BR102020022907A2 - Composição de graxa lubrificante, uso da mesma, e uso de sílica coloidal - Google Patents

Abstract

A presente invenção descreve composições de graxa lubrificante resistentes a elevadas temperaturas compreendendo um óleo base fluorinado, nitreto de boro e sílica coloidal, bem como seu uso nos setores de energia elétrica, aeroespacial e exploração de petróleo e gás. A presente invenção também se refere ao uso de sílica coloidal como espessante em composições de graxa lubrificante.

Description

COMPOSIÇÃO DE GRAXA LUBRIFICANTE, USO DA MESMA, E USO DE SÍLICA COLOIDAL CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção está relacionada a uma composição de graxa lubrificante resistente a elevadas temperaturas, recomendada para uso nos setores de energia elétrica, alimentício, aeroespacial e exploração de petróleo e gás.

[002] A presente invenção também se refere ao uso de sílica coloidal como espessante em composições de graxa lubrificante.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[003] Composições de graxas lubrificantes são usualmente empregadas para aumentar o tempo de vida útil de equipamentos mecânicos, impedindo ou minimizando o desgaste causado por atrito no contato entre peças. As graxas lubrificantes também possuem os objetivos de manter os sistemas limpos, remover calor e, principalmente, impedir o processo de oxidação resultante de altas temperaturas de trabalho.

[004] Dependendo da área de aplicação, as graxas lubrificantes devem ser capazes de suportar condições extremas de temperatura e pressão, sendo necessário possuir, portanto, boa estabilidade térmica. Além disso, é desejável que graxas lubrificantes apresentem ausência de inflamabilidade, resistência a produtos corrosivos e características antioxidantes.

[005] As graxas lubrificantes são normalmente compostas por óleo básico, aditivos e espessante. Os óleos base podem ser minerais ou sintéticos. Dentre os espessantes utilizados no estado da técnica, estão o nitreto de boro e a sílica, esta última usualmente modificada em sua superfície.

[006] O documento patentário US 6.040.277 descreve composições de graxas lubrificantes, compreendendo óleo base fluorinado e um nitreto de boro como espessante. O referido documento relata que tais composições possuem boas propriedades lubrificantes, mesmo sob condições severas de operação.

[007] O documento patentário US 2018/0245010 descreve composições de graxas lubrificantes, compreendendo um óleo base fluorinado e pelo menos dois aditivos, a saber: nitreto de boro e um material aglutinante. Dentre os materiais aglutinantes listados, bentonita é o material preferencial, porém outros aglutinantes podem ser empregados, como sílica pirogênica organicamente modificada, isto é, tratada em sua superfície, com um composto organossilano.

[008] No entanto, foi surpreendentemente verificado na presente invenção que composições de graxa lubrificante compreendendo um óleo base fluorinado, nitreto de boro, como lubrificante sólido, e sílica em sua forma coloidal, como espessante, apresentam excelentes propriedades físico-químicas em condições severas de temperaturas elevadas.

[009] Foi verificado que tais composições possuem maior durabilidade e produzem menor quantidade de resíduo, devido ao uso em menor quantidade de componentes sólidos, em comparação com as composições de graxas disponíveis no mercado.

[0010] Ainda, tais composições de graxa também podem ser produzidas a um menor custo, em comparação com as graxas existentes no estado da técnica, visto que a sílica coloidal utilizada como espessante não requer modificação em sua superfície.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011] A presente invenção está relacionada a composições de graxa lubrificante com excelente estabilidade térmica compreendendo um óleo base fluorinado, nitreto de boro e sílica coloidal.

[0012] Um segundo objetivo da presente invenção é o uso de tais composições nos setores de energia elétrica, alimentício, aeroespacial e exploração de petróleo e gás.

[0013] Um terceiro objetivo da presente invenção se refere ao uso de sílica coloidal como componente espessante em composições de graxa lubrificante.

[0014] Esses objetivos e demais vantagens da presente invenção ficarão mais evidentes a partir da descrição que se segue e do desenho anexo.

BREVE DESCRIÇÃO DA FIGURA

[0015] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência à figura anexa (Figura 1) que mostra os parâmetros cinéticos obtidos por análise térmica (TGA - termogravimetria) de uma comparação direta entre a composição de graxa da presente invenção e uma composição de graxa lubrificante comparativa, disponível no mercado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0016] A composição de graxa descrita na presente invenção compreende os seguintes componentes:

• A) um óleo base fluorinado,
• B) nitreto de boro, e
• C) sílica coloidal.

[0017] O componente A da composição de graxa é preferencialmente um óleo base de perfluoropoliéter (PFPE) e está presente em uma quantidade que pode variar de 50% a 97% em peso, com base no peso total da composição. Preferencialmente, o componente A está presente em uma quantidade que varia de 75% a 97% e, mais preferencialmente, de 90% a 94%.

[0018] O PFPE é um polímero de cadeia heteroatômica linear e líquido que compõe uma classe de lubrificantes resistentes em atmosfera de oxigênio ou ambientes quimicamente agressivos, e pode ser obtido por um processo de destilação, dando origem a óleos leves e pesados.

[0019] A presença de átomos de flúor no óleo base de PFPE, altamente eletronegativos, ligados a grupos -C-C- ao longo da cadeia molecular, asseguram ao PFPE alta estabilidade química e térmica. Assim, é considerado um óleo lubrificante de alta potencialidade, capaz de suportar condições extremas, como reagentes químicos e oxidantes. A presença de oxigênio intercalado no esqueleto carbônico do PFPE torna-o líquido em uma ampla faixa de temperatura, variando de -70 °C a 288°C.

[0020] A massa molar do PFPE pode ser controlada por meio das condições de polimerização, sendo o seu peso molecular da ordem de 1.500 a 10.000 g/mol. Por meio de fracionamento por destilação a vácuo, pode-se obter várias frações com diferentes massas molares dos diversos tipos de PFPE.

[0021] Devido à variação no tamanho dessa cadeia, é possível manipular as características do material conforme desejado, que pode variar desde uma consistência totalmente sólida até um líquido viscoso, quimicamente inerte, resistente à decomposição pelo calor, água ou agentes oxidantes, além de se comportar como bom isolante elétrico. Assim, o PFPE empregado na presente invenção possui viscosidade na faixa de 220 a 1000 cSt (2,2 a 10,0 cm2/s) e, preferencialmente, na faixa de 220 a 460 cSt (2,2 a 4,6 cm2/s), em uma temperatura a 40°C.

[0022] O componente B da composição de graxa descrita está presente em uma quantidade na faixa de 0,5% a 30% em peso, com base no peso total da composição. O nitreto de boro empregado é um lubrificante sólido, atuando como carga de reforço do óleo base fluorinado. Preferencialmente, o componente B está presente na composição em uma faixa variando de 1% a 15%, e mais preferencialmente, em uma faixa variando de 2% a 5%, com base no peso total da composição.

[0023] Em uma modalidade preferencial da presente invenção, o componente B está na forma de pó ou em grânulos, com tamanho médio de partícula na faixa de 2 a 8 mícrons e, mais preferencialmente, com tamanho médio de partícula variando de 4 a 8 mícrons, com formato hexagonal.

[0024] O componente C da composição de graxa desta invenção está presente em uma quantidade de 0,1% a 35% em peso, com base no peso total da composição de graxa lubrificante, e atua como um componente espessante para a graxa sintética. Preferivelmente, o componente C está presente em uma quantidade de 1% a 20% em peso, e mais preferencialmente, em uma quantidade de 2% a 7% em peso, com base no peso total da composição.

[0025] A sílica coloidal utilizada nesta composição é pirogênica, ou seja, é obtida por hidrólise do tetracloreto de sílicio em chama oxi-hidrogênica. Possui tamanho da partícula podendo variar de 0,007 a 0,030 mícrons e, preferencialmente, possui tamanho de partícula variando de 0,010 a 0,030 mícrons.

[0026] A sílica coloidal possui diferentes aplicações já conhecidas no estado da técnica, porém normalmente requer tratamento adicional para a aplicação em graxas, com modificação química de sua superfície visando obter compostos de maior versatilidade e com propriedades específicas relacionadas às espécies ligadas à sua superfície.

[0027] Em uma modalidade preferencial da presente invenção, o componente C não requer tratamento adicional como a modificação de sua superfície, ou seja, é sílica coloidal não tratada. Portanto, isso representa menor custo ao produzir a composição de graxa da presente invenção.

[0028] O emprego de sílica coloidal, preferencialmente não tratada, como espessante da composição de graxa permite uma maior durabilidade em comparação com as graxas já existentes.

[0029] Além disso, a sílica em sua forma coloidal possibilita que esta seja empregada em menor quantidade na formulação de graxa da presente invenção, uma vez que surpreendentemente foi verificado que a sílica coloidal possui um maior poder de espessamento em comparação com sílica em outras formas e demais espessantes utilizados no estado da técnica.

[0030] Assim, a presente invenção provê uma graxa de excelente rendimento em termos de vida útil, além de gerar menor quantidade de resíduo na peça mecânica após sua utilização, alcançando-se benefícios econômicos e ambientais.

[0031] A redução na geração de resíduos se deve ao fato do emprego de componentes sólidos (espessante e aditivo sólido) em baixas quantidades. Tais componentes possuem alto ponto de ebulição, e não seriam evaporados nas aplicações desejadas. O óleo fluorinado, por sua vez, após a utilização da graxa, se evapora, sem formar resíduos. Portanto, quanto menor a quantidade de sólidos na graxa, menor será a quantidade de resíduos, pois a quantidade de óleo é maior, aumentando, assim, os períodos de lubrificação.

[0032] Em uma modalidade alternativa da presente invenção, a composição de graxa pode apresentar ainda pelo menos um aditivo adicional, que pode ser selecionado dentre agentes antioxidantes, agentes anticorrosivos, aditivos antidesgaste, entre outros. Se presentes na composição de graxa lubrificante da presente invenção, tais aditivos adicionais podem estar em quantidades variando de 0,01% a 10% em peso, com base no peso total da composição.

[0033] Agentes antioxidantes possíveis de serem utilizados são, porém não limitados a, ditiofosfatos metálicos, fenóis alquilados e aminas aromáticas. Os agentes anticorrosivos podem ser quaisquer neutralizadores de ácido e aditivos antidesgaste podem ser ditiofosfato de zinco, tiofosfato de amina, dentre outros.

[0034] A composição de graxa lubrificante descrita na presente invenção possui características físicas e químicas que permitem seu uso em setores que requerem o uso a elevadas temperaturas, podendo lubrificar equipamentos por longos períodos devido à sua baixa taxa de evaporação.

[0035] Assim, a composição de graxa descrita na presente invenção pode ser utilizada no setor de energia elétrica, como geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, setor alimentício, setor aeroespacial ou setor de exploração de petróleo e gás. Um exemplo prático de utilização é em turbinas termoelétricas e outros componentes de difícil acesso no setor de geração de energia elétrica.

[0036] A presente invenção também se refere ao uso de sílica coloidal como componente espessante em composições de graxa lubrificante, compreendendo óleo base fluorinado e nitreto de boro.

[0037] A descrição que se segue partirá de concretizações preferenciais da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, a invenção não está limitada a essas concretizações particulares.

Exemplo 1

[0038] Para ilustrar a maior eficiência da presente invenção, foi realizada uma comparação por análise térmica (TGA - termogravimetria) entre a composição de graxa lubrificante aqui descrita e uma composição de graxa lubrificante disponível no mercado, conforme pode ser visto na Figura 1.

[0039] A composição de graxa identificada como GFN 2A representa a graxa descrita na presente invenção e compreende os seguintes componentes e suas proporções: 93% em peso de óleo fluorinado, 2% de nitreto de boro e 5% de sílica coloidal.

[0040] A composição denominada como GFN 2B representa um produto disponível no mercado atual compreendendo apenas óleo fluorinado (cerca de 80% em peso) e nitreto de boro (cerca de 20% em peso).

[0041] As condições análise foram as seguintes:
Massa inicial de 10mg, atmosfera de ar sintético (100 mL. min-1),
Razões de aquecimento: 10,0°C min-1, 15°C min-1 e 20°C min1 para as amostras GFN 2A e GFN 2B.

[0042] As curvas TG das amostras GFN 2A e GFN 2B mostram as porcentagens de conversão em massa “α” utilizada para o estudo cinético do material. A partir dessas curvas, é possível observar que o produto disponível no mercado produz uma quantidade mássica de resíduo bem superior (da ordem de quatro vezes) à quantidade produzida pela graxa da presente invenção.

[0043] Também é possível correlacionar os parâmetros cinéticos das curvas TG (Energia de Ativação e Fator pré-exponencial) com a vida útil das composições de graxa lubrificante analisadas, como já demonstrado em trabalhos científicos, por exemplo, em F. Yokoyama - Estimation of Service Lives and Operating Temperature Ranges of High-Temperature Lubricating Oils Using Thermal Analysis (2014).

[0044] Assim, para a determinação dos parâmetros cinéticos de Energia de Ativação e Fator pré-exponencial da decomposição térmica das amostras, aplicou-se o método cinético de Flynn, Wall e Ozawa, conforme equação a seguir:
logβ = log[AEα/g(α)R] - 2,315 -0,457 Eα/RT
em que Eα é a Energia de Ativação, β são as razões de aquecimento, A é o Fator pré-exponencial, R representa a constante universal dos gases e T é a temperatura.

[0045] Desse modo, por meio das curvas apresentadas na Figura 1, os seguintes parâmetros cinéticos (valores médios) foram obtidos: Energia de Ativação = 97,47786 kJ/mol e Fator pré-exponencial = 2,14E+08 para as amostras GFN 2A; e Energia de Ativação = 98,03036 kJ/mol e Fator pré-exponencial = 2,16E+08 para as amostras GFN 2B.

[0046] Assim, devido à proximidade dos valores dos parâmetros cinéticos obtidos para as amostras GFN 2A e GFN 2B, é possível afirmar que a composição de graxa testada da presente invenção possui uma vida útil semelhante ao produto comparativo existente no mercado. Porém, as amostras GFN 2A apresentam um desempenho muito superior àquele das amostras GFN 2B, visto que geram um resíduo da ordem de quatro vezes menor, conforme mostram a curvas termogravimétricas.

[0047] A descrição que se fez até aqui do objeto da presente invenção deve ser considerada apenas como uma possível ou possíveis concretizações, e quaisquer características particulares nelas introduzidas devem ser entendidas apenas como algo que foi escrito para facilitar a compreensão. Desta forma, não podem de forma alguma ser consideradas como limitantes da invenção, a qual está limitada ao escopo das reivindicações que seguem.

Claims (10)

1. Composição de graxa lubrificante, caracterizada pelo fato de compreender os seguintes componentes:

   • A) óleo base fluorinado;
   • B) nitreto de boro; e
   • C) sílica coloidal.
2. Composição de graxa de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os componentes A, B e C estão presentes na composição de graxa nas seguintes quantidades:

   • A) de 50% a 97% em peso;
   • B) de 0,5% a 30% em peso; e
   • C) de 0,1% a 35% em peso;

   com base no peso total da composição de graxa.
3. Composição de graxa, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que os componentes A, B e C estão presentes na composição de graxa nas seguintes quantidades:

   • A) de 75% a 97% em peso;
   • B) de 1% a 15% em peso; e
   • C) de 1% a 20% em peso;

   com base no peso total da composição de graxa.
4. Composição de graxa de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que os componentes A, B e C estão presentes na composição de graxa nas seguintes quantidades:

   • A) de 90% a 94% em peso;
   • B) de 2% a 5% em peso; e
   • C) de 2% a 7% em peso;

   com base no peso total da composição de graxa.
5. Composição de graxa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de o componente A ser um perfluoropoliéter de viscosidade de faixa 2,2 a 10,0 cm2/s a 40°C e temperatura de uso variando de -70 °C a 288°C.
6. Composição de graxa de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o componente B está na forma de grânulos, ou na forma de pó, apresentando tamanho médio de partícula na faixa de 4 a 8 mícrons, na forma hexagonal.
7. Composição de graxa de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de o componente C ser sílica coloidal não tratada, possuindo tamanho da partícula de 0,010 a 0,030 mícrons.
8. Uso de uma composição de graxa como definida na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser no setor de geração de energia elétrica, setor alimentício, setor aeroespacial ou setor de exploração de petróleo e gás.
9. Uso de sílica coloidal, caracterizado pelo fato de ser como componente espessante em composições de graxa lubrificante compreendendo um óleo base fluorinado e nitreto de boro.
10. Uso, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a sílica coloidal não é tratada.

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