Объемно-механические (реологические) свойства.

Эти свойства описываются несколькими свойствами, в том числе реологической кривой зависимости градиента скорости деформации от напряжения. При напряжении сдвига выше предела упругости структурного каркаса сазки испытывают очень медленно протекающие необратимые деформации течения (ползучесть). Так как деформация протекает в самом каркасе, смазка сохраняет целостность. Кривая состоит из нескольких участков:

1. Все разрушенные связи практически мгновенно восстанавливаются, скорость течения смазок пропорциональна напряжению сдвига.

2. По достижению предела прочности начинается хрупкая деформация каркаса. Благодаря тиксотропным свойства разрушенные связи восстанавливаются. Градиент скорости несколько отклоняется от прежней прямой.

3. При достижении напряжения сдвига восстанавливаются не все разрушенные связи и наступает резкое возрастание скорости деформации.

4. При напряжениях сдвига выше определенной величины дисперсные частицы загустителя полностью ориентируются в направлении движения потока и поведение смазки становится подобным поведению масла.

В качестве основных реологических характеристик смазок приняты: предел прочности при сдвиге или предельное напряжение сдвига и эффективная вязкость.

Прочностные свойства смазок. Предел прочности при сдвиге - минимальная нагрузка (напряжение), при приложении которой происходит необратимая деформация (сдвиг) смазки. Его абсолютная величина и зависимость от температуры определяют стартовые характеристики узлов трения, способность смазки подступать к рабочим узлам и удерживаться на трущихся поверхностях. Благодаря пределу прочности смазки не стекают с наклонных и вертикальных поверхностей, не вытекают из открытых негерметизированных узлов трения.

Повышение температуры вызывает уменьшение прочности смазок. Температура, при которой предел прочности приближается к нулю, свидетельствует о переходе смазки из пластического состояния в жидкое и характеризует верхний температурный предел работоспособности смазок.

Для определения предела прочности смазок предложены методы, основанные на осевом сдвиге коаксиальных цилиндров, вырывании из смазки шурупа или пластины, сдвиге смазки в ребристом капилляре и т.п. Для большинства смазок предел прочности при температуре 20^оС составляет 100-1000 Па.

Вязкостные свойства смазок. Они определяют возможность заправки и прокачиваемость смазок, стартовые характеристики и сопротивление вращению при установившихся режимах работы узлов трения.

Вязкость смазки зависит от температуры и градиента скорости сдвига (или деформации) - с его увеличением она уменьшается. Отсюда принято говорить об эффективной вязкости смазок h_D с обязательным указанием значения градиента скорости D и температуры t, при которых проводилось определение. Изменение вязкости смазок со скоростью деформации выражаются вязкостно-скоростной характеристикой (ВСХ) и определяется отношением вязкостей смазки при постоянной температуре и двух разных градиентах скорости деформации (10 и 100 с^-1).

С повышением t вязкость смазок уменьшается. При минимальных t вязкость смазок не должна превышать 2000 Па×с (при 10 с^-1). О влиянии t на вязкость  смазок судят по вязкостно-температурной характеристике (ВТХ) - зависимости вязкости смазки от температуры при постоянном градиенте скорости. Для смазок кривая, характеризующая их вязкостно-температурные свойства, более полога, чем для масел.

На вязкость смазок влияют:

- вязкость дисперсной среды;

- природа и концентрация загустителя (с увеличением концентрации и степени дисперсности загустителя вязкость смазки растет);

- технология приготовления смазок и др.

Для определения вязкости смазок используют капиллярные (АКВ-2, АКВ-4) и ротационные (ПВР-1) вискозиметры.

Зависимость вязкости смазок от вязкости дисперсионных сред при одинаковых отрицательных температурах носит линейный характер и описывается уравнением

h_см. = a + bh_д.с.

где h_см. - вязкость смазки; a, b - коэффициенты; h_д.с. - вязкость дисперсионной среды.

При низких температурах пусковой крутящий момент также является функцией вязкости дисперсионной среды, определенной при той же температуре.

Стабильность при хранении и эксплуатации. Различают физическую и химическую стабильность. Химическая определяется устойчивостью смазок к воздействию химических реагентов, окисляемостью под воздействием кислорода воздуха и длительной термообработки. Физическая - устойчивость к действию нагрузок, невысоких и кратковременных температур и др. физических факторов.

Механическая стабильность. Тиксотропные превращения. Под тиксотропными свойствами смазок понимают их способность изменять объемно-механические свойства под воздействием нагрузки и после ее снятия. Обобщенная кривая тиксотропного разрушения такова: при механическом воздействии прочность смазок вначале резко понижается, далее устанавливается равновесие между разрушенными и восстановленными связями. Конечная прочность разрушенной структуры зависит от интенсивности механического воздействия и состава смазки. Увеличение концентрации и уменьшение размеров частиц (до определенных пределов) способствуют улучшению механической стабильности смазок.

Оценка механической стабильности основана на разрушении смазок в стандартных условиях и определении изменения их объемно-механических свойств в процессе разрушения и после его окончания.

Коллоидная стабильность смазок характеризует их способность в минимальной степени выделять масло при хранении и эксплуатации. Выделение масла может происходить самопроизвольно (под действием собственного веса смазки), а также ускоряться или замедляться действием температуры и давления. Коллоидная стабильность смазок зависит от совершенства структурного каркаса, определяемого размерами, формой и прочностью связей составляющих его частиц. Чем выше вязкость масла (дисперсионной среды), тем труднее оно вытекает из объема смазки. Коллоидная стабильность смазок зависит от содержания свободных щелочи и кислоты, способа приготовления и режима охлаждения смазок. Выделение масла из смазки не должно превышать 30% мас.

Для предотвращения выделения масла из смазок с недостаточной коллоидной стабильностью их фасуют в небольшую тару, чтобы снизить отпрессовывание масла под действием собственного веса.

При оценке коллоидной стабильности для ускорения отделения масла используют воздействие нагрузок (давления), центробежных сил, нагревания и т.д.

Термическая стабильность. Определяет прежде всего способность не упрочняться или разупрочняться при кратковременном нагреве. Смазки на сонове мыл СЖК и некоторые комплексные смазки подвержены при повышенных температурах термоупрочнению вплоть до потери пластичности. Низкой термической стабильностью обладают натриевые, натриево-кальциевые, в меньшей степени кальциевые смазки. Термоупрочнение затрудняет поступление смазок к узлу трения, ухудшает их адгезионные свойства. Особенность термоупрочнения - полная и многократная обратимость: при перетирании (гомогенизации) первоначальные свойства смазки восстанавливаются. Для оценки термоупрочнения определяют пределы прочности смазок до и после выдерживания их при повышенных температурах.

Испаряемость характеризует стабильность состава смазок при хранении и эксплуатации. так как некоторые смазки работают при высоких температурах, в условиях глубокого вакуума и заменяют их редко (или не заменяют вовсе), то при испарении дисперсионной среды они высыхают, на их поверхности образуются корки и трещины, что нарушает цельность смазочной пленки и снижает защитную способность смазок. Скорость испарения масла зависит от состава смазок, условий их хранения и эксплуатации. Испарение масла зависит от фракционного состава масла и в меньшей степени - от типа и концентрации загустителя.

Количественной оценкой испаряемости масла служит определение потери массы образца смазки, выдерживаемой в стандартных условиях в течение определенного времени при постоянной температуре.

Химическая стабильность - устойчивость смазок к окислению кислородом воздуха. В более широком смысле - отсутствие изменения свойств смазок при воздействии на них химических реагентов. Окисление смазок приводит обычно к разупрочнению, ухудшению коллоидной стабильности, смазочной и защитной способности и других свойств. Стабильность к окислению важна для смазок, заправляемых в узлы трения 1-2 раза в 10-15 лет, работающих при высоких температурах, в тонких слоях, при контакте с металлами, многие из которых ускоряют окисление смазок.

Оценка химической стабильности основана на ускоренном окислении смазок под действием повышенной температуры и давлении, а также в присутствии катализаторов. Показатели окисления - изменение кислотного числа, количество, скорость и индукционный период поглощения кислорода, изменение структуры и свойств смазок.

Устойчивость повышают несколькими способами: тщательным подбором масляной основы, выбором типа и концентрации загустителя, варьированием технологии производства. Самый перспективный способ - введение в смазки антиокислительных присадок (амино- и фенолсодержащих соединений, дитиокарбаматов и т.д.).

Радиационная стойкость. Большие дозы излучения (>7×10⁸ рад)разрушают волокна загустителя и разжижают смазки. Вообще воздействие на смазочные материалы излучений высоких энергий приводит к глубоким изменениям их состава и свойств. Стойкость смазок к радиации зависит от состава масла. По радиационной стойкости дисперсионные среды распределяются так: силиконовые жидкости < сложные эфиры < нефтяные масла < простые эфиры. Смазки при облучении могут приобретать наведенную радиактивность (особенно натревые).

Пенетрация - как быстро определяемый показатель в производственных условиях позволяет судить об идентичности рецептуры и соблюдении технологии изготовления смазки. П - глубина проникновения конусастандартного веса в течение 5 сек. в смазку при 25^оС. При этом 0,1 мм = 1 единица пенетрации. см малакометрические свойства битумов.

Температура каплепадения - минимальная температура, при которой падает первая капля смазки, нагреваемой в определенных условиях. Условно характеризует температуру плавления хагустителя смазки, но не позволяет правильно судить о ее высокотемпературных свойствах.

Несколько слов о связи температурных пределов работы смазок и природы их дисперсионной среды. Смазки работоспособны до такой температуры, при которой их вязкость не превышает 2000 Па×с, пусковой крутящий момент меньше 50 Н×см и установившийся крутящий момент - не выше 10 Н×см. Нефтяные масла используют прежде всего в смазках общего назначения, работоспособных в интервале температур от -60 до 150^оС (на дистиллятных маслах от -60 до 130^оС и на остаточных маслах - от -30 до 150^оС). Для узлов трения, работающих при температурах ниже -60^оС и длительное время при температурах выше 150^оС, применяют смазки, изготовленные на синтетических в маслах. На этих маслах можно получить смазки, работоспособные при температурах от -100 до 350^оС и выше.

Из кремнийорганических жидкостей наиболее часто в качестве дисперсионных сред используют полиметилсилоксаны и полиэтилсилоксаны. Полисилоксаны - твердые, хрупкие, неплавкие смолы, которые широко применяются в качестве термостойкого электроизоляционного материала; изоляция электрических проводов из алкилполисилоксанов выдерживает температуры до 300^оС. Они обеспечивают работоспособность смазки при температурах от -60 до 200^оС. Реже используют полиметилфенилсилоксаны и полигалогенорганосилоксаны, которые обладают лучшими противоизносными и противозадирными свойствами по сравнению с обычными полисилоксанами.

Эти жидкости обеспечивают работоспособность смазок в интервале температур от -100 до 300^оС. Смазки на сложных эфирах применяют при температурах от -60 до 150^оС. Они характеризуются хорошей смазывающей способностью, однако не работоспособны при контакте с водой из-за гидролиза эфиров. Эти смазки вызывают набухание резиновых уплотнений. При производстве смазок используют также синтетические углеводородные масла на основе полиальфаолефинов и алкилированных ароматических углеводородов, в первую очередь - алкилбензолов. Смазки на алкилбензолах и полиальфаолефинах применяют при температурах от -60 до 200^оС.

В этом же интервале температур могут работать смазки на полиалкиленгликолях. Смазки на полифениловых эфирах стабильны при высоких температурах (до 350^оС), воздействии кислорода и радиации.

Фтор- и фторхлоруглеродные масла термически стабильны до температуры 400-500^оС. Они не воспламеняются, не горят, устойчивы к воздействию сильных кислот, щелочей и других агрессивных сред, не окисляются, не вызывают коррозию металлов, обладают высокими смазывающими способностями. Их применяют для получения огнестойких смазок и смазок, контактирующих с агрессивными средами и в экстремальных условиях.

Производство смазок

Формирование структуры мыльных смазок связано с образованием мицелл, последующим построением из них волокон (надмицеллярных структур) и формированием структурного каркаса смазки, придающегоей характерные свойства. Процесс достаточно тонок, несмотря на кажущуюся простоту. Регулирование структуры на каждой стадии неодинаково и зависит от состава дисперсионной среды и введения добавок. На формирование структурных элементов и каркаса смазки влияют тип и концентрация загустителя, состав и свойства дисперсионной среды и содержание ПАВ.

Процессы производства смазок в основном периодические, хотя развиваются полунепрерывные и непрерывные процессы. Периодический процесс производства мыльных смазок состоит из следующих повторяющихся операций: дозировки и загрузки компонентов, омыления жирового сырь и удаления влаги, термомеханического диспергирования загустителя, охлаждения расплава, отделочных операций и расфасовки.

При полунепрерывном производстве одна из стадий производства (чаще всего омыление) является периодической, остальные - непрерывными. К полунепрерывным относят процессы изготовления смазок на готовых порошкообразных мылах. Смешение компонентов осуществляется в аппаратах периодического действия. После тщательного перемешивания однородная дисперсия мыла в масле с целью приготовления расплава смазки проходит через нагревательный аппарат, после чего следуют процессы гомогенизации, фильтрования и деаэрации.

В настоящее время непрерывные схемы реализуются для смазок общего назначения.

Стадии производства.

Основные стадии производства для большинства смазок:

- приготовление загустителя;

- термомеханическое диспергирование загустителя;

- охлаждение расплава;

- отделочные операции.

Подготовка сырья включает предварительное фильтрование или отстаивание жиров и жирных кислот, смешивание масел для получения дисперсионной среды необходимых свойств, приготовление растворов щелочей нужной концентрации.

Приготовление мыл - химический процесс, требующий тщательной дозировки компонентов и строгой последовательности в их загрузке. Обычно самый длительный процесс (до 30 ч при периодических процессах).

На рис. 5.1 приведена схема технологическая схема установки для производства комплексной кальциевой смазки типа униол (антифрикционная термостойкая смазка).

Рис. 5.1. Технологическая схема установки по производству

комплексных кальциевых смазок

Аппараты: 1,3,8,9 - сырьевые емкости; 2,4,7,10 - дозаторы; 5,11 - смесители (реакторы); 6,12,15,19,20,28 - насосы; 13,17,21 - подогреватели; 14,18 - испарительные аппараты; 16 - емкость для присадок; 20,22, 24 - холодильники; 23 - диафрагменный смеситель; 26 - гомогенизатор;

27 - деаэратор.

Потоки: I - нефтяное масло; II - фракция СЖК; III - уксусная кислота; IV - известковое молоко;

V - водяной пар; VI - жидкий теплоноситель; VII - водяные пары к вакуум-насосу;

VIII - раствор ингибитора окисления (дифениламина в масле); IX - смазка на расфасовку;

X - холодная вода.

В смеситель 5 загружают сырьевые компоненты (нефтяное масло, фракцию синтетических жирных кислот и уксусную кислоту). При непрерывном перемешивании смесь нагревают до 90^оС и при этой температуре подают 25-30%-ное известковое молоко Са(ОН)₂. Насосом 6 однородная суспензия подается в реактор 11, в котором за счет циркуляции теплоносителя поддерживается температура 120-140^оС. Дисперсия мыльного загустителя в масле прокачивается насосом 12 через трубчатый подогреватель 13, где при температуре около 180^оС полностью завершаются процессы омыления и диспергирования загустителя в масле. Далее расплав поступает в испарительную колонну 14, где в вакууме (39,9-66,5 кПа) удаляется основная часть воды. Обезвоживание можно проводить в одном или двух испарителях, как показано на рис. В испарителе 18 дисперсия подается с температурой 180-200^оС и доиспарение влаги осуществляется при более глубоком вакууме.

Термообработка дисперсии при 220-230^оС в течение 5-10 мин проходит в скребковом подогревателе, обогреваемом жидким теплоносителем с температурой 270-280^оС. В скребковом холодильнике 22 температура снижается до 160-180^оС. Перед диафрагменным смесителем 23 предусмотрено введение присадок из емкости 16. В непрерывно действующем холодильнике-кристаллизаторе 24 происходят кристаллизация и охлаждение смазки до 50-60^оС. После фильтрования смазки следуют обычные отделочные операции - гомогенизация, деаэрирование и расфасовка.

Процесс приготовления смазки на неорганических загустителях состоит из двух стадий - приготовления загустителя и диспергирования его в масле. Недостатком неорганических загустителей (силикагель, бентонит) является их гидрофобность, то есть отсутствие стойкости к воде. Для получения водостойких смазок силикагель и бентонитовые глины подвергают модифицированию - гидрофобизации. Поверхность частиц силикагеля гидрофобизируют, обрабатывая его полисилоксанами, аминосоединениями, галогензамещенными органическими соединениями. Наиболее эффективна этерификация силикагеля высшими спиртами, например н-бутиловым, осуществляемая, как правило под давлением до 1 МПа и при температуре 190-210^оС.

Схема установки для приготовления смазок на осажденном силикагеле состоит из блоков приготовления силикагеля и приготовления смазки.

Процесс приготовления смазки заключается в механическом перемешивании и перетирании гидрофобизированного силикагеля и масла.