Способ получения противозадирной присадки для тяжелонагруженных узлов трения

Изобретение относится к области трибологии и конкретно касается способа получения противозадирной присадки в смазочные композиции, используемые в тяжелонагруженных узлах трения. Противозадирные присадки обеспечивают безаварийную работу и предотвращает износ трущихся поверхностей при высоких нагрузках без задира и заедания или смягчает протекание этих процессов [1]. При умеренных нагрузках эту функцию выполняют противоизносные присадки [1, 2]. Поскольку граница между высокими и умеренными нагрузками достаточно условна, то и применяемые присадки могут использоваться либо как противозадирные, либо как противоизносные. К ним относятся некоторые соединения серы, фосфора, хлора и других элементов [1].

Типичным примером тяжелонагруженного узла трения является система колесо-рельс, возникающая при прохождении поездом криволинейных участков железнодорожного пути [3,4].

Среди разнообразных мер, применяемых для снижения износа колес и рельсов [5], большинство исследователей считают, что наиболее надежным способом предупреждения износа в паре трения колесо-рельс является введение смазки в зону трения [6].

Ввиду сложности взаимодействия в системе колесо-рельс применяемые смазки, как правило, имеют достаточно сложный состав и содержат несколько компонентов, среди которых присутствуют противозадирные присадки. С экономической точки зрения перспективным является использование в смазочных композициях отходов различных производств. В этом отношении особый интерес представляет многотоннажный отход лесохимической отрасли - лигнин, макромолекулы которого имеют форму, близкую к сферической [7] и могут обеспечивать антифрикционный эффект [8].

Для усиления противозадирного эффекта в смазочную композицию вводят хлорированный лигнин [9] или продукт его сульфидирования - сульфидированный лигнин [10].

Цель предлагаемого изобретения - разработка способа получения противозадирной присадки, обладающей высокой адгезией к трущимся металлическим поверхностям, сочетающей противозадирные и антифрикционные свойства.

Предлагаемый способ заключается в проведении поликонденсации сульфида калия, получаемого из элементной серы, гидроксида калия в среде гидразингидрата с двумя хлорорганическими реагентами - хлорированным лигнином и винилиденхлоридом.

Растворение серы в системе гидразингидрат-KOH описывается следующим уравнением:

2S+4KOH+N₂H₄⋅H₂O→2K₂S+N₂+5H₂O

Поликонденсацию винилиденхлорида и хлорлигнина с K₂S можно представить следующей схемой:

Остаточный хлор может содержаться как на частицах лигнина, так и во фрагментах - SCH=CHCl.

Существенным отличительным признаком синтезированной присадки является наличие в ее составе фрагментов с двойной связью - SCH=СН -, которая за счет π-электронов обеспечивает дополнительное координационное взаимодействие присадки с ионами металлов металлической кристаллической решетки трущихся поверхностей, что облегчает и усиливает адгезию присадки к поверхности металлов. Наличие двойной связи в молекулах синтезируемой присадки подтверждается исследованием ИК спектров получаемых продуктов. В их ИК спектрах присутствует полоса средней интенсивности, соответствующая валентным колебаниям в С=С связи (1605 см^-1). В хлорированном лигнине эта полоса отсутствует. Валентным колебаниям атомов С-Н при двойной связи соответствует полоса при 3027 см^-1.

Поликонденсация вилиденхлорида с серой с образованием олигомерных продуктов рассмотрена в работе [11].

Для этой реакции используется мольное соотношение KOH:S=4:1, винилиденхлорид: S=1:1. Гидразингидрат использован как реагент-восстановитель, так и растворитель.

Введение в реакционную систему хлорированного лигнина из-за низкого содержания в нем хлора практически не изменяет соотношение S:Cl. Количество вводимого хлорлигнина наиболее оптимально соответствует массовому соотношению S : хлорлигнин=1:2. Снижение количества хлорлигнина ниже указанного соотношения приводит к уменьшению выхода продукта.

Увеличение количества хлорлигнина выше указанного оптимального соотношения снижает содержание серы - основного элемента, определяющего противозадирные свойства.

В отличие от олигомеров, полученных в работе [11], заявленный продукт практически не содержит азота.

Получение противозадирной присадки иллюстрируется следующими примерами.

В примерах использован хлорлигнин двух видов, различающихся содержанием хлора (2,4% и 3,4% масс).

Пример 1. В реакционной колбе растворяют 14 г (0,25 моль) KOH в 50 мл гидразингидрата. В полученный раствор при температуре 55-60°С вводят порциями 2 г (0,062 моль) растертой в порошок серы. Смесь перемешивают 2 ч при 55-60°С, охлаждают до 25°С и вводят 4 г хлорлигнина (содержание Cl - 2,4%) и при перемешивании добавляют по каплям 6,0 г (0,062 моль) винилиденхлорида. Реакционную смесь перемешивают 5 ч при 25°С. Выпавший темнокоричневый осадок отфильтровывают, промывают водой, этанолом и сушат, выход 4,5 г (112% относительно взятого хлорлигнина). Содержание серы 7,62%, хлора - 2,13%.

Пример 2. В условиях примера 1, но при добавлении в раствор серы 4 г хлорлигнина с содержанием хлора 3,4%, далее реакционную смесь обрабатывают как в примере 1 и получают 4,3 г продукта (108% относительно взятого хлорлигнина) с содержанием серы 10,08%, хлора 1,94%.

Пример 3. В условиях примера 1, но при добавлении 2 г хлорлигнина получено 1,8 г продукта (90% относительно взятого хлорлигнина), содержащего 9,62% серы и 5,58% хлора.

Пример 4. В условиях примера 2, но при добавлении 2 г хлорлигнина получено 1,7 г продукта (85% относительно взятого хлорлигнина). Содержание серы 10,78%, хлора - 3,18%.

Пример 5. В условиях примера 1, но при добавлении 6,0 г хлорлигнина получено 6,2 г продукта (103% относительно взятого хлорлигнина), содержащего 5,15% серы и 2,33% хлора.

Пример 6. В условиях примера 2, но при добавлении 6,0 г хлорлигнина получено 5,9 г продукта (98% относительно взятого хлорлигнина), содержащего 3,68% серы и 2,16% хлора.

Все полученные образцы противозадирной присадки были испытаны на машине трения МИ-1М с применением смазочной композиции, содержащей 55-65% низкомолекулярного полиэтилена, 25% отработанного дизельного масла и 20-10% испытуемой присадки. При всех испытаниях за 18 ч работы износ роликов находился в пределах ошибки взвешивания (±0,001 г).

Предлагаемая присадка получается из доступного сырья с применением обычного реакторного и вспомогательного оборудования.

Литература

1. Кулиев A.M. Химия и технология присадок к маслам и топливам. Л.: Химия. 1985, 312 с.

2. Виноградова И.Э. Противоизносные присадки к маслам. М.: Химия. 1972, 272 с.

3. Марков Д.П. Триботехнические характеристики элементов пары трения колесо-рельс // Трение и износ. 1995. Т. 16. №11. С. 138-156.

4. Андреев А.И., Комаров К.Л., Карпущенко Н.И. Износ рельсов и колес подвижного состава // Железнодорожный транспорт. 1997. №7. С. 31-36.

5. Перцев А.Н. О причинах износа колес и рельсов // Железные дороги мира. 1998. №4 С. 60-62.

6. Карпущенко Н.И. Смазка - единственный способ предупреждения износа // Путь и путевое хозяйство. 2000. №2. С. 15-18.

7. Боголицын К.Г., Лунин В.В., Косяков Д.С. и др. Физическая химия лигнина. Архангельск: Изд-во Архангельского гос. техн. ун-та. 2009, 489 с.

8. Воротилкин А.В. и др. Пат РФ №2318013. Композиция для снижения износа в паре трения колесо-рельс. 2008 г.

9. Хоменко А.П. и др. Пат. РФ №2439138. Использование хлорированного лигнина в качестве противозадирной присадки в смазочных композициях для тяжелонагруженных узлов трения. 2012 г.

10. Казак А.А. и др. Пат. РФ №2552997. Использование сульфидированного лигнина в качестве противозадирной присадки в смазочных композициях для тяжелонагруженных узлов трения. 2015 г.

11. Леванова Е.П. и др. Реакции дихлорэтенов с серой в системе гидразингидрат-KOH // Журнал общей химии. 2018. Т. 88. С. 353-359.