CN111171892B - 基础油及润滑油 - Google Patents

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Abstract

一种基础油及包含该基础油的润滑油。该基础油包含由脂肪酸组分与单元醇组分反应所制得的酯化合物。该脂肪酸组分包括C4～C28饱和脂肪酸及C4～C28不饱和脂肪酸中的至少一者，该单元醇组分包括至少一种C4～C22直链单元醇及至少一种C4～C22支链单元醇。本发明的基础油同时具有低黏度、高闪火点、低倾点及高极压的特性。

Description

基础油及润滑油
技术领域
本发明涉及一种油品，特别是涉及一种包含酯化合物的基础油及包含该基础油的润滑油。
背景技术
现有为了降低润滑油的黏度，必须先降低基础油的黏度，但基础油的分子量会与黏度成正比，即分子量越低黏度也就越低，而低分子量的基础油会具有高挥发性，导致闪火点(flash point)降低，所以为了降低基础油的黏度而降低其分子量时，会因挥发而造成工作环境恶化，也会因闪火点降低而造成安全危害；此外，降低基础油的分子量也不易维持基础油于工件表面上的油膜厚度，也就是极压(extreme pressure)会降低，导致加工上容易丧失润滑性而使工件设备损坏甚至无法完成加工。又，基础油的倾点(pour point)若偏高，润滑油在寒冷环境下使用时还需利用额外的加热设备来维持润滑油流动性。因此，目前业界正积极研发开发同时具有低黏度、高闪火点、低倾点及高极压的基础油。
日本专利公告第6191188B2揭示一种包含酯化合物的基础油，其酯化合物是由油酸(oleic acid)与支链十三醇(branched tridecyl alcohol)所制得，而该专利案的基础油中的酯化合物由于完全是由支链醇所制得，而存在有支链化的结构，导致不易贴附于工件表面产生油膜，即前述基础油的极压偏低，不符目前业界的需求。现有也存在含有直链醇所制得酯化合物的基础油，但酯化合物为全直链的结构会导致倾点偏高，同样不符目前业界的需求。美国专利公开第2013/0324754A1号揭示一种包含酯化合物的基础油，该酯化合物可由脂肪酸(fatty acid)与至少一种直链或支链的单元醇(monoalcohol)所制得，然而，该专利案的基础油仍存有无法同时满足低黏度、高闪火点、低倾点及高极压特性的需求。
因此，如何找到一种同时具有低黏度、高闪火点、低倾点及高极压的基础油，成为目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种基础油。
本发明基础油，包含：由脂肪酸组分与单元醇组分反应所制得的酯化合物。该脂肪酸组分包括C4～C28饱和脂肪酸及C4～C28不饱和脂肪酸中的至少一者，该单元醇组分包括至少一种C4～C22直链单元醇及至少一种C4～C22支链单元醇。
本发明的基础油，在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为12～15。
本发明的基础油，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为12～15的至少一种单元醇的重量范围为90～99.8wt％。
本发明的基础油，在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为12～13，以及至少一种单元醇的碳数为14～15。
本发明的基础油，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为12～13的至少一种单元醇的重量范围为10～70wt％，该碳数为14～15的至少一种单元醇的重量范围为10～70wt％。
本发明的基础油，在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为4～11。
本发明的基础油，在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为16～22。
本发明的基础油，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该至少一种C4～C22支链单元醇的重量不小于40wt％。
本发明的基础油，该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇包括至少三种单元醇，其中至少一种单元醇的碳数为4～11，至少一种单元醇的碳数为12～15，以及至少一种单元醇的碳数为16～22。
本发明的另一目的在于提供一种润滑油。
本发明润滑油包含前述基础油。
本发明的有益效果在于：本发明基础油中的酯化合物由于是由同时包括至少一种C4～C22直链单元醇及至少一种C4～C22支链单元醇的单元醇组分所制得，因此，本发明的基础油能同时具有低黏度、高闪火点、低倾点及高极压的特性。
具体实施方式
以下将就本发明内容进行详细说明。
<基础油>
需先说明的是，在本说明书中关于「及/或」用语所表示范围的举例说明如下：例如「A及/或B」表示同时涵盖「A」、「B」与「A及B」三种范围。
本发明润滑油的基础油包含由脂肪酸组分与单元醇组分反应所制得的酯化合物。
优选地，该酯化合物是由该脂肪酸组分与该单元醇组分进行酯化反应后所制得。
更优选地，该脂肪酸组分与该单元醇组分是于150～250℃下进行酯化反应。又更优选地，是于180～240℃下进行酯化反应。又更优选地，是于200～230℃下进行酯化反应。
该酯化反应可选择地于触媒的存在下进行反应。更优选地，该脂肪酸组分与该单元醇组分是于触媒的存在下进行酯化反应。需说明的是，该触媒可为现有任何能促使脂肪酸与单元醇进行酯化反应的触媒，该触媒例如但不限于是草酸亚锡(SnC2O4)、氧化亚锡(SnO)、钛酸四丁基酯(tetrabutyl titanate)、钛酸四异丙基酯(titaniumtetraisopropanolate)、甲基磺酸(methanesulfonic acid)，或上述任意的组合。
优选地，该单元醇组分与该脂肪酸组分所添加的比例是依据后续所欲制得基础油的羟价进行调整。
优选地，本发明基础油的羟价不高于5mgKOH/g。更优选地，本发明基础油的羟价不高于3mgKOH/g。又更优选地，本发明基础油的羟价不高于1mgKOH/g。
优选地，本发明基础油的酸价不高于1.0mgKOH/g。更优选地，本发明基础油的酸价不高于0.5mgKOH/g。又更优选地，本发明基础油的酸价不高于0.1mgKOH/g。
优选地，依据ASTM D445标准方法(发布年份：2019)，本发明基础油的40℃动黏度(kinematic viscosity)不高于15cSt。更优选地，依据ASTM D445标准方法(发布年份：2019)，本发明基础油的40℃动黏度不高于14cSt。
优选地，依据ASTM D92标准方法(发布年份：2018)，本发明基础油的闪火点不低于250℃。
优选地，依据ASTM D97标准方法(发布年份：2017)，本发明基础油的倾点不高于0℃。
以下针对该脂肪酸组分更进一步说明。
该脂肪酸组分包括C4～C28饱和脂肪酸及C4～C28不饱和脂肪酸中的至少一者。
优选地，该脂肪酸组分包括C18饱和脂肪酸及C18不饱和脂肪酸中的至少一者。
更优选地，以该脂肪酸组分的总重为100wt％计，该C18饱和脂肪酸及/或C18不饱和脂肪酸的重量不低于50wt％。当该C18饱和脂肪酸及/或C18不饱和脂肪酸的重量不低于50wt％时，本发明基础油会具有更高的闪火点及更低的倾点。又更优选地，该C18饱和脂肪酸及/或C18不饱和脂肪酸的重量不低于70wt％。
优选地，该脂肪酸组分的来源为油酸(oleic acid)。
以下针对该单元醇组分更进一步说明。
该单元醇组分包括至少一种C4～C22直链单元醇及至少一种C4～C22支链单元醇。
前述C4～C22直链单元醇例如但不限于是C4～C11直链单元醇、C12～C15直链单元醇(如C12～C13或C14～C15直链单元醇)或C16～C22直链单元醇。优选地，前述C4～C22直链单元醇为C9～C17直链单元醇。更优选地，前述C4～C22直链单元醇为C9～C17饱和直链单元醇。
前述C4～C22支链单元醇例如但不限于是C4～C11支链单元醇、C12～C15支链单元醇(如C12～C13或C14～C15支链单元醇)或C16～C22支链单元醇。优选地，前述C4～C22支链单元醇为C9～C17支链单元醇。更优选地，前述C4～C22支链单元醇为C9～C17饱和支链单元醇。
优选地，在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为12～15，即该单元醇组分包括至少一种C12～C15直链单元醇及/或C12～C15支链单元醇。
更优选地，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为12～15的至少一种单元醇的重量范围为90～99.8wt％。又更优选地，该碳数为12～15的至少一种单元醇的重量范围为94～99.8wt％。
更优选地，在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为12～13，以及至少一种单元醇的碳数为14～15，即该单元醇组分包括至少一种C12～C13直链单元醇及/或C12～C13支链单元醇，以及至少一种C14～C15直链单元醇及/或C14～C15支链单元醇。又更优选地，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为12～13的至少一种单元醇的重量范围为10～70wt％，该碳数为14～15的至少一种单元醇的重量范围为10～70wt％。又更优选地，该碳数为12～13的至少一种单元醇的重量范围为30～60wt％，该碳数为14～15的至少一种单元醇的重量范围为30～60wt％。
更优选地，在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为4～11，即该单元醇组分包括至少一种C4～C11直链单元醇及/或C4～C11支链单元醇。更优选地，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为4～11的至少一种单元醇的重量范围为0.1～5wt％。又更优选地，该碳数为4～11的至少一种单元醇的重量范围为0.1～1wt％。
更优选地，在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为16～22，即该单元醇组分包括至少一种C16～C22直链单元醇及/或C16～C22支链单元醇。又更优选地，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为16～22的至少一种单元醇的重量范围为0.1～5wt％。又更优选地，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为16～22的至少一种单元醇的重量范围为0.1～1wt％。
更优选地，该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇包括至少三种单元醇(也就是该单元醇组分包括至少三种单元醇)，其中至少一种单元醇的碳数为4～11，至少一种单元醇的碳数为12～15，以及至少一种单元醇的碳数为16～22，即该单元醇组分包括至少一种C4～C11直链单元醇及/或C4～C11支链单元醇、至少一种C12～C15直链单元醇及/或C12～C15支链单元醇，以及至少一种C16～C22直链单元醇及/或C16～C22支链单元醇。
又更优选地，该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇包括至少四种单元醇(也就是该单元醇组分包括至少四种单元醇)，其中至少一种单元醇的碳数为4～11，至少一种单元醇的碳数为12～13，至少一种单元醇的碳数为14～15，以及至少一种单元醇的碳数为16～22，即该单元醇组分包括至少一种C4～C11直链单元醇及/或C4～C11支链单元醇、至少一种C12～C13直链单元醇及/或C12～C13支链单元醇、至少一种C14～C15直链单元醇及/或C14～C15支链单元醇，以及至少一种C16～C22直链单元醇及/或C16～C22支链单元醇。
又更优选地，该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇包括至少六种单元醇(也就是该单元醇组分包括至少六种单元醇)，其中至少一种单元醇的碳数为4～11，至少一种单元醇的碳数为12，至少一种单元醇的碳数为13，至少一种单元醇的碳数为14，至少一种单元醇的碳数为15，以及至少一种单元醇的碳数为16～22，即该单元醇组分包括至少一种C4～C11直链单元醇及/或C4～C11支链单元醇、至少一种C12直链单元醇及/或C12支链单元醇、至少一种C13直链单元醇及/或C13支链单元醇、至少一种C14直链单元醇及/或C14支链单元醇、至少一种C15直链单元醇及/或C15支链单元醇，以及至少一种C16～C22直链单元醇及/或C16～C22支链单元醇。又更优选地，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为4～11的至少一种单元醇的重量范围为0.3～0.7wt％，该碳数为12的至少一种单元醇的重量范围为15～25wt％，该碳数为13的至少一种单元醇的重量范围为25～35wt％，该碳数为14的至少一种单元醇的重量范围为25～35wt％，该碳数为15的至少一种单元醇的重量范围为14～23wt％，该碳数为16～22的至少一种单元醇的重量范围为0.3～0.7wt％。
优选地，以该单元醇组分的总重为100wt％计，该至少一种C4～C22支链单元醇的重量不小于40wt％。更优选地，该至少一种C4～C22支链单元醇的重量不小于45wt％。
<润滑油>
本发明润滑油包含前述基础油。
本发明润滑油适用于各个领域。优选地，该润滑油为用于金属的润滑油。
优选地，本发明润滑油还可包含其它添加剂，该添加剂例如但不限于是胺系抗氧化剂(aminic antioxidant；如Ciba IRGANOX L57)、磷酸三甲苯酯(tricresylphosphate)、氯化石蜡(chlorinated paraffin)，或前述的任意组合。
<基础油的制备方法>
本发明基础油的制备方法包含酯化步骤。该酯化步骤为使脂肪酸组分与单元醇组分进行酯化反应。该脂肪酸组分、该单元醇组分与该酯化反应的详细描述(或反应条件)同前面<基础油>中关于脂肪酸组分、单元醇组分与酯化反应的描述(或反应条件)。
优选地，本发明制备方法还包含于该酯化反应后的纯化步骤。该纯化步骤为除去酯化反应后所得产物中的水、触媒及杂质。
本发明将就以下实施例来作进一步说明，但应了解的是，该实施例仅为例示说明，而不应被解释为本发明实施的限制。
<实施例1与比较例1～6>基础油
实施例1与比较例1～6的基础油分别是由下列酯化步骤与纯化步骤所制得。
步骤(1)-酯化步骤：于草酸亚锡(触媒)的存在下，使脂肪酸组分与单元醇组分进行酯化反应(反应温度为200～230℃)至羟价于1mgKOH/g以下后，得到未纯化基础油。该单元醇组分与该脂肪酸组分中的具体成分整理于下表1中，而该单元醇组分与该脂肪酸组分所添加的比例是依据所欲制得未纯化基础油的羟价进行调整，且该草酸亚锡于反应中的浓度为250～500ppm。
表1
Figure BDA0002238233580000071
Figure BDA0002238233580000081
针对上表1实施例1的单元醇组分更具体说明的是，该单元醇组分是由下列(a)至(f)的单元醇所组成，且其重量百分比(wt％)是以该单元醇组分的总重为100wt％计：(a)0.5wt％的C9～C11饱和直链单元醇及/或C9～C11饱和支链单元醇；(b)20wt％的C12饱和直链单元醇及/或C12饱和支链单元醇；(c)30wt％的C13饱和直链单元醇及/或C13饱和支链单元醇；(d)30wt％的C14饱和直链单元醇及/或C14饱和支链单元醇；(e)19wt％的C15饱和直链单元醇及/或C15饱和支链单元醇；及(f)0.5wt％的C16～C17饱和直链单元醇及/或C16～C17饱和支链单元醇。该单元醇组分所包括的所有单元醇中，属于支链单元醇的重量不小于45wt％。
步骤(2)-纯化步骤：先使步骤(1)所得到的未纯化基础油于高度真空下进行干燥，使其水分降至总重的0.1wt％以下；接着，加入氢氧化钠(碱)并进行蒸馏，使其酸价降至0.01mgKOH/g；最后，利用活性碳及珍珠岩(过滤助剂)进行过滤，除去触媒及杂质后，得到该基础油。
补充说明的是，前述步骤(1)中的羟价与步骤(2)中的酸价分别是依据ASTM D974标准方法(发布年份：2014)，以0.05N氢氧化钾标准试液滴定量测；前述步骤(2)中的水分含量是依据ASTM E1064标准方法(发布年份：2016)，以Karl Fischer水份测定仪(moisturetitrator)进行测量。
<基础油的性质测试方法>
动黏度与黏度指数：依据ASTM D445标准方法(发布年份：2019)，分别量测40℃与100℃的动黏度，并依据40℃与100℃的动黏度计算黏度指数。先说明的是，当基础油所测得40℃动黏度不高于15cSt时，黏度才能符合本发明所需求的低黏度特性。
闪火点：依据ASTM D92标准方法(发布年份：2018)，量测开口式闪火点数值。先说明的是，当基础油所测得闪火点不低于250℃时，闪火点才能符合本发明所需求的高闪火点特性。
倾点：依据ASTM D97标准方法(发布年份：2017)，量测低温倾点。先说明的是，当基础油所测得倾点不高于0℃时，倾点才能符合本发明所需求的高倾点特性。
极压：依据ASTM D3233标准方法(发布年份：2014)，使用Falex测试机量测。测试程序为利用一个旋转钢销，以290±10转/分的速度使两个固定的V形块浸入基础油中，接着，通过棘轮机构施加负荷至试验发生卡咬、锁紧销损坏或棘轮机构无法增加负荷，借以分析润滑油的油膜极压性质。
实施例1与比较例1～6分别经前述性质测试方法所得的结果，以及实施例1与比较例1～6分别使用单元醇的具体成分整理于下表2中。
表2
Figure BDA0002238233580000091
<结果与讨论>
针对表2的黏度部分，比较例5的40℃动黏度大于15cSt，说明比较例5所得基础油的黏度偏高，不符合本发明基础油所需求的低黏度特性，而实施例1所得基础油的40℃动黏度则小于15cSt，符合本发明基础油所需求的低黏度特性。
针对表2的闪火点部分，比较例2～4的闪火点皆小于250℃，说明比较例2～4所得基础油的闪火点偏低，不符合本发明基础油所需求的高闪火点特性，而实施例1所得基础油的闪火点大于250℃，符合本发明基础油所需求的高闪火点特性。
针对表2的倾点部分，比较例2与4的倾点皆大于0℃，说明比较例2与4所得基础油的倾点偏高，不符合本发明基础油所需求的低倾点特性，而实施例1所得基础油的倾点小于0℃，符合本发明基础油所需求的低倾点特性。
针对表2的极压部分，比较例1、6所得基础油虽同样也具有低黏度、高闪火点及低倾点的特性，然而，极压皆为1200磅远低于实施例1的1450磅，且比较例4所得基础油的极压(800磅)与实施例1相较同样也偏低。
因此，由前述基础油性质比较结果可知，相较于制备基础油过程中仅使用直链单元醇或仅使用支链单元醇的比较例1～6，于制备基础油过程中同时使用直链单元醇及支链单元醇的实施例1所得的基础油会同时具有低黏度(不高于15cSt)、高闪火点(不低于250℃)、低倾点(不高于0℃)及高极压的特性。
综上所述，本发明基础油中的酯化合物由于是由同时包括至少一种C4～C22直链单元醇及至少一种C4～C22支链单元醇的单元醇组分所制得，因此，本发明的基础油能同时具有低黏度、高闪火点、低倾点及高极压的特性，所以确实能达成本发明的目的。

Claims (5)

1.一种基础油，包含由脂肪酸组分与单元醇组分反应所制得的酯化合物；其特征在于：
该脂肪酸组分包括C4～C28饱和脂肪酸及C4～C28不饱和脂肪酸中的至少一者；
该单元醇组分包括至少一种C4～C22直链单元醇及至少一种C4～C22支链单元醇，
该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇包括至少三种单元醇，其中，至少一种单元醇的碳数为4～11，至少一种单元醇的碳数为12～15，以及至少一种单元醇的碳数为16～22；
以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为12～15的至少一种单元醇的重量范围为90～99.8wt％。
2.根据权利要求1所述的基础油，其特征在于：在该至少一种C4～C22直链单元醇及该至少一种C4～C22支链单元醇中，至少一种单元醇的碳数为12～13，以及至少一种单元醇的碳数为14～15。
3.根据权利要求2所述的基础油，其特征在于：以该单元醇组分的总重为100wt％计，该碳数为12～13的至少一种单元醇的重量范围为10～70wt％，该碳数为14～15的至少一种单元醇的重量范围为10～70wt％。
4.根据权利要求1所述的基础油，其特征在于：以该单元醇组分的总重为100wt％计，该至少一种C4～C22支链单元醇的重量不小于40wt％。
5.一种润滑油，其特征在于包含：如权利要求1所述的基础油。
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