Эксперт Ойл
Введите название продукта:



Эксперт-ойл / Статьи / Пластичные смазки: Производство смазок.
Главная страницаКарта сайтаe-mail

04.09.2012
Пластичные смазки: Производство смазок.

1. Производство смазок

Свойства смазок, в особенности на основе металлических мыл, зависят не только от их состава, но и почти в равной степени от способа изготовления и диспергирования загустителей.

Смазки на основе металлического мыла

 Серийное производство с использованием предварительно
изготавливаемых мыл на основе гидроксидов металлов


При одностадийном способе производства смазки металлическое мыло, отдельно изготовленное на первом этапе, или коммерчески доступное мыло растворяют или диспергируют, а затем нагревают и вновь охлаждают при определенных условиях в подходящем базовом масле. Несколько лет назад такие процессы получили название «сухой технологии». Однако из-за высокой стоимости загустителя этот способ можно рекомендовать только для сложных синтетических смазок с точно заданным химическим составом или для функциональных базовых жидкостей, взаимодействующих с водой, или, в худшем случае, с паром, который образуется при нейтрализации.

 Серийное производство смазок на основе мыл, изготавливаемых in-situ
на основе гидроксидов металлов.


В целом процессы данного типа основаны на взаимодействии жирных кислот, их глицеридов или даже метиловых эфиров с водными растворами или суспензиями описанных гидроксидов металлов в части базового масла. Каждую серию смазки изготавливают согласно схеме, включающей десять пунктов (табл. 1).


     Таблица 1. Серийное производство смазок на мыльной основе — схема из десяти пунктов

     1. Растворение или диспергирование жирных кислот в одной трети или двух третях базового масла при температуре до 90 °С
     2. Добавление гидроксидов металлов в виде раствора или суспензии в воде
     3. Нагревание до температур от 115 до 150 °С или при избыточном давлении до 180—250 °С в зависимости от типа реактора
     4. Дегидратация мыла путем нагревания до 180—200 °С или снижения давления
     5. Кристаллизация при охлаждении до 150— 130 °С при введении дополнительного количества базового масла
     6. Добавление присадок при температуре ниже 80 °С
     7. Фильтрация (предварительная) и гомогенизация при помощи одного из нескольких возможных устройств
     8. Доведение до определенной консистенции или давления потока
     9. Фильтрация (окончательная) и деаэрация
    10. Упаковка в тару



В данной технологии используют различные типы реакторов или их сочетания (рис.1). Единичные реакторы обычно представляют собой открытые резервуары, обогреваемые газом, паром или теплоносителем. Перемешивание осуществляют при помощи смесителей однократного действия, двойного действия и смесителей с возможностью реверса, обычно устроенных по типу планетарного смесителя, тем не менее допустимо использование турбин или дисков-разбрасывателей. Всегда необходимо использовать скребки, поскольку возникает необходимость удаления закристаллизовавшегося вещества со стенок для предотвращения резкого падения параметров теплопередачи и разложения образовавшегося продукта от перегрева.
Реакторы для производства смазок


     Иногда резервуары применяют для выпаривания или для работы под давлением. В целом за последние десятилетия процесс существенно не изменился и сведений о его систематической оптимизации нет. На стадии процесса омыления открытые реакторы нельзя нагревать до температур существенно выше 120 °С из-за возможности избыточного пенообразования. Иногда на этой стадии в небольших количествах добавляют противопенные агенты, например диметилсилоксаны низкой вязкости. Двойные или множественные реакторы, первые из которых представляют собой плавильный резервуар, контактор типа Стратко или автоклав (последний тип реактора можно также нагревать индуктивно), обладают некоторыми преимуществами в сравнении с единичными и открытыми реакторами. Оптимизация процесса дегидратации позволяет легче контролировать реакцию нейтрализации и сокращать время реакции. Второй резервуар представляет собой емкость либо для окончательной обработки, либо для разведения, если из одной базовой смазки производят несколько сортов конечного продукта. В любом случае главная цель заключается в том, чтобы подвергнуть реакционный материал максимальному воздействию тепловой и механической энергии за минимальный промежуток времени. Причиной производства базовых смазок в максимально концентрированном виде при максимально интенсивном перемешивании является увеличение скорости реакции при более плотном контакте. В случае использования единичного реактора это означает, что при запуске реактор должен быть наполнен не более чем наполовину (при отсутствии особых требований к качеству смазок). Дополнительным преимуществом технологии с использованием множественных реакторов является полное отсутствие загрязнения присадками первого реактора. Третий реактор обычно применяют для производства черных, цветных или белых пластичных смазок.
     В случае если базовые масла, в частности силиконовые масла, применяют для производства мыльных смазок по технологии in-situ, загустители иногда получают и диспергируют в присутствии растворителей, которые впоследствии удаляют экстракцией или выпариванием. Для смазок на литиевой и кальций-литиевой мыльной основе описан процесс с измененными параметрами: гидроксид лития обезвоживают в некотором количестве базового масла при температуре выше 100 °С перед добавлением соответствующих жирных кислот, максимальную температуру процесса снижают до отметки ниже 150 °С. Это обеспечивает экономию энергии, процесс протекает без пенообразования и появляется возможность применения (паронагреваемых) смазочных котлов, непригодных для использования в обычном «горячем» технологическом процессе. Серийное производство смазок на основе металлических мыл может быть автоматизировано. В частности, автоматизация была осуществлена при помощи экономичного технологического оборудования и компьютерного контроля.

Непрерывное производство

Впервые способ непрерывного производства пластичных смазок был описан в 1969 г и впоследствии освоен другим производителем. В целом производственный блок состоит всего лишь из трех элементов (табл.2). Преимуществами подобного блока являются компактность (всего несколько сотен литров), минимальное энергопотребление и однородность получаемого продукта; недостатками являются затруднения при производстве продукции различных сортов и производительность установок данного типа, намного превышающая современную потребность в обычных смазочных материалах. Непрерывное производство сложных смазок было невозможно в течение многих лет, однако сообщалось о разработках по непрерывному производству литиевых комплексных смазок.


     Таблица 2.  Непрерывное производство смазок — три элемента блока
     1. Трубчатый реактор, в котором отмеренные количества компонентов базовой смазкии
         интенсивно перемешивают при давлении до 2000 кПа (20 бар) и температуре до 210 °С

     2. Вакуумный аппарат, в котором происходит дегидратация продукта

     3. Емкость конечной обработки (обычно статический миксер), в которую добавляют
        масло и присадки; в ней происходит гомогенизация

Оборудование для завершающей обработки включает соответствующие насосы, блоки фильтрации, блоки гомогенизации (до сих пор для данной цели популярны трехвальцовые, ротор-статорные мельницы и другие коллоидные мельницы, несмотря на то что инжекционные гомогенизаторы высокого давления являются предпочтительными), блоки деаэрации (вакуумные насосы) и дозирующие устройства, приемлемые для заполняемой тары. На обычном предприятии, изготавливающем смазки, используют тару, вмещающую от 400 г до 1 т продукта.
     Сравнение различных технологических процессов изготовления смазок на основе металлических мыл показывает, что ни один процесс не является оптимальным для всех видов смазок, а исследование четырех технологических установок для производства литиевых смазок, включая омыление в высоконцентри-рованных системах, показало, что производство смазок традиционными способами не является неоправданным.

 Олигомочевинные смазки

Олигомочевины обычно изготавливают в два этапа. На первом этапе диизоцианат и амин по отдельности растворяют и диспергируют в соответствующем количестве базового масла. На втором этапе один из двух растворов или дисперсий, обычно тот, который содержит диизоцианат, добавляют к другой порции. Реакция протекает с довольно сильным экзотермическим эффектом, и из-за токсичности диизоцианатов реакторы должны быть герметично закрыты как на данной стадии, так и при последующем нагревании. Из-за резкого увеличения вязкости необходимо использовать мощные устройства для перемешивания. Для завершения реакции и оптимизации структуры загустителя смазки нагревают до 180 °С. Изготовленные таким способом олигомочевинные смазки предпочтительно гомогенизировать при помощи смесителей или инжекторных гомогенизаторов высокого давления. В литературе описано производство олигомочевинных смазок в реакторе типа Стратко, а также производство смазок из предварительно изготовленной порошкообразной мочевины.

Гелевые смазки

Исходные материалы нагревают лишь до 60-80 °С для ускорения активации и улучшения протекания процесса гелеобразования. Эти процессы проводят обычно в одном реакторе такого же типа, в котором осуществляют одностадийный процесс изготовления смазок с использованием мыл на основе металлов, однако в данном случае лучшими (а зачастую единственными) устройствами для достижения вязкости, необходимой для продукта с определенными техническими характеристиками, являются инжекторные гомогенизаторы высокого давления или ротор-статорные коллоидные мельницы; или (для смазок на основе сложных полиэфиров) кольцевые зубчатые коллоидные мельницы.

2. Реология смазок

Поскольку смазки имеют весьма сложные реологические характеристики, их описывают одновременно как твердые тела и жидкости либо как вязкоупругие пластичные твердые тела. В начале развития ротационной вискозиметрии существовала надежда на установление корреляции между величинами предела текучести и пенетрации, попытки обнаружить которую продолжаются до сих пор, а необходимость замены понятия «пенетрация» становится все более насущной. За пределом текучести, где поток возникает при напряжении, смазки обладают эффективной вязкостью, которая зависит от скорости сдвига, температуры и времени сдвига и в некоторой степени даже от предварительной механической обработки. Этому можно дать простое объяснение в терминах руководства по пластичным смазкам типа NLGI, однако если принять во внимание математическую модель пластического потока по Бинхему, псевдопластического потока по Оствальду (Ostwald) и жидкого потока по Ньютону, то вряд ли можно сказать, что предмет исчерпывающе описан в какой-либо одной книге. Некоторые затруднения, связанные со скольжением по стенке, стали стимулом к проведению новых исследований. Вероятно, реометры контролируемого напряжения являются самыми подходящими современными инструментами для изучения реологии смазок, однако в ближайшем будущем на помощь исследователям придут скоростные ЯМР-спектрометры.
     Загуститель безусловно оказывает воздействие на реологические свойства смазки. Это проявляется, например, при сравнении литиевой и натриевой смазок в комбинированных экспериментах с использованием четырехшариковой машины. С другой стороны, для смазок с добавлением органобентонитовых глин эксперименты с различными базовыми маслами не позволяют вывести общих правил. Из всех сопоставляемых загустителей наилучшим реологическим откликом на воздействие как низких, так и высоких температур характеризуются различные образцы высокодисперсной кремниевой кислоты. Для серий смазок, применяемых в военной области, наблюдали квазилинейную зависимость между эффективной вязкостью и крутящим моментом при низких температурах. Для перфторированных полиэфиров при использовании в качестве загустителя ПТФЭ была установлена корреляция между реологическими и смазочными характеристиками.
Сообщалось также о том, что литиевые смазки, модифицированные функциональными полимерами, обладают улучшенными низкотемпературными характеристиками. Попытки углубленного изучения динамического поведения смазок включают теоретические исследования реологического износа, изучение потоков смазочных материалов в трубопроводах, поведения смазок в условиях вибрации (исследования, определяющие пределы применимости смазок в сравнении со смазочными пастами в соответствующих областях применения), а также изучение их высокотемпературных структурных свойств при помощи реологических исследований с контролируемой нагрузкой; кроме того, проводилось множество исследований более практического характера.

3 Характеристики смазок

Следует упомянуть о том, что о свойствах смазок лучше всего судить по свойствам загустителя. Недавно эта работа была проделана Шмидтом, представившим результаты в удобном компактном виде. С теоретической точки зрения, следует принимать во внимание двенадцать основных факторов (рис. 2). Все они, за исключением двух: липкости и токсичности, связаны либо с давлением, либо с температурой. Воздействие или эффект температуры или давления приводит к появлению двадцати четырех требований (табл. 3). Реальная смазка, безусловно, не может отвечать всем указанным требованиям, потому что существует одиннадцать несовместимых необходимых характеристик и тридцать три более или менее выраженных ограничения (рис.3). Трудно, например, добиться приемлемости одной смазки как для высоких, так и для низких температур, хотя параметры верхних и нижних температурных пределов превосходят аналогичные величины для базового масла, по аналогии с законом Рауля. Это означает, что загуститель функционирует как примесь, которая, с одной стороны, препятствует кристаллизации и таким образом снижает температуру застывания масла, однако с другой стороны — он снижает давление паров. Данный эффект можно усилить за счет применения полимеров, используемых в качестве депрессорных присадок и регуляторов индексов вязкости в смазочных маслах.

Двенадцать факторов, связанных с характеристиками смазки

     Таблица 3. Двадцать четыре характеристики смазки

 Двенадцать факторов  Двадцать четыре характеристики
 Высокая температура  Максимальная термостабильность
 Минимальные потери на испарение
 Максимальная вязкость
 Низкая температура  Отсутствие центров кристаллизации
 Минимальная вязкость
 Старение  Максимальная устойчивость к окислению
 Сопротивление изменениям структуры
 Совместимость  Отсутствие взаимодействия с цветными металлами
 Максимальное ингибирование коррозии
 Максимальная совместимость с полимерами
 Несмешиваемость с чужеродными жидкостями
 Отторжение чужеродных твердых веществ
 Потеря масла  Оптимальная потеря маслаа)
 Токсичность  Токсичность отсутствует
 Биоразлагаемость
 Липкость  Оптимальная липкостьа)
 Текучесть  Оптимальная релаксацияа)
 Максимальная прокачиваемостьа)
 Нагрузка  Оптимальная эластичностьа)
 Максимальная толщина смазывающей пленки
 Наилучшие рабочие характеристики в аварийных ситуациях
 Сдвиг  Максимальная механическая стабильность, или оптимальное время   релаксацииа)
 Трение  Минимальное или оптимальное трениеа)
 Износ  Минимальный износ
 а)Согласно способу применения.

Несовместимости и ограничения для двенадцати факторов

Таблица 3. Важнейшие способы тестирования смазок согласно ASTM

 ASTM D 0128-95  Анализ
 ASTM D 1092-93  Эффективная вязкость
 ASTM D 1263-94  Склонность к протеканию смазок для автомобильных колесных подшипников
 ASTM D 1264-96  Параметры вымывания водой
 ASTM D 1478-91  Низкотемпературный крутящий момент смазок для шарикоподшипников
 ASTM D 1742-88  Маслоотделение при хранении (метод воздушного давления)
 ASTM D 1743-94  Антикоррозийные характеристики
 ASTM D 1831 -88  Механическая стабильность (поперечная устойчивость)
 ASTM D 2509-93  Способность выдерживать нагрузку, метод Тимкена
 ASTM D 3337-94  Ресурс и крутящий момент в малых подшипниках
 ASTM D 3527-95  Срок службы автомобильных колесных подшипников
 ASTM D 4049-86  Сопротивление водораспылению

 Аналитические методы

На смену методам химического разделения, описанным в ASTM D 128, в настоящее время пришли элементный анализ смазок такими спектроскопическими методами, как, например, рентгенофлуоресцентная спектрометрия (РФС), атомно-эмиссионный спектральный анализ с индуктивно связанной плазмой (ICP) или атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС), при этом особое внимание уделяется препаративным методам. Инфракрасная спектроскопия как способ идентификации смазок и их компонентов была предложена около 45 лет назад. С тех пор применение данного метода постоянно расширяется в таких областях, как структура, разработка и производство смазочных материалов. Для исследования структуры применяют также метод ядерно-магнитной резонансной спектроскопии (ЯМР), а использование электронной микроскопии позволило не только подробно рассмотреть волокна, присутствующие в мылах, но и изучить изменения в смазках под воздействием температуры.
     Применение термогравиметрии (ТГА) обычно ограничено исследованиями базовых масел, но ожидается, что использование другого термоаналитического метода — дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) или сочетание этих методов станет ценным инструментом для анализа смазок и антиоксидантов.
     Хроматографические методы, например ГХ и ВЭЖХ, применяются главным образом для идентификации компонентов жидких или сжиженных смазок. Автоматизация аналитических методов привела к необходимости разработки инструментов, позволяющих не просто накапливать, но и интерпретировать полученные данные. Этим целям служат лабораторные информационные системы (LIMS). При использовании подобных систем следует уделять особое внимание эффективности тестов и критическому анализу возможных ошибок в полученных данных. Желательно также использование соответствующих баз данных или интернет-ресурсов.

Таблица 4.  Важные методы испытания смазок согласно DIN (ASTM)

 DIN

 ASTM

 Описание
 DIN 51 350-4

 (ASTM D 2596-97)

 Испытания в четырехшариковой машине Shell, определение сварочной нагрузки пластичных смазок
 DIN 51 350-5

 (ASTM D 2266-91)

 Испытания в четырехшариковой машине Shell, определение параметров износа для пластичных смазок
 DIN 51 801-2, заменен на DIN ISO 2176

 (ASTM D 566-97)

 Определение температуры каплепадения смазки
 DIN 51 802

 Испытания подшипниковых смазок на антикоррозийные свойства, SKFEmcor метод
 DIN 51 804-1, заменен на DIN ISO 2137

 (ASTM D 217-97)

 Определение параметра «пенетрация конуса» для смазок (пустой конус и твердый конус)
 DIN 51 804-2, заменен на DIN ISO 2137

 (ASTM D 1403-97)

 Определение параметра «пенетрация конуса» для смазок (четверть конуса)
 DIN 51 805

 —

 Определение параметров текучести под давлением для смазочных материалов, метод Kesternich
 DIN 51 807-1

  —

 Исследование поведения смазок в присутствии воды, статический тест
 DIN 51 808

 (ASTM D 942-90)

 Определение окислительной стабильности смазок, испытание в кислородной атмосфере
 DIN 51 810

 —

 Определение характеристик потока смазок в роторном вискозиметре
 DIN 51 811

 (ASTM D 4048-86)

 Испытания смазки на коррозию меди, тест на медной полосе
 DIN 51 817

 —

 Определение параметров маслоотделения из смазок в статических условиях
 DIN 51 821-2

 —

 Испытания шарикоподшипниковых смазок типа FAG на установке FE 9




Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.

Адрес: г. Москва, дер. Старосырово, Симферопольское шоссе д.20 стр. 1 (Щербинская нефтебаза 11 км. от МКАД)
Телефон: (495)77-11-093, E-mail: info@expert-oil.com