Маслорастворимые синтетические полиалкиленгликолевые масла.

Новый тип базового масла группы V

Введение

Масла на основе полиалкиленгликолей (PAG) более 50 лет удовлетворяют требованиям, которым не в состоянии соответствовать минеральные масла.

Обычные полиалкиленгликоли, которые получают в результате полимеризации этиленоксида и/или пропиленоксида, обеспечивают множество преимуществ, таких как превосходные противоизносные свойства, хорошие низкотемпературные свойства, высокие показатели вязкости и превосходный контроль отложений.

Одним из ограничений является их плохая смешиваемость с углеводородными маслами. Недавно была разработана новая линейка растворимых в масле PAG (OSP), полученная из производных оксида бутилена. Эти новые базовые масла API группы V превышают многие традиционные преимущества PAG.

Кроме того, они предлагают разработчикам дополнительный инструмент для модернизации углеводородных масел, используя их в качестве базового масла или присадки, улучшающей эксплуатационные характеристики. Он служит для улучшения контроля отложений, снижения трения и увеличения срока службы жидкости.

Обычные полиалкиленгликоли (ПАГ), как правило, рассматриваются как синтетические масла и используются в смазочной промышленности для решения проблем, которые не могут решить нефтяные масла. Большинство используемых PAG изготавливаются из производных этиленоксида (EO) и пропиленоксида (PO). Они обладают многими техническими преимуществами по сравнению с минеральными маслами, такими как превосходная смазывающая способность, хорошие характеристики несущей способности, хорошие низкотемпературные свойства, высокие показатели вязкости и высокие температуры вспышки, что делает их пригодными для различных применений. Кроме того, синтетические процессы, используемые для производства PAG, очень универсальны. Это позволяет конструировать полимеры, чтобы иметь много различных функциональных свойств.

В настоящее время в отрасли смазочных материалов используется более 100 различных химических составов полимеров, а в области применения смазочных материалов - еще сотни.

Эта универсальность может быть проиллюстрирована при разработке водорастворимых ПАГ из сополимеров этиленоксида с пропиленоксидом. Эти полимеры могут быть синтезированы, чтобы получить широкий диапазон молекулярных масс и вязкостей (например, до 50000 сСт при 40° C) с различными соотношениями EO / PO и структурами полимеров, такими как случайные или блочные структуры.

Это единственное основное водорастворимое смазочное базовое масло, доступное на сегодняшний день. Эта уникальная особенность обеспечивает функциональные преимущества для огнестойких гидравлических жидкостей, жидкостей для металлообработки, закалочных жидкостей, текстильных смазок и многого другого.

Одним из известных недостатков обычных PAG является их плохая смешиваемость с маслом. Это имеет два ключевых значения. Во-первых, когда предприятия хотят перевести свое оборудование с углеводородного масла на PAG, часто требуются интенсивные процедуры промывки. Во-вторых, разработчики не могут использовать обычные PAG в качестве совместно используемых базовых жидкостей или присадок в своих углеводородных маслах для повышения производительности. Это противоречит другим химическим составам синтетических масел, таким как полиальфаолефины (PAO), полиизобутилены (PIB) и сложные эфиры, которые используются для образования полусинтетических масел, которые могут соответствовать более высоким эксплуатационным характеристикам.

Поэтому предполагается, что разработка растворимых в масле PAG, которые предлагают многие из присущих преимуществ традиционных PAG, может предоставить разработчикам возможность улучшать углеводородные масла и решать многие современные проблемы смазки, используя присущие им функциональные преимущества PAG.

Синтез и физические свойства растворимых в масле ПАГов

Разработка растворимых в масле ПАГ может быть выполнена путем синтеза последующих производных бутиленоксида (BO) с образованием полибутоксилатных сополимеров или путем синтеза сополимеров PO и BO. Оксид бутилена доступен в промышленном масштабе и используется для производства полимеров для других применений, таких как присадки к топливу, но он в значительной степени не исследован в качестве сырья для смазочных базовых масел. Рисунок 1 иллюстрирует типичную полимерную структуру базового масла OSP.

Рисунок 1 - Структура маслорастворимого ПАГ

В процессе приготовления на молекулярную массу и, следовательно, на вязкость ПАГ можно влиять, и ее можно регулировать в узких пределах. Таким образом, полимеры могут быть адаптированы и разработаны в соответствии с конкретными потребностями применения. В таблице 1 приведены физические свойства новых растворимых в масле базовых масел PAG.

Таблица 1 - Физические свойства OSP полимеров

Полимеры имеют маркировку от OSP-32 до 680 с цифровым обозначением, относящимися к классификации по классу вязкости ISO. Сополимеры PO / BO - OSP-32-220, а сополимеры BO - OSP-320-680.

Полимеры охватывают многие классы вязкости по ISO, но возможно разработать еще более низкие и более высокие классы вязкости, используя тот же подход синтеза. Эти базовые масла OSP имеют более высокие показатели вязкости, чем минеральные масла, отличные низкотемпературные свойства с температурами застывания до -57°C и очень низкими анилиновыми точками. Детали эксплуатационных преимуществ таких полимеров подлежат обсуждению. В следующих разделах показаны исследования данных масел на растворимость, контроль отложений при высоких температурах, противоизносные свойства, испаряемость, антиокислительные свойства,  

Растворимость масла

Растворимость масла от OSP-32 до 680 оценивали в минеральных маслах группы API с I по III группы (ISO-46) и трех групп API IV полиальфаолефины. Эти группы масел  PAO указаны в таблицах 2 и 3 как группа IV-H (PAO-40), группа IV-M (PAO-8) и группа IV-L (ПАО-4). Для исследования приготовили смеси, содержащие 10 и 50 мас.% базового масла OSP в каждом из углеводородных масел, и оценивали на растворимость при температуре окружающей среды в течение 1 недели. Внешний вид жидкостей оценивали до и после испытания.

Смеси, которые оказались гомогенными на протяжении всего теста, характеризовались как растворимые (зеленые). А те, которые не были гомогенными, характеризовались как нерастворимые (красные). Таблицы 2 и 3 показывают результаты

.

Таблица 2 - Типичная растворимость масла для 10% базовых масел OSP в углеводородных маслах группы I-IV API

Таблица 3 - Типичная растворимость масла для 50% базовых масел OSP в углеводородных маслах группы I-IV API

Как правило, отличная растворимость наблюдается для марок OSP с более низкой вязкостью (OSP-32, 46 и 68) и марок с более высокой вязкостью (OSP-320, 460 и 680) во всех базовых маслах группы I-IV, кроме PAO с высокой вязкостью. OSP-150 и 220 хуже смешиваются с маслами групп II и III.

Одной из основных тенденций в отрасли производства базовых масел является переход многих смазочных составов с базовых масел группы I на группы II и III. Более новые углеводородные базовые масла являются гораздо более изопарафиновыми со значительно более низким содержанием ароматических соединений и более низким уровнем серы. В базовых маслах группы I эти компоненты часто обеспечивают степень растворимости, которая помогает придать растворимость добавкам, повышающим эффективность. Отсутствие этих нежелательных полярных соединений в базовых маслах группы II, III, а также в группе IV сделало для разработчиков более сложной задачей разработку композиций с использованием многих обычных типов присадок, улучшающих свойства. Превосходные низкие анилиновые точки полярных базовых масел OSP означают, что их добавление к углеводородным маслам может преодолеть этот барьер, а также обеспечить дополнительные преимущества, описанные ниже.

Контроль отложений

Высокий уровень контроля отложений традиционных масел PAG хорошо известен. Для некоторых областей применения контроль за отложениями и образованием лака является критической проблемой.

ПАГи широко использовались в некоторых маслах, таких как масла для ротационных, винтовых, воздушных компрессоров, для эффективного устранения этой проблемы. Поведение при контроле отложений смесей OSP-46 в минеральном масле группы I, нейтральном 150 (S.N.150), оценивали с использованием модифицированного метода испытаний ASTM D-2893B. К базовому маслу S.N.150 добавляли 10, 5 и 1 мас.% OSP-46 и фенольный антиоксидант (0,5 мас.%). Жидкости нагревали до 121° С с помощью продувки сухим воздухом со скоростью 10 л/час в течение продолжительного периода (50 дней). Оценивали внешний вид масла и контролировали отложения.

Включение маслорастворимого ПАГ значительно улучшает чистоту масла и контроль отложений. Труднорастворимые отложения были образованы в минеральном масле, которое не содержит какое-либо базовое масло OSP. Все жидкости, которые содержали OSP, были прозрачными, отложений не наблюдалось при 10, 5 и даже 1%, что свидетельствует о повышенной чистоте. Одним из возможных объяснений отсутствия отложений является то, что побочными продуктами окисления минеральных масел являются более полярные соединения. Они нерастворимы в углеводородных базовых маслах и не могут привести к образованию отложений. Однако они растворимы в более полярных OSP полимерах. Включение маслорастворимого ПАГ в углеводородные масла, может их улучшить, обеспечивая увеличенный интервал службы  и большую надежность оборудования.

Противоизносные свойства

Тяговые испытания осуществляются с использованием мини-тяговой машины (MTM). MTM – управляемая компьютером система точного измерения тяги. Износ образуется между полированным 3/4-дюймовым стальным шариком и стальным диском диаметром 46 мм, каждый включается независимо друг от друга, чтобы произвести трение скольжение/качение. Измерения тяги на смеси полиальфаолефинов с базовым маслом (PAO-8) и OSP-46 при концентрации 5 и 8% отмечаются при контактном давлении 0.75гПа и температуре 80 °С в течение 30-минутного периода.

Упрощенно, полярность OSP полимера, по-видимому, имеет хорошее сродство поверхности и обеспечивает пленку, которая снижает и стабилизирует трение. В этих условиях испытаний, наблюдается  отличная стабильность на уровне 8% OSP-46. Трение начинает возрастать, когда OSP используется на уровне 5%.

В некоторых маслах, таких как автомобильные моторные масла, синтетические сложные эфиры используются в качестве модификаторов трения или противоизносных добавок. Однако, как известно, многие сложные эфиры способны к гидролизу. Так как ПАГИ являются  гидролитически стабильными, растворимые в масле ПАГИ могут обеспечить еще одно преимущество – улучшение противоизносных свойств.

Испаряемость по NOACK

Тесты на  испаряемость были сделаны для вязкостей OSP от 32 до 68 с использованием метода CEC-L-40. Испытания  были сделаны на образце базового  масла (без антиоксидантов), а также были проведены для OSP-32, 46 и 68 при добавлении  1 и 2% мас. / мас. алкилированного дифениламина в качестве антиоксиданта.

Результаты показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – испаряемость масел

Тест на испаряемость NOACK проводится при 250 °С. При этой температуре низкомолекулярные олигомеры испаряются. С ростом молекулярности олигомеров и увеличением их вязкости испаряемость соответственно снижается, как показано на рисунке 2. Кроме того, добавление антиоксиданта к базовому маслу снижает испаряемость, так как снижается скорость окисления полимеров. При окислении ПАГ образуют более низкомолекулярные олигомеры, которые являются более летучими, чем

их исходный  полимер.

Антиокислительные свойства

Испытание на окисление в сосуде под давлением (ASTM D2272) использовали для измерения устойчивости к окислению одного полимера - OSP-46 - и его смеси с аминным и фенольным антиоксидантом в процентном соотношении 2%. Включали диалкилированный дифениламин (DADP), алкилированный фенилнафтиламин (APNA) и алкилированные фенольные (АР) антиоксиданты. Результаты приведены в таблице 4.

Таблица 4

аминных антиоксидантов и комбинации аминных и фенольных антиоксидантов дают значительно более высокие значения. Пакет антиокислительных присадок  показывает значения выше 1500 минут.
Базовое масло OSP-46 показало низкую стойкость: 15 минут. Тем не менее, вовлечение

Практическое использование OSP

Новые маслорастворимые полиалкиленгликоли обеспечивают дополнительную функциональность по сравнению с традиционными PAG. Проще говоря, они могут использоваться в качестве основного базового масла, а также при смешении с другими типами базовых масел и в качестве добавки, улучшающей производительность. В качестве основного базового масла предполагается применение в качестве редукторного масла, смазки и компрессорного масла. Одним  практическим преимуществом является то, что перевести оборудование с углеводородного масла в маслорастворимый PAG будет намного проще. Кроме того, новые полимеры OSP не влияют на эластомеры и уплотнения, а также менее гигроскопичны, чем обычные PAG. Их использование в качестве второго компонента к минеральному маслу для разработки полусинтетических масел или в виде присадки для повышения эксплуатационных свойств в углеводородных маслах делает их всеобще применимым маслами ПАГ. Впервые ПАГ-масла совместимы с углеводородными маслами. В качестве присадки для контроля отложений OSP могут помочь решить многие проблемы, например, лакообразование в газотурбинной промышленности или устранение проблемы с поломкой  сервоклапана или блокировки в гидросистемах.  Наконец, высокая полярность и низкая анилиновая точка OSP помогут разработчикам совместить OSP как присадки с базовыми маслами группы II и III, которые являются более изопарафиновыми и менее полярными по природе. Но и макроизменения в динамике производства базового масла позволяют включать OSP как альтернативный подход к повышению вязкости смазочных материалов, а также обеспечить некоторые дополнительные функции, описанные выше.