JP4231379B2 - 潤滑剤組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、機械的摩擦摺動部に供給される潤滑剤組成物およびその調整方法の技術分野に属し、より詳細には、極圧下における低摩擦特性および耐摩耗性、ならびにその効果の持続性に優れる潤滑剤組成物およびその調整方法の技術分野に属する。
潤滑剤に求められる性能は、広い温度範囲および広い圧力範囲において、機械的摩擦摺動部の摩擦係数を低下することができ、さらにその効果ができるだけ持続することである。また、潤滑剤には、摩擦摺動部材間の潤滑性を向上させるという効果だけでなく、それによって摩擦摺動部材自体に耐磨耗性が付与できることも望まれる。エンジンオイル等の潤滑油の、摩擦摺動部における摩擦係数の低減効果およびその長寿命化は、機械駆動のための燃費の向上、すなわちエネルギーの節約に直結する。エンジンオイルの長寿命化は、廃オイル量の低減のみならず、CO2排出量の低減をも可能とするので、近年注目されている環境適合性の面でも好ましい。また、産業機械系の摺動部の中でも、特に苛酷な摩擦条件で摺動する軸受やギヤなどでは、従来の潤滑油やグリースなどの潤滑剤を用いた場合、潤滑条件が苛酷になると、潤滑剤が膜切れや焼付けを起こし、摩耗傷のために、所望の低摩擦係数を得られなくなる場合がある。その結果、装置の信頼性を損ねることがあり、特に装置を小型化した場合に、摺動部の摩擦条件が過酷化する傾向になり、装置の小型化の妨げにもなっていた。従って、苛酷な条件においても、摩耗や焼付きを生じず、装置の信頼性を向上させることができ、さらに装置の小型化に寄与することができるような省エネルギーな潤滑剤が望まれている。
ところで、従来、潤滑剤としては、一般的には、潤滑剤基油を主成分とし、これに有機化合物等の潤滑助剤を配合したものが用いられる。特に近年では、有機モリブデン化合物が、潤滑助剤として注目されている。有機モリブデン化合物は、機械装置の摺動部が、高温、高速または低速、高負荷、小型軽量化など、苛酷な摩擦条件で運動している場合も、なお耐摩耗性、極圧性(耐荷重性)、低摩擦特性などの性能に優れ、通常圧での流体潤滑条件より高圧下、即ち境界潤滑条件において効果的に潤滑性能を発揮できる素材として注目されている。
しかし、有機モリブデン化合物は、激しい摩擦条件下でも優れた潤滑効果を奏する、優れた素材ではあるが、潤滑油中にはモリブデンおよび亜鉛といった重金属、容易に酸化されて潤滑油のみならず摺動部材そのもの、さらには環境にも悪影響を及ぼす硫黄酸化物のもととなる硫化物、および河川や海を富栄養化してしまうリン酸がかなり含まれていて、環境適合性の点からは明らかに好ましくない。さらに、摺動面に形成される酸化/硫化モリブデン被膜は、摩擦で徐々に削り取られ、新たな被膜を形成するため、その元となる有機モリブデン化合物や有機亜鉛化合物のいずれかが不足すると急激にその効果を失う。しかし、有機モリブデン化合物および有機亜鉛化合物を増量すると、その皮膜が削られることによって副生される副生物が系内に増え、摺動機械そのものに悪影響を及ぼすため、増量することは有効ではなく、前記有機モリブデン化合物を利用した系では、潤滑剤の長寿命化による燃費改善等の効果はあまり期待できないのが実状である。この様に、従来の潤滑剤は、重金属元素、リン酸化合物および硫化物等の環境有害物質または環境汚染物質を含むことなく、潤滑剤としての優れた性能を示すとともに、その性能を長期的に維持できる材料は、未だに提供されていない。
本発明者らは、このような従来技術がもつ欠点を改良するために鋭意研究を重ね、先に、トリアジン構造を有する化合物を主成分とする潤滑剤組成物が、環境適合性あるいは潤滑剤の長寿命化による燃費改善に優れ、摩擦係数の低減剤、極圧剤または磨耗防止剤として有用な潤滑性能示すことを見出した(特許文献1)。しかしながら、潤滑剤は多様な性能が要求され、しかも、近年、種々の機械の高性能化、苛酷な使用条件などに伴い、さらなる高度な性能が要求されてきている。
特開2003−64390号公報
本発明は前記諸問題に鑑みなされたものであって、従来の潤滑剤基油と混合した形態のみならず、潤滑剤基油を混合しない形態でも、優れた潤滑剤性能を示す潤滑剤組成物およびその調整方法を提供することを課題とする。また、本発明は、摺動面において低摩擦性および耐摩耗性を長期的に維持できる、特に極圧下においても、低摩擦性および耐摩耗性を期的に維持できる潤滑剤組成物およびその調整方法を提供することを課題とする。さらに、本発明は、環境適合性に乏しい重金属元素、リン酸基および硫化物を排除することにより、長寿命化および環境適合性を両立し得る潤滑剤組成物およびその調整方法を提供することを課題とする。
本発明者らは、前記従来技術の問題点を解決するために鋭意研究した結果、特定の官能基部分構造を有する化合物が、優れた潤滑性能を示すとの知見を得、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の目的は、下記(1)〜()の潤滑剤組成物により達成された。 1)下記一般式(3)で表される化合物および下記一般式(2)で表される化合物を主 成分として含有することを特徴とする潤滑剤組成物。
Figure 0004231379
(式中、X 1 、X 2 およびX 3 は、NH基を表し、R 11 、R 12 およびR 13 は、各々独立に、アルキル基、または、アリール基を表す。但し、R 11 、R 12 およびR 13 のうち少なくとも1つは、エステル結合を含む。)
Figure 0004231379
(式中、R 31 はアルキル基を表す。)
(2)上記一般式(3)が下記一般式(4)で表されることを特徴とする(1)に記載の潤滑剤組成物。
Figure 0004231379
(式中、X 21 、X 22 およびX 23 は、NH基を表す。R 21 、R 22 およびR 23 は、各々独立に、置換基を表す。R 21 、R 22 およびR 23 のうち少なくとも1つは、エステル結合を含む。a21、a22およびa23は各々独立して1〜5の整数を表す。)
(3)上記一般式(3)および一般式(2)が錯体を形成することを特徴とする(1)または(2)に記載の潤滑剤組成物。
本発明によれば、機械的摩擦摺動部において、耐摩耗性、極圧性及び低摩擦特性に優れ、実用的な潤滑組成物が提供される。また、本発明の化合物は、広い温度域においても優れた潤滑性能を示す。
以下、本発明について詳細に説明する。本発明は、特定の環状構造の化合物および特定のカルボン酸を主成分として含有することを特徴とする潤滑剤組成物に関するものである。
[環状構造の化合物]
本発明では、環状構造の化合物として、一般式()で表される円盤状化合物を潤滑剤組成物として用いることができる。本発明における円盤状化合物とは、その中心部に円盤状の分子部分を有することを特徴とする。側鎖部を除いた中心部の円盤状の形態的特徴は、例えば、その原形化合物である水素置換体について、以下のように表現され得る。まず、分子の大きさを以下のようにして求める。
1)該分子につき、できる限り平面に近い、好ましくは平面分子構造を構築する。この場合、結合距離、結合角としては、軌道の混成に応じた標準値を用いる事が好ましく、例えば日本化学会編、化学便覧改訂4版基礎編、第II分冊15章(1993年刊 丸善)を参照することができる。
2)前記1)で得られた構造を初期値として、分子軌道法や分子力場法にて構造最適化する。方法としては例えば、Gaussian92、MOPAC93、CHARMm/QUANTA、MM3が挙げられる。好ましくはGaussian92である。
3)構造最適化によって得られた構造の重心を原点に移動させ、座標軸を慣性主軸(慣性テンソル楕円体の主軸)にとる。
4)各原子にファンデルワールス半径で定義される球を付与し、これによって分子の形状を記述する。
5)ファンデルワールス表面上で各座標軸方向の長さを計測し、それらそれぞれをa、b、cとする。
以上の手順により求められたa、b、cをもちいて円盤状の形態を定義すると、a≧b>cかつa≧b≧a/2、好ましくはa≧b>cかつa≧b≧0.7aと表すことができる。またb/2>cであることが好ましい。
また円盤状化合物の具体的化合物として挙げると、例えば日本化学会編、季刊化学総説No.22「液晶の化学」第5章、第10章2節(1994年刊 学会出版センター)、C.Destradeらの研究報告、Mol.Cryst.liq.Cryst.71巻、111頁(1981年)、B.Kohneらの研究報告、Angew.Chem.96巻、70頁(1984年)、J.M.Lehnらの研究報告、J.Chem.Soc.Chem.Commun.,1794頁(1985年)、J.Zhang、J.s.Mooreらの研究報告、J.Am.Chem.Soc.,116巻、2655頁(1994年)に記載の母核化合物の誘導体が挙げられる。
例えば、ベンゼン誘導体、トリフェニレン誘導体、トルキセン誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、アントラセン誘導体、ヘキサエチニルベンゼン誘導体、ジベンゾピレン誘導体、コロネン誘導体およびフェニルアセチレンマクロサイクル誘導体が挙げられる。さらに、日本化学会編、"化学総説No.15 新しい芳香族の化学"(1977年 東京大学出版会刊)に記載の環状化合物およびそれらの複素原子置換等電子構造体を挙げることができる。
本発明の潤滑剤組成物の一般式()について詳細に説明する。
Figure 0004231379
一般式(3)中、X1、X2およびX3は、各々独立に、NH基を表す。
前記一般式(3)中、R11、R12およびR13は、各々独立に、アルキル基、または、アリール基を表す。R11、R12およびR13のうち少なくとも1つは、エステル結合を含む。
11、R12および/またはR13がアルキル基の場合、炭素数が1〜30であり、2〜30であることが好ましく、4〜30であることがより好ましく、6〜30であることがさらにより好ましい。アルキル基は、直鎖状であっても、分枝状であってもよい。また、置換基を有していてもよい。置換基の例としては、ハロゲン原子、アルコキシ基(メトキシ、エトキシ、メトキシエトキシ、フェノキシ等)、スルフィド基(メチルチオ、エチルチオ、プロピルチオ等)、アルキルアミノ基(メチルアミノ、プロピルアミノ等)、アシル基(アセチル、プロパノイル、オクタノイル、ベンゾイル等)及びアシルオキシ基(アセトキシ、ピバロイルオキシ、ベンゾイルオキシ等)や、水酸基、メルカプト基、アミノ基、カルボキシル基、スルホ基、カルバモイル基、スルファモイル基及びウレイド基等が挙げられる。
11、R12および/またはR13がアリール基の場合、フェニル基、インデニル基、α−ナフチル基、β−ナフチル基、フルオレニル基、フェナンスレニル基、アントラセニル基及びピレニル基等が挙げられるが、フェニル基やナフチル基が好ましい。さらに、炭素数8以上の直鎖状あるいは分枝状のアルキル残基を含む置換基、例えばアルキル基(オクチル、デシル、ヘキサデシル、2−エチルヘキシル等)、アルコキシ基(ドデシルオキシ、ヘキサデシルオキシ、2−ヘキシルデシルオキシ、ヘキシルオキシエチレンオキシエチレンオキシ等)、スルフィド基(ヘキサデシルチオ等)、置換アミノ基(ヘプタデシルアミノ等)、オクチルカルバモイル基、オクタノイル基及びデシルスルファモイル基等で置換されることが好ましい。また、これらの置換基は、2つ以上置換していることが好ましく、さらに、上記の置換基の他にも、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、シアノ基、ニトロ基、カルボキシル基、スルホ基等で置換されていてもよい。
さらに前記一般式(3)で表される化合物のより好ましい態様として、下記一般式(4)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0004231379
前記一般式(4)中、X1、X2およびX3は、NH基を表す。
置換基R21、R22およびR23は、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロ環基、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、カルボキシル基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロオキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニリオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシアミノカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、アルファモイルアミノ基、アルキルおよびアリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルおよびアリールスルフィニル基、アルキルおよびアリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールおよびヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、シリル基が含まれるものが好ましい。さらに、置換基R21、R22およびR23は、これらの置換基から選ばれる1種以上の置換基によって置換されたこれらの置換基であってもよい。R21、R22およびR23のうち少なくとも1つは、エステル結合を含む。特に、R21、R22およびR23のうち少なくとも1つはエステル結合を含有する直鎖状あるいは分枝状のアルキル残基を含む置換基で置換されたアルコキシ基が好ましい。さらに、R21、R22およびR23は、各々独立に置換基を表し、R21、R22およびR23のうち少なくとも1つは、エステル結合を含むものが好ましい。a21、a22およびa23は各々独立して1〜5の整数を表す。a21、a22及びa23が2以上の場合、R21、R22およびR23はいずれの位置であっても良い。また、複数のR21、R22およびR23は互いに異なっていても良い。
本発明の潤滑剤組成物の一般式(2)について詳細に説明する。
Figure 0004231379
一般式(2)中、R31は直鎖もしくは分岐鎖のアルキル基である。これらの基は、総炭素数4以上のアルキル鎖、アルキレンオキシ鎖(例えば、オリゴアルキレンオキシ鎖)、総炭素数2以上のポリフッ化アルキル鎖または有機ポリシリル鎖を含む置換基で置換されているのが好ましい。さらに、アルキレンオキシ鎖を含有する置換基、例えば、エチレンオキシ基を含有する置換基で置換されているのがより好ましい。この中でも、アルキレンオキシ鎖を含有する置換基で置換されたアルキル基がより好ましい。
以下に、本発明の化合物の具体例を代表として一般式(3)で表される構造で挙げるが、本発明は以下の具体例によってなんら制限されるものではない。
Figure 0004231379
Figure 0004231379
Figure 0004231379
以下に、本発明の化合物の具体例として一般式(2)で表される構造で挙げるが、本発明は以下の具体例によってなんら制限されるものではない。
Figure 0004231379
Figure 0004231379
Figure 0004231379
上記一般式()で表される化合物と上記一般式(2)で表される化合物の混合割合は、モル比で、一般式()で表される化合物1に対し、一般式(2)で表される化合物が、好ましくは0.5〜5であり、より好ましくは1〜4であり、さらに好ましくは2〜4である。そして、一般式()と(2)の化合物を併用することによって、流動性能が向上し、低温度での潤滑性が向上する。また、低い低摩擦係数が低温から高温度域までの広い温度域で維持される。さらに、流体潤滑から境界潤滑などの様々な潤滑条件でも低摩擦の潤滑性能を発揮する。一般式(2)で表される化合物の割合を一般式()に比して多くすることにより、摩擦面への吸着性が向上し、より効果的に粘度を調節することが可能となり、さらに、低摩擦係数を維持できる温度範囲をより広くできる。
上記一般式()で表される化合物と上記一般式(2)で表される化合物のうち、より好ましい組み合わせとしては、例えば、一般式(3)において、X1、X2及びX3がイミノ基(−NH−)である化合物と、一般式(2)において、R31がアルキレンオキシ鎖を含有する置換基(例えば、アルキレンオキシ鎖を含有するアルキル基)である化合物があげられる。さらに好ましくは、上記一般式(4)において、X1、X2及びX3がイミノ基(−NH−)である化合物と、一般式(2)において、R31がアルキレンオキシ鎖を含有する置換基(例えば、アルキレンオキシ鎖を含有するアルキル基)である化合物があげられる。
本発明の潤滑剤組成物に用いられる化合物は、それ自体のみで、潤滑剤組成物の基材油として用いることができる。また、潤滑油組成物の基油として用いられる鉱油や合成油と、混合して本発明の潤滑剤組成物の基材油としても用いられる。混合基材油として用いられる鉱油や合成油は、特に限定されるものではなく、一般に潤滑油基油として用いられているものならば何でも使用することができる。すなわち、これらに該当するものとしては、鉱油、合成油、或いはそれらの混合油がある。鉱油としては、例えば、パラフィン系、中間基系又はナフテン系原油の常圧又は減圧蒸留により誘導される潤滑油原料をフェノール、フルフラール、N−メチルピロリドンの如き芳香族抽出溶剤で処理して得られる溶剤精製ラフィネート、潤滑油原料をシリカーアルミナを担体とするコバルト、モリプデン等の水素化処理用触媒の存在下において水素化処理条件下で水素と接触させて得られる水素化処理油、水素化分解触媒の存在下において苛酷な分解反応条件下で水素と接触させて得られる水素化分解油、ワックスを異性化用触媒の存在下において異性化条件下で水素と接触させて得られる異性化油、あるいは溶剤精製工程と水素化処理工程、水素化分解工程及び異性化工程等を組み合わせて得られる潤滑油留分等を挙げることができる。特に、水素化分解工程や異性化工程によって得られる高粘度指数鉱油が好適なものとして挙げることができる。いずれの製造法においても、脱蝋工程、水素化仕上げ工程、白土処理工程等の工程は、常法により、任意に採用することができる。鉱油の具体例としては、軽質ニュートラル油、中質ニュートラル油、重質ニュートラル油及びブライトストック等が挙げられ、要求性状を満たすように適宜混合することにより基油を調整することができる。合成油としては、例えば、ポリα−オレフィン、α−オレフィンオリゴマー、ポリブテン、アルキルベンゼン、ポリオールエステル、二塩基酸エステル、ポリオキシアルキレングリコール、ポリオキシアルキレングルコールエーテル、シリコーン油等を挙げることができる。これらの基油は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて使用することができ、鉱油と合成油を組み合わせて使用してもよい。本発明の潤滑剤組成物の混合基材油として使用してもよい、このような通常基油は、100℃において、一般に、2〜20mm2/sの動粘度を有し、好適な動粘度は3〜15mm2/sの範囲である。本発明の潤滑剤組成物が用いられる機械的摩擦摺動部の潤滑条件に適するように、適宜、最適な動粘度を有した混合基材油が選択される。
本発明の潤滑剤組成物において、通常基油との配合割合は、基材油全量基準で、通常、前者のエステル構造を有する化合物が0.1〜20重量%であり、後者の通常基油、すなわち鉱油及び/又は合成油が80〜99.9重量%である。好ましくは、本発明の潤滑剤組成物が0.1〜10重量%であり、最も好ましくは、本発明の潤滑剤組成物が0.1〜5重量%である。しかし、本発明の潤滑剤組成物は、前記したように、それ自体のみでも、潤滑剤組成物の基材油として用いることができ、単独で用いる方が効果的な場合が多く、苛酷な潤滑条件でも広い温度範囲で低摩擦係数が得られ、同時に耐摩耗性にも優れた効果が発揮される。
本発明の潤滑剤組成物は、種々の用途に適応した実用性能を確保するため、さらに必要に応じて、潤滑剤、例えば軸受油、ギヤ油、動力伝達油などに用いられている各種添加剤、すなわち摩耗防止剤、極圧剤、酸化防止剤、粘度指数向上剤、清浄分散剤、金属不活性化剤、腐食防止剤、防錆剤、消泡剤等を本発明の目的を損なわない範囲で適宜添加することができる。
本発明の潤滑剤組成物は、苛酷な潤滑条件において、摩擦係数が低いこと、耐摩耗性と極圧性に優れていること等の特徴を有している。本発明の潤滑剤組成物は、一般式(3)、より好ましくは一般式(4)で表される構造を有する化合物と一般式(2)で表される化合物を混合して、最適なもの、すなわち、−40℃でも液状なものとすることにより、低温でも使用可能になり、実用的なものとできる。
さらに、本発明の潤滑剤組成物は、前記のような特徴を活かして、従来の潤滑油やグリースなどの潤滑剤では、油膜切れを生じるような苛酷な潤滑条件であっても、焼付きを生じるようなことなく、耐摩耗性であって、低摩擦係数を得ることができ、苛酷な潤滑条件の軸受やギヤなどにおいて、省エネルギーな潤滑剤として好適に使用することができる。しかも、本発明の潤滑剤組成物は、苛酷な潤滑条件であっても、焼付きを生じないため、摺動部装置の信頼性が向上し、摺動部装置の小型化に寄与することができる。
本発明について実施例及び比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に特に限定されるものではない。
本発明の化合物としてN−8、N−14、N−28およびA−3、そして潤滑剤基油を用いて下記表1および2に示す潤滑剤組成物(実施例1〜6)を調製した。また、比較例として、潤滑剤基油のみ、およびひN−28および下記比較化合物M−2を用いて同様に潤滑剤組成物(比較例1〜6)を調製した。
Figure 0004231379
調製したこれらの組成物のそれぞれについて以下の条件で摩擦試験を実施し、摩擦係数を測定した。なお、実施例における摩擦係数は、往復動型摩擦試験機(SRV摩擦摩耗試験機)を用いて測定した。
[試験条件]
試験条件はシリンダ−オンプレートの条件で行った。
試験片(摩擦材):SUJ−2
プレート:φ24×6.9mm
シリンダー:φ11×15mm
温度:80℃
荷重:400N
振幅:1.5mm
振動数:50Hz
試験時間:試験開始5分間
実施例1〜6の結果を表1に、比較例1〜6の結果を表2に示した。
Figure 0004231379
Figure 0004231379
これらの表1および表2に示した実施例と比較例の評価結果から、本発明の組み合わせからなる錯体を潤滑剤に用いることにより、はるかに優れた耐摩擦性の潤滑組成物が得られることが判った。

Claims (3)

  1. 下記一般式()で表される化合物および下記一般式(2)で表される化合物を主成分として含有することを特徴とする潤滑剤組成物。
    Figure 0004231379
    (式中、X1、X2およびX3は、NH基を表し、R11、R12およびR13は、各々独立に、アルキル基、または、アリール基を表す。但し、R11、R12およびR13のうち少なくとも1つは、エステル結合を含む。)
    Figure 0004231379
    (式中、R31はアルキル基を表す。)
  2. 上記一般式()が下記一般式(4)で表されることを特徴とする請求項1に記載の潤滑剤組成物。
    Figure 0004231379
    (式中、X21、X22およびX23は、NH基を表す。R21、R22およびR23は、各々独立に、置換基を表す。R21、R22およびR23のうち少なくとも1つは、エステル結合を含む。a21、a22およびa23は各々独立して1〜5の整数を表す。)
  3. 上記一般式()および一般式(2)が錯体を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の潤滑剤組成物。
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