научная статья по теме ОБНАРУЖЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗЫ ПРИ ЖИДКОФАЗНОМ ОКИСЛЕНИИ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ОБНАРУЖЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗЫ ПРИ ЖИДКОФАЗНОМ ОКИСЛЕНИИ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ»

НЕФТЕХИМИЯ, 2013, том 53, № 3, с. 231-235

УДК 665.7.035.5

ОБНАРУЖЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗЫ ПРИ ЖИДКОФАЗНОМ ОКИСЛЕНИИ

СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

© 2013 г. А. А. Мухин, С. Ю. Поляков, С. И. Тетерев, В. К. Фадеев, В. Н. Бакунин1

ООО "Газпром ВНИИГАЗ, п. Развилка, Ленинский район, Московская обл. E-mail: S_Teterev@vniigaz.gazprom.ru

1ООО "Кемтура ", Москва E-mail: victor.bakunin@chemtura.com Поступила в редакцию 22.09.2012 г.

Методом оптической микроскопии показано, что жидкофазное окисление минеральных масел на примере масла ТП-22с на ранних стадиях приводит к формированию гетерофазной системы. Приведены размеры и изображения формирующихся ассоциатов. Предложен механизм их образования.

Ключевые слова: минеральное масло, жидкофазное окисление, гетерофазная система, объемные ас-социаты, лакообразование.

Б01: 10.7868/80028242113030064

Жидкофазное окисление углеводородов и углеводородных материалов является одним из наиболее исследованных химических процессов; хорошо известна совокупность реакций, определяющая начальные стадии цепного окисления углеводородов [1—4]. Вместе с тем именно на начальных стадиях, когда механизм реакции становится особенно сложным вследствие образования большого числа различных первичных продуктов окисления, формируются физико-химические свойства системы, определяющие ее эксплуатационные характеристики, напр. рост вязкости, повышение коррозионной активности, образование осадков и т.п. В полной мере сказанное относится к углеводородным смазочным материалам, функционирование которых в весьма заметной степени зависит от их устойчивости к разрушающему действию молекулярного кислорода.

Давно известно, что нефтяные масла представляют собой коллоидные системы [5]. Недавно на примере гексадекана было показано [6], что окисление индивидуальных углеводородов также приводит к формированию гетерофазных систем за счет образования кислородсодержащих продуктов. В настоящей работе нами представлены результаты прямого наблюдения гетерофазы в минеральном турбинном масле, формирующейся в результате лабораторного окисления. В процессе реальной эксплуатации в газотурбинных двигателях (ГТД), используемых в качестве приводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА), в случае высокой степени деградации масла также отмечалось образование гетерофазы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали минеральное масло ТП-22с (ТУ 38.101821-2001) на основе средневяз-ких минеральных базовых компонентов, получаемых из Западно-Сибирских или Приуральских нефтей с добавлением присадок Агидол-1 (анти-оксидант), дипроксамин-157 (деэмульгатор), дез-активатор металла — Бетол-1 или Иргамет 39 и ан-тиржавейной присадки В 15/41.

Окисление масла проводили при нагревании на воздухе в аппарате "Папок Р" при температуре 180оС в стальных чашечках в соответствии с СТО Газпром 2-2.4-134-2007 в течение 1—8 ч. После охлаждения масло из переносили на предметное стекло с углублением и исследовали с помощью промышленного микроскопа ОНтрш ВХТЯЕ при увеличении 50—1000 крат. Кроме этого, проводили запись ИК-спектра на Фурье-спектрометре Теп-80г-27 и расчет количества продуктов окисления, образующихся в масле.

Процесс окисления масла в стальных чашечках на аппарате " Папок Р" соответствует условиям высокотемпературного каталитического окисления (ВКО), которые реализуются в современных теп-лонапряженных ГТД при их эксплуатации в качестве привода ГПА. В этих условиях происходит интенсивное окисление смазочных масел с образованием широкого спектра продуктов окисления, приводящее в дальнейшем к образованию лака, шлама и осадка, нерастворимого в изооктане.

Аналогичные качественные результаты по образованию гетерофазных структур наблюдались

Length: 9.64 цш

I

Ье^Ш: 3.91 цш|_I

Рис. 1. Образование гетерофазных структур в масле ТП-22с (время окисления 5 ч, температура 180оС, кратность увеличения 1 : 200).

Рис. 2. Микрогетерофазная структура, размером до 5 мкм (время окисления 2 ч, температура 180оС, кратность увеличения 1 : 1000).

нами и на других минеральных смазочных маслах.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

С помощью оптической микроскопии производили наблюдение и фотофиксацию результатов осадкообразования в масле. Установлено, что при окислении смазочного масла в исходной гомогенной системе, которой является свежее масло, образуются гетерофазные структуры (рис. 1). Показано, что размеры и количество структур обычно напрямую связано с образованием продуктов окисления. Визуально наблюдали, что формирование твердого осадка, нерастворимого в изоокта-не, проходит последовательно через несколько этапов: 1) появление в масле единичных микроге-терофазных структур, в основном линейной формы, размерами до 5 мкм, растворимых в изооктане (рис. 2); 2) формирование из единичных гетерофазных структур объемных ассоциатов (от 20 до 100 мкм), которые при нагревании масла до 80— 90°С исчезают. При охлаждении масла до 40—50°С образования появляются вновь (рис. 3а, б), они также растворимы в изооктане; 3) появление внутри гетерофазных структур черных частиц, нерастворимых в изооктане, увеличивающихся в размерах при дальнейшем окислении масла (рис. 3в).

Необходимо отметить, что начавшийся процесс появления гетерофазных структур в смазочном масле не останавливается даже после прекращения окисления и в отсутствие катализатора (железа). Очевидно, он имеет автокаталитический характер и протекает во времени постоянно с большей или меньшей скоростью в зависимости от температуры масла. Так, проведенными наблюдениями установлено, что даже при комнатной температуре в окисленном образце масла

ТП-22с в течение двух недель количество гетеро-фазных структур заметно возросло, они также увеличились в размерах (рис. 4а, б).

Для разных типов масел и однотипных масел разных товарных партий количество образующихся гетерофазных структур при окислении в одинаковых условиях различно (рис. 5а, б, в). Также отличается у различных масел и время нагрева до начала появления гетерофазных структур.

Склонность смазочных масел к образованию подобных микрогетерофазных структур, являющихся предтечей лако- и нагарообразования на узлах и деталях механизмов, обусловлена, по всей вероятности, структурно-групповым составом исходных базовых масел и эффективностью антиокислительных присадок.

Ранее было показано [6, 7], что на самых ранних стадиях окисления углеводородов (в т.ч. и масел) происходит формирование высокомолекулярных сшитых структур за счет ассоциации первичных продуктов окисления углеводородов, преимущественно — полигидропероксидов. С точки зрения коллоидной химии такие высокофунк-ционализированные полимерные молекулы аналогичны "сшитым" обращенным мицеллам [8], и, вероятно, стабилизированы в углеводороде за счет слоев менее полярных монофункциональных производных, играющих роль своеобразных косур-фактантов. Дальнейшее окисление происходит на границе этих "структур, аналогичных обращенным мицеллам (САОМ)" [6], что приводит к тому, что процесс высокотемпературного жидкофазного окисления масел на ранних стадиях приобретает характер микрогетерогенного, в котором определяющую роль играют транспортные (диффузионные) эффекты.

ОБНАРУЖЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗЫ ПРИ ЖИДКОФАЗНОМ ОКИСЛЕНИИ

233

Рис. 3. Формирование из единичных гетерофазных структур объемных ассоциатов:

(а) образование ассоциатов размером до 30 мкм (время окисления 3 ч, температура нагрева 180оС, кратность увеличения 1 : 1000); (б) Образование ассоциа-тов размером до 50 мкм (время окисления 3.5 ч, температура нагрева 180оС кратность увеличения 1 : 1000); (в) образование внутри ассоциатов частиц черного цвета (время окисления 4.5 ч, температура нагрева 180оС, кратность увеличения 1 : 200).

"ТЩ

*

(а) к

(б)

Рис. 4. Образование гетерофазных структур в окисленном масле при его хранении:

(а) появление гетерофазных структур сразу после окисления масла (время окисления 3.5 ч, температура нагрева 180оС, кратность увеличения 1 : 200); (б) Увеличение количества гетерофазных структур в том же масле при его хранении в течение 15 дней в условиях комнатной температуры (кратность увеличения 1 : 200).

Утверждалось [6], что САОМ, образующиеся при высокотемпературном окислении углеводородных масел, по своим размерным характеристикам лежат в области нескольких нанометров, при этом, не являясь, по своей сути, полноценными химическими соединениями вследствие высокой степени различия в составе между каждой отдельно взятой мицеллы. Это позволяет классифицировать указанные структуры как наноразмерные структуры переменного состава, имеющие молекулярные массы порядка нескольких тысяч у.е., а размеры порядка нескольких (1—3) нм [9].

Принимая во внимание тот факт, что дальнейшее окисление масел происходит на поверхности САОМ, в т.ч. за счет термического разложения кислородсодержащих фрагментов, можно предположить, что такие структуры будут ограниченно сольватироваться неполярными маслами, т.е. будут склонны к самоассоциации с формирова-

Я

Л

т

Ьеп§Ш: 36.69 цш

^ • > >ч

£ \ А^С ?

(б)

* * ч 1 4 *

- V* * : Т

* т- • - / ИД в ^ 1 л' йЛ

4 ■я Г V ■ 1 к 4 ■ 11 ** _ -т та 1

(в) V »Л

Рис. 5. Образование гетерофазных структур при окислении в одинаковых условиях (время окисления 3 ч, температура нагрева 180°С, кратность увеличения 1 : 500) трех образцов различных товарных партий масла ТП-22с.

нием более крупных гиперассоциатов. Эта тенденция только усилится при охлаждении масла до комнатных температур, при которых производи-

ли наблюдения в оптический микроскоп. При этом стабильность таких гиперассоциатов в растворе масла также обусловлена наличием свободных первичных продуктов окисления, действующих как косурфактанты. Следует учитывать, что гиперассоциаты являются достаточно "рыхлыми" образованиями, включающими в себя молекулы масла, т.е. их удельный вес близок к удельному весу углеводородного масла. С такой структурой хорошо согласуется и отсутствие эффекта Тиндаля в умеренно окисленных маслах, характерного для многих классических коллоидных систем: в данном случае различие в коэффициентах рефракции масла и гиперассоциатов крайне незначительно.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком