Добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам

Настоящее изобретение относится к добавке к смазочным маслам и пластичным смазкам, включающей диоксид кремния, углерод, при этом в качестве углерода она содержит углерод синтетический с «луковицеобразной» структурой наночастиц и средним размером частиц 30 нм, диоксид кремния со средним размером частиц 10 нм при следующем соотношении компонентов, % мас: диоксид кремния 99,0-99,9; углерод синтетический 0,1-1,0. Техническим результатом настоящего изобретения является снижение расхода топлива в двигателях внутреннего сгорания. 3 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к области смазочных материалов, конкретно к добавкам к смазочным маслам и пластичным смазкам, и может найти применение в автомобильном, речном, морском, железнодорожном транспорте.

Проблема снижения механических потерь, возникшая с появлением первых механических устройств, продолжает оставаться актуальной и в настоящее время, несмотря на появление множества новых смазочных материалов.

Введение в штатные масла добавок, смазочных композиций, присадок улучшают различные эксплуатационные свойства смазочных материалов.

Перспективным направлением в области смазочных материалов является использование тонкодисперсных порошковых композиций, вводящихся в состав как жидких, так и густых смазок.

Одним из наиболее распространенных сухих смазочных веществ является графит. Основное достоинство графита в том, что он образует прочные пленки на трущихся поверхностях.

Известно смазочное масло, содержащее минеральное масло и твердую добавку - 0,1-1% мас., смеси ультрадисперсных порошков алмаза, графита и аморфного углерода при массовом соотношении алмазной и неалмазной углеродной модификации от 30:70 до 99:1. Размер частиц составляет 0,3-0,4 мкм (300-400 нм). Масло предлагается использовать для смазки машин и механизмов как в процессе обкатки, так и при эксплуатации. Для смазки тяжелонагруженных узлов трения количество добавки в масле - 0,3-1,0%, в период эксплуатации или в легконагруженных узлах - 0,1-0,3%. Технический результат: коэффициент трения при максимальной нагрузке - 0,019-0,029. (SU 1770350 А1, 23.10.1992).

Недостатками такой добавки являются:

- трехкомпонентный состав углеродной смеси (алмаз, графит, аморфный углерод);

- высокое содержание алмазной компоненты (30-99%), что нежелательно из-за абразивных свойств алмаза;

- размер частиц добавки (0,3-0,4 мкм или 300-400 нм) приводит к недостаточной стабильности суспензии в смазочных маслах (1 месяц).

Известно смазочное масло, содержащее минеральное масло и твердую добавку, в качестве которой используют фуллереновую сажу в количестве 1-5% мас. В качестве минерального (базового) масла используют индустриальное масло И-40 А. Предлагаемое смазочное масло предназначается для смазки машин и механизмов, в том числе и тяжело-нагруженных узлов трения, как в процессе приработки и обкатки узлов трения, так и при эксплуатации. Технический результат: коэффициент трения при испытаниях пар трения медь-сталь составил 0,015-0,030, объемный износ при максимальной нагрузке - 0,154-0,335 мм³. (RU 2146277 С1, 10.03.2000).

Недостатки такого смазочного масла согласно патенту RU 2448154 С1, 10.08.2011 следующие. Значительное количество фуллереновой сажи от 1 до 5% существенно повышает вязкость масла, снижает его трибологические свойства, так как значительная добавка фуллереновой сажи при статическом перемешивании ее с маслом не обеспечивает равномерности состава по всему объему, приводит к осадку и расслаиваемости ввиду комкования кластеров, коагуляции частиц, дробление таких кластеров возможно только в жидкости электрогидравлическим разрядом. Кроме того, такое масло обладает высокой стоимостью, превышающей обычные масла более чем в 20 раз, что делает его недоступным для большинства потребителей.

Известен композиционный материал для узлов трения автомобильных агрегатов, содержащий углеродный модификатор и полимерное связующее. В качестве углеродного модификатора содержится смесь алмазоподобной и графитоподобной модификации углерода с размером частиц 3-10 нм в соотношении 1:1-1:10 в количестве 0,01-0,1% мас. В качестве полимерного связующего содержится порошок полиамида 6 с размером частиц 80-100 мкм, полученный криогенным диспергированием. Технический результат: коэффициент трения - 0,12-0,18 (RU 2223304 С1, 10.02.2004).

Недостатками данного технического решения являются:

- сложность производства полимерного связующего (криогенное диспергирование),

- невозможность использования в составе штатных масел, так как это приводит к забиванию фильтрующих элементов из-за крупных размеров частиц композиционного материала.

Известна композиция для формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей кинематических пар, содержащая 5-10% мас. аморфного оксида алюминия с размерами частиц не более 240 Å (24 нм), 70-80% мас., диоксида кремния, вспученный интеркалированный графит - остальное. Технический результат: коэффициент трения - 0,0006-0,0009, объемный износ - 0,00011-0,00017 м³ × 10^-3 (RU 2271485 С1, 10.03.2006).

Недостатком данной композиции является то, что данный состав может использоваться только самостоятельно без добавления в основное масло, ввиду того, что такая смазка становится нестабильной из-за сшивки продуктов износа масел в реакционно-способные олигомеры по радикальному типу. Такая смазка не может использоваться в двигателях внутреннего сгорания.

Известна смазочная композиция, содержащая смазочный компонент и наноалмазы детонационного синтеза, образующие свободнодисперсные системы, обладающие коллоидной устойчивостью. Смазочным компонентом являются коммерческие масла или консистентные смазки. Наноалмазы применяются как не фракционированные, так и фракционированные по размерам. Фракционированные наноалмазы имеют средний размер кластеров наночастиц с диаметром 150 нм, 550 нм, 600 нм. Композиция готовится на основе коммерческих масел или смазок путем смешивания компонентов. Для равномерного распределения наночастиц или их кластеров применяют ультразвуковую обработку. Готовят концентрированные продукты, содержащие наноалмазы, до 10% мас. для масел и 40% мас. для консистентных смазок. Смазочная композиция предназначена для различного рода машин и механизмов для использования в процессе обкатки, штатной эксплуатации и восстановления сопряженных поверхностей трения. Технический результат - снижение расхода топлива на 10%, снижение износа поверхностей трения, снижение температуры масла (RU 2356938 С1, 20.12.2008).

Недостатками смазочной композиции являются:

- наличие наноалмазов с размерами 150-600 нм, обладающих абразивными свойствами, отрицательно отразится на сроках эксплуатации двигателя;

- достаточно крупные размеры наноазмазов будут приводить к преждевременной забивке масляных фильтров, что ограничивает область применения для масел;

- в случае длительной остановки двигателя, необходимо вновь обрабатывать состав ультразвуком из-за седиментации суспензии достаточно крупного гранулометрического состава.

Известна смазочная композиция, содержащая базовую основу и углеродную добавку в количестве 1,0-2,5% мас. Базовой основой являются тяжелые нефтяные остатки (мазут, гудрон) или их смесь с отработанным маслом, подвергнутые термолизу - термообработке при 200-450°С в герметичных условиях. Углеродной добавкой является нанодисперсный углерод или его смесь с дисульфидом молибдена в количестве 1-10 мас. % от углерода. В качестве нанодисперсного углерода используют фуллерены, углеродные нанотрубки, нанососуды, нанодисперсный углерод, полученный пиролизом метана в присутствии катализатора. В качестве отработанного масла используют, в частности, моторные, индустриальные масла, их смесь.

Композиция предназначена для смазывания тяжело нагруженных узлов трения различных механизмов. Технический результат: диаметр пятна износа - 0,48-0,76 мм; предельная критическая нагрузка - 872,2-1003,4 кгс; нагрузка сваривания - 1646,4-2067,8 кгс; индекс задира - 355,5-552,7 (RU 2378326 С1, 10.01.2010).

Недостатками смазочной композиции являются:

- сложность приготовления смазочной композиции (термолиз);

- добавление в масло тяжелых нефтяных остатков (мазут, гудрон) при его использовании в двигателях внутреннего сгорания существенно увеличит количество смолистых веществ и сократит срок службы масла;

- наличие дисульфида молибдена в добавке нежелательно, так как происходит распад дисульфида, образование серной кислоты, продукты окисления дисульфидов обладают высокой абразивной и коррозионно-активной способностью.

Известна смазочная композиция, содержащая органическую основу и наночастицы неорганической добавки. В качестве органической основы используют жидкие полиэфиры, в качестве неорганической добавки - 0,01-0,1% мас. гидрофобной нанодисперсии диоксида кремния с привитыми на его поверхностях полисилоксановыми группами при удельной поверхности наночастиц 90-300 м²/г. Размер наночастиц не превышает 70 нм. В заявленной смазочной композиции используют готовые товарные продукты: гидрофобный аэросил - продукт фирмы Evonik Degussa GmbH (Германия) и синтетический смазочный материал на основе жидких сополимеров (С₁₄-С₁₆) α-олефинов и α,β-ненасыщенной 1,4-дикарбоновой кислоты, этерифицированных н-бутанолом - продукт Ketjenlube фирмы Akzo Nobel (США). Смазочная композиция предназначена для использования в эксплуатационном режиме различного рода машин и механизмов, предпочтительно, двигателей внутреннего сгорания. Технический результат: улучшение антифрикционных свойств (кривая Герси-Штрибека), снижение противоизносных свойств на 12% (-1,05 мг), снижение щелочного числа на 19%. (Патент РФ №2426771, С10М 125/26, 2011 г.).

Недостатком смазочной композиции является ограниченная сфера применения, поскольку композицию нельзя будет использовать в минеральных маслах.

Известна триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам, содержащая 40-45% мас. двуокиси кремния; 2-3% мас. мусковита; 3,5-4,0% мас. альбита; 2-3% мас. микроклина; 0,001-1% мас. полиэдральных многослойных углеродных структур фуллероидного типа; 0,2-5,0% мас. смеси фуллеренов С₆₀ и С₇₀; аморфного углерода - остальное. Добавка имеет вид мелкодисперсного порошка с размером частиц 0,001-0,1 мкм (1-100 нм). В качестве аморфного углерода добавка содержит сажу. Добавка смешивается с моторными маслами или пластичными смазками. В моторное масло вводится 0,005-0,1% мас. добавки, а в пластичную смазку - 0,1-15,0% мас. Добавка предназначена для уменьшения износов трущихся поверхностей узлов трения как простых, так и сложных механизмов и агрегатов. Технический результат - уменьшение износа стального образца на 25-30% по сравнению со смазочным маслом, не содержащим добавки (RU 2277577 С1, 10.06.2006).

Недостатком добавки является многокомпонентный состав, что усложняет изготовление добавки.

Известна триботехническая добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам, содержащая 40-60% мас. аморфного диоксида кремния; 5-15% мас. аморфного оксида алюминия; 6-10% мас. аморфного углерода в виде сажи; 5-15% мас. аморфного оксида магния; 5-15% мас. кремнийорганического соединения алюминия и цинка в виде цинкалюмосилоксана в жидкой фазе и остальное - органический растворитель в виде толуола. Без растворителя добавка представляет гомогенизированную смесь порошков компонентов с размерами частиц не более 1 мкм (1000 нм). Органический растворитель необходим для нормального размешивания добавки в углеводородных смазках и топливах минерального или синтетического происхождения. Добавка предназначена для компенсации (восстановления) износа поверхностей трения элементов машин и механизмов. Технический результат - объемный износ 0,00012 м³·10^-3; средний за испытание коэффициент трения 0,0006-0,00065 (RU 2319731 С1, 20.03.2008).

Недостатками добавки являются:

- многокомпонентный состав добавки;

- крупный размер частиц компонентов;

- для нормального размешивания добавки в смазках и топливах необходим органический растворитель.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в заявке Германии DE 102007002233 А1, 31.07.2008, которое выбрано в качестве прототипа.

Смесь для нанокристаллического противоизносного защитного слоя по заявке Германии №102007002233 содержит твердые компоненты: 70-90% диоксида кремния, 5-15% оксида алюминия, 5-15% графита. Размер частиц по крайней мере одного твердого компонента составляет 0,1-10 нм, преимущественно 3 нм. Твердые компоненты вводятся в смазочное средство, которым является нефтяное масло, бензин, расплавленная пластмасса, паста. Весовая часть твердых компонентов, приходящаяся на смазочное средство, составляет 0,01-1,0%, преимущественно 0,05-0,5%. Смесь предназначена для использования в качестве смазки в двигателях внутреннего сгорания, в механических передаточных механизмах, в гидравлических системах. Технический результат - образование защитного слоя величиной 0,0001-0,1 мм, что приводит к низкому коэффициенту трения, уменьшает износ, повышает прочность поверхностей трения.

Недостатками смеси являются:

- недостаточно высокая эффективность смазочного материала;

- сравнительно большой расход твердых компонентов.

В приведенных аналогах авторы ставили своей задачей повышение антифрикционных, противозадирных и противоизносных свойств масла, повышение коллоидной стабильности, улучшение приработочных свойств, улучшение трибологических характеристик пар трения, увеличение адгезионной прочности покрытия на металлах, обеспечение высоких эксплуатационных характеристик смазочных материалов, обеспечение долговечности и эффективности работы смазки, стабильности работы двигателя, восстановление изношенных поверхностей трения, повышение равномерности, стабильности и долговечности антифрикционного покрытия.

Для каждой поставленной конкретной задачи требуется конкретная добавка, с помощью одной какой-либо добавки невозможно улучшить сразу все параметры и эксплуатационные характеристики двигателя.

Задачей настоящего изобретения является создание добавки такого компонентного состава, использование которой в смазочном материале обеспечивает снижение расхода топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Техническим результатом является снижение расхода топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Технический результат решается предлагаемой добавкой, представляющей собой мелкодисперсный порошок, содержащий смесь диоксида кремния с углеродом синтетическим. Содержание диоксида кремния со средним размером частиц 10 нм в смеси составляет 99,0-99,9% мас., содержание углерода синтетического со средним размером частиц 30 нм - 0,1-1,0% мас.

На фиг. 1 представлено изображение отдельных частиц в агломератах порошка диоксида кремния.

На фиг. 2 представлено распределение частиц порошка диоксида кремния по размерам.

На фиг. 3 представлены общий вид порошка и соответствующая данной области дифракционная картина, участок агломерата порошка.

На фиг. 4 представлена луковицеобразная структура наночастиц.

На фиг. 5 приведено распределение частиц углерода синтетического в образце по размерам.

В таблице 1 приведены составы смазочного материала, приготовленные для испытаний.

В таблице 2 приведены результаты испытаний добавки в дизельном генераторе марки DENYO DCA-150 SPM.

В таблице 3 приведены результаты испытания предлагаемой добавки на автомобилях марки Хундай с дизельными двигателями.

Особенностью углерода синтетического является то, что он представляет собой агломераты, состоящие из наночастиц «луковицеобразной» структуры.

Добавка вводится в количестве 0,005-0,01% мас. в смазочное масло, в количестве 0,01-0,02% мас. в пластичные смазки.

Отличительными признаками изобретения от прототипа являются качественные и количественные характеристики добавки:

- углеродным компонентом является углерод синтетический с «луковицеобразной» структурой наночастиц;

- количественное содержание углерода синтетического;

- размер частиц углерода синтетического;

- количественное содержание диоксида кремния.

Сущность изобретения поясняется получением компонентов добавки, результатами испытаний.

Получение диоксида кремния и углерода синтетического

Мелкодисперсный порошок диоксида кремния получают кислотным гидролизом тетраалкоголятов кремния с последующим высушиванием.

Углерод синтетический получают методом низкотемпературной плазмы при воздействии хлора на углеводороды (метан). В результате реакции получен мелкодисперсный порошок углерода.

Исследование полученных порошков диоксида кремния и углерода синтетического проводилось методом просвечивающей электронной микроскопии. Для проведения структурных исследований полученного порошка применялся просвечивающий электронный микроскоп JEM 2100 высокого разрешения, фирмы JEOL, Япония. Микроскоп JEM 2100 имеет разрешение по точкам 2,3 Å и по линиям - 1,4 Å, максимальное ускоряющее напряжение 200 кВ и прямое увеличение составляет до 1,5 млн раз. В качестве источника электронов используется катод LaB₆. Минимальный диаметр электронного пучка в режиме просвета составляет 20 нм, что позволяет в микролучевом режиме получить дифракционную картину с области такого же диаметра. Гониометрический столик позволяет наклонять образец по оси x ±60°, по оси у ±25°.

Исследование структуры методом просвечивающей электронной микроскопии проводили при ускоряющем напряжении 200 кВ. Средний диаметр пучка при получении изображения составлял приблизительно 100 нм. Стабильность по ускоряющему напряжению составляла 2·10^-6 мин^-1. Стабильность тока объективной линзы - 1·10^-6 мин^-1. При построении обрабатывалось 300 частиц.

Полученный порошок диоксида кремния представляет собой агломераты, состоящие из мелкодисперсных частиц. Средний размер частиц порошка диоксида кремния 10 нм. Фиг. 1 - Изображение отдельных частиц в агломератах порошка диоксида кремния.

На фиг. 2 приведено распределение частиц порошка диоксида кремния по размерам. При построении обработано 300 частиц. Максимум распределения частиц по размерам соответствует 10 нм.

Порошок углерода синтетического представляет собой агломераты, состоящие из мелкодисперсных частиц. Общий вид порошка и соответствующая данной области дифракционная картина приведена на фиг. 3 (а), а на фиг. 3 (б) приведен участок агломерата порошка.

Дифракционная картина соответствует структуре аморфного вещества, дальний порядок не сформирован, но на изображении высокого разрешения видна так называемая «луковицеобразная» структура наночастиц. Межполостное расстояние между графитоподобными слоями составляет приблизительно 0,35 нм (фиг. 4).

На фиг. 5 приведено распределение частиц углерода синтетического в образце по размерам. При построении обработано 300 частиц. Максимум распределения частиц по размерам соответствует приблизительно 30 нм.

Таким образом, полученный порошок углерода синтетического представляет собой агломераты, состоящие из мелкодисперсных частиц. В структуре порошка на изображении высокого разрешения видна так называемая «луковицеобразная» структура наночастиц. Межполостное расстояние между графитоподобными слоями составляет приблизительно 0,35 нм. Максимум распределения частиц по размерам в образце соответствует приблизительно 30 нм.

Заявляемая добавка приготавливается путем перемешивания компонентов при заданном массовом соотношении.

Перемешивание может осуществляться с помощью мешалок различной конструкции, цикруляционных насосов, кавитационных устройств и других подходящих приспособлений. Заявляемая добавка может вводиться в систему смазки, как в виде сухой смеси диоксида кремния с синтетическим углеродом, так и в виде их суспензии в штатном масле.

Для проведения испытаний штатное масло смешивалось с добавкой, представляющей собой 0,005-0,01%-ную суспензию в базовом масле из расчета 120 миллилитров добавки в базовом масле на 40 литров штатного масла. Для приготовления смазочного материала в качестве базового масла использовалось моторное масло марки И-40А (бесприсадочное).

Испытания смазочного материала

Для испытаний были приготовлены составы смазочного материала, см. таблицу 1.

Испытания предлагаемой добавки в дизельном генераторе марки DENYO DCA-150 SPM.

Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Кроме того, испытания предлагаемой добавки проводились на автомобилях марки Хундай с дизельными двигателями.

Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Использование предлагаемой добавки в моторном масле приводит к уменьшению расхода топлива в двигателях внутреннего сгорания автомобилей в среднем на 16,34%, улучшает эффективность использования топлива в среднем на 19,51%.

Приведенные результаты испытаний подтверждают сущность изобретения, но не ограничивают область использования смазочного материала.

Приведенные результаты испытаний свидетельствуют об эффективности использования добавки в смазочном материале, о целесообразности ее использования для улучшения эксплуатационных характеристик смазочных материалов.

Преимуществами является следующее.

Добавка химически нейтральна к смазочному материалу, что обеспечивает безопасность применения в любых узлах и механизмах.

Использование предлагаемой добавки в смазочном материале приводит к экономии расхода топлива в двигателях внутреннего сгорания. Помимо экономии топлива происходит продление сроков службы смазочного материала, продление сроков службы двигателей и агрегатов, снижение затрат на обслуживание техники, увеличиваются интервалы обслуживания.

Добавка к смазочным маслам и пластичным смазкам, включающая диоксид кремния, углерод, отличающаяся тем, что в качестве углерода она содержит углерод синтетический с «луковицеобразной» структурой наночастиц и средним размером частиц 30 нм, диоксид кремния со средним размером частиц 10 нм, при следующем соотношении компонентов, % мас:

Диоксид кремния	99,0-99,9
Углерод синтетический	0,1-1,0