Механизм растворения полимеров

Требования к загущающим присадкам

 

В различных машинах и механизмах, агрегатах и узлах трения к смазочным маслам предъявляются жесткие требования. В зимнее время необходимо обеспечить легкий запуск двигателя при отрицательной температуре, быструю подачу масла к поверхностям трения, а с другой стороны — создание надежной масляной пленки при высокой температуре. И таких примеров можно привести множество.

Возможности технического совершенствования механизмов находятся в прямой зависимости от функциональных свойств смазочных материалов. Современные смазочные материалы способны длительное время выдерживать высокие механические и термические нагрузки, защищать от износа, коррозии и образования отложений, нарушающих нормальную работу агрегата и обеспечивать снижение потерь энергии. [1]

Качество смазочного масла может быть улучшено двумя способами:

- улучшением свойств базового масла при его получении;

- легированием масла присадками.

Присадки – синтетические химические соединения, вводимые в базовое масло для улучшения свойств в периоды эксплуатации и хранения.

Многие современные присадки выполняют несколько функций. На рынок чаще всего поставляют композиции присадок – пакеты. Это пакеты строго определённого состава, предназначенные для масла конкретного назначения и класса качества.

Всесезонные масла должны иметь низкую зависимость вязкости от температуры, т.е. масло должно быть достаточно текучим при низкой температуре и достаточно вязким - при высокой. Это достигается путём введения вязкостных присадок – полимерных загустителей. При низкой температуре, когда масло вязкое, молекулы полимера находятся, как и в плохом растворителе, в скрученном виде и мало влияют на вязкость. С повышением температуры их растворимость повышается, они раскручиваются и повышают вязкость масла.

Полимерные модификаторы вязкости эффективны в маслах, эксплуатируемых при умеренных нагрузках, в отсутствие высокой деформации сдвига. При высокой нагрузке и высокой скорости сдвига длинные молекулы загустителя могут разрываться на мелкие фрагменты, вследствие чего эффективность загустителя при эксплуатации постепенно уменьшается. Именно поэтому новые масла с высоким индексом вязкости, стабильным в течение продолжительной работы в тяжёлых условиях, получают не только добавлением полимерных присадок, но и путём модификации молекул базового масла, например гидрокрекингом. Более однородные по длине и линейной конфигурации молекулы масла имеют одновременно более высокий индекс вязкости и являются более устойчивыми к механической деструкции. Такие масла отличаются постоянной вязкостью в течение длительных интервалов эксплуатации при высокой температуре и высокой деформации сдвига. Часто их называют маслами со стабильными свойствами при эксплуатации.

Полимеры как присадки в используемых концентрациях должны полностью растворяться в смазочном масле и растворимость их должна быть стабильной в диапазоне температур применения; они должны быть устойчивы к термической и механической деструкции в условиях работы двигателя, механизма или агрегата и должны обладать высокой загущающей способностью, обеспечивающей необходимый уровень вязкости масла при минимально возможных затратах полимера.[2]

 

Типы загущающих присадок

 

Современные промышленные загущающие присадки представлены двумя химическими семействами углеводородными (такими как этилен-пропиленовые сополимеры) и эфиросодержащими (например, полиметакрилатами). Там, где нужен высокий индекс вязкости и улучшенные низкотемпературные свойства, преобладают полиметакрилатные загущающие присадки.

Требования к загущающим присадкам

 

В различных машинах и механизмах, агрегатах и узлах трения к смазочным маслам предъявляются жесткие требования. В зимнее время необходимо обеспечить легкий запуск двигателя при отрицательной температуре, быструю подачу масла к поверхностям трения, а с другой стороны — создание надежной масляной пленки при высокой температуре. И таких примеров можно привести множество.

Возможности технического совершенствования механизмов находятся в прямой зависимости от функциональных свойств смазочных материалов. Современные смазочные материалы способны длительное время выдерживать высокие механические и термические нагрузки, защищать от износа, коррозии и образования отложений, нарушающих нормальную работу агрегата и обеспечивать снижение потерь энергии. [1]

Качество смазочного масла может быть улучшено двумя способами:

- улучшением свойств базового масла при его получении;

- легированием масла присадками.

Присадки – синтетические химические соединения, вводимые в базовое масло для улучшения свойств в периоды эксплуатации и хранения.

Многие современные присадки выполняют несколько функций. На рынок чаще всего поставляют композиции присадок – пакеты. Это пакеты строго определённого состава, предназначенные для масла конкретного назначения и класса качества.

Всесезонные масла должны иметь низкую зависимость вязкости от температуры, т.е. масло должно быть достаточно текучим при низкой температуре и достаточно вязким - при высокой. Это достигается путём введения вязкостных присадок – полимерных загустителей. При низкой температуре, когда масло вязкое, молекулы полимера находятся, как и в плохом растворителе, в скрученном виде и мало влияют на вязкость. С повышением температуры их растворимость повышается, они раскручиваются и повышают вязкость масла.

Полимерные модификаторы вязкости эффективны в маслах, эксплуатируемых при умеренных нагрузках, в отсутствие высокой деформации сдвига. При высокой нагрузке и высокой скорости сдвига длинные молекулы загустителя могут разрываться на мелкие фрагменты, вследствие чего эффективность загустителя при эксплуатации постепенно уменьшается. Именно поэтому новые масла с высоким индексом вязкости, стабильным в течение продолжительной работы в тяжёлых условиях, получают не только добавлением полимерных присадок, но и путём модификации молекул базового масла, например гидрокрекингом. Более однородные по длине и линейной конфигурации молекулы масла имеют одновременно более высокий индекс вязкости и являются более устойчивыми к механической деструкции. Такие масла отличаются постоянной вязкостью в течение длительных интервалов эксплуатации при высокой температуре и высокой деформации сдвига. Часто их называют маслами со стабильными свойствами при эксплуатации.

Полимеры как присадки в используемых концентрациях должны полностью растворяться в смазочном масле и растворимость их должна быть стабильной в диапазоне температур применения; они должны быть устойчивы к термической и механической деструкции в условиях работы двигателя, механизма или агрегата и должны обладать высокой загущающей способностью, обеспечивающей необходимый уровень вязкости масла при минимально возможных затратах полимера.[2]

 

Механизм растворения полимеров

Между макромолекулами полимеров существует сильное взаимодействие (высокая энергия когезии). Растворитель должен преодолеть это взаимодействие для отрыва отдельных молекул при растворении полимера.

Наблюдается сравнительная легкость растворения аморфных полимеров по сравнению с кристаллическими. Для растворения кристаллических полимеров требуется затратить дополнительную энергию для разрушения кристаллической решетки. Для полярного кристаллического полимера труднее подобрать растворитель, чем для полярного, но не кристаллического. Например, природный полярный кристаллический полимер целлюлоза растворяется с трудом и в очень ограниченном числе растворителей. Это объясняется высокой степенью ориентации ее цепей и сильным межмолекулярным взаимодействием. Продукты этерификации целлюлозы растворяются в большем числе растворителей, чем целлюлоза.

Процесс растворения полимера начинается с набухания, т.е. проникновения малых молекул растворителя в полимер. При этом полимер резко увеличивается в массе и объеме.

При набухании происходит сольватация– взаимодействие растворителя с полимером. Сольватированный растворитель сжимается, что приводит к так называемой контракции: объем набухшего полимера оказывается меньше суммы исходных объем полимера и растворителя. При набухании выделяется тепло – теплота сольватациии развивается давление –давление набухания. Различают ограниченное и неограниченное набухание. Неограниченное набухание самопроизвольно переходит в растворение. Ограниченное набухание не переходит в растворение. Иногда у аморфно-кристаллических полимеров, например, у целлюлозы, возможны два вида ограниченного набухания – межкристаллитное и внутрикристаллитное. Если растворитель способен разрывать межмолекулярные связи в аморфных участках полимера, то набухание будет межкристаллитным (межмицеллярным).

Если же растворитель проникает внутрь кристаллитных областей и разрывает более сильные межмолекулярные связи, то набухание будет внутрикристаллитным (внутримицеллярным). Если растворитель способен преодолеть все силы межмолекулярного взаимодействия (энергию когезии) в полимере, то происходит неограниченное набухание и полимер постепенно переходит в раствор.

На растворимость полимеров влияют следующие факторы:

– природа полимера – его химическое строение, полярность; растворитель и полимер должны быть близки по полярности;

– гибкость цепей; растворимость выше у полимеров с гибкими цепями;

– молекулярная масса; с увеличением молекулярной массы растворимость уменьшается;

– химический состав у сополимеров и искусственных полимеров;

– надмолекулярная структура;

– поперечные химические связи; растворение сетчатого полимера возможно только при разрушении сетки (химическое растворение);

– температура; у большинства полимеров с повышением температуры растворимость увеличивается, но встречается и обратная зависимость. [3]