СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСНОВЫ СИНТЕТИЧЕСКОГО СМАЗОЧНОГО МАСЛА Российский патент 2011 года по МПК C10M105/38 

Изобретение относится к нефтехимии, а именно к способам получения основы синтетического смазочного масла, и может быть использовано для получения авиационных сложноэфирных масел.

Интерес к синтетическим маслам как материалам для смазывания подшипников турбин авиационных реактивных двигателей появился в пятидесятых годах в связи с развитием техники.

Современные газотурбинные двигатели (ГТД) характеризуются жесткими условиями работы: высокие температуры - до 200°С и выше; большие частоты вращения турбин - 12000-2000 мин^-1; температура масла на входе в ГТД колеблется от +20°С до -60°С, а на выходе зависит от теплонапряженности двигателя. Поэтому масла, используемые для смазывания подшипников должны обладать следующими свойствами:

- надежное смазывание всех узлов трения и агрегатов двигателя с минимальным износом в пределах рабочих температур от -50 до 150°С и выше;

- пологая вязкостно-температурная кривая и хорошая прокачиваемость при низких температурах (пусковые свойства масла должны обеспечивать надежный запуск двигателя без подогрева до температуры - 50°С);

- повышенная термическая и термоокислитльная стабильность;

- не агрессивность по отношению к металлам, сплавам, резиновым изделиям, покрытиям.

Этим требованиям удовлетворяют сложные эфиры неопентиполиолов, в частности сложные эфиры пентаэритрита.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ получения основы синтетических смазочных масел (например, 36/1, Б3-В, ЛЗ-240) - «Эфир-2», предназначенных для авиационных газотурбинных двигателей, работающих в широком интервале температур в различных режимах трения при высоких нагрузках [ТУ- 0253-012-56194358-2002]. Известный способ получения «Эфира-2» - прототип - заключается в том, что для этерификации пентаэритрита использовали фракцию синтетических жирных кислот СЖК (C₅-С₉) [Куковицкий М.М. и др. // Нефтепереработка и нефтехимия. - 19. - №9. - С.8-9]. Но в 2002 г. производство по получению СЖК (C₅-С₉) в нашей стране было остановлено. Таким образом, основа синтетического смазочного масла на основе указанной фракции в настоящее время не вырабатывают.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение сырьевой базы для получения основы синтетического смазочного масла, не уступающей по основным физико-химическим показателям «Эфиру-2», на основе сложных эфиров пентаэритрита и смеси доступных индивидуальных низкомолекулярных монокарбоновых кислот.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения основы синтетического смазочного масла, представляющей собой продукт этерификации многоатомного спирта, путем этерификации пентаэритрита смесью монокарбоновых кислот, в качестве кислот берут смесь индивидуальных низкомолекулярных монокарбоновых кислот, состоящую из 6,5-10 мас.% изо-валериановой i-C₅, 23-30 мас.% валериановой н-С₅, 30-37 мас.% энантовой н-C₇, 20-22 мас.% каприновой н-C₈ и 10-12 мас.% каприловой н-С₁₀.

Предлагаемый способ позволяет получить основу синтетического смазочного масла путем этерификации пентаэритрита смесью изо-валериановой (i-C₅), валериановой (н-C₅), энантовой (н-С₇), каприновой (н-C₈) и каприловой (н-С₁₀) кислот, соответствующая основным физико-химическим требованиям, предъявляемым к основе - «Эфиру-2» - прототип, которая может быть использована для получения авиационных сложноэфирных масел, таких как Б-3В или ЛЗ-240.

При определении оптимального кислотного состава для этерификации пентаэритрита использовали разработанный нами метод оценки вклада индивидуальных кислот, который необходим для получения основы синтетического смазочного масла, удовлетворяющей всем нормативным требованиям.

Сущность метода заключается в изучении и оценке влияния кислот различного строения, присутствующих в одной молекуле, на физико-химические показатели несимметричных эфиров.

Процесс термического получения сложных эфиров пентаэритрита ведут по классической технологии - в среде ароматического углеводорода о-ксилола. Время процесса этерификации при использовании избытка кислот (20 мас.%) составляет 12 часов.

После окончания реакции о-ксилол и избыток кислот отгоняют под вакуумом. Удаление остатков кислот производят с помощью анионита АВ-17-8 ЧС при температуре (60-80)°С в течение 6 ч. Количество анионита составляет (5-10) % от массы продукта (в зависимости от кислотного числа продукта после вакуумной отгонки). Выход очищенных продуктов составляет в среднем 97% от расчетного значения. Кислотное число полученных продуктов не превышает 0,1 мг KOH/г.

Состав смесей кислот i-C₅, н-С₅, н-С₇, н-C₈, н-С₁₀, взятых в различных массовых соотношениях, рассчитанных с помощью приведенного выше метода, и физико-химические свойства полученных базовых синтетических жидкостей на основе синтезированных сложных эфиров пентаэритрита приведены в таблице 1.

Трибологические свойства полученного базового синтетического масла (образец №3) на основе сложного эфира ПЭ и смеси кислот н- и i-C₅, C₆, C₇, C₈, C₁₀ и базового синтетического авиационного масла «Эфир-2» - прототип можно сравнить по данным, приведенным в таблице 2. Испытания проводились на четырехшариковой машине трения по ГОСТ 9490-75.

На основе полученного базового синтетического масла (образец №3) был приготовлен по традиционной рецептуре (0,5% ПОДА и 1,5% Каптакс) опытный образец авиационного синтетического масла «Б-3В». Трибологические характеристики приведены в таблице 3. Значения трибологических характеристик определяли на четырехшариковой машине трения согласно ТУ-0253-012-56194358-2002 на «Эфир-2».

Изменения основных физико-химических показателей опытного образца на основе полученного базового синтетического масла и авиационного синтетического масла «Б-3В» на основе «Эфира-2» - прототип после окисления приведены в таблице 4. Окисление проводили при температуре (200)°С в течение 50 часов.

Примеры получения основы синтетического смазочного масла.

Пример 1. В трехгорлую колбу, снабженную механической мешалкой, ловушкой Дина-Старка и обратным холодильником, загружают 24,16 г пентаэритрита (технический), 5,55 г (6,5 мас.%) изо-валериановой кислоты - химически чистое (Х.Ч.), 21,36 г (25 мас.%) валериановой кислоты (Х.Ч.), 31,61 г (37 мас.%) энантовой кислоты (Х.Ч.), 17,09 г (20% мас.) каприновой кислоты (Х.Ч.) и 9,82 г (11,5 мас.%) каприловой кислоты (Х.Ч.). Реакцию проводят без катализатора в течение 12 ч. при температуре 140°С в среде ароматического углеводорода о-ксилола с 20% избытком кислот. После окончания реакции о-ксилол и избыток кислот отгоняют под вакуумом. Удаление остатков кислот производят с помощью анионита АВ-17-8 ЧС при температуре (60-80)°С в течение 6 ч. Выход конечного продукта составляет 97%. Кислотное число полученного продукта (основы синтетического смазочного масла) менее 0,1 мг КОН/г. Свойства полученного продукта, приведенные в таблице 1, соответствуют требованиям, предъявляемым ТУ на «Эфир-2» (прототип).

Пример 2. Согласно методике, описанной в примере 1, в реакционную колбу загружают 24,24 г пентаэритрита, 6,80 г (8 мас.%) изо-валериановой кислоты, 21,26 г (25 мас.%) валериановой кислоты, 31,46 г (37 мас.%) энантовой кислоты, 17,00 г. (20 мас.%) каприновой кислоты и 8,50 г. (10 мас.%) каприловой кислоты. После соответствующей обработки получают конечный продукт с выходом 96,5% и кислотным числом менее 0,1 мг KOH/г. Свойства полученного продукта (основы синтетического смазочного масла), приведенные в таблице 1, соответствуют требованиям, предъявляемым ТУ на «Эфир-2» (прототип).

Пример 3. Согласно методике, описанной в примере 1, в реакционную колбу загружают 24,20 г пентаэритрита, 8,50 г (10 мас.%) изо-валериановой кислоты, 25,50 г (23 мас.%) валериановой кислоты, 25,50 г (35 мас.%) энантовой кислоты, 18,70 г (22 мас.%) каприновой кислоты и 8,5 г (10 мас.%) каприловой кислоты. После соответствующей обработки получают конечный продукт с выходом 97% и кислотным числом менее 0,1 мг KOH/г. Свойства полученного продукта (основы синтетического смазочного масла), приведенные в таблице 1, соответствуют требованиям, предъявляемым ТУ на «Эфир-2» (прототип).

Пример 4. Согласно методике, описанной в примере 1, в реакционную колбу загружают 24,52 г пентаэритрита, 8,52 г (10 мас.%) изо-валериановой кислоты, 23,88 г (28 мас.%) валериановой кислоты, 22,9 г (32 мас.%) энантовой кислоты, 17,06 г (20 мас.%) каприновой кислоты и 8,53 г (10 мас.%) каприловой кислоты. После соответствующей обработки получают конечного продукта с выходом 98% и кислотным числом менее 0,1 мг KOH/г. Свойства полученного эфира (основы синтетического смазочного масла), приведенные в таблице 1, соответствуют требованиям, предъявляемым ТУ на «Эфир-2» (прототип).

Пример 5. Согласно методике, описанной в примере 1, в реакционную колбу загружают 24,11 г пентаэритрита, 8,51 г (10 мас.%) изо-валериановой кислоты, 23,83 г (28 мас.%) валериановой кислоты, 25,53 г (30 мас.%) энантовой кислоты, 17,02 г (20 мас.%) каприновой кислоты и 10,22 г (10 мас.%) каприловой кислоты. После соответствующей обработки получают конечный продукт с выходом 98% и кислотным числом менее 0,1 мг KOH/г. Свойства полученного продукта (основы синтетического смазочного масла), приведенные в таблице 1, соответствуют требованиям, предъявляемым ТУ на «Эфир-2» (прототип).

Пример 6. Согласно методике, описанной в примере 1, в реакционную колбу загружают 23,71 г пентаэритрита, 8,81 г (10 мас.%) изо-валериановой кислоты, 26,65 г. (30 мас.%) валериановой кислоты, 26,65 г (30 мас.%) энантовой кислоты, 17,76 г (20 мас.%) каприновой кислоты и 8,81 г (10 мас.%) каприловой кислоты. После соответствующей обработки получают конечный продукт с выходом 98% и кислотным числом менее 0,1 мг КОН/г. Свойства полученной основы синтетического смазочного масла, приведенные в таблице 1, соответствуют требованиям, предъявляемым ТУ на «Эфир-2» (прототип).

Таким образом, заявленный способ позволяет получить основу синтетического смазочного масла, которая по всем измеренным физико-химическим характеристикам и эксплуатационным свойствам не уступает прототипу - «Эфир-2», используя доступное и недорогое сырье.

Таблица 1 Опытные образцы, № п/п Массовая доля кислоты в смеси кислот, масс.% Вязкость, мм²/с, при температуре, °С Температура застывания, °С i-C₅ н-C₅ н-С₇ н-C₈ н-С₁₀ +100 +40 -40 «Эфир-2» прототип ≥4,85 Не норм. ≤10600 ≤-60 (ТУ-0253-012-56194358-2002) 1 6,5 25 37 20 11,5 4,92 24,08 7400 <-60 2 8 25 37 20 10 4,86 23,70 8321 <-60 3 10 23 35 22 10 5,00 24,39 7140 <-60 4 10 28 32 20 10 4,96 23,49 7626 -60 5 10 28 30 20 12 4,95 23,46 8129 -60 6 10 30 30 20 10 4,87 22,84 7816 -62

Таблица 2 Опытные образцы Индекс задира Р_свар. Р_крит. Диаметр пятна износа, мм Н кгс Н кгс Эфир (образец №3) 28 1235 126 549 56 0,43 «Эфир-2» - прототип 28 1381 141 549 56 0,41

Таблица 3 Опытные образцы Индекс задира (расчетный) Р_свар. Р_крит. Диаметр пятна износа, мм Н кгс Н кгс Масло «Б-3В» на основе, полученного базового синтетического масла (образец №3) 45 2607 266 872 89 0,48 Масло «Б-3В» на основе «Эфира-2» - прототип 49 2452 250 872 89 0,47 Показатели по НТД (нормативно технический документ), при температуре (20±5)°С, (Р_крит), не мене 89

Таблица 4 Опытные образцы Кислотное число, мг KOH/г Кинематическая вязкость, мм²/с при 100°С Кинематическая вязкость, мм²/с при
-40°С Содержание осадка не растворимого в осадке, % Коррозия пластин, г/м² Исходное значение Оксидат Исходное значение Оксидат Исходное значение Оксидат Оксидат Al Сталь Cu Масло «Б-3В» на основе полученного синтетического базового масла (образец №3) 4,4 0,4 5,1 5,34 10500 11904 0,11 Отс. Отс. Отс. Масло «Б-3В» на основе «Эфира-2» - прототип 4,7 0,46 5,2 5,45 8848 9688 0,95 Отс. Отс. Отс. Показатели по НТД (нормативно технический документ) 4,4-5,5 0,7-2,0 Не менее 5,0 Не более 6,0 Не более 12500 Не более 20000 Не нормируется, определять обязательно Не нормируется, определять обязательно

Использование: для получения авиационных сложноэфирных масел. Сущность: основу синтетического смазочного масла получают этерификацией пентаэритрита смесью монокарбоновых кислот, в качестве которых используют смесь монокарбоновых кислот, состоящую из 6,5-10 мас.% изо-валериановой (i-C₅), 23-30 мас.% валериановой (н-С₅), 30-37 мас.%, энантовой (н-С₇), 20-22 мас.% каприновой (н-C₈) и 10-12 мас.% каприловой (н-С₁₀). Технический результат - расширение сырьевой базы для получения основы синтетического смазочного масла, которая по физико-химическим характеристикам и эксплуатационным свойствам не уступает известному маслу. 4 табл.

Способ получения основы синтетического смазочного масла, представляющей собой продукт этерификации многоатомного спирта, путем этерификации пентаэритрита смесью монокарбоновых кислот, отличающийся тем, что в качестве кислот берут смесь индивидуальных низкомолекулярных монокарбоновых кислот, состоящую из 6,5-10 мас.% изо-валериановой i-C₅, 23-30 мас.% валериановой н-С₅, 30-37 мас.% энантовой н-С₇, 20-22 мас.% каприновой н-С₈ и 10-12 мас.% каприловой н-С₁₀.