Оценка смазочных свойств растительных масел в качестве базового масла для промышленных смазок.

Оценка смазочных свойств растительных масел  в качестве базового масла для промышленных смазок.

 Возможная недостаточность нефтяных ресурсов в будущем и плохая биоразлагаемость смазки на основе минерального нефтяного  масла привели к необходимости использования биосмазок. Продукты на биологической основе обычно производятся из растительных масел. Для настоящего исследования в качестве базовых масел для промышленной смазки выбраны масло рисовых отрубей [RBO], масло ятрофы [JO] и масло каранджи [KO]. Характеристики трения и износа оцениваются на  четырехшариковой машине трения, и первоначальные результаты показывают, что  износ RBO является самым низким, это происходит из-за присутствия природных антиоксидантов, таких как гамма-оризанол. Коэффициент трения и износ всех масел оценивали согласно ASTM D 5183 и ASTM D 4172 соответственно. Вязкость масла проверяется на реометре Брукфилда и имеет высокую вязкость по сравнению с двумя другими маслами, но изменение вязкости с температурой является низким как для RBO, так и для JO. Значение йода для KO меньше по сравнению с RBO и JO. Меньшее количество йода требуется для придания лучшей устойчивости к окислению. Термогравиметрический анализ показал, что RBO стабильно до 320° C, а KO, JO начал разлагаться при 200° C. Тепловые свойства всех масел измерены, и RBO показало лучшие свойства в широком диапазоне температур. Недостатки растительных масел, такие как окислительная стабильность, должны быть улучшены путем добавления присадок и химических модификаций.

 

1. Введение

Растущие экологические потребности и увеличение числа нормативных актов, направленных на уменьшение загрязнения, будут способствовать дальнейшему росту потребности в возобновляемых и биоразлагаемых смазочных материалах. Большая часть представленных на рынке смазочных материалов разработана на основе нефти, они стали известными благодаря своему превосходному качеству при низкой цене. Основное беспокойство при использовании смазок на основе минеральных масел заключается в том, что они не поддаются биологическому разложению, а сырье является невозобновляемым и по этим причинам альтернативные экологически чистые смазочные материалы приобрели известность. Большинство преимуществ и свойств, которыми обладают растительные масла, такие как биоразлагаемость, хорошие смазывающие свойства, высокая термостойкость, меньшая токсичность, высокая вязкость и высокая температура вспышки делают их потенциальной альтернативой смазки на основе нефтяных масел. Основными недостатками растительных масел являются плохое поведение при низких температурах и низкая окислительная стабильность, которые можно улучшить путем химической модификации масел и смешивания с добавками. Окислительная стабильность растительных масел может быть улучшена путем химической модификации растительных масел путем переэтерификации или эпоксидирования.

 

 

Молекулы растительных масел состоят из глицериновой части и жирнокислотной части. Структура растительных масел определяет несколько свойств хорошей смазки. Стеариновая кислота в качестве добавки в подсолнечное масло полезна для снижения износа и коэффициента трения. Кокосовое масло в окислительной среде показало лучшую окислительную стабильность и высокую температуру застывания по сравнению с другими растительными маслами, рассмотренными в исследовании. Меньшее процентное содержание линолевой кислоты в соевом масле приводило к низкой скорости истирания и коэффициенту трения. Масла для обработки металла  на основе пальмового масла и хлопкового масла показали лучшие результаты по сравнению с коммерческими смазочными материалами. Масло авокадо продемонстрировало низкое трение и износ по сравнению с другими исследуемыми маслами, такими как рапсовое, сафлоровое, кукурузное, оливковое, кунжутное и соевое масла.

Мононенасыщенная кислота, содержащаяся в растительных маслах, называемая олеиновой кислотой, является более термически стабильной, чем полиненасыщенные жирные кислоты и  показывает хорошие смазывающие свойства, поэтому она очень желательна. Масло рисовых отрубей [RBO], масло каранджи [KO] и масла ятрофы [JO] имеют высокий процент олеиновой кислоты, которая демонстрирует свойство  хорошей смазывающей способности. Деревья Каранджа и Ятрофа являются несъедобными и засухоустойчивыми растениями с более быстрым темпом роста.

Целью настоящего исследования является оценка физико-химических, термических, окислительных и трибологических свойств RBO, KO и JO и изучение возможности использования их в качестве базового масла для промышленных смазок.

 

2. Материалы и методы

2.1. Материалы

RBO, KO и JO были оценены предварительные испытания, такие как состав жирных кислот, трибологические, физико-химические, термические и окислительные свойства.

2.2. Состав жирных кислот

Состав жирных кислот очень важен при определении смазочных свойств, окислительной стабильности и некоторых других свойств масел. Состав жирных кислот выбранных трех растительных масел оценивали согласно IS548 с помощью газовой хроматографии (GC).

2.3. Трибологические свойства

В соответствии со стандартом ASTM D 5183 коэффициент трения для RBO, KO и JO был оценен с использованием тестера - четырехшариковой машинки трения. Испытания проводились в течение 60 минут при 75° C при 600 об. / мин. Для экспериментов использовались шарики из хромированной легированной стали диаметром 12,7 мм. Вращающийся стальной шарик прижимается к трем стальным шарикам, которые прочно удерживаются вместе и погружаются в испытываемую смазку. Все параметры, такие как тестовая нагрузка, продолжительность, температура и скорость вращения, будут установлены перед началом теста. Диаметр износа на трех нижних шариках оценивается с помощью оптического микроскопа.

2.4. Физико-химические свойства

Вязкость RBO, KO и JO оценивается с помощью реометра  метод Брукфильда в соответствии со стандартами.

Химические свойства, которые косвенно объясняют смазывающие свойства, такие как кислотное число и йодное число, были оценены. Кислотное число определяется как мера свободных жирных кислот, присутствующих в масле. Количество ненасыщенных связей, присутствующих в масле, называется йодным числом. Кислотное число определяется химическими методами.    Йодное число указывает на количество ненасыщенных связей, присутствующих в образце.

2.5. Тепловые свойства

Точка воспламенения - это температура, при которой масло воспламеняется и выделяет дым, тогда как точка воспламенения указывает температуру, при которой масло загорается. Оба они дают безопасную рабочую температуру масла. Температура вспышки и температура воспламенения были оценены оборудованием с открытым тиглем согласно ASTM D 92. Температура застывания - это температура, при которой масло теряет свою текучесть и оценивается физическим методом. Термическая деградация трех масел измеряется с помощью термогравиметрического анализа с рабочим диапазоном от 0° C до 500° C.

2.6. Окислительная стабильность

Растительные масла имеют низкую окислительную стабильность из-за присутствия полиненасыщенных кислот, таких как линолевая и линоленовая кислоты. Испытание на окисление горячего масла (HOOT) согласно Американскому обществу нефтехимиков (American Oil Chemists Society AOCSCd-12-57) было проведено для оценки устойчивости к окислению выбранных масел. Эксперимент проводят в темной печи с вентиляционным отверстием при 100° С в течение 30 часов.

3. Результаты и обсуждения

Состав жирных кислот RBO, JO и KO показан в таблице 1. Понятно, что все три масла имеют более высокий процент олеиновой кислоты, которая отвечает за придание хороших смазывающих свойств. Следовательно, выбранные масла могут быть потенциальной альтернативой для смазок на основе минеральных масел.

Таблица 1. Жирнокислотный состав масла RBO, KO и JO

Жирные кислоты	RBO %	KO %	JO %
C18:0	2.12	7.2	6.8
C18:1	41.26	50.40	40.1
C18:2	32.63	15.54	33.9
C18:3	0.84	1.3	0.12

Вязкость исследуемых масел оценивается при различных температурах, и они сведены в таблицу и показаны в таблице 2. Из рисунка 1 видно, что КО обладает высокой вязкостью по сравнению с двумя другими маслами, но изменение вязкости с температурой является низким для обоих RBO и JO. Это помогает в использовании масел в широком диапазоне температур. Термогравиметрический анализ (TGA) для выбранных масел показан на рисунке 2. RBO устойчив до температуры 320 ° C. Массовая деградация начинается с 320 ° С до 440 ° С. JO и KO стабильны до 200 ˚C. Быстрое разложение массы KO начинается при 380 ° C, тогда как быстрое разложение JO начинается при 320 ° C.

Рисунок 1

Рисунок  2

 

 

 

Таблица 2  Значения вязкости RBO, JO и KO    

Температура	Вязкость
	RBO	JO	KO
40	35.26	30.141	38.995
50	22.34	21.893	26.863
60	16.5	16.547	19.697
70	12.62	12.801	14.577
80	9.798	10.053	11.246

 

Коэффициент трения и диаметр следов износа выбранных масел оцениваются с помощью четырехшариковой машинки трения и приведены в таблице 3. Гамма-оризанол, который является природным антиоксидантом, присутствующим в RBO, приводил к образованию рубцов с низким износом. Однако коэффициент трения RBO является высоким по сравнению с другими маслами.

Таблица 3 Коэффициент трения и износа диаметром RBO, JO и KO

Наименование	Коэффициент трения	Износ (мм)
RBO	0.0898	0.547
JO	0.0624	0.584
KO	0.0673	0.571

 

Химические свойства выбранных масел оценены и сведены в таблицу 4. Меньшее количество свободных жирных кислот, присутствующих в RBO, привело к низкому количеству кислоты. Йодное число указывает на присутствие ненасыщенных жирных кислот, присутствующих в масле. Среди 3 отобранных растительных масел каранджа имеет самое низкое содержание йода, что указывает на хорошую окислительную стабильность.

Таблица 4. Химические свойства RBO, KO и JO

Наименование	Кислотность	Йод
RBO	0,66	93,033
JO	5,02	75,207
KO	19,5	91,833

 

Тепловые свойства выбранных масел оценены и сведены в таблицу 5. Температура воспламенения RBO выше, чем у KO и JO, что подразумевает его способность работать при более высоких температурах. Температура застывания RBO ниже, чем у KO и JO, что позволяет ему течь при более низких температурах. Более высокая температура воспламенения и самая низкая температура застывания RBO обусловлены присутствием в нем ненасыщенных жирных кислот. Понятно, что RBO может работать при широком диапазоне температур, чем JO и KO.

 

 

Таблица 5. Термические  свойства RBO, KO и JO

Наименование	Температура вспышки (оС)	Температура самовоспламенения (оС)	Температура помутнения (оС)	Температура застывания (оС)
RBO	312	326	-5	-8
JO	225	232	2	-6
KO	240	252	-6,5	-7,5

Испытание на окисление нагретого  масла проводится для всех выбранных масел, и результаты приведены в таблице 6. Изменение кислотного числа RBO до и после нагревания составляет 1,24, тогда как изменение кислотного числа для KO и JO составляет 0,925 и 1,655 соответственно. Увеличение кислотного значения JO из-за нагревания указывает на то, что JO обладает очень низкой окислительной стабильностью, и, следовательно, любые химические модификации очень необходимы для JO.

Таблица 6. Испытание на окисление нагретого масла для RBO, KO и JO

Наименование	Кислотность в зависимости от времени
	0	6	12	18	24	30
RBO	0.66	1.11	1.22	1.45	1.68	1.9066
KO	5.02	5.12	5.5620	5.6717	5.805	5.945
JO	19.5	20.18	20.4999	20.685	20.95	21.155

4. Выводы

Смазочные свойства RBO, KO и JO оцениваются, и результаты сравниваются друг с другом. Из этой работы были сделаны следующие выводы:

1. Трибологические свойства масел были оценены, и коэффициент трения для КО самый низкий, чем для RBO и JO, тогда как износостойкость RBO меньше по сравнению с другими выбранными маслами.

2. Среди всех отобранных масел КО имеет более высокую вязкость при 40° С и 80° С, чем у RBO и JO.

3. Кислотное число RBO ниже, чем у JO и KO, а йодное число KO ниже, чем у RBO и JO.

4. Точка возгорания у RBO выше, чем у KO и JO, а температура застывания у RBO меньше, чем у KO и JO.

5. KO показывает лучшую окислительную стабильность, чем RBO и JO.

6. RBO стабильно до 320˚C, тогда как JO и KO начали ухудшаться после 200˚C

Из технико-экономического обоснования ясно, что выбранные масла подходят в качестве базового масла для промышленных смазочных материалов. Однако химические модификации могут потребоваться для JO и RBO для улучшения их окислительной стабильности.