Смазочные материалы на основе силикона. Особенности применения и эксплуатации

В данной статье мы рассмотрим смазочные материалы на основе силикона – их состав, преимущества и недостатки, особенности применения и физико-химические характеристики. Появлением термина «SILICONE» мы обязаны английскому ученому - химику Фредерику Киппингу. В 1901 году он предложил название полидифенилсилоксан. Сейчас под этим названием подразумевают целый класс кремнийорганических соединений (от названия кремния – Silicium).

1. Силиконы.Это кремнийорганические полимерные жидкости, которые в научной терминологии называются олигоорганосилоксанами или полиорганосилоксанами. В качестве органических групп в них выступают радикалы CH3, C2H5, C6H5 и другие.

По своему агрегатному состоянию силиконовые смазочные материалы разделяются на несколько видов:

  • силиконовое масло (рис.1)
  • пластичные силиконовые смазки (рис.3)
  • аэрозоли (рис.4)
  • пасты
11.png

Рис.1 Силиконовое масло

Силиконовые масла – это кремнийорганические полимеры, в которых атомы углерода замещены на атомы кремния (рис.2)  По  внешнему виду полисилоксаны -  это маслянистые бесцветные прозрачные жидкости различной вязкости.  В настоящее время силиконовые жидкости в промышленном производстве используются с вязкостью от 0,5 сСт до 600 000 сСт.

22.png

Рис. 2 Молекулярная кристаллическая решетка

Итак, рассмотрим первый и основной - силиконовое масло. Это полимеризованный силоксан или кремнийорганическая жидкость. Силиконовые жидкости не являются продуктом, полученным с помощью нефтяного крекинга. Основой для силиконов  является неорганический кремний или полиметилсилоксан, получаемый с помощью гидролиза мономерных кремнийорганических соединений. Производство силиконов и различных  вариаций его  химической структуры чрезвычайно сложно и данную технологию освещать мы  не будем. Уточним только,  что промышленное производство  началось в 1943 г. в США, где лидерами по его производству являются компании Dow Corning, General Electric и Union Carbide.  В настоящее время  силиконовые жидкости нашли широкое применение в качестве основного компонента негорючих гидравлических масел, пластичных смазках, компаундах, пеногасителях, полиуретановых пенопластах, косметических кремах и лосьонах и во многих других продуктах. Мы же остановимся на применении полисилоксана в пластичных смазках и пастах.

2. Основные преимущества.

Пасты и консистентные смазки на основе полисилоксанов обладают следующими превосходными преимуществами:

  • стабильность вязкостно-температурных характеристик, вязкость крайне незначительно изменяется при изменении температуры;
  • высокие антиокислительные свойства;
  • химическая инертность к иным веществам;
  • низкая испаряемость;
  • широкий интервал температур от -60 °С до + 300 °С;
  • герметизирующие и уплотняющие свойства;
  • теплопроводность;
  • водоотталкивающие свойства (несмываемость водой);
  • негорючесть;

В отраслевом применении смазочные материалы нашли широкое применение:

  • автомобильная промышленность;
  • приборостроение;
  • химическое производство;
  • текстильная промышленность;
  • пищевое производство;
  • фармацевтическая отрасль;
33.png

Рисунок 3. Внешний вид силиконовой смазки


3. Смазывающие свойства.

К недостаткам силиконовых смазок можно отнести  неспособность сопротивляться высоким линейным и ударным нагрузкам. Этот факт ограничивает применение смазки в высоконагруженных узлах и механизмах. Силиконовые жидкости обладают невысокими смазывающими свойствами в паре трения сталь/сталь, но некоторые сочетания пар трения, такие как бронза - сталь, латунь – пластик в режиме смешанного либо гидродинамического трения жидкими полидиметилсилоксанами работают удовлетворительно. Использование силиконов  в качестве жидких сред в смазках, компаундированных различными противоизносными добавками и модификаторами трения, создаёт благоприятные условия для избирательной адсорбции присадок на поверхностях узла трения, способствует образованию стабильной  разделительной  плёнки, долговременно разделяющей поверхностные слои пары трения в гидродинамическом режиме. В качестве твердой смазывающей  добавки, в силиконовых смазках, наиболее часто применяется модификатор трения PTFE (тефлон), улучшающий антифрикционные свойства.

4. Базовое силиконовое масло

Силиконовые масла, применяемые для изготовления пластичных смазок, представляют собой кремнийорганические соединения. Основным компонентом таких соединений являются углеродные производные – полидиметилсилоксаны (ПМС). Это химические вещества, не имеющие запаха, с высокой гидрофобной способностью. Как и любая другая, силиконовая пластичная смазка состоит из двух основных компонентов – базового силиконового масла и загустителя, за исключением силиконового масла в аэрозольной упаковке. В баллон, под определенным давлением, закачивается силиконовое масло и пропеллент – углеводородный газ-вытеснитель, который при нажатии на клапан выталкивает и распыляет основное вещество.

По сравнению с другими подобными материалами, масло ПМС формирует на поверхности деталей плотную разделительную пленку, которая защищает поверхность трения от воздействия агрессивных сред. Масла, применяемые для производства консистентных силиконовых смазок, характеризуется следующими свойствами:

  • большой температурный интервал;
  • стабильный коэффициент вязкости;
  • нетоксичность;
  • высокая температура вспышки;
  • не вступает в химические реакции с резиной и полимерами;
  • хорошо поддается сжатию;
  • обладает высокой диэлектрической способностью;
  • низкой испаряемостью.

5. Типы загустителей для силиконовых смазок.

Загустителем для силиконовых пластичных смазок является литиевое мыло и аэросил. Применение гидроксида лития позволяет получать консистентные смазочные материалы с высокой термической и гидролитической стабильностью, повышенными механическими и химическими свойствами, а также с большим температурным диапазоном использования. Верхний температурный предел, до которого рекомендуется использовать литиевые загустители, составляет + 210°C. Введение в структуру силиконовой основы, сажи, фталоцианина меди и акрилзамещенных мочевин позволяет расширить эти параметры до + 310°C.

Типы загустителей силиконовых пластичных смазок:

  • литиевый / литиево-комплексный загуститель;
  • модифицированный аэросил – или белая сажа
  • коллоидный диоксид кремния SiO2, легкий дисперсионный порошок с адсорбирующими свойствами;

указанные загустители обеспечивают смазке следующие свойства:

  • хорошие механические свойства;
  • термическую стабильность;
  • гидролитическая стабильность;
  • высокую коллоидную стабильность;

Силиконовые пластичные смазки, изготовленные на литиевых/литиево-комплексных загустителях, считаются наиболее востребованными в автомобильной промышленности. Нижний температурный предел применения таких смазок может быть ограничен только температурными значениями границы кристаллизации полидиметилсилоксана. Верхние тепловые показатели регулируются эксплуатационными показателями смеси масла и применяемого загустителя.

6. Модифицирующие присадки

Присадки, применяемые при производстве жидких масел, также используются в процессе изготовления пластичных смазок, только в увеличенной концентрации. Стандартная универсальная смазка на литиевых загустителях включает в свой состав:

  • до 0,5% антиокислительные присадки;
  • до 1% – антикоррозионные присадки;
  • до 3% антифрикционных и противозадирных присадок.

Для модификации структуры загустителя и улучшения эксплуатационных свойств смазок применяют следующие химические вещества:

  • избыточные щелочи
  • жирные кислоты
  • глицерол
  • сульфонафтенаты

Адгезионные характеристики силиконовых материалов могут быть улучшены путем введения полимерной загущающей присадки (ПИБ). Помимо этого, дополнительно могут вводиться пассиваторы металлов.

44.png

Рис. 4 Силиконовое масло спрей

7. Испытания термостойкости силиконовой смазки

Для проверки термостойкости, при высоких и низких температурах, проводилось испытание на модуле GIS c фланцами, заполненным теплоносителем. Диапазон температур применяется от -40 °C до +120°C .

Материалы для исследования:

  • стандартная уплотнительная силиконовая смазка;
  • уплотнительные кольца NBR и EPDM (резина и пластик).

Герметичность соединений была проверена до и во время температурных циклов.

Перед испытанием оба конца фланца были собраны с уплотнительными кольцами, образуя замкнутую систему на рис 6б. После испытания модуль был демонтирован для проверки состояния смазки.

На рис. 5 показан пример модуля GIS со смазкой, из которого видно, что смазка распределялась равномерно с небольшими потерями смазки в канавке.

55.png

Рис. 5 Проверка демонтированных фланцев

Выводы по испытаниям термостойкости:

Силиконовая смазка успешно справилась с задачами по герметизации систем отопления, эффективно предотвращая коррозию фланцев и уплотнительных колец. Силиконовая смазка решает проблему утечки теплоносителя, которая может привести к серьезным проблемам в суровых условиях окружающей среды. Благодаря данному исследованию мы убедились, что силиконовая уплотнительная смазка гарантирует долговременную герметичность фланцевого соединения и целостность уплотнительных колец.

66.png

Рис. 6 а) чертеж б) собранный модуль для термического цикла с) демонтированный фланец

8. Смазочные материалы Setral на основе силикона

Компания Setral производит силиконовые пасты, смазки, аэрозоли и специальные масла. Ниже в таблице указаны основные характеристики смазочных материалов на основе силиконового базового масла

 

тип

название

загуститель

Вязкость базового масла при  +40℃

температурный режим применения, ℃

NLGI

паста

SI-Setral-HSC/N

неорганический

-

-40….+300

2-3

смазки

SI-Setral-1041/FD

неорганический

3 500

-30 … +200

2-3

SI-Setral-642

350

- 40 … +200

1-2

SI-Setral-929/FD

750

- 40 … +150

3

SI-Setral-L 50

PTFE

90

- 40 … +200

2

SI-Setral-LI/C 2

Li complex

350

-50 …+220

2

SI-Setral-LI/C2-350

Li complex

267

- 45 … +200

2

SI-Setral-LI/S 3-100

Li complex

100

-50 …+200

3

аэрозоли

SI-Setral-5 X

-

275

- 40 … +200

-

Setral MULTI SILI

-

1,5

- 40 … +150

-

Setral TS

-

1,7

-10….+80

-

масла

SI-Setral-5 X

-

275

- 40 … +200

-

Setral MULTI SILI

-

1,5

- 40 … +150

-

 


9. Выводы

Пластичные силиконовые смазки, пасты и масла на основе кремнийорганических жидкостей являются универсальным материалом для разделения поверхностей трения с феноменальным рабочим температурным диапазоном применения. Описанные в статье эксплуатационные свойства позволяют применять данные материалы во многих отраслях промышленности. Исключение составляют высоконагруженные узлы трения, подверженные высоким линейным и ударным нагрузкам.