, И- 8А, И-12А и некоторые другие.

Остаточные масла, выделяемые из гудрона, характеризуются высокой вязкостью. Это масла цилиндровые, авиационные (М-20) и другие. Масло с заданной (промежуточной) вязкостью можно получить, смешивая дистиллятные и остаточные компоненты. Именно так получают на НПЗ базовые моторные масла М-8, М-11, М-14, М-16. Процесс смешивания масел называется компаундированием.

Другой важной характеристикой является индекс вязкости (ИВ). Моторные масла должны иметь такую вязкость, чтобы при высоких температурах не сильно разжижаться, а при низких, наоборот, не терять текучести. Индекс вязкости- эмпирический безразмерный показатель, характеризующий зависимость вязкости масла от температуры. Чем выше индекс вязкости, тем меньше вязкость зависит от температуры. ИВ зависит от природы масла. Наибольший ИВ имеют парафиновые и изопарафиновые углеводороды, а также моноциклические нафтены и ароматические углеводороды с длинными алкильными заместителями. Наименьший ИВ у полициклических углеводороды (нафтенов, ароматических) и смол. ИВ можно повысить путем удаления низкоиндексных компонентов с помощью процессов селективной очистки и гидрокрекинга.

Традиционные компаундирование позволяет варьировать свойства масел в довольно узких пределах. Для расширения диапазона работоспособности смазочных масел используют вязкостные присадки, представляющие собой полимеры различного строения и молекулярной массы [3].

Вязкостные, или загущающие присадки предназначены для повышения вязкости и индекса вязкости масел. В качестве вязкостных присадок используют различные полимерные и сополимерные продукты: полиизобутены, полиметакрилаты, поливинилалкиловые эфиры, сополимеры олефинов, стиролдиеновые сополимеры [4].

Масла, содержащие вязкостные присадки, называют загущенными.

С использованием вязкостных присадок получают всесезонные, северные и арктические масла. Загущенные масла являются наиболее подходящей основой для получения универсальных моторных масел. Кроме моторных масел вязкостные присадки используют также для улучшения свойств трансмиссионных масел и гидрожидкостей [5].

1.3 Достоинства и недостатки загущенных масел. требования к вязкостным присадкам

При использовании загущенных моторных масел достигаются следующие преимущества:

- расширяются пределы работоспособности масла: маловязкое базовое масло обеспечивает смазывание двигателя при низкой температуре, полимер- при высокой

- снижение вязкости масла при низких и умеренных температурах (вследствие пологой вязкостно- температурной зависимости) позволяет более эффективно использовать топливо. Экономия топлива при переходе на загущенные масла составляет 2 - 4 % от общего потребления топлива

- лучшая текучесть загущенных масел при высокой температуре обеспечивает лучшее охлаждение двигателя

- некоторые вязкостные присадки обладают полифункциональными свойствами. Они снижают температуру застывания масла, улучшают его моющие, противоизносные и другие свойства [6,7].

Недостатком ряда загущенных масел является повышенная испаряемость, обусловленная присутствием маловязкого базового масла, из-за которого увеличивается расход масла. Этот недостаток устраняют, применяя основы узкого фракционного состава, синтетические масла или их смеси с нефтяными.

Кроме того, в условиях эксплуатации под влиянием высокой температуры, развивающейся в нагруженных узлах трения, возможна термическая деструкция полимерных присадок. Термическая и термоокислительная деструкция вязкостных присадок в загущенных маслах приводит к образованию отложений на поршне и осадка в масле.

Специфической особенностью вязкостных присадок является механическая деструкция под влиянием высоких нагрузок [8]

Поэтому присадки должны обладать достаточной стойкостью к механической и термоокислительной деструкции. Важными требованиями к вязкостным присадкам являются хорошая совместимость с другими присадками и малая склонность к образованию лаков и нагаров. Для получения присадок необходимо иметь дешевое и недефицитное сырье [9].

1.4 Типы вязкостных присадок

По химической структуре используемые в настоящее время вязкостные присадки можно подразделить на две группы:

1) углеводородные полимеры и сополимеры;

2) производные ненасыщенных простых и сложных эфиров.

Представителями первой группы являются полиизобутилен (ПИБ), сополимеры этилена с пропиленом (СЭП), сополимеры б-олефинов (СПО), гидрированные сополимеры стирола с диенами (ССД), например: с бутадиеном (ССБ), алкилированные полистролы, сополимеры б-метилстирола с изобутиленом и др.

Ко второй группе относятся полимеры простых винилалкиловых эфиров (винипол), полимеры сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот -- полиакрилаты (ПА) и полиметакрилаты (ПМА).

Молекулярная масса вязкостных присадок обычно лежит в пределах 10⁴--10⁶. Полимеры, используемые в качестве вязкостных присадок, должны быть однородны по молекулярной массе, т. е. должны обладать узким молекулярно-массовым распределением (ММР).

1.4.1 Полимеры и сополимеры ненасыщенных углеводородов

Полиизобутилен (ПИБ) является продуктом полимеризации изобутилена:

ПИБ широко применяется для загущения моторных, трансмиссионных и других масел. ПИБ обладает высокой загущающей способностью, но лишь незначительно повышает индекс вязкости.

К положительным качествам ПИБ следует отнести его совместимость с многими присадками, вводимыми в нефтяные масла [10].

1.4.2 Гидрированные полимеры и сополимеры диенов

К этому виду присадок относятся продукты полимеризации и последующего гидрирования бутадиена-1,3 и изопрена. В качестве вязкостных присадок могут применяться полимеры бутадиена, содержащие от 40 до 86% звеньев в положении 1,2, а также сополимеры диенов с небольшим количеством двойных связей. Они сильно загущают масла, устойчивы к сдвигу [11].

К присадкам подобного типа можно отнести продукты каталитического или пиролитического гидрирования резин изношенных автомобильных шин [12].

1.4.3 Сополимеры стирола

Высокоэффективной присадкой является продукт сополимеризации на катализаторах Циглера- Натта б-метилстирола (10--30%) с изобутиленом. Его молекулярная масса составляет от 2000 до 15 000. По загущающей способности и по влиянию на ИВ сополимер равноценен ПИБ. Повышение содержания б -метилстирола в сополимере способствует росту его термоокислительной и механической стабильности. По этим показателям сополимер превосходит ПИБ [13].

В настоящее время как вязкостные присадки приобрели большое значение гидрированные сополимеры стирола или алкилстиролов с бутадиеном (ССБ) или с изопреном (ССИ). Основная часть диена присоединяется к стиролу в положении 1,4. Например, сополимер стирола с бутадиеном имеет формулу:

[--СН2--СН=СН-- СН2--]m [--СН2--СН (С6Н5) --] n

Низкомолекулярные сополимеры после насыщения двойных связей нашли широкое применение в качестве вязкостных присадок к маслам различного назначения. Эти присадки дают малое нагаро- и лакообразование в двигателях, они перспективны для применения в моторных маслах [14].

Недостатком ССИ является существенное повышение вязкости загущенного масла при низких температурах с уменьшением скорости сдвига.

1.4.4 Полимеры и сополимеры ненасыщенных эфиров

Полиалкилметакрилаты и полиалкилакрилаты

Эти вязкостные присадки представляют собой полимеры эфиров акриловой (ПА) и метакриловой (ПМА) кислот с первичными спиртами:

n

полиалкилметакрилаты,

полиалкилакрилаты .

Загущающее действие ПМА зависит от молекулярной массы, а также от длины и состава алкильных радикалов. ПМА обладают меньшим загущающим действием, чем углеводородные полимеры, однако они значительно сильнее повышают индекс вязкости масла.

ПМА являются полифункциональными присадками: они понижают температуру застывания масла (депрессорное действие) и повышают противоизносные и моющие свойства [15].

К недостаткам ПМА следует отнести их сравнительно низкую термическую и особенно механическую стабильность, что затрудняет использование полимеров в механизмах, работающих с большой нагрузкой.

1.5 Загущающая способность вязкостных присадок и методы ее оценки

Загущающая способность присадки зависит от химической природы полимера, его молекулярной массы, молекулярно-массового распределения и концентрации [16]. Загущающая способность присадки зависит также от природы масла, но в меньшей степени [17].

Зависимость вязкости загущенного масла от молекулярной массы или концентрации полимера подчиняется экспоненциальному закону [18,19, 20].

lg?= lg?₀ +K₁M

lg?= lg?₀ + K₂C

где ? - кинематическая вязкость загущенного масла, мм²/с

?₀ - вязкость исходного масла, мм²/с,

М- молекулярная масса полимера,

С- концентрация полимера, % мас.

Коэффициент загущающей способности (К) можно найти как тангенс угла наклона прямой в координатах [lg^?/_?0 = f (C)].

Определив К, можно рассчитать вязкость загущенного масла при любом содержании присадки.

Загущающая способность полимерных присадок в интервале температур 50-- 100°С уменьшается в ряду:

ССИ > ПИБ > ПМА

При минус 17,8°С наибольшей загущающей способностью отличается ПИБ:

ПИБ > ССИ > ПМА

Во всех случаях углеводородные полимеры характеризуются более высокой загущающей способностью, чем полиметакрилаты.

1.6 Механизм действия вязкостных присадок

Загущенные масла являются растворами высокомолекулярных соединений в дистиллятных маслах. Макромолекулы присадок по размерам в сотни раз превосходят молекулы масла, поэтому растворение полимера в масле приводит к повышению его вязкости.

Повышение индекса вязкости масел при добавлении вязкостных присадок можно объяснить следующим образом. Под влиянием колебательно-вращательных движений макромолекулы полимера принимают в растворах самые разнообразные формы. В разбавленных растворах макромолекулы менее, зависят друг от друга в своем тепловом движении, поэтому конформационный набор их весьма разнообразен. При этом вязкость разбавленных растворов вязкостных присадок мало зависит от температуры, и загущенные масла имеют высокий индекс вязкости. С увеличением концентрации вязкостных присадок в маслах расстояние между макромолекулами быстро сокращается, появляется межмолекулярное взаимодействие и набор конформаций, принимаемых макромолекулами, обедняется. Поэтому максимум значения индекса вязкости соответствует определенному значению концентрации вязкостной присадки. Дальнейшее увеличение концентрации вязкостной присадки приводит к снижению индекса вязкости загущенных масел.

Известно, что загущенные масла при высоких температурах имеют более высокую, а при отрицательных температурах более низкую вязкость в сравнении с обычными (незагущенными) маслами, т. е. сочетают в себе свойства летних и зимних масел. Это объясняется тем, что в холодном масле макромолекулы, будучи свернуты в «клубки», не изменяют его вязкости, а распрямляясь при нагревании, увеличивают вязкость загущенного масла по сравнению с базовым [21].

2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение возможности использования синтетических каучуков и термоэластопластов в качестве вязкостных присадок к моторным маслам.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1) Изучить эффективность ряда каучуков и термоэластопластов в качестве вязкостных присадок, исследовать их загущающее действие

2) Оценить термоокислительную стабильность масла, загущенного исследуемыми продуктами.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Характеристика объектов исследования

Объектами исследования в настоящей работе служили:

- индустриальное масло И-20А (ГОСТ 20799-88),

- штатная вязкостная присадка полиметакрилатная марки «Д» (ПМА-Д), (ТУ 6-01-270-74),

- синтетический каучук изопреновый (СКИ- 3),

- бутадиен-стирольный и изопрен-стирольный термоэластопласты: ИСТ-20, ДСТ- 30,

- продукт деструкции каучука СКИ-3.

Индустриальное масло И-20А (по современной номенклатуре И-Г-А-32) дистиллятное масло селективной очистки без присадок. Применяется в машинах и механизмах промышленного оборудования, условия работы которых не предъявляют особых требований к антиокислительным и антикоррозионным свойствам, а также в качестве базовых масел для создания моторных масел и смазок с присадками. Основные характеристиками масла И-20А представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-химические показатели масла И-20А (по ГОСТ 20799-88)

Наименование показателя	Норма для марки И-20А
Вязкость кинематическая при 400С, мм2/ с	29-35
Кислотное число, мг. КОН /г, не более	0,03
Зольность, 5, не более	0,005
Содержание серы, %, не более	1,0
Содержание механических примесей, %, не более	Отсутствие
Содержание воды, %	Следы
Плотность, кг/ м3	890
Температура застывания, 0С, не выше	Минус 15

Присадка ПМА-Д представляет собой раствор полиалкилметакрилата в масле И-20А. Активный компонент получают полимеризацией продуктов этерификации метакриловой кислоты первичными алифатическими спиртами С₁₂ - С₁₈. Массовая доля активного компонента в масле около 30 %. Присадка обладает также депрессорными свойствами.

Синтетический изопреновый каучук СКИ-3- стереорегулярный полиизопрен, содержание цис-1,4- звеньев 94-97%, структура звена цепи полимера:

Молекулярная масса 800 тыс .ч 1500тыс. Содержит два стабилизатора: N-фенил-в- нафталин (неозон Д) и 1,4- дифенил- n- фенилендиамин (ДФФД) по 0,5% ( по массе). Основные примеси: зола - 0,2ч0,6 %, вода 0,2ч 0,5%.

Термоэластопласты ИСТ-20, ДСТ- 30 представляют собой блоксополимеры диеновых и винилароматических углеводородов типа (АВ)_n, где: А- жесткие стеклоподобные блоки термопласта полистирола (б- метилстирола), В- эластомерные блоки диена (дивинила, изопрена):

Блоки полистирола имеют атактическое строение, то есть ароматическое кольцо относительно углеводородной цепи расположено нерегулярно. Молекулярная масса блоксополимеров обычно составляет от 50000 до 200000.

ИСТ-20- изопрен - стирольный термоэластопласт, содержащий 20% (по массе) стирольных звеньев. Полиизопреновый блок содержит 70-80 % цис-1,4-, 15-25 % транс -1,4- и 3-5 % 3,4- звеньев.

ДСТ- 30- дивинил- стирольный термоэластопласт, содержащий 30% (по массе) связанного стирола. Полибутадиеновый блок имеет 40-50% цис-1,4-, 8-12% 1,2- звеньев.

Выбор ДСТ-30 и ИСТ-20 для исследования в качестве вязкостных присадок основан на их сравнительно невысокой молекулярной массе и наличии ароматических структур, повышающих их химическую и термическую стабильность.

Продукт деструкции синтетического каучука СКИ-3 получен путем деструкции каучука СКИ-3 в роторно-шнековом аппарате при температуре 200-250⁰С и интенсивной механической нагрузке. Деструктированный СКИ-3 представляет собой вязкую массу черного цвета, имеющую специфический запах. Средняя молекулярная масса деструктированного СКИ-3 на порядок меньше молекулярной массы исходного каучука и составляет величину порядка 100000. Деструктированный каучук хорошо растворим в масле И-20А. Предположительно в этих условиях возможно не только уменьшение молекулярной массы, но и изменение структуры полимера. Однако по данным ИК-спектроскопии и элементного анализа состав деструктированного каучука СКИ-3 соответствует составу исходного продукта.

3.2 Приготовление масляных концентратов исходных полимеров

Исследуемые каучуки и термоэластопласты растворяли в масле И-20А при температуре около 100?С в течение 1-3 дней при перемешивании. Полученные концентраты выдерживали сутки при комнатной температуре. Содержание полимера в концентрате составляло 10-20% (по массе).

Для получения загущенного масла в индустриальное масло И-20А вводили расчетное количество концентрата, нагревали при температуре 60-90?С при перемешивании в течение 2-3 часов до полного растворения, выдерживали сутки при комнатной температуре и подвергали исследованию.

3.3 Методы анализа

3.3.1 Определение кислотных чисел

Кислотное число определяется как количество миллиграмм КОН, необходимое для нейтрализации свободных кислот, входящих в состав 1г исследуемого вещества. Метод основан на потенциометрическом титровании. Навеску анализируемого вещества растворяли в 40 мл смеси растворителей (толуол 50%), изопропанол (49,5%), вода (0,5%) и титровали 0,1 Н спиртовым раствором КОН до рН=11. В аналогичных условиях определяли объем спиртовой щелочи, пошедшей на нейтрализацию холостой пробы. Расчет кислотных чисел ( К.Ч.), мг КОН/ г, проводим по формуле:

К.Ч. = (V₁-V₂) * T* 10³ / m

где V₁- объем 0,1 Н спиртового раствора КОН, пошедший на титрование рабочей пробы, мл;

V₂ - объем 0,1 Н спиртового раствора КОН, пошедший на титрование холостой пробы, мл;

Т- титр 0,1 Н спиртового раствора КОН, г/мл;

m- навеска исследуемого вещества, г.

3.3.2 Определение кинематической вязкости

Кинематическую вязкость оценивали в соответствии с ГОСТ 33-82.

3.3.3 Определение индекса вязкости

Для расчета ИВ определяли вязкость испытуемого продукта при температуре 40?С и при 100?С, затем по ГОСТ 25371-82 находили значение ИВ расчетным путем.

3.3.4 Определение термоокислительной стабильности масел

Схема установки для определения термоокислительной стабильности загущенных масел приведена на рисунке.

Окисление проводили в стеклянных реакторах барботажного типа кислородом воздуха, в которые загружали 15-30г загущенного масла.

Реакторы (15-20) помещали в алюминиевый блок-термостат (27), предварительно нагретый до заданной температуры. Температуру поддерживали с помощью терморегулятора точностью ± 1? С.

Воздух из баллона (1) перед подачей в реакторы очищали в поглотительных колоннах (8) и (9) и сушили в колонне (7). Заданную скорость подачи воздуха устанавливали с помощью реометров (11).

Температура проведения эксперимента составляла 200? С; расход воздуха 150 мл/мин; продолжительность окисления 15 часов.

1 - баллон с воздухом, 2 - редуктор, 3 - моностат, 4 - блок-термостат, 5 - термометр, 6 - распределительная гребенка, 7 - колонка с хлоридом кальция, 8 - колонка с силикагелем, 9 - колонка с аскаритом, 10 - капилляры, 11 - реометры, 12 - реакторы

Рисунок - Схема установки для определения термоокислительной стабильности масел

3.3.5 Определение величины коррозии металла и смолообразования

Термоокисление загущенного и чистого масла И-20А проводили в присутствии медных, стальных и алюминиевых пластинок, которые закреплялись в нижней части реактора в среде масла.

После проведения опыта пластинки выдерживались в толуоле одни сутки, затем их сушили на воздухе и определяли массу.

Величину коррозии определяли по разности массы пластинок до и после опыта и рассчитывали по формуле:

Y=( m₂-m₁) / S

где Y - величина коррозии, г/м².

Если масса пластинки не уменьшалась, а возрастала, то по той же формуле определяли величину смолообразования.

3.4 Эффективность каучуков в качестве вязкостных присадок

Исследуемые каучуки растворяли в масле И-20А при температуре около 100?С в течение 1-3 дней при перемешивании до полного растворения. Полученные концентраты выдерживали сутки при комнатной температуре. Содержание полимера в концентрате составляло 10ч20 % (по массе). Приготовленные концентраты вводим в масло в количестве 1ч15 % (по массе), или в расчете на полимер в количестве 0,1ч3% (по массе). Смесь нагревали при температуре 60-90?С в течение 2-3 часов при перемешивании и выдерживали сутки при комнатной температуре.

Как оказалось, каучук СКИ-3 в масле И-20А не растворим.

Растворимость термоэластопластов ДСТ-30 и ИСТ-20 в индустриальном масле И-20А ограничена. Концентраты этих продуктов, содержащие 20 % термоэластопластов, представляли собой вязкие, однородные, но не прозрачные жидкости. В связи с низкой растворимостью термоэластопластов их максимальное содержание в загущенном масле составляло 1,2%.

Продукт деструкции каучука СКИ-3 хорошо растворим в масле И-20А.

Данные по кинематической вязкости загущенных масел с разным содержанием концентратов и рассчитанные значения индекса вязкости приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Эффективность каучуков в качестве вязкостных присадок в масле И-20А

Присадка	Содержание полимера в концентрате, % по массе	Содержание присадки в загущенном масле, % (мас.)	Кинематическая вязкость, мм2 /с при температуре, ?С	ИВ
		В расчете на концентрат	В расчете на полимер	40	100
Масло И-20А без присадки				36,34	5,59	83
ПМА-Д	30	2,92 5,89 8,94	1 2 3	37,63 47,95 49,36	5,90 7,48 7,84	97 110 122
ИСТ-20	10	1,00 3,00 5,00	0,10 0,30 0,50	38,07 42,56 46,60	5,90 6,47 7,10	96 103 110
	20	3,00 6,00	0,60 1,20	62,60 88,59	7,60 10,2	107 79
ДСТ-30	20	1,00 1,96 3,00 5,99	0,20 0,39 0,60 1,19	35,23 38,08 42,46 43,85	5,22 5,95 6,60 7,01	88 98 107 112
Продукт деструкции СКИ-3	20	3,00 6,30 8,98	0,60 1,26 1.80	42,20 56,03 68,53	6,56 8,67 10,39	104 124 128

Исходное масло И-20А характеризуется вязкостью при 100⁰С, равной 5,59 мм²/с, и индексом вязкости 83.

Присадка ПМА-Д повышает вязкость и индекс вязкости масла. С увеличением концентрации присадки в масле с 1% до 3 % (в расчете на полимер) вязкость масла при 100⁰С возрастает с 5,90 до 7,84 мм²/с, а индекс вязкости увеличивается с 97 до 122.

Термоэластопласт ИСТ-20 в концентрации 0,1 % (в расчете на полимер) дает такое же повышение вязкости и индекса вязкости, как штатная присадка ПМА-Д в концентрации 1 %. Загущающая способность ИСТ-20 возрастает с увеличением его концентрации в масле значительно быстрее, чем при использовании присадки ПМА-Д: масло, содержащее 1,2 % ИСТ-20 имеет вязкость при 100⁰С 10,2 мм²/с, в то время как масло с 2 % ПМА- Д - всего 7,48 мм²/с. Однако ИСТ-20 существенно повышает также вязкость и при 40⁰С, поэтому индекс вязкости растет не так быстро. Оптимальная концентрация ИСТ-20, по-видимому, составляет 0,5 - 0,6 % (в расчете на полимер). При этом вязкость и индекс вязкости загущенного масла соответствуют маслу, загущенному 2 % присадки ПМА-Д. Дальнейшее увеличение концентрации ИСТ-20 в масле не целесообразно, так как ведет к снижению индекса вязкости.

Термоэластопласт ДСТ-30 при одинаковой концентрации с ИСТ-20 немного меньше увеличивает вязкость масла. Можно, например, сравнить загущенные масла, содержащие по 0,6 % (в расчете на полимер) ИСТ-20 и ДСТ-30. Вязкость масла с ИСТ-20 составляет 7,6 мм²/с, в то время как вязкость масла с ДСТ-30 - 6,60 мм²/с. Индекс вязкости обоих масел одинаков. Однако в отличие от ИСТ-20 термоэластопласт ДСТ-30 можно добавлять в большем количестве, так как в изученном интервале концентраций (до 1,2 %) это ведет к плавному повышению вязкости и индекса вязкости.

Продукт деструкции каучука СКИ-3 при концентрации в масле 0,6 % (в расчете на полимер) влияет на вязкость и индекс вязкости аналогично термоэластопластам ИСТ-2 и ДСТ-30. Однако уже при концентрации деструктированного продукта 1,26 % показатели загущенного масла значительно превосходят показатели масла, загущенного ИСТ-20 и ДСТ-30. По вязкостно-температурным свойствам масло И-20А, загущенное 1,26 % деструктированного СКИ-3 заметно превосходит масло, содержащее присадку ПМА-Д в существенно более высокой концентрации (2%). Ввиду высокой растворимости деструктированного каучука в масле его концентрация в масле может быть повышена до 1,8 %, что ведет к дальнейшему повышению вязкости и индекса вязкости.

Таким образом, исследуемые термоэластопласты ИСТ-20, ДСТ-30 в низкой концентрации (0,1ч 0,6 %) более эффективны как вязкостные присадки по сравнению со штатной присадкой ПМА-Д в концентрации 1 %.

Деструктированный каучук СКИ-3 по влиянию на вязкость и индекс вязкости базового масла превосходит как термоэластопласты, так и штатную присадку ПМА-Д.

3.5 Влияние каучуков на термоокислительную стабильности загущенного масла

Термоокислительная стабильность является важнейшим свойством масел различного назначения. Оценку термоокислительной стабильности загущенного масла проводили по методике, описанной в разделе 3.3.4 методом окисления в барботажном реакторе. В работе определена термоокислительная стабильность масла И-20А без присадок, а также масла И-20А загущенного выбранными каучуками и термоэластопластами. Для сравнения оценена термоокислительная стабильность масла, загущенного штатной присадкой ПМА-Д.

Полученные результаты приведены в таблице 3.

В качестве показателей термоокислительной стабильности использовали изменение кислотного числа, изменение кинематической вязкости и выход осадков, нерастворимых в изооктане.

Таблица 3- Влияние каучуков на термоокислительную стабильность масла (Условия испытаний: t=200?С, скорость подачи воздуха 150 мл/мин., продолжительность окисления 15 часов)

Присадка (массовая доля, %, в расчете на полимер)	Кислотное число, мг КОН/г	Кинематическая вязкость мм2/с, при 100? С	Осадок, нерастворимый в изоокта не, %
	Исходное масло	После окисления	Изменение
				Исходное масло	После окисления	Изменение в %
Масло И-20А без присадки	0,10	2,10	2,00	5,26	5,67	+ 7,8	0,9
ПМА-Д (2,0%)	0,10	2,20	2,10	7,48	6,9	- 7,7	0,9
ИСТ-20 (0,6%)	0,13	1,65	1,52	6,06	5,75	- 5,1	0,84
ДСТ-30 (0,3%)	0,10	2,07	1,97	7,09	6,1	-14,0	1,1
Продукт деструкции СКИ-3 (1,26 %)	0,10	2.80	2.70	8,67	5,83	- 32,0	0,9

Сравнивая изменения кислотных чисел масла, загущенного термоэластопластами и штатной присадкой ПМА-Д, можно заключить, что скорость образования кислот при окислении масла, загущенного термоэластопластами ИСТ-20 и ДСТ-30, меньше, чем масла, загущенного штатной присадкой ПМА-Д. Меньше всего кислотное число меняется при окислении масла с присадкой ИСТ-20.

Кинематическая вязкость масел, загущенных термоэластопластами в результате окисления уменьшается, что говорит о частичной деструкции полимеров. В наименьшей степени меняется вязкость масла с присадкой ИСТ-20, в наибольшей - с присадкой ДСТ-30. Масло со штатной присадкой ПМА-Д по этому показателю занимает промежуточное положение.

Наименьший выход осадка, не растворимого в изооктане также наблюдается для масла, загущенного ИСТ-20.

Сравнивая показатели окисленного масла И-20А без присадок и масла, загущенного присадками ИСТ-20 и ПМА-Д, можно сделать вывод, что эти присадки практически не влияют на термоокислительную стабильность масла. Присадка ДСТ-30 ухудшает стабильность масла.

Наименьшей стабильностью к окислению характеризуется продукт деструкции каучука СКИ-3: оксидат масла, загущенного этим продуктом, отличается самым высоким значением кислотного числа и самым значительным изменением вязкости.

Базовое масло И-20А и масло, загущенное штатной присадкой ПМА-Д, вызывают незначительную коррозию металлических пластин. Термоэластопласты и деструктированный каучук приводят к осмолению металлических пластин (наблюдается увеличение их массы). Полученные результаты приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Коррозия металлических пластин в условиях окисления загущенных масел

Присадка (массовая доля, %, в расчете на полимер)	Коррозия металлических пластин, г / м2
	Медь	Сталь	Алюминий
Масло И-20А без присадки	0,17	0,83	0,42
Присадка (массовая доля, %, в расчете на полимер)	Коррозия металлических пластин, г / м2
	Медь	Сталь	Алюминий
ПМА-Д (2,0%)	0,46	0,17	0,34
ИСТ-20 (0,6%)	+4,1	0,61	1,0
ДСТ-30 (0,3%)	+4,1	+1,1	0,5
Продукт деструкции СКИ-3 (1,26 %)	+1,08	+1,45	+0,87

Основной вывод из проведенной работы заключается в том, что деструктированный каучук СКИ-3 является эффективной вязкостной присадкой, превосходящей по вязкостно-температурным свойствам товарную присадку ПМА-Д. Вместе с тем он ухудшает термоокислительную стабильность загущенного масла и вызывает осмоление металлических пластин. Для повышения стабильности каучука, по-видимому, целесообразно провести гидрирование двойных связей или модифицировать полимер путем присоединения по двойной связи других функциональных групп.

Термоэластопласт ИСТ-20, эффективно загущающий масло в низких концентрациях и не влияющий на его термоокислительную стабильность, может быть испытан по другим показателям как вязкостная присадка к моторным маслам.

ВЫВОДЫ

1) Термоэластопласты ИСТ-20 и ДСТ-30 в низких концентрациях (0,1-0,6% в расчете на полимер) повышают вязкостно-температурные свойства масла И-20А в такой же степени, как штатная присадка ПМА-Д в концентрации 2% (в расчете на полимер)

2) Продукт деструкции каучука СКИ-3 характеризуется значительно более высокими вязкостно-температурными свойствами, чем термоэластопласты ИСТ-20 и ДСТ-30 и существенно превосходит штатную присадку ПМА-Д

3) По влиянию на термоокислительную стабильность загущенного масла термоэластопласт ИСТ-20 идентичен штатной присадке ПМА-Д

4) ДСТ-30 и деструктированный каучук СКИ снижают термоокислительную стабильность масла

5) Термоэластопласт ИСТ-20 может быть рекомендован для дальнейших исследований в качестве вязкостной присадки к моторным маслам

6) Деструктированный каучук СКИ, проявляющий самые высокие вязкостно-температурные свойства, нуждается в дополнительной стабилизации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Громова, В.В. Технология производства и применения товарных продуктов переработки природных энергоносителей: учебное пособие для студ. заочной формы обучения / В.В. Громова; СПБГТИ(ТУ). - СПб., 2011 - 65 c.

2 Бурый, Ю.В. Топливо и моторные масла для двигателей мобильной техники АПК: учебное пособие / Ю.В. Бурый. - Барнаул, 2005. - 29-30 c.

3 Лашхи, В.Л. Загущенные масла. Свойства и особенности применения / В.Л. Лашхи, И.Г. Фукс. Химия и технология топлив масел, 1988- № 11. -24-29 с.

4 Школьников, В.М. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: справочник / В.М. Школьников [и др.]; под. ред. В.М. Школьникова. - М.: Химия, 1989. - 659 с.

5 Каплан, С.В. Вязкостные присадки и загущенные масла/ С.В. Каплан, И.Ф. Радзевенчук. - Л.: Химия, 1982 .- 136 с.

6 Лашхи, В.Л. Загущенные масла. Свойства и особенности применения / В.Л. Лашхи, И.Г. Фукс. Химия и технология топлив масел, 1988- №11. - 24-29 с.

7 Бушуева, Т.А. Депрессорные и вязкостные свойства полиметакрилатных присадок/ Т.А. Бушуева [и др.]; Химия и технология топлив и масел, 1990-№9. - 33-34 с.

8 Каплан, С.В. Вязкостные присадки и загущенные масла / С.В. Каплан, И.Ф. Радзевенчук. - Л.: Химия, 1982. - 136 с.

9 Каплан, С.В. Вязкостные присадки и загущенные масла / С.В. Каплан, И.Ф. Радзевенчук. - Л.: Химия, 1982. - С. 5.

10 Каплан, С.В. Вязкостные присадки и загущенные масла / С.В. Каплан, И.Ф. Радзевенчук. - Л.: Химия, 1982. - С.6.

11 Каплан, С.В. Вязкостные присадки и загущенные масла / С.В. Каплан, И.Ф. Радзевенчук. - Л.: Химия, 1982. - С.10.

12 Патентная заявка 2357636, 2357637, 1978. - Франция

13 Ахмедов, А.И. Нефтехимия: учеб. пособие/ А.И. Ахмедов, А.М. Левшина, З.А. Садыков, 1979.- № 1. - 134 с.

14 Башкатова, С.Т. Особенности получения депрессорной присадки ДАКС-Д / С.Т. Башкатова, Ю.С.Голубенко, В.А. Винокуров. Химия и технология топлив и масел, 2001. - № 1. - С. 18-19.

15 Морозова, И.А. Многофункциональные полиметакрилатные присадки / И.А. Морозова, В.Д. Резников. Мир нефтепродуктов, 2002. - № 4. - С.16-17

16 Лашхи, В.Л. Загущенные масла. Свойства и особенности применения / В.Л. Лашхи , И.Г. Фукс . Химия и технология топлив масел, 1988. - 24-29 с.

17 Марчева, Е.Н. Оценка загущающей способности вязкостных присадок: науч. издание/ Е.Н. Марчева [и др.]; Химия и технология топлив и масел, 1982-№ 6. - 36-36 с.

18 Лашхи, В.Л. Загущенные масла. Свойства и особенности применения / В.Л. Лашхи, И.Г. Фукс. Химия и технология топлив и масел, 1988.- № 11. - 24-29 с.

19 Марчева, Е.Н. Оценка загущающей способности вязкостных присадок: науч. издание/ Е.Н. Марчева [и др.]; Химия и технология топлив и масел, 1982-№ 6. - 36-36 с.

20 Шагов, В.С. Модифицированный окисленный полиэтиленовый воск, как присадка к смазочному маслу / В.С. Шагов, М.С. Доминина. Химия и технология топлив и масел, 1992-№7. - 4-5 с.

21 Папок, К.К Смазочные масла. Нефтепереработка и нефтехимия/ К.К Папок, А.П. Зарубин, Т.В. Романова. - М., 1973-№3. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru