CN103415605A - 高粘度润滑剂组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了润滑剂组合物，其包含(a)低粘度PAO；(b)酯；(c)III类矿物基础油；(d)高粘度PAO；(e)烯烃共聚物；(f)赋予SAE J2360性能的添加剂包；(g)倾点下降剂以及任选地，(h)消泡剂；其中该润滑剂组合物为具有75W-110的SAE粘度分级且满足API Category GL-5性能要求的稠化级润滑剂。

Description

高粘度润滑剂组合物
发明领域
本发明涉及可以用于许多应用，特别是就在汽车和机械工业中的齿轮、变速器和/或轴应用而言的润滑剂组合物。
发明背景
润滑剂组合物以及尤其是齿轮和轴润滑液的重要功能是对装配它的设备的使用寿命提供高度可靠性和耐久性。一般而言，润滑油以及尤其是齿轮和轴用润滑剂为了在商业上成功通常必须满足较多的性能标准。例如，通常要求商业上成功的轴用润滑剂具有高度的氧化稳定性、相容性、剪切稳定性、防腐性或耐蚀性、磨耗保护、可替换性(shiftability)和长的换油期(extended drain)。除此以外，希望高粘度润滑剂组合物满足低温性能要求。这些性能代表一组难以实现的性能标准。
齿轮润滑剂组合物被the American Petroleum Institute(“API”)使用“GL”评级分类。这些分类被细分成六类。最低评级，API GL-1对用于轻型条件的油分类，该油由基础油构成且不含添加剂。最高评级，API GL-6对用于非常重型条件，如高速滑移和显著冲击负载的油分类，该油含有至多10%高性能抗磨添加剂。然而，不再使用API GL-6等级，因为认为APIGL-5等级将满足大多数苛刻要求。满足API GL-5性能要求的润滑剂组合物通常用于例如轴显著平移的准双曲面齿轮中。
润滑组合物的粘度-温度相互关系是在对特定应用选择润滑剂时要考虑的另一重要标准。常用作单一和多级润滑剂的基本组分的矿物油呈现粘度随温度变化而较大地变化。呈现粘度随温度较大变化的流体具有低粘度指数。The Society of Automotive Engineers(“SAE”)出版物SAE J306描述了轴和齿轮润滑剂组合物的粘度规格。该分类基于在高温和低温下测量的润滑剂粘度。高温运动粘度值根据ASTM D445测定，结果以厘沲(cSt)记录。低温粘度值根据ASTM D 2983测定，结果以厘泊(cP)记录。这两种粘度单位按如下在方程1中关联：
(cP/(密度，g/cm3))=cSt    (方程1)
下表1总结了对轴和齿轮润滑剂组合物规格的高温和低温要求。
表1
这些SAE标准意欲由设备制造商用于限定和推荐汽车齿轮、轴和手动变速器润滑剂，由售油商用于标记该类润滑剂的粘度以及由用户用于遵循他们自己的手册推荐。
润滑剂组合物的粘度可以以两种方式定义：(1)基于其运动粘度；或(2)基于其表观(Brookfield)粘度。运动粘度定义为润滑剂组合物由于重力原因而对流动和剪切的抵抗性。表观粘度涉及润滑剂组合物由于内摩擦而对流动和剪切的抵抗性。
高温粘度与该流体的流体动力润滑特性相关。一些润滑剂组合物可以含有已知为粘度改性剂或粘度指数改进剂的高分子量聚合物，它们用于提高流体的粘度。然而，这些聚合物在使用过程中可能剪切成更低分子量，从而得到比该新流体具有更低粘度的流体。低温粘度要求与该流体在低环境温度条件下流动并对关键部件提供足够润滑的能力相关。
满足SAE粘度等级75W-110的润滑组合物是已知的。例如，EP 1191090公开了包含(a)约40-70重量%矿物油，(b)约2-20重量%乙烯基芳烃-二烯共聚物、烯烃共聚物及其混合物，(c)约2-20重量%高粘度聚α-烯烃，以及(d)约3-20重量%齿轮添加剂包的润滑组合物。
然而申请人认识到尽管已经生产了大量在使用该类润滑剂组合物时具有各种所需性能的润滑剂组合物，仍需要包含API III类矿物基础油的润滑剂组合物，所述基础油提供满足低温性能要求的改进高粘度润滑剂组合物。当要求齿轮油的可接受性能时，还高度希望该类润滑剂组合物应低成本且容易生产。因此，本领域需要一种满足这些工业标准且进一步提供可以容易地生产的成本有效替代物的润滑剂组合物，尤其是分类为满足GL-5性能要求的SAE 75W-110且在-40℃下表观粘度小于约150,000cP的润滑剂组合物。
发明概述
申请人已经开发了改进的润滑剂组合物，并且在许多实施方案中开发了满足上述标准的较高程度性能的润滑剂组合物。本文所用术语“润滑剂组合物”以其最宽意义使用以包括用于涉及部件的金属/金属接触的应用中的流体组合物，其中该流体的至少一种功能是抑制或降低部件之间的摩擦。因此，本文所用术语“润滑剂组合物”包括齿轮油、轴用油等。
在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物包含(a)基础油料；(b)粘度改进剂；(c)至少一种添加剂包；(d)至少一种倾点下降剂；以及任选地，(e)至少一种消泡剂。某些本发明的润滑剂组合物包含(a)包含如下组分的基础油料：(i)至少一种较低粘度聚α-烯烃(“PAO”)，(ii)至少一种酯和(iii)至少一种API III类矿物基础油；(b)包含如下组分的粘度改进剂：(i)至少一种较高粘度PAO和(ii)至少一种烯烃共聚物；(c)性能添加剂包，其包含至少一种有效改进润滑剂的至少一种性能和/或其中要使用该润滑剂的设备的性能的添加剂；(d)至少一种倾点下降剂；以及任选地，(e)至少一种消泡剂。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物是在不大于约-40℃的最大温度下表观粘度为150,000cP且在100℃下运动粘度不小于约18.5cSt，满足API GL-5性能要求并且在-40℃下表观粘度小于150,000cP的稠化级润滑剂。
申请人发现具有75W-110的SAE粘度分类且满足的本发明润滑剂组合物的一些实施方案包含：
(a)约1-46重量%低粘度PAO；
(b)约5-30重量%酯；
(c)约1-23重量%III类矿物基础油；
(d)约10-30重量%高粘度PAO；
(e)约1-25重量%烯烃共聚物；
(f)约5-12重量%添加剂包；
(g)约0.1-2重量%倾点下降剂，以及任选地，
(h)约0.001-0.004重量%消泡剂。
申请人发现本发明的一些SAE 75W-110润滑剂组合物满足API GL-5性能要求且提供了就一个或多个，优选所有下列有利性能而言在环形齿轮和小齿轮中呈现改进的低温性能的成本有效润滑剂组合物：隆脊、波动、凹痕、裂开、划痕和磨耗。
优选实施方案的详细说明
本发明在一个方面涉及润滑剂组合物，其包含(a)基础油料；(b)粘度改进剂；(c)至少一种添加剂；(d)至少一种倾点下降剂；以及任选地，(e)至少一种消泡剂。在一些实施方案中该润滑剂组合物为在不超过约-40℃的最大温度下表观粘度为150,000cP且在100℃下运动粘度不小于约18.5cSt的稠化级润滑剂，满足API GL-5性能要求并且在-40℃下表观粘度小于150,000cP。在一些实施方案中，本发明的基础油料包含(i)低粘度PAO；(ii)至少一种酯；和(iii)至少一种III类矿物基础油。在一些实施方案中，本发明的粘度改进剂包含(i)至少一种较高粘度PAO；以及(ii)至少一种烯烃共聚物。在一些实施方案中，该性能添加剂包包含至少一种有效改进其中要使用该润滑剂的设备的至少一种性能的添加剂。本发明还提供了制造和使用完全配制的润滑剂—包括完全配制的重荷轴流体的方法以及含有该油的轴、齿轮、变速器或驱动系统。
通常认为本发明的这些组分可以以宽泛变化量存在于组合物中，这取决于各应用的特定需要，并且所有该类变化被认为在本发明的宽范围内。申请人发现某些本发明的润滑剂组合物在用于环形齿轮和小齿轮时就一个或多个，优选所有下列方面而言呈现和/或产生有利性能：隆脊、波动、凹痕、裂开、划痕和磨耗。
本发明的PAO包括一类可以通过催化低聚(聚合至低分子量程序)通常在1-辛烯到1-十二碳烯范围内的线性α-烯烃而制造的烃，其中1-癸烯为优选物质，但也可以使用低级烯烃如乙烯和丙烯的聚合物，包括乙烯与高级烯烃的共聚物。许多特殊化合物或化合物组合通常可以用于与本文所述各组分有关的应用。
在一些实施方案中，本发明的基础油料包含至少一种较低粘度PAO、至少一种二酯和至少一种API III类矿物基础油。对于本发明的低粘度PAO，在一些实施方案中该低粘度PAO包括在100℃下粘度为约4cSt的聚α-烯烃。在一个实施方案中，本发明的低粘度PAO包括PAO-4。该类低粘度PAO的其他实例应为本领域普通技术人员所明了。对于本发明的酯，在一些实施方案中该酯包括二酯，优选己二酸二异癸基酯，更优选CognisSynative 2970。在另一些实施方案中，该二酯包括己二酸癸基酯，甚至更具体的是选自己二酸二异癸基酯、壬二酸二异癸基酯和己二酸二-十三烷基酯的一种或多种己二酸酯。在另一些实施方案中，该二酯可以被类似多元醇酯替代，后者优选选自三羟甲基丙烷三油酸酯、1,2-丙二醇二油酸酯、新戊二醇二油酸酯的衍生物及其混合物。对于本发明的API III类矿物基础油，API已经将III类基础油分类为包含小于或等于0.03重量%硫、大于或等于90体积%饱和烃且粘度指数大于120。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物以约1-46重量%，优选约12-23重量%的量包含低粘度PAO。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物以约5-30重量%，优选约7.5-20重量%的量包含二酯。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物以约1-23重量%，优选12-23重量%的量包含III类矿物基础油。在一些实施方案中，该酯可以被低粘度PAO和API III类矿物基础油的组合替代。
在一些实施方案中，本发明的粘度改进剂包括至少一种较高粘度PAO和至少一种烯烃共聚物。对于本发明的高粘度PAO，在一些实施方案中高粘度PAO包括粘度不小于约40cSt，优选约40cSt至约1000cSt的聚α-烯烃。在一个实施方案中，本发明的高粘度PAO包括ExxonMobil或ChemturaPAO-100。该类高粘度PAO的其他实例应为本领域普通技术人员所明了。对于本发明烯烃共聚物，在一些实施方案中该烯烃共聚物具有约8,000(MW)至约24,000(MW)的分子量范围。烯烃共聚物是包含乙烯和一种或多种式H2C=CHR的α-烯烃的乙烯-α-烯烃共聚物，其中R为具有1-10个碳原子的烃基。形成共聚物的单体任选可以包括共轭多烯。优选的α-烯烃包括丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、3-甲基戊烯、1-庚烯、1-辛烯和1-癸烯。任选的非共轭多烯包括脂族二烯如1,4-己二烯、1,5-己二烯、1,4-戊二烯、2-甲基-1,4-戊二烯、3-甲基-1,4-己二烯、1,9-癸二烯，以及外-和内-二聚环戊二烯；外-和内-链烯基降冰片烯如5-甲基-6-丙烯基降冰片烯；亚烷基降冰片烯如5-亚甲基、5-亚乙基和5-异亚丙基-2-降冰片烯，乙烯基降冰片烯和环己基降冰片烯；烷基降冰片二烯如甲基-、乙基-和丙基降冰片二烯；以及环二烯如1,5-环辛二烯和1,4-环辛二烯。该类烯烃共聚物的其他实例应为本领域普通技术人员所明了。尽管认为该类组分可以存在宽范围的相对浓度，本发明的润滑剂组合物通常以约10-30重量%，优选约15-25重量%的量包含高粘度PAO。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物以约1-25重量%，优选约10-20重量的量包含烯烃共聚物。
在一些实施方案中，本发明的性能添加剂包包含至少一种有效改进润滑剂的至少一种性能和/或其中要使用该润滑剂的设备的性能的添加剂。在一些实施方案中，该性能添加剂包括至少一种基于硫化学的添加剂和至少一种基于磷化学的添加剂。典型的添加剂包通常含有分散剂、抗氧化剂、缓蚀剂、抗磨剂、防锈剂和耐特压剂中的一种或多种。在一些实施方案中，该添加剂包通常含有一种或多种选自分散剂、缓蚀剂、耐特压添加剂、抗磨添加剂、抑锈剂、抗氧化剂、除臭剂、消泡剂、破乳剂、染料、摩擦改性剂和荧光着色剂的添加剂。该添加剂包可以但不一定为完全配制的添加剂包，如满足API GL-5和/或SAE J2360性能要求的包。该齿轮添加剂包中存在的组分类型和量取决于该产品的意欲最终用途。在一个实施方案中，该添加剂包包含Lubrizol Ang 6004和/或
Figure BDA00003783476200061
385。该类添加剂的其他实例应为本领域普通技术人员所明了。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物以约5-10重量%，优选7.5-9重量%的量包含性能添加剂。
在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物包含被设计成在该润滑剂组合物中防止蜡晶体在降低的温度下聚集或熔凝在一起的倾点下降剂。在一些实施方案中，该倾点下降剂包括
Figure BDA00003783476200071
5739和/或
Figure BDA00003783476200072
5738。该类倾点下降剂的其他实例应为本领域普通技术人员所明了。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物以约0.1-2.0重量%，优选约0.1-1.0重量%的量包含倾点下降剂。
在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物任选包含消泡剂。在一些实施方案中，该消泡剂包括聚硅氧烷和各种有机化合物。在一些其他实施方案中，该消泡剂包括较低分子量二甲基硅氧烷。在一个实施方案中，该消泡剂包括Dow Corning DC-200/300—60,000cSt。该类消泡剂的其他实例应为本领域普通技术人员所明了。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物以约0.001-0.004重量%的量包含消泡剂。
本发明的润滑剂组合物可以通过将各组分在约35℃至约95℃，优选约65℃至约85℃的温度下一起混合而制备。将基础油料、粘度改进剂和添加剂放入合适的金属或玻璃容器中。提供机械搅动以促进混合。使用足够的混合时间以确保存在均相产品。借助本公开，制造本发明的润滑剂组合物的方法应为普通技术人员所已知和理解。本领域普通技术人员应理解该制备方法并不限于本发明且一种或多种组分可以按照本文的教导或本领域已知的教导变更。
本发明的润滑剂组合物优选满足低温和高温等级润滑剂二者的要求，并且在一些实施方案中为稠化级润滑剂。某些本发明的润滑剂组合物被分类为SAE 75W-110润滑剂且满足SAE 75W的低温要求和SAE 110的高温要求。在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物被分类为SAE 75W-140润滑剂且满足SAE 140的高温要求。被分类为SAE 75W的润滑剂组合物在-40℃下具有约150,000cP的粘度。被分类为SAE 110的润滑剂组合物是在100℃下的运动粘度为至少约18.5cSt且小于约24.0cSt的那些。被分类为SAE 140的润滑剂组合物是在100℃下的运动粘度为至少约24.0cSt且小于约32.5cSt的那些。在优选实施方案中，本发明的润滑剂组合物在-40℃下的表观粘度小于约150,000cP。
在一些实施方案中，本发明的润滑剂组合物满足API Category GL-5性能要求且在一些其他实施方案中满足SAE J2360性能标准。某些本发明的润滑剂组合物用于齿轮。在一些实施方案中，润滑剂组合物用于装备有准双曲面齿轮的汽车轴中的齿轮，其在高速/冲击负荷和低速/高扭矩条件的各种组合下操作。某些本发明的润滑剂组合物满足下列测试和验收标准所示的API Category GL-5性能要求：(1)L-42的标准版；(2)L-42的加拿大版；(3)测试方法ASTM D 6121的标准版；(4)测试方法ASTM D 6121的加拿大版；(5)测试方法ASTM D 7038或L-33；(6)测试方法ASTM D 5704或L-60；(7)测试方法ASTM D 892；以及(8)测试方法ASTM D 130。
基于前文，本发明润滑剂组合物的一个实施方案包含(a)低粘度PAO；(b)酯；(c)III类矿物基础油；(d)高粘度PAO；(e)烯烃共聚物；(f)赋予SAE J2360性能的添加剂包；(g)倾点下降剂；以及任选地，(h)消泡剂；其中该润滑剂组合物为具有75W-110的SAE粘度分类的稠化级润滑剂且满足API Category GL-5性能要求。申请人发现在一些实施方案中本发明的润滑剂组合物包含：
(a)约1-46重量%低粘度PAO；
(b)约5-30重量%酯；
(c)约1-23重量%III类矿物基础油；
(d)约10-30重量%高粘度PAO；
(e)约1-25重量%烯烃共聚物；
(f)约5-10重量%添加剂包；
(g)约0.1-2.0重量%倾点下降剂；以及任选地，
(h)约0.001-0.004重量%消泡剂。
在一些其他实施方案中，本发明的润滑剂组合物包含：
(a)约12-23重量%低粘度PAO；
(b)约7.5-20重量%二酯；
(c)约12-23重量%III类矿物基础油；
(d)约15-25重量%高粘度PAO；
(e)约10-20重量%烯烃共聚物；
(f)约7.5-9重量%添加剂包；
(g)约0.1-1.0重量%倾点下降剂；以及任选地，
(h)约0.001-0.004重量%消泡剂。
本发明不一定限于前述内容。本领域普通技术人员应理解的是该实施方案不限于本发明，而且一种或多种组分可以按照本文的教导或本领域已知的教导变更。
实施例
提供下列实施例来说明本发明，但不限制其范围。
通过将下表2中所示组分混合在一起而制备实施例润滑剂组合物1。
表2
Figure BDA00003783476200091
对比润滑剂组合物示于下表中。
表3
Figure BDA00003783476200092
由Brookfield粘度计测量的润滑剂的低温粘度性能：ASTM D 2983
该测试的目的是直接测量表观粘度。将油质流体样品预热，允许在室温下稳定，然后倾入玻璃槽中达到预定深度，通过特殊塞子插入绝缘或未绝缘锭子并由夹钳悬垂。将所含样品冷却至预定温度并保持16小时，由Brookfield粘度计分析并且取决于所用粘度计由该粘度计直接读取该测试液的粘度或者使用所得扭矩读数来计算该油在所选温度下的粘度。在-26℃和-40℃下Brookfield粘度计测试的结果记录在下表4中。
润滑剂的运动粘度性能：ASTM D445
该测试的目的是测量运动粘度。在可再现驱动头(reproducible drivinghead)下并在精密控制且已知的温度下测量固定体积的流体在重力下流过已校准粘度计的毛细管的时间。运动粘度为所测流动时间和该粘度计校准常数的乘积。进行两个该类测定以计算运动粘度结果，其为两个可接受的测定值的平均。在100℃、40℃和-40℃下18小时之后的运动粘度测试结果记录于下表4中。在表4中还记录了各测试润滑剂组合物的粘度指数，其根据ASTM D 2270由在40℃和100℃下得到的运动粘度值计算。
表4
Figure BDA00003783476200101
由上表4可见，本发明的润滑剂组合物为满足低温性能要求的高粘度润滑剂组合物。具体而言，本发明的润滑剂组合物在100℃下实现了23.26cSt的运动粘度(粘度等级SAE 110)，同时还在-40℃下18小时之后显示146,169cSt的运动粘度。

Claims (9)

1.一种用于涉及移动部件的金属/金属接触的装置中的润滑剂组合物，包含：
(a)基础油料，其包含：
(i)至少一种较低粘度聚α-烯烃，
(ii)至少一种酯，和
(iii)至少一种API III类矿物基础油；
(b)粘度改进剂，其包含
(i)至少一种较高粘度聚α-烯烃，和
(ii)至少一种烯烃共聚物；
(c)包含至少一种有效改进所述润滑剂的至少一种性能和/或其中要使用所述润滑剂的设备的性能的添加剂的性能添加剂；
(d)至少一种倾点下降剂；以及任选地，
(e)至少一种消泡剂；
其中所述润滑剂组合物满足the American Petroleum Institute’s GL-5和SAE J2360性能分级要求以及在-40℃下具有小于约150,000cP的粘度、在-40℃下具有小于约150,000cSt的运动粘度且在100℃下具有至少约18.5cSt的运动粘度。
2.根据权利要求1的润滑剂组合物，其中所述二酯占所述润滑剂组合物中存在的所述基础油料的至少约53.5重量%。
3.根据权利要求1的润滑剂组合物，其中所述基础油料包含至少一种在100℃下粘度为约4cSt的聚α-烯烃。
4.根据权利要求1的润滑剂组合物，其中所述粘度改进剂包含在100℃下粘度为约100cSt的聚α-烯烃。
5.根据权利要求1的润滑剂组合物，其中所述烯烃共聚物具有的分子量为约8,000MW至约24,000MW。
6.一种用于涉及移动部件的金属/金属接触的装置中的润滑剂组合物，包含：
(a)约1-46重量%低粘度聚α-烯烃；
(b)约5-30重量%酯；
(c)约1-23重量%III类矿物基础油；
(d)约10-30重量%高粘度聚α-烯烃；
(e)约1-25重量%烯烃共聚物；
(f)约5-10重量%添加剂包；
(g)约0.1-2重量%倾点下降剂；以及任选地，
(h)约0.001-0.004重量%消泡剂；
其中所述润滑剂组合物满足the American Petroleum Institute’s GL-5和SAE J2360性能分级要求以及在-40℃下具有小于约150,000cP的粘度、在-40℃下具有小于约150,000cSt的运动粘度且在100℃下具有至少约18.5cSt的运动粘度。
7.根据权利要求6的润滑剂组合物，其中所述基础油料包含至少一种在100℃下粘度为约4cSt的聚α-烯烃。
8.根据权利要求6的润滑剂组合物，其中所述粘度改进剂包含在100℃下粘度为约100cSt的聚α-烯烃。
9.根据权利要求6的润滑剂组合物，其中所述润滑剂组合物包含：
(a)约12-23重量%低粘度聚α-烯烃；
(b)约7.5-20重量%酯；
(c)约12-23重量%III类矿物基础油；
(d)约15-25重量%高粘度聚α-烯烃；
(e)约10-20重量%烯烃共聚物；
(f)约7.5-9重量%添加剂包；
(g)约0.1-1重量%倾点下降剂；以及任选地，
(h)约0.001-0.004重量%消泡剂。
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