Присадка "f19" и содержащий ее смазочный материал

 

Изобретение относится к смазочным материалам и к области производства присадок, улучшающих противоизносные, антифрикционные свойства этих материалов при эксплуатации их в узлах трения различных машин и механизмов, в т.ч. двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, трансмиссий и др. Сущность: присадка содержит базовое масло, дисперсные частицы политетрафторэтилена (ПТФЭ) с размером 0,1-2,0 мкм, фторсодержащий спирт С₃-С₇, спирто-, маслорастворимый фторированный полиэфир с молекулярным весом не менее 500 г/моль, алкил (С₁₀-С₁₄) толуолы при следующем соотношении компонентов, мас. %: ПТФЭ - 1,7-4,0; фторированный полиэфир - 5•10^-5-1•10^-3; фторсодержащий спирт С₃-С₇ - 2-5; алкил (С₁₀-С₁₄) толуолы - 36-40; масло базовое - остальное. Смазочный материал содержит масло базовое и 6-8 мас.% указанной присадки. Технический результат - повышение стабильности при хранении и повышение противоизносных и антифрикционных свойств масел. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к смазочным материалам и к области производства присадок, улучшающих противоизносные, антифрикционные свойства этих материалов при эксплуатации их в узлах трения различных машин и механизмов, в т. ч. двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, трансмиссий и др.

Известны смазочные материалы, содержащие присадки, в композиционный состав которых входят частицы политетрафторэтилена, обеспечивающие улучшение противоизносных, антифрикционных свойств металлических поверхностей узлов трения. Вместе с тем известно, что использование политетрафторэтиленов в составе смазочных материалов связано с проблемой выпадения частиц ПТФЭ из масляной суспензии в осадок. Данное обстоятельство объясняется низкой смачиваемостью поверхностей частиц ПТФЭ, что приводит к явлению агломерации.

Традиционно для уменьшения указанного явления используют частицы ПТФЭ, предварительно активированные, в том числе за счет уменьшения объема каждой частицы ПТФЭ. С этой целью фторопласты подвергают технологической обработке в режиме термодеструкции, обеспечивающей получение высокодисперсных частиц ПТФЭ с микронным или субмикронным их размером (патенты RU 1775419, публ. 15.11.92 г., 2100376, публ. 27.12.97 г.).

В соответствии с пат. RU 1775419 высокодисперсные частицы ПТФЭ с размером 0,1-1 мкм получают в результате термодеструкции фторопласта -4 при Т= 490-510^oС в среде газообразных продуктов термодеструкции.

Однако использование этих частиц ПТФЭ в составе смазочных материалов приводит к образованию на металлических поверхностях трения модифицирующего слоя низкой долговечности и прочности, что свидетельствует о неэффективности смазочных материалов, содержащих указанные частицы ПТФЭ, по противоизносным и антифрикционным свойствам к металлическим поверхностям трения.

Для повышения эффективности и стабильности противоизносных и антифрикционных свойств в изобретении по пат. RU 2100376 предлагается концентрат смазочной композиции с высокодисперсными частицами ПТФЭ, и содержащий их смазочный материал. Указанные частицы ПТФЭ получены путем термодеструкции (фторопласта-4) при 480-540^oС в газообразной среде, дополнительно содержащей 0,05-1 об.% насыщенного водой воздуха. Полученный продукт имеет дисперсность ПТФЭ с размером 0,1-1 мкм, при этом поверхности частиц дополнительно активированы кислородом. Для приготовления концентрата композиции (присадки) используют 21-85 мас. % указанных частиц ПТФЭ и масло базовое - остальное. Для приготовления смазочного материала используют указанный концентрат, при этом смазочный материал имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: тонкодисперсные частицы ПТФЭ-0,1-20, масло базовое - остальное. Смазочный материал, по сравнению с ранее описанным по пат. 1775419, более эффективен по противоизносным, антифрикционным свойствам. Используемые для приготовления композиционного состава присадки и смазочного материала дисперсные частицы ПТФЭ, полученные в соответствии с изобретением по пат. 2100376, образуют с базовыми маслами более стабильные по времени осаждения частиц ПТФЭ масляные суспензии.

Однако коммерческая стоимость получаемых по изобретению концентрата присадки и смазочного материала, содержащих дисперсные частицы ПТФЭ, значительно повышается вследствие предложенного по данному патенту процесса термодеструкции.

Полученный при реализации изобретения концентрат (присадка) содержит значительное количество частиц ПТФЭ (более 21%), что сокращает срок осаждения частиц из масляной суспензии. Осаждаемость частиц ПТФЭ в масляной суспензии присадки технологически затрудняет восстановление ее первоначальных свойств, что в дальнейшем увеличивает расход концентрата для приготовления смазочного материала.

Повышение активности частиц ПТФЭ за счет образования на поверхности каждой частицы карбонильной группы не достаточно эффективно, т.к. указанный процесс имеет место только на части поверхности частицы ПТФЭ. Следствием чего и является неустойчивость масляных суспензий в составе базовых масел.

Известное техническое решение по пат. RU 2100376 выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.

Техническая задача заявляемого изобретения состоит в создании стабильной, устойчивой при хранении композиции присадки с политетрафторэтиленом (ПФТЭ), которая могла бы быть использована в качестве готового торгового продукта с целью последующего применения его в составе различных базовых масел, используемых в масляных системах узлов трения машин и механизмов.

Задачей изобретения являлось создание композиции присадки с ПТФЭ, которая технологически независима от процесса получения тонкодисперсных частиц ПТФЭ.

Задачей изобретения являлось создание смазочного материала для металлических поверхностей узлов трения, эффективность модификационного воздействия которого на указанные поверхности была бы обеспечена при минимизированном расходе частиц ПТФЭ в базовом масле.

Для решения поставленной технической задачи предложена композиция присадки "F19", содержащая базовое масло, дисперсные частицы ПТФЭ с размером 0,1-2 мкм и дополнительно - фторсодержащий спирт С₃-С₇, спирто-, маслорастворимый фторированный полиэфир: с молекулярным весом не менее 500 г/моль, алкил (С₁₀-С₁₄) толуолы при следующем соотношении компонентов в составе, мас.%: Политетрафторэтилен (ПТФЭ) - 1,7-4,0 Фторированный полиэфир - 1.10^-3-5.10^-5 Фторсодержащий спирт С₃-С₇ - 2-5 Алкил (С₁₀-С₁₄) толуолы - 36-40 Масло базовое - Остальное Для решения поставленной технической задачи предложен смазочный материал, содержащий масло базовое и указанную присадку при следующем соотношении компонентов в составе, мас.%: Присадка "F19" - 6-8 масло базовое - Остальное Предпочтительно, в качестве фторсодержащего спирта используют октафторпентанол-1 или додекафторгептанол
Предпочтительно, в качестве фторированного полиэфира используют "Флактонит Н-76БА".

При реализации изобретения обеспечивается создание стабильной при хранении композиции присадки с частицами политетрафторэтилена (ПФТЭ), которая может быть использована в смазочных материалах на основе различных базовых масел, улучшающих противоизносные, антифрикционные свойства металлических поверхностей узлов трения. При реализации изобретения установлено, что жидкостная система суспензионного состава присадки стабильна при хранении вне зависимости от используемых в ней дисперсионных частиц ПТФЭ, полученных в результате того или иного термодеструкционного процесса фторопластов.

При реализации изобретения установлено, что смазочный материал эффективно взаимодействует с металлическими поверхностями трения, обеспечивая их модификацию путем образования защитного противоизносного, антифрикционного слоя из частиц ПТФЭ. Эффективность противоизносных, антифрикционных свойств смазочного материала обеспечивается при минимизированном расходе частиц ПТФЭ.

Стабильность и устойчивость образованной при реализации изобретения композиции присадки обеспечивается путем повышения смачиваемости поверхностного контура каждой частицы ПТФЭ, что объясняется наличием в образованной композиции присадки совместимых между собой твердых частиц ПТФЭ и жидкостной системы фторсодержащих соединений в виде фторированного полиэфиры и спирта. Первое из названных соединений распределяется по контуру поверхности каждой частицы ПТФЭ, активизирует ее, а второе из названных соединений стабилизирует поверхностную активность частиц ПТФЭ с образованием по всему контуру ее поверхности гидроксильных групп, радиально ориентированных от поверхности каждой частицы. В результате уменьшается контактное взаимодействие (агломерация) частиц ПТФЭ, как жидкостной системе образованной присадки, так и в масляной суспензии смазочного материала, содержащего указанную присадку. Устойчивость образованной жидкостной суспензии, содержащих высокодисперсные частицы ПТФЭ, позволяет минимизировать расход последних в составе базового масла с одновременным улучшением противоизносных и антифрикционных свойств поверхностных слоев металлических поверхностей трения. Последнее обстоятельство объясняется также наличием в составе смазочного материала совместимого с базовым маслом полиалкил (С₁₀-С₁₄) толуола, активизирующего трибохимические процессы базовых масел, а следовательно, и процессы взаимодействия частиц ПТФЭ с металлическими поверхностями узлов трения.

При анализе известного уровня техники не выявлено композиционных составов присадок и смазочных материалов, аналогичных заявляемым. Приведенный анализ уровня техники свидетельствует, что заявляемое техническое решение существенно отличается от известных, и, следовательно, соответствует критериям изобретения - новизна, изобретательский уровень, что и подтверждается нижеприведенным описанием изобретения.

Композицию присадки "F19" и смазочный материал, содержащий эту присадку, приготавливают простым механическим компаундированием следующих коммерчески доступных компонентов.

Из фторсодержащих спиртов С₃-С₇, предпочтительно, выбирают 1,1,5-тригидрооктафторамиловый спирт (октафторпентанол-1) формулы C₅F₈Н₄O, плотность 1,667 г/см³ при Т= 20^oС или 1,1,7- тригидрододекафторгептиловый спирт (додекафторгептанол) формулы С₇F₁₂H₄O, плотность - 1,753 г/см³ - ТУ-301-14-1-89.

Из спирто-маслорастворимых фторированных полиэфиров с молекулярным весом не менее 500 г/м, предпочтительно, выбирают "Флактонит Н-76БА" - вязкая прозрачная, бесцветная или сл. желтоватая жидкость, молекулярная масса 537 г/моль, выпускается по ТУ 301-02-108-90.

Возможно также использование спирто- маслорастворимого фторированного полиэфира S - 107В, торговый продукт фирмы Ciba Lodyne (Швейцария).

Из политетрафторэтиленов (ПТФЭ) используют материалы, полученные в результате термодеструкции фторопласта - 4, при этом в качестве этих материалов используют порошок ПТФЭ с высокодисперсными частицами, имеющими размер 0,1-2 мкм.

Алкилтолуолы с углеводородными радикалами С₁₀-С₁₄ получены при алкилировании толуолов α-олефинами С₁₀-С₁₄. Используемые полиалкилтолуолы (алкил (С₁₀-С₁₄) толуолы) имеют плотность 0,85-0,95 г/см³ при 20^oС, выпускаются по ТУ-0257-030-18948455-00.

Заданные параметры частиц ПТФЭ оптимальны по условиям эффективной поверхностной активизации их фторсодержащими соединениями полиэфира и спирта при минимизированном расходе их в композиционном составе присадки. Заданные параметры частиц ПТФЭ оптимальны и по условиям эффективного взаимодействия их с металлическими поверхностями трения. Уменьшение размеров частиц ПТФЭ (менее 0,1 мкм) нецелесообразно, т.к. приводит к удорожанию технологического процесса их получения. Использование в составе присадки или смазочного материала частиц ПТФЭ с параметрами более 2 мкм ухудшает устойчивость полученных при смешивании компонентов систем соответственно присадки и масляной суспензии, а также снижает эффективность взаимодействия частиц с поверхностями узлов трения.

При приготовлении смазочного материала в качестве базового масла используют выпускаемые отечественной промышленностью, предпочтительно, автотракторные масла с классом вязкости SAE от 3,8-24 мм²/с (заданная для этих типов масел кинематическая вязкость при 100^oС) и плотностью 0,900-0,910 г/см³ при 20^oС. Минимизированная концентрация частиц ПТФЭ в смазочном материале, а также других фторсодержащих компонентов, наличие в составе присадки полиалкил (С₁₀-С₁₄) толуолов, не нарушают физико-химические свойства, в т.ч. кинематическую вязкость базовых масел, используемых для получения смазочного материала по изобретению.

Композиции присадки присвоено собственное имя "F19".

Предложенные по изобретению композиции присадки и смазочного материала оптимальны по компонентному составу и минимизированы по мас.% соотношению входящих в них компонентов. Уменьшение или увеличение количественного соотношения между компонентами составов присадки или смазочного материала не целесообразно по коммерческим соображениям, по эффективности устойчивости образованных систем к агломерации частиц ПТФЭ и по эффективности модифицирующего воздействия последних на поверхности узлов трения.

Композиция присадки "F19" имеет в своем составе совместимые между собой компоненты в виде твердых частиц ПТФЭ, жидкостной системы фторсодержащих соединений, алкил (С₁₀-С₁₄) толуолов и базовых масел. Образующаяся в результате смешивания указанных компонентов система образует устойчивую суспензионную структуру, в которой происходит взаимодействие молекул фторсодержащих соединений с образованием на внешнем контуре твердого тела (частицы ПТФЭ) направленно ориентированных к поверхностям соседних частиц ПТФЭ гидроксильных групп, уменьшающих или исключающих взаимную агломерацию твердых частиц ПТФЭ между собой в суспензионной структуре присадки в течение длительного периода (подтверждается дальнейшими испытаниями). Поверхностная активизация твердых частиц ПТФЭ фторсодержащими соединениями (спирто-, маслорастворимые полиэфиры, фторсодержащие спирты), наличие в присадке алкил (С₁₀-С₁₄) толуолов приводит к повышению активности масляной суспензии смазочного материала. В результате улучшается модификационное воздействие частиц ПТФЭ на металлические поверхности узлов трения. Процесс осуществляется при низкой концентрации высокодисперсных частиц ПТФЭ в базовом масле.

Лучший вариант присадки в соответствии с примером 1 был использован для проведения оценочных испытаний его с композицией концентрата по примеру 2, реализованного в соответствии с изобретением по патенту 2100376.

Пример 1 - ПТФЭ с размером частиц 0,1-2 мкм (в качестве частиц ПТФЭ использован материал, полученный в результате термодеструкционного процесса по пат. RU 1775419) - 2,14 мас.%; Флактонит Н-76БА - 0,002 мас.%; октафторпентанол-1-3,56, алкил (C₁₀-C₁₄) толуолы - 38, 48, масло базовое (индустриальное И-40) - остальное.

Пример 2 - ПТФЭ с размером частиц 0,1-1 мкм (в качестве частиц ПТФЭ использован материал, полученный в результате термодеструкционного процесса по пат. RU 2100376) - 21 мас.%, масло базовое МС-10 - остальное.

Пример 3 - контрольный, соответствует примеру 1 по мас.% соотношению частиц ПТФЭ, октафторпентанола-1, фторированного полиэфира (Флактонит Н-76БА). Продукт по примеру 3 не содержит алкил (C₁₀-C₁₄) толуолы.

Полученные по примерам 1-3 продукты оценивались по времени осаждения частиц ПТФЭ, результаты приведены в табл.1.

Приведенные в табл. 1 оценочные показатели по осаждению частиц ПТФЭ свидетельствуют о стабильности к хранению композиционного состава по примеру 1, что подтверждает о целесообразности заданного по изобретению композиции присадки, образующей продукт готовый к применению в течение длительного срока без дополнительных технологических затрат на восстановление его первоначальных свойств. Полученные результаты также свидетельствуют, что стабильная устойчивость присадки по примеру 1 не зависит от технологического процесса термодеструкции фторопластов для получения высокодисперсных частиц ПТФЭ, что повышает коммерческую целесообразность композиции присадки по изобретению.

Оценочные испытания по осаждению частиц ПТФЭ из смазочных материалов были осуществлены с использованием смазочных композиций соответственно по примерам 1.1 и 1.2
Пример 1.1
Использовано - 6,1 мас.% присадки "F19" по примеру 1, масло базовое М8-В - остальное. При составлении композиционного состава смазочного материала было использовано 4000 мл масла базового (заданная штатная норма расхода).

Пример 1.2
Использовано - 6,07 мас.% присадки по примеру 2, масло базовое МС-10 - остальное. При составлении композиционного состава смазочного материала было использовано 4000 мл масла базового (заданная штатная норма расхода).

Оценочные испытания представлены в табл.2.

Данные испытания были проведены при температурном режиме 15-22^oС, что соответствует наиболее стабильному природно-климатическому периоду апрель-сентябрь. Из приведенных в табл. 2 данных следует, что предлагаемые по изобретению композиция присадки и смазочный материал, наиболее оптимальны по условиям хранения их в течение длительного периода. Приведенные данные также свидетельствуют о высокой поверхностной активности частиц ПТФЭ, используемых в масляной суспензии по примеру 1.1, а следовательно, о значительной степени их активности по отношению к металлическим поверхностям узлов трения.

Для подтверждения были проведены испытания смазочных композиций по примерам 1.1 и 1.2 для оценки их влияния на антифрикционные и противоизносные свойства поверхностей трения. Оценка влияния смазочных материалов на поверхности трения проводилась с учетом испытаний смазочных материалов по примерам 1.0 и 1.3, где пример 1.0 соответствует смазочному материалу на основе масла М8-В.

Пример 1.3 - использовано - 6,1 мас.% присадки по примеру 3, масло базовое М8-В-остальное. При составлении композиционного состава смазочного материала было использовано 4000 мл масла базового (заданная штатная норма расхода).

Испытания проводили на машине трения ИИ5018 по схеме "вращающийся диск-неподвижный диск" путем сравнения результатов замеров по весовому износу, сопротивлению трению, пятну контакта и температуре испытываемых смазочных материалов в камере машины трения. Режим испытания соответствовал частоте вращения диска (d 50, сталь 30) - 2000 об/мин, нормальная нагрузка (Р) на контробразец (неподвижный диск d 40, сталь 38 ХНЗМА) - 300 Н, продолжительность испытаний - 100000 циклов с замерами через 0, 5, 45, 50, 95, 100 тыс. циклов.

Регистрируемые параметры:
Момент сопротивления трению - М_тр (Нм)
Температура масла в камере - Т^oС
Число циклов - N
Износы образца и контробразца определяли взвешиванием до и после испытаний с использованием аналитических весов ВЛР-2000 с точностью до 0,3 мг.

Коэффициенты трения К_тр определяли по формуле: К_тр=М_тр/Р•R, где R - радиус подвижного диска (м).

Результаты испытаний представлены в табл.3.

Приведенные в таблице 3 данные свидетельствуют об эффективности смазочного материала по изобретению и об оптимальности выбранного по изобретению композиционного состава присадки для использования ее в составе смазочного материала.

Таким образом, предлагаемые по изобретению присадка "F19" с политетрафторэтиленом и содержащий ее смазочный материал образуют стабильные при хранении суспензионные системы вне зависимости от термодеструкционных процессов получения частиц ПТФЭ. Смазочный материал, содержащий присадку по изобретению, эффективен для образования защитного противоизносного, антифрикционного слоя из частиц ПТФЭ при минимизированном расходе их.

Присадка "F19" с политетрафторэтиленом и содержащий ее смазочный материал могут найти широкое применение для масляных систем различного класса автомобилей.

Формула изобретения

1. Присадка, содержащая базовое масло, дисперсные частицы политетрафторэтилена с размером 0,1-2,0 мкм и дополнительно фторсодержащий спирт С₃-С₇, спирто-, маслорастворимый фторированный полиэфир с молекулярным весом не менее 500 г/моль и алкил (С₁₀-С₁₄)-толуолы при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Политетрафторэтилен - 1,7-4,0
Фторированный полиэфир - 5•10^-5-1•10^-3
Фторсодержащий спирт С₃-С₇ - 2-5
Алкил (С₁₀-С₁₄) толуолы - 36-40
Масло базовое - Остальное
2. Смазочный материал, содержащий масло базовое и присадку по п. 1 при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Присадка - 6-8
Масло базовое - Остальное
3. Присадка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве фторсодержащего спирта содержит октафторпентанол-1 или додекафторгептанол.

4. Присадка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве фторированного полиэфира содержит "Флактонит Н-76БА".

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2