В середине прошлого века, когда СССР был силен и соревновался с США за глобальную гегемонию, космос стал одной из площадкой для соперничества, появилась проблема эффективной смазки подвижных узлов в космосе. Условия работы в космосе чрезвычайно интересные, как и требования к "космическим" смазкам:
- Отсутствие испарения в вакууме
- Отсутствие "замерзания" при очень низкой температуре в тени станции
- Работоспособность при высокой температуре на солнечной стороне станции
- Отсутствие отложений которые могут заклинить соединение, например после предельных температур при входе в атмосферу
- Чрезвычайно высокая химическая инертность к кислороду (и жидкому, и газообразному), ко всем вариантам применяемого ракетного топлива и прочих смазочных материалов (в т.ч. в среде жидкого кислорода).
- Очень длительный срок службы в условиях крайних температур
- Не должны вызывать токсического эффекта у космонавтов
- Высокая смазывающая способность (разумеется, как-же без такого требования :-)
История
Эффективное масло для космоса была создано на основе жидких фракций перфторполиэфиров, которые сокращенно обозначают - PFPE. Данное масло было разработано в начале 1960-х годов, а через год после полета Гагрина - в ноябре 1962 года - была разработана первая военная (USAF) спецификация на PFPE. Данные масла обычно получаются путем окисления гексафторпропилена и представляют собой жидкую фракцию понятных только для специалистов-химиков материала - "полностью фторированные олигомеры с чередующимися фторуглеродными и кислородными связями".
Для примера, некая общая химическая формула PFPE выглядит как на рисунке:
Свойства
Как видите молекула PFPE может иметь различную длину (число блоков - n) и как следствие на ее основе можно создавать масла с различной вязкостью, путем разделения по температуре кипения. Для примера у производителя смазок Сетраль имеются масла с вязкостью от 80 сст (температура застывания -75 С) до 1000 сст (максимальная температура 330 С).
У данной молекулы имеется полиэфирный "кончик" - COOH (справа), который как всем полиэфирам (в простонародье называются эстерами), придает ей полярность и как следствие сильную адгезию (прилипчивость к поверхностям) и очень высокие смазывающие свойства.
Для примера в испытании изнашивания ASTM D 2783 на четырехшариковой машине трения, размер пятная износа на PFPE был 0,36 мм, а на минеральном масле – 0,69 мм при одинаковых условиях.
Химическая связь Углерод-Водород обладает невысокой химической стойкостью и именно поэтому дрова, нефть, природный газ и прочие нефтепродукты так хорошо горят в двигателях машин, котлах паровозов и котельных, электростанциях и т.д. Также поэтому при работе всех минеральных и углеводородных синтетических (в т.ч. ПАО) масел на поверхностях двигателей появляются желтые пленки лаковых отложений, которыми производители масел постоянно борются корректируя состав базового масла и вводя антиокислительные присадки:
В PFPE маслах, все молекулы водорода заменены на молекулы Фтора. Химическая связь Фтор-Углерод является одной из самых сильных, поэтому такие масла не окисляются и с повышением температуры данные масла или просто испаряется, или сгорают без образования остатков, которые могут заклинить соединение.
Для примера, тест 40-а часовой выдержки смазок в печи при 232°С показал, что на поверхности обычной минеральной смазки образовались трещины, смазка приобрела коричневый цвет, потери составили (испарение) 40% массы, а смазка на PFPE осталась без изменений и не изменила массу.
Высокотемпературные характеристики
Как известно классические масла и смазки могут очень долго (до распада загустителя) работать при температуре 0-40 С. С повышением температуры на 10 С, в среднем срок службы смазок уменьшается вдвое и при температурах 100-120 С большинство классических смазок необходимо пополнять каждые несколько дней. Возникает необходимость использования т.н. высокотемпературных смазок - в которых используются улучшенные базовые масла (синтетика, ПАО), они с антиокислительными присадками и на основе других загустителей (комплексные, полимочевинные, неорганические). Но даже такие смазки при температурах выше 180 С начинают быстро деградировать и срок их службы составляет по несколько дней. Для примера ниже сведенные результаты испытания различных смазок при различных температурах:
50 кратная разница в сроке службы, как в лабораторных тестах, так и на практике, убедительно доказывают, что при высоких температурах, масла и смазки на основе PFPE не имеют никаких конкурентов.
Дополнительно надо отметить, в устройствах с повышенной температурой, опытный персонал многих предприятий часто закладывает в несколько раз большее количество смазки чем необходимо, в надежде компенсировать быстрое испарение базы, деградацию загустителя и присадок, вытекание смазки из сопряжений и увеличить срок службы смазки между обслуживаниями.
Для примера приведу вулканизационные контейнеры для изготовления автомобильных шин, применяемые на многих шинных заводах. Для смазки сегментов таких контейнеров часто используют обычные т.н. "высокотемпературные" смазки с графитом или дисульфидом молибдена (твердые смазки), которые закладывают по 1500-2500 грамм. После 3000-4000 рабочих циклов, смазка срабатывается и ее пополняют. Испытание смазки на основе перфторполиэфиров показало, что достаточно наносить 150-200 грамм смазки и срок ее службы составляет не менее 10 000 циклов.
Области применения
В настоящее время смазки и масла на основе "космических" перфторполиэфиров широкое используются во всех отраслях промышленности где требуется:
- работа узла при повышенной температуре (выше 140-180 С),
- химическая инертность
- срок службы смазки надо увеличить до года или нескольких
- кардинально уменьшить количество отказов и ремонтов
- необходима пищевая безопасность
Характеристики данных масел и смазок смазки таковы, что они одинаково эффективно увеличивают срок службы новых, и "долгоработавших" /уставших улов.
Данные масла и смазки эффективно применяются во многих областях промышленности, тк. решают следующие производственные задачи:
- в 10-30 раз уменьшается расход смазки (благодаря малому расходу на нанесение и очень большому сроку службы)
- Значительно уменьшается количество отказов (в некоторых случаях снижение количества отказов до 90%)
- Увеличивается производительность и рентабельность работы завода без инвестиций в расширение бизнеса (длительный срок службы смазки уменьшает число остановок на смазку, и оборудование реже останавливается на ремонты)
- Сокращается ассортимент применяемых смазок
- В несколько раз сокращаются трудозатраты на эксплуатацию оборудования, что позволяет более оптимально использовать трудовые ресурсы.
Недостатки
В общем масла и смазки на основе PFPE обладает уникальными эксплуатационными свойствами, очень высокой экономической эффективностью. Из-за сложного технологического процесса их получения, в качестве недостатков нужно отметить их высокую стоимость:
Применение
Данные смазки не смешиваются не "дружат" с другими видами масел и смазок, поэтому есть несколько условий, которые нужно соблюдать при использовании смазок и масел на основе PFPE.
- отсутствие алюминиевых несущих поверхностей
- отсутствие загрязнения и хорошая очистка сопрягаемых поверхностей от всех углеводородных масел, смазок, отпечатков пальцев и других органических остатков нехлорированными растворителями
- выбрать правильную вязкость соответствующую условиям работы и нагрузкам
- смазывать необходимым количеством смазки. Во-первых учитывайте повышенную вдвое плотность PFPE по сравнению с другими маслами, поэтому подшипники надо наполнять смазкой по объему, а не по весу. Во-вторых смазки на PFPE формируют более толстые пленки и можно можно использовать меньшее количество смазки.
Опыт применения подобных смазок доказал, что при правильном выборе смазки, сомнения клиентов о затратах на ее покупку, компенсируются уменьшением годового потребления смазок и окупаются значительным увеличением интервалов досмазывания и сокращением времени простоя оборудования.
