Дисперсанты составляют около 50% от всего объема пакетов присадок в моторных маслах. Эти важные молекулы должны быть тщательно спроектированы, чтобы обеспечивать ту функциональность, которая требуется на быстро меняющемся рынке. Питер Райт из компании Infineum говорит о разработке химии дисперсантов, оптимизированных для применения в картерных маслах:
Дисперсанты — это наиболее массовые добавки в моторных маслах, и с содержанием от 2 до 10% в маслах (% содержания готового масла) для легковых автомобилей и тяжелых дизельных двигателей ежегодно производится более миллиона тонн дисперсантов для удовлетворения мирового спроса. Эти компоненты представляют собой полимерные молекулы, схожие с поверхностно-активными веществами, которые имеют как минимум один гидрофобный (олеофильный), растворимый в масле «хвост», и как минимум одну полярную «голову», способную взаимодействовать с другими полярными частицами в масле.
Дисперсанты для смазочных материалов могут иметь сложную структуру, включающую множество «хвостов», «голов» и мостиков. Их конфигурация, определяющая свойства, зависит от базовой химии. Искусство проектирования дисперсантов заключается в глубоком понимании того, какая архитектура лучше всего выполняет необходимые функции в целевом приложении и в соответствующей среде, а также в разработке химии, способной создать такую архитектуру.
Эти молекулы должны быть оптимизированы для выполнения специфических задач, таких как стабильное распределение частиц и предотвращение их агрегации, что критически важно для обеспечения долговечности и эффективности смазочных материалов.
В современных приложениях для смазочных материалов дисперсанты играют ключевую роль, осуществляя контроль над шламом, лаком и отложениями, а также влияя на трение.
С увеличением внимания к топливной экономичности наблюдается рост использования низковязких смазок. В этом тонком вязком окружении крайне важно предотвратить накопление лака и шлама, чтобы не допустить повышения вязкости смазки на протяжении ее жизненного цикла и сохранить высокую эксплуатационную эффективность двигателя.
Шлам и лак образуются в результате агрегации полярных материалов, проникающих в масло или формирующихся в процессе работы двигателей. Эти агрессивные полярные вещества могут образовывать шламоподобные структуры, которые, объединяясь, увеличивают вязкость масла, или оседают на поверхностях двигателя, создавая пятна, напоминающие лак, что приводит к нежелательным отложениям.
Дисперсанты контролируют образование шлама и лака, предотвращая формирование крупных агрегатных структур, которые могут привести к образованию пастообразных фрагментов и комков, а также ингибируя их разделение от масла на поверхности двигателя. Гидрофильная часть дисперсанта (голова) взаимодействует с полярными частицами в масле, в то время как гидрофобная часть (хвост) сохраняет растворимость в масле, удерживая полярные загрязняющие вещества в суспензии.
Эффективные дисперсанты шлама обычно содержат значительную концентрацию амино- или спиртовых головных групп, чтобы связывать полярные компоненты в масле. Однако дисперсант также нуждается в высокорастворимой полимерной цепи или нескольких полимерных цепях разумного размера, чтобы поддерживать растворимость в масле, “нося” свои полярные нагрузки. Слишком маленькая хвостовая группа может привести к тому, что дисперсант будет вытаскиваться из раствора полярными веществами, способствуя образованию еще большего количества шлама и лака. Часто лучшие дисперсанты сочетают высокую концентрацию полярных головных групп для взаимодействия с шламом и лаком, а также несколько полимерных цепей с высокой молекулярной массой для поддержания хорошей растворимости. Такие дисперсанты могут значительно увеличивать вязкость масла.
В жарких условиях дизельных двигателей образование отложений на различных элементах конструкции, вызванное термическим разложением масла, может стать причиной серьезных неисправностей. Это проявляется в залипании поршневых колец и увеличении утечек через поршни. Дисперсант обязан растворять или смывать полярные вещества, прежде чем они превратятся в коксовые отложения, которые прилипают к поверхностям и мешают нормальному функционированию двигателя. Крайне важно, чтобы соотношение гидрофобной и гидрофильной частей дисперсанта было достаточно высоким, чтобы предотвратить его вытягивание из раствора полярными компонентами, поскольку это лишь усугубит проблему, создавая дополнительные отложения.
В дизельных двигателях предпочтительно избегать использования множества полимеров с высокой молекулярной массой, так как они могут приводить к образованию коксовых углеродных отложений. Вместо этого выбирают дисперсанты, обладающие достаточными размерами для удержания загрязняющих веществ в растворе, но достаточно малыми, чтобы свободно смываться по поверхности поршней.
Эволюция технологий двигателей и их эксплуатационных параметров, направленных на сокращение выбросов, привела к снижению температуры сгорания в ряде двигателей, особенно в тяжелых дизельных приложениях. Это, в свою очередь, вызвало увеличение содержания сажи в масле (до 3-7% в некоторых случаях) из-за неполного сгорания топлива. Частицы сажи в масле склонны агрегации в крупные, низкоплотные агломераты, что может привести к резкому увеличению вязкости смазки, а в некоторых случаях образуемые структуры могут быть настолько большими, что это приведет к выходу двигателя из строя.
Дисперсанты, следовательно, необходимы для контроля реологии масел, когда уровень сажи превышает ~2-3%. Головная группа дисперсанта связывается с поверхностью частиц сажи, когда они попадают в картер, в то время как длинные хвосты препятствуют объединению мелких частиц сажи в крупные агломераты.
Тип головных групп, необходимых для контроля реологии масел с сажей, может значительно отличаться от тех, что нужны для контроля шлама и лака или ингибирования отложений, поскольку целевые взаимодействия различаются. Поверхность частицы сажи обладает высокой ароматичностью, поэтому головная группа дисперсанта может содержать ароматические группы, способные эффективно связываться с ароматическими участками на сажах. Поскольку сажа также имеет полярные функциональные группы на поверхности, могут потребоваться головные группы, способные взаимодействовать с этими участками. Для эффективного ингибирования агрегации сажи часто нужны дисперсанты с множественными точками прикрепления к поверхности сажи, чтобы обеспечить достаточное покрытие поверхности и предотвратить агрегацию.
Проектирование дисперсантов для контроля шлама и лака, а также ингибирования высокотемпературных отложений обычно начинается с выбора полимерного хвоста, отвечающего за поддержание растворимости в масле. Наиболее распространённым полимером является полиизобутилен (PIB), который изготавливают путем катионной полимеризации потоков C4 из нефтепереработки, чтобы получить полимерный хвост с олефиновым соединением на конце молекулы. Конечная олефиновая группа позволяет прикрепить полиаамин или полиол для создания дисперсанта. Чтобы облегчить этот процесс, PIB сначала соединяется с промежуточной группой, которая затем реагирует с нужной полярной головной группой. В промышленности используются два типа соединительных химий: малеирование и алкилирование фенола, что приводит к образованию дисперсантов-сукцинимидов и дисперсантов на базе Манних-фенола соответственно.
Однако традиционные дисперсанты на основе сукцинимидов или Манних-фенола, разработанные для контроля шлама и лака, а также ингибирования высокотемпературных отложений, не так эффективны в поддержании контроля реологии в сильно загрязненных сажей средах. Это связано с тем, что сильно ароматическая поверхность частицы сажи иногда требует ароматического дисперсанта для эффективного связывания и дисперсии. Замена полиацетамидной головной группы на ароматический амин или ароматический эфир при сохранении основной полимерной структуры и архитектуры дает лишь незначительные улучшения. Однако были разработаны новые архитектуры дисперсантов, обеспечивающие очень сильное взаимодействие с поверхностью сажи.
Infineum принимала активное участие в процессе эволюции проектирования дисперсантов.
Дисперсанты представляют собой один из наиболее важных инструментов для формулировщиков смазочных материалов. Ключ к будущему успеху в их проектировании заключается в гармонизации структуры дисперсанта с его функцией и механизмом действия. В то же время необходимо сбалансировать противоречивые требования к различным свойствам формулы, которые могут включать защиту от износа, контроль трения и чистоту двигателя. Оглядываясь в будущее, с изменением условий сажи могут возникнуть новые потребности в дисперсантах.
oil-glup.ru
