CN109790321A - 金属加工用非氯化的烷氧基化醇磷酸酯 - Google Patents

金属加工用非氯化的烷氧基化醇磷酸酯 Download PDF

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Abstract

本申请提供了改良的金属加工组合物。该组合物包含由式I定义的添加剂:[R1‑(CO)yO(CH2CHR2O)z]nPO4‑nX3‑n式I其中:R1为包括至少10个至多24个碳的饱和或不饱和的、支链或直链的烷烃基或芳烃基;各R2独立地选自H和1至5个碳的烷基;X为阳离子或氢;y为0或1;z为1至20的整数;并且n为1或2。

Description

金属加工用非氯化的烷氧基化醇磷酸酯
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月20日提交的待审美国临时专利申请No.62/396,911的优先权,该专利申请通过引用并入本文。
背景技术
本发明涉及改良的金属加工添加剂。更具体而言,本发明涉及金属加工用非氯化的烷氧基化醇磷酸酯。
虽然在成本和性能方面,氯化石蜡(CP)已经是高效金属加工添加剂,但是近一个世纪以来CP的持续使用受到了美国环境保护局(EPA)的限制。从1985年开始,短链CP被列入EPA的有毒排放清单中。最近,中链CP受到类似的审查,并且在不久的将来可能会禁止中链CP的继续使用。
虽然CP在使用中具有成本优势,但是要除去这些中等粘度至高粘度的添加剂既困难又昂贵。此外,根据美国资源保护和回收法(RCRA),将含有这些化学物质的废液被归类为有害废物。CP被分类为可在环境中持久存在,因此生物积累的可能性高。
对于不含氯化物的金属加工添加剂存在很大的需求。遗憾的是,这些材料一直缺乏活性。本文提供了改良的金属加工添加剂。
发明内容
本发明涉及改良的金属加工添加剂。
更具体而言,本发明涉及一种改良的金属加工添加剂,该金属加工添加剂不含氯化物,并且据认为比现有技术的添加剂毒性低。已知磷酸酯(如本发明的磷酸酯)易于生物降解。
本发明的一个特定特征为能够用水进行该金属加工添加剂的去除和处理。
本发明的另一个特定特征为该金属加工添加剂适用于水基系统或油基系统。
如将实现的,这些和其他实施方案提供了改良的金属加工组合物,该改良的金属加工组合物包含由式I定义的添加剂:
[R1-(CO)yO(CH2CHR2O)z]nPO4-nX3-n
式I
其中:
R1为包括至少10个至多24个碳的饱和或不饱和的、支链或直链的烷烃基或芳烃基;
各R2独立地选自H和1至5个碳的烷基;
X为阳离子或氢;
y为0或1;
z为1至20的整数;并且
n为1或2。
另一个实施方案提供了形成金属加工组合物的方法,该方法包括:
对如下定义的醇进行烷氧基化:
R1OH;
或对如下定义的羧酸进行烷氧基化:
R1COOH;
以及使用磷酸酯终止烷氧基化醇,从而得到式I的化合物:
[R1-(CO)yO(CH2CHR2O)z]nPO4-nX3-n
式I
其中:
R1为包括至少10个至多24个碳的饱和或不饱和的、支链或直链的烷烃基或芳烃基;
各R2独立地选自H和1至5个碳的烷基;
X为阳离子或氢;
y为0或1;
z为1至20的整数;并且
n为1或2。
另一个实施方案提供了加工金属的方法,该方法包括:
将金属加工组合物涂布到所述金属上,其中所述金属组合物包含由式I定义的添加剂:
[R1-(CO)yO(CH2CHR2O)z]nPO4-nX3-n
式I
其中:
R1为包括至少10个至多24个碳的饱和或不饱和的、支链或直链的烷烃基或芳烃基;
各R2独立地选自H和1至5个碳的烷基;
X为阳离子或氢;
y为0或1;
z为1至20的整数;并且
n为1或2;
以及
对所述金属进行冲压、钻孔或成形。
具体实施方式
本发明涉及金属加工用改良的添加剂。更具体而言,本发明涉及磷酸酯化烷氧基化中长链醇。
改良的添加剂由式I定义:
[R1-(CO)yO(CH2CHR2O)z]nPO4-nX3-n
式I
其中:
R1为包括至少10个至多24个碳的饱和或不饱和的、支链或直链的烷烃基或芳烃基;
各R2独立地选自H和1至5个碳的烷基;
X为阳离子或氢;
y为0或1;
z为1至20的整数;并且
n为1或2;
通过对定义为R1OH的醇或定义为R1COOH的羧酸进行烷氧基化,然后形成末端磷酸酯,从而形成改良的添加剂。烷氧基化是本领域技术人员所熟知的,并且不需要进一步讨论对醇或羧酸进行烷氧基化的反应条件。在式I中,下标y为0是通过醇的烷氧基化而实现的,而下标y为1是通过羧酸的烷氧基化而实现的。本领域已知烷氧基化使烷氧基统计平均分布在各分子上,而不是均匀分布在各分子上。因此,应当将烷氧基数量的表示理解为具有或多或少烷氧基的分子的统计分布的平均值。
烷氧基化后末端磷酸酯的形成是本领域技术人员所熟知的,并且不需要反应的进一步详细描述。可以通过在升高的温度下与诸如聚磷酸之类的磷酸化试剂反应或与五氧化二磷反应来完成末端磷酸酯的形成。已知末端磷酸酯的形成会产生一些小部分的副产物,如存在一个磷酸反应物具有两个烷氧基化醇部分的分子。在本发明的一个实施方案中,将诸如polyphos 115%之类的聚磷酸酯用于磷酸化步骤。该反应主要产生单取代的磷酸酯产物(n=1),伴随少量二取代的磷酸酯化合物(n=2)以及一些残留的磷酸。如果使用五氧化二磷,则将得到较高产率的二取代和三取代磷酸酯。虽然这些更高取代度的磷酸酯是本发明的一部分,但已发现在大多数情况中,单取代的磷酸酯化合物可得到改善的结果。
R1优选为烷基或亚烷基。特别优选的R1为油醇、油酸、硬脂酸、硬脂醇、椰子脂肪酸、苯乙烯化酚类或妥尔油脂肪酸的那些有机残基。R1可以为直链的或支链的,直链的为优选的,并且油烯基为特别优选的。
R2优选为-H或-CH3。各R2优选为-H和-CH3的混合物。在另一个优选的实施方案中,至少一个R2为-CH3。在特别优选的实施方案中,至多10个R2基团为-CH3,并且更优选3至7个R2基团为-CH3。在另一个优选的实施方案中,至多10个R2基团为-H,并且更优选1至3个R2基团为-H。相似的R2基团可以按嵌段排列或随机排列。例如,如以下部分所示,当R2为-H和-CH3基团的混合物时,-H基团可处于嵌段中,并且-CH3基团可处于嵌段中:
-(CH2CH2O)a(CH2CHCH3O)b-
其中a和b合起来的总和代表整数z。可以通过使合适的醇或酸与环氧乙烷或环氧丙烷反应,以得到烷氧基化链。可以以逐步的方式添加这些氧化物,以得到封端的烷氧基化物,或者可以预先混合这些氧化物,以得到统计混合物。
由整数z表示的烷氧基的数量更优选为至少4至多14。
由X表示的阳离子优选为选自由氢(该情况下为非中性磷酸酯)、钠、钾、铵、钙、镁、锂和胺所组成的组中的物质的阳离子。特别优选的是氢阳离子或非中性磷酸酯。特别优选的是芳香胺或烷基胺的阳离子,并且乙醇胺和亚乙基胺的阳离子是特别优选的。
改良的添加剂优选用于包含基础油的金属加工用组合物中。特别优选的基础油包括矿物油、植物油和合成油。改良的添加剂优选占约1重量%至约20重量%,余量为基础油和本领域已知的其他添加剂。优选地,金属加工用组合物包含约80重量%至约99重量%的基础油。
改良的添加剂具有非粘性的、易于使用的中等粘度。改良的添加剂可溶于范围广泛的基础流体,所述基础流体包括矿物油和植物油及酯类。改良的添加剂还与其他的极压添加剂和润滑添加剂(如酯类、硫化脂肪和硫化烃类)兼容。
使用碱性清洁剂能够易于除去本发明的酸官能团。利用常见的矿物碱和有机碱简单中和该酸也能够用于可乳化的、水可延展的金属加工制剂中。
与纯乙氧基化类似物相比,混合的烷氧基化对4球磨损性能(4-Ball wearperformance)的影响具有令人惊讶的优点。虽然式I中仅使用环氧乙烷的制剂适用于金属加工应用,但环氧丙烷的掺入得到了改良的性能。此外,醇链中的不饱和度具有性能益处,这与润滑应用的预期相反。同样地,具有低粘度至中等粘度的添加剂的强的4球磨损性能与本领域的预期相反。改良的添加剂特别适合与其他润滑添加剂和薄膜强度改良剂(如较高粘度的酯类、脂肪和/或烃类)组合使用,从而扩展了用于重型金属成形应用的用途。
本发明的添加剂适用于任意金属。本发明的添加剂特别适用于黑色金属和有色金属的冲压、钻孔和成形。本发明的添加剂特别适用于铝、铜、镁、铁、钢和铁基合金。
实施例
实施例1
使油醇与五摩尔当量的环氧丙烷反应,然后与1.5摩尔的环氧乙烷反应,以生成丙氧基化且乙氧基化的醇。然后使该物质与0.33摩尔当量的PPA 115聚磷酸反应,以生成化合物1。
实施例2
根据ASTM D2783-03对化合物1进行4球磨损试验。将化合物1以10重量%与Saybolt Universal Second(SUS)粘度为100的石蜡油混合,并且与也以10重量%使用的中链氯化石蜡进行比较。如表1所示,中链氯化石蜡的负荷磨损指数为41kgf并且焊接负荷为200kg。如表1所示,化合物1的负荷磨损指数高于216kgf并且焊接负荷高于620kg。这优于添加有2.6重量%磷的市售可得的氯化石蜡替代品。
实施例3
使用石蜡油中含有5%化合物1来重复实施例1的步骤,并且相对于石蜡油中含有5%氯化石蜡进行试验。中链氯化石蜡的负荷磨损指数为57kgf并且焊接负荷为315kg。化合物1的负荷磨损指数为77kgf并且焊接负荷高于380kg。
实施例4
为了评价结构变化的影响,在以下条件下进行上述试验:由P2O5而不是聚磷酸制备该物质(化合物2),使用饱和硬脂醇代替油醇制备该物质(化合物3),以及使用五摩尔环氧乙烷代替环氧乙烷/环氧丙烷混合物制备该物质(化合物4)。如表1所示,化合物2至4也表现为优于氯化石蜡。
表1
10%装入100 SUS石蜡油 负荷磨损指数(kgf) 焊接负荷(kg)
中链氯化石蜡 41 200
商业标准 219 >620
化合物1 >216 >620
化合物2 80 315
化合物3 97 315
化合物4 157 >620
已经参照优选实施方案对本发明进行了说明,但不限于此。可以实现另外的实施方案和改进,虽然在本文中没有具体阐述这些实施方案和改进,但是由于在所附权利要求中进行了更具体地阐述,因而这些实施方案和改进在本发明的范围内。

Claims (53)

1.一种改良的金属加工组合物,其包含由式I定义的添加剂:
[R1-(CO)yO(CH2CHR2O)z]nPO4-nX3-n
式I
其中:
R1为包括至少10个至多24个碳的饱和或不饱和的、支链或直链的烷烃基或芳烃基;
各R2独立地选自H和1至5个碳的烷基;
X为阳离子或氢;
y为0或1;
z为1至20的整数;并且
n为1或2。
2.根据权利要求1所述的改良的金属加工组合物,其中所述R1选自由烷基和亚烷基所组成的组中。
3.根据权利要求2所述的改良的金属加工组合物,其中所述R1为直链的或支链的。
4.根据权利要求3所述的改良的金属加工组合物,其中所述R1选自由油醇;油酸、硬脂酸、苯乙烯化酚类、椰子脂肪酸或妥尔脂肪酸所组成的组中。
5.根据权利要求1所述的改良的金属加工组合物,其中各所述R2独立地选自由-H和-CH3所组成的组中。
6.根据权利要求5所述的改良的金属加工组合物,其中至多10个R2基团为-CH3
7.根据权利要求6所述的改良的金属加工组合物,其中3至7个R2基团为-CH3
8.根据权利要求5所述的改良的金属加工组合物,其中至多10个R2基团为-H。
9.根据权利要求8所述的改良的金属加工组合物,其中1至3个R2基团为-CH3
10.根据权利要求1所述的改良的金属加工组合物,其中所述z为至少4至多14。
11.根据权利要求1所述的改良的金属加工组合物,其中所述X为选自由氢、钠、钾、氨、钙、镁、锂和胺所组成的组中的物质的阳离子。
12.根据权利要求11所述的改良的金属加工组合物,其中所述X为氢阳离子。
13.根据权利要求11所述的改良的金属加工组合物,其中所述X为芳香胺或烷基胺的阳离子。
14.根据权利要求13所述的改良的金属加工组合物,其中所述X为乙醇胺或亚乙基胺的阳离子。
15.根据权利要求1所述的改良的金属加工组合物,其中所述y为0。
16.根据权利要求1所述的改良的金属加工组合物,进一步包含矿物油、植物油或合成油。
17.根据权利要求16所述的改良的金属加工组合物,其包含至少1重量%至多20重量%的所述式I。
18.一种形成金属加工组合物的方法,该方法包括:
对如下定义的醇进行烷氧基化:
R1OH;
或对如下定义的羧酸进行烷氧基化:
R1COOH;
以及使用磷酸酯终止烷氧基化醇,从而得到式I的化合物:
[R1-(CO)yO(CH2CHR2O)z]nPO4-nX3-n
式I
其中:
R1为包括至少10个至多24个碳的饱和或不饱和的、支链或直链的烷烃基或芳烃基;
各R2独立地选自H和1至5个碳的烷基;
X为阳离子或氢;
y为0或1;
z为1至20的整数;并且
n为1或2。
19.根据权利要求18所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述R1选自由烷基和亚烷基所组成的组中。
20.根据权利要求19所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述R1为直链的或支链的。
21.根据权利要求20所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述R1选自由油醇;油酸、硬脂酸、苯乙烯化酚类、椰子脂肪酸或妥尔油脂肪酸所组成的组中。
22.根据权利要求18所述的形成金属加工组合物的方法,其中各所述R2独立地选自由-H和-CH3所组成的组中。
23.根据权利要求22所述的形成金属加工组合物的方法,其中至多10个R2基团为-CH3
24.根据权利要求23所述的形成金属加工组合物的方法,其中3至7个R2基团为-CH3
25.根据权利要求22所述的形成金属加工组合物的方法,其中至多10个R2基团为-H。
26.根据权利要求25所述的形成金属加工组合物的方法,其中1至3个R2基团为-CH3
27.根据权利要求18所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述z为至少4至多14。
28.根据权利要求18所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述X为选自由氢、钠、钾、氨、钙、镁、锂和胺所组成的组中的物质的阳离子。
29.根据权利要求28所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述X为氢阳离子。
30.根据权利要求28所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述X为芳香胺或烷基胺的阳离子。
31.根据权利要求30所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述X为乙醇胺或亚乙基胺的阳离子。
32.根据权利要求18所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述y为0。
33.根据权利要求18所述的形成金属加工组合物的方法,进一步包括矿物油、植物油或合成油。
34.根据权利要求33所述的形成金属加工组合物的方法,其包括至少1重量%至多20重量%的所述式I。
35.根据权利要求18所述的形成金属加工组合物的方法,其中所述终止包括与选自由多磷酸和磷酸的低聚物形式所组成的组中的磷酸化试剂进行反应。
36.一种加工金属的方法,包括:
将金属加工组合物涂布到所述金属上,其中所述金属组合物包含由式I定义的添加剂:
[R1-(CO)yO(CH2CHR2O)z]nPO4-nX3-n
式I
其中:
R1为包括至少10个至多24个碳的饱和或不饱和的、支链或直链的烷烃基或芳烃基;
各R2独立地选自H和1至5个碳的烷基;
X为阳离子或氢;
y为0或1;
z为1至20的整数;并且
n为1或2;
以及
对所述金属进行冲压、钻孔或成形。
37.根据权利要求36所述的加工金属的方法,其中所述金属选自由铝、铜、镁、铁、钢或铁基合金所组成的组。
38.根据权利要求36所述的加工金属的方法,其中所述R1选自由烷基和亚烷基所组成的组。
39.根据权利要求38所述的加工金属的方法,其中所述R1为直链的或支链的。
40.根据权利要求39所述的加工金属的方法,其中所述R1选自由油醇;油酸、硬脂酸、苯乙烯化酚类、椰子脂肪酸或妥尔油脂肪酸所组成的组。
41.根据权利要求36所述的加工金属的方法,其中各所述R2独立地选自由-H和-CH3所组成的组。
42.根据权利要求41所述的加工金属的方法,其中至多10个R2基团为-CH3
43.根据权利要求42所述的加工金属的方法,其中3至7个R2基团为-CH3
44.根据权利要求41所述的加工金属的方法,其中至多10个R2基团为-H。
45.根据权利要求44所述的加工金属的方法,其中1至3个R2基团为-CH3
46.根据权利要求36所述的加工金属的方法,其中所述z为至少4至多14。
47.根据权利要求36所述的加工金属的方法,其中所述X为选自由氢、钠、钾、氨、钙、镁、锂和胺所组成的组中的物质的阳离子。
48.根据权利要求47所述的加工金属的方法,其中所述X为氢阳离子。
49.根据权利要求47所述的加工金属的方法,其中所述X为芳香胺或烷基胺的阳离子。
50.根据权利要求49所述的加工金属的方法,其中所述X为乙醇胺或亚乙基胺的阳离子。
51.根据权利要求36所述的加工金属的方法,其中所述y为0。
52.根据权利要求36所述的加工金属的方法,进一步包括矿物油、植物油或合成油。
53.根据权利要求52所述的加工金属的方法,其包括至少1重量%至多20重量%的所述式I。
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