PL185135B1

PL185135B1 - Olej hydrauliczny i sposób jego otrzymywania

Info

Publication number: PL185135B1
Application number: PL97328801A
Authority: PL
Inventors: Lindén┴Ari; Tonttila┴Arto; Tonttila┴Mika
Original assignee: Voitelukeskus Tonttila Oy
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 2003-02-28
Also published as: CN1218496A; PL328801A1; CA2248100C; NO984153D0; EP0888422A1; US20010005008A1; CA2248100A1; RU2180910C2; NO984153L; CN1074451C; AU1928297A; JP2000506214A; US6406643B2; AU721504B2; WO1997033954A1; BR9708031A

Abstract

1. Olej hydrauliczny na bazie estrów naturalnych kwasów tluszczowych, znamienny tym, ze zawiera material podstawowy wybrany sposród nastepujacych estrów oleju talo- wego albo ich mieszanin: - estru pochodnej polihydroksyneopentanu, takiego jak: - ester trihydroksymetylopropanowy, - ester pentaerytrytolowy, - ester trihydroksymetyloetanowy, - ester trihydroksymetylobutanowy, - ester glikolu dimetylotrimetylenowego oraz - ester glikolu polioksyetylenowego i ponadto co najmniej antyutleniacz, inhibitor korozji, srodek przeciw pienieniu oraz srodek smarujacy EP. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest olej hydrauliczny i sposób jego otrzymywania.

Określenie olej hydrauliczny odnosi się do płynu przeznaczonego do przenoszenia mocy lub do niesienia obciążenia w różnych układach. Olej hydrauliczny stosowany jest w różnych stacjonarnych i ruchomych maszynach, takich jak cylindry wykonujące ruch prostoliniowy i obrotowe silniki hydrauliczne.

Ponadto, w przypadku przenoszenia mocy, olej hydrauliczny smaruje części ruchome elementów układu i chłodzi układ.

Olej hydrauliczny powinien spełniać następujące wymagania:

1. powinien mieć odpowiednią lepkość w różnych temperaturach,

2. powinien wykazywać odpowiednią, wytrzymałość na ciśnienie,

3. nie powinien pienić się,

4. powinien być odporny na utlenianie,

5. powinien być odporny na korozję,

6. powinien mieć właściwości obojętne.

Oprócz tych właściwości, coraz ważniejsza staje się podatność na degradację biologiczną, szczególnie w przypadku olejów hydraulicznych stosowanych w maszynach roboczych poruszających się na otwartej przestrzeni.

W fińskim opisie patentowym przedstawia się sposób otrzymywania estru syntetycznego z oleju roślinnego. W publikacji tej opisuje się otrzymywanie estru trihydroksymetylopropanu i oleju rzepakowego na drodze transestryfikacji, wychodząc z mieszaniny estrów niższych, alkilowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego, otrzymanych metodą transestryfikacji oleju roślinnego z niższymi alkanolami. Publikacja ta dotyczy także otrzymywania estru metylowego oleju talowego, ale ester ten nie otrzymuje się w reakcji transestryfikacji i nie opisano dalszego toku postępowania lub użycia estru metylowego.

Przedmiotem wynalazku jest olej hydrauliczny, do otrzymania którego materiałem podstawowym jest łatwo dostępny, przemysłowy produkt uboczny i który jest podatny na degradację biologiczną. Przedmiotem wynalazku jest także sposób otrzymywania takiego oleju w prosty sposób, nie wymagający wielu etapów reakcji. Dla osiągnięcia tych celów, olej hydrauliczny według wynalazku ma zwłaszcza taką charakterystykę jak to zostanie przedstawione w części przedznamiennej załączonego zastrz. 1. Materiałem podstawowym do otrzymywania oleju hydraulicznego jest ester oleju talowego, który wybrany jest z następujących substancji lub ich mieszanin:

ester pochodnej polihydroksyneopentanu, taki jak

- ester trihydroksymetylopropanowy (ester TMP),

- ester pentaerytrytolowy,

- ester trihydroksymetyloetanowy,

- ester trihydroksymetylobutanowy,

- ester glikolu dimetylotrimetylenowego, oraz

- ester glikolu polioksyetylenowego.

Stwierdzono, że estryfikacja di- lub wielowodorotlenowych alkoholi, zawierających co najmniej pięć atomów węgla z olejem talowym, daje olej hydrauliczny którego lepkość zawiera się w odpowiednich granicach i który, po dodaniu pewnych dodatków, posiada także nieoczekiwanie dobre właściwości jako olej hydrauliczny. Ponadto lepkość oleju można regulować przez dodanie małych ilości pewnych niższych estrów oleju talowego, szczególnie estru glikolu etylenowego oleju talowego. Niższe estry są to estry otrzymane z alkoholem najwyżej dwuwartościowym (z alkoholem dihydroksy) i posiadające mniej atomów węgla od polioli wymienionych powyżej albo z alkoholem jednowartościowym, w łańcuchu węglowym którego może być więcej atomów węgla. Estry te mają z natury niższą lepkość od wymienionych powyżej estrów polioli.

185 135

Materiały podstawowe i kompozycja według wynalazku zosfcanąponiżej szczegółowo opisane.

Olej talowy jest produktem ubocznym procesu otrzymywania celulozy metodą siarczanową (warzenie siarczanowe) i otrzymywany jest w wyniku destylacji mydła zneutralizowanego kwasem, które to mydło tworzy się w trakcie zmydlania żywicy i kwasów tłuszczowych. Typowo, w składzie oleju talowego są kwasy tłuszczowe, kwasy żywiczne i składniki nie ulegające zmydlaniu, przy czym stosunki ilościowe różnych kwasów tłuszczowych zmieniają się w zależności od trzech składników i od procesu destylacji. Typowe kompozycje zawierają od 20% do 40% kwasów żywicznych, od 50% do 75% kwasów tłuszczowych i od 3% do 15% składników nie ulegających zmydlaniu. Praktycznie przeważa wysoka zawartość kwasu tłuszczowego. Kwasy tłuszczowe oleju talowego zawierają zwykle w przeważającej mierze kwas oleinowy i kwas linolowy (łącznie powyżej 3/4), reszta to kwas palmitynowy i kwas stearynowy.

Olej talowy estryfikuje się dowolnymi, wyżej wymienionymi poliolami, zawierającymi co najmniej cztery atomy węgla, w reakcji bezpośredniego estryfikowania i w odpowiednio wysokiej temperaturze. Alkoholem bi- lub wielowodorotlenowym albo poliolem, może być dowolny z wyżej wymienionych pochodnych polihydroksyneopentanu, zawierających co najmniej pięć atomów węgla (trihydroksymetylopropan, trihydroksymetyloetan, trihydroksymetylobutan, to jest ogólnie trihydroksymetyloalkany, jak również pentaerytrytol lub glikol neopentylowy) albo glikol polioksyetylenowy (PEG), który jest polimerem kondensacyjnym glikolu etylenowego, posiadającym co najmniej cztery atomy węgla (dimer) w strukturze węglowej.

Poniżej, przedstawione są przykłady niektórych reakcji estryfikacji pochodnych polihydroksyneopentanu z kwasami oleju talowego. We wzorze T oznacza różne struktury węglowe kwasów oleju talowego.

CH₂OH / 2

CH3CH2-C-CH2OH +3T-OH -♦ CH₂OH trihydroksymetylopropan

CK₂OT / 9

CH3CH2-C-CH2OT + 3 h₂o ch₂ot ó

ch₂oh / 2 CH₃-C-CH₂OH +3T-OH ->

\ ch₂oh trihydroksymetyloetan ch₂ot / 2

CH3-C-CH₂OT + 3 H₂O ch₂ot ó

ch₂oh

CH3-C-CH3 analogicznie \

ch₂oh glikol neopentylowy ch₂oh /

HOCH2-C-CH₂OH analogicznie

CKjOH pentaerytrytol

185 135

Stwierdzono, że wyżej wymienione estry, szczególnie pochodne polihydroksyneopentanu, wykazują dobre właściwości oddzielania się od wody, to znaczy na swój sposób „odpychają” wodę. Jest to szczególnie korzystne w trakcie stosowania oleju hydraulicznego, z którym często związany jest problem wody rozproszonej w oleju.

Poniżej przedstawione są niektóre typowe podstawowe składniki oleju hydraulicznego.

Zastosowany poliol	Lepkość (mPa · s/25°C)	Klasa lepkości (ISO VG)
Pentaerytrytol	120	68
PEG	50	32
PEG	97	46
Trihydroksym ety lopropan	100	46

Na właściwości wyżej wymienionych estrów można oddziaływać przez ich mieszanie w odpowiednich stosunkach. Ponadto, lepkość można obniżyć przez zmieszanie wyżej wymienionego materiału podstawowego z niższymi estrami kwasów oleju talowego (estrem glikolu etylenowego kwasów oleju talowego lub estrami alkoholi jednowartościowych kwasów oleju talowego). Jednakże większość (ponad 50% wagowych) ilości estru jest to zawsze ester spośród wyżej zamieszczonej listy estrów.

W poniższej tabeli przedstawione są wyniki analizy typowego estru oleju talowego, stosowanego jako materiał podstawowy do otrzymywania oleju hydraulicznego.

Tabela 1

Ester TMP oleju talowego, klasa lepkości ISO VG 46

Analiza		Metoda analityczna
Liczba kwasowa (mg KOH/g)	1	ASTM D 803-82 (1 987)
Barwa (Gardner)	5	ASTM D 1544-80
Lepkość / 40°C (mPa · s)	48	Lepkościomierz Brookfield'a, wałek 21, szybkość 100
Lepkość/ 100°C(mP · as)	10	Lepkościomierz Brookfield'a, wałek 21, szybkość 100
Gęstość (kg/cm³)	0,932	SCAN-T 2:65
Wskaźnik lepkości	194
Liczba zmydlania (mg KOH/g)	182	ASTM D 803-82
Liczba jodowa (cg U/g)	135	ASTM D 1959-85
Temperatura mętnienia (°C)	-34	ASTM D 2500

Po dodaniu do tego estru TMP od 1 do 5 dodatków spośród niżej zamieszczonej listy, uzyskuje się lepkość w temperaturze 40°C wynoszącą 50,5 i w temperaturze 100°C wynoszącą 9,8, przy czym wskaźnik lepkości wynosi 185.

W poniższej tabeli pokazane są wyniki analizy innego materiału podstawowego.

Tabela 2

Ester TMP oleju talowego zmieszany z małą ilością estru glikolu etylenowego oleju talowego, klasa lepkości ISO VG 46

Analiza
1	2
Liczba kwasowa (mg KOH/g)	13,2
Barwa (Gardner)	8,5
Lepkość / 40°C (mPa - s)	40,9

185 135

1	2
Lepkość/100°C (mPa · s)	9,42
Gęstość /40°C (g/dm³)	912
Gęstość/1 00°C(g/dm³)	874
Wskaźnik lepkości	234
Temperatura krzepnięcia (°C)	-34

Mieszając dodatkowo ester TMP z niższymi estrami kwasów oleju talowego uzyskuje się klasę lepkości 32.

Do wyżej wymienionych materiałów podstawowych dla poprawienia ich właściwości dodaje się następujące dodatki:

1. Antyutleniacz RC 9308 2%

2. Środek smarujący EP (smar warstwy granicznej) Vanlube (772 1%

3. Miedziowy inhibitor korozji Irgamet 39 0,05%

4. Środek przeciw pienieniu Bevaloid 311 M 0,1%

5. Środek obniżający temperaturę krzepnięcia Lubrizol 3123 0,15%

Oczywistym jest, że możliwe jest użycie wszystkich dostępnych w handlu, znanych w tej dziedzinie dodatków oraz zastosowanie ich w rożnych ilościach. Antyutleniacz może także zawierać inhibitor korozji. Jeżeli olej hydrauliczny stosuje się tam gdzie jest ciepło, środek obniżający temperaturę krzepnięcia nie jest niezbędny.

Antyutleniacz jest ważnym składnikiem dla działania oleju hydraulicznego. W poniższej tabeli przedstawione są wyniki testów na odporność na utlenianie estru TMP oleju talowego z dodatkiem antyutleniacza Additin RC 9308, w ilości pozwalającej na uzyskanie jego zawartości wynoszącej 1,5% wagowego.

Tabela 3

Odporność na utlenianie estru oleju talowego, wyrażona jako ciśnienia tlenu, zgodnie ze standardem ASTM D 525

Czas (h)	początek	12	24	36	48	60	72
Ciśnienie (psi)	125	117	110	104	100	93	90
Ciśnienie (MPa)	0,862	0,807	0,758	0,717	0,689	0,641	0,621

Olej hydrauliczny według wynalazku posiada wysoki wskaźnik lepkości a jego zdolność do degradacji biologicznej czyni go szczególnie przydatnym w zastosowaniach w których istnieje ryzyko wycieku oleju do środowiska.

Poniżej zostaną omówione bardziej szczegółowo dodatki, które dodaje się do estru oleju talowego lub mieszaniny estrów, dla wykonania określonego oleju hydraulicznego.

1. Antyutleniacz

Antyutleniaczem korzystnym do stosowania jest Additm® RC 9308 produkowany przez firmę Rhein Chemie Rheinau GmbH, Niemcy. Substancja ta, oprócz antyutleniacza zawiera także inhibitor korozji. Substancja zawiera około 11,5% wagowego C₁1-C_l4-t-alkiloamin (CAS numer 68955-53-3), około 4% wagowych tolilotiazolu (CAS numer 29385-43-1) i około 3,4% wagowego fosforanu tributylu (CAS numer 126-73-8). Zawartość preparatu RC 9308 w oleju jest korzystnie większa od 1,0% wagowego i wynosi korzystnie 1,5% wagowego. Do innych preparatów nadających się do zastosowania zalicza się preparaty Rc 7110 i RC 6301, wytwarzane przez tego samego producenta. Można stosować także mieszaninę wyżej wymienionych substancji, przy czym zawartość takiej mieszaniny w oleju , wynosi korzystnie także ponad 1% wagowy, korzystnie co najmniej 1,5% wagowego. Do stosowanych mieszanin zalicza się RC 7110 + RC 9308 oraz rC 7110 + RC6301.

185 135

Przez zmieszanie z estrem TMP preparatu RC 9308, w ilości 1,5% wagowych, test na ciśnienie tlenu (ASTM D 525) daje wartość po 72 h 101 psi (0,696 MPa), podczas gdy test oleju bez dodania tego preparatu dał wartość 7 psi (0,048 MPa).

2. Środek smarujący EP (smar warstwy granicznej)

Korzystnym dodatkiem jako smar warstwy granicznej jest preparat Vanlube® 672 (wytwarzany przez firmę R.T. Vanderbilt Company, Inc., USA), który jest dodatkiem EP (w warunkach ciśnienia ekstremalnego) i przeciwciemym typu fosforanowego, dokładniej fosforanem aminy. Substancja jest lepkim płynem o gęstości w temperaturze 25°C wynoszącym 1,05 kg/l. Mieszając preparat Vanlube 672 z estrem TMP do zawartości w oleju wynoszącej 1,0% wagowy, w teście zdolności smarowania FZG uzyskuje się wartość 12, co jest bardzo dobrym wynikiem dla smarowania EP. Innymi dodatkami były Additm® RC 9308 (2,0% wagowe) i Irgamet 39 (0,05% wagowego). Zawartość Vanlube 672 wynosi korzystnie ponad 0,5% wagowego, korzystnie od 1,0% do 3,0% wagowych. Można stosować także inne dodatki wraz z odpowiednią zawartością środka aktywnego.

3. Inhibitor korozji

Jak stwierdzono powyżej, inhibitor korozji znajduje się w dostępnym w handlu antyutleniaczu. Dodatkowo do tego, jako szczególny, miedziowy inhibitor korozji (tak zwane zabezpieczenie żółtymi metalami), stosuje się korzystnie preparat Irgamet 39 wytwarzany przez firmę Ciba-Geigy AG. Substancja jest pochodną tolilotriazolu i jej odpowiednia zawartość w oleju hydraulicznym wynosi od 0,02% do 0,05% wagowych.

4. Środek przeciw pienieniu

Korzystnym do stosowania środkiem przeciw pienieniu jest preparat Bevaloid 311M, wytwarzany przez firmę Rhone-Poulenc Chemicals (dyspersja nie polarnego środka powierzchniowo czynnego w oleju parafinowym o ciężarze właściwym wynoszącym w temperaturze 20°C około 0,79). Rekomendowana ilość wynosi około 0,1% wagowego, ale może zawierać ,się w granicach od 0,05% do 0,2% wagowych.

5. Środek obniżający temperaturę krzepnięcia

Jeżeli przewiduje się używanie oleju hydraulicznego w niskich temperaturach, stosuje się środek obniżający temperaturę krzepnięcia. Odpowiednim środkiem jest Lubrizol 3123 (wytwarzany przez firmę Lubrizol Petroleum Chemicals Company, Ohio, USA). Odpowiednia zawartość wynosi od około 0,05% do 0,5% wagowego, zwykle od około 0,1% do 0,2% wagowego.

Obecnie zostaną opisane testy wykonane z korzystną kompozycją, dotyczące właściwości wymaganych szczególnie od oleju hydraulicznego. Wyniki zostaną omówione w odniesieniu do załączonego rysunku pokazującego wykres warunków podczas trwania testu. Olej bazuje na estrze trihydroksymetylopropanowym oleju talowego (TMP), dostarczonym przez firmę Forchem Oy, Oulu. Właściwości materiału podstawowego były następujące:

Lepkość (mPa · s) -	25°C:	100;
	40°C:	48;
	100°C:	11;
ISO VG:		46;
Liczba kwasowa:		poniżej 10 mg KOH/g;
Liczba jodowa:		135gI₂/100 g;
Ciężar właściwy:		0,91 (40°C).

Do materiału podstawowego dodano następujące dodatki (wartości w % wagowych):

1. Antyutleniacz Additin RC 9308 2%

2. Środek smarujący EP (smar warstwy granicznej) Vanlube 672 1%

3. Miedziowy inhibitor korozji Irgamet 39 0,05%

4. Środek przeciw pienieniu Bevaloid 311 M 0,1%

5. Środek obniżający temperaturę krzepnięcia Lubrizol 3123 0,15%

185 135

Wyniki testu na zużycie oleju hydraulicznego, wykonanego zgodnie z DIN 51389 i ASTM 2882

Wyposażenie do wykonania testu odpowiada wyżej wymienionym standardom, za wyjątkiem tego, że zamiast pompy typu Vickers 20VQ użyto pompę typu Vickers V104. Spowodowało to użycie w teście wyższego poziomu ciśnień.

Uzyskane warunki testu:

A. ciśnienie	21(± 10 barów (3000 psit (20,68 MTa);
B. temperatura			69 122+ 7°C;
C. lepkość			około 20 cS);
D. objętościowe natężenie przepływu		20 ± 1 l/min;
E. czas trwania			250 h.
Wyniki testu były następujące:
Masa pierścienia	(0h)	[g]	405,836
Masa łopatki	(0h)	[g]	54,1540
Masa pierścienia	(250 h)	[g]	405,838
Masa łopatki	(250 h)	[g]	54,1451
Zużycie pierścienia		[mg]	-2,0
Zużycie łopatki		[mg]	8,9
Zużycie całkowite		[mg]	6,9

Test wykazał, że analizowana szarża testowa ma dobrąjakość. Norma DIN 51525 daje limity, dla testu w urządzeniu V104, 30 mg dla łopatek i 120 mg dla pierścienia. Z punktu widzenia dotyczącego olejów dotychczas testowanych, podane limity są raczej za ostre niż łagodne. Zawartość wody w testowanej szarży wynosiła na początku 400 ppm, a po teście 210 ppm.

Wyniki testu są lekko zawyżone poprzez fakt, że pierścień nie został całkowicie oczyszczony użytymi rozpuszczalnikami. Mogło to maksymalnie zmienić wyniki o kilka miligramów.

Testy zużycia

Ten sam olej hydrauliczny został użyty w maszynie do prac leśnych. Całkowity czas użycia wynosił 1968 h. Test przeprowadzony z olejem po jego użyciu dał następujące wyniki:

Lepkość 40°C Lepkość 100°C Wskaźnik lepkości Zawartość wody Liczba kwasowa, TAN

33,54 cSt 7,347 cSt 194

0,08% wargowych 10,4mgKOH/t (ASTM D 445) (ASTM D 44^4 (ASTM D 2270) (ASTM t4 17444 (ASTM D D46)

Ester pentaerytrytolowy oleju talowego

Test czterokulowy przeprowadzono z estrem pentaerytrytolowym oleju talowego nie zawierającym dodatków, stosując metodę ASTM D 4142 (test jednogodzinny przy stałym obciążeniu). Obciążenie wynosiło 400 N w temperaturze 20°C. Średnica znaku zużycia w jednogodzinnym teście wynosiła 1,2 mm.

Z powodu podobieństwa innych estrów wymienionych powyżej, substancje otrzymane po dodaniu do nich dodatków, są także bardzo przydatne jako płyny przeznaczone do przenoszenia mocy lub do niesienia obciążenia w systemach hydraulicznych.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Olej hydrauliczny na bazie estrów naturalnych kwasów tłuszczowych, znamienny tym, że zawiera materiał podstawowy wybrany spośród następujących estrów oleju talowego albo ich mieszanin:

- estru pochodnej polihydroksyneopentanu, takiego jak:

- ester trihydroksymetylopropanowy,

- ester pentaerytrytolowy,

- ester trihydroksymetyloetanowy,

- ester trihydroksymetylobutanowy,

- ester glikolu dimetylotrimetylenowego oraz

- ester glikolu polioksyetylenowego i ponadto co najmniej antyutleniacz, inhibitor korozji, środek przeciw pienieniu oraz środek smarujący EP.
2. Olej hydrauliczny według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał podstawowy jest estrem pochodnej polihydroksyneopentanu.
3. Olej hydrauliczny według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ester oleju talowego jest produktem końcowym prostej estryfikacji oleju talowego.
4. Olej hydrauliczny według zastrz. 3, znamienny tym, że materiał podstawowy jest zmieszany z niższym estrem oleju talowego, takim jak ester glikolu etylenowego, którego lepkość jest niższa od lepkości materiału podstawowego.
5. Olej hydrauliczny według zastrz. 1 albo 2, albo 4, znamienny tym, że zawiera od 90% do 99% wagowych estrów oleju talowego, przy czym pozostałą zawartością są dodatki poprawiające właściwości oleju hydraulicznego.
6. Olej hydrauliczny według zastrz. 5, znamienny tym, że antyutleniaczem jest Additin® RC 9308, Addiitin® RC 7110, Additir® RC 6301 albo dowolna ich mieszanina lub substancja posiadająca składnik aktywny o właściwościach odpowiadających tym preparatom albo kombinacje tych substancji.
7. Sposób otrzymywania oleju hydraulicznego w wyniku estryfikacji surowca, znamienny tym, że jako surowiec stosuje się olej talowy, który estryfikuje się jednym lub kilkoma z następujących alkoholi wielowartościowych:

- pochodnej polihydroksyneopentanu, takiego jak:

- trihydroksymetylopropan,

- pentaerytrytol,

- trihydroksymetyloetan,

- trihydroksymetylobutan,

- glikol dimetylotrimetylenowy, oraz

- glikol polioksyetylenowy, po czym wprowadza się dodatki poprawiające właściwości oleju hydraulicznego.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że jako alkohol wielowodorotlenowy stosuje się pochodną polihydroksyneopentanu.
9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że estryfikację przeprowadza się na drodze prostej estryfikacji kwasów oleju talowego.
10. Olej hydrauliczny poddawany działaniu ciśnienia i przenoszący moc lub niosący obciążenie, znamienny tym, że jako materiał podstawowy zawiera ester oleju talowego z pochodną polihydroksyneopentanu, taki jak ester trihydroksymetylopropanowy, ester pentaerytrytolowy, ester trihydroksymetyloetanowy, ester trihydroksymetylobutanowy, ester glikolu

185 135 dimetylotrimetylenowego albo ester glikolu polioksyetylenowego oraz jako dodatki antyutleniacz, inhibitor korozji, środek przeciw pienieniu i środek smarujący EP.