Анализ отработанного смазочного масла методом ИК-Фурье спектроскопии

Анализ масла с помощью ИК-Фурье спектрометра — это простой метод обнаружения разбавления, деградации или наличия запрещенных присадок во всех типах масел.

Инфракрасная-Фурье спектроскопия использует взаимодействие инфракрасного излучения и вещества. Это даёт ценную молекулярную информацию и позволяет идентифицировать химические вещества за несколько секунд без расходных материалов или дополнительных реагентов.

Как правило, этот метод применим к твердым телам, жидкостям, газам и, конечно же, промышленным маслам. Этот метод получил широкое распространение и используется в автомобильной промышленности, буровых компаниях, органах юстиции и даже на гонках Формулы-1.

Зачем проводятся испытания смазочных масел в процессе эксплуатации?

Для быстрой оценки эксплуатационных характеристик смазочного материала необходимо проводить испытания и диагностику масел в процессе эксплуатации. Это особенно важно для продления срока службы двигателя и предотвращения внезапных и непредвиденных повреждений двигателя. Смазочные масла снижают трение и защищают движущиеся части двигателя от износа и коррозии. В дизельных двигателях масло также должно удерживать частицы сажи, образующиеся в результате неполного сгорания топлива, чтобы избежать отложений.

Если смазочный материал загрязнен, его эксплуатационные характеристики значительно снижаются. Анализ эксплуатационных масел также предоставляет информацию о функциях двигателя для выявления неисправностей компонентов или неблагоприятных условий эксплуатации.

Преимущества ИК-Фурье спектроскопии при анализе масел

Во-первых, низкая стоимость современных систем Фурье-преобразования (ИК-Фурье), а также возможность быстрого получения высококачественных данных сделали этот метод весьма привлекательным.

Особенно в рутинном анализе существует высокий спрос на быстрые результаты при мониторинге эксплуатируемых смазочных материалов. ИК-Фурье спектроскопия уже начала постепенно вытеснять различные трудоемкие и утомительные традиционные методы химического и физического анализа в жидкой фазе.

В связи с этим ASTM приняло стандартную практику E2412 под названием «Стандартная практика мониторинга состояния отработанных смазочных материалов путем анализа тенденций с использованием инфракрасной Фурье-спектрометрии (ИК-Фурье)», иллюстрирующую растущее применение данного метода анализа в этой области.

Возможности ИК-Фурье-спектроскопии

На рисунке 2 представлен обзор того, где именно можно найти нужную информацию в ИК-Фурье спектре отработанного масла. Цвета указывают спектральную область, например, полос воды (около 3500 см⁻¹) или продуктов окисления (около 1700 см⁻¹).

Очевидно, что химическую информацию можно различить даже в смесях, поскольку спектральные характеристики также четко различаются.

Почему ИК-Фурье спектроскопия так проста в применении

Как уже обсуждалось, отработанное смазочное масло представляет собой сложную смесь большого количества различных компонентов, включая соединения, полученные из исходного состава базового масла, а также присадки, побочные продукты деградации масла и загрязняющие вещества.

Задача анализа состоит в определении низких концентраций этих компонентов в присутствии базового масла и присадок.

В ИК-Фурье спектроскопии (см. рис. 2) можно вычесть спектр базового масла и присадок из спектра образца отработанного масла, чтобы получить дифференциальный спектр, который отображает только изменения в масле.

Таким образом, изменения в масле, вызванные накоплением побочных продуктов деградации, истощением присадок и уровнями загрязнений, можно визуализировать более наглядно.

Благодаря цифровой обработке данных ИК-Фурье спектрометров спектры многих эталонных образцов масел можно просто сохранить на жестком диске и сравнить с соответствующими результатами анализа образцов отработанного масла позднее.

Это позволяет отслеживать состояние смазочного материала в различные моменты времени отбора проб во время его эксплуатации.

Традиционные методы анализа

Традиционно смазочные материалы тестировались иногда даже архаичными методами, такими как проверка на содержание воды с помощью «шипящего» теста, когда смазочный материал помещают на горячую пластину.

Конечно, такие методы, как анализ общего кислотного и щелочного числа (TAN и TBN) (ASTM D2896 и D4739), определение вязкости или даже газовая хроматография, дают лучшие и более надежные результаты, но требуют дополнительных реагентов, пробоподготовки или просто занимают много времени.

Процессы деградации

Все смазочные материалы разрушаются в процессе эксплуатации. В процессе деградации масла преобладают три класса реакций:

Реакция с кислородом

Смазочные материалы подвергаются воздействию высоких температур и давления в присутствии кислорода. Это неизбежно приводит к образованию углерод-кислородных связей, которые впоследствии образуют карбоновые кислоты. При сгорании также образуется широкий спектр побочных продуктов, таких как сложные эфиры, кетоны, альдегиды и карбонаты.

Реакция с азотом

Азот и кислород реагируют при высоких температурах и давлении, образуя оксиды азота.

Эти продукты могут вызывать загустение, повышенную кислотность и образование шлама из-за образования соединений с более высокой молекулярной массой.

Реакция с серой

Сульфатные побочные продукты образуются в результате реакции серосодержащих соединений в топливе и кислорода, присутствующего при сгорании. Хотя высококачественное топливо содержит очень низкое количество серы, в зависимости от страны и региона поставок это разложение усиливается.

Применение №1: Проверка качества масла

Все смазочные материалы подвергаются деградации в процессе эксплуатации. Наиболее распространенными признаками деградации базового масла являются повышенное окисление и разжижение при сдвиге.

Окислительная деградация происходит в результате реакций с кислородом в среде, в которой находится смазочный материал. 

Разжижение при сдвиге — это физическое разрушение масла, вызванное воздействием давления и температуры, которым он подвергается.

Эти и другие процессы деградации смазочного материала делают его неспособным обеспечивать адекватную смазку механически движущихся деталей двигателя. Поэтому методы испытаний для оценки уровня побочных продуктов деградации имеют первостепенное значение для определения состояния масла.

Применение №2: Разбавление масла топливом

Из-за неправильного соотношения топлива и воздуха, износа поршневых колец, утечек топлива или попадания остатков топлива в масло. Остатки сгорания в основном состоят из длинноцепочечных углеводородов с высокими температурами сгорания и кипения, а утечка топлива также приводит к попаданию более лёгких веществ.

Таким образом, в любом случае, возрастающая потенциальная пожароопасность делает определение наличия топлива в дизельных моторных маслах первостепенной задачей.

Поскольку как дизельное топливо, так и базовые смазочные масла получают из фракций перегонки сырой нефти, они очень похожи по химическому составу и физическим свойствам. Несмотря на это, ИК-Фурье спектроскопия предлагает специальные наборы данных для надёжного, быстрого и простого анализа (рис. 3).

Применение №3: Содержание воды

В зависимости от качества топлива и смазочных материалов, вода, как правило, является довольно редким загрязнителем из-за условий эксплуатации среднестатистического двигателя. Однако её присутствие может указывать на утечку охлаждающей жидкости (воды).

Загрязнение водой способствует окислению базового масла и гидролизу присадок, что приводит к повышению кислотности, а также к повышенному износу и коррозии. Присутствие воды также может вызывать гелеобразование масла и образование эмульсий, влияющих на вязкость масла и приводящих к выходу двигателя из строя.

Применение №4: Проверка на наличие сажи

В дизельных двигателях при сжигании богатой топливовоздушной смеси неполное сгорание топлива приводит к образованию сажи. Накопление сажи в масле может указывать на проблемы со сгоранием или на приближение срока замены масла.

Смазочные материалы для дизельных двигателей содержат диспергирующие присадки, предназначенные для удержания и контроля размера и роста частиц сажи. Если количество сажи превышает способность масла удерживать их, вязкость масла увеличивается, и может накапливаться углеродный шлам, который начинает засорять фильтры и каналы.

Заключение

Таким образом, ИК-Фурье спектроскопия зарекомендовала себя как надежный и высокоинформативный метод анализа масел. Ключевое преимущество метода заключается в возможности получать обширный массив данных за одно измерение, что существенно упрощает и ускоряет процедуру контроля. Широкое разнообразие выпускаемых инфракрасных спектрометров — от портативных полевых моделей до стационарных лабораторных комплексов — позволяет гибко внедрять данный метод для решения самых разных задач, от оперативного мониторинга до точных научных исследований.