МАГНИТНОЕ МАСЛО И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК C10M169/04 C10M177/00 C10M169/04 C10M125/04 C10M105/36 C10M129/40 C10N40/14 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к созданию магнитных масел, обладающих высокими антифрикционными и противоизносными свойствами, и используемых для смазки магнитных подшипников, магнитожидкостных торцевых уплотнений, зубчатых передач с магнитной системой подачи смазки и т.д.

Известно магнитное масло на основе турбинного масла Тп-22 трансформаторного и т.д. (1), получаемое при введении магнетита и его стабилизацией олеиновой кислотой. При этом получают достаточно устойчивые коллоиды с намагниченностью насыщения μ_s=30-50 кА/м.

Однако недостатком этих масел является недостаточная устойчивость ПАВ-стабилизатора к термомеханическим воздействиям в зоне трибоконтакта и ограниченная термоокислительная стабильность углеводородных масел при повышенных температурах (Т > 80^оС).

Наиболее близкими по смазочным свойствам и термоокислительной стабильности к заявляемому является магнитное масло на основе олигоэтилсилоксанов (2), состоящее из олигоэтилсилоксана (дисперсионная среда), магнетита (дисперсная фаза) и олеиновой кислоты (стабилизатор).

Однако недостатком этого масла является низкая коллоидная устойчивость в магнитных и гравитационных полях, а также плохие смазочные свойства при граничной смазке, обусловленные десорбцией ПАВ-стабилизатора в зоне трибоконтакта и образованием агломератов, приводящих к абразивному износу. Особенно резко этот эффект проявляется при температуре работы масла более 100^оС.

Известен способ получения магнитного коллоида, когда после предварительной пептизации магнетита с помощью олеата натрия в среде углеводорода вводят дополнительный ПАВ-стабилизатор - линейный олигоэфир и переводят магнетит в диоктиловый эфир адипиновой кислоты.

Однако недостатком этого способа получения является то, что для стабилизации используют готовый олигомер при этом из-за стерических затруднений снижается качество стабилизации и максимальная намагниченность насыщения составляет 10 кА/м. Такие низкие магнитные свойства затрудняют удержание масла в зоне трения с помощью магнитного поля.

Аналогичным к заявленному способу получения по механизму стабилизации является способ получения магнитного масла на основе силоксанов методом разложения пентакарбонила железа (1). При этом стабилизация происходит за счет полимеризации олигосилоксанов на поверхности каталитически активного карбонильного железа.

Недостатком этого способа получения является низкая структурная стабильность масла, обусловленная большими размерами частиц, а также высокой каталитической активностью карбонильного железа, что приводит к протеканию полимеризации в условиях трения во всем объеме масла и образованию пространственносшитой структуры.

Наиболее близким является способ получения магнитного масла на основе олигоэтилсилоксанов, заключающийся в том, что магнетит обрабатывают раствором олеиновой кислоты в смеси олигоэтилсилоксана с неполярным растворителем с последующим выпариванием углеводорода (2).

Однако масла, полученные по этому способу, не обладают достаточной коллоидной устойчивостью в магнитном поле, что обусловлено низким взаимодействием между молекулами ПАВ-стабилизатора и дисперсионной среды.

Заявляемое магнитное масло включает в себя следующие основные компоненты: магнитные частицы - магнетит Fe₃O₄; стабилизатор магнитных частиц - олигоэфир на основе гидрокислот (12 - оксистеариновая кислота, 12 - гидрокси - Δ9 - октадеценовая кислота), диэфир карбоновой кислоты - жидкость-носитель.

Магнитные частицы определяют магнитные свойства масла, при этом концентрация магнетита составляет 15-30 мас.%. Пределы концентрации обусловлены следующими факторами: нижний - при концентрации 14 мас.% намагниченность насыщения составляет 13-14 кА/м и такое масло трудно удержать в зоне трения с помощью магнитных сил; верхний - при увеличении концентрации более 30 мас. % повышается вероятность агрегирования частиц и возникновения абразивного износа. Кроме того, снижается доля жидкости носителя, что ведет к уменьшению ресурса масла за счет испарения диэфира карбоновой кислоты во время работы.

Олигоэфир на основе гидроксикарбоновых кислот жирного ряда обеспечивает защиту от агрегирования и седиментации магнитных частиц. Известно, что десорбция жирных кислот происходит при Т > 100-110^оС. Олигомерные стабилизаторы более надежно связаны с поверхностью частиц и предпочтительнее для тяжелых условий трикарбоната. Разветвленная структура цепи снижает вероятность сцепления частиц между собой и их седиментации. Концентрация олигоэфира зависит от концентрации магнетита и необходимой вязкости масла. При концентрации магнетита 15 мас.% концентрация олигоэфира составляет не менее 10% , в противном случае резко снижается коллоидная устойчивость (табл.2) из-за неполной защиты всей поверхности частиц. При концентрации магнетита 30 мас. % концентрация олигоэфира составляет 40 мас.%, при дальнейшем увеличении резко возрастает вязкость и масло теряет магнитную подвижность (табл.1, пример 6).

Диэфир карбоновых кислот - жидкость - носитель, обеспечивает текучесть магнитного масла. Могут быть использованы диоктилсебацинат (ДОС), дибутилсебацинат (ДБС), диоктилфталат (ДОФ), динонилфталат (ДНФ), диоктиладипинат (ДОА) и др.

1. Смазочные свойства магнитных масел.

Сравнительные испытания проводились на установке, предназначенной для испытания ферросмазок.

Испытания проводились по схеме трение скольжение торец цилиндра - плоскость. Плоскость - бронза ОСЦ5, торец цилиндра - Ст.3. Линейная скорость скольжения 0,24 м/с, давление 4,42 МПа. Испытания велись при комнатной температуре, масло подавалось и удерживалось на дорожке трения неоднородным магнитным полем с аксиальной симметрией. В процессе испытаний непрерывно регистрировалась сила трения и дискретно измерялся износ. Состав магнитных масел и их свойства приведены в табл.1.

Смазочные свойства в интервале температур 20-200^оС изучались на 3-шариковой машине трения по схеме шар-плоскость. Материал пар трения ШХ-15 - ШХ-15, линейная скорость 0,32 м/с, нагрузка на контакте 1,2 ГПа, время испытания 45 мин. Температура в зоне трения поддерживалась с точностью ±2^оС. В процессе испытания фиксировался момент трения, после окончания испытания измеряется под микроскопом износ шаров. Результаты испытаний представлены на чертеже, где х - прототип; о - магнитное масло по примеру 3 табл.1.

Противоизносные свойства прототипа резко ухудшаются при температуре в зоне трения более 100^оС.

2. Коллоидная устойчивость магнитных масел.

Устойчивость магнитных масел исследовалась в гравитационном поле на центрифуге Т23. При числе оборотов n=6000 об/мин В=5600g. Об устойчивости судили по выделению жидкости носителя после выдержки в гравитационном поле.

Методика испытаний. В стеклянные пробирки загружается фиксированный объем магнитного масла. Пробирки помещаются в центрифугу и выдерживаются при В= 5600g в течение 4 ч. Затем измерялся слой выделившейся прозрачной жидкости носителя. Результаты представлены в табл.2.

Стабилизация частиц олигоэфирами на основе гидроксикислот жирного ряда существенно увеличивает коллоидную стабильность масел и соответственно снижает агрегатирование частиц в зоне трения, что соответственно улучшает противоизносные характеристики масел (чертеж табл.1).

Способ получения магнитного масла включает следующие операции:
получение магнетита, путем осаждения солей железа по известной методике;
предварительная стабилизация магнитных частиц мономером (гидроксикислота жирного ряда), путем введения раствора гидроксикислоты в диэфире карбоновой кислоты во влажный магнетит и удаления остатков воды выпариванием;
окончательную стабилизацию проводят путем введения дополнительного количества мономера и синтеза олигоэфира непосредственно на поверхности магнитных частиц при 110-180^оС в течение 10-40 ч.

Известно, что наиболее устойчивыми являются коллоиды, стабилизированные полимерами. Однако их недостатком является низкая концентрация дисперсных частиц из-за стерических затруднений при адсорбции молекул полимеров. Предлагаемый способ практически исключает стерические затруднения, т.к. для предварительной стабилизации и последующего синтеза используются гидроксикислоты ряда С₁₈. При этом получают масла с намагниченностью 15-30 кА/м. Удержание в узле трения магнитных масел с такими свойствами не требует создания сильных магнитных полей, что в итоге отражается на длительности работы магнитного масла.

П р и м е р 1. Магнетит получают по известной методике (5) с расчетным выходом по сухому 34,7 г. Влажный магнетит после осаждения обрабатывают раствором 12 гидрокси- Δ9-октадеценовой кислоты в диоктиловом эфире себациновой кислоты (11,5 г гидроксикислоты в 52,4 г ДОС). Смесь нагревают при перемешивании до 90-100^оС при этом вытесненная вода удаляется выпариванием и происходит предварительная стабилизация. Затем полученный коллоид помещают в 3-горлую колбу, снабженную затвором с мешалкой, ловушкой с обратным холодильником и термометром. В реакционную смесь вводят дополнительное количество мономера (11,5 г гидроксикислоты) и проводят окончательную стабилизацию путем синтеза олигоэфира при перемешивании и Т=110 ± 5^оС в течение 40 ч. Вода, выделяемая в ходе реакции поликонденсации гидроксикислоты, конденсируется в холодильнике и собирается в ловушке. Контроль процесса по объему выделившейся воды. После окончания стабилизации масло центрифугируют при В=5600g в течение 2 ч. Получают магнитное масло с μ_s=30,0 кА/м, η=0,26 Па с.

П р и м е р 2. Магнитный коллоид получают по примеру 1, а температура при дополнительной стабилизации составляет 100±5^оС. При этом происходит плохой отгон воды, обратное смещение равновесия реакции поликонденсации. Время стабилизации существенно увеличивается (в 2-2,5 раза).

П р и м е р 3. Магнитный коллоид получают по примеру 1 дополнительную стабилизацию ведут при Т=180±5^оС в течение 10 часов. После центрифугирования магнитное масло имеет характеристики:
μ_s = 29,8 кА/м, η = 0,28 Па с.

П р и м е р 4. Магнитный коллоид получают по примеру 1. Дополнительную стабилизацию ведут при Т = 190±5^оС. Через 3 ч получается высоковязкая малоподвижная масса за счет образования пространственных связей.

П р и м е р 5. Синтез олигоэфира проводят в отсутствии магнитных частиц. 23 г 12 гидрокси- Δ9-октадеценовой кислоты растворяют в 52,4 г ДОС. Раствор загружают в 3-горлую колбу, снабженную мешалкой с затвором. Обратным холодильником и ловушкой. Синтез ведут при 110±5^оС в течение 40 ч. Затем полученным продуктом обрабатывают 34,7 г магнетита и ведут стабилизацию в течение 10 ч при 100^оС. После центрифугирования получают масло с μ_s=8 кА/м, η=0,21 Па с.

П р и м е р 6. Магнитное масло получают по примеру 1. В качестве мономера используют 12-оксистеариновую кислоту. Получают масло с μ_s=30,5 кА/м, η=0,40 Па с.

П р и м е р 7. Синтез проводится по примеру 1. В качестве базового масла используют диоктилфталат (ДОФ). После сепарации в центрифуге получают ММ с μ_s=31,2 кА/м; η=0,34 Па с. Масло имеет следующий состав: магнетит 34%, ОЭ-1 22,5% ДОФ 43,5 мас.%.

П р и м е р 8. Синтез проводится по примеру 1. В качестве базового масла используют динонилфталат (ДНФ). Получают ММ с μ_s=31,3 кА/м η =0,38 Па с. Масло имеет состав: магнетит 34,2%, ОЭ-1 - 22,4%, ДНФ - 43,4 мас.%.

П р и м е р 9. В качестве основы используется диоктиладипинат (ДОА). Получают ММ с μ_s= 29,8 кА/м, η =0,24 Па с. Масло имеет состав: магнетит 33,5%, ОЭ-1 - 22,6%, ДОА остальное.

Магнитные масла, смазочные свойства которых приведены в табл.1 получают следующим образом: пример 1, 2 получают на основе магнитного масла, синтезированного по примеру 1 п.2 заявки путем разбавления дисперсионной средой до намагниченности насыщения 13,5 и 15,5 кА/м.

Магнитное масло (пример 3) получают по примеру 1 со следующим соотношением компонентов: магнетит (24 г) обрабатывают раствором 12 гидрокси- Δ9-октадеценовой кислоты (12 г кислоты на 20 г ДОС). Смесь нагревают при перемешивании до 90-100^оС, чтобы произошла предварительная стабилизация частиц. Затем полученный коллоид помещают в 3-горлую колбу, снабженную затвором с мешалкой, ловушкой и обратным холодильником. В реакционную смесь вводят дополнительно 12 г кислоты в 32 г ДОС и при 110±5^оС в течение 40 ч ведут стабилизацию коллоида. Получают магнитное масло со свойствами, указанными в табл.1 заявки.

Магнитное масло (пример 4) получают аналогично, только вместо 12 гидрокси- Δ9-октадеценовой кислоты используют 12-оксистеариновую кислоты.

Магнитное масло (пример 5, 6 табл.1) получают следующим образом: магнетит (30 г) обрабатывают раствором 12 гидрокси - Δ9-октадеценовой кислоты (20 г кислоты в 20 г основы). Смесь нагревают при перемешивании до 90-100^оС, чтобы произошла предварительная стабилизация частиц. Затем полученный коллоид помещают в 3-горлую колбу, снабженную затвором с мешалкой, ловушкой и обратным холодильником. В реакционную смесь вводят дополнительно 20 г кислоты в 10 г основы и при 110±5^оС в течение 40 ч ведут стабилизацию коллоида. Получают магнитное масло со свойствами приведенными в табл.1.

В примере 5 основа - дибутилсебацинат, в примере 6 - диоктилсебацинат.

Применение предлагаемого магнитного масла и способа его получения возможно на предприятиях машиностроительной промышленности в магнитных узлах трения для повышения ресурса работы.

Сущность изобретения: масло содержит, мас.%: магнетит 15 - 30; олигоэфир, полученный на основе 12-оксистеариновой кислоты или 12-гидрокси- Δ9 9-октадеценовой кислоты 10 - 40 и диэфир карбоновой кислоты остальное. Масло получают обработкой магнетита в диэфире карбоновой кислоты в присутствии водного раствора 12-оксистеариновой кислоты или 12-гидрокси- Δ9 9-октадеценовой кислоты при нагревании до температуры выпаривания воды с последующей термообработкой смеси при температуре 110 - 180°С в течение 10 - 40 ч и охлаждением полученного масла. 2 табл., 1 ил.

1. Магнитное масло, содержащее магнетит, стабилизатор и базовую основу, отличающееся тем, что масло в качестве базовой основы содержит диэфир карбоновой кислоты и в качестве стабилизатора содержит олигоэфир, полученный на основе 12-оксистеариновой кислоты или 12-гидрокси- Δ 9 -октадеценовой кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Магнетит 15 - 30
Олигоэфир, полученный на основе 12-оксистеариновой кислоты или 12-гидрокси- Δ 9 -октадеценовой кислоты 10 - 40
Диэфир карбоновой кислоты Остальное
2. Способ получения магнитного масла путем обработки магнетита в базовой основе в присутствии стабилизатора, отличающийся тем, что в качестве базовой основы используют диэфир карбоновой кислоты и магнетит обрабатывают в базовой основе в присутствии водного раствора 12-оксистеариновой кислоты или 12-гидрокси- Δ 9 -октадеценовой кислоты при нагревании до температуры выпаривания воды с последующей термообработкой смеси при 110 - 180^oС в течение 10 - 40 ч и охлаждением полученного масла при следующем содержании компонентов в масле, мас.%:
Магнетит 15 - 30
Олигоэфир, полученный на основе 12-оксистеариновой кислоты или 12-гидрокси- Δ 9 -октадеценовой кислоты 10 - 40
Диэфир карбоновой кислоты Остальное