Способ получения целлюлозного загустителя для пластичной смазки

Изобретение относится к способам применения целлюлозы, более конкретно, к способам получения дисперсий целлюлозы как органического биоразлагаемого загустителя для смазочных материалов, в том числе пластичных смазок. Способ получения целлюлозного загустителя для смазок включает получение суспензии целлюлозы в среде протонодонорного осадителя - спирта, содержащего от 1 до 4 атомов углерода, или воды. Вначале целлюлозу вводят в смесь растворителей, содержащую N-метилморфолин N-оксид и полярный апротонный сорастворитель с параметром растворимости Гильдебранда от 22.5 до 25.0 МПа^1/2. Затем перемешивают полученную смесь при температуре от 80°С до 140°С до получения раствора целлюлозы с концентрацией 0.5-5 мас. % и добавляют осадителя с образованием путем фазового распада суспензии целлюлозы. Затем ее промывают осадителем до удаления смеси растворителей. Технический результат: повышение эффективной вязкости и предела текучести концентрированных суспензий целлюлозы. 1 табл., 7 пр.

 

Изобретение относится к способам применения целлюлозы, более конкретно, к способам получения дисперсий целлюлозы как органического биоразлагаемого загустителя для смазочных материалов, в том числе пластичных смазок.

К известным техническим решениям получения дисперсий целлюлозы, в т.ч. наноцеллюлозы, относятся обработка целлюлозного сырья с целью его измельчения благодаря интенсивному механическому воздействию, которое может сочетаться с предварительным, одновременным или многократным проведением процедур кислотного, щелочного или ферментативного гидролиза сырья (см., патент RU 2428482, кл. МПК С12Р 19/04, опубл. 10.09.2011). Полученные композиции характеризуются содержанием целлюлозы в количестве от 0.01 до 1 мас. %, тогда как предпочтительное содержание целлюлозы составляет от 0.03 до 0.5 мас. % в общей массе жидких композиций. Данные композиции модифицируют вязкостные свойства водной среды, а именно при добавлении целлюлозы в количестве не более 0.36 мас. % в воду приводит к увеличению ее вязкости по меньшей мере до 300 сП (0.3 Па⋅с), а также придает образцу предел текучести величиной по меньшей мере 1.0 дин/см² (0.1 Па).

К недостаткам данного изобретения можно отнести получение низкоконцентрированных дисперсий (суспензий) и недостаточное загущение дисперсионной среды для придания ей свойств пластичной смазки.

Известен способ получения целлюлозного загустителя для смазок, включающий смешение целлюлозы в форме нановолокна с водой с получением водной дисперсии с содержанием нановолокна 2% мас. (см., заявка US 2018/79983, кл. МПК С10М 119/20, С10М 169/06, С10М 175/00, С10М 177/00, опубл. 22.03.2018).

Этот способ может быть принят как наиболее близкий аналог (прототип).

Недостаток прототипа заключается в том, что целлюлоза в виде нановолокон (торговой марки "BiNFi-s", "Sugino Machine Limited", Япония) недостаточно повышает вязкость смазки. Согласно данным производителя нановолокон эффективная вязкость их 2%-ной дисперсии при скорости сдвига 0.3 с^-1 составляет 300 Па⋅с, тогда как предел текучести дисперсии равен 100 Па.

Задача изобретения заключается в получении концентрированной дисперсии целлюлозы, характеризующейся более высокими показателями эффективной вязкости и предела текучести.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения целлюлозного загустителя для пластичной смазки, включающем получение суспензии целлюлозы в среде протонодонорного осадителя, его осуществляют путем введения целлюлозы в смесь растворителей, содержащую N-метилморфолин N-оксид и полярный апротонный сорастворитель с параметром растворимости Гильдебранда от 22.5 до 25.0 МПа^1/2, перемешивания полученной смеси при температуре от 80°С до 140°С до получения раствора целлюлозы с концентрацией 0.5-5 мас. % и добавления протонодонорного осадителя - спирта, содержащего от 1 до 4 атомов углерода, или воды, с образованием путем фазового распада суспензии целлюлозы, которую затем промывают протонодонорным осадителем до удаления указанной смеси растворителей.

Согласно предлагаемому изобретению в качестве смеси апротонных полярных растворителей используют N-метилморфолин N-оксид и сорастворитель, характеризующийся параметром растворимости Гильдебранда, лежащим в пределах от 22.5 до 25.0 МПа^1/2. В качестве таких сорастворителей могут выступать, например, диметилсульфоксид (24.9 МПа^1/2), N,N-диметилформамид (24.9 МПа^1/2), N,N-диметилацетамид (22.8 МПа^1/2), N-метилпирролидон (23.0 МПа^1/2), гексаметилфосфортриамид (23.3 МПа^1/2), ацетонитрил (24.4 МПа^1/2) и другие. В качестве протонодонорного инициатора фазового распада (осадителя целлюлозы) используют или воду, или любой спирт, содержащий не более четырех атомов углерода (например, метанол, этанол, этиленгликоль, пропанол, изопропанол, пропиленгликоль, глицерин и т.д.).

Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемое техническое решение.

Дисперсию целлюлозного загустителя получают посредством фазового распада раствора целлюлозы, приготовленного в смеси N-метилморфолин N-оксида и диметилсульфоксида, взятых в соотношении 1 к 2.5, введением в этот раствор низкомолекулярного спирта - метанола (Пример 1), или более высокомолекулярного спирта, например, изобутанола (Пример 2); кроме того, для инициирования фазового распада можно использовать воду (Пример 3). Характеристикой дисперсий с одинаковым содержанием целлюлозного загустителя является эффективная вязкость: чем выше ее уровень, тем более данный целлюлозный загуститель способен загущать смазочную композицию. Поскольку с ростом температуры эффективная вязкость падает, композиции с большей вязкостью предназначены для использования при более высоких температурах. При прочих равных условиях для получения более вязкой композиции следует менее интенсивно разбавлять загуститель осадителем при его промывке для создания более концентрированной дисперсии (Пример 4).

Пример 5 (сравнительный) показывает повышение вязкости и предела текучести суспензии целлюлозы при том же массовом содержании целлюлозы, что в известном техническом решении (патент РФ 2428482).

Стоит отметить, что рост концентрации загустителя в составе смазочной композиции может благоприятствовать снижению износа (Пример 6).

Характеристикой смазочных композиций является способность снижать коэффициент трения между трущимися поверхностями. Коэффициент трения между стальными поверхностями, измеренный при использовании пары трения шар-плоскость, силы трения 30 Н и линейной скорости контртела 1.5 м/с, составляет 0.57. Смазывание поверхностей полученными дисперсиями снижает коэффициент трения до уровня 0.1-0.19, причем конкретное значение зависит от природы дисперсионный среды и понижается с повышением содержания целлюлозного загустителя.

Способность целлюлозного загустителя к повышению вязкости среды и снижению коэффициента трения при изменении условий его получения не ухудшается (Пример 7).

Пример 1

Для получения раствора целлюлозы один ее грамм добавляют в комплексный растворитель, состоящий из 14 грамм N-метилморфолин N-оксида и 35 грамм диметилсульфоксида. При температуре 120°С смесь перемешивают на устройстве роторного типа в течение 20 минут для получения прозрачного 2 мас. %-ного раствора целлюлозы желтого окраса. Затем, не прекращая интенсивного перемешивания, прибавляют 100 мл метанола. Полученную в результате фазового распада массу охлаждают, промывают на фильтре Шотта с использованием колбы Бунзена и водоструйного вакуумного насоса последовательным прибавлением метанола (общим объемом 200 мл) для удаления остатков N-метилморфолин N-оксида и диметилсульфоксида. После промывания массу извлекают (не давая ей высохнуть под вакуумом) и разбавляют метанолом для получения 2 мас. %-ной дисперсии. Полученная дисперсия представляет собой вязкопластичный органогель с эффективной вязкостью, измеренной при скорости сдвига 0.3 с^-1 и 25°С, 1500 Па⋅с и пределом текучести 460 Па.

Результаты по предлагаемому способу представлены в таблице.

Пример 2

К 2 мас. %-ному раствору целлюлозы в смеси N-метилморфолин N-оксида и диметилсульфоксида, полученному по способу, указанному в примере 1, нагретому до 120°С и интенсивно перемешиваемому на роторном перемешивающем устройстве, прибавляют 100 мл изобутанола. Полученную в результате фазового распада массу охлаждают и промывают как указанно в примере 1, но с использованием для промывки изобутанола вместо метанола. Полученная дисперсия, содержащая 2 мас. % целлюлозного загустителя, представляет собой вязкопластичный органогель, характеризующийся эффективной вязкостью 1300 Па⋅с и пределом текучести 400 Па.

Результаты по предлагаемому способу представлены в таблице.

Пример 3

К 2 мас. %-ному раствору целлюлозы в смеси N-метилморфолин N-оксида и диметилсульфоксида, полученному по способу, указанному в примере 1, нагретому до 120°С и интенсивно перемешиваемому на роторном перемешивающем устройстве, прибавляют 100 мл воды. Полученную в результате фазового распада массу охлаждают и промывают как указанно в примере 1, но с использованием для промывки воды вместо метанола. Полученная дисперсия, содержащая 2 мас. % целлюлозного загустителя, представляет собой вязкопластичный гидрогель, характеризующийся эффективной вязкостью 1600 Па⋅с и пределом текучести 490 Па.

Результаты по предлагаемому способу представлены в таблице.

Пример 4

Дисперсию получают аналогично способу, указанному в примере 1, но при промывании целлюлозу разбавляют для достижения уровня ее концентрации 3 мас. %. Полученная дисперсия, содержащая 3 мас. % целлюлозного загустителя, представляет собой вязкопластичный органогель, характеризующийся эффективной вязкостью 2500 Па⋅с и пределом текучести 750 Па.

Результаты по предлагаемому способу представлены в таблице.

Пример 5 (сравнительный)

Дисперсию получают аналогично способу, указанному в примере 3, но при промывании целлюлозу разбавляют для достижения уровня ее концентрации 0.36 мас. %. Полученная дисперсия, содержащая 0.36 мас. % целлюлозного загустителя, представляет собой вязкопластичный гидрогель, характеризующийся эффективной вязкостью 3.0 Па⋅с и пределом текучести 0.9 Па.

Результаты по предлагаемому способу представлены в таблице.

Пример 6

Дисперсию получают аналогично способу, указанному в примере 3, но при промывании целлюлозу разбавляют для достижения уровня ее концентрации 3.2 мас. %. Полученная дисперсия, содержащая 3.2 мас. % целлюлозного загустителя, представляет собой вязкопластичный гидрогель, характеризующийся эффективной вязкостью 2300 Па⋅с и пределом текучести 690 Па.

Результаты по предлагаемому способу представлены в таблице.

Пример 7

Для получения раствора целлюлозы два ее грамма добавляют в комплексный растворитель, состоящий из 35 грамм N-метилморфолин N-оксида и 14 грамм диметилформамида. При температуре 140°С смесь перемешивают на устройстве роторного типа в течение 20 минут для получения прозрачного 4 мас. %-ного раствора целлюлозы желтого окраса. Затем, не прекращая интенсивного перемешивания, прибавляют 100 мл метанола. Полученную в результате фазового распада массу охлаждают и промывают как указанно в примере 1. Полученная дисперсия, содержащая 2 мас. % целлюлозного загустителя, представляет собой вязкопластичный органогель, характеризующийся эффективной вязкостью 1500 Па⋅с и пределом текучести 440 Па.

Результаты по предлагаемому способу представлены в таблице.

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого изобретения, заключается в повышении эффективной вязкости и предела текучести концентрированных суспензий целлюлозы.

Таким образом, техническое решение позволяет получать целлюлозные загустители для использования в составе смазочных композиций, предназначенных для широких областей применения.

Способ получения целлюлозного загустителя для пластичной смазки, включающий получение суспензии целлюлозы в среде протонодонорного осадителя, отличающийся тем, что его осуществляют путем введения целлюлозы в смесь растворителей, содержащую N-метилморфолин N-оксид и полярный апротонный сорастворитель с параметром растворимости Гильдебранда от 22.5 до 25.0 МПа^1/2, перемешивания полученной смеси при температуре от 80°С до 140°С до получения раствора целлюлозы с концентрацией 0.5-5 мас. % и добавления протонодонорного осадителя - спирта, содержащего от 1 до 4 атомов углерода, или воды с образованием путем фазового распада суспензии целлюлозы, которую затем промывают протонодонорным осадителем до удаления указанной смеси растворителей.