Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów perfluoropolieterowych

Bi u l e t y n WAT Vo l. LX, Nr 3, 2011 Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów perfluoropolieterowych Tomasz Jan Kałdoński, Łukasz Gryglewicz, Mateusz Stańczyk, Tadeusz Kałdoński Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 tomasz.kaldonski@wat.edu.pl, tkaldonski@wat.edu.pl Streszczenie. W pracy omówiono wyniki badań właściwości powierzchniowych i smarnościowych czterech perfluoropolieterowych (PFPE) olejów syntetycznych w porównaniu do wysokiej jakości oleju przekładniowego Mobilube 1SHC 75W90 oraz dwóch olejów bazowych PAO-6 i SN-650. Słowa kluczowe: tribologia, perfluoropolietery (PFPE), smarowanie 1. Wstęp Na przestrzeni lat nastąpiło wiele zmian w konstrukcji pojazdów mechanicznych oraz innych maszyn i urządzeń technicznych, co spowodowało przewartościowanie wymagań stawianych dotychczas używanym środkom smarowym. We współczesnych węzłach tarcia występuje szereg zespołów o dużym stopniu złożoności, w których nie da się całkowicie uniknąć ujemnych skutków tarcia, tj. straty energii ruchu czy zużycia współpracujących elementów. Coraz intensywniejsza eksploatacja urządzeń technicznych, wydłużanie okresu międzynaprawczego oraz zwiększanie ich trwałości, sprawności i niezawodności, mimo wzrostu obciążeń mechanicznych i cieplnych, wymaga stosowania odpowiednich środków zaradczych w celu ograniczenia intensywności zużywania i strat energetycznych. Syntetyczne materiały smarowe, w porównaniu z mineralnymi, charakteryzują się lepszymi właściwościami eksploatacyjnymi i zapewniają wyższą niezawodność ruchomych skojarzeń maszyn i urządzeń technicznych. Nowoczesne oleje syntetyczne posiadają szereg unikalnych właściwości, do których

166 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński zaliczyć można: stabilność chemiczną i elektrochemiczną, dobre właściwości smarnościowe (przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe), niską odparowalność, małą zmianę lepkości i stabilność termiczną w szerokim zakresie temperatur oraz łatwą biodegradowalność. Dzięki tym właściwościom uważane są one za niezwykle interesującą grupę olejów w technice smarowniczej. Szczególnym zainteresowaniem badaczy cieszą się ostatnio syntetyczne oleje perfluoropolieterowe (PFPE), stosowane dotychczas tylko w technice kosmicznej. W obecnej pracy, kontynuując wcześniej realizowane badania [1, 2], dokonano analizy właściwości smarnościowych i powierzchniowych czterech olejów PEPE w porównaniu do wysokiej jakości oleju przekładniowego oraz dwóch olejów bazowych. Celem tych badań jest identyfikacja właściwości przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych olejów PFPE w korelacji do ich właściwości powierzchniowoenergetycznych i lepkościowo-temperaturowych. 2. Obiekty badań Nowoczesne oleje perfluoropolieterowe (PFPE) są cieczami o unikalnej strukturze i właściwościach. Składają się jedynie z trzech elementów: atomu węgla, tlenu i fluoru. Pomiędzy atomami występują silne wiązania, a cały łańcuch polimeru jest bardzo elastyczny. Wiązanie C F jest najsilniejszym wiązaniem międzyatomowym odkrytym w przyrodzie, a jednocześnie fluor jest elementem o najbardziej elektroujemnej naturze, dzięki czemu zapewnia cząsteczce wyjątkową wytrzymałość. Brak wodoru, wspólnego elementu dla wszystkich tradycyjnych cieczy smarujących, przyczynia się do zwiększenia stabilności termooksydacyjnej olejów PFPE [8]. Odznaczają się one kilkoma unikalnymi właściwościami, do których należą m.in. [7, 8]: najszerszy zakres temperatur pracy wśród wszystkich środków smarnych (od 90 C do 290 C) rys. 1, duży wskaźnik lepkości (dla olejów Fomblin sięgający powyżej 300), dobre wysoko- i niskotemperaturowe właściwości przeciwzużyciowe, zerowy potencjał niszczenia warstwy ozonowej (ODP), wysoki stopień stabilności termicznej, oksydacyjnej, doskonała odporność na promieniowanie, minimalna utrata wagi dla maksymalnie długiego czasu eksploatacji sprzętu rysunek 2 (straty parowania rozgałęzionych i liniowych PFPE, test ASTM 2595, 22 godziny, 204 C, % wg), niepalność, nietoksyczność, nie zawierają lotnych związków organicznych, kompatybilność z większością materiałów: tworzyw sztucznych, metali i elastomerów. Istnieje pięć różnych typów cieczy PFPE: K, Y, D, M i Z. W każdej z nich występują atomy węgla, tlenu i fluoru, jednak różna jest ich struktura molekularna, czyli sposób połączenia atomów. Te różnice wpływają w znacznym stopniu na właściwości niskotemperaturowe, smarnościowe, wskaźnik lepkości i lotność cieczy. Z punktu

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 167 Rys. 1. Zakres temperatur stosowania olejów perfluoropolieterowych Fomblin [8] widzenia struktury każdą ciecz PFPE można zakwalifikować jako liniową lub rozgałęzioną, co przedstawiono na rysunku 3. Ciecze perfluoropolieterowe D, M i Z mają strukturę liniową, natomiast oleje Y i K strukturę rozgałęzioną. Liniowe PFPE są bardzo elastyczne, a ich temperatury płynięcia są znacznie niższe niż rozgałęzionych i w zależności od lepkości, dla cieczy M i D mogą sięgać 75 C. Temperatura płynięcia cieczy Z o bardzo małej lepkości może być nawet niższa niż 90 C. Wybrane parametry liniowych i rozgałęzionych perfluoropolieterów przedstawiono w tabeli 1. rozgałęziona: PFPE i K Rys. 2. Straty parowania liniowych i rozgałęzionych PFPE Fomblin [8] liniowa: PFPED, M i Z Rys. 3. Struktura molekularna perfluoropolieterów PFPE [7]

168 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński Wybrane parametry liniowych i rozgałęzionych perfluoropolieterów [3] Tabela 1 PFPE Temperatura pracy [ C] Lepkość w 40 C [cst] Temperatura płynięcia [ C] Wskaźnik lepkości WL K i Y 54 do 250 25-510 56 do 28 105-150 D 70 do 250 25-200 75 do 53 150-210 M 70 do 250 90-150 < 70 340 Z 90 do 250 90-355 90 do 63 303-360 Obiektami badań w niniejszej pracy były cztery nowoczesne, perfluoropolieterowe (PFPE) oleje syntetyczne zakupione wcześniej w firmie Solvay Solexis, dwa o stosunkowo małej lepkości i dwa o stosunkowo dużej lepkości, o liniowej (M) i rozgałęzionej (Y) strukturze. Wybrane syntetyczne oleje PFPE oraz ich podstawowe właściwości, podawane przez producenta, zebrano w tabeli 2. Podstawowe właściwości fizykochemiczne wybranych olejów PFPE [7] Typowe właściwości Y04 YPL1500 M15 M60 Klasa ISO 15 460 100 320 Masa cząsteczkowa 1500 6600 8000 12500 Gęstość (ASTM D891) 20 C [g/cm 3 ] Lepkość kinematyczna (ASTM D445) 20 C [cst] 40 C [cst] 100 C [cst] Wskaźnik lepkości (ASTM D2270) Temperatura płynięcia (ASTM D97) [ C] Unikalne cechy 1,87 1,91 1,83 1,86 38 15 3,2 Lepkość kine 1500 420 40 Lepkoś 150 85 22 Tabela 2 550 310 86 60 135 253 343 58 25 75 60 doskonała stabilność w wysokich temperaturach dobre właściwości niskotemperaturowe i przeciwzużyciowe niska parowalność doskonały wskaźnik lepkości dobra stabilność termiczna bardzo niska parowalność bardzo mała wartość momentu obrotowego w ujemnych temperaturach

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 169 Jako cieczy porównawczej użyto dwóch organicznych baz olejowych pochodzących z rafinerii (syntetyczną i mineralną) i wysokiej klasy oleju przekładniowego: PAO-6 polialfaolefiny (PAO), uwodornione oligomery olefin otrzymywane poprzez kataliczną polimeryzację liniowych (łańcuchowych) alfaolefin, bez zawartości izoparafin, służące do komponowania olejów przemysłowych (temp. płynięcia < 40 C); SN-650 olejowa baza mineralna pochodząca z destylacji próżniowej pozostałości po destylacji atmosferycznej ropy naftowej, zawierająca max. 1% wt. siarki, służąca do komponowania olejów przemysłowych (temp. płynięcia < 9 C); olej przekładniowy Mobilube 1SHC 75W-90 spełniający wymagania klasyfikacji API MT-1/GL-5/GL-4, przeznaczony do smarowania skrzyń biegów i mostów napędowych pracujących w szerokim zakresie temperatury otoczenia, przy występowaniu przeciążeń i obciążeń udarowych (temp. płynięcia < 48 C). 3. Metodyki badawcze i aparatura Podczas przeprowadzonych badań posługiwano się nowoczesną aparaturą badawczą. Były to aparaty KSV Sigma 701 i KSV CAM 100 produkcji fińskiej, AMVn Anton Paar produkcji austriackiej oraz aparat czterokulowy T-02 produkcji polskiej. 3.1. Oznaczenie gęstości, napięcia powierzchniowego i kąta zwilżania na aparacie KSV Sigma 701 Na aparacie KSV Sigma 701 dokonano pomiarów gęstości, napięcia powierzchniowego i kąta zwilżania zgodnie z instrukcją aparatu [10]. Stanowisko do badań ww. parametrów przedstawiono na rysunku 4. Oznaczenia gęstości badanych cieczy smarujących dokonano po uprzedniej kalibracji urządzenia, czyli po sprawdzeniu ocenianego parametru dla cieczy testowej o znanej gęstości. Do kalibracji wykorzystano wodę destylowaną. Podczas kalibracji oprogramowanie automatycznie wykrywało granicę faz (woda, powietrze) oraz zerową pozycję zgłębnika. Po wykonaniu kalibracji można było przeprowadzić oznaczanie gęstości badanych związków. Polegało ono na wprowadzaniu zgłębnika do cieczy na stałą głębokość. Następnie program przeliczał zmierzoną wartość siły na wartość gęstości badanej cieczy, korzystając z prawa Archimedesa. Pomiary wykonywano dla temperatur 25 C, 40 C oraz 100 C. W każdej temperaturze pomiar powtarzano trzy razy.

170 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński Rys. 4. Aparatura do oznaczenia gęstości, napięcia powierzchniowego i dynamicznego kąta zwilżania: 1 łaźnia termostatująca JULABO F-12; 2 tensjometr KSV Sigma 701; 3 komputer sterujący Pomiar napięcia powierzchniowego opierał się na pomiarze siły działającej między zgłębnikiem (platynową płytką Wilhelmy ego o wymiarach: grubość 0,1 mm, szerokość 19,6 mm) a granicą faz dwóch płynów (w tym przypadku była to faza gazowa testowanej cieczy, czyli powietrze). Płytka Wilhelmy ego była opuszczana na wadze tak, że stykała się z granicą faz badanej cieczy. Siły działające między zgłębnikiem a powierzchnią cieczy zostały automatycznie użyte przez aparat do obliczenia napięcia powierzchniowego. Wynik oznaczenia napięcia powierzchniowego badanej cieczy był średnią pierwszego cyklu pomiarowego składającego się z 10 zanurzeń. Pomiar kąta zwilżania realizowano po uprzednim dokonaniu pomiaru napięcia powierzchniowego. Do wykonania tego pomiaru wykorzystano płytkę Wilhelmy ego, opisaną we wcześniejszym akapicie. Podczas zanurzania zgłębnika (płytka Wilhelmy ego) z wygenerowanych danych uzyskiwany był postępowy kąt zwilżania, natomiast podczas wynurzania zstępujący kąt zwilżania. Przedstawiono to obrazowo na rysunku 5. W tej pracy do analizy porównawczej olejów syntetycznych wykorzystano maksymalną wartość postępowego kąta zwilżania, który został uzyskany z wygenerowanych danych w trakcie zanurzania zgłębnika w badanej próbce. Zgodnie z opisem w instrukcji [10] wartość tę można traktować jako wartość statycznego kąta zwilżania platynowej płytki przez badaną ciecz. Napięcie powierzchniowe oraz kąt zwilżania platynowej płytki Wilhelmy ego realizowano w temperaturach 25 C, 40 C oraz 100 C, podobnie jak badanie gęstości, a podgrzewanie badanych próbek do wymaganych temperatur podczas realizacji pomiarów odbywało się przy pomocy łaźni termostatującej JULABO F-12 oznaczonej na rysunku 3 cyfrą 1. Przed każdym pomiarem napięcia powierzchniowego i kąta zwilżania płytka Wilhelmy ego była opalana płomieniem gazowym, w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń.

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 171 Rys. 5. Dynamiczny kąt zwilżania: postępowy i zstępujący [10] 3.2. Wyznaczenie statycznego kąta zwilżania na aparacie KSV CAM 100 Statyczny kąt zwilżania wyznaczano na automacie KSV CAM 100 zgodnie z instrukcją aparatu przedstawionego na rysunku 6 [12]. Każdorazowo wykonywano trzy pomiary polegające na wkropleniu badanej cieczy smarującej na powierzchnię stalowej płytki o twardości 62 HRC i chropowatości R a = 0,01-0,02 μm (stal narzędziowa wysokostopowa X210Cr12). Badania dokonywano w temperaturach 25 C, 40 C i 60 C a aparat ustawiono tak, aby w trakcie pomiaru wykonywał 15 zdjęć w odstępach między nimi równych 500 ms. Wykorzystując oprogramowanie dołączone do aparatu, możliwe było automatyczne wyznaczenie statycznego kąta zwilżania i krzywej dopasowania z równania Younga-Laplace a

172 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński Rys. 6. Stanowisko do pomiaru statycznego kąta zwilżania: 1 komputer sterujący z oprogramowaniem; 2 aparat KSV CAM 100 3.3. Wyznaczenie lepkości dynamicznej i kinematycznej oraz wskaźnika lepkości Lepkość dynamiczną badanych związków, zwaną również lepkością absolutną, wyznaczono zgodnie z instrukcją producenta [13], przy pomocy mikrolepkościomierza AMVn Anton Paar. Jest to wiskozymetr kulkowy Höpplera, w którym mierzony jest czas opadania kulki w przezroczystych i nieprzezroczystych cieczach. Stanowisko do badania lepkości dynamicznej przedstawiono na rysunku 7. Rys. 7. Stanowisko do badania lepkości dynamicznej: 1 komputer sterujący z oprogramowaniem; 2 wiskozymetr AMVn Zgodnie z zasadą Höpplera mierzony jest czas, w którym kulka pokonuje referencyjny dystans w rurce szklanej, napełnionej próbką badanej cieczy, termostatowanej i ustawionej pod dowolnym kątem. Rezultatem badania jest lepkość dynamiczna [mpas], którą otrzymuje się, mnożąc uzyskany czas pomiaru przez różnicę gęstości kulki i badanej cieczy i wartość stałej kulki, użytej do wykonania pomiarów. Każdy pomiar był wykonywany 6-krotnie. Kąt nachylenia (15-90 ) kapilary był dobierany do każdej próbki oraz temperatury tak, aby czas opadania kulki stalowej, jeśli to było możliwe, zawierał się w przedziale 18-23 sekundy. Przed każdym pomiarem weryfikowano temperaturę.

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 173 Wskaźnik lepkości badanych olejów syntetycznych i cieczy porównawczych wyliczano, posługując się normą PN-ISO 2909 Przetwory naftowe. Obliczanie wskaźnika lepkości na podstawie lepkości kinematycznej [5]. 3.4. Badanie właściwości smarnościowych Badanie właściwości smarnościowych wybranych olejów syntetycznych i cieczy porównawczych zostało przeprowadzone zgodnie z normą PN-76/C-04147, która jest modyfikacją ASTM D4172, na aparacie czterokulowym ITE T-02, przeznaczonym do określania właściwości przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych olejów smarowych i smarów plastycznych. Stanowisko badawcze przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Stanowisko było wyposażone w system pomiarowo-sterujący, w którego skład wchodzą: cyfrowy wzmacniacz pomiarowy, zestaw przetworników pomiarowych i komputer z zainstalowanym programem pomiarowo-sterującym. Wyznaczone zostały trzy parametry: dwa normatywne, tj. obciążenie zacierające (P t ) i graniczne obciążenie zużycia (G oz ) według [4], oraz dodatkowo graniczny nacisk zatarcia (p oz ) po pełnych 18-sekundowych biegach aparatu, przy liniowo narastającym obciążeniu. Wybór tych parametrów został podyktowany względami merytorycznymi oraz małą ilością poszczególnych olejów syntetycznych. Pierwszy parametr (P t ) charakteryzował właściwości przeciwzatarciowe, drugi (G oz ) właściwości przeciwzużyciowe, a trzeci naciski powierzchniowe (p oz ) Ten ostatni charakteryzował zachowanie się cieczy podczas zacierania. Parametr P t określany jest przy płynnie narastającym obciążeniu 409 N/s, tj. 490,5 dan (500 kg na każde 100 obrotów górnej kulki) przy prędkości obrotowej silnika 500 obr/min. Gwałtowny przyrost momentu tarcia (skok) określa moment przerwania filmu smarującego pod obciążeniem zacierającym P t. Natomiast tzw. graniczne obciążenie zużycia G oz wyznaczano przy prędkości obrotowej 500 obr/min, pod obciążeniem P = 147,15 dan (150 kg) w biegu trwającym 60 sekund. Rys. 8. Stanowisko do badania właściwości smarnościowych: 1 komputer sterujący z oprogramowaniem; 2 aparat czterokulowy T-02 z cyfrowym wzmacniaczem i zestawem przetworników

174 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński Rys. 9. Schemat skojarzenia badawczego aparatu czterokulowego: 1 pokrywa mocująca kulki dolnej; 2 uchwyt kulki górnej; 3 kulka górna (obracana); 4 kulki dolne (nieruchome); 5 naczynie z badanym olejem; 6 pryzmat; 7 dźwignia; 8 obciążenie; 9 badany olej; 10 pierścień ustalający [6] gdzie: Parametr G oz obliczano ze wzoru: G oz P = 0,52, (1) d P obciążenie nadane 147,15 dan; 0,52 współczynnik uwzględniający rozkład sił w węźle tarcia (czworościan foremny); d śr = d/6, gdzie: d średnice skaz zużycia na dolnych kulkach. Sposób obliczenia p oz był taki sam jak w przypadku normatywnego parametru G oz [4], z tym że dotyczył stałej wartości P oz = const. na końcu 18-sekundowego biegu przy obciążaniu ciągłym, jak w przypadku wyznaczania P t. Pomiar średnic skaz zużycia na dolnych kulkach realizowano na mikroskopie polaryzującym Eclipse LV100, wyprodukowanym przez firmę Nikon. Na aparacie tym można dokonać pomiarów z dokładnością do 0,01 μm, jednak w tym przypadku wyniki zaokrąglano do 0,01 mm zgodnie w wymaganiami normy [4], co jest zrozumiałe, biorąc pod uwagę gwałtowność oraz intensywność zużywania modelowych kulek w aparacie czterokulowym, a także potrzebę zaobserwowania wyraźnych, zdecydowanych różnic niebudzących żadnych wątpliwości. 2 sr

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 175 4. Wyniki badań i analiza 4.1. Wyniki pomiarów gęstości i ich analiza Wyniki pomiarów gęstości wybranych olejów perfluoropolieterowych oraz olejów porównawczych w zależności od temperatury przedstawiono w tabeli 3 oraz graficznie na rysunku 10. Oleje PFPE charakteryzowała ponad dwukrotnie większa gęstość w temperaturze 25 C niż oleje referencyjne i zawierała się w przedziale 1,8223-1,9080 g/cm 3. Tabela 3 Wyniki pomiarów gęstości Parametry Gęstość [g/cm 3 ] 25 C 40 C 100 C Ciecze smarujące PAO-6 SN-650 Mobilube YPL1500 Y04 M60 M15 0,816 0,806 0,769 0,881 0,869 0,829 0,856 0,843 0,804 1,908 1,868 1,755 1,868 1,827 1,711 1,828 1,788 1,655 1,822 1,783 1,656 Rys. 10. Zależność gęstości badanych cieczy smarujących od temperatury Duża gęstość syntetycznych olejów PFPE jest następstwem ich dużej masy atomowej i budowy molekularnej. Oleje M15 oraz M60 posiadają zbliżone wartości mas atomowych i oba mają liniową budowę molekularną, co przełożyło się na bardzo zbliżone gęstości uzyskane dla tych olejów. Oleje Y04 i YPL1500 o budowie molekularnej rozgałęzionej uzyskały nieznacznie wyższe wartości gęstości niż oleje M15 i M60. Najniższą gęstość wśród badanych cieczy smarujących miał olej PAO-6.

176 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński Zmiana gęstości olejów PFPE w temperaturze 100 C w stosunku do gęstości w temperaturze 25 C jest blisko dwukrotnie większa niż zmiana gęstości w tym samym zakresie temperatur dla olejów porównawczych, co również widoczne jest na rysunku 10. 4.2. Wyniki pomiarów napięcia powierzchniowego, kąta zwilżania na aparacie Sigma 701 i statycznego kąta zwilżania na aparacie CAM 100 oraz ich analiza Wyniki pomiarów napięcia powierzchniowego i kątów zwilżania badanych olejów smarowych przedstawiono w tabeli 4 i zobrazowano na rysunku 11. Tendencja, opisana również w literaturze [9], wskazuje na liniową zależność wartości napięcia powierzchniowego od temperatury dla wszystkich badanych olejów. Tabela 4 Wyniki pomiarów napięcia powierzchniowego, kąta zwilżania na aparacie Sigma 701 i statycznego kąta zwilżania na aparacie CAM 100 Parametry Nap. pow. [mn/m] 25 C 40 C 100 C Kąt zw. CAM 100 25 C 40 C 100 C Kąt zw. Sigma 701 25 C 40 C 100 C Ciecze smarujące PAO-6 SN-650 Mobilube YPL1500 Y04 M60 M15 27,523 26,846 23,869 18,79 15,47 12,04 34,78 31,88 20,88 30,460 29,384 25,785 24,51 19,26 15,82 35,03 32,12 19,25 27,565 26,432 22,419 15,11 11,08 8,32 26,96 23,48 8,76 17,634 16,739 14,198 49,01 39,63 34,63 53,01 43,00 22,48 16,880 15,239 11,115 23,92 21,63 19,66 0,00 0,00 0,00 18,237 17,360 14,930 36,84 35,03 32,09 28,74 26,00 0,00 20,522 19,553 13,504 35,75 32,88 28,32 25,81 25,75 9,05 Wszystkie badane oleje perfluoropolieterowe odznaczały się niższymi wartościami napięcia powierzchniowego niż badane oleje porównawcze. Spośród wybranych do badań olejów PFPE najwyższe napięcie powierzchniowe w temperaturze 25 C wynoszące 20,522 mn/m miał olej M15. W temperaturach 25 C i 40 C oleje o budowie liniowej (M15 i M60) miały wyższe napięcia powierzchniowe niż oleje o budowie rozgałęzionej (Y04 i YPL1500). W temperaturze 100 C oleje M15, M60 oraz YPL1500 miały zbliżoną wartość napięcia powierzchniowego zawierającą się między 13,504 mn/m a 14,930 mn/m. Najniższym napięciem powierzchniowym w całym zakresie temperatur odznaczał się olej Y04, który spośród olejów PFPE

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 177 Rys. 11. Zależność napięcia powierzchniowego badanych cieczy smarujących od temperatury miał również najniższą masę molekularną. Biorąc pod uwagę oleje porównawcze, najwyższe napięcie powierzchniowe miał SN-650 w całym zakresie temperatur, a oleje syntetyczne PAO-6 oraz Mobilube w temperaturach 25 C i 40 C pod względem napięcia powierzchniowego były porównywalne. Doskonałą zwilżalnością już w temperaturze 25 C odznaczał się olej syntetyczny PFPE Y04 (tab. 4). Olejem o najgorszej zwilżalności platynowego zgłębnika wśród olejów PFPE okazał się YPL1500, pomimo bardzo niskich wartości napięcia powierzchniowego. Związane może to być z największą spośród wszystkich badanych olejów lepkością. W temperaturze 100 C zwilżalność PFPE YPL1500 jest porównywalna ze zwilżalnością olejów referencyjnych SN-650 oraz PAO-6. Rys. 12. Zależność statycznego kąta zwilżania na aparacie KSV CAM 100 od temperatury

178 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński Na rysunku 12 przedstawiono zależność statycznego kąta zwilżania, wyznaczonego na aparacie KSV CAM 100, od temperatury dla wszystkich badanych olejów porównawczych i PFPE. Wyniki statycznego kąta zwilżania, oznaczanego poprzez naniesienie kropli badanej cieczy smarującej na próbkę wykonaną ze stali narzędziowej wysokostopowej X210Cr12, również wskazują na tendencję zwiększenia zwilżalności wraz ze wzrostem temperatury. Tendencje te mają charakter liniowy. Olej PFPE YPL1500 również w tym przypadku wykazał się najgorszą zwilżalnością próbki stalowej. Bardzo dobrymi właściwościami zwilżającymi na aparacie KSV CAM 100 odznaczyły się oleje porównawcze, szczególnie olej Mobilube 1SHC 75W-90. Wśród olejów PFPE najlepszymi właściwościami zwilżającymi ponownie wykazał się olej Y04. 4.3. Wyniki pomiarów lepkości dynamicznej i kinematycznej oraz ich analiza Lepkość dynamiczna jest parametrem opisującym stosunek naprężeń ścinających do prędkości ścinania. Na podstawie otrzymanych wyników przedstawionych w tabeli 5 można stwierdzić, że najmniejszą wartością lepkości dynamicznej w całym zakresie temperatur badania charakteryzował się olej PAO-6. Jego lepkość w temperaturze 25 C wyniosła 47,36 mpas i była o 12,68 mpas niższa od oleju PFPE Y04. Najwyższą lepkość dynamiczną w tej temperaturze (1879,73 mpas) posiadał olej PFPE YPL1500. Zauważalna jest zależność masy cząsteczkowej, budowy molekularnej i lepkości dynamicznej olejów PFPE. Tabela 5 Wyniki pomiarów lepkości dynamicznej i kinematycznej oraz wskaźnika lepkości Parametry Lep. dyn. [mpas] 25 C 40 C 100 C Lep. kin. [mm 2 /s] 25 C 40 C 100 C Ciecze smarujące PAO-6 SN-650 Mobilube YPL1500 Y04 M60 M15 47,36 24,52 4,56 58,05 30,42 5,93 345,47 131,96 11,51 392,13 151,85 13,88 188,83 91,15 12,93 220,59 108,13 16,08 1879,73 739,67 62,71 985,18 395,97 35,73 60,04 32,25 5,99 32,14 17,65 3,50 697,42 382,48 123,67 381,52 265,82 74,72 224,49 138,29 36,04 123,21 77,56 21,76 WL 144 86 160 134 55 347 306

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 179 Biorąc po uwagę oleje Y04 oraz YPL1500 o jednakowej budowie molekularnej (łańcuchy rozgałęzione), wyższą lepkość ma ten, którego masa cząsteczkowa jest większa. Podobne zależności można zaobserwować, biorąc pod uwagę oleje PFPE M15 i M60 o liniowej budowie molekularnej. Wyniki pomiarów lepkości dynamicznej przedstawiono na rysunku 13. Rys. 13. Zależność lepkości dynamicznej η od temperatury Na podstawie wyznaczonej lepkości dynamicznej i gęstości badanych cieczy smarujących możliwe było wyznaczenie lepkości kinematycznej niezbędnej do obliczenia wskaźnika lepkości. Dla cieczy porównawczych SN-650, PAO-6 oraz Mobilube 1SHC 75W-90, których gęstość < 1, lepkość kinematyczna miała większe wartości niż lepkość dynamiczna, a dla olejów PFPE niższe, ponieważ ich gęstość > 1 (rys. 14). Rys. 14. Zależność lepkości kinematycznej ν od temperatury

180 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński Najniższą wartością lepkości kinematycznej we wszystkich temperaturach odznaczał się olej PFPE Y04, a najwyższą PFPE YPL1500. W temperaturze 25 C olej ten miał lepkość kinematyczną równą 985,18 mm 2 /s, podczas gdy Y04 jedynie 32,14 mm 2 /s. W temperaturze 100 C lepkość kinematyczna badanych olejów zawierała się w przedziale 3,50-35,73 mm 2 /s. Wyjątkiem był olej M60, którego lepkość wyniosła 74,72 mm 2 /s. Rysunek 14 obrazuje w sposób graficzny zależność lepkości kinematycznej ν od temperatury. W temperaturze 25 C olej M60 ma zbliżoną lepkość kinematyczną do oleju SN-650, jednak już w temperaturze 40 C widoczna jest wyraźna przewaga oleju PFPE nad mineralną bazą, gdyż zmiana lepkości między tymi temperaturami dla SN-650 wynosi 240,28 mm 2 /s, a dla M60 zaledwie 115,70 mm 2 /s. Posługując się wyznaczoną lepkością kinematyczną w temperaturach 40 C i 100 C oraz normą [5], wyznaczono wskaźnik lepkości obrazujący zmiany lepkości kinematycznej wraz ze zmianami temperatury. Wyższa wartość bezwymiarowego wskaźnika lepkości oznacza wyższą odporność oleju na zmiany lepkości w funkcji temperatury. Oleje M60 i M15 odznaczyły się najwyższymi wartościami wskaźnika lepkości na poziomie: 347 dla PFPE M60 i 306 dla PFPE M15. Wynika to z liniowej budowy molekularnej tych cieczy. Zaskakujący jest mały wskaźnik lepkości dla oleju PFPE Y04 wynoszący zaledwie 56, który wynikać może z bardzo małej lepkości kinematycznej. Wśród olejów porównawczych najlepszy pod względem wskaźnika lepkości okazał się olej syntetyczny Mobilube 1SHC 75W-90, jego WL wyniósł 160. Wartości wskaźników lepkości wszystkich badanych olejów przedstawiono na rysunku 15. Rys. 15. Wskaźnik lepkości badanych olejów 4.4. Wyniki badania właściwości smarnościowych oraz ich analiza Właściwości smarnościowe wybranych olejów perfluoropolieterowych oraz olejów porównawczych określano parametrami P t, G oz, i p oz (p. 3.4). Wyniki badań przedstawiono w tabeli 6.

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 181 Wyniki badań smarnościowych Tabela 6 Parametry Graniczne obciążenie zużycia G oz [dan/mm 2 ] Graniczny nacisk zatarcia p oz [dan/mm 2 ] Obciążenie zacierające P t [dan] Ciecze smarujące PAO-6 SN-650 Mobilube YPL1500 Y04 M60 M15 45,28 58,88 318,70 132,48 181,11 160,72 151,79 126,80 117,18 306,04 495,73 329,12 473,94 495,73 116,57 132,93 296,53 184,05 94,07 61,35 53,17 Pod względem parametru P t najlepsze właściwości smarnościowe miał olej przekładniowy Mobilube 1SHC 75 W/90, jego wartość obciążenia zacierającego wyniosła 296,53 dan. Pozostałe oleje uzyskały dosyć niskie wartości obciążenia zacierającego. Oleje bazowe PAO-6 i SN-650 miały wyższe wartości P t od olejów PFPE, oprócz oleju YPL 1500, którego lepkość była kilkakrotnie większa od wszystkich badanych olejów. Parametrem charakteryzującym zachowanie środka smarowego w warunkach przekroczenia wartości P t jest graniczny nacisk p oz [11, 14]. Im wyższa jest wartość tego parametru, tym skuteczniejsze jest działanie filmu olejowego po przerwaniu filmu granicznego, tzn. po przekroczeniu wartości P t i ponownym wytworzeniu warunków smarowania elastohydrodynamicznego. Oleje PFPE uzyskały najwyższe wartości parametru p oz wśród badanych cieczy smarujących przekraczające 3-4-krotnie wartości uzyskane dla olejów porównawczych SN-650 i PAO-6. Olej Mobilube 1SHC 75W-90 miał również zdecydowanie niższą wartość p oz (306,04 dan/mm 2 ) niż YPL1500, M60 i M15i porównywalną z olejem Y04, którego wartość p oz wyniosła 329,12 dan/mm 2 i była najniższa wśród wszystkich olejów PFPE (tab. 6). Na aparacie czterokulowym wyznaczono również graniczne obciążenie zużycia zgodnie z normą [4]. Parametr ten charakteryzował obciążenie jednostkowe określające naciski w węźle tarcia uzyskane pod stałym obciążeniem 147,15 dan w próbie 60-sekundowej. Najwyższą wartość parametru G oz uzyskano dla oleju Mobilube 1SHC 75W-90 (318,70 dan/mm 2 ). Wartości granicznego obciążenia zużycia olejów PFPE zawierały się pomiędzy 132,48 dan/mm 2, a 181,11 dan/mm 2 i były ponad dwukrotnie wyższe od wartości G oz uzyskanych dla olejów porównawczych PAO-6 (45,28 dan/mm 2 ) i SN-650 (58,88 dan/mm 2 ).

182 T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński 5. Wnioski W świetle opisanych badań właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów syntetycznych można wysnuć następujące wnioski wstępne: 1. Syntetyczne oleje PFPE M60 i M15 uzyskały bardzo duże wartości wskaźnika lepkości, co w połączeniu z ich właściwościami niskotemperaturowymi i odpornością na utlenianie pozwala zastosować je w aplikacjach szczególnie wrażliwych na zmianę lepkości w szerokim zakresie temperatur. 2. Uzyskane przez oleje PFPE wartości granicznego obciążenia zużycia G oz na poziomie 132,48-181,11 dan/mm 2 pozwalają sądzić, iż oleje te sprawdziłyby się podczas pracy w niezbyt obciążonych układach, szczególnie przy smarowaniu hydrodynamicznym i elastohydrodynamicznym. 3. Badane oleje perfluoropolieterowe charakteryzowała niska wartość napięcia powierzchniowego oraz dobra zwilżalność platynowej płytki i stalowych próbek. Ma to wpływ na zdolność do powlekania smarowanej powierzchni i odtwarzania filmu smarującego pomimo słabszych właściwości przeciwzatarciowych. 4. Badane oleje syntetyczne miały najmniejsze średnie średnice skaz zużycia na dolnych kulkach, uzyskane po pełnym, 18-sekundowym biegu aparatu czterokulowego, przy narastającym liniowo obciążeniu i stałej prędkości obrotowej górnej kulki, co przełożyło się na bardzo wysokie wartości parametru p oz. Świadczy to o dobrych właściwościach przeciwzużyciowych olejów PFPE i zdolności do regeneracji elastohydrodynamicznego filmu smarującego. Artykuł wpłynął do redakcji 13.07.2010 r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w październiku 2010 r. Literatura [1] T. J. Kałdoński, T. Kałdoński, D. Ozimina, Wpływ napięcia powierzchniowego, kąta zwilżania i adsorpcji substancji smarujących na ich właściwości smarnościowe, Tribologia teoria i praktyka, 2, 218, 2008, 235-245. [2] T. Kałdoński, T. J. Kałdoński, Experimental investigations on relationship between sorptive properties, surface tension, contact angle and lubricity of engine and gear oils, The 5 th China International Symposium on Tribology and 1 st International Tribology Symposium of IFToMM, CIST 2008 & ITS-IFToMM, Beijing, China, 24-27 September 2008. [3] G. B. Mock, A Guide to Selecting the Right PFPE Lubricants, internet 03.2010 www.nyelubricants. com/pdf/selectingpfpes.pdf. [4] Polska Norma: PN-76/C-04147, Badania właściwości smarnych olejów i smarów. [5] Polska Norma: PN-ISO 2909, Przetwory naftowe. Obliczanie wskaźnika lepkości na podstawie lepkości kinematycznej, sierpień 2009. [6] TOTAL: Przemysłowe środki smarne, Poradnik, Warszawa, 2003.

Badanie właściwości powierzchniowych i smarnościowych wybranych olejów... 183 [7] Fomblin PFPE Lubricants, Solvay Solexis, informacje producenta, 03.2010, www.solvaysolexis. com/static/wma/pdf/1/1/7/3/0/fom_lube.pd.f. [8] Perfluoropolyethers A Unique Source for High Performance PFPE Lubricants, 03.2010 www. solvaysolexis.com/static/wma/pdf/6/9/9/2/perfluoropolyethers.pdf. [9] M. Hebda, A. Wachal, Trybologia, WNT, Warszawa, 1980. [10] Instrukcja aparatu KSV SIGMA 701, Operation Manual surface/interfacial tension, DCA, Meter, KSV Instruments Ltd., Helsinki, Finlandia, internet 03.2010 www.ksvltd.com www.nlab. pl/ksv/ksv_sigma700-701.pdf. [11] J. Drabik, E. Pawelec, Charakterystyka lepkościowo temperaturowa oraz ocena właściwości smarnych i odporności na utlenianie kompozycji olejowych. Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie, 2007, 2, 151-161. [12] KSV CAM 100, Contact angle meter, User s manual, KSV Instruments Ltd., Helsinki, Finlandia. [13] Instruction Manual ViscoLab for AMVn Software, Anton Paar Graz, Austria, 2007. [14] M. W. Sułek, Wodne roztwory surfaktantów w inżynierii materiałowej systemów tribologicznych, Wyd. Pol. Rad. ITeE, Radom, 2009. T. J. Kałdoński, Ł. Gryglewicz, M. Stańczyk, T. Kałdoński Investigations on lubricity and surface properties of selected perfluoropoliether oils Abstract. In the paper, the investigation results of lubricity and surface properties for four synthetic perfluoropoliether (PFPE) oils, comparing with the high quality gear oil Mobilube 1SHC 75W-90 and two base oils PAO-6 and SN-650, are discussed. Keywords: tribology, perfluoropoliethers (PFPE), lubrication