Способ получения полимочевинной пластичной смазки с улучшенными трибологическими характеристиками за счет вовлечения биоугля в качестве наполнителя Российский патент 2024 года по МПК C10M125/02 C10M149/20 C10M101/04 

Описание патента на изобретение RU2827695C1

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к методу получения полимочевинных пластичных смазок на основе нефтяного базового масла третьей группы (VHVI-4), к которому добавляется полимерная присадка - полиизобутилен (ПИБ 10), и биоуголь, полученный с использованием гидротермальной карбонизации опилок. Может быть использовано в автомобильной и авиационной промышленности, на производстве и обработке металла, в судостроении и морской промышленности, в военной промышленности и других областях науки и техники при приготовлении смазок на основе полимочевинного загустителя с добавлением наполнителей природного происхождения.

Уровень техники

Смазочные материалы в различных формах играют значительную роль в инженерных системах путем снижения трения и износа между взаимодействующими поверхностями. Одним из таких материалов является пластичная смазка, которая представляет собой сложную многофазную полутвердую смазку, состоящую из загустителя, базового масла и функциональных добавок. Важной характеристикой пластичных смазок является их способность к разжижению при сдвиге, обеспечивающая смазку поверхностей при контактном напряжении (Rawat, S.S., Harsha, A.P., Chouhan, A. et al. Effect of Graphene-Based Nanoadditives on the Tribological and Rheological Performance of Paraffin Grease. J. of Materi Eng и Perform 29, 2235-2247).

В Российской Федерации годовое производство пластичных смазок составляет около 60 тысяч тонн, причем большая часть из них варится с использованием литиевого загустителя (68%). Однако, доля России в общемировом производстве пластичных смазок составляет всего 3-5% (Данилов А.М. Пластичные смазки на полимочевинах/А.М. Данилов. - М.: ЦНИИТ Нефтехимии, 1995. - 68 c.). Анализируя рынок лития, можно наблюдать тенденцию к его постепенному удорожанию. Это связано с ростом спроса на литий на 240% к 2024 году в связи с увеличением производства литий-ионных аккумуляторов (Тонконогов Б.П., Багдасаров Л.Н., Киреев С.В., Шмалько Я.И., Дауди Д.И. Влияние молекулярной массы полиизобутиленов на их загущающую способность в парафиново-нафтеновом масле // Технологии нефти и газа. 2019. № 6. с. 22–28), что может сказаться на неэффективности его использования в качестве загустителя для пластичных смазок.

В связи с этим можно предположить, что перспективными компонентами для смазок будут загустители на основе полимочевины. Эти высокомолекулярные соединения, содержащие уретановые группы в своей структуре, обладают высокой химической и термической стойкостью, механической стабильностью и хорошей способностью загущения по сравнению с другими дисперсионными средами. Кроме того, полимочевинные смазки обладают экологической безопасностью (Крылова А. Ю., Зайченко В. М. Гидротермальная карбонизация биомассы (обзор) // Химия твердого топлив. 2018. № 2. С. 36–50). Несмотря на то, что реагенты, используемые для получения загустителей на основе полимочевины, такие как изоцианаты и амины, являются токсичными веществами, сам загуститель не является вредным и может быть использован в пищевой промышленности.

Кроме того, полимочевинные пластичные смазки обладают хорошей прокачиваемостью, высокой устойчивостью к гидролизу и химическим воздействиям в агрессивных средах или водяном паре, отличной антиокислительной и механической стабильностью, а также постоянным уровнем смазывающих свойств при длительной эксплуатации в широком диапазоне температур от минус 70 °C до 260 °C (Adolfsson K., Yadav N., Hakkarainen, M. Cellulose-Derived Hydrothermally Carbonized Materials and Their Emerging Applications // Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2020. V. 23. P. 18–24а.).

Дисперсионные среды, используемые в пластичных смазках, играют ключевую роль в обеспечении равномерного распределения функциональных добавок и загустителей в базовом масле. Дисперсионная среда является непрерывной фазой, в которой диспергируются твердые и жидкие компоненты. Такие среды могут быть различного типа, наиболее распространенные – это нефтяные масла, сложные эфиры или полиальфаолефиновые.

Среди различных дисперсионных сред отличными свойствами для пластичных смазок обладает нефтяное масло 3 группы VHVI-4 (Very High Viscosity Index Group 4). Это базовое масло с высоким индексом вязкости, что означает, что оно менее чувствительно к изменениям температуры. Нефтяное масло 3 группы VHVI-4 обладает хорошей стабильностью и высокой термической стабильностью, что позволяет ему эффективно снижать трение и износ в широком диапазоне рабочих температур. А доступная цена данного масла позволяет сделать конечную смазку доступной для потребителя, при улучшении эксплуатационных характеристик.

Помимо прочего, для улучшения производительности и сокращения нежелательных свойств, в составы смазок вводятся различные присадки. Особый интерес представляют твердые смазочные присадки, такие как оксиды металлов, дихалькогениды переходных металлов, наночастицы металлов и углеродные материалы. Их размер, форма, структурные особенности, механические свойства и поверхностные свойства определяют их влияние на трибологические характеристики смазок (L. Wang, M. Zhang, X. Wang, and W. Liu, The Preparation of CeF 3 Nanocluster Capped with Oleic Acid by Extraction Method and Application to Lithium Grease, Mater. Res. Bull. , 2008, 43 , p 2220–2227).

Существующие технологии используют графит в качестве наполнителя для смазок. Смазки с графитом обладают высокой термоустойчивостью и хорошими антифрикционными свойствами. Графит, входящий в состав такой смазки, способен заполнять микроскопические неровности на поверхности деталей, снижая тем самым коэффициент трения (Фукс И.Г., Пластичные смазки. М.: Химия. 1972. С. 34.). Он представляет собой природный минерал, извлекаемый из руд методом флотации (Фиалков А.С., Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект-Пресс. 1997. 718 с.5). К недостатку графита как наполнителя можно отнести содержание значительного количество примесей и неравномерных частиц. Поиск новых перспективных составов смазок с различными наполнителями дает возможность существенно улучшить их эксплуатационные свойства.

Одним из новых перспективных наполнителей является биоуголь, полученный путем гидротермальной карбонизации природных отходов. Биоуголь отличается высокой калорийностью и чистотой, так как не содержит вредных примесей, включая серу и азот. В настоящее время биоуголь в основном используется как энергетическое топливо, однако его потенциальное применение может быть расширено. В настоящее время одним из современных методов получения углеродсодержащих материалов является пиролиз вторичной биомассы, то есть переработка органических отходов различного происхождения (например, сельскохозяйственных, лесотехнических, пищевых) при помощи термического разложения. Один из видов пиролизных процессов, называемый гидротермальной карбонизацией (ГТК), позволяет получать биоуголь при температуре 180-220°C и давлении до 25 атмосфер в присутствии воды без доступа кислорода и с использованием катализатора. Этот процесс отличается более мягкими условиями проведения и способностью обрабатывать биомассу с высоким содержанием влаги (более 80%). В настоящий момент проводятся исследования о возможности использования биоугля в качестве функционального наполнителя в биопластических композитах, за счет однородности его свойств и небольшого размера частиц, поэтому использование его в составе смазок может улучшить антифрикционные свойства.

Практически все пластичные смазки на полимочевинном загустителе получаются схожей технологией, ключевая разница, влияющая на их свойства, заключается в подборе дисперсионных сред, присадок и наполнителей.

Так пластичная смазка, описанная в Патенте RU 1623187, опубл. 09.06.1995, предназначена для использования в закрытых подшипниках качения и узлах трения технологического оборудования, функционирующего при температурах от 150 до 160 °C. Ее состав включает димочевину в качестве загустителя (5 – 20% массы), которая получается в результате взаимодействия ароматического диизоцианата (4,4'-дифенилметандиизоцианат), алифатического октадециламина и циклического бензиламина. В качестве дисперсионной среды для такой смазки может идти нефтяное или синтетическое углеводородное масло. Для улучшения загущающей способности в смазку дополнительно вводится политетрафторэтилен (фторопласт-4).

Однако, такие смазки имеют свои недостатки, например, при эксплуатации в условиях низких температур, ниже минус 40°С, данная смазка теряет свою работоспособность, что может привести к недостаточной смазке и повреждению трущихся поверхностей. Это ограничение оказывает существенное влияние на использование смазки в холодных климатических условиях или в системах, работающих в низкотемпературных режимах. Помимо прочего важно отметить высокую цену присадки «фторопласт-4», что скажется на коммерческой доступности продукта.

В области полимочевинных смазок одним из интересных патентов является Патент RU 1623187 C, опубл. 09.06.1995, в котором описывается смазка, состоящая из нефтяного или синтетического масла и 5-20% полимочевинного загустителя, полученного с использованием реакции октадециламина (рофамин-т), анилина и бис-диизоцианатодифенилметана. В состав смазки могут быть добавлены противозадирные и другие присадки. Ее температурная стабильность составляет до 160°С при взаимодействии с перегретым водяным паром.

Однако, имеющиеся у существующих смазок недостатки проявляются в относительно низких реологических характеристиках, таких как низкий предел прочности при сдвиге, высокая отпрессовываемость масла (коллоидная стабильность) и низкая температура каплепадения.

Среди указанных патентов важно отметить пластичную полимочевинную смазку, предназначенную для использования в условиях повышенных температур в трениях машин и механизмов (RU 2160766 C1, опубл. 02.03.2000). Этот состав отличается тем, что содержит повышенное количество полимочевинного загустителя (до 25%). В качестве дисперсионной среды используются углеводородные или синтетические масла. Описанная смазка может также содержать антиокислительные, противоизносные, антифрикционные и другие добавки, что обеспечивает ее работоспособность при температурах до 300 °C.

Наиболее сходным с формулируемой смазкой является состав, включающий базовое сложноэфирное масло и загуститель на основе олигомочевины, полученный путем взаимодействия ароматического полиизоцианата, жирного амина или их смеси с этилендиамином, а также введение второго загустителя - нанофибриллярной целлюлозы (НФЦ) с средним диаметром фибрилл от 10 до 700 нм и длиной до 1 мкм, описанный в Патенте RU 2713451, опубл. 11.10.2019.

Однако, недостатком данной смазки являются невысокая температура каплепадения, и низкие трибологические характеристики, что является очень важной характеристикой для пластичных смазок.

Таким образом, разработка способа получения полимочевинной пластичной смазки с улучшенными трибологическими характеристиками, остаётся актуальной задачей.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание смазки с улучшенными антифрикционными свойствами, а также с повышенной работоспособностью при высоких температурах.

Технический результат заключается в получении экологичной полимочевинной пластичной смазки с расширенным температурным диапазоном эксплуатации, а также с улучшенными антифрикционными свойствами, которые обеспечивают возможность ее применения в высокоскоростных и тяжело нагруженных, а также открытых узлах (в открытых зубчатых передачах) трения, и, в качестве биоразлагаемой замены твердым смазочным материалам.

Данная техническая задача решается и достижение технического результата обеспечивается за счет добавления в базовое нефтяное масло 3 группы полимерной загущающей присадки – полиизобутилена ПИБ, с молекулярной массой 10 тыс. г/моль, что способствует увеличению вязкости дисперсионной среды и улучшению диспергирования наполнителя – биоугля, добавляемого в количестве 10 – 15 % в состав смазки, за счет чего достигаются улучшенные антифрикционные свойства.

Осуществление изобретения

Предлагаемую пластичную смазку готовят следующим образом. В качестве дисперсионной среды используют базовое нефтяное масло 3 группы (продукт переработки остатка гидрокрекинга нафтенового сырья) VHVI-4. В качестве жирного амина можно использовать любой амин или их смесь, полученную из жирных кислот, то есть алифатических кислот, содержащих от 12 до 18 атомов углерода.

В первую емкость, содержащую нефтяное базовое масло 3 группы, загущенное присадкой ПИБ 10, добавлялся 9 % мас. рофамин. Во вторую емкость, также содержащую нефтяное базовое масло 3 группы, загущенное присадкой ПИБ 10 добавлялся 7 % мас. полиизоцианат. Емкости нагревали до 80 градусов, после чего сливали вместе в одну емкость и активно перемешивали. В происходила реакция полимеризации в дисперсионной среде загущенного базового масла.

После этого, температуру реакции повышали до 100 – 120 °С и выдерживали при атмосферном давлении в течение 2 часов.

Далее происходила стадия охлаждения смазки до 60 °С, после чего сваренные смазки помещались на противень и размазывались тонким слоем.

По истечению 2 – 3 дней смазка собиралась в емкость, и к ней добавлялся перемолотый биоуголь в качестве наполнителя 10 – 15 %. Далее смазка несколько раз гомогенизировалась для улучшения диспергирования биоугля в составе смазки и была готова к использованию.

Данные таблиц 1 и 2 подтверждают, что добавление биоугля в полимочевинные пластичные смазки улучшают антифрикционные свойства

Таблица 1. Изменение эксплуатационных свойств пластичных смазок с добавлением биоугля (10 – 15%)

Дисперсионная среда Содержание биоугля, мас.% Показатель Пенетрация, Коллоидная стабильность, мас.% Температура каплепадения, Диаметр пятна износа, мм ДОА
(диоктиладипинат)
0 210.0 9.26 180 0.93
10 189.0 5.98 173 1.02 15 187.6 5.64 185 0.99 VHVI-4 0 205.5 4.00 187 0.85 10 173.1 7.27 195 0.78 15 168.0 5.93 196 0.75

Таблица 2. Изменение эксплуатационных свойств пластичных смазок добавлением ПИБ 10 (1 %) и биоугля (10 – 15 %)

Масло Содержание биоугля, мас.% Показатель Пенетрация, Коллоидная стабильность, мас.% Температура каплепадения, Диаметр пятна износа, мм ДОА
(диоктиладипинат)
0 236.0 7.49 180 0.92
10 250.1 10.77 188 0.96 15 230.5 10.00 189 0.81 VHVI-4 0 197.6 6.71 182 0.59 10 188.9 5.12 195 0.58 15 187.4 4.33 197 0.55

Похожие патенты RU2827695C1

название год авторы номер документа
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЭКОЛОГИЧНАЯ ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ 2019
  • Тонконогов Борис Петрович
  • Килякова Анастасия Юрьевна
  • Сафиева Равиля Загидулловна
  • Стенина Наталья Дмитриевна
  • Гущин Павел Александрович
  • Винокуров Владимир Арнольдович
  • Горбачева Светлана Николаевна
  • Ильин Сергей Олегович
RU2713451C1
РАДИАЦИОННО СТОЙКАЯ ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА 2022
  • Левенто Игорь Юлианович
  • Демченко Анатолий Игнатьевич
  • Музафаров Азиз Мансурович
  • Трифонов Александр Анатольевич
RU2793583C1
ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА С ПОВЫШЕННОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ 2012
  • Нестеров Александр Васильевич
  • Окнина Наталья Владимировна
  • Кириллов Виктор Васильевич
  • Юнусов Зуфар Таирович
  • Терехин Дмитрий Викторович
  • Петриков Александр Константинович
  • Черняк Елена Александровна
  • Мельников Эдуард Леонидович
  • Бодарева Анастасия Вячеславовна
RU2524691C2
ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА 2005
  • Нестеров Александр Васильевич
RU2295558C1
ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА НА СИНТЕТИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) 2023
  • Лядов Антон Сергеевич
  • Кочубеев Александр Александрович
  • Паренаго Олег Павлович
RU2807916C1
ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ ДЛЯ ГИРОСКОПОВ И СИНХРОННЫХ ГИРОМОТОРОВ 2011
  • Хурумова Аида Фёдоровна
  • Алексашин Анатолий Алексеевич
  • Кириллов Виктор Васильевич
  • Нестеров Александр Васильевич
  • Ширшов Александр Георгиевич
RU2476588C2
ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА 2005
  • Нестеров Александр Васильевич
  • Кириллов Виктор Васильевич
  • Данилов Александр Михайлович
RU2283859C1
СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КАПЛЕПАДЕНИЯ ПЛАСТИЧНОЙ ЛИТИЕВОЙ КОМПЛЕКСНОЙ СМАЗКИ 2011
  • Кузьмин Василий Николаевич
  • Пенджиев Эльман Джангир Оглы
  • Волохов Кирилл Игоревич
RU2483100C1
Универсальная пластичная смазка 2021
  • Пиминова Ксения Сергеевна
  • Левенто Игорь Юлианович
  • Стороженко Павел Аркадьевич
  • Петров Станислав Валентинович
RU2769692C1
ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ 2014
  • Остриков Валерий Васильевич
  • Корнев Алексей Юрьевич
  • Шихалев Илья Николаевич
  • Тупотилов Николай Николаевич
  • Алибаев Батырбек Тулегенович
RU2556215C1

Реферат патента 2024 года Способ получения полимочевинной пластичной смазки с улучшенными трибологическими характеристиками за счет вовлечения биоугля в качестве наполнителя

Изобретение относится к способу получения полимочевинных пластичных смазок. Предложен способ получения смазки на основе нефтяного базового масла третьей группы и жирного амина. Способ включает смешение нефтяного базового масла 3 группы, загущенного полиизобутиленом с молекулярной массой 10 кДа (ПИБ 10), и жирного амина, представляющего собой амин или смесь аминов, полученную из алифатических кислот, содержащих от 12 до 18 атомов углерода. Затем к указанной смеси добавляют смесь нефтяного масла 3 группы, загущенного ПИБ 10, и полиизоцианат, смешение проводят при температуре 80°С. После этого температуру реакции повышают до 100-120°С и выдерживают при атмосферном давлении в течение 2 часов. Затем охлаждают до 60°С, после чего смазку помещают на противень и размазывают тонким слоем. Через 2-3 дня смазку собирают в емкость и к ней добавляют перемолотый биоуголь в качестве наполнителя в количестве 10-15 мас. %, после чего смазку несколько раз гомогенизируют. Изобретение обеспечивает уменьшение трения трущихся частей механизмов, в которых нецелесообразно или невозможно использовать принудительную циркуляцию масла; использование биоугля в данных смазках позволяет значительно уменьшить коэффициент трения без вовлечения дорогих антифрикционных присадок; использование полимерной присадки ПИБ 10 в нефтяном масле значительно улучшает диспергирование биоугля в составе смазки; за счет использования нефтяного масла 3 группы в качестве дисперсионной среды смазка обладает потенциалом к работе в условиях не только высоких, но и низких температур. 2 табл., 12 пр.

Формула изобретения RU 2 827 695 C1

Способ получения полимочевинной пластичной смазки, приготовленной на основе нефтяного базового масла третьей группы и жирного амина, отличающийся тем, что в первую емкость, содержащую нефтяное базовое масло 3 группы, загущенное присадкой, представляющей собой полиизобутилен с молекулярной массой 10 кДа (ПИБ 10), добавляют жирный амин, представляющий собой амин или смесь аминов, полученную из алифатических кислот, содержащих от 12 до 18 атомов углерода; во вторую емкость, также содержащую нефтяное базовое масло 3 группы, загущенное присадкой ПИБ 10, добавляют полиизоцианат; затем осуществляют нагрев емкостей до 80 градусов, после чего их сливают вместе в одну емкость и активно перемешивают;

после этого температуру реакции повышают до 100-120°С и выдерживают при атмосферном давлении в течение 2 часов;

охлаждают до 60°С, после чего смазку помещают на противень и размазывают тонким слоем;

через 2-3 дня смазку собирают в емкость и к ней добавляют перемолотый биоуголь в качестве наполнителя в количестве 10-15 мас.%, после чего смазку несколько раз гомогенизируют.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2024 года RU2827695C1

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЭКОЛОГИЧНАЯ ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ 2019
  • Тонконогов Борис Петрович
  • Килякова Анастасия Юрьевна
  • Сафиева Равиля Загидулловна
  • Стенина Наталья Дмитриевна
  • Гущин Павел Александрович
  • Винокуров Владимир Арнольдович
  • Горбачева Светлана Николаевна
  • Ильин Сергей Олегович
RU2713451C1
ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА 2000
  • Данилов А.М.
  • Нестеров А.В.
RU2160766C1
ПЛАСТИЧНАЯ СМАЗКА 1989
  • Никишина З.М.
  • Лендьел И.В.
  • Борисенко Л.И.
  • Страшенко М.Я.
  • Ищук Ю.Л.
  • Коваленко А.Ф.
  • Василенко И.В.
  • Сенчуров П.П.
  • Сукачев О.Т.
  • Пруссак А.Г.
  • Юртин Л.О.
  • Голощапова В.М.
  • Гарун Я.Е.
RU1623187C
WO 2009145825 A2, 28.01.2010.

RU 2 827 695 C1

Авторы

Дауди Дауддин Ильясович

Даты

2024-10-01Публикация

2023-10-26Подача