Research of conservation materials based on vegetable oils

Full Text

Коррозионные разрушения снижают усталостную прочность, увеличивают процесс изнашивания, что приводит к увеличению затрат на ремонт и к простоям техники. Характер и степень поражения коррозией машин и орудий определяются особенностями их конструкций, стойкостью к коррозии материалов и лакокрасочных покрытий, применяемых при изготовлении, а также защитной эффективностью применяемых средств временной противокоррозионной защиты [1, 2].

Предприятиями производятся различные консервационные материалы, отличающиеся областью применения и защитной эффективностью. Как правило, эти материалы производятся на масляной основе из нефтяных смазочных материалов. Широкое распространение получили различные консервационные материалы, такие как пленкообразующие ингибиторные нефтяные составы (ПИНСы), защитные битумные составы, жидкие консервационные и пластичные смазки [3].

Очень часто для внешней защиты сельскохозяйственной техники используют отработанные моторные масла, они обладают низкой защитной эффективностью, токсичностью, небезвредны для окружающей среды.

Консервационные материалы из нефтяных смазочных материалов обладают низкой экологической чистотой [3, 4]. При несоблюдении технологических процессов консервации и расконсервации машин происходит загрязнение почвы, воды и окружающей среды, что сказывается на экологической чистоте производимой продукции. Это недопустимо при возделывании сельскохозяйственных культур по современным технологиям, так как в последние годы растет интерес к экологически чистой сельскохозяйственной продукции.

Использование растительных масел (подсолнечного, рапсового, соевого, пальмового и других) и отходов их производства в качестве основы для антикоррозионных материалов является хорошей альтернативой нефтяным маслам. Консервационные материалы на базе растительных масел обладают экологической чистотой, возобновляемы, при необходимости возможно их изготовление в условиях самого предприятия. Так же для производства растительных консервационных материалов возможно использование отходов, которые образуются при производстве растительных масел и не могут в дальнейшем использоваться в пищевой промышленности [4, 5, 6].

Цель исследований – повышение эффективности защиты рабочих органов сельскохозяйственных машин и орудий от атмосферной коррозии консервационными материалами на основе растительных масел.

Задача исследований – оценить защиту углеродистой стали от коррозии консервационными материалами на основе растительных масел при периодической конденсации влаги.

Материал и методы исследований. Лабораторные исследования проводились в Самарской испытательной лаборатории ФГБУ «ВНИИЗЖ» и на кафедре «Технический сервис» Самарского ГАУ. Для исследований в качестве консервационных материалов были выбраны следующие растительные масла и композиции масел:

1) Пальмовое масло;

2) Рапсовое масло;

3) Подсолнечное масло;

4) Композиция из 50% рапсового масла и 50% пальмового масла;

5) Композиция из 50% подсолнечного масло и 50% пальмового масла.

Ранее были определены физико-химические показатели (вязкость, перекисное и кислотное числа, жирнокислотный состав) исследуемых растительных масел и композиций [7, 8].

Материалы наносились на пластинки размером 50 мм х 50 мм х 4 мм, изготовленные из стали конструкционной углеродистой обыкновенного качества Ст3сп. Состав стали, %: Fe – 98,926; Mn – 0,441; Si – 0,219; C – 0,196; Ni – 0,055; Cr – 0,042; Cu – 0,04; Al – 0,031; As – 0,015; S – 0,008; P – 0,007; Co – 0,006. Анализ состава стали проводили на оптико-эмиссионном спектрометре ДФС-500. Перед нанесением исследуемых масел и композиций на пластинки их поверхность была обработана бензином и спиртом. Масса каждой пластинки определялась на электронных аналитических весах ViBRA AF-224RCE с точностью 0,0001 г. Перед нанесением образцы исследуемых растительных масел и композиций (за исключением растительного и рапсового масел) нагревали в сушильном шкафу Binder 53 до температуры 50ºC. Нанесение на пластинки осуществлялось путем погружения пластинок в масло или композицию. Пластинки с нанесённым материалом выдерживали при комнатной температуре в течение суток, после чего производилось взвешивание (взвешивали пластинку с нанесённым материалом и с подвесом).

Определяли толщину слоя нанесенного материала по формуле

 $h=\frac{(m_{СП}-m_{П})}{(\rho ·F·0,1)}$ (1), мм

где m_СП – масса пластинки с покрытием и подвесом, г; m_П – масса пластинки с подвесом, г; ρ – плотность покрытия, г/см³; F – площадь поверхности пластинки, см².

Площадь поверхности пластинки определяли по формуле, при этом размеры определялись электронным штангенциркулем

 $F=\frac{(a\times b)\times 2+(c\times a)\times 2+(c\times b)\times 2}{100})$, см² (2)

где a – средняя ширина пластинок, мм; b – средняя длина пластинок, мм; c – средняя толщина пластинок, мм.

Наибольшая толщина нанесенного слоя была у исследуемых материалов с содержанием пальмового масла (табл. 1).

После нанесения исследуемых материалов на пластинки и определения массы, их подвешивали в лабораторном эксикаторе, в чашу которого наливали дистиллированную воду до уровня выступа в нижней части чаши. Затем на выступ устанавливали фарфоровую вставку с отверстиями.

Эксикатор помещали в климатостат КС-200 СПУ. Испытания проводились циклами. Для этого климатостат программировался следующим образом. Нагрев и поддержание температуры 40 °С в течение 7 часов, после чего остывание до 5 °С и поддержание этой температуры в течении 17 часов. Таким образом, осуществлялась конденсация влаги на образцах пластин. Испытание всех обработанных образцов проводились непрерывно в течение 35 дней.

 

Таблица 1. Масса и толщина нанесённого слоя материала

Состав материала	Масса нанесённого слоя, г	Толщина нанесённого слоя, мм
Пальмовое масло	3,443	0,654
Рапсовое масло	0,0705	0,013
Подсолнечное масло	0,0906	0,017
Композиция из 50% рапсового масла и 50% пальмового масла	0,2412	0,046
Композиция из 50% подсолнечного масло и 50% пальмового масла	0,2921	0,056

 

После указанного времени образцы доставались и с них удаляли покрытия и продукты коррозии. Сначала удаляли растворителем с поверхности пластин нанесенный растительный материал, после чего продукты коррозии убирали химическим способом. Пластины помещались в раствор соляной кислоты (HCI) 500 см³ и утротропина 3,5 г, доведенный до 1000 см³ деонизированной водой. Образцы, погруженные в раствор, выдерживали в течение 10 минут. Затем пластины промывали деонизированной водой и высушивали спиртом, после чего проводили взвешивание на электронных лабораторных весах ViBRA AF-224RCE.

По потере массы металла определялась скорость коррозии:

 $K=(m_0-m_2)/(F\bullet \tau ),г/{м}^2год,$ (3)

где m₂ – масса пластинки после удаления продуктов коррозии, г; m₀ – масса чистой пластинки, г; F – площадь поверхности пластинки, м².

Степень защиты исследуемых растительных составов рассчитывали по формуле:

$Z=(K_0-K)/K_0\times 100,\%,$ (4)

где К₀ – скорость коррозии пластины без покрытия, г/м²∙год.

Результаты исследований. Потеря массы является наиболее часто используемым методам оценки защитной эффективности консервационных материалов. Массометрический показатель коррозии представляет собой изменение массы металла в результате коррозии (табл. 2).

 

Таблица 2. Результаты изменения массы при ускоренных исследованиях с периодической конденсацией влаги

Состав материала	Масса пластины, г	Масса пластины после удаления продуктов коррозии, г	Потери массы, г
Пальмовое масло	68,4818	68,4663	0,0155
Рапсовое масло	68,5064	68,4848	0,0216
Подсолнечное масло	68,5698	68,5414	0,0284
Композиция из 50% рапсового масла и 50% пальмового масла	68,3372	68,3282	0,009
Композиция из 50% подсолнечного масла и 50% пальмового масла	68,3404	68,3264	0,014
Без обработки	68,7555	68,7236	0,0319

 

По формуле (3) и на основании данных таблицы 2 была рассчитана скорость коррозии исследуемых образцов пластин. На графике (рис. 1) представлена скорость коррозии стали Ст3сп при нанесении консервационных материалов на основе растительных масел, а также без обработки.

 

Рис. 1. Скорость коррозии при нанесении консервационных материалов

 

Исследования показали, что наименьшая скорость коррозии (0,05…0,07 г/м²·сутки) получена для образцов, обработанных композициами с содержанием 50% пальмового масла. Данные материалы замедляют скорость коррозии почти в 3 раза. Это объясняется большей кинематической вязкостью, а так же преобладаем в жирнокислотном составе олеиновой, линолевой и пальмитиновой кислот.

Образец, покрытый чистым пальмовым маслом, не смотря на то что толщина слоя покрытия (0,654 мм) более чем в 14 раз превышала толщину слоя композиции из 50% рапсового масла и 50% пальмового масла (0,046 мм), не обеспечил более низкой скорости коррозии. Согласно полученным данным подсолнечное масло незначительно снижает скорость коррозии стали Ст3сп – с 0,16 до 0,142 /м²·год.

Эффективность защиты консервационных материалов на основе растительных масел оценивалась степенью защиты покрытия, результаты расчета которой представлены на рисунке 2.

 

Рис. 2. Степень защиты консервационных материалов на основе растительных масел

 

Композиция из 50% рапсового масла и 50% пальмового масла обеспечивает наилучшую степень защиты (около 72%) стали конструкционной углеродистой обыкновенного качества Ст3сп. Это обясняется тем, что в рапсовом масле преобладает ненасыщенная олеиновая кислота, которая при взаимодействии с кислородом окисляется и образует пленку. Высокую температуру плавления композиции обеспечивает пальмовое масло, основу жирнокислотного состава которого составляет пальмитиновая кислота.

Пальмовое масло обеспечивает степень защиты 51%, рапсовое масло 32%, а подсолнечное 11%, которая ниже степени защиты композиций растительных масел с пальмовым маслом.

Заключение.   Проведенные исследования показали, что наилучшие защитные свойства у композиции из 50% рапсового масла и 50% пальмового, данная композиция масел замедляет скорость коррозии до 0,045 г/м²·год, при скорости коррозии стали Ст3сп 0,16 г/м²·год. Композиции с содержанием пальмового и рапсового масел не уступают по защитной эффективности нефтяным маслам и могут применяться для временной защиты рабочих органов сельскохозяйственных машин и орудий от атмосферной коррозии, при этом они являются экологическими безопасными средствами временной противокоррозионной защиты.

About the authors

Dmitry S. Sazonov

Samara State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: Sazonov_DS@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5119-8614

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky

Maxim P. Erzamaev

Samara State Agrarian University

Email: Erzamaev_MP@mail.ru
Scopus Author ID: 0000-0003-2843-3513

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky

Sergey N. Zhiltsov

Samara State Agrarian University

Email: Zhiltsov_SN@ssaa.ru
ORCID iD: 0000-0001-9680-3198

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky

Evgeny I. Artamonov

Samara State Agrarian University

Email: artamonov.evgenij.ivanovich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0093-8213

Candidate of Technical Sciences

Russian Federation, Ust-Kinelsky

References

Supplementary files