Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЭФИРЫ В СИНТЕТИЧЕСКИХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ
http://www.bobistheoilguy.com/forums/ubbthreads.php?ubb=showflat&Number=1252272
В простейшем варианте сложные эфиры могут быть определены как продукты реакции кислот со спиртами. Тысячи различных типов эфиров серийно выпускаются для широкого спектра применений. В области синтетических смазок, относительно небольшая, но все же существенная семья эфиров оказалась очень полезной в тяжелых условиях эксплуатации. Эта статья предусматривает общий обзор наиболее распространенных сложных эфиров, используемых в синтетических смазочных материалах и обсудит их важные преимущества и недостатки
Эфиры были успешно использованы в смазочных материалах в течение более 60 лет и они являются предпочтительными компонентами в сложных областях применения, где их преимущества решают проблемы или приносят прибыль. Например, исключительно сложные эфиры были использованы в смазках для реактивных двигателей по всему миру уже более 50 лет в связи с их уникальным сочетанием низкотемпературной текучести и возможности эксплуатации при высоких температурах. Эфиры являются предпочтительными компонентами в новых синтетических смазочных материалах для холодильников, использующих хладагенты, заменяющие CFC (хлорфторуглероды). Здесь сочетание ветвления и полярности делают эфиры смешиваемыми с хладагентами HFC (гидрофторуглеродами) и улучшает низко и высоко температурные характеристики эксплуатации. В автомобильной промышленности, первые качественные синтетические моторные масла были основаны исключительно на эфирных формулах и эти продукты были весьма успешными, если формулы были подобраны правильно. Эфиры уступили ПАО (полиальфаолефинам) в этом применении из-за меньших затрат на ПАО и их схожести с минеральными маслами по части формулирования. Тем не менее, сложные эфиры часто используются в сочетании с ПАО в полностью синтетических моторных маслах для того, чтобы сбалансировать влияние на прокладки, растворить добавки, снизить летучесть и повысить эффективность за счет повышения смазывающей способности. Доля эфира может варьироваться от 5 до 25% в зависимости от требуемых свойств и типа используемого эфира.
Новый фронт работ для эфиров это промышленный рынок, где количество продуктов, применений и операционных условий огромен. Во многих случаях то же самое оборудование, которое работает удовлетворительно на минеральном масле на одном заводе, может извлечь большую пользу от использования эфирного смазочного материала на другом заводе, где это оборудование эксплуатируется в более жестких условиях. Это рынок, где старые проблемы и новые вызовы могут возникнуть в любое время и в любом месте. Высокие эксплуатационные свойства и универсальность эфиров идеально подходит для решения этих проблем. Эфирные смазочные материалы уже захватили определенные ниши на промышленном рынке, такие как поршневые воздушные компрессоры и высокотемпературные промышленные печи. Когда человек сосредоточен на экстремальных температурах и их явных признаках, таких как дымление и депозиты, возможности применения эфирных смазочных материалов, решающих эти проблемы, практически безграничны.
Химия эфиров
Во многом эфиры очень похожи на более известные и более используемые синтетические углеводороды или ПАО. Как и ПАО, сложные эфиры синтезируют из относительно чистых и простых исходных материалов для получения заданных молекулярных структур, разработанных специально для высокопроизводительных смазочных материалов. Оба вида синтетических базовых компонентов являются в основном разветвленными углеводородами, которые термически стабильны, обладают высокими показателями вязкости, а также не имеют нежелательных и неустойчивых примесей, характерных для базовых масел на основе нефти. Основным структурным различием между эфирами и ПАО является наличие кислорода в молекулах углеводорода в виде нескольких эфирных связей (COOR), которые придают полярность молекулам. Эта полярность влияет на поведение эфиров в качестве смазочных материалов по следующим направлениям:
1) Волатильность: Полярность молекул эфира заставляет их притягиваться друг к другу, и это межмолекулярное притяжение требует больше энергии (тепла) для преобразования сложных эфиров из жидкого в газообразное состояние. Таким образом, при заданной молекулярной массе или вязкости, эфиры имеют более низкое давление паров, что приводит к более высокой точке вспышки и более низкой скорости испарения смазочного материала. Вообще говоря, чем больше эфирных связей в конкретном эфире, тем выше его точка вспышки и ниже его летучесть.
2) Смазывающая способность: Полярность также приводит к тому, что молекулы эфира притягиваются к положительно заряженным металлическим поверхностям. В результате молекулы стремятся выстроиться на поверхности металла и создают пленку, которая требует дополнительной энергии (нагрузки), чтобы ее убрать. В результате образуется более сильная пленка, которая имеет лучшую смазывающую способность и более низкое потребление энергии при применении в качестве смазочного материала.
3) Моющие свойства/ Диспергируемость: Полярная природа эфиров также делает их хорошими растворителями и диспергаторами. Это позволяет эфирам растворять или диспергировать побочные продукты разложения нефти, которые в противном случае могли бы отложиться в виде лака или шлама, и приводит к более чистому функционированию и улучшененной растворимости добавок в конечной смазке.
4) Биоразлагаемость: Будучи стабильной к окислительному и термическому разложению, эфирная цепь уязвима для микробов, которые могут начать свою работу по биоразложению молекул эфира. Это приводит к очень высокой степени биоразлагаемости эфирных смазочных материалов и позволяет создавать более экологически чистые продукты.
Другое важное различие между эфирами и ПАО это невероятное многообразие строения молекул эфира из-за большого выбора коммерчески доступных кислот и спиртов. Например, если человек ищет синтетические компоненты с вязкостью 6 cSt (кинематическая вязкость), в выборе доступны ПАО именно с вязкостью 6 сSt либо смесь более легких и более тяжелых ПАО. В любом случае, свойства полученных базовых компонентов, по сути, те же самые. С случае с эфирами, могут быть разработаны буквально десятки продуктов с вязкостью 6 сSt, каждый из которых будет иметь разную химическую структуру, подобранную исходя из конкретного желаемого свойства. Это позволяет "эфирному инженеру" создавать индивидуальную структуру молекулы эфира с оптимизированным набором свойств, определяемым конечным заказчиком или сферой применения. Эксплуатационные свойства, которые могут варьироваться структурой эфира, включают вязкость, индекс вязкости, летучесть, тенденцию к высокотемпературному коксованию, биоразлагаемость, смазывающую способность, гидролитическую стабильность, растворимость добавок и совместимость с уплотнительными материалами.
Как у любого продукта, у эфиров есть и минусы. Наиболее распространенной проблемой при разработке базовых масел на основе эфиров является совместимость с эластомерами материалов, используемых для уплотнения. Все эфиры будут стремиться инициировать набухание и смягчение большинства эластомерных уплотнений, однако степенью этого стремления можно управлять с помощью правильного подбора. Когда набухание уплотнения желательно, например, при балансировке усадки уплотнения и при усилении характеристик ПАО, должны быть использованы более полярные эфиры, а именно эфиры с более низким молекулярным весом и/или с большим количеством эфирных связей. При использовании в качестве эксклюзивных базовых масел, эфиры должны быть разработаны с учетом совместимости с уплотнениями или уплотнения должны быть заменены на те виды, которые более совместимы с эфирами.
Другим потенциальным недостатком эфиров является их способность вступать в реакцию с водой или гидролизироваться при определенных условиях. Обычно эта реакция гидролиза требует присутствия воды и тепла, а также относительно сильной кислоты или основания, чтобы катализировать реакцию. Так как эфиры, как правило, используются при очень высоких температурах, большого количества воды, как правило, нет и гидролиз редко является проблемой в реальных условиях эксплуатации. Там, где применение эфира может привести к гидролизу, его структура может быть изменена, чтобы значительно улучшить его гидролитическую стабильность и могут быть выбраны добавки для минимизации каких-либо нежелательных эффектов.
Ниже приводится обсуждение структур и особенностей наиболее распространенных семей эфиров, используемых в синтетических смазках.
Диэфиры
Диэфиры были оригинальными структурами эфиров причисленными к синтетическим смазкам в период Второй Мировой войны. Эти продукты получаются при взаимодействии одноатомных спиртов с двухосновными кислотами с образованием молекулы, которая может быть линейной, разветвленной или ароматической и может содержать две эфирных группы. Диэфиры, часто сокращенно DBE (ДКЭ - эфиры двухосновных кислот), называются по типу двухосновной кислоты, которая используется при их синтезе и часто имеют буквенную абревиатуру. Например, диэфир, образованный при взаимодействии изодецилового спирта и адипиновой кислоты будет известен как "адипинатовый" тип диэфира и будет сокращенно называться"ДИДА" (Диизодецил адипинат).
Ниже перечислены наиболее распространенные семьи диэфиров, используемых в производстве синтетических смазочных материалов, а также чаще всего используемые для их синтеза спирты.
Адипинаты являются наиболее широко используемыми диэфирами в связи с их относительно низкой стоимостью и хорошим балансом свойств. Как правило, их вязкость варьируется в пределах от 2,3 до 5,3 cSt при 100 ° C и они имеют точку застывания ниже -60 ° C. Показатели индекса вязкости адипинатов как правило от 130 до 150 и их окислительная стабильность, как и у большинства диэфиров, сопоставима с ПАО. Основным различием между адипинатными диэфирами и ПАО является наличие двух эфирных связей и связанных с этим преимуществ полярности, описанных выше. Наиболее распространенным использованием адипинатных диэфиров является их сочетание с ПАО в многочисленных сферах, таких как винтовые компрессорные масла, трансмиссионные масла, автомобильные масла и гидравлические жидкости. Адипинаты также используются в качестве базовых масел, где требуется биоразлагаемость или только высокие температуры имеет решающее значение, например, в текстильных смазочных материалах и маслах для цепи в печах.
Азелаинаты, себацинаты и додекадионаты аналогичны адипинатам за исключением того, что в каждом конкретном случае длина углеродной цепи (основа) в двухосновной кислоте больше. такое "растяжение основы" значительно увеличивает индекс вязкости и улучшает смазывающие характеристики эфира, сохраняя при этом все желаемые свойства адипинатов. Единственным недостатком этих типов диэфиров является цена, которая на 50 - 100 +% выше, чем цена адипинатов на оптовом уровне. Эта группа линейных DBE используется в основном в военных целях и где параметр смазывающей способности становится наиболее важным параметром.
Фталаты являются ароматическими диэфирами и их кольцевая структура значительно снижает индекс вязкости (он, как правило, значительно ниже 100) и у них теряется в основном преимущество биоразлагаемости. Во всех других отношениях, фталаты ведут себя подобно другим диэфирам и на 20 - 30% дешевле. Фталаты широко используются в смазках для воздушных компрессоров (особенно поршневого типа), где низкий индекс вязкости является нормой, а низкая стоимость применения является желательной.
Димераты производятся путем объединения двух молекул олеиновой кислоты, которые создают сильно разветвленную двухосновную кислоту, из которой получаются интересные диэфиры. Димераты обладают высокой вязкостью и высокими показателями индекса вязкости, сохраняя при этом отличную низкотемпературную текучесть. По сравнению с адипинатами, димераты выше по цене (30 - 40%), имеют предельную биоразлагаемость, а не так хороши при высокотемпературных применениях. У них хорошая смазывающая способность , и они часто используются в синтетических трансмиссионных маслах и в маслах для двухтактных двигателей.
Спирты используемые для синтеза диэфиров также влияют на свойства получаемых эфиров и, следовательно, являются важными факторами в процессе проектирования. Например, три распространенных спирта используется для получения диэфиров, каждый из которых содержит восемь атомов углерода и при реакции с адипиновой кислотой все они образуют диоктил адипинат. Тем не менее, свойства их совершенно различны. N-октил адипинат будет иметь самые высокие вязкость и индекс вязкости (около 50% выше, чем 2-этилгексил адипинат), но будет обладать относительно высокой температурой замерзания, делая их использование при низких температурах практически невозможным. При ветвистой структуре октилового спирта два других ДОА (диоктиладипината) не проявляют тенденции к замерзанию и имеют точку застывания ниже -60 ° C. Изооктиловый адипинат предлагает наилучший баланс свойств, совмещая высокий индекс вязкости с широким диапазоном температур. 2-этилгексил адипинат имеет VI на 45 единиц ниже и несколько большую летучесть (волатильность). Эти примеры демонстрируют важность объединения правильных спиртов с правильными кислотами при проектировании структур диэфира и дает инженеру по эфирам большую гибкость в работе. Кроме того, спирт может реагировать в одиночку или смешиваться с другими спиртами с образованием со-эфиров со своими уникальными свойствами.
Эфиры полиолов
Термин "полиол эфиры" это сокращение от неопентил сложных полиолэфиров, которые получаются при взаимодействии одноосновных кислот с многоатомными спиртами, имеющими неопентил группы. Уникальной особенностью структуры молекулы полиолэфира является тот факт, что у него нет атомов водорода на бета-углероде. Так как этот "бета-водород" является первым атомом термической атаки на диэфиры, устраняя этот атом мы существенно повышаем термическую устойчивость сложных полиолэфиров и позволяем использовать их при более высоких температурах. Кроме того, сложные полиолэфиры, как правило, имеют больше эфирных групп, чем диэфиры и их дополнительная полярность еще больше снижает летучесть (волатильность) и улучшает смазывающие характеристики, сохраняя при этом все другие полезные свойства, присущие диэфирам. Это делает полиолэфиры идеально подходящими для высокотемпературного использования, где производительность диэфиров и ПАО начинает падать.
Как и для диэфиров, много различных кислот и спиртов доступно для производства сложных полиолэфиров и даже еще большее количество перестановок возможно из-за наличия в них нескольких эфирных связей. В отличие от диэфиров, сложные полиолэфиры (ПОЭ) названы по названию спирта вместо названия кислоты, а кислоты часто представляют по длине их углеродной цепи. Например, полиолэфир, полученный при взаимодействии смеси nC8 и nC10 жирных кислот с триметилолпропаном будет называться "TMП" эфиром и представляться в виде TMП C8C10. Ниже приведен список наиболее распространенных видов сложных полиолэфиров:
Неопентилгликоли Glycols (НПГ) - 2 гидроксильных группы
Триметилолпропаны (ТМП) - 3 гидроксильных группы
Пентаэритритолы (ПЭ) – 4 гидроксильных группы
Дипентаэритритолы (ДиПЭ) – 6 гидроксильных групп
Все спирты, показанные выше, не имеют бета-водорода и отличаются в первую очередь по числу гидроксильных групп, которые они содержат в результате реакции с жирными кислотами. Разница в свойствах эфиров, так как они относятся к спиртам, прежде всего, связанна с молекулярной массой, и это такие свойства как вязкость, температура застывания, температура вспышки, и волатильность. Гибкость в проектировании этих жидкостей, в первую очередь, связанна с выбором и смешиванием кислот, этерифицируемых со спиртами.
Обычные или линейные кислоты вносят свой вклад аналогичными свойствами под влиянием их длины углеродной цепи или молекулярного веса. Например, более легкие кислоты, такие как C5, могут быть желательными для снижения низкотемпературной вязкости у высших спиртов, или та же цель может быть достигнута путем этерификации более длинных кислот (С10) с более короткими спиртами. В то время как свойства обычных кислот в основном связаны с длиной цепи, есть более тонкие различия между ними, которые могут позволить разработчику изменять такие свойства, как термическая стабильность и смазывающая способность.
Разветвленные кислоты добавляют новое измерение, наряду с длиной, расположением и количеством ветвей и все это влияет на поведение конечного эфира. Например, ответвление, расположенное вблизи кислотной группы может помочь препятствовать гидролизу в то время как несколько ветвей могут быть полезны для создания вязкости, повышения низкотемпературной текучести, а также повышение термической стабильности и чистоты. Универсальность этой семьи лучше всего можно понять, если учесть, что множество кислот, как правило, со-этерифицируются с полиолэфирами, что позволяет инженеру по эфирам контролировать множество свойств в одном эфире. Действительно, единичные кислоты редко используются в сложных полиолэфирах из-за расширенных свойств, которые могут быть получены в рамках совместной этерификации.
Полиолэфиры могут расширить диапазон высоких рабочих температур смазки аж на 50 - 100 ° C благодаря их превосходной стабильности и низкой волатильности. Они также известны своей прочностью пленки и увеличенной смазывающей способностью, что полезно для снижения потребления энергии во многих сферах применения. Единственным недостатком сложных полиолэфиров по сравнению с диэфирами является их более высокая цена, как правило, на 20 - 70 +% больше на оптовой основе.
Основным применением для сложных полиолэфиров являются смазочные материалы для реактивных двигателей, где они эксклюзивно используются уже более 40 лет. В данном случае, ожидается, что масло текуче при -65 ° C, легко качается при -40 °С, и выдерживает температуру (картера, отстойника) более 200 ° с интервалами замены, измеряемыми годами. Только сложные полиолэфиры удовлетворяют требовательным критериям данного применения и даже небольшие включения диэфиров и ПАО приведет к ухудшению спецификаций этих смазок. Полиолэфиры хороший вариант в смеси с ПАО для моторных масел для пассажирских машин. Переход от низкостоящих диэтилов к полиолэфирам был обусловлен, прежде всего, необходимостью сократить потребление топлива и снизить волатильность в современных спецификациях. Они также иногда используются в 2-х тактных маслах по тем же причинам. В промышленных целях сложные полиолэфиры широко используются в синтетических смазочных материалах для холодильных камер из-за их способности смешиваться с нехлорными хладагентами. Они также широко используются в очень высокотемпературных целях, таких как промышленные печи, стационарные газотурбинные двигатели, высокотемпературные смазки, огнестойкие трансформаторные теплоносители, огнестойкие гидравлические жидкости, и текстильные смазочные материалы.
В общем, сложные полиолэфиры предоставляют самый высокий уровень производительности для высокотемпературных применений по разумной цене. Хотя они стоят дороже, чем многие другие виды синтетики, их преимущества часто объединяются, чтобы сделать эту химию наиболее экономически эффективной в самых тяжелых условиях применения. Основные преимущества включают продление жизни, высокую температуру эксплуатации, снижение периодов профилактических простоев, снижение энергопотребления, уменьшение дымности, а также биоразлагаемость.
Другие эфиры
Хотя диэфиры и сложные полиолэфиры являются наиболее широко используемыми семьями эфиров в синтетических смазках, две другие семьи эфиров также стоят упоминания. Это моноэфиры и тримеллитаты.
Моноэфиры получены реакцией одноатомных спиртов с одноосновными жирными кислотами с образованием молекулы с одной эфирной связью и линейными или разветвленными алкильными группами. Эти продукты, как правило, имеют очень низкую вязкость (обычно до 2 cSt при 100 ° C) и имеют очень низкие точки текучести и высокие индексы вязкости. Наличие эфирной связи придает полярность, которая помогает компенсировать высокую волатильность, ожидаемую от таких малых молекул. Таким образом, по сравнению с углеводородами равного молекулярного веса, моноэфиры будут иметь значительно более высокую температуру вспышки, что дает им более широкий температурный диапазон в использовании. Моноэфиры используются в основном для очень холодных условий, например в арктических гидравлических маслах и для глубоководного бурения. Они также могут быть использованы в разработке автомобильных добавок для улучшения холодного пуска.
Тримеллитаты являются ароматическими триэфирами, которые похожи на описанные фталаты диэфиров, но с третьей эфирной связью. Имея в составе три спирта, тримеллитаты значительно более вязкие, чем линейные адипинаты или фталаты. Диапазон вязкости от 9 до 20 сСт при 100 ° C. Как и фталаты, тримеллитаты имеют низкий индекс вязкости и слабую биоразлагаемость и находятся в ценовом диапазоне между адипинатами и полиолами. Триметиллитаты, как правило, используются там, где необходима высокая вязкость, так например в трансмиссионных маслах, смазочных материалах для цепей и различных густых смазках.
Резюме
Эфиры являются широким и разнообразным семейством синтетических базовых смазочных материалов, которые могут быть специально разработанны для удовлетворения специфических физических и эксплуатационных свойств. Присущая эфирам полярность улучшает их производительность в смазке за счет снижения волатильности, повышения смазывающих свойств, обеспечивая чистые операции, и делая продукты биоразлагаемыми. Широкий спектр доступного сырья позволяет дизайнеру по эфирам оптимизировать продукт в широком диапазоне переменных для того, чтобы максимально повысить производительность и ценность для клиента. Они могут быть использованы единолично при очень высокой температуре для оптимальной производительности либо в смеси с ПАО или другими синтетическими базовыми маслами, где их дополнительные свойства улучшают баланс готовой смазки. Эфиры были использованы в синтетических смазочных материалах на протяжении более 60 лет и их разработки продолжаются как стимул в стремлении повысить эффективность их работы в еще более суровых условиях. Из-за сложностей, связанных с проектированием, отбором и смешиванием базовых эфирных масел, выбор оптимального эфира должен быть оставлен квалифицированному инженеру по эфирам, который может лучше сбалансировать заданные свойства.