Сульфонатные пластичные смазки Setral

В настоящее время любая отрасль промышленности, будь то пищевая промышленность или производство межконтинентальных ракет, являются потребителями смазочных материалов, в частности пластичных смазок, необходимых для функционирования большинства механизмов и машин.

Пластичная смазка представляет собой высокоструктурированную тиксотропную дисперсию твердого загустителя в жидкой среде, предназначенную для обеспечения надежной и долговременной работы узла.

В качестве базового масла могут выступать минеральные, нафтеновые масла или их комбинация, растительные или синтетические эфиры, синтетические базовые масла, например ПАО. Каждое базовое масло имеет индивидуальные физико-химические характеристики, определяющие дальнейшие свойства получаемых пластичных смазок, такие как трибологические характеристики, низкотемпературные и высокотемпературные свойства.

По типу загустители могут подразделяться на мыльные, например, литиевые, алюминиевые, кальциевые или натриевые, и не мыльные, бентонитовые и полиуретановые.

По статистическим данным объем производства пластичных смазок в общей доле смазочных материалов составляет около 5 %. В то же время пластичные смазки являются наиболее востребованными смазочными материалами для закрытых узлов трения в частности, для применения в пищевой промышленности ввиду их особых тиксотропных свойств. В связи с чем формируется потребность в исследовании новых дисперсных сред и комплексных загустителей с применением добавок и присадок для получения необходимых свойств и характеристик пластичных смазок.

Производство смазки — это сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит формирование структуры (каркаса) пластичной смазки. Для обычной литиевой смазки, чтобы сформировать литиевую структуру, проводят реакцию омыления жирового материала и базового масла. Стандартно используемыми жировыми материалами для литиевых смазок являются гидроксистеариновая кислота 12 ОСК и гидроксид лития LiOH.


Сульфонатные пластичные смазки. Особенности структуры загустителя.

Применение в качестве загустителя для пластичных смазок сульфоната кальция было реализовано более 60 лет назад после выявления способности к загущению при достаточной концентрации в растворе.


yhyjytjty.jpg

Рис. № 1 – Химическая формула сульфоната кальция.

Смазки на основе сульфоната кальция могут быть охарактеризованы как особо сложные смазки. Структура этих смазок формируется иным способом, отличным от описанного выше способа присущего для классических смазок.

Перенасыщенный основаниями сульфонат кальция CaS формируется, когда производная нефти сульфоновая кислота вступает в реакцию в масле, формируя дисперсный раствор карбоната кальция и сульфоната кальция.

CaS широко используется как моющая присадка в моторных маслах для нейтрализации сильных кислот, растворения осадков и защиты от ржавчины.

До начала 80-х годов отсутствовала технологическая возможность использовать сульфонат кальция для производства высокотехнологичных смазок. В настоящее время разработано и получено несколько международных патентов, защищающих производство смазок на основе комплекса кальций сульфоната.

jyjytjty.jpg

Рис. №2 Молекулярная структура сверхщелочного загустителя

(фото выполнено электронным микроскопом)


Типичные свойства сульфонатных смазок.

Типичные свойства пластичных смазок на сульфонате кальция представлены в таблице №1.

Табл. №1 Физические свойства сульфонатных пластичных смазок

 

Наименование показателя

   Метод испытаний

Типовые значения

Температура каплепадения, °C

ASTM D2265

>316

Диаметр пятна износа мм, на ЧМТ

ASTM D2266

<0.35

Несущая способность по Тимкен

ASTM D2509

>60

Нагрузка сваривания на ЧМТ, кг

ASTM D2596

400

Антикоррозионные свойства

ASTM D1743

соответствие

Сепарация масла, %

ASTM D1742

<0.5

Вымывание водой при 80 °C ,%

ISO 11009

<2.0

 

Трибологические характеристики пластичных смазок представляют собой совокупность свойств, которые определяются в граничных поверхностных слоях контакта смазки и металла и включают в себя антифрикционные, противоизносные, противопиттинговые и противозадирные характеристики.

Удовлетворение современных эксплуатационных требований, предъявляемых к пластичным смазкам, обеспечивается высоким уровнем трибологических характеристик. В    статье    исследованы                                     и отмечены превосходные высокотемпературные, водоотталкивающие, противоизносные и противозадирные свойства смазок Setral на основе сверхщелочного сульфоната кальция. Снижение интенсивности изнашивания поверхности взаимодействующих тел объясняется тем, что кальцит формирует высокопрочный граничный разделительный слой. Кальцит содержится в карбонатных ядрах мицелл, которые являются ячейками структурного каркаса сульфонатных смазок.

Вследствие природы компонентов загустителя кальций сульфоната коррозионная защита, и кальцита – выдерживать экстремальное давление и обеспечивать высокие противоизносные свойства в смазку не нужно добавлять дополнительные противоизносные присадки. Это положительно влияет на срок эксплуатации смазки, так как одной из причин старения смазки является  выработка  пакета ЕР присадок. В смазках кальций сульфонат комплекса часть этих функций выполняет сам загуститель.

Важно: Противозадирные свойства сульфонатных смазок объясняются разложением сернистых соединений и образованием пленок сульфидов железа. При воздействии нагрузки острые «шипы» молекул кальцита меняют свою форму на пластинчатую, дополнительно усиливая разделительную пленку. Этим обуславливается феноменальный трибологический показатель нагрузки сваривания Рсв в сульфонатных смазках Setral не менее 4 900 Ньютон, без внесения дополнительных пакетов присадок EP, что в свою очередь, исключает возможное образование коррозии на узлах, изготовленных из цветных металлов. Загуститель в таких смазках выполняет двойную функцию – его частицы удерживают базовое масло и, располагаясь в форме чешуек, образуют дополнительный водоотталкивающий защитный смазочный слой.

Рис. №3. Схема мицелл карбонатных ядер

1 – гидроксид ядро 2 - внутренний слой фатерита, 3 – одиночные

trjrtyjr.jpg

образования кальцита,  – наружный слой кальцита, 5 – адсорбированная оболочка


Термомеханическая стабильность

Следствием термомеханического воздействия может быть разрушение и восстановление смазок (тиксотропных свойств), которые могут быть обусловлены изменением не только сил связи между отдельными частицами загустителя, составляющими структурный каркас мыла, но также формы и размеров частиц загустителя. В процессе может происходить как разупрочнение, так и упрочнение смазки, причиной которых может быть не только термоупрочнение, характеризующееся переходом структуры смазки от коагуляционной к конденсационно-кристаллической, при котором не происходит расплавление мыльных кристаллов, но также окисление или испарение дисперсионной среды.

На фактор термомеханической стабильности оказывают влияние свойства дисперсионной среды, консистенция и тип загустителя, присутствие ПАВ, так и наличие присадок и твердых смазывающих наполнителей. Так, например, небольшой избыток щелочи или небольшие концентрации жирных кислот в составе пластичной смазки, за счет повышения числа элементов структуры в единице объема системы приводят к упрочнению структуры смазки и, соответственно, увеличению сопротивления деформации. В то же время увеличение концентрации ПАВ способствует частичному разжижению смазки вследствие увеличения компактности структуры, так как количество блокированных адсорбцией ПАВ возможных мест соединения частиц начинает преобладать над ростом числа элементов структуры.

 

 

Основные преимущества сульфонатных смазок:

·            превосходная механическая и сдвиговая стабильность;

·            температура каплепадения и увеличенный срок службы.

·            обладают естественными противоизносными и противозадирными ЕР свойствами;

·            не требуют введения антикоррозионных присадок;

·            превосходная водостойкость;

·            хорошая совместимость  с литиевыми  и литиево-комплексными смазками.

Недостатки  сульфонатных смазок:   

·                уступают литиевым смазкам по прокачиваемости, особенно при воздействии резко отрицательных температур внешней среды;

·                повышенная адгезия при высокой скорости вращения и вязкости базового масла более 100 сСт вызывает неравномерное распределение разделительного смазывающего слоя  на поверхностях  трения и как результат, локальный перегрев в точках с максимальным значением шероховатости

·                высокая стоимость по сравнению с литиевыми смазками

Однако, учитывая резкий рост потребления лития в мире для производства литий-ионных аккумуляторов электрических автомобилей (начиная с 2014 года) и учитывая ограниченные запасы месторождений данного металла, мы с большой долей уверенности утверждаем, что этот фактор в ближайшее время потеряет актуальность.

Рис.№4 Внешний вид сульфонат-кальциевой смазки

uyjkhgkmhg.jpg

Технология производства сульфатных смазок.

В настоящее время применяются две технологии получения пластичных смазок на основе сульфата кальция:

Технология IN SITU подразумевает изготовление загустителя непосредственно в    процессе производства смазки. Эту технологию впервые осуществили в 60-е годы прошлого века, и в ее основе применяются две основные производственные стадии:

а) приготовления сверхщелочного сульфоната кальция

б) непосредственное образование структуры смазки (гелеобразование), что подразумевает использование промоторов структурообразования. В качестве таковых могут использоваться различные соединения – алкиленгликоли, вода, низшие карбоновые кислоты (уксусная, пропионовая кислота и др.), кетоны, альдегиды, амины, фосфорсодержащие кислоты, борсодержащие кислоты, а также спирты (например, метанол, изопропанол. Следует отметить, что температура данной стадии не должна превышать 95 °С, более высокая температура ведет к превращению карбоната кальция вместо желательной кристаллической формы – кальцита, в другую – фатерит, что приводит к значительному ухудшению свойств смазки. На рисунке № 5 наглядно продемонстрировано образование мицеллярной структуры типа ядро-оболочка сульфонатной смазки.

Рис. № 5 - Структура сульфонатной смазки

jtyjrtjt.jpg

Во время первой стадии формируется кальцит, который известен своими превосходными свойствами выдерживать чрезвычайно высокое давление и противостоять износу. Последовательность подготовки к гелеобразованию сульфата кальция включает взвешивание точного количества сульфоната с общей мелочностью 400, кислоты и ускорителей реакции. Далее необходимо перемешать компоненты при температуре 50°С, ввести точное количество масла, воды и нагревать до температуры гелеобразования. После проверить пенетрацию для контроля рецептуры.

На втором этапе производство смазки завершается добавлением дополнительного объёма базового масла и, в некоторых случаях, антиокислительной присадки.

Таким образом, полученную коллоидную дисперсию хаотичного CaCO3 в масле необходимо стабилизировать с помощью ПАВ в коллоидностабильные пластинчатые кристаллы кальцита в масле.

Преимущество данной технологии в том, что антиокислительные присадки демонстрируют замечательную сочетаемость с базовым маслом, позволяя, таким образом, более широко использовать эти присадки для улучшения высокотемпературных свойств и срока службы смазки.

Возможно объединение двух вышеописанных стадий производства в одну, при которой все компоненты смазки смешиваются в одном реакторе. Этот способ хотя и является экономически выгодным, сопряжен с рядом трудностей, а именно непредсказуемостью результатов и сложностью контроля всех стадий процесса варки, поэтому он не нашел широкого применения в реальном производстве. Наибольшее применение нашли именно двухстадийные процессы. Хотя технология получения сульфонатных смазок за долгие годы не претерпела принципиальных изменений, она была существенно доработана.

Технология с использованием готового загустителя.

В 2008 году компанией LUBRIZOL разработан специальный загуститель – сверхщелочной сульфонат кальция, в состав которого уже входят промоторы структурообразования. В этом случае процесс производства смазки резко упрощается - для этого нам потребуется только сверхщелочной загуститель с общим щелочным числом TBN от 300 до 500 мг КОН/г в эквиваленте, вода и базовое масло.


Применение и ассортимент сульфатных смазок.

 Сферы применения сульфонатных смазок чрезвычайно разнообразны и сегодня они успешно используются в подшипниках машин и оборудования, эксплуатируемых в условиях высоких нагрузок и температур, при воздействии воды (и непосредственно в воде), механических загрязнений. В автомобильной, карьерной и сельскохозяйственной технике, металлургической, горно-обогатительной отраслях, производстве строительных материалов. Сульфонатные смазки Setral рекомендованы для применения в условиях   высоких ударных нагрузок при воздействия пара и воды на металлургических и бумагоделательных предприятиях. 

juyjkuykjuyjkuy.jpg

Конкретные примеры таких применений включают:

•                   подшипники рабочих валков клетей станов горячей прокатки

•                   высоконагруженные низкоскоростные опорные подшипники конвейерных валов

•                   пресс-валы и станинные ролики (ролики рольгангов)

•                   роликовые подшипники пресс-грануляторов матрицы производства  пеллет

Открытые зубчатые шестерни, венцовая/подвенцовая пара трения


На современном рынке смазочных материалов сульфонатные пластичные смазки представлены в широком диапазоне для всех отраслевых индустриальных направлений производства.

Перечень   пластичных смазок SETRAL представлен в таблице ниже:

heerthhfg.jpg

Предприятия пищевой промышленности, водоснабжения и водоподготовки, как и иные производственные предприятия, используют для обслуживания оборудования большое количество различных смазочных материалов. Помимо высоких рабочих характеристик (термостойкость, стойкость к вымыванию водой и моющими средствами, стойкость к высоким нагрузкам) к ним предъявляются особые требования по безопасности для здоровья человека.

Такие требования, на первый взгляд, противоречат друг другу. Материалы на литиевой или кальциевой основе, обладающие необходимым набором эксплуатационных свойств, не отвечают требованиям, предъявляемым к материалам категории H1 по классификации NSF International, то есть их случайный контакт с продуктами питания недопустим. В то же время самые распространенные на сегодняшний день специальные пищевые смазки на основе алюминиевого комплекса не выдерживают воздействия высоких нагрузок и температур.

Пластичные смазки Setral на основе комплекса сульфоната кальция с пищевым допуском NSF Н1 приобретают все большую популярность для обслуживания пищевого оборудования. Они безопасны для здоровья человека, а их эксплуатационные свойства существенно превосходят характеристики других материалов.


yjhjnhg.jpg

Наибольшую востребованность сульфонат кальциевые смазки Setral с пищевым допуском приобрели на молочных, кондитерских и хлебопекарных производствах, в условиях воздействия воды и моющих средств, а также в узлах, эксплуатирующихся при высоких нагрузках и температурах. Практика эксплуатации показала, что применение в таких условиях других пищевых смазок приводит к их быстрому вымыванию или закоксовыванию и необходимости частого досмазывания.


Выводы:

1.      Загуститель имеет естественные противоизносные и противозадирные свойства, которые позволяют не применять в их производстве специальные присадки. Так как, например, противозадирные присадки при температурах свыше +120 ⁰С вызывают эрозию даже подшипниковой стали.

2.      Кальций-сульфонатные смазки благодаря загустителю обладают отличными антикоррозионными свойствами, защищая стальные детали от коррозии в присутствии влаги.

3.      Важнейшими преимуществами смазок на сульфонате кальция считаются феноменальная водостойкость и высокотемпературные свойства. Так, благодаря водостойкости загустителя, смазка на сульфонате кальция способна работать даже в условиях интенсивного воздействия морской воды

4.      Температура каплепадения кальциево-сульфонатных смазок свыше +300⁰С что позволяет использовать их при рабочих температурах до +200⁰С..+220⁰С. Ограничение температуры вызвано лишь интенсивным испарением базового масла, которое при температуре от +180⁰С начинает «дымить». Но кратковременно данный тип смазок может применяться вплоть до + 220⁰С.

Постоянный рост стоимости лития и освоение технологии производства сверхщелочного сульфоната кальция другими производителями, помимо Lubrizol, приведут к равным показателям стоимость литиевых и сульфонат кальциевых смазок, где безусловным лидером по своим физико-химическим и эксплуатационным характеристикам является кальций сульфонатные смазки. Все вышеперечисленные факторы позволяют нам с уверенностью утверждать, что в самое ближайшее время кальций-сульфонатные смазки станут наиболее массовыми и востребованными пластичными смазками,  и со временем полностью заменят  литиевые.