VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФИРОВ НЕОПОЛИОЛОВ КАК ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ СИНТЕТИЧЕСКИХ МАСЕЛ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одним из приоритетных направлений экономического и социального развития России, как современного и развивающегося государства, является создание современной системы воздушного сообщения. Это, безусловно, требует коренных и безотлагательных решений по созданию эффективной авиационной инфраструктуры, включающей систему обеспечения высококачественными горюче-смазочными материалами, в том числе техническими жидкостями, отвечающими требованиям современной авиационной техники. [1] Смазочные масла по роду исходного сырья подразделяются на минеральные и синтетические. С развитием авиационного двигателестроения повысились тепловые напряжения, скорости движения и нагрузки на трущиеся детали двигателей.
Развитие авиатехники неразрывно связано с совершенствованием авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), сопровождаемое ростом температуры и давления газа в двигателе и повышением уровня рабочих температур смазочных масел. Рабочие температуры масла в современных отечественных ГТД достигают 200°С. Анализ перспектив развития ГТД показал, что в ближайшем времени в двигателях уровень рабочих температур масла будет достигать 240°С.
В связи с этим, наиболее важным требованием к качеству авиационных масел является высокая термоокислительная стабильность и эксплуатационные свойства при длительной работе в двигателе.
Кроме того, масло должно иметь вязкость, которая могла бы обеспечивать работоспособность при высоких рабочих температурах, и позволяла бы осуществлять запуск двигателя при температуре до минус 40°С, а также масла должны иметь малую испаряемость при рабочих температурах
Актуальность: В мировой практике производства смазочных материалов все чаще стали использовать синтетические компоненты, а именно эфиры неополиолов, поэтому мы решили подробнее изучить их свойства и область применения.
Цель: Исследование физико-химических свойств перспективных компонентов смазочных масел.
Задачи:
Анализ научно-технической литературы в области синтетических авиационных смазочных масел.
Лабораторное исследование физико-химических свойств эфиров.
Сделать выводы о возможности внедрения эфиров в композиции индустриальных масел.
Обзор литературы
1.1 Синтетические базовые масла
За рубежом и в России для удовлетворения возрастающих требований потребителей к товарным маслам происходит постепенный рост выпуска базовых масел (БМ) на синтетической основе. До 2003 года производители масла успешно частично или полностью замещали синтетические компоненты продуктами гидрокрекинга, разрабатывая новые составы моторных и трансмиссионных масел.
Но, несмотря на совершенствование технологий производства высококачественных синтетических масел для гидросистем, существуют и расширяются области применения, в которых уровень их отдельных свойств оказывается недостаточным. Увеличение доли маловязких компонентов, используемых при производстве моторных масел, выявляет еще один существенный недостаток гидрокрекинговых масел – относительно высокую летучесть, в сравнении с маслами, полученными из синтетических компонентов. По прогнозам зарубежных производителей синтетических масел, спрос на эту продукцию будет расти.
Основными преимуществами синтетических масел являются их высокая термоокислительная стабильность и меньшая испаряемость при работе в двигателях.
Синтетические базовые масла представляют собой маслообразные жидкости – полимеры или олигомеры, полученные методом синтеза из различных мономеров. Свойства синтетических жидкостей зависят от химического строения, которое является основным критерием их классификации:
углеводородные масла на основе полиальфаолефинов, изопарафинов или алкилбензола;
диэфирные масла на базе двухосновных кислот и одноатомных спиртов;
полиэфирные масла на основе эфиров полиолов, полигликолевых эфиров или эфиров фосфорной кислоты;
фторуглеводородные масла;
силиконовые масла.
Отдельные свойства исключают возможность применения некоторых синтетических жидкостей в качестве основных компонентов моторных масел:
полиэфирные масла на основе эфиров фосфорной кислоты имеют недостаточные индексы вязкости (в пределах от 0 до -30);
фторуглеводородные масла имеют низкую температуру кипения и плохие вязкостно-температурные характеристики;
силиконовые масла не смешиваются с минеральными и обладают недостаточными смазывающими и противоизносными свойствами.
Полиальфаолефины (ПAO) являются углеводородными синтетическими жидкостями. В промышленных объемах их получают путем олигомеризации молекул альфа-олефине в олигомеры или полимеры с короткими цепями.
Высокие индексы вязкости позволяют использовать масла на основе полиальфаолефинов в широком диапазоне температур. Отсутствие примесей соединений серы и металлов обеспечивает высокие антикоррозионные свойства. Хорошая совместимость с минеральными маслами позволяет использовать полиальфаолефины в качестве синтетического компонента, применяемого при производстве полусинтетических масел. Несмотря на то, что в последние годы гидрокрекинговые масла приблизились по качеству и за счет более низких цен отвоевали значительную долю рынка базовых масел, ранее принадлежавшую полиальфаолефиновым, последние все еще обладают рядом существенных преимуществ:
очень низкие температуры застывания (в связи с отсутствием линейных парафинов);
высокие термостабильность и стойкость к окислению (отсутствие ненасыщенных углеводородов);
малая летучесть и коксуемость, обеспечиваемые однородностью состава.
К недостаткам полиальфаолефиновых масел следует отнести:
худшую, по сравнению с минеральными маслами, растворяющую способность по отношению к некоторым типам присадок;
худшую совместимость с эластомерами (вызывают усадку резиновых уплотнений с потерей их эластичности).
Оба эти недостатка устраняют путем добавления небольших количеств сложных эфиров.
Диэфиры получают при взаимодействии двухосновных кислот с одноатомными спиртами или одноосновных кислот с многоатомными спиртами. Диэфиры имеют более разнообразную структуру, чем ПАО.
Они обладают хорошей смешиваемостью с минеральными маслами. В сравнении с минеральными, масла на базе диэфиров обладают более высокими индексами вязкости и термостабильностью, более низкими температурами застывания, меньшей летучестью и огнеопасностью. Высокая растворяющая способность позволяет растворять лаки и шлам, поддерживая чистоту деталей двигателя. На практике, диэфирные масла способны удалять в двигателе отложения, образовавшиеся в результате использования других масел.
Недостатком диэфирных синтетических масел является их повышенная агрессивность в отношении натуральных и синтетических резинотехнических изделий. Они вызывают набухание и размягчение резиновых прокладок, сальников и т.п. По этой причине их следует использовать с химически инертными уплотнительными материалами.
Раньше в качестве основ синтетических масел широко использовались эфиры двухосновных кислот (диэфиры), эфиры полигликолей и, в меньшей степени, эфиры неополиолов. Чаще всего в качестве основы синтетических масел применяли индивидуальные сложные эфиры или смеси нескольких близких по свойствам эфиров. Обзор зарубежных патентов показывает, что направления в разработке синтетических масел изменились. Стремясь компенсировать некоторые недостатки в эксплуатационных свойствах диэфиров, исследователи идут по пути создания синтетических масел на основе эфиров полиспиртов, смешанных или комплексных эфиров.
Известно, что устойчивость масла к окислению при высоких температурах является одним из основных критериев при подборе основы масла и вводимых в нее присадок, однако термическая стабильность масла и его испаряемость определяются свойствами основы масла. Известно, что термическая стабильность тесно связана с молекулярной структурой углеводородов, и является фундаментальным свойством самих молекул, и её нельзя существенно повысить с помощью присадок.
В качестве основы для производства синтетических авиационных масел нашли широкое применение эфиры неопентилгликоля (НПГ), триметилолпропана (ТМП) и пентаэритрита (ПЭТ).
В результате реакции этерификации НПГ/ТМП/ПЭТ с синтетическими жирными кислотами С5 – С9 получают советующие эфиры, обладающие хорошими высокотемпературными свойствами. Масла на их основе успешно выдерживают температуру до 200°С без изменения своих физико-химических характеристик.
1.2 Причины применения сложных эфиров в новых разработках
Активные присадки, улучшающие противозадирные и антикоррозионные свойства, как правило, негативно влияют на термостабильность и тем самым срок службы масла. Для эфиров доля присадок требуется меньше из-за хороших смазывающих свойств самой базы, сохраняется высокая «естественная» термостабильность.
При высоких давлениях большинство модификаторов трения перестают работать, хорошая смазывающая способность базы позволяет компенсировать негативный эффект за счет полярности молекул эфира.
Улучшение индекса вязкости традиционно достигается за счет присадок полимеров (стабильность вязкости наиболее актуальна в гидрожидкостях). Эфиры сами обладают высоким индексом вязкости, что снижает или исключает потребность в полимерах, более подверженных «размолу», увеличивается ресурс масла.
1.3 Причины применения эфиров в смазочных материалах
• Высокий индекс вязкости с хорошими низкотемпературными свойствами и показателем летучести
• Обладают антиизносными и модифицирующими трение свойствами
• Обладают прекрасной термостабильностью
• Хорошая растворимость и моющие свойства
• Большинство эфиров сочетаются с минеральными жидкостями
• Они не опасны, биоразлагаемы и основаны на возобновляемом сырье
Экспериментальная часть
Определение физико-химических характеристик
Результаты исследований физико-химических свойств и термоокислительной стабильности исследуемых эфиров приведены в Таблице 1
Сравнение характеристик исследуемых эфиров
На основании полученных результатов установлена возможность использования диэфира неопентилгликоля в качестве компонента основы синтетического низкотемпературного масла за счет показателя «температура застывания». Образец триэфира триметилолпропана обладает запасом качества по показателям «Температура вспышки в открытом тигле» и «Температура застывания», что свидетельствует о возможности расширенного применения эфира в качестве компонента СМ.
Таблица 1
Физико-химических свойств и термоокислительной стабильности исследуемых эфиров
*специальный метод исследования
Образец тетраэфира пентаэритрита обладает запасом качества по показателям «Температура вспышки в открытом тигле» и «Температура застывания», что свидетельствует о возможности расширенного применения эфира в качестве компонента синтетических масел. Обладая прекрасными физико-химическими характеристиками термооксилительная стабильность и ряд свойств таких как: «Температура вспышки в открытом тигле» и «Температура застывания» меняются в следующей последовательности:
Диэфир непентилгликоля < Триэфир триметилолпропана < Тетраэфир пентаэритрита
Наиболее стабильным эфиром является тетраэфир пентаэритрита, что подтверждают и литературные данные:
«Наличие в молекулах вторичных и третичных атомов углерода снижает стабильность углеводородов к окислению. Наоборот, четвертичный атом углерода в молекуле как бы экранирует углеводород от внедрения кислорода и тормозит окислительный процесс.» [7]
Вывод
Таким образом, эфиры неополиолов действительно являются очень перспективными синтетическими компонентами, позволяющими в комплексе с различными присадками, использовать их в самых разных сферах деятельности: в качестве моторных масел, масел для автомобильных двигателей, для авиадвигателей и др.
И именно поэтому в мире столько компаний, занимающихся производством сложных эфиров. Например, «ThyssenKruppIndustrialSolutions» и «OXEA» в Германии, «FACI» в Италии, «JohnsonMatthey» в Великобритании, «Clariant» в Швейцарии и ещё множество других. Но, к сожалению, на Российском рынке, напротив, пока очень мало компаний, готовых производить сложные эфиры в промышленных масштабах и такое положение непременно нужно менять.
Список использованной литературы
Колыбельский Д.С. дисс. Канд.хим. наук Разработка состава взрывопожаробезопасной гидравлической жидкости для авиационной техники].
Карцова А.А. «Покорение вещества. Органическая химия» Издательство Химиздат, 1999
Пустовалова Л.М. «Органическая химия» Издательство Феникс, 2003
Хомченко Г.П. «Пособие по химии для поступающих в ВУЗы» Издательство Новая Волна, 2011
Киприанов А.И. «Введение в электронную теорию органических соединений» 2 изд., Киев: Наукова думка, 1975
Марч Дж. «Органическая химия: реакции, механизмы и структура» Издательство Мир, 1987
Теоретические основы химмотологии. — Под ред. А. А. Браткова. — М.: Химия, 1985. — 320 с.