CC BY
2
УДК 620.193.47
Зарапина И.В., Осетров А.Ю., Жиркова Ю.В.
Исследование защитной эффективности консервационных масляных составов, модифицированных коллоидной формой графита
Зарапина Ирина Вячеславовна - к.х.н., доцент кафедры; irina-zarapina@,mail.ru Осетров Александр Юрьевич - к.х.н., доцент кафедры; Жиркова Юлия Владимировна - магистрант,
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», Россия, Тамбов, 392000, ул. Советская, д. 106/5, помещение 2.
В статье рассмотрено получение консервационных защитных композиций на основе отработанного моторного масла, модифицированных коллоидными формами графита и триэтаноламином, исследованы их физико-химические характеристики. Изучено поглощение воды консервационными антикоррозионными композициями. Защитный эффект торможения массопереноса воды в присутствии добавки возрастает и незначительно изменяется в течение всего времени экспозиции.
Ключевые слова: отработанное моторное масло, коллоидный графит, триэтаноламин.
Investigation of the protective effectiveness of conservation oil compositions modified with the colloidal form of graphite
Zarapina I.V., Osetrov A.Yu., Zhirkova Yu.V.
Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation
The article considers the production of conservation protective compositions based on used motor oil modified with colloidal forms of graphite and triethanolamine, and their physicochemical characteristics are studied. The absorption of water by conservation anticorrosion compositions has been studied. The protective effect of inhibition of water mass transfer in the presence of the additive increases and changes slightly during the entire exposure time. Key words: waste motor oil, colloidal graphite, triethanolamine.
Введение
В настоящее время, исходя из дороговизны коррозионностойких металлических материалов, существенные противокоррозионные решения на стадиях проектирования и строительства минимальны. Поэтому противокоррозионные мероприятия проводят, главным образом, на стадии эксплуатации, для чего используют самые разнообразные консервационные материалы [1 - 3].
Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью рационального использования и хранения металлических изделий.
Проблема разработки и использования неметаллических антикоррозионных покрытий остается чрезвычайно острой. В значительной мере это касается и защитных составов на масляной основе с собственной нишей использования, весьма эффективных в условиях проведения мероприятий, связанных с временной антикоррозионной защитой техники и запасных частей, в том числе при ее хранении на открытой площадке и под навесом и в неотапливаемом помещение.
Составы на масляной основе позволяют технологично и своевременно проводить переконсервацию и расконсервацию оборудования, что часто бывает невозможно при использовании большинства других неметаллических защитных материалов, например, лакокрасочных.
Цель данной работы заключается в определении некоторых физико-химических характеристик масляных покрытий, модифицированных коллоидными формами графита (КГ), а также в исследовании массопереноса воды через их барьерную плёнку.
Для достижения этой цели были поставлены задачи:
1. Разработка рецептур антикоррозионных масляных покрытий
2. Получение не склонного к высыханию противокоррозионного состава для защиты стальных изделий, содержащего доступные компоненты и эффективные активные добавки.
3. Определение некоторых физико-химических параметров полученной композиции.
Экспериментальная часть
Для проведения экспериментальных исследований были предложены противокоррозионные композиции, содержащие в качестве растворителя-основы регенерированное отработанное моторное масло (ММО) и 1,0 масс. % модифицирующей добавки. В качестве этого компонента использовали суспензию КГ (0,001 ...0,03 масс. %) в триэтаноламине. Под коллоидным графитом в данном случае понимаются структуры с количеством графеновых слоев не более 100. Средний латеральный размер частиц, приведенный к сферическому, составляет 50 мкм. Процесс получения в упрощенном виде состоит из интеркаляции ионов в межслойное пространство графита и непосредственно расщепления материала. Приготовление указанных композиций осуществлялось с помощью гомогенизатора.
ММО было получено сливом непосредственно из картера двигателя трактора через 500 мото-часов работы. В таблице 1 приведены физико-химические характеристики ММО.
Таблица 1. Физико-химические характеристики ММО
Показатель ММО
Температура вспышки в открытом тигле, ° С, не ниже 100
Массовая доля воды, %, не более 2
Содержание механических примесей, масс. % 1
Щелочное число мг КОН/г 1,85
Кислотное число мг КОН/г 0,4
Указанные консервационные составы предлагается применять для защиты стальных изделий от атмосферной коррозии при консервации техники, в том числе при ее хранении на открытой площадке и под навесом, а также запасных частей, например, в неотапливаемом помещении.
Плотность составленных масляных композиций определяли ареометром типа АН. Кинематическую вязкость консервационных составов (V, мм2/с) определяли с помощью вискозиметра типа ВПЖ. Составленные масляные композиции протекали через капилляр под действием силы тяжести. Время ее
истечения фиксировали и, зная определенный объем, рассчитывали вязкость при заданной температуре.
Оценка толщины нанесённых защитных пленок, формирующихся на металлической поверхности в изотермических условиях, проводилась следующим образом. Для нанесения покрытия изучаемых композиций образцы из стали Ст3 погружали в ванну с составом (комнатная температура) на 10 с, после чего они выдерживались в подвешенном состоянии на воздухе при комнатной температуре в течение суток для стекания избытка масляной композиции и формирования защитной пленки. Толщину покрытия к, мкм определяли по изменению массы в соответствии с формулой:
к = (т 1 —т 2)104/р5, где т1, т2 - соответственно масса образца без покрытия и с покрытием, г;
р - плотность покрытия, г/см3; 5" - поверхность образцов, см2. Некоторые характеристики полученных консервационных композиций представлены в таблице 2.
Содержание КГ, масс. % р, г /см3 при 20 °С v, мм2/с при 20 °С h, мкм
0 0,860 23 12
0,01 0,919 25 16
0,02 0,920 25 16
0,03 0,916 24 15
Таблица 2. Физико-химические характеристики масляных композиций
Из таблицы 2 видно, что при введении активной добавки происходит незначительное увеличение плотности и вязкости полученных консервационных композиций. Таким образом, можно говорить о небольшой загущающей способности
модифицирующей добавки. Причем она практически не зависит от соотношения компонентов -коллоидного графита и триэтаноламина. Также происходит незначительное увеличение толщины покрытия и, следовательно, увеличивается расход материала на единицу площади поверхности. Зависимость от концентрации коллоидного графита или триэтаноламина по-прежнему не наблюдается.
Вода является коррозионно-агрессивным агентом. Обычно она принимает непосредственное участие, как в анодной, так и в катодной сопряженных электродных реакциях коррозионного процесса. Известно, что под и над масляными пленками формируется полимолекулярный водный слой, толщина которого связана с относительной влажностью воздуха. Дело в том, что защитные масляные пленки легко проницаемы для кислорода, воды и других агрессивных компонентов воздуха. В связи с этим, необходимо было оценить количество влаги, проходящей через барьерный состав.
Кинетические зависимости массопереноса воды через полученные противокоррозионные композиции исследовали в герметичном эксикаторе с постоянной заданной относительной влажностью воздуха (Н) 70 и
100 %, в течение 1-7 суток. Относительная влажность воздуха задавалась дистиллированной водой или насыщенными растворами солей NH4CI и KNO3. В эксикаторы помещали пластиковые ячейки, содержащие в параллельных опытах 1,0 г влагопоглотителя (цеолит марки Na-Х-В-2Г), закрытые притертыми перфорированными крышками. Сорбент представляет собой гранулы, диаметром (2 ± 0,6) мм. Цеолит предварительно прокаливали в муфельной печи при температуре 400 °С. На поверхность крышки наносили барьерный слой масла или масляной композиции, толщину которого (± 2 мкм) контролировали гравиметрически.
Учитывалось наличие в ячейках определенного количества влаги из воздуха до опыта, массу которой рассчитывали по формуле:
m = p^VM/RT, где рист — фактическое давление паров воды (Па) при температуре помещения Т, К; V - объем ячейки, мл; М - молярная масса воды.
Эффект торможения массопереноса воды (Z, %) оценивали по выражению
Z, % = (m0i - mi)/mo,i-\00, где mo,i и mi - масса воды, поглощенная цеолитом за данный промежуток времени соответственно в отсутствии и присутствии барьерного слоя.
Было установлено, что исходное ММО, не содержащее активную добавку обладает значительной влагопроницаемостью. Введение
добавки, содержащей 0,01 масс. % КГ и 0,99 масс. % триэтаноламина, снижает величину водопоглощения в 1,1... 1,3 раза. Добавление 0,02 масс. % и 0,03 масс. % КГ не приводит к существенным изменениям величины влагопроницаемости. Вполне закономерно, что во всех рассмотренных случаях, масса
Заключение
Предполагается, что загущение масляной основы в присутствии активной добавки обусловлено образованием в композициях мицеллярной структуры. Повышение вязкости мицеллярных растворов, очевидно, происходит в результате агрегации мицелл. Кроме того, наличие атома азота и гидроксогруппы в молекуле триэтаноламина может привести к значительному упрочнению внутримицеллярных водородных связей. Возможно, образуются ассоциаты (димеры), которые и являются основой для образования пластинчатых мицелл.
Анализируя полученные результаты, можно отметить, что во всех случаях введение добавки приводит к увеличению эффекта торможения массопереноса. Максимальный рост Z (в 3 - 3,5 раза) наблюдается при введении добавки, содержащей 0,03 масс. % КГ и 0,97 масс. % триэтаноламина. Стоит отметить, что с увеличением продолжительности эксперимента эффект торможения переноса воды через барьерную пленку, содержащую добавку, изменяется довольно незначительно, уменьшаясь в ряде случаев лишь на 3 %. Очевидно образующиеся с течением времени в результате водопоглощения эмульсии типа вода в масле или мицеллярные солюбилизированные структуры также обладают способность снижать величину массы воды, прошедшей через пленку, как и исходные композиции. Можно отметить, что полученные масляные композиции, как в отсутствии, так и в присутствии активной добавки, предотвратить подачу воды к поверхности влагопоглотителя, а, следовательно, и металлической поверхности в
прошедшей через барьерный слой влаги возрастает с течением времени.
Были рассчитаны величины эффекта торможения массопереноса воды через барьерную пленку при различной продолжительности эксперимента т, сут. Результаты представлены в таблице 3.
реальных условиях, не могут. Возможно, что в масляной композиции, образующей барьерный слой, имеются несплошности, представляющие собой различного вида каналы. Сечения этих несплошностей могут меняться со временем, например, может происходить их слияние.
Наличие эффекта торможения при нанесении масляных покрытий можно объяснить хоть и незначительным, но имеющим место, повышением вязкости при введении активной добавки. Кроме того, частицы КГ могут встраиваться в имеющиеся в покрытии несплошности и препятствовать доступу воды к влагопоглотителю.
Список литературы
1. Особенности электрохимических и физико-химических процессов на металлах, покрытых масляными плёнками / В.И. Вигдорович, Н.В. Шель, Л.Е. Цыганкова, П.Н. Бернацкий // Химия и технология топлив и масел. - 2008. - №5.- С. 40 - 45.
2. Исследование эффективности защиты от коррозии стальных изделий пленками на основе минерального и синтетического отработанных моторных масел / И.В. Зарапина, А.Ю. Осетров, К.Ю. Носова и др. // Тенденции развития науки и образования. - 2021. - №74. - Часть 2. - С. 138 - 141.
3. Коррозионная стойкость оксидных покрытий, полученных в присутствии дисперсии углеродных нанотрубок / И.В. Зарапина, А.Ю. Осетров А.Ю., К.Ю. Носова и др. // Тенденции развития науки и образования. - 2021. - №73. - Часть 1. - С. 137 - 140.
Таблица 3. Эффект торможения массопереноса воды
т, сут Z без активной добавки Z с 0,01 масс. % КГ Z с 0,02 масс. % КГ Z с 0,03 масс. % КГ
1 8,94 12,50 14,97 14,74
2 9,12 21,91 25,71 27,93
3 9,00 22,18 25,66 26,68
4 8,90 22,88 23,87 22,58
5 7,88 23,31 22,68 19,97
6 6,12 25,57 25,23 23,79
7 5,78 21,99 21,39 19,41
