Смазочные материалы используются для повышения эффективности, долговечности, надежности работы различных механизмов и машин, в основе чего лежит снижение трения, интенсивности изнашивания трущихся поверхностей и предотвращение заедания. Самыми распространенными многофункциональными смазками являются литиевые, на их долю приходится около 53 % всего производства пластичных смазок. Однако на сегодняшний день прослеживается тенденция по снижению лития в составе загустителя пластичных смазок. Из-за его применения в литий-ионных аккумуляторах появляется необходимость замены литиевых смазок на альтернативные, не уступающие им по эксплуатационным свойствам [2]. К таким универсальным смазочным материалам можно отнести полимочевинные смазки. На их долю в России приходится около 5–6 % от всего производства пластичных смазок, но, несмотря на малую долю производства по сравнению с литиевыми, они все больше привлекают внимание специалистов, так как обладают хорошей гидролитической способностью, износостойкостью, хорошими защитными свойствами и высокой термоокислительной стабильностью. Необходимо заметить, что полимочевинная смазка также обладает большим ресурсом работоспособности в подшипнике, поэтому ее используют в подшипниках одноразовой заправки [3]. Однако стоит учесть, что полимочевинные смазки без специальных добавок (наполнителей и присадок) обладают не очень высокими трибологическими характеристиками, а именно противоизносными и антифрикционными. Именно поэтому в состав смазок вводят наполнители – дисульфид молибдена, графит, нанопорошки металлов и различные присадки.
Одним из новых наполнителей, которые могут быть добавлены в полимочевинные смазки для повышения их трибологических характеристик, является хитозан. Хитозан – это биополимер, получаемый из хитина, который является основным компонентом скелета ракообразных. Хитозан обладает рядом свойств, которые способствуют улучшению противоизносных и антифрикционных характеристик смазок. Однако до сих пор его применяли только в медицинских целях (биодобавки к пище, мази, кровоостанавливающие средства и т.д.)
Молекулы хитозана содержат аминогруппу, молекула полярная и, соответственно, обладает высокой адгезией к металлическим поверхностям и может образовывать защитные пленки, которые снижают трение и износ между движущимися деталями. Это позволяет уменьшить потери энергии на трение и снизить коэффициент трения. Полимочевинный загуститель также содержит аминогруппу поэтому сразу можно прогнозировать низкую коррозионную активность смазок, а значит, они будут предотвращать образование коррозии на металлических поверхностях. Это позволяет улучшить долговечность и работоспособность смазочной системы. Хитозан является природным биоразлагаемым материалом, что является преимуществом с точки зрения экологической безопасности.
Таким образом, добавление хитозана в полимочевинные смазки может значительно улучшить их противоизносные и антифрикционные свойства, обеспечивая более эффективную защиту и снижение износа в механизмах и механических системах.
В данной работе для улучшения противоизносных свойств использовали хитозан природного происхождения. Хитозан добавляли на стадии приготовления смазки в процессе гомогенизации.
Результаты и обсуждение
Для приготовления полимочевинной смазки в качестве дисперсионной среды использовали нефтяное масло С-9, дисперсной фазы – димочевину. Хитозан добавили в качестве наполнителя. Использовали хитозан различный по сыревому происхождениюю и по дисперсности частиц.
Хитозан представляет из себя аморфно-линейный полимер природного происхождения. В основном хитозан получают в процессе деацелирования второго по распространению аминополисахарида – хитина , который получают из панцирей ракообразных, клеточных стенок грибов, экзоскелета насекомых, креветок. Производное хитина – хитозан – обладает уникальными свойствами по сравнению с хитином: растворяется в водных средах, а также обладает нетоксичностью, биосовместимостью, сорбционностью, биодеградируемостью (от 8 суток). Общее количество ракообразных в России составляет около 200 тыс. т в год, что обеспечивает возможность использования производных хитина, хитозана, в качестве легкодоступного компонента полимочевинных смазок [4].
Образцы хитозана, приведенные ниже, представляют из себя порошки разной дисперности в зависимости от способа получения, природного происхождения и, как следствие, являются биоразлагаемыми. Рассмотрим образцы хитозана, которые использовались в данной работе:
Образец под номером 1 представляет из себя аминополисахарид, полученный из панцирей ракообразных, он является натуральным источником особой липофильной формы пищевых волокон.
Образец под номером 2 представляет из себя низкомолекулярные хитоолигосахариды, полученные путем пропускания порошка хитозана через электронно-пучковой плазмохимический реактор. При этом в ходе реакции гидролиза образуется устойчивый биополимер.
Образец под номером 3 получен из панцирей креветок путем деацетилирования хитина креветок, то есть путем его обработки 10-15%-ным раствором гидроксида натрия и последующими сепарацией и промывкой полученного хитозана.
Образец под номером 4 представляет из себя низкомолекулярный биополимер, смесь деацетилированного хитина и поли-D-глюкозамина, полученый путем растворения высокомлекулярного хитозана в расторе кислоты и последующего осаждения и сепарации высокомолекулярных молекул хитозана.
Образец под номером 5 – это среднемолекулярный биополимер, смесь деацетилированного хитина и поли-D-глюкозамина, схожий по получению с образцом номер 4.
Размеры частиц хитозана образцов 1–5 приведены на рисунке 2 (a–д).
Размер частиц хитозана, как и форма, оказывает большое влияние на объемно-механические свойства полимочевинных смазок, которые обеспечивают эксплуатационные свойства – способность поступать смазки в узлы трения, удерживаться на поверхностях, восстанавливать свою структуру после приложения силы.
На рисунке 3 (1–5) приведены фотографии форм хитозана разного происхождения при приближении 100 мкм.
Для определения свойств полученных полимочевинных пластичных смазок были проведены следующие испытания: диаметр пятна износа по ГОСТ 9490-75, температура каплепадения по ГОСТ 6793, определение предела прочности смазок на сдвиг по ГОСТ 7143, антикоррозионные свойства (ГОСТ 859-2001, ГОСТ 15527-2004, ГОСТ 380-2005) и защитные (ГОСТ 859-2001, ГОСТ 15527-2004, ГОСТ 380-2005).
Введение хитозана осуществлялось с помощью ручного гомогенизатора, в котором полученная смесь полимочевинной смазки и наполнителя интенсивно перемешивалась за счет 100 двойных ходов перфорированной пластины.
В таблицах 1 и 2 приведены характеристики исходной полимочевинной пластичной смазки и образцов 1–6 с добавлением хитозана различных форм и размеров в качестве наполнителя.
Из таблицы 1 видно, что при добавлении 5–15 % хитозана разного происхождения происходит улучшение противоизносных свойств, наилучшие противоизносные свойства наблюдаются при добавлении низкомолекулярного хитозана (образец № 4), что обусловлено строением хитозана и его размером (рисунок 1, 2).
В таблице 2 отображены результаты испытаний полимочевинной смазки с добавлением хитозана. Из таблицы видно, что полимочевинная смазка с хитозаном имеет более высокий предел прочности по сравнению с исходной полимочевиной. Это происходит из-за упрочнения структуры смазки, т.к. хитозан сам по себе также обладает небольшим загущающим эффектом. Молекулы хитозана обладают способностью образовывать водородные связи с другими компонентами смазки, что повышает прочность и устойчивость смазки к разрушению.
По данным таблиц 3 и 4 видно, что добавление хитозана отрицательно не влияет на коррозионные и защитные свойства полимочевинных смазок.
Выводы
В свете последних тенденций в стремлении к созданию биоразлагаемых материалов поиск соответствующих компонентов становится неотъемлемой частью будущих исследований и разработок. В этом контексте наполнители для смазок, основанные на производных хитина, таких как хитозан, представляют интерес. Хитозан не только улучшает трибологические свойства пластичных смазок, но также является биоразлагаемым материалом, соответствуя стремлениям к устойчивому развитию и экологической безопасности.
Таким образом, внедрение хитозана в пластичные смазки на российском рынке может принести множество преимуществ, включая улучшенные трибологические характеристики и соответствие требованиям по биоразлагаемости. Это может способствовать развитию отечественной промышленности смазочных материалов, укреплению импортозамещения и удовлетворению потребностей российского рынка, а также потенциально созданию конкурентноспособных продуктов для экспорта.
Литература
[2]- https://habr.com/ru/companies/selectel/articles/531298/
[3]- Справочное пособие LUBRIZOL. Смазки/ рецензент проф. Ю.Л. Ищук.
[5]- http://vniro.ru/files/trydi_vniro/archive/tv_2018_t_170_article_10.pdf
[6]-http://myaventura.ru/poleznie-stati-o-ppu/vidy-polimocheviny-i-ikh-klassifikatsiya
