Autor: Ewa Pawelec, Elżbieta Siwiec*

 

Wykorzystanie analizy spektralnej

 

Celem pracy było zbadanie możliwości zastosowania analizy spektralnej do określenia przemiany struktury smarów plastycznych podczas testów tribologicznych prowadzonych w warunkach stałych i zmiennych obciążeń węzła tarcia. Do identyfikacji zmian zastosowano spektrofotometrię w podczerwieni z transformacją Fouriera. W tym celu wykonano widma IR smaru po testach i porównano je z widmami smaru wyjściowego. Zidentyfikowano pasma związane zarówno z procesami oksydacji jak i degradacją dodatków uszlachetniających. Dla celów porównawczych wykonano badania utleniania smarów na aparacie PetroOXY i stwierdzono występowanie korelacji pomiędzy uzyskanymi wynikami.

 

Wprowadzenie

Smary plastyczne, obok olejów, stanowią dużą grupę środków smarowych stosowanych w technice. Ich właściwości funkcjonalne są w głównej mierze zdeterminowane rodzajem fazy dyspersyjnej i zagęszczacza. W wielu aplikacjach podstawowe komponenty środków smarowych nie są w stanie zapewnić minimalnego zużycia smarowanego węzła tarcia. Z tego też względu niezbędnym staje się dobór dodatków redukujących tarcie i zużycie. W warunkach eksploatacji środek smarowy podlega działaniu szeregu czynników powodujących zmianę jego składu, prowadzące aż do utraty właściwości funkcjonalnych [1, 2]. Istotnym zagadnieniem pozostaje zatem dobór szybkiej metody badania przemian chemicznych środka smarowego w warunkach eksploatacji.

Celem pracy było zbadanie możliwości stosowania analizy spektralnej do badania przemian struktury smarów plastycznych po testach tribologicznych.

 

Część eksperymentalna

Przedmiotem badań był węglowodorowy smar plastyczny (W-0) oraz kompozycje tego smaru zawierające w składzie zróżnicowaną zawartość dodatku smarnego, oznaczone jako W-R. Obok symbolu dodatku podano jego procentową zawartość w smarze.

W celu oceny skuteczności działania smarów, w warunkach tarcia, poddano je znormalizowanym badaniom na aparacie czterokulowym. Zróżnicowana skuteczność działania zmodyfikowanych smarów, nie będąca prostą zależnością zawartości dodatku, sprawiła, że interesującym było sprawdzenie jakie zmiany w strukturze smaru zachodzą w węźle tarcia w warunkach prowadzonego testu. Do tego celu zastosowano spektrofotometr FTIR 6200 (firmy Jasco, Japonia). Widma IR uzyskiwano metodą odbiciową z wykorzystaniem kryształu diamentowego, zakres spektralny 4000 ÷ 600 cm^-1, rozdzielczość 4 cm^-1. Badaniom spektralnym podlegały smary przed i po testach tribologicznych.

Zbadano również odporność na utlenianie badanych smarów w automatycznym aparacie PetroOXY firmy Petrotest w następujących warunkach: temperatura – 140°C, ciśnienie początkowe – 700 kPa, czynnik utleniający – tlen, objętość próbki – 5 cm³.Wielkością mierzoną był czas, po którym maksymalne ciśnienie spadnie o 10%.

 

Wyniki

W pierwszym etapie opracowano metodykę pozwalającą na ocenę zmiany składu smaru plastycznego po testach tribologicznych. W tym celu wykonano widmo IR smaru bez dodatku i smarów ze zróżnicowaną zawartością dodatku R. Analizując otrzymane widma zidentyfikowano pasma charakterystyczne dla zastosowanego dodatku smarnego (rys. 1) .

 

 

Rys. 1 Widma IR smaru bez dodatku i z dodatkiem R

 

 

Na podstawie analizy widm stwierdzono, że pasmami pochodzącymi od dodatku są pasma z maksimum absorpcji przy 1105 (drgania walencyjne C=S), przy 1200 cm^-1 związane z drganiami deformacyjnymi C-H w grupie –S- CH₃.

Analityczną przydatność wytypowanych pasm sprawdzono poprzez zbadanie zależnośi pomiędzy zawartością dodatku w smarze a wartością absorbancji w wymienionych pasmach spektralnych. Badanie wykonano dla smarów zawierających 1, 3, 6% wag dodatku. Korzystając z aparatu matematycznego, dostępnego w oprogramowaniu spektrofotometru, obliczono, metodą całkowania, powierzchnię pola ograniczonego linią podstawową i krzywą absorpcji, w przedziale liczb falowych charakterystycznych dla badanego dodatku. Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej wyznaczając funkcje krzywych regresji. Stwierdzono, że wyznaczone zależności charakteryzują wysokim współczynnikiem determinacji liniowej (R^2.>0,9) co świadczy, że wybór tego pasma do oceny zmian ilościowych zachodzących w strukturze smaru jest uzasadniony.

Opracowaną metodykę oznaczanie zawartości dodatków uszlachetniających w modelowych kompozycjach, wykorzystano do badania zmian struktury chemicznej zachodzących w warunkach testów tribologicznych (rys. 2).

 

 

Rys. 2. Widma IR środka smarowego W-6R  przed (1) i po testach tribologicznych (2)

 

 

Z analizy widma IR smarów przed i po testach tribologicznych wynika, że zmiany dotyczą przede wszystkim intensywności pasm przy 1105 cm^–1. Stwierdzono również pojawienie się pasma z maksimum przy 1747 cm^-1 które jest charakterystyczne dla tlenowych produktów przemian środków smarowych.

Zmiany zachodzące w paśmie charakterystycznym dla dodatków oraz towarzyszące im zmiany w paśmie przy maksimum 1747 przedstawiono na rys. 3. 

 

 

Rys. 3. Zmiana w pasmach charakterystycznych dla dodatków i produktów utleniania smaru po testach tribologicznych

 

 

Zmiany w paśmie charakterystycznym dla dodatku przedstawiono jako pola powierzchni pod pikiem (za 100% przyjęto pole powierzchni pod pikiem dla smarów przed testem tribologicznym). Z danych wynika, że w przypadku smarów zawierających 1 i 3% [wag] dodatku R, po testach tribologicznych, następuje wzrost intensywności pasma z maksimum przy 1105 cm^–1 Może to być związane z pojawieniem się tlenowych produktów utleniania, dla których charakterystycznym, obok pasma z maksimum absorpcji ok. 1750 cm^-1  (C=O w estrach i kwasach) jest pasmo ok. 1100 cm^-1 charakterystyczne dla grupy –C-O-C-.  To powoduje, że pasmo charakterystyczne dla dodatku R jest przysłaniane przez pasmo powstających produktów oksydacji.

Dla celów porównawczych, dla smarów po testach tribologicznych, przeprowadzono badania odporności na utlenianie, na aparacie PetroOXY (tab. 1). 

 

Tabela 1. Czas utleniania i pole powierzchni pod pikiem dla badanych smarów

Zawartość dodatku u [%]	Czas utlenianiania [h]	Pole powierzchni pod pikiem
1%	1,8	240
3%	1,2	300
6%	5,3	38

 

Uzyskane wyniki, poddane analizie statystycznej, wykazały liniową zależność pomiędzy czasem utleniania a polem powierzchni pod pikiem charakterystycznym dla produktów oksydacji.

 

Wnioski

Spektrofotometria w podczerwieni jest skuteczną i szybką metodą charakteryzującą się prostoliniową zależnością pomiędzy wartością sygnału a zawartością dodatku w środku smarowym. Pozwala na ocenę zmian jakościowych i ilościowych zachodzących w strukturze smarów plastycznych po testach tribologicznych. Analiza wyników badań tribologicznych powiązana z analizą zmiany struktury smaru po testach tribologicznych pozwala na stwierdzenie, że właściwości smarne nie są jedynie pochodną ilości dodatku ale także produktów utleniania które zabezpieczają węzeł tarcia.

 

Literatura

1. Podniało, Paliwa, oleje i smary w ekologicznej eksploatacji. WNT, Warszawa, 2002.

1. Pawelec E.  Wpływ wymuszeń mechanicznych na kształtowanie właściwości fizykochemicznych smarów plastycznych. Tribologia 6/2009, str. 87 – 98.
2. Pawelec Z., Siwiec E., Molenda J.: Zastosowanie mikrospektrofotometrii do badania struktury kompozytów polimerowych. Materiały XV Jubileuszowego Sympozjum Spektroskopowego ‘Zastosowanie metod spektroskopowych w badaniu materiałów i związków chemicznych”, 2011, 58-59.
   1. Cygański, Metody spektroskopowe w chemii analitycznej. WNT, Warszawa, 1997
3. W. Zieliński A. Rajcy (red.), Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych. WNT, Warszawa, 1995.

 

„Praca naukowa wykonana w ramach realizacji Programu Strategicznego pn. „Innowacyjne systemy wspomagania technicznego zrównoważonego rozwoju gospodarki” w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka”.

Temat był zaprezentowany na VI konferencji NAUKA I PRZEMYSŁ – metody spektroskopowe w praktyce, nowe wyzwania i możliwości w Lublinie w 2013 r.

 

Ewa Pawelec, Elżbieta Siwiec; Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom