CA2044035A1 - Phosphorus-containing alcaline or alcaline-earth phenate with excess base, and lubricant compositions holding said phenate - Google Patents
Phosphorus-containing alcaline or alcaline-earth phenate with excess base, and lubricant compositions holding said phenateInfo
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Abstract
1 Phénate alcalin ou alcalinoterreux surbasé obenu par carbonatation d'un mélange contenant un composé phénolique, un dérivé organique du phosphore, un dérivé d'un métal alcalin ou alcalinoterreux, un promoteur azoté et/ou oxygéné, un solvant hydrocarboné et éventuellement une huile diluante et de l'eau. L'incorporation du phosphore pendant la carbonatation permet d'éviter les interactions négatives entre phénates surbasés et dérivés organiques du phospore.1 Overbased alkaline or alkaline earth phenate obtained by carbonation of a mixture containing a phenolic compound, an organic phosphorus derivative, an alkali or alkaline earth metal derivative, a nitrogenous and / or oxygenated promoter, a hydrocarbon solvent and optionally a diluting oil and water. The incorporation of phosphorus during carbonation makes it possible to avoid negative interactions between overbased phenates and organic phosphorus derivatives.
Description
2~03~
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SOCIETE NATIONALE ELF AQUITAINE
PHENATE ALCALIN OU ALCALINOTERREUX SURBASE CONTENANT DU
PHOSPHORE ET COMPOSITIONS LUBRIFIANTES RENFERMANT LEDIT
PHENATE
Cette invention concerne les phénates alcalins ou alcalinoterreux surbasés, à valeur alcaline élevée renfermant un dérivé organique du phosphore et leur utilisation dans les formulations lubrifiantes.
Les phénates surbasés sont des sels de métaux alcalins ou alcalinoterreux de phénols surbasés par carbonatation avec l'anhydride carbonique. Le terme surbasé est utilise pour désigner l'excès de métal alcalin ou alcalinoterreux par rapport ~ la quantité stoechiométrique nécessaire pour neutraliser le phénol.
La structure des phenates surbasés est celle d'une dispersion colloïdale dont les micelles renferment le carbonate de métal alcalin ou alcalinoterreux formé lors de la carbonatation.
Les micelles sont stabilisees par les phenates alcalins ou alcalinoterreux qui ont un-effet détergent.
Ces phénates surbasés sont particulièrement utiles dans les lubrifiants utilisés dans les moteurs a combustion interne du type "essence" ou "diesel" qu'il s'agisse de moteurs terrestres ou marins.
Grace ~ leur effet detergent et dispersant ils empêchent la formation de laques et de vernis sur les pistons, et maintiennent en dispersion les suies issues de la combustion incomplète du carburant.
Une autre fonction importante de ces additifs est la - -neutralisation des composés acides issus de l'oxydation de l'huile ou de la combustion des produits soufrés apportés par le combustible. Cette fonction est particulièrement appréciée lors de l'utilisation de combustibles riches en soufre comme par exemple les fuels lourds utilisés dans les moteurs marins.
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Les phénates surbasés améliorent en outre la resistance à
l'oxydation des huiles auxquelles ils sont incorporés. cette propriété est plus particulièrement marquée en cas d'utilisation de phénols sulfurisés. Cette fonction est particulièrement appréciée pour les formulations lubrifiantes soumises à des contraintes thermiques sévères, comme par exemple dans les moteurs diesels fortement suralimentés. Les phénates surbasés sulfurisés sont dans la pratique plus utilisés que leurs homologues non sulfurisés.
Les phénates surbasés sont caractérisés par leur valeur alcaline (VA) exprimée en mg de KOH par gramme de produit.
Elle est déterminée par titration ~ l'aide d'un acide fort selon la norme ASTM D-2~96. Une réserve d'alcalinité
importante se traduit par un VA élevée.
Il existe dans l'art antérieur essentiellement deux types de procédés permettant la fabrication de phenates surbasés.
Les demandes de brevet européen 0300486 et 0259974 décrivent un procédé à haute température, vers 160~C et ~ une pression supérieure à la pression atmosphérique. Ce procéde, ne permet d'obtenir des phénates surbasés de valeur alcaline ~levée -qu'à condition qu'un alkysulfonate soit associé a l'alkylphénate lors de la carbonatation.
Le brevet français 2305494 concerne un procédé à basse température, vers 50C. En absence d'un alkylsulfonate, la valeur alcaline des phénates seuls ne dépasse jamais 240. En outre, ces produits présentent l'inconvénient d'être instables au cours du temps et d'avoir une viscosité élevée.
Ces procédés ne permettent donc pas la synthèse des phénates a haute valeur alcaline.
Il est connu par ailleurs d'utiliser dans les lubrifiants des mélanges de phenates surbasés et d'additifs phosphores ou phosphosoufr~s. Ces derniers apportent des propriétés antiusure et antioxydante. Les plus couramment utilisés sont les sels métalliques de l'acide dithiophosphorique et plus particulièrement le sel de zinc de l'acide dialkyldithiophosphorique.
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Neanmoins, il s'avere que des interactions négatives peuvent exister entre les phénates surbasés et les derivés organiques du phosphore, et notamment le sel de zinc de l'acide dialkyldithiophosphorique. La compétition, lors de l'adsorption sur les surfaces métalliques à lubrifier, entre les phénates surbasés et les sels de zinc ou des réactions entre ces deux additifs dans le volume du lubrifiant peuvent entrainer une diminution importante des propriétés antioxydante et antiusure.Nous avons trouvé maintenant qu'en effectuant la carbonatation des phénates en présence d'un composé organique du phosphore, il y a incorporation du phosphore dans la micelle, renfermant par ailleurs le carbonate de métal alcalin ou alcalinoterreux. Ainsi les interactions négatives entre les phénates surbasés et les dérivés organiques du phosphore sont évitées. De façon surprenante, les phénates surbasés carbonatés en présence de dérivés organiques du phosphore, présentent une valeur alcaline supérieure à celle des phénates surbasés de l'art antérieur. Au même temps leur stabilité est meilleure et leur viscosité suffisamment basse pour que n'apparaisse aucun problème de manipulation.
A notre connaissance, la carbonatation d'un phénate alcalin ou alcalinoterreux en présence d'un compose organique du phosphore n'est pas décrit dans l'art antérieur. La demande de brevet britannique 2197336 concerne l'addition de quantités catalytiques d'un dialkyldithiophosphate de zinc oléosoluble, à un phénate alcalin, mais il s'agit d'une utilisation comme catalyseur de sulfurisation, dans un procedé en deux étapes, comportant la sulfurisation du phénol puis sa carbonatation. A la température de sulfurisation, entre 145 et 165-C, le dialkyldithiophosphate se décompose en mercaptan et oléfine, et dans l'étape de carbonatation le mélange ne recèle plus de phosphore organique.
L'invention concerne donc un phénate alcalin ou alcalinoterreux surbasé, obtenu par carbonatation d'un mélange renfermant un composé phénolique, un dérivé d'un metal alcalin ou alcalinoterreux, choisi parmi les oxydes, hydroxydes ou alcoolates, un promoteur azoté et/ou oxygéné, :. - . . . : . .. . . -- : . : . . .
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2~4~35 un solvant hydrocarbone et éventuellement une huile diluante et de 1'eau caractérisé en ce que le mélange renferme du phosphore sous forme de dérivé organique.
Les phénates surbases obtenus selon l'invention se présentent sous forme d'une dispersion colloïdale, limpide et stable.
Leur valeur alcaline (VA) est supérieure ou égale à 250. Les procédés de l'art antérieur ne permettaient pas d'obtenir des phénates à VA supérieure à 240. Les valeurs supérieures n'on$
été obtenues qu'avec des melanges de phénates et sulfonates.
La présence du derivé organique du phosphore confere aux phénates surbasés selon l'invention des propriétés antioxydantes renforcées ainsi que des propriétés antiusures.
Parmi les dérivés organiques du phosphore on utilise de préférence des composés non-métalliques. Ces dérivés organiques non-métalliques du phosphore sont choisis parmi les phosphites, phosphoramides, les dérivés des acides phosphoriques, thiophosphoriques, dithiophosphoriques, trithiophosphoriques, tetrathiophosphoriques et leurs sels organiques.
On utilise plus particulièrement les dérivés phosphosoufrés comme les acides thiophosphoriques ou dithiophosphoriques et leurs sels organiques et de préférence les deriv~s d'acides dithiophosphoriques et leurs sels organiques.
Parmi les derivés d'acides dithiophosphoriques on utilise en général les acides dihydrocarbyldithio-phosphoriques, de formule générale R-O\ ~ S
P ~ (I) R'O'''' SH
où R et R' identiques ou différents représentent des cha~nes alkyles linéaires ou ramifiées en Cl à C20, les cycles aliphatiques ou aromatiques.
Parmi ces dérivés nous pouvons mentionner l'acide diethyldithiophosphorique, l'acide diisopropyldi-thiophosphorique, l'acide dicyclohexyldithiophosphhorique ou 1'acide dicrésyldithiophophorique.
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2~0~5 Il est particulièrement avantaqeux d'utiliser les composés de formule génerale (I) insolubles dans les huiles. Ces composés présentent en plus du pouvoir antioxydant et antiusure, un effet tensioactif. Ainsi ils participent comme cotensioactifs à la stabilisation des micelles.
Les phenates surbasés obtenus selon l'invention renferment 0,5 % à 10 ~ poids et de préference 1 à 5 % poids de phosphore.
Pour obtenir cette concentration finale en phosphore, le mélange à carbonater doit renfermer au moins 3 % de phosphore sous forme de dérivé organique.
Les acides dihydrocarbyldithiophosphoriques de formule générale (I) peuvent être préparés par l'action du pentasulfure de phosphore sur un alcool ou phénol de formule yenérale R-OH ou un mélange d'alcools ou phénols de formule R-OH et R'-OH.
Le rapport molaire du pentasulfure de phosphore à l'alcool ou phénol doit être au moins de 1 pour 4. La réaction peut être réalisée à une température comprise entre 40 et 200C, celle-ci dépendant du type d'alcool ou de ph~nol choisi.
Les méthodes de préparation des acides dial~yldithiophosphoriques sont décrites dans les brevets américains 3089850, 3101096, 3293181 et 3489682.
Les composés phénoliques sont en général des alkylphénols, comportant un ou plusieurs groupes alkyles linéaires ou ramifiés en Cl à C30. Pour assurer la solubilité aux phénates alcalins ou alcalinoterreux correspondants, dans l'huile de dilution, le nombre total de carbones du ou des groupes alkyles doit être égal ou supérieur à huit.
Les alkylphénols peuvent être prépares par la réaction d'une oléfine ou d'un mélange d'olefines sur le phénol, en présence d'un catalyseur à une température comprise entre 60 et 200-C.
Les alkylphénols utilisés peuvent être éventuellement sulfurisés par action du soufre ~lémentaire à des températures allant de 150 à 200-C., ou par action d'un halogénure de soufre tel que le mono ou dichlorure de soufre.
Le produit sulfuris~ contient 1 à 1,5 atomes de soufre par noyau phénolique, mais sa structure n'est pas connue avec précision.
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Parmi les dérivés de métal alcalin ou alcalinoterreux on utilise les oxydes, hydroxydes ou alcoolates. Les d~rivés préfér~s so~t les oxydes et hydroxydes.
Ceux-ci sont ajoutes au milieu réac~ionnel en excès stoechiométrique par rapport au composé phénolique. L'excès stochiométrique peut varier entre 5:1-et 30:1.
Le promoteur oxygéné est généralement un alcool aliphatique ou aromatique, un alkoxyalcanol, un glycol ou encore une alcanolamine. On utilise de préference les alcools aliphatiques en Cl à C20 ou leurs mélanges. Les alcools aliphatiques peuvent être utilisés en mélange avec des glycols, des alkoxyalcanols ou des alcanolamines.
Le rapport molaire du promoteur oxyg~né au composé phénolique e~t généralement compris entre 1 à 30.
L'utilisation d'un promoteur azoté est facultative. Le promoteur azoté est généralement choisi parmi l'ammoniaque, les sels d'ammonium, les amines primaires, secondaires ou tertiaires en C2 à C10 et leurs sels, les polyamines ou alcanolamines ainsi que les composés minéraux nitrés.
Parmi les promoteurs azotés on préfère 1'ammoniaque, le carbonate et le chlorure d'ammonium, l'éthylènediamine, l'éthanolamine ou la diéthanolamine, ainsi que le nitrate de calcium.
Le rapport molaire du promoteur azote au composé phénolique est généralement compris entre 0,05 et 30.
Le solvant hydrocarboné permet une homogéneisation parfaite des différents réactifs ainsi qu'un abaissement de la viscosité, ce qui facilitera ultérieurement la r~cupération des résidus solides de carbonatation. Le solvant représente en général 10 ~ 70% en poids du mélange réactionnel. Les solvants utilisés sont les composés aliphatiques ou aromatiques en C6 à C12. Les solvants préférés sont les solvants aromatiques, comme le benzène, toluène, xylène, éthylbenzène et les aromatiques chlorés. Leur choix est dicté
par les caractéristiqu~es de l'additif recueilli, par leur point d'ébullition et par le point d'ébullition des azéotropes qu'ils peuvent former avec les composés oxygén~s et l'eau.
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La manipulation des phénates surbases est facilitée par l'addition d'une huile diluante. L'huile représente environ 20 à 50% poids de l'additif obtenu. Celle-ci peut être ajoutée au milieu réactionnel avant la carbonatation ou encore après celle-ci, c'est-à-dire juste avant l'élimination des solvants. Les huiles diluantes utilisées sont de nature paraffinique, du type 100 ou 150 Neutral Solvant ou de nature majoritairement naphténique telle que la 100-150 Pale Solvant.
La réaction de carbonatation peut-8tre réalisee après addition éventuelle d'eau au milieu réactionnel. L'addition d'eau s'avère particulièrement benéfique lorsque le dérivé de métal alcalin ou alcalinoterreux est un oxyde. Généralement la quantité d'eau ajoutée est telle que le rapport molaire eau/oxyde de métal soit de l'ordre de 5.
Plus en detail, le procédé d'obtention des phénates consiste à :
a, neutraliser le composé phénolique, en général un alkylphénol ou un alkylphénol sulfurisé dont le nombre total de carbones des groupes alkyles est ~gal ou supérieur à huit, par un dérivé de métal alcalin ou alcalinoterreux, en présence d'un promoteur azoté et/ou oxygéné et éventuellement une huile diluante, un solvant hydrocarboné et l'eau, b, ajouter un dérivé organique du phosphore, de préférence un dérivé non-métallique et mieux un dérive phosphosoufré, puis carbonater le mélange par l'anhydride carbonique gazeux pendant un temps suffisant pour consommer en partie ou en totalit~ l'exces de m~tal alcalin ou alcalinoterreux, c, éliminer les résidus solides ainsi que les solvants.
Une mise en oeuvre préférentielle du procédé consiste a introduire successivement dans un réacteur equipé d'un agitateur, d'une régulation de température, d'un système de chauffage et de mise sous vide :
- 0 a 700 parties poids d'~n solvant hydrocarboné, - 100 ~ 400 parties poids d'un alkylphénol ou d'un alkylphénol préalablement sulfurisé, -un dérivé de métal alcalin ou alcalinoterreux en excès stoechiométriq~e par rapport au phénol.
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Cet excès stoechiométrique est compris entre 5:1 et 30:1, - un promoteur oxygéné dont le rapport molaire au phénol est compris entre l et 30, - éventuellement un promoteur azoté dont le rapport molaire au phénol est compris entre 0,05 et 30, - éventuellement une quantité d'eau telle que le rapport molaire eau/oxyde de métal alcalin ou alcalinoterreux soit de l'ordre de 0,5, - une huile diluante en quantité telle que celle-ci représente 20 à 50~ en poids de l'additif récupéré à la fin des opérations.
La reaction de neutralisation du composé phénolique est réalisée à une température comprise entre environ 30 et 120~C
et préférentiellement a une température comprise entre 50 et lOO-C, pendant une durée d'environ 0,5 à 4 heures.
Après cette neutralisation on ajoute au milieu réactionnel le derivé organique du phosphore. La concentration en phosphore du milieu reactionnel doit 8tre supérieure ou é7ale à 3%.
on procède alors à la carbonatation de l'excès stoechiométrique de métal alcalin ou alcalinoterreux à une température comprise entre la température ambiante et la temperature de reflux du mélange et plus particulièrement à
une température comprise entre la température ambiante et 50-C et préférentiellement à une température comprise entre 30-C et 45C.
Le rapport molaire du gaz carbonigue introduit à l'excès stoechiom~trique de métal alcalin ou alcalinoterreux est compris entre 0,6 et 1,2. Le mélange est eventuellement stabilisé par chauffage sous vide ou sous courant d'azote, de façon à éliminer les promoteurs oxygénés de bas point d'ébullition et l'eau ajoutée, ainsi que l'eau produite par la réaction de carbonatation. Les résidus solides sont elimines, en géneral par centrifugation et/ou filtration à
l'aide de terre à diatomées.
Si l'huile diluante n'a pas été ajoutée avant carbonatation, elle est alors ajoutée avant l'elimination du solvant hydrocarboné et éventuellement l'alcool. Ces derniers sont éliminés par chauffage sous vide à des températures de l'ordre de lO0 à 200-C.
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, -Les phénates sur~asés, obtenus selon l'invention sont de coloration brune et stables dans le temps. Leur viscosité est telle qu'ils sont manipulables ~ température ambiante. Ils renferment 0,5 à 10% poids et de préférence l à 5% de phosphore.
Ces phénates surbasés sont entièrement compatibles avec les hydrocarbures. Ils sont incorporés aux huiles lubrifiantes d'origine naturelle ou synthétique à une concentration comprise entre environ 0,5 et 40% en poids et de préférence entre l et 30% en poids.
Les compositions lubrifiantes ainsi obtenues peuvent renfermer d'autres additifs, à effet antiusure, dispersant, antioxydant et des polymères amèliorant l'indice de viscosité.
Les exemples ci-dessous illustrent l'invention sans toutefois la limiter.
Dans les exemples la basicité des phénates surbasés est caractérisée par leur valeur alcaline (VA) exprimée en mg KOH/g de produit. La VA est détermin~e par titration à l'aide d'un acide fort selon la norme ASTM D-2896.
Sauf indication contraire, tous les pourcentages sont en poids.
EXENPLE A
Préparation d'acide diméthyldithiophosphorique Dans un réacteur de 1 1 muni d'un système d'agitation, d'une régulation de température, d'un rèfrigérant et d'un système d'introduction des réactifs, coupl~ ~ un système de neutralisation des gaz acides, on met en suspension dans 600ml de tétrachlorure de car~one, 133,45g de pentasulfure de phosphore. La suspension est refroidie a 3C et 153,6g de méthanol sont additionnés en 0,5h, en maintenant la température inférieure à 5-C. on additionne alors en lh et par portions, un exces d'environ 30% de m~thanol par rapport a la stoechiométrie de la réaction. Le mélange est alors porte ~ reflux jusqu'a ce qu'il devienne parfaitement limpide.
La solution est refroidie et filtrée sur filtre Millipore de 0,22~ m, puis le solvant évaporé.
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EXEMPLB 1 (comparatif) Dans un réacteur de 250ml muni d'un réfrigérant, d'une régulation de température et d'un dispositif de barbotage de gaz, on introduit successivement :
- 90ml de xyl~ne - 49,5g du produit de l'exemple F
- 20,lg de chaux éteinte ~ 96% de pureté
- 50ml de méthanol - 2,55g d'ammoniaque ~ 20%
Le mélange est porté a reflux pendant 0,75h avant élimination de l'eau produite par la neutralisation du dodécylphénol sulfurisé. on ajoute 50ml de méthanol avant de procéder à la carbonatation par le gaz carbonique de 1'excès stoechiometrique de chaux, à une température de 40-C. Apres carbonatation on élimine par chauffage sous vide partiel l'eau résiduelle et le méthanol avant de récupérer les résidus solides par filtration. On ajoute 30g d'huile diluante ~00 Neutral avant d'éliminer le solvant.
On récupère un phénate sulfurisé surbasé de couleur brune, de VA = 240 et d'une viscosité de 48 Pa.s.
BXEMPLE 2 (comparatif) Dans un montage identique à celui de l'exemple 2, on introduit successivement :
- 90ml de xylene - 43g du produit de l'exemple F
- 12g de chaux vive - 66ml de méthanol - 2g de nitrate de calcium On proc~de alors comme dans l'exemple 2 et recueille un phenate sulfurisé surbasé de VA= 245, d'une viscosité de 115 Pa.s.
On op~re comme dans l'exemple 1 ~ la différence qu'on ajoute 16g du produit de l'exemple B juste avant l'opération de carbonatation. La proc~dure est la même que dans 1'exemple 1 à ceci près qu'on élimine les résidus par centrifugation.
Le produit recueilli est brun foncé et sa viscosité est de 30 Pa.s. Sa VA = 250 et ses teneurs en calcium et phosphore sont de 8,6% et 2,2% respectivement.
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-- : . - , ~' ' `"` ; 2~Q35 12 Ce phenate sulfurisé surbasé renfermant un composé
phosphosoufré est remarquablement stable en dilution dans l'huile apr~s plusieurs mois.
EXEMPL~ ~
On opère comme dans l'exemple 3 à ceci près qu'on ajoute 15g de diéthyldithiophosphate d'ammonium à g5% de pureté de JANSSEN CHEMICA à la place du produit de 1'exemple B.
on récupère un phénate sulfurisé surbasé de VA = 255 dont les teneurs en calcium et phosphore sont de 8,7% et 2,1%
respectivement. L'additif présente une bonne stabilité en dilution dans l'huile après plusieurs mois.
on opère comme dans l'exemple 2 à la différence qu'on ajoute 13g du produit de l'exemple B.
Le phénate sulfurisé surbasé recueilli à une VA = 250 et sa viscosité est de 70 Pa.s. Les teneurs en calcium et phosphore de l'additif sont de 8,1% et 2,1% respectivement. Le produit présente une bonne stabilité en dilution dans l'huile après plusieurs mois.
on opère comme dans l'exemple 3 a la différence qu'on introduit 25g de chaux ~teinte dans le mélange initial.
On récupère un ph~nate sulfurisé surbasé de VA = 280, dont les teneurs en calcium et phosphore sont de 9,7% et 2,1%
respectivement. L'additif a une viscosité de 200 Pa.s et sa stabilite en dilution dans l'huile est bonne.
on opère comme dans l'exemple 6 ~ la différence qu'on introduit 48,5g du produit de l'exemple F dans le melange initial.
On récupère un phénate sulfurisé surbasé de VA = 305 dont les teneurs en calcium et en phosphore sont de 10,6% et de 2%
respectivement. L'additif a une viscosité de 250 Pa.s et sa stabilité en dilution dans l'huile est bonne.
Les performances des nouveaux phénates surbasés renfermant un compos~ organique du phosphore sont examinees sur des essais en laboratoire de s~abilité, d'usure, de détergence et d'oxydation.
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Les matrices d'essai correspondent à des lubrifiants pour moteurs marins d'une part et pour moteur terrestre d'autre part.
Les produits sont tout d'abord testes en simple dilution.
Essai de stabilité (simple dilution) Les produits testés sont dilués ~ VA = 70 et à VA = 20 dans un mélange de bases lubrifiantes 600 Neutral Solvant/Bright Stock Solvant (20/80), les échantillons sont placés dans une étuve à 60~C et leur stabilité est observée après un mois.
Le tableau I montre que les nouveaux phénates surbasés renfermant un composé du phosphore sont parfaitement stables en dilution alors que ce n'est pas le cas pour les phénates surbasés classiques préparés par un procédé "basse température".
TA~LEAU I
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produit de l'exemple stabilite en dilution VA=70 VA=20 .. . ..
1 (comparatif) trouble-dépôt depôt 2 (comparatif) dépôt dépôt 2 ~ 03 ~
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SOCIETE NATIONALE ELF AQUITAINE
ALKALINE OR ALKALINE-BASE PHENATE BASE CONTAINING
PHOSPHORUS AND LUBRICATING COMPOSITIONS CONTAINING SAID
PHENATE
This invention relates to alkaline phenates or alkaline earth overbased, high alkaline value containing an organic derivative of phosphorus and their use in lubricant formulations.
Overbased phenates are salts of alkali metals or alkaline earth of phenols overbased by carbonation with carbon dioxide. The term overbased is used to designate the excess of alkali or alkaline earth metal by ratio ~ the stoichiometric amount needed to neutralize phenol.
The structure of overbased phenates is that of a dispersion colloidal whose micelles contain the metal carbonate alkaline or alkaline earth formed during carbonation.
The micelles are stabilized by alkaline phenates or alkaline earth which have a detergent effect.
These overbased phenates are particularly useful in lubricants used in internal combustion engines from "petrol" or "diesel" type, whether engines terrestrial or marine.
Thanks to their detergent and dispersing effect they prevent formation of lacquers and varnishes on the pistons, and keep soot from combustion dispersed fuel incomplete.
Another important function of these additives is the - -neutralization of the acid compounds resulting from the oxidation of oil or the combustion of sulfur products brought in by the fuel. This function is particularly appreciated when using sulfur-rich fuels like for example heavy fuels used in engines sailors.
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Overbased phenates further improve resistance to the oxidation of the oils in which they are incorporated. this property is more particularly marked in case use of sulfurized phenols. This function is particularly appreciated for lubricant formulations subject to severe thermal stresses, such as example in highly supercharged diesel engines. The sulfurized overbased phenates are in practice more used than their non-sulfurized counterparts.
Overbased phenates are characterized by their value alkaline (VA) expressed in mg of KOH per gram of product.
It is determined by titration ~ using a strong acid according to ASTM D-2 ~ 96. A reserve of alkalinity significant results in a high VA.
In the prior art, there are essentially two types of processes for the production of overbased phenates.
European patent applications 0300486 and 0259974 describe a high temperature process, around 160 ~ C and ~ a pressure higher than atmospheric pressure. This procedure does not allow to obtain overbased phenates of alkaline value ~ raised -provided that an alkysulfonate is associated with the alkylphenate during carbonation.
French patent 2,305,494 relates to a low process temperature, around 50C. In the absence of an alkyl sulfonate, the the alkaline value of the phenates alone never exceeds 240. In in addition, these products have the disadvantage of being unstable over time and have a high viscosity.
These processes therefore do not allow the synthesis of phenates has high alkaline value.
It is also known to use in lubricants mixtures of overbased phenates and phosphorous additives or phosphosoufr ~ s. These bring properties antiwear and antioxidant. The most commonly used are metal salts of dithiophosphoric acid and more especially the zinc salt of the acid dialkyldithiophosphoric.
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2 ~ 03 ~
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However, it turns out that negative interactions can exist between overbased phenates and organic derivatives phosphorus, and in particular the zinc salt of the acid dialkyldithiophosphoric. The competition, during adsorption on metal surfaces to be lubricated, between overbased phenates and zinc salts or reactions between these two additives in the volume of the lubricant can cause a significant decrease in properties antioxidant and anti-wear. We have now found that carbonating the phenates in the presence of a organic compound of phosphorus, there is incorporation of phosphorus in the micelle, which also contains the alkali or alkaline earth metal carbonate. So the negative interactions between overbased phenates and organic phosphorus derivatives are avoided. In a way surprisingly, the overbased phenates carbonated in the presence of organic phosphorus derivatives have value alkaline superior to that of the overbased phenates of art prior. At the same time their stability is better and their viscosity low enough so that no handling problem.
To our knowledge, the carbonation of an alkaline phenate or alkaline earth in the presence of an organic compound of phosphorus is not described in the prior art. Requirement British Patent No. 2197336 relates to the addition of catalytic amounts of a zinc dialkyldithiophosphate oil-soluble, to an alkaline phenate, but it is a use as a sulfurization catalyst, in a two-step process, including sulfurization of phenol then its carbonation. At the sulfurization temperature, between 145 and 165-C, the dialkyldithiophosphate breaks down into mercaptan and olefin, and in the carbonation stage the mixture no longer contains organic phosphorus.
The invention therefore relates to an alkaline phenate or alkaline earth overbased, obtained by carbonation of a mixture containing a phenolic compound, a derivative of a alkali or alkaline earth metal, chosen from oxides, hydroxides or alcoholates, a nitrogenous and / or oxygenated promoter, :. -. . . :. ... . --:. :. . .
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2 ~ 4 ~ 35 a hydrocarbon solvent and optionally a diluent oil and water characterized in that the mixture contains phosphorus in the form of an organic derivative.
The overbased phenates obtained according to the invention are present in the form of a clear and stable colloidal dispersion.
Their alkaline value (VA) is greater than or equal to 250. The prior art methods did not allow obtaining phenates at VA greater than 240. Values greater than $
been obtained only with mixtures of phenates and sulfonates.
The presence of the organic phosphorus derivative gives the overbased phenates according to the invention of the properties enhanced antioxidants as well as antiwear properties.
Among the organic phosphorus derivatives, preferably non-metallic compounds. These derivatives non-metallic organic phosphorus are selected from phosphites, phosphoramides, derivatives of acids phosphoric, thiophosphoric, dithiophosphoric, trithiophosphoriques, tetrathiophosphoriques and their salts organic.
More particularly, the phosphosulfur derivatives are used like thiophosphoric or dithiophosphoric acids and their organic salts and preferably the deriv ~ s of acids dithiophosphoriques and their organic salts.
Among the dithiophosphoric acid derivatives used in general dihydrocarbyldithio-phosphoric acids, general formula RO
P ~ (I) R'O '''' SH
where R and R 'identical or different represent chains linear or branched C1 to C20 alkyls, cycles aliphatic or aromatic.
Among these derivatives we can mention the acid diethyldithiophosphoric, diisopropyldi- acid thiophosphoric, dicyclohexyldithiophosphhoric acid or Dicrésyldithiophophorique acid.
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2 ~ 0 ~ 5 It is particularly advantageous to use the compounds of general formula (I) insoluble in oils. These compounds have antioxidant and antiwear properties surfactant effect. So they participate as co-surfactants stabilization of the micelles.
The overbased phenates obtained according to the invention contain 0.5% to 10 ~ weight and preferably 1 to 5% weight of phosphorus.
To obtain this final phosphorus concentration, the carbonate mixture must contain at least 3% phosphorus in the form of an organic derivative.
Dihydrocarbyldithiophosphoric acids of formula general (I) can be prepared by the action of phosphorus pentasulfide on an alcohol or phenol of formula yenérale R-OH or a mixture of alcohols or phenols of formula R-OH and R'-OH.
The molar ratio of phosphorus pentasulfide to alcohol or phenol must be at least 1 to 4. The reaction can be performed at a temperature between 40 and 200C, this ci depending on the type of alcohol or ph ~ nol chosen.
Acid preparation methods dial ~ yldithiophosphoriques are described in the patents American 3089850, 3101096, 3293181 and 3489682.
The phenolic compounds are generally alkylphenols, comprising one or more linear alkyl groups or branched in Cl to C30. To ensure solubility to phenates corresponding alkali or alkaline earth in oil dilution, the total number of carbons of the group (s) alkyls must be equal to or greater than eight.
Alkylphenols can be prepared by the reaction of a olefin or a mixture of olefins on phenol, in the presence of a catalyst at a temperature between 60 and 200-C.
The alkylphenols used can optionally be sulfurized by the action of elementary sulfur at temperatures ranging from 150 to 200-C., or by the action of a sulfur halide such as mono or sulfur dichloride.
The sulfuris product ~ contains 1 to 1.5 sulfur atoms per phenolic nucleus, but its structure is not known with precision.
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-. ~ -.- -2 ~ 3 ~
Among the alkali or alkaline earth metal derivatives are uses oxides, hydroxides or alcoholates. The rivals prefer ~ s so ~ t oxides and hydroxides.
These are added to the reaction medium in excess stoichiometric with respect to the phenolic compound. Excess stochiometric can vary between 5: 1 - and 30: 1.
The oxygenated promoter is generally an aliphatic alcohol or aromatic, an alkoxyalkanol, a glycol or even a alkanolamine. We preferably use alcohols aliphatic in C1 to C20 or mixtures thereof. Alcohols aliphatics can be used in admixture with glycols, alkoxyalkanols or alkanolamines.
The molar ratio of the oxygen ~ promoter to the phenolic compound e ~ t generally between 1 to 30.
The use of a nitrogenous promoter is optional. The nitrogen promoter is generally chosen from ammonia, ammonium salts, primary, secondary or tertiary in C2 to C10 and their salts, polyamines or alkanolamines as well as nitro mineral compounds.
Among the nitrogenous promoters, ammonia, carbonate and ammonium chloride, ethylenediamine, ethanolamine or diethanolamine, as well as nitrate of calcium.
The molar ratio of the nitrogen promoter to the phenolic compound is generally between 0.05 and 30.
Hydrocarbon solvent allows perfect homogenization different reagents as well as lowering the viscosity, which will later facilitate recovery solid carbonation residues. The solvent represents generally 10 ~ 70% by weight of the reaction mixture. The solvents used are aliphatic compounds or aromatics in C6 to C12. The preferred solvents are aromatic solvents, such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene and chlorinated aromatics. Their choice is dictated by the characteristics of the additive collected, by their boiling point and by the boiling point of azeotropes that they can form with oxygen compounds ~ s and water.
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20 ~ 03 ~
The manipulation of overbased phenates is facilitated by the addition of a diluting oil. The oil represents approximately 20 to 50% by weight of the additive obtained. This can be added to the reaction medium before carbonation or still after this, that is to say just before elimination solvents. The diluent oils used are of a nature paraffinic, type 100 or 150 Neutral Solvent or of a kind mostly naphthenic such as 100-150 Pale Solvent.
The carbonation reaction can be carried out after optional addition of water to the reaction medium. The bill of water is particularly beneficial when the derivative of alkali or alkaline earth metal is an oxide. Usually the amount of water added is such that the molar ratio water / metal oxide is around 5.
In more detail, the process for obtaining phenates consists at :
a, neutralize the phenolic compound, generally a alkylphenol or a sulfurized alkylphenol whose total number of carbon of the alkyl groups is ~ gal or greater than eight, by an alkali or alkaline earth metal derivative, in presence of a nitrogenous and / or oxygenated promoter and optionally a diluent oil, a hydrocarbon solvent and water, b, add an organic phosphorus derivative, preferably a non-metallic derivative and better a phosphosulfur derivative, then carbonate the mixture with carbon dioxide gas for a time sufficient to consume in part or in totality of excess of alkali or alkaline earth metal, c, remove solid residues and solvents.
A preferred implementation of the method consists in successively introduce into a reactor equipped with a agitator, temperature control, heating and evacuation:
- 0 to 700 parts by weight of ~ n hydrocarbon solvent, - 100 ~ 400 parts by weight of an alkylphenol or a pre-sulfurized alkylphenol, - an excess of alkali or alkaline earth metal derivative stoichiometric ~ e relative to phenol.
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; 2 ~ 03 ~
This stoichiometric excess is between 5: 1 and 30: 1, - an oxygenated promoter whose molar ratio to phenol is between l and 30, - optionally a nitrogenous promoter whose molar ratio phenol is between 0.05 and 30, - possibly a quantity of water such as the ratio molar water / alkali or alkaline earth metal oxide either around 0.5, - a diluting oil in quantity such as this represents 20 to 50 ~ by weight of the additive recovered at the end operations.
The phenolic compound neutralization reaction is performed at a temperature between about 30 and 120 ~ C
and preferably at a temperature between 50 and 100-C, for a period of approximately 0.5 to 4 hours.
After this neutralization, the reaction medium is added to the reaction medium.
organic phosphorus derivative. Phosphorus concentration of the reaction medium must be greater than or equal to 3%.
we then proceed to carbonate the excess alkali or alkaline earth metal stoichiometric at a temperature between room temperature and reflux temperature of the mixture and more particularly at a temperature between room temperature and 50-C and preferably at a temperature between 30-C and 45C.
The molar ratio of carbon dioxide introduced to excess alkali or alkaline earth metal stoechiom is between 0.6 and 1.2. The mixture is eventually stabilized by heating under vacuum or under a stream of nitrogen, so as to eliminate low point oxygenated promoters boiling water and the added water, as well as the water produced by the carbonation reaction. Solid residues are generally, by centrifugation and / or filtration at using diatomaceous earth.
If the diluent oil was not added before carbonation, it is then added before removing the solvent hydrocarbon and possibly alcohol. These last are removed by vacuum heating at temperatures of in the range of 10 to 200-C.
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, -The phenates on ~ asés, obtained according to the invention are of brown coloring and stable over time. Their viscosity is as they can be handled ~ room temperature. They contain 0.5 to 10% by weight and preferably l to 5% of phosphorus.
These overbased phenates are fully compatible with hydrocarbons. They are incorporated into lubricating oils of natural or synthetic origin at a concentration between about 0.5 and 40% by weight and preferably between 1 and 30% by weight.
The lubricant compositions thus obtained can contain other additives, with antiwear effect, dispersant, antioxidant and polymers improving the index of viscosity.
The examples below illustrate the invention without, however, limit it.
In the examples the basicity of the overbased phenates is characterized by their alkaline value (VA) expressed in mg KOH / g of product. The VA is determined by titration using of a strong acid according to standard ASTM D-2896.
Unless otherwise indicated, all percentages are in weight.
EXAMPLE A
Preparation of dimethyldithiophosphoric acid In a 1 1 reactor fitted with a stirring system, a temperature, refrigerant and system regulation introduction of reagents, coupl ~ ~ a system of neutralization of acid gases, we suspend in 600ml of car ~ one tetrachloride, 133.45g of pentasulfide phosphorus. The suspension is cooled to 3C and 153.6 g of methanol are added in 0.5 h, maintaining the temperature below 5-C. we then add in lh and in portions, an excess of about 30% of m ~ thanol over has the stoichiometry of the reaction. The mixture is then carries ~ reflux until it becomes perfectly clear.
The solution is cooled and filtered on a Millipore filter 0.22 ~ m, then the solvent evaporated.
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20 ~ 03 ~
EXEMPLB 1 (comparative) In a 250ml reactor fitted with a condenser, a temperature regulation and a bubbling device gas, we successively introduce:
- 90ml of xyl ~ ne - 49.5 g of the product of Example F
- 20, lg of slaked lime ~ 96% purity - 50ml of methanol - 2.55g of ammonia ~ 20%
The mixture is brought to reflux for 0.75 h before elimination water produced by the neutralization of dodecylphenol sulfurized. 50 ml of methanol are added before proceeding to the carbonation by excess carbon dioxide stoichiometric lime, at a temperature of 40-C. After carbonation is eliminated by heating under partial vacuum residual water and methanol before recovering the solid residues by filtration. 30g of oil are added diluent ~ 00 Neutral before removing the solvent.
We recover an overbased sulfurized phenate of brown color, VA = 240 and a viscosity of 48 Pa.s.
BXEMPLE 2 (comparative) In an assembly identical to that of Example 2, we successively introduced:
- 90ml of xylene - 43g of the product from Example F
- 12g of quicklime - 66ml of methanol - 2g of calcium nitrate We then proceed as in Example 2 and collect a overbased sulfurized phenate of VA = 245, with a viscosity of 115 Not.
We operate as in Example 1 ~ the difference we add 16g of the product of Example B just before the operation of carbonation. The procedure is the same as in Example 1 except that the residues are removed by centrifugation.
The product collected is dark brown and its viscosity is 30 Pa.s. Its VA = 250 and its calcium and phosphorus contents are 8.6% and 2.2% respectively.
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--:. -, ~ '' `"`; 2 ~ Q35 12 This overbased sulfurized phenate containing a compound phosphosulfur is remarkably stable when diluted in oil after several months.
EXAMPLE ~ ~
We operate as in Example 3 except that we add 15g of ammonium diethyldithiophosphate with g5% purity of JANSSEN CHEMICA in place of the product of Example B.
an overbased sulfurized phenate of VA = 255 is recovered, the calcium and phosphorus contents are 8.7% and 2.1%
respectively. The additive has good stability in dilution in oil after several months.
we operate as in example 2 with the difference that we add 13g of the product of example B.
The overbased sulfurized phenate collected at a VA = 250 and its viscosity is 70 Pa.s. Calcium and phosphorus contents of the additive are 8.1% and 2.1% respectively. The product has good stability when diluted in oil after several months.
we operate as in example 3 with the difference that introduces 25g of lime ~ tint into the initial mixture.
We recover an overbased sulfurized ph ~ nate of VA = 280, of which the calcium and phosphorus contents are 9.7% and 2.1%
respectively. The additive has a viscosity of 200 Pa.s and its stability when diluted in oil is good.
we operate as in example 6 ~ the difference we introduced 48.5 g of the product of Example F into the mixture initial.
An overbased sulfurized phenate of VA = 305 is recovered, the calcium and phosphorus contents are 10.6% and 2%
respectively. The additive has a viscosity of 250 Pa.s and its stability when diluted in oil is good.
The performance of new overbased phenates containing a organic compounds of phosphorus are tested on tests in the laboratory for reliability, wear, detergency and oxidation.
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. '' ~: ~: '' 13 ~ 4 ~ 3 ~
The test matrices correspond to lubricants for marine engines on the one hand and for land engines on the other go.
The products are firstly tested in simple dilution.
Stability test (simple dilution) The products tested are diluted ~ VA = 70 and at VA = 20 in a mixture of lubricating bases 600 Neutral Solvent / Bright Solvent stock (20/80), the samples are placed in a oven at 60 ~ C and their stability is observed after one month.
Table I shows that the new overbased phenates containing a phosphorus compound are perfectly stable diluted while this is not the case for phenates classic overbased prepared by a "low" process temperature".
TA ~ LEAU I
....
product of the example stability in dilution VA = 70 VA = 20 ... ..
1 (comparative) depot deposit 2 (comparison) deposit deposit
3) limpide limpide 3) limpid limpid
4) limpide limpide 4) crystal clear crystal clear
5) limpide limpide 5) crystal clear crystal clear
6) limpide limpide 6) crystal clear crystal clear
7) limpide limpide Essai d'usure ~ ou~ moteu~_marin) Les produits sont ensuite testés dans une formulation lubrifiante pour moteurs marins (huile cylindre). La basicite de l'huile est de 70mg KOH/g dont seulement 10mg KOH/g apport~s par le phénate sulfurisé surbasé renfermant un compos~ phosphor~.
Essai FALEX
L'essai est réalis~ dans les conditions suivantes :
- rodage : 5 minutes 80US 300 lbs ~normal load) - 3 heures d'essai sou~ gO0 lbs (normal load) Ces conditions sont proches de l'extrême pression.
' . ~. . . : -, - :
~ 20~403~ 14 Le tableau II montre une réduction significative de l'usure avec le phénate sulfuris~ surbasé renfermant un compos~
phosphosoufre.
TABLEAU II
Produit de l'exemple resultats FALEX
usure~dents) perte de poids 1 (comparatif) 32 29 . .
Essai d'usure (lubrifiant pour moteur diesel terrestre) Les formulations lubrifiantes pour moteur diesel terrestre renferment 2,8% de phénate surbasé et 1,5% de phosphore. Ce phosphore est apporte d'une part par le compos~
phosphosoufre, d'autre part par le dialkyldithiophosphate de zinc (DTPZ) Essai FALEX
L'essai est réalisé dans les condition suivantes :
- rodage = 5 minutes sous 200 lbs (normal load) - 3 heures d'essai sous 540 lbs (normal load) Le tableau III montre qu'il y a une réduction significative de l'usure.
TA~LEAU III
Produit de l'exemple résultats FALEX
usure(dents) perte de poids (mg) 1 (comparatif) 32 38 6 14 7,4 ~,.
, , . .
. : . : ---, . - :
. - .. . . . . .
: 7) crystal clear crystal clear Wear test ~ or ~ motor ~ _ marine) The products are then tested in a formulation lubricant for marine engines (cylinder oil). Basicity oil is 70mg KOH / g of which only 10mg KOH / g contribution ~ s by overbased sulfurized phenate containing a compos ~ phosphor ~.
FALEX trial The test is carried out under the following conditions:
- running-in: 5 minutes 80US 300 lbs ~ normal load) - 3 hours test sou ~ gO0 lbs (normal load) These conditions are close to extreme pressure.
'' . ~. . . : -, -:
~ 20 ~ 403 ~ 14 Table II shows a significant reduction in wear with the sulfuris phenate ~ overbased containing a compound ~
phosphosulfur.
TABLE II
Product of the example FALEX results wear ~ teeth) weight loss 1 (comparative) 32 29 . .
Wear test (lubricant for land diesel engine) Lubricant formulations for land diesel engine contain 2.8% overbased phenate and 1.5% phosphorus. This phosphorus is brought on the one hand by the compound ~
phosphosulfur, on the other hand by the dialkyldithiophosphate of zinc (DTPZ) FALEX trial The test is carried out under the following conditions:
- running in = 5 minutes under 200 lbs (normal load) - 3 hours of test under 540 lbs (normal load) Table III shows that there is a significant reduction of wear.
TA ~ LEAU III
Product of the FALEX results example wear (teeth) weight loss (mg) 1 (comparative) 32 38 6 14 7.4 ~ ,.
, , . .
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. - ... . . . .
:
Claims (16)
phénolique, un dérivé d'un métal alcalin ou alcalinoterreux, choisi parmi les oxydes, hydroxydes ou alcoolates, un promoteur azoté et/ou oxygéné, un solvant hydrocarboné et éventuellement une huile diluante et de l'eau caractérise en ce que le mélange renferme du phosphore sous forme de dérivé organique. 1 - Overbased alkaline or alkaline earth phenate, obtained by carbonation of a mixture containing a compound phenolic, an alkali metal derivative or alkaline earth, chosen from oxides, hydroxides or alcoholates, a nitrogenous and / or oxygenated promoter, a solvent hydrocarbon and possibly a diluent oil and water characterized in that the mixture contains phosphorus in the form of an organic derivative.
phosphosoufré comme l'acide thiophosphorique, dithiophosphorique, trithiophosphorique ou tétrathiophosphorique et leurs sels organiques. 4 - Phenate according to claim 3 characterized in that the non-metallic drift of the posphore is a derivative phosphosulfurized like thiophosphoric acid, dithiophosphoric, trithiophosphoric or tetrathiophosphorique and their organic salts.
en ce qu'il a une valeur alcaline d'au moins 250 et renferme 0,5 à 10% poids et de préférence 1 à 5% poids de phosphore. 7 - Phenate according to one of claims 1 to 6 characterized in that it has an alkaline value of at least 250 and contains 0.5 to 10% by weight and preferably 1 to 5% by weight phosphorus.
en ce que le composé phénolique est un alkylphénol comportant un ou plusieurs groupes alkyles linéaires ou ramifiés en C1 à C30, le nombre total de carbone du ou des groupes alkyles étant égal ou supérieur à huit. 8 - Phenate according to one of claims 1 to 7 characterized in that the phenolic compound is an alkylphenol comprising one or more linear alkyl groups or branched in C1 to C30, the total number of carbon of the or alkyl groups being equal to or greater than eight.
en ce que le dérivé du métal alcalin ou alcalinoterreux est un oxyde ou hydroxyde. 10- Phenate according to one of claims 1 to 9 characterized in that the derivative of alkali or alkaline earth metal is an oxide or hydroxide.
poids d'un phénate selon les revendications 1 à 14. 15- Lubricating composition characterized in that it contains a lubricating oil of natural origin or synthetic and 0.5 to 40% by weight and preferably 1 to 10%
weight of a phenate according to claims 1 to 14.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
CA 2044035 CA2044035A1 (en) | 1991-06-06 | 1991-06-06 | Phosphorus-containing alcaline or alcaline-earth phenate with excess base, and lubricant compositions holding said phenate |
Applications Claiming Priority (1)
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CA 2044035 CA2044035A1 (en) | 1991-06-06 | 1991-06-06 | Phosphorus-containing alcaline or alcaline-earth phenate with excess base, and lubricant compositions holding said phenate |
Publications (1)
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---|---|---|---|
FZDE | Dead |