ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

                               

Степанова Т.Ю. (ГОУВПО ИГХТУ, г. Иваново, РФ)

 

 The effectiveness of lubrication on the basis of oxyethylated substances was studied.

 

Для увеличения долговечности и надежности, повышения работоспособности и эксплуатационной эффективности механизмов и оборудования применяют смазочные материалы, к которым относятся органические и неорганические вещества способные снижать трение, уменьшать износ трущихся поверхностей.

В простейшем виде пластичная смазка представляет собой двухкомпонентную систему, состоящую из жидкой основы  - дисперсионной среды и твердого загустителя – дисперсной среды.

В качестве дисперсной среды, которая составляет 75-95 % от состава смазки, традиционно принято использовать нефтяные, синтетические масла. Дисперсная фаза, несмотря на относительно низкую концентрацию (5 – 25 %) в смазывающей композиции определяет основные эксплуатационные характеристики смазок. Дисперсной фазой служат соли высших карбоновых кислот – мыла, твердые углеводороды, полимеры, пигменты, а также другие высокодисперсные вещества с хорошо развитой удельной поверхностью и способные к структурообразованию в неводных средах.

В качестве пластичных смазок разработаны три композиционных состава, не содержащие минеральных и растительных масел. Роль дисперсионной среды выполняют оксиэтилированные спирты с различной молекулярной массой. Дисперсная фаза смазок включает высшие карбоновые кислоты  и эфиры жирных кислот. Для регулирования структурообразования в смазку также введены поверхностно-активные вещества.

Структурообразование в свободнодисперсных системах есть результат потери их агрегативной устойчивости. По мере увеличения прочности структуры свободнодисперсная система переходит в связнодисперсную систему. Появление и характер образующихся  структур определяют по механическим свойствам систем, к важнейшим из которых относится вязкость и прочность. Так как эти свойства связаны непосредственно со структурой тел, то их обычно называют структурно-механическими.

Структурно-механические свойства систем исследуют методами реологии. Реология изучает механические свойства систем по появлению деформации под действием внешних напряжений.

Жидкости деформируются при наложении минимальных нагрузок. Под действием разности нагрузок они текут. Течение является одним из видов деформации, при котором величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления (нагрузки).  Жидкости при течении не сжимаются, и их плотность остается практически постоянной.

Согласно второй аксиоме реологии, любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами. Основными из них являются вязкость и прочность, которые проявляются при сдвиговой деформации.

При исследовании разработанных смазочных композиций было установлено, что они относятся к неньютоновским жидкостям. Течение неньютоновских жидкостей не следует закону Ньютона, их вязкость зависит от напряжения сдвига. Опытные композиции содержат асимметричные частицы и растворы полимеров. По мере роста напряжения сдвига, частицы смазки перпендикулярно поверхности трения. Движение частиц становится  упорядоченным, что ведет к уменьшению вязкости и коэффициента трения.

Третья смазочная композиция с большим содержанием твердой фазы проявляет дилатантное поведение. При течении этой дисперсной системы под действием малых нагрузок дисперсионная среда играет роль смазки, уменьшая силу трения (коэффициент трения от 0,05 до 0.02) и соответственно вязкость. С возрастанием нагрузки плотная упаковка частиц нарушается (разрыхляется), объем системы несколько увеличивается (увеличивается межчастичный объем), что приводит к оттоку жидкости в расширенные участки и недостатку ее для смазки трущихся друг о друга частиц, т.е. вязкость возрастает. На поверхности трибоповерхностей образуется плотный слой смазки.

Исследуемые композиционные смазки имеют линейную форму частиц в виде вытянутых палочек, ориентированных в потоке, поэтому вязкость системы уменьшается с увеличением напряжения сдвига.

Увеличение вязкости смазки, обусловленное наличием поверхностных слоев, таких как адсорбционных, называется соответственно адсорбционным эффектом.

Так как поверхностные слои не изменяют формы частиц, то их влияние можно учесть, увеличив объемную долю дисперсной фазы на объем слоев.

Если объемную долю слоев обозначить через φ_δ, а объемную долю дисперсной фазы  - φ,  φ_δ  / φ = К, то

                                                        η_уд  = 2,5(1 + К)φ               (1).

Теория Эйнштейна была использована Штаудингером для описания вязкости разбавленных растворов полимеров. Растворы, содержащие палочкообразные  макромолекулы, должны соблюдать  соотношение:

                                                          η_уд = КМс                        (2),

где К – константа, характерная для данного полимергомологического ряда в данном растворителе, М – молекулярная масса полимера, с – массовая концентрация полимера.

По представлениям Штаудингера, чем длиннее молекулярная цепь полимера, тем больший объем вращения она имеет (больше объемная концентрация) и тем больше вязкость раствора.

Из уравнения (2) следует, что удельная вязкость, отнесенная к единице концентрации (приведенная вязкость), не зависит от концентрации раствора полимера и пропорционально его молекулярной массе: 

                                                             η_уд /с = КМ                                   (3).

Уравнение (3) используют для определения молекулярной массы полимеров. Оно справедливо только для растворов с короткими и жесткими цепями, которые могут сохранять палочкообразную форму. Таковыми являются исследуемые смазочные композиции.

Реологические исследования 3–х опытных смазочных композиций проводили на программируемом вискозиметре ДV  ± компании Брукфилда, предназначенного для измерения вязкости жидкости при заданных скоростях сдвига.

Принцип работы  вискозиметра – вращение специального измерительного шпинделя, погруженного в тестируемую жидкость, посредством калибровочной спиральной пружины. Вязкое трение жидкости о шпиндель определяется по закручиванию приводной пружины, которое измеряется датчиком угла вращения.

Испытание опытных образцов проводили в широком температурном диапазоне от 50 до 100^оС и при различных скоростях вращения шпинделя от 1 до 200 об/с.  

Трибологические свойства опытных смазочных композиций исследовали на машине трения СМТ – 1. Для эксперимента взята пара трения сталь 45- сталь 45. Скорость скольжения ролика - 500 об/мин, нагрузка - от 0,2 до 0,8 кН.  

Результаты испытаний исследуемых смазочных композиций приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Результаты  реологических и трибологических испытаний композиционных смазок

№ п/п	Молекулярная масса полимера	Динамическая вязкость, МПа·с	Модуль сдвига, Н/м2	Коэффициент трения
1.	400	68-66	2,8-13	0,050-0,030
2.	1600	37-35	2,5-6,8	0,045-0,020
3.	3500	65-45	6,1-10	0,040-0,018

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что с повышением  напряжения сдвига динамическая вязкость снижается. По мере роста напряжения сдвига, частицы смазочных композиций постепенно ориентируются своими большими осями вдоль направления движения, хаотическое движение частиц меняется на упорядоченное, что ведет к уменьшению динамической вязкости, соответственно улучшаются смазочные свойства композиции и снижается коэффициент трения до 0,050 – 0,018.

Данные смазки предназначены для узлов трения – подшипников качения, скольжения, для зубчатых передач, валов и т.д.

Исследуемые смазки содержат умеренно опасные вещества, на 90% биологически разлагаемые бактериями, и поэтому являются экологически чистыми препаратами.

Литература

1.      Синицын В.В. Пластичные смазки в СССР. Ассортимент: Справочник. 2 изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1984.-192 с.

2.      Заславский Ю.С. Трибология смазочных материалов. – М.: Химия, 1991. – 240 с.

3.      Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. /Ю. Г. Фролов – М.: Химия, 1988. – 464 с.