CN1074451C - 液压油及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

基于天然脂肪酸酯的液压油。所述液压油的基本原料选自下列妥尔油酯或其混合物：新戊烷的多羟基化合物酯，如：三羟甲基丙烷酯(TMP酯)、季戊四醇酯、三羟甲基乙烷酯、三羟甲基丁烷酯、新戊二醇酯和聚(乙二醇)酯，并且，该液压油至少还包含氧化抑制剂、腐蚀抑制剂、防沫剂和极压润滑剂。

Description

液压油及其制备方法
本发明涉及根据附后的权利要求1前序部分的液压油。本发明也涉及制备液压油的方法。
液压油是指在各种系统中用于传递动力或用于承受负荷的液体。液压油广泛用于静止和运动的机器设备，如，作直线运动的气缸或作旋转运动的液压发动机。
除了传递动力之外，液压油还有润滑所述系统组件中移动部件及冷却所述系统的作用。
液压油必须满足下列要求：
1．不同温度下，适宜的粘度；
2．充分的耐压性；
3．不起泡性；
4．抗氧化性；
5．防腐蚀性；
6．惰性。
除这些性质之外，近年来，具有生物降解能力变得更加重要，对用于室外运行的工作机械的液压油而言，更是如此。
芬兰专利第95367号介绍了一种用植物油制备合成酯的方法。该说明书介绍了从菜子油的脂肪酸的低级烷基酯混合物(通过植物油与低级链烷醇的酯基转移反应得到)开始，通过酯基转移作用制备的菜子油的三羟甲基丙烷酯的方法。该说明书也涉及制备妥尔油的甲酯的方法。但它不是通过酯基转移作用生成的，而且没有进一步介绍所述甲酯的加工工艺或利用。
本发明的目的是介绍一种液压油，它的原料是一种易于得到工业副产品，而且，这种液压油可生物降解。本发明的目的也包括介绍制备这种液压油的一种不需很多反应步骤的简单的方法。为了达到这些目的，本发明的液压油的基本特征将在附带的权利要求1中的特征部分被介绍。液压油的基本原料是一种妥尔油酯，它选自于下列物质或它们的混合物：
新戊烷的多羟基化合物的酯，如：
-    三羟甲基丙烷酯(TMP酯)，
-    季戊四醇酯，
-    三羟甲基乙烷酯，
-    三羟甲基丁烷酯，
-    新戊二醇酯和聚(乙二醇)酯。
已发现，含有至少五个碳原子的二元或多元醇与妥尔油的酯化作用生成一种液压油，该液压油的粘度处于合适范围内，并且在加入某些添加剂后，它也具有作为液压油的惊人的优异性质。此外，可以通过加入少量某种妥尔油的低级酯，尤其是用妥尔油的乙二醇酯来控制该液压油的粘度性质。低级酯是指，与至多为二元(二羟基)的，并且具有比以上所列的多元醇更少碳原子的醇，或者是单元醇，在它的碳链上具有更多的碳原子的醇得到的酯。这种酯必然具有比以上所列的多元醇酯更低的粘度。
接下来，将详细介绍本发明的原料和组成。
妥尔油是一种纤维的硫酸盐蒸煮(硫酸盐制浆)产生的副产品，它通过蒸馏用酸中和过的皂盐得到，所述皂盐是当树脂和脂肪酸被皂化后生成的。就已知的方式而言，妥尔油由脂肪酸、树脂酸和不皂化的组分构成，其比例，如不同脂肪酸的含量，随树的品种(tree species)和蒸馏工艺的不同而变化。典型的组成包括20-40％的树脂酸、50-75％的脂肪酸和3-15％的不皂化组分。在实施中采用高含量的脂肪酸。这类妥尔油的脂肪酸典型构成大多为油酸和亚油酸(总含量超过3/4)，其余的是棕榈酸和硬脂酸。
在适当的高温下，在直接的酯化反应中，用上述任何一种由至少有四个碳原子构成的多元醇来酯化妥尔油。所述二元或多元醇可以是上述含有至少五个碳原子的新戊烷的多羟基化合物(三羟甲基丙烷，三羟甲基乙烷，三羟甲基丁烷，一般说来，即三羟甲基烷烃，及季戊四醇或新戊二醇)的任何一种，或在碳架中至少有四个碳原子的乙二醇的缩聚物(二聚体)即聚(乙二醇)(PEG)。
下面是用示意形式表达的新戊烷的多羟基化合物与妥尔油酸的一些酯化反应。式中，T代表妥尔油酸的不同的碳架。三羟甲基丙烷三羟甲基乙烷类似新戊二醇类似季戊四醇
已观察到上述酯，尤其是新戊烷的多羟基化合物酯，表现出很好的水分离性，即，在某种意义上说，它们“排斥”水。在液压油的应用上这一点是很有用的，因为常常会涉及到水分散到油中的问题。下列为制作液压油的一些典型的基本试剂。所用的多元醇        粘度         粘度等级
             (mPas/25℃)     (ISOVG)季戊四醇             120            68PEG                  50             32PEG                  97             46三羟甲基丙烷         100            46
可以通过聚乙二醇(PEG)的链长度来调节粘度，也可以通过使用含有不同长度的链的混合物来调节。当使用聚(乙二醇)时，也许有必要加入某种破乳剂，因为PEG具有形成油包水型乳液的趋势。
将上述的酯以适当的比例混和，必定会影响到液压油的性质。进一步说来，将上述基本原料与妥尔油酸的低级酯(妥尔油乙二醇酯或妥尔油酯类与一元醇)相混和可以降低粘度。然而，酯量的大部分(超过50％(重量))往往是上面列出的某些(高级)酯。
下表显示用作某液压油基本原料的典型妥尔油酯的分析结果。
表1．妥尔油TMP酯，粘度等级为ISO VG46分析：                     分析方法：酸值           1            ASTM D 803-82(mg KOH/g)                 (1987年)颜色(Gardner)  5           ASTM D 1544-80粘度/40℃      48          Brookfield,spindle 21,(mPas)                     速度100粘度/100℃    10           Brookfield,spindle 21,(mPa s)                    速度100密度(kg/dm3) 0.932        SCAN-T 2:65粘度指数      194皂化值        182          ASTM D 803-82(mg KOH/g)碘值          135          ASTM D 1959-85(cgI2/g)浊点(℃)      -34          ASTM D 2500
将后面列出的1～5种添加剂加入该TMP酯中，所得的粘度值40℃时，为50.5；100℃时，为9.8，所得的粘度指数为185。下表为另一种基本原料的分析结果。
表2．与少量妥尔油乙二醇酯混合的妥尔油TMP酯，粘度等级为ISOVG46分析酸值(mg KOH/g)           13.2颜色(Gardner)            8.5粘度/40℃                40.9(mPas)粘度/100℃               9.42(mPas)密度/g/dm3/40℃         912密度/g/dm3/100℃      874粘度指数               237浊点(℃)              -34℃
将TMP酯进一步与低级妥尔油酸酯混合，所得粘度等级为32。
为改进上述基本原料的性能，加入其中下列添加剂：
1．氧化抑制剂RC9308                         2％
2．极压(EP)润滑剂(边界润滑剂)Vanlube 672    1％
3．铜腐蚀抑制剂Irgamet 39                   0.05％
4．防沫剂Bevaloid 311M                      0.1％
5．倾点下降剂Lubrizol 3123                  0.15％
显而易见，采用所有在本领域内已了解的、经济的、易得的添加剂及采用不同的量是可行的。氧化抑制剂也可以含有腐蚀抑制剂。如果液压油在温暖的环境下使用，不必用倾点下降剂。
对液压油的功能而言，氧化抑制剂是重要的。下表为加入以重量计1.5％的氧化抑制剂Additin RC9308后，妥尔油TMP酯的抗氧化实验进一步结果。
表3．根据标准ASTM D 525，以氧压的变化来表示妥尔油TMP酯的抗氧化性能。时间/h      开始 12   24    36   48   60   72压力/psi    125  117  110   104  100  93   90
本发明的液压油具高粘度指数，并且，它具有的生物降解能力使得它特别是在用到有油渗漏到环境的可能时特别优异。
接下来，我们将更详细地讨论实际制备液压油时加到妥尔油酯或酯类混合物中的添加剂。
1．氧化抑制剂
采用的一种优秀氧化抑制剂是德国Rhein Chemie Rheinau GmbH生产的AdditinRC9308。该物质除了抗氧化剂外，还含有腐蚀抑制剂。该物质含有大约1.5％(重量)的C12-C14-t-烷基胺(CAS第68955-53-3号)、大约4％(重量)的甲苯基三唑(CAS第29385-43-1号)及大约3.4％(重量)的三丁基磷酸酯(CAS第126-73-8号)。所述油中的RC 9308含量最好大于1.0％(重量)，优选至少1.5％(重量)。可用的同一生产商生产的其它试剂是RC 7110和RC 6301。所有上述物质可以混合后使用，油中的混合物含量最好大于1.0％(重量)。优选至少不少于1.5％(重量)。可用的混合物包括RC7110+RC9308和RC7110+RC6301。
将以重量计1.5％的RC 9308混入TMP酯中，氧压的测试(ASTM D525)给出的值为101psi(72小时)，而未用添加剂时的氧压为7 psi。
2．极压润滑剂(边界润滑剂)
优秀的边界润滑添加剂是由美国R.T.Vanderbilt Company,Inc.生产的Vanlube672，它是一种极压(极大压力)的和抗磨的磷酸盐型添加剂，准确地说，是一种磷酸铵。所述物质是一种粘性液体，在25℃时密度为1.05kg/l。将Vanlube 672与TMP酯混合，使Vanlube 672在油中的含量为1.0％(重量)，产生的FZG润滑能力测试值超过12，这说明它是一种很好的极压润滑剂。其它的添加剂是AdditinRC9308(2.0％(重量))和Irgamet 39(0.05％(重量))。Vanlube 672的用量最好大于0.5％(重量)，优选在1.0～3.0％(重量)间。其它有相应的活性剂成分的添加剂也可以使用。
3．腐蚀抑制剂
如上所述，腐蚀抑制剂已经包含在商品氧化抑制剂中。除此之外，作为特殊铜腐蚀抑制剂(所谓的黄色金属保护剂)，最好采用由Ciba-Geigy AG生产的Irgamet 39试剂。所述物质为甲苯三唑(tolutriazol)衍生物，其在液压油中的充足含量为0.02～0.05％(重量)。
4．防沫剂
采用的优秀防沫剂是Rhone-Poulenc Chemicals生产的Bevaloid311M(分散在石蜡油中的非极性的表面活性剂，20℃时的比重大约为0.79)。推荐用量约为0.1％(重量)，但用量也可在0.05～0.2％(重量)之间变化。
5．倾点下降剂
如果希望液压油能在低温下使用，就要使用倾点下降剂。Lubrizol3123(美国俄亥俄州Lubrizol Petroleum Chemicals Company生产)是适用的添加剂。合适的用量大约在0.05～0.5％(重量)之间，通常大约在0.1～0.2％(重量)之间。
现在我们要介绍，用具有满足特殊要求的性质的优秀液压油组成所进行的试验。可参见表示试验过程中实验条件的曲线的附图。液压油基于Oulu的Forchem OY提供的妥尔油的三羟甲基丙烷酯(TMP)。原料性质表示如下：粘度(mPas)
25℃:100
40℃:48
100℃:11
ISO VG:46
酸值：小于10mg KOH/g
碘值：135gI2/100g
比重：0.91(40℃)
提供的原料所含添加剂如下(用量为重量百分比)：
1．氧化抑制剂Additin RC 9308            2％
2．极压润滑剂(边界润滑剂)Vanlube 672    1％
3．铜的腐蚀抑制剂Irgamet 39             0.05％
4．防沫剂Bevaloid 311M                  0.1％
5．倾点下降剂Lubrizol 3123              0.15％
根据DIN51389和ASTM 2882，得到使用液压油的磨耗试验结果。
除了采用Vickers 20 VQ泵代替Vickers V140泵以外，试验安排与上述标准一致。这使得本试验选用了更高的压力水平。
所得实验条件如下：A．压力          210±10巴(3000psi)B．温度          69-2/+7℃C．粘度          约为20cStD．体积流量      20±1L/minE．持续时间      250h
实验结果如下：环质量    (0h)       [g]405.836叶片质量  (0h)       [g]54.1540环质量    (250h)     [g]405.838叶片质量  (250h)     [g]54.1451环磨耗               [mg]-2.0叶片磨耗             [mg]8.9总磨耗               [mg]6.9
实验表明，被测试的试样质量良好。DIN 51.525Teil 2中为用V104泵做的试验确定的磨耗合格标准，叶片为30mg，环为120mg。对于至目前为止所试验的液压油来说，该合格标准比空隙限量(slack)稍严格了些。测试试样中水含量开始为400ppm，试验后为210ppm。
事实上，用溶剂不能将环完全清洗干净，这稍稍改变了本实验的结果。但这对实验结果的最大影响不到几个毫克。
使用试验
同样的液压油用于森林工作机械，总时间为1968小时。在使用之后，对该液压油进行测试，得到如下结果：40℃时粘度     33.54cSt    (ASTM D 445)100℃时粘度    7.347cSt    (ASTM D 445)粘度指数       194           (ASTM D 2270)水含量       0.08％(重量)    (ASTM D 1744)酸值，TAN 10.4mg KOH/t       (ASTM D 644)
妥尔油的季戊四醇酯
按照ASTM D 4172的方法(恒定负荷下，1小时)，用不含添加剂的妥尔油季戊四醇酯进行四-球实验(a four-ball test)。负荷为400牛顿(N),温度为20℃。在一小时实验中，磨痕(wearmark)直径为1.2毫米。
由于上述其它酯的相似性质，通过加入其中添加剂制成的物质，作为在液压系统中传导动力和承受负荷的流体，同样是很好用的。

Claims (10)

1．基于天然脂肪酸酯类的液压油，其特征在于，它的基本原料取自于下列妥尔油酯或其混合物：
-新戊烷的多羟基化合物酯，和
-聚(乙二醇)酯。而且，它至少包含氧化抑制剂、腐蚀抑制剂、防沫剂和极压润滑剂。
2．权利要求1的液压油，其特征在于，所述基本原料是一种新戊烷的多羟基化合物酯，选自下列酯：三羟甲基丙烷酯、季戊四醇酯、三羟甲基乙烷酯、三羟甲基丁烷酯和新戊二醇酯。
3．权利要求1或2的液压油，其特征在于，所述妥尔油酯是妥尔油简单酯化反应的最终产物。
4．权利要求1、2或3的液压油，其特征在于，在所述基本原料中混入了一种比基本原料的粘度低的低级妥尔油酯。
5．权利要求4的液压油，其特征在于，所述低级妥尔油酯为乙二醇酯。
6．权利要求1～4中任一项的液压油，其特征在于，它包含了90～99重量％的妥尔油酯，其它成分是改善液压油性能的添加剂。
7．权利要求1～6中任一项的液压油，其特征在于，所述氧化抑制剂为AdditinRC 9308、AdditinRC 7110、AdditinRC 6301或它们的任意混合物，或具有与所述物质或其混合物相应的活性剂含量的物质。
8．通过一种初始原料的酯化作用制备液压油的方法，其特征在于，所述初始原料是妥尔油，用一种或数种下列多元醇经直接酯化反应将其酯化：
-新戊烷的多羟基化合物，和
-聚(乙二醇)，此外，为改善液压油的性能，在产品中加入添加剂。
9．权利要求8的方法，其特征在于，用于酯化反应的多元醇是新戊烷的多羟基化合物，选自下列酯：三羟甲基丙烷酯、季戊四醇酯、三羟甲基乙烷酯、三羟甲基丁烷酯和新戊二醇酯。
10．下列物质作为承压及传导动力或载荷的液压油的应用：所述物质含有与新戊烷的多羟基化合物的妥尔油酯或聚(乙二醇)酯作为基本原料，以及氧化抑制剂、腐蚀抑制剂、防沫剂和极压润滑剂作为添加剂。
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