CN113692438B - 具有改进的低温性能的牵引流体 - Google Patents

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Abstract

发现包含2,4‑二环己基‑2‑甲基戊烷(HAD)和2,3‑二环己基‑2,3‑二甲基丁烷(异‑HAD)的共混物的牵引流体与只有HAD或只有异‑HAD作为基础流体的牵引流体相比在低温下具有较低的粘度，且不影响牵引系数。牵引流体可包含添加剂。牵引流体通常包含约8:1至约1:3的HAD：异‑HAD。此外，HAD：异‑HAD牵引流体共混物通过从α苯乙烯二聚体和异‑HAD前体同时共生产氢化HAD和氢化异‑HAD的方法生产，该方法中的产率为约90％，该方法不需要纯化步骤。

Description

具有改进的低温性能的牵引流体
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年3月13日提交的美国临时专利申请第62/817732号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及一种用于IVT的牵引流体共混物，其在低温下具有改进的粘度。还公开了一种同时氢化分子共混物以生产牵引流体基础油的方法。
背景技术
牵引流体依靠其高的剪切强度在诸如连续可变传动装置(continuous variabletransmission，CVT)或无限可变传动装置(infinite variable transmission，IVT)的装置中提供扭矩传动。这种传动允许与内燃机无缝集成，以实现最佳发动机性能和最高燃油效率。在1999年，环形连续可变传动装置(toroidal continuous variable transmission，T-CVT)汽车被引入市场，并且用于T-CVT的牵引流体在流体的高牵引系数和低温流动性方面要求高水平的性能。
发明内容
现在将描述异-HAD(一种自身在低温下固化的分子)可以改进HAD：异-HAD共混物在低温下的流动性的出人意料且非显而易见的发现。
一种在低温下提供改进的流动性的牵引流体是式I、式II和一种或多种添加剂的共混物：
Figure GDA0003740338180000011
Figure GDA0003740338180000021
作为共混物的牵引流体在低温下具有改进的较低粘度的特性，且对流体的总牵引系数没有影响。
还提供了制造牵引流体共混物原料的方法。该方法具有以下优势：在反应容器中同时氢化HAD前体和异-HAD前体，使得反应产物不需要纯化并且即刻以优选混合比含有HAD和异-HAD。反应产物是HAD和异-HAD的共混物，其然后可以与添加剂结合以形成成品牵引流体。
在该方法中，HAD前体不仅用作反应物，还用作异-HAD前体的溶剂。
其他流体、方法、特征和/或优势在审阅以下附图和详细描述后变得或将变得明显。旨在将所有这些额外的流体、方法、特征和优势包括在本说明书中并受到所附权利要求的保护。
附图说明
在附图中，给出了化学式、化学结构和实验数据，它们与下面提供的详细描述一起描述了示例性实施方式。
图1是示出不同组成的流体的粘度随着温度变化而变化的图。
图2A至图2C示出根据本发明的方法制备的共生产的氢化α甲基苯乙烯二聚体和氢化异-HAD的NMR谱。
具体实施方式
将详细描述牵引流体共混物。
HAD
Tsubouchi等人(Lubrication Science 2004，16(4)，393-403)报道了设计具有高牵引系数的分子结构的参数，包括高分子刚度、大尺寸、短亚烷基链长度、高熔点和低分子极性，用于获得良好的牵引系数。行业上使用专门设计的牵引流体，例如氢化α甲基苯乙烯二聚体(HAD)，其具有优异的牵引系数和低温粘度—关键性能参数，包括：熔点-30℃，沸点112℃(0.7mm Hg)。据报道，HAD的牵引系数为在140℃下0.058，滑滚比为5％，最大赫兹压力为1.1GPa(Japanese Journal of Tribology，第38卷，3，1993)。HAD(CAS 38970-72-8；2,4-二环己基-2-甲基戊烷)的化学结构如式I所示：
Figure GDA0003740338180000034
异HAD
异HAD(CAS 5171-88-0；2,3-二环己基-2,3-二甲基丁烷)的化学结构如式II所示：
Figure GDA0003740338180000032
HAD/异HAD共混物
表1比较了式I和式II的性质。
Figure GDA0003740338180000033
Figure GDA0003740338180000041
添加剂
除了式I和式II的共混物之外，牵引流体可包含添加剂。可以添加可以改进牵引流体的特性或功能的任何添加剂。牵引流体还可包含大于约0.01(w/w)％且小于约20(w/w)％的量的添加剂。任何一种添加剂的量可以为0.01(w/w)％至小于约20(w/w)％的量。如果将超过一种添加剂加入到制剂中，则存在的添加剂的总量可以为0.01(w/w)％至小于约20(w/w)％的量。替选地，0.01(w/w)％至小于约20(w/w)％的量可以指牵引流体中存在的每种添加剂。
添加剂可以包括消泡剂，其可以以约0.1(w/w)％的量存在。消泡剂可以是有机酸酯和硅氧烷或硅酮基流体的混合物。牵引流体可包含一种、两种或超过两种消泡剂。消泡剂可包含任何合适的去沫剂。
牵引流体还可包含粘度调节剂。根据成品流体的目标粘度，粘度调节剂可以以0.1(w/w)％至10(w/w)％的量存在。
牵引流体可包含额外的添加剂、例如添加剂包，包括抗氧化剂、抗磨剂、极压剂、去垢剂、分散剂、消泡剂、防锈剂、摩擦调节剂、腐蚀抑制剂、粘度调节剂。添加剂包可以以大于约0.01(w/w)％且小于约20(w/w)％的量添加。添加量也可以由在约0.01(w/w)％至小于约20(w/w)％的范围内发现的任何单个数字(例如5(w/w)％或7.8(w/w)％)描述。添加剂可包含单一成分(例如一种消泡剂)、可基本上由单一成分组成或由单一成分组成。替选地，添加剂可包含市售添加剂包、可基本上由市售添加剂包组成或由市售添加剂包组成。添加剂可包含粘度调节剂、可基本上由粘度调节剂组成或由粘度调节剂组成。添加剂可包含消泡剂、粘度调节剂和传动添加剂包(transmission additive package)的组合，可基本上由该组合组成或由该组合组成。
牵引流体还可任选地包含传动添加剂包。传动添加剂包可以以大于约0.01(w/w)％且小于约20(w/w)％的量添加。添加量也可以由在约0.01(w/w)％至小于约20(w/w)％的范围内发现的任何单个数字(例如5.7(w/w)％或9.0(w/w)％)描述。
牵引流体可包含式I的分子和式II的分子的共混物:
Figure GDA0003740338180000051
作为式I和式II的共混物的牵引流体还可以包含一种或多种选自由以下组成的组的添加剂：消泡剂、抗氧化剂、抗磨剂、极压剂、去垢剂、分散剂、防锈剂、摩擦调节剂、腐蚀抑制剂和粘度调节剂。
一起考虑的所有添加剂可以以约0.01(w/w)％至约20(w/w)％的量存在，其中式I和式II的共混物以约80(w/w)％至99.99(w/w)％的量存在。
牵引流体可以包含第一添加剂(其为约0.1(w/w)％的量的消泡剂)、第二添加剂(其为约2(w/w)％的量的粘度调节剂)、和第三添加剂(其为约5.7(w/w)％的量的传动添加剂包)。添加剂可包含消泡剂、粘度调节剂和传动添加剂包，可基本上由消泡剂、粘度调节剂和传动添加剂包组成或由消泡剂、粘度调节剂和传动添加剂包组成。
牵引流体可以以约92(w/w)％至约94(w/w)％的量包含式I和式II的共混物。
牵引流体可描述如下。式I和式II相对于彼此的量可由混合比来定义。混合比(HAD：异-HAD)表示HAD(w/w)％相对于异HAD(w/w)％的量。最优选地，HAD：异-HAD的混合比为8:1至1:3。甚至更优选地，HAD：异HAD的混合比为1:1至1:3。
作为式I(HAD)和式II(异-HAD)的共混物的牵引流体的特征在于：粘度低于仅包含式I或式II作为基础流体的牵引流体的粘度，和/或牵引系数近似等于仅包含式I或式II作为基础流体的牵引流体。
作为式I和式II的共混物的牵引流体的特征在于：牵引流体共混物的粘度比仅包含式I作为基础流体的牵引流体的粘度低约25％至30％。此外，牵引流体共混物的牵引系数通常在仅包含式I作为基础流体的牵引流体的牵引系数的约1％以内。即，所测量的牵引系数的变化与仅包含式I的牵引流体共混物的牵引系数的变化不大于牵引系数值的1％。类似地，当牵引流体HAD：异HAD共混物与包含HAD(式I)的牵引流体比较时，通过Brookfield粘度在-30℃下(cP)测量的共混物的粘度变化与仅使用HAD作为基础流体的流体相比不超过30％。仅包含式II的牵引流体具有不可测量的在-30℃下的Brookfield粘度，因为其在该温度下凝固，而其牵引系数略高于式I和式II的共混物的牵引流体。
HAD和异HAD的共合成
发明人先前在2018年12月10日提交的美国专利申请16/214,867中公开了一种用于从α甲基苯乙烯生产HAD的新型的可规模化的方法。
现在将详细描述α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD前体的同时共氢化的可规模化的、经济的和安全的流程。这些流程通常导致共产物的产率大于90％。
该方法可以概括如下：
Figure GDA0003740338180000061
HAD和异-HAD的共合成方法不需要纯化步骤。
共合成方法还提供了制备用于氢化的异-HAD前体的方便方法，因为HAD前体在作为反应物的同时另外是异-HAD前体的溶剂。
术语共合成、共生产、共产物均指将HAD前体和异-HAD前体加入到反应物容器中并且两者在同一反应物容器中同时进行氢化反应。
该方法包括在氮气下将包含Ru/C或Rh/C的催化剂、α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD前体加入具有涡轮叶轮的哈斯特(Haste)合金反应器中以形成反应混合物。然后在压力下加热反应混合物直到α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD前体的氢化完成。为了回收氢化α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD，将反应混合物在氮气下通过硅藻土床过滤以除去催化剂。在该方法中，催化剂可以从硅藻土床中回收并再循环用于再次使用。该生产方法是无溶剂的或添加一定量的质子溶剂(例如异丙醇)。反应时间从约6小时至22小时不等。通过提高温度和压力可以缩短反应时间。
可以通过对反应混合物的样品进行薄层色谱法来监测氢化反应的完成。当氢消耗停止时，反应完成。同样，反应混合物的样品可以通过核磁共振(NMR)谱中芳族峰的缺失来分析。气相色谱质谱(GCMS)或任何其他技术也可用于评价氢化反应的完成度。
由此提供了一种用于共制备HAD和异-HAD的方法，包括：在氮气下将包含Ru/C或Rh/C的催化剂加入反应器中；将α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD前体加入反应器中，从而形成催化剂、α甲基苯乙烯二聚体、异-HAD前体反应混合物；在压力下加热反应混合物直到α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD前体的氢化完成；在氮气下通过硅藻土床过滤反应混合物，从而获得氢化α甲基苯乙烯二聚体(HAD)和氢化异-HAD(异-HAD)共产物。
该方法的反应可以进行约6小时至约22小时直至完成。该方法的加热可以包括：以在环境温度下在反应器中形成反应混合物开始，并且将反应混合物的温度升高至约110℃或升高至约125℃直至反应完成。反应器中的反应混合物可以在约14Kg/cm2至约15Kg/cm2的压力下。可以将反应器中的反应混合物不断搅拌。
该方法还可以包括通过核磁共振光谱测试过滤的氢化α甲基苯乙烯二聚体产物来监测反应完成度的步骤。
该方法包括以下反应条件：将等量的α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD前体加入反应混合物中，或者α甲基苯乙烯二聚体：异-HAD前体加入反应混合物中的比率为约8:1至约1:3的比率。
实施例
实施例1：HAD和异-HAD的牵引流体共混物
制备了HAD(式I)和异HAD(式II)的共混物的组合物，并总结在表2中：
流体 A B C D E F G H I J K
HAD:异HAD 8:1 3:1 2:1 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6
HAD 92.2 82.2 69.5 62.13 46.78 31.23 23.56 18.85 15.7 11.72
异-HAD 10 23.4 31.07 46.78 62.47 70.64 75.35 78.5 82.03 94.2
VM 2 2 1.3 1 0.64 0.5 0.45
DI 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7 5.7
消泡剂 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
总计 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
KV100(cSt) 4.88 4.99 4.79 4.75 4.74 4.89 4.76 4.84 4.88 5.23 5.15
KV40(cSt) 26.73 27.29 27.13 27.71 27.78 29.24 28.7 29.37 29.94 31.68 32.11
牵引系数 0.0942 0.0948 0.0946 0.0947 0.0949 0.095
BF-30C(cP) 26200 24800 24000 22600 19900 19500 19150 19100 20300 凝固 凝固
BF-40C(cP) 228000 164800 162500 158200 凝固 凝固 凝固 凝固
在表2中，使用了以下缩写：HAD是指式I；异-HAD是指式II，DI是指传动添加剂包；VM是指粘度调节剂；KV100(cSt)和KV40(cSt)分别是指在100℃和40℃下的运动粘度；牵引系数是指在90℃，5％SRR，1.25GPa下的牵引系数；BF-30(cP)和BF-40(cP)分别指在-30℃和-40℃下的Brookfield粘度。
现在参考图1，示出根据温度的流体A、流体E、流体K、100％异-HAD(无添加剂)的流体、和100％HAD(无添加剂)的流体的粘度。混合比为1:1的流体E具有比流体A更低的粘度，并且比在较低温度下凝固的流体K具有改进的粘度。
从表2中可以看出，组合物包含总量至多约7.8(w/w)％的添加剂(传动添加剂包、消泡剂和粘度调节剂)。式I和式II的量是变化的。HAD：异-HAD的混合比表征了牵引流体组合物中的式I和式II对于彼此的量。牵引系数是在90℃、1.25GPa的压力、5％的滑滚比下测得的。对于Brookfield粘度，“凝固”表示流体凝固时粘度太高而无法测量。
从表2中可以看出，牵引系数随着共混物中式II(异-HAD)量的增加而略微增加(比较流体A(100％HAD)与流体B至流体K的牵引系数)。不希望受理论束缚，但这可能是因为式I(HAD)的牵引系数低于式II(见表1)。然而，在-30℃下的Brookfield粘度随着异-HAD浓度的增加而降低，并在流体E至流体I达到平台。在-30℃下的Brookfield粘度在1:6的混合比下增加。在-40℃下的Brookfield粘度在1:4的混合比下增加。最优选地，具有1:1至1:3的HAD：异-HAD混合比的流体E、流体F和流体G的制剂提供性能(牵引系数)和粘度(Brookfield粘度)之间的最佳平衡。
来自HAD和异-HAD的共混物的牵引流体(表2中的流体B至流体J)具有比仅具有HAD的牵引流体(流体A)或仅具有异-HAD的牵引流体(流体K)更低的低温粘度。不希望受理论束缚，这种现象背后的原因可能是由于在异-HAD凝固前，异-HAD的粘度实际上低于HAD的粘度，如图1中的流变仪测试所证明的粘度突然增加表明流体凝固。
来自HAD和异-HAD的共混物的牵引流体具有比异-HAD低的凝固点，同时具有比HAD低的粘度。
实施例2：HAD和异HAD的共合成
在具有涡轮叶轮的一升Haste合金反应器中，添加根据表3的催化剂。在一些实施例中，在氮气下向催化剂中加入异丙醇。向所得催化溶液中加入α甲基苯乙烯二聚体(AMS)和异-HAD前体。用搅拌器以700RPM的恒定速率搅拌反应混合物。将反应混合物加热至表3中所示的温度和压力。通过薄层色谱法或NMR监测反应的完成，并且当指示不再有氢消耗时，将反应混合物在氮气下通过硅藻土床过滤。还通过核磁共振(NMR)分析产物。产率为约90％至92％。
结果如表3所示：
Figure GDA0003740338180000101
如图2A和图2B的NMR谱所证明，芳族峰的缺失表明氢化反应完成。相反，图2C表明不完全反应。图2C的不完全反应可以通过增加温度和压力来完成。增加温度和压力也可用于缩短反应时间。
在第四个反应中，HAD前体充当溶剂和反应物。HAD前体为液态，而异-HAD前体为固体物理状态，首先将异-HAD和HAD的浆料混合，然后加入到反应容器中。
氢化反应通常在极性溶剂中进行。此处，HAD前体可充当异-HAD的溶剂。因此，HAD提供了一种极性介质，但由于它也是反应物，随着反应进行，更多的HAD被氢化，因此不能作为极性溶剂。不希望受理论束缚，推测这就是反应开始时较快的原因，但随着反应混合物在性质上缓慢地变成非极性，反应变慢并且因此可能需要反应时间例如22小时。
已经以示例的形式描述了某些实施方式。不可能描述每个潜在的应用。因此，尽管相当详细地描述了实施方式，但并不意图将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于这种细节或任何特定实施方式。
就说明书或权利要求书中使用术语“包括(includes)”或“包含(including)”而言，其意在以与术语“包含(comprising)”相似的方式(此术语在用作权利要求中的过渡词时所理解的)包括在内。此外，就采用术语“或”(例如，A或B)而言，其旨在表示“A或B或两者”。当意在“仅A或B但不是两者”时，则将采用术语“仅A或B但不是两者”。因此，本文中使用术语“或”是包括性的，而不是排他性使用。如说明书和权利要求书中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数。最后，当术语“约”与数字结合使用时，其意在包括数字的±10％。例如，“约10”可以表示9至11。术语HAD可用于指氢化α甲基苯乙烯二聚体或α烯烃的氢化二聚体，或任何涉及式I所示图或定义为HAD的其他术语。
如上所述，尽管已经通过实施方式的描述示出了本申请，并且尽管已经相当详细地描述了实施方式，但是无意于将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于这样的细节。受益于本申请，本领域技术人员将容易想到其他的优点和修改。因此，本申请在其更广泛的方面不限于所示出的具体细节和说明性实施例。可以在不脱离总体发明构思的精神或范围的情况下，偏离这样的细节和实施例。

Claims (19)

1.一种牵引流体，包含式I的分子和式II的分子的共混物：
Figure FDA0003740338170000011
其中，式I和式II的所述共混物以80(w/w)％至99.99(w/w)％的量存在，
并且其中，式I以18(w/w)％至82(w/w)％的量存在，并且式II以10(w/w)％至75(w/w)％的量存在。
2.根据权利要求1所述的牵引流体，还包含一种或多种选自由以下组成的组的添加剂：消泡剂、抗氧化剂、抗磨剂、极压剂、去垢剂、分散剂、防锈剂、摩擦调节剂、腐蚀抑制剂和粘度调节剂。
3.根据权利要求2所述的牵引流体，其中，所述添加剂以0.01(w/w)％至20(w/w)％的量存在。
4.根据权利要求1所述的牵引流体，还包含添加剂，其中，一种添加剂是量为0.1(w/w)％的消泡剂，第二添加剂是量为2(w/w)％的粘度指数调节剂，并且第三添加剂是量为5.7(w/w)％的传动添加剂包。
5.根据权利要求1所述的牵引流体，其中，式I和式II的所述共混物以92(w/w)％至94(w/w)％的量存在。
6.根据权利要求1所述的牵引流体，其中，式I以23(w/w)％至46(w/w)％的量存在，并且式II以46(w/w)％至70(w/w)％的量存在。
7.根据权利要求1所述的牵引流体，其中，所述牵引流体的式I(w/w)：式II(w/w)的比率为1:1至1:3。
8.根据权利要求1所述的牵引流体，其中，式I和式II的所述共混物的特征在于：
通过测量在-30℃下的Brookfield粘度所确定的粘度低于仅包含式II作为基础流体的牵引流体的粘度；或者
在90℃、5％SRR、1.25GPa下的牵引系数等于仅包含式I作为基础流体的牵引流体。
9.根据权利要求1所述的牵引流体，其中，
牵引流体共混物的在-30℃下的Brookfield粘度比仅包含式II的牵引流体的在-30℃下的Brookfield粘度低25％至30％；或者
牵引流体共混物的在90℃、5％SRR、1.25GPa下的牵引系数在仅包含式I的牵引流体的在90℃、5％SRR、1.25GPa下的牵引系数的1％以内。
10.一种用于共制备HAD和异-HAD的方法，所述方法包括：
在氮气下将包含Ru/C或Rh/C的催化剂加入反应器中；
将α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD前体加入所述反应器中，从而形成催化剂、α甲基苯乙烯二聚体和异-HAD前体反应混合物；
在压力下加热所述反应混合物直到所述α甲基苯乙烯二聚体和所述异-HAD前体的氢化完成；和
在氮气下通过硅藻土床过滤所述反应混合物以除去所述催化剂，从而获得氢化α甲基苯乙烯二聚体HAD和异-HAD共产物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述α甲基苯乙烯二聚体和所述异-HAD前体在加入所述反应器之前彼此混合，并且所述α甲基苯乙烯二聚体既是反应物，又是所述异-HAD前体的溶剂。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括在过滤步骤后从所述硅藻土床回收所述催化剂并在随后的反应中再使用所述催化剂。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，反应进行6小时至22小时直至完成。
14.根据权利要求11所述的方法，加热处理的特征还在于，以在环境温度下在所述反应器中形成所述反应混合物开始，并将所述反应混合物的温度升高至110℃至125℃。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述反应器中的所述反应混合物在14Kg/cm2至15Kg/cm2的压力下。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述反应器中的所述反应混合物不断搅拌。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括通过核磁共振测试过滤的HAD和异-HAD产物来监测反应完成度的步骤。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述α甲基苯乙烯二聚体和所述异-HAD前体以等量加入反应中。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，加入反应中的α甲基苯乙烯二聚体(w/w)：异-HAD前体(w/w)的比率为8:1至1:3的比率。
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