PFPE бифункциональные смазки: современные тенденции и перспективы.

Смазки на основе перфторированного полиэфира (PFPE) уже давно применяются как нишевые продукты, обеспечивающие долговечную смазку при температурах выше 200 °C, в агрессивных химических средах, в вакуумных устройствах или в качестве инертной среды для смазки и/или защиты чувствительных материалов, такие как пластмассы и эластомеры. Эта группа специальных смазок в настоящее время также становится конкурентоспособной в ряде областей применения, где обычно используются менее дорогие и менее эффективные смазочные материалы. Современные смазки PFPE могут предложить как преимущества в производительности, так и более низкую общую стоимость владения (цена покупки + затраты на эксплуатацию). Смазка различных узлов в традиционных автомобилях и электромобилях оказалась одним из успешных применений смазок PFPE. В этой статье будут рассмотрены новые возможности в разработке и применении смазок PFPE.

1. Введение

Смазки на основе синтетических перфторполиэфиров (PFPE) в качестве базовых масел и политетрафторэтилен (PTFE) или неорганические загустители обычно классифицируются как специальные смазки для высокотехнологичных промышленных применений в условиях сверхвысокой / сверхнизкой температуры и для смазки под воздействием агрессивных химических веществ таких, как жидкий кислород, галогены, минеральные кислоты или расплавленные минеральные основы [1].

PFPE, используемые в качестве базовых масел для смазок, покрывают широкий диапазон вязкостей (22-1200 сСт при 40 ° C), имеют диапазон рабочих температур от -75 до более 300 ° C и долговременную термоокислительную стабильность, превосходные смазывающие свойства и инертное поведение по отношению к большинству эластомеров и металлов. Тем не менее, некоторые эксплуатационные и экономические проблемы, такие как несовместимость с обычными смазочными материалами и более высокая средняя цена, могут вызвать у потребителей некоторую понятную путаницу относительно правильного применения и экономических выгод от использования смазочных материалов PFPE.

В настоящем мы обсуждаем актуальные разработки и перспективы применения смазок PFPE в контексте подхода совокупной стоимости владения (TCO). Это позволяет более правильно оценивать общую эффективность смазки, основываясь на различных эффектах стоимости, некоторые из которых обычно не принимаются или не учитываются в достаточной степени.

2. Экспериментальная часть

2.1 Материалы

Все базовые масла, присадки и загустители, обсуждаемые в этой статье, были товарными техническими продуктами. Образцы смазок готовили с использованием обычного лабораторного оборудования для изготовления смазки путем смешивания базового масла с системой загустителя и добавок при комнатной температуре. Полученные смазки гомогенизировали на трехвалковой мельнице.

2.2 Методы испытаний

Смазки в этом исследовании были изучены с использованием ряда стандартных тестов, которые являются общими для промышленности смазок. Вязкость базового масла измеряли на вискозиметре Stabinger Anton Paar SVM-300. Консистенция смазок определялась с помощью автоматического пенетрометра Normalab NPN TECH. Температуры каплеобразования измеряли на системе Mettler-Toledo DP70. Испытания на коррозию проводились на приборе REBA Elektro-Apparatebau в соответствии с методом SKF-EMCOR и тестами на устойчивость к валковой оболочке с использованием тестера стабильности валков Stanhope-Seta.

Для оценки термостабильности смазок при длительном старении измеряли потерю массы при испарении / термическом разрушении при 200 ° C. Образцы смазки распределяли по алюминиевым пластинам для получения слоя постоянной толщины и помещали в вентилируемую печь Memmert UFE 500 на > 2700 часов. Потеря веса неоднократно определялась с помощью прецизионных весов Sartorius R300S. Срок службы смазки при данной температуре оценивался как период до момента, когда смазка начинает высыхать и ее типичная маслянистая текстура разрушается.

Реологические свойства сложных модулей вязкости, накопления (G ’) и потерь (G’ ’), а также коэффициента потерь (G’ / G ’’) оценивали с помощью режима сдвига колебаний реометра Anton Paar MCR 302. Реометр был оснащен трибологической ячейкой типа «шарик на трех пластинах» T-PTD-200 в сочетании с колпаком для регулирования температуры Пельтье H-PTD 200. Эта установка использовалась для исследования коэффициента трения и следа износа в широкий температурный диапазон при контролируемой скорости скольжения и нормальной силе.

Противозадирные и противоизносные свойства консистентных смазок оценивались с помощью испытательной машины SKF с 4 шариковыми сварными швами, работающей при комнатной температуре. Испытания характеристик подшипников проводились при 200 ° C с узлами радиально-упорных шариковых подшипников на испытательной машине FE8.

Совместимость консистентных смазок изучалась путем смешивания двух разных консистентных смазок при комнатной температуре и контроля однородности и текстуры массы консистентной смазки.

3. Высокотемпературные смазки PFPE (220-300 ° C).

Большинство коммерчески доступных смазок PFPE обычно состоят из нефункционального базового масла PFPE и политетрафторэтилена (PTPE) в качестве загустителя. Они могут включать в себя также антикоррозийные (нитрит натрия, динатрийсебацинат и т. д.) и противозадирные присадки, позволяющие работать в химически агрессивных средах или при высокой нагрузке [1]. Изменяя базовое масло PFPE и загуститель, можно создавать индивидуальные продукты для различных областей применения, включая сверхвысокую / низкотемпературную смазку для подшипников, высоко - / низкоскоростную смазку для подшипников, смазки для смазки поверхностей скольжения в инструментах для литья пластмасс под давлением, высоковакуумные смазки, пищевые смазки H1 или смазки для приборов с газообразным и жидким кислородом. В таблице 1 в качестве примера представлены две высокотемпературные смазки PFPE (A и B).

Еще одна специальная формула, разработанная в последнее время - это высокотемпературная пищевая смазка H1, не содержащая PTFE, пригодная для смазывания телескопических направляющих в бытовых и промышленных печах [2]. Потребности клиента в этой смазке включали долговременную смазочную способность при 250-300⁰C, состав без фторопласта, плавные скольжения в духовке, не скрипит, не вымывает моющее средство для мытья посуды и воды, не выделяет опасных продуктов (формальдегид, бензол и т. д.) при высоких температурах и сертификации пищевой категории H1. Предлагаемая смазка сгущается с помощью комбинации неорганического высокотемпературного загустителя и соответствующего связующего, что позволяет формировать устойчивое твердо-жидкое смазочное покрытие на поверхности металла. Это индивидуальное решение успешно обеспечивает 18000-24000 рабочих циклов в домашней печи (слайды выдвигаются - выходят) при 200 ° C с загрузкой 7,5 кг и 5 циклами стирки с моющим средством в посудомоечной машине. Смазка также прошла длительные испытания на выбросы при 305 ° C.

4. Смазки PFPE для температурного интервала 150 ° - 220 ° C.

Несмотря на многие эксплуатационные преимущества традиционных смазок PFPE по сравнению с другими смазками на основе синтетических и минеральных масел, все еще существует необходимость в улучшении. Смазки PFPE не совместимы как со смазками на минеральной основе, так и с синтетическими маслами. Из-за инертности молекул перфторполиэфира в таких составах нельзя использовать обычные добавки из-за чрезвычайно низкой растворимости. Типичные присадки также обладают недостаточной термической стабильностью, чтобы соответствовать стабильности масла PFPE. Например, эффективная защита от коррозии с помощью смазок на основе PFPE, не содержащих присадок, может быть проблемой.

Таблица. 1. Смазки Setral PFPE с моно - и бифункциональными загустителями

Другое дело, что полностью фторированные масла, такие как PFPE, являются одними из самых дорогих синтетических базовых масел в смазочной промышленности.

Чтобы минимизировать вышеупомянутые недостатки, было предложено несколько так называемых гибридных смазок PFPE [3-7].

В продаже имеются гибридные смазки, содержащие смесь масел PFPE и эфирных масел и загуститель на основе диуретана или смазки на основе химически модифицированного масла PFPE, загущенного специальным литиевым мылом. Были разработаны составы консистентных смазок, содержащие смесь двух консистентных смазок с фторированными и нефторированными базовыми маслами, комплекс металлического мыла и загустители из PTFE.

Химическая модификация полимеров PFPE приводит к ряду функционализированных частично фторированных продуктов. Функциональные производные PFPE, содержащие функциональные концевые группы (триазол и т. д.), используются в качестве присадок для улучшения термостабильности и износостойкости нефункциональных масел PFPE. Частично фторированные (пер) фторполиэфир-полиоксиалкиленгликолевые (PFPE-PAG) полимеры были предложены в качестве базовых масел и в качестве присадок для полностью фторированных смазок PFPE, демонстрирующих улучшенные противоизносные свойства [8]. Жидкие сополимеры PFPE-TFE, образующие гелевую структуру в маслах PFPE, могут быть альтернативой твердым загустителям из PTFE в консистентных смазках для смазывания точных механических инструментов и снижения шума. Некоторые соединения фосфора растворимы или образуют стабильные дисперсии в PFPE [9]. Они зарекомендовали себя как эффективные антикоррозийные высокотемпературные стабильные присадки, предотвращающие ржавчину при непрерывной эксплуатации при температуре ≥200 ° C [10].

При высоких рабочих температурах (120-300 ° C) в области от 150 до 220 ° C имеется область разрыва, в которой нефторированные синтетические смазки выдвигаются до предела своих возможностей, а обычные смазки PFPE приносят непригодную избыточную производительность и более высокая цену (рис. 1). Недавно мы сообщили о новом семействе смазок PFPE на основе бифункциональных систем загустителей с улучшенным соотношением цена / качество в качестве экономичной альтернативы обычно используемым смазкам PTFE / PFPE [11].

Температура , ^оС

Рис. 1. Рабочий температурный диапазон для нанесения бифункциональных смазок PFPE.

Результаты испытаний смазок представлены в таблице 1. В качестве примера две новые смазки PFPE на основе бифункциональных систем загустителей, смазка C и смазка D, сравниваются со смазкой PFPE, загущенной PTFE, смазка A.

Смазывающие свойства консистентных смазок оценивались с использованием трех различных модельных трибометров: трибометр с 4 шариками, установка с шариками на трех пластинах трибологической ячейки Антона Паара и испытательная машина FE8.

Как следует из данных в таблице 1, параметры высокой сварочной нагрузки, низкого износа и низкого трения характеризуют новые бифункциональные смазки и в большинстве случаев аналогичны соответствующим параметрам смазки на основе PTFE / PFPE.

Рис. 2: Деформация по реометрии при 25 ° C.

Выдающиеся эксплуатационные характеристики у смазки D при 200 ° C были подтверждены в испытании FE8, проведенном в соответствии с DIN 51819, часть 2. (Таблица 2). Испытательный цикл достиг 500 часов без каких-либо ошибок. Образцы для испытаний показали низкий уровень износа, и момент трения после определенного времени приработки был постоянным при 20 Нм (рис. 3). Как показано в таблице 3, потеря веса при износе составляет около 40 мг на шариках и менее 2 мг на клетках.

Как видно из таблицы 1, для бифункциональных консистентных смазок определены лучшие оценки в тесте на коррозию EMCOR и тест на коррозионную стойкость по сравнению с консистентной смазкой из PTFE / PFPE.

Таблица 2: Испытание параметра FE8 согласно DIN 51819, часть 2.

Таблица 3. Износ подшипников (тест FE8).

Рис. 3: Момент трения и температура подшипника как функция времени (тест FE8).

Испытания на смешивание показали очень хорошую совместимость бифункциональных смазок с обычными смазками на основе PFPE, а также со смазками на основе полимочевины.

Новые бифункциональные смазки оценены отлично, при этом они демонстрируют очень хорошие характеристики в тяжелых промышленных условиях. Одним из них является смазывание различных типов механических уплотнительных колец в мешалках. В этом случае регистрация H1 была необходима для смазки механического уплотнительного кольца, закрепленного на полом валу. Вал работал при 500-700 об / мин и подвергался действительной рабочей температуре от 120 до 140 ° С. В соответствии с интервалом повторной смазки предписанный период минимальных 1500 рабочих часов был достигнут без использования дорогой обычной смазки PFPE. Бифункциональная смазка теперь является новым стандартом.

В промышленности по переработке пластмасс смазывание основного подшипника системы вращающейся пресс-формы было оснащено бифункциональной смазкой для покрытия высоких температур 200 ° C под дополнительным воздействием агрессивных паров ПВХ. Достигнутый срок службы такой же, как и у обычных смазок PFPE, но по гораздо более приемлемой цене.

Смазки PFPE в настоящее время успешно используются для смазки тормозных суппортов, блокировочных выключателей, электрических дросселей, клапанов AGR, компрессоров, топливных насосов и других устройств в традиционных и электрических автомобилях.

5. Подход к общей стоимости владения (TCO) для смазок PFPE.

Промышленное оборудование разрабатывается для достижения более высоких уровней производства за счет повышения энергоэффективности и снижения совокупной стоимости владения [12]. Смазки, как смазывающие элементы, могут оказать существенное влияние на эксплуатационные расходы. Это зависит главным образом от производительности смазки в рабочих условиях. Минеральные и обычные синтетические смазки могут стать менее эффективными продуктами в самых требовательных областях применения при более высоких рабочих температурах и напряжениях. Их общий профиль затраты / производительность в таких условиях отражается в более коротких интервалах повторного применения смазки, более высоких энергозатратах и ​​повышенном риске отказа оборудования [13]. Высокоэффективные смазочные материалы могут потенциально обеспечить более низкую совокупную стоимость владения (цена покупки + затраты на эксплуатацию / техническое обслуживание). Компания Shell недавно представила концепцию общей стоимости владения (TCO) для современных смазочных материалов, отреагировав на общее отсутствие понимания потребителями того, как смазка влияет на надежность и производительность их оборудования. По оценкам Shell [14], в 2011-2015 годах экономия на добыче полезных ископаемых достигла не менее 43 миллионов долларов США благодаря снижению затрат на техническое обслуживание, сокращению времени простоя оборудования и повышению производительности [15].

Хорошо известно, что смазки PFPE превосходят смазки на основе минеральных масел и обычных синтетических смазок как при высоких и низких температурах, так и при высокой нагрузке. Несколько недавних примеров перехода от менее эффективной консистентной смазки на минеральной масляной литиевой основе или от синтетической углеводородной смазки к консистентной смазке PFPE демонстрируют увеличенные интервалы повторного смазывания, более низкие затраты на техническое обслуживание, затраты на запасные части и значительное уменьшение непредвиденных отказов подшипников.

Экономия эксплуатационных расходов может достигать более 40% или 6 млн. долл. США для производителя целлюлозы и бумаги с сушилкой для целлюлозы со смазкой PFPE и электродвигателями в течение шестилетнего срока службы [16]. Более высокая начальная стоимость смазки PFPE более чем компенсируется меньшими затратами на эксплуатацию и обслуживание.

Другой типичный пример: производитель металлических пластин успешно заменил смазку, загущенную литием, минеральное масло, используемое в подшипниках транспортной линии, на стандартную смазку PTFE / PFPE. Транспортная линия содержала 260 подшипников скольжения, работающих при 250 ° C (измерено) в контакте с горячими (1500 ° C) металлическими пластинами. Переход на смазку PFPE снизил частоту повторной смазки с 210 (каждый день) до 16 раз в год. и полностью исключены отказы подшипников. Расходы на техническое обслуживание, стоимость запчастей и время простоя производства были соответственно сокращены. Несмотря на большую разницу в ценах на смазку, экономия TCO благодаря самой эффективной смазке PFPE намного превышает экономию, связанную с покупной ценой самой смазки.

 Получение количественных данных об эксплуатации и обслуживании от клиентов не всегда возможно. В этих случаях расчет совокупной стоимости владения может быть выполнен с использованием модельного подхода, основанного на относительных ценах, интервалах потребления и повторной смазки для смазочных материалов PFPE и не-PFPE, а также оценки вклада в затраты на эксплуатацию / техническое обслуживание.

6. Выводы

Узлы, для которых смазки PFPE являются наилучшим и наиболее экономичным решением для смазки, существуют практически в каждой отрасли.

Современные гибкие подходы к составлению смазок PFPE позволяют предлагать оптимальные продукты для традиционных и новых применений.

Бифункциональные смазки PFPE могут успешно заменить обычно используемые смазки PTFE / PFPE в областях с рабочими температурами, не превышающими 220 ° C (кратковременно до + 250 ° C). Хорошая совместимость с другими смазками PFPE и некоторыми смазками, не относящимися к PFPE, улучшенной защитой от ржавчины, высокой механической и структурной стабильностью и лучшим соотношением цена / качество делают их предпочтительными продуктами для разрыва рабочей температуры (150-220 °C).

Смазка с длительным сроком службы / заполнением на весь срок службы смазками PFPE является примером более низкой совокупной стоимости владения оборудованием по сравнению со смазкой с использованием неэффективных смазок на основе минеральных масел и других синтетических смазок из-за чрезвычайно длинных интервалов повторной смазки, технического обслуживания - безопасная эксплуатация, повышение энергоэффективности и продление срока службы оборудования. Это указывает на то, что объем рынка смазок PFPE может быть намного выше, чем обычно предполагается.

7. Благодарности

Мы благодарим Jürgen Rigo, Центр трибологии Университета прикладных наук Мангейма, за выполнение тестов FE8 и Setral Chemie GmbH за разрешение представить эту работу.

8. Список литературы.

1. Synthetics, Mineral Oil and Bio-Based Lubricants. Chemistry and Technology, Ed. L. R. Rudnick, CRC Press, 2013.

2. Setral Chemie GmbH. Patent Application WO 2017/029287 A1.

3. Ausimont S.p.a. Patent EP 0657524 B1.

4. Klüber Lubrication München KG Patent US 6265362 B1.

5. NSK Ltd. Patent US 7196042 B2.

6. M. Egami, M. Asao, T. Goto: Hybrid Grease NA204F for automotive electrical instruments and auxiliary device, NTN Technical Review No.73. 2005, P. 66-71.

7. NOK Klüber Co. Ltd. Patent EP 2341121 B1.

8. Solvay Specialty Polymers Italy S.P.A. Patent Application, WO 2016/020232 A1. 11

9. G.Boccaletti, S.Rovinetti, M.Avantaneo, E.Di Nicolo. PFPE-TFE copolymer: the new frontier of fluorinated lubricants, NLGI Spokesman, 2013, 77(5).

10. J.Howell, S.Johnston, H.C.Walther, S.Bossler, T.Blunt, E.Siegfried. New High Temperature Soluble Additives for Perfluoropolyethers. GfT-Meeting 2016. Conference Paper, Göttingen, Germany.

11. V.Schott, A.Grechin, R.Kling, K.-H.Hensel. PFPE-Greases based on bifunctional thickeners. OilDoc 2017, Conference Paper, Rosenheim, Germany.

12. D. M. Pirro, M. Webster, E. Daschner. Lubrication Fundamentals, Third Edition, Revised and Expanded: CRC Press. 2016. 13. F. Held. Investition in die Wirtschaftlichkeit. Klüber Lubrication München KG. Tribojournal 2/2008, P. 4-5.

14. The Cost Reduction Game. Shell Lubricants White Paper. 2016.

15. Unlocking Efficiency in Mining. Shell Lubricants. 2015.

16. T. Blunt, C. Walther. PFPE Lubrication Helps End Premature Bearing Failures. Machine Design. July 2016, P. 50-55.

Автор статьи: Alexander G. Grechin

Источник: https://ru.scribd.com/document/444985464/GrechinELGIAGM2018

Перевод: Техническая служба компании Аллея Групп