CN114364771A - 防止发动机中金属部件腐蚀和/或摩擦腐蚀的润滑剂组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种润滑剂组合物,所述润滑剂组合物包括:‑至少一种基础油;‑0.1~30重量%的式(A)的咪唑啉化合物,式(A)被定义为:‑R1表示含1~16个碳原子的直链或支链的烷基或烯基,任选地在所述链的末端被选自NH2、OH或SH的基团取代;以及‑R2表示含1~36个碳原子的直链或支链的烷基或者烯基。
Description
技术领域
本发明涉及特别是用于发动机的新型润滑剂组合物,尤其是用于防止发动机,特别是二冲程发动机,例如,船用二冲程发动机中的金属部件的腐蚀和/或摩擦腐蚀的新型润滑剂组合物。本发明还涉及一种用于钝化发动机,特别是二冲程发动机,例如,船用二冲程发动机的金属部件的方法。
背景技术
自2011年以来,当发动机在非常低的负载(最大负载的25%或更少)下运行时,过度腐蚀,甚至是不受控制的腐蚀的存在变得更加普遍。现有发动机的最新设计(其遵循越来越严格的约束)也存在这种过度腐蚀。即使在不久的将来(2020年),船用发动机燃料中的硫含量将降低以符合法规(SOx排放量),但是对于许多发动机操作,尤其是二冲程发动机仍然没有解决腐蚀问题。
燃油燃烧会形成酸性气体,特别是氧化硫(SO3,其通过SO2氧化来形成),它们与发动机的金属部件接触。在存在水的情况下,SO3水解成硫酸H2SO4,其是发动机部件腐蚀的原因。其他酸如硝酸、具有一种或多种羧酸官能团的化合物或这些酸的组合也可能是引起发动机部件腐蚀和/或摩擦腐蚀的原因。
酸腐蚀发生在活塞环-汽缸内衬组件的摩擦系统中。在该区域中,润滑的发动机中观察到的摩擦是往复滑动型摩擦。
对于船用发动机,特别是二冲程船用发动机,润滑剂组合物被分为两大类:确保活塞-汽缸组件的润滑的汽缸油;和确保除了活塞-汽缸组件以外的所有运动部件的润滑的系统油。
当发动机在运转时,汽缸油会散布在汽缸上,并且在活塞与汽缸壁之间形成薄油膜。该膜起到以下三种作用:
-确保两个表面之间隔开以避免粘着磨损;
-在燃烧室中形成的硫酸滴到达汽缸并且通过腐蚀和/或摩擦腐蚀引起磨损之前中和所述硫酸滴;
-分散可能形成在每个表面上的任何沉积物以保持其清洁。
用于发动机,特别是用于当前使用的船用发动机的润滑剂组合物包括基础油,该基础油中添加了分散剂和高碱性去污剂。这些高碱性去污剂通常包括具有表面活性剂外壳的碳酸钙CaCO3核心。碳酸钙与硫酸反应以形成特别是硫酸钙(CaSO4)。介质中硫酸的降低可以保护部件免受腐蚀和/或摩擦腐蚀。
为了确保这种保护,所使用的润滑剂组合物必须具有足够的碱性(特别是中和掉酸),这意味着增加这些组合物中所包含的去污剂的量。
因此,目前市场上的润滑剂组合物的碱性指数(BN)大于70。
但是,增加这些润滑剂组合物中去污剂的量会导致CaCO3和CaSO4颗粒数量增加,这是因抛光(或磨蚀)金属发动机部件(包括二冲程发动机,例如,船用二冲程发动机的汽缸)的表面而导致磨损的原因。此外,当摩擦是往复滑动型摩擦时,使用当前可获得的润滑剂组合物不能完全保护发动机金属部件免受腐蚀和/或摩擦腐蚀,特别是不能完全保护二冲程发动机的金属部件免受摩擦腐蚀。
因此,需要提供一种润滑剂组合物,所述润滑剂组合物允许改善发动机,特别是二冲程发动机,例如,船用二冲程发动机的金属部件的保护以防止腐蚀和/或摩擦腐蚀。
还需要提供一种允许降低其碱性指数的润滑剂组合物。
发明内容
本发明的目的是提供一种润滑剂组合物,其允许改善发动机,典型是二冲程发动机,特别是船用二冲程发动机的金属部件的保护以防止腐蚀和/或摩擦腐蚀。
本发明更具体地涉及提供用于二冲程发动机,特别是用于船用二冲程发动机的汽缸油。
本发明的另一个目的是提供具有降低的碱性指数的润滑剂组合物。
通过阅读本发明的以下描述,其他目的将变得显而易见。
这些发明目的是通过如下润滑剂组合物的本发明得以实现,所述润滑剂组合物包括:
-至少一种基础油;和
-0.1~30重量%的式(A)的咪唑啉化合物:
其中:
-R1表示直链或支链的烷基,所述烷基包含1~16个碳原子,优选1~12个碳原子,有利地2~8个碳原子,任选地在所述链的末端被选自NH2、OH或SH中的基团取代,或者R1表示直链或支链的烯基,所述烯基包含2~16个碳原子,优选2~12个碳原子,有利地2~8个碳原子,任选地在所述链的末端被选自NH2、OH或SH中的基团取代。优选地,R1表示直链或支链的烯基,其包含2~8个碳原子,优选2~6个碳原子,有利地2~4个碳原子,并且在所述链的末端被NH2取代;以及
-R2表示直链或支链的烷基,所述烷基包含1~36个碳原子,优选4~28个碳原子,有利地8~24个碳原子,或R2是直链或支链的烯基,所述烯基包含2~36个碳原子,优选4~28个碳原子,有利地8~24个碳原子。
具体实施方式
在一种实施方式中,R1是直链或支链的烷基,所述烷基包含1~12个碳原子,优选2~8个碳原子,更优选2~6个碳原子,甚至2~4个碳原子,所述基团R1优选在所述烷基链的末端被-NH2基团取代;和或
在一种实施方式中,R2是包含4~28个碳原子,优选8~24个碳原子的直链或支链的烷基或烯基。优选地,R2是包含4~28个碳原子,优选8~24个碳原子的直链或支链的烯基。
优选地,R2基团是包含至少一个双键的烯基。优选地,所述双键相对于所述咪唑啉官能团位于所述烯基的C-8、C-9。
具体实施方式
根据本发明的一种具体实施方式,包括在润滑剂组合物中的基础油选自矿物油、合成油或植物油及其混合物。
通常在本申请中使用的矿物油或合成油属于API分类(例如,下表中所概括的)中所定义的类别之一。
[表1]
表1:基础油的API分类
第1组矿物油可以通过蒸馏选择的环烷烃或链烷烃原油,然后通过诸如溶剂萃取、溶剂或催化脱蜡、加氢处理或加氢等方法来纯化这些馏出物来获得。
第2组和第3组油是通过更严格的提纯工艺,例如,加氢处理、加氢裂化、加氢和催化脱蜡的组合来获得的。
第4和5组合成的基础油的实例包括聚α-烯烃、聚丁烯、聚异丁烯、烷基苯。
可以单独或混合使用这些基础油。矿物油可以与合成油结合使用。
用于船用二冲程发动机的汽缸油的粘度等级为SAE-40至SAE-60,通常为SAE-50,相当于16.3~21.9mm2/s的100℃下运动粘度。
40级油具有12.5~16.3mm2/s的100℃下运动粘度。
50级油具有16.3~21.9mm2/s的100℃下运动粘度。
60级油具有21.9~26.1mm2/s的100℃下运动粘度。
根据该行业的实践,优选配制用于二冲程船用发动机的汽缸油具有18~21.5mm2/s,优选为19~21.5mm2/s的100℃下运动粘度。
所述粘度可以通过将添加剂和基础油混合来获得,所述基础油例如包含第1组矿物基础油如中性溶剂基础油(例如,500NS或600NS)和重质高粘度润滑油(Bright Stock)。可以使用具有粘度的矿物源、合成源或蔬菜源的基础油与添加剂混合的任何其他组合(可与SAE-50相容)。
通常,用于船用慢速二冲程发动机的汽缸润滑剂的常规配方为SAE-40至SAE-60,优选为SAE-50(根据SAE J300标准),并且包含至少50重量%的矿物来源和/或合成来源的润滑基础油,其适用于船舶发动机,例如,API分类的第1组,即通过蒸馏选择的原油,然后通过诸如溶剂萃取、溶剂或催化脱蜡、加氢处理或氢化等方法纯化这些馏出液来获得的。它们的粘度指数(VI)在80~120之间。它们的硫含量大于0.03%,并且饱和物含量小于90%。
有利地,相对于所述组合物的总重量,本发明的润滑剂组合物包含至少50重量%的基础油。
更有利地,相对于所述组合物的总重量,本发明的润滑剂组合物包含至少60重量%,甚至至少70重量%的基础油。
尤其有利地,相对于所述组合物的总重量,本发明的润滑剂组合物包含60~99.9重量%的基础油,优选70~98重量%的基础油。
优选地,本发明的润滑剂组合物还包含至少一种选自去污剂、分散剂及其混合物中的添加剂。
在本发明的润滑剂组合物中使用的去污剂是本领域技术人员众所周知的。
在本发明的上下文中,通常在润滑剂组合物的配方中使用的去污剂是包含长亲脂性烃链和亲水性头部的阴离子化合物。缔合的阳离子是碱金属或碱土金属的金属阳离子。
所述去污剂优选选自羧酸的碱金属或碱土金属的盐、磺酸盐、水杨酸盐、环烷酸盐以及酚盐。
碱金属和碱土金属优选为钙、镁、钠或钡。
这些金属盐可以包含大约化学计量比的金属。在这种情况下,使用术语“非高碱性”或“中性”去污剂,尽管它们也提供了一些碱性。这些“中性”去污剂通常具有小于150mgKOH/g、或小于100mg KOH/g、或甚至小于80mg KOH/g的根据ASTM D2896测量的BN。
这些类型的所谓中性去污剂可以部分地有助于根据本发明的润滑剂的BN。例如,中性去污剂使用碱金属和碱土金属如钙、钠、镁或钡的羧酸盐、磺酸盐、水杨酸盐、酚盐、环烷酸盐类。
当所述金属过量(大于化学计量)时,所述去污剂据说是高碱性。它们具有例如大于150mg KOH/g,典型地200~700mg KOH/g,通常250~450mg KOH/g的高BN。
为去污剂提供高碱性的过量金属是以不溶于油的金属盐的形式,例如,碳酸盐、氢氧化物、草酸盐、乙酸盐、谷氨酸盐,优选碳酸盐。
在同一种高碱性去污剂中,这些不溶性盐的金属可以与油溶性去污剂的金属相同,或者它们可以不同。优选地,它们选自钙、镁、钠或钡。
因此,高碱性去污剂为胶束形式,其由油溶性金属盐形式的去污剂保持悬浮在润滑剂组合物中的不溶性金属盐组成。
包含单一类型的可溶金属盐去污剂的高碱性去污剂通常以后一种去污剂的疏水链的性质来命名。
因此,根据该去污剂分别是羧酸盐、酚盐、水杨酸盐、磺酸盐或者环烷酸盐,它们被认为是羧酸盐、酚盐、水杨酸盐、磺酸盐、环烷酸盐类型。
如果胶束包含几种类型的去污剂,它们的疏水链的性质彼此不同,则高碱性去污剂被称为混合型。
对于用于本发明的润滑剂组合物,油溶性金属盐优选为钙、镁、钠或钡的羧酸盐、酚盐、磺酸盐、水杨酸盐和混合的酚盐-磺酸盐和/或水杨酸盐去污剂。
赋予高碱性的不溶性金属盐是碱金属和碱土金属的碳酸盐,优选碳酸钙。
优选地,用于本发明的润滑剂组合物的去污剂是碳酸钙高碱性去污剂,其选自羧酸盐、酚盐、磺酸盐、水杨酸盐和混合的酚盐-磺酸盐-水杨酸盐去污剂。
有利地,相对于所述润滑剂组合物的总重量,本发明的润滑剂组合物可以包含3~40重量%,优选5~30重量%,有利地10~25重量%的去污剂。
分散剂是用于润滑剂组合物的配制中公知的添加剂,特别是用于船用领域。它们的主要作用是使最初存在或出现在润滑剂组合物中的颗粒在其用于发动机的整个使用期间保持悬浮状态。他们通过发挥空间位阻来防止颗粒结块。它们还可以对中和表现出协同作用。
在本发明的上下文中,用作润滑剂添加剂的分散剂包含极性基团,所述极性基团与相对长的烃链(通常含有50~400个碳原子)相关。所述极性基团通常包含至少一种氮元素或氧元素。
衍生自琥珀酸的化合物是分散剂,具体用作润滑添加剂。具体地,使用通过琥珀酸酐与胺的缩合而获得的琥珀酰亚胺、通过琥珀酸酐与醇或多元醇的缩合而获得的琥珀酸酯。
然后可以用各种化合物(包括硫、氧、甲醛、羧酸和含硼或锌的化合物)处理这些化合物,以产生例如硼酸化的琥珀酰亚胺或锌封端的琥珀酰亚胺。
通过烷基取代的酚、甲醛和伯胺或仲胺的缩聚反应而制得的曼尼希碱也是用作润滑剂中的分散剂的化合物。
优选地,本发明的分散剂选自琥珀酰亚胺如聚异丁烯双琥珀酰亚胺,任选地被硼酸化或被锌封端。
有利地,相对于所述润滑剂组合物的总重量,本发明的润滑剂组合物可以包含0.01~10重量%,优选0.1~5重量%,有利地0.5~3重量%的分散剂。
所述润滑剂组合物可以进一步包含至少一种抗磨损添加剂。
优选地,所述抗磨损添加剂是二硫代磷酸锌或ZDDP。在此类中,还发现了各种含磷化合物、含硫化合物、含氮化合物、含氯化合物和含硼化合物。
所述抗磨损添加剂的种类繁多,但使用最广泛的类型是磷硫添加剂,例如,金属烷基硫代磷酸盐,尤其是烷基硫代磷酸锌,更具体地,二烷基二硫代磷酸锌或ZDDP。
磷酸胺、多硫化物,尤其是含硫的烯烃也是常用的抗磨损添加剂。
在润滑剂组合物中,通常还会发现含氮类和含硫类抗磨损添加剂和极压添加剂,例如,金属二硫代氨基甲酸盐,尤其是二硫代氨基甲酸钼。甘油酯也是抗磨损添加剂。可以提及例如单、二和三油酸酯;单棕榈酸酯和单肉豆蔻酸酯。
根据一种具体的实施方式,相对于所述润滑剂组合物的总重量,所述润滑剂组合物包含:
-50~96.9重量%,优选60~95重量%,更优选70~90重量%的基础油;
-0.1~30重量%,优选0.5~20重量%,更优选1~10重量%的一种或多种式(A)的咪唑啉化合物;和
-3~40重量%,优选5~30重量%,更优选10~25重量%的去污剂;和
-任选地0.01~10重量%,优选0.1~5重量%,更优选0.5~3重量%的分散剂。
根据一种具体的实施方式,相对于所述润滑剂组合物的总重量,所述润滑剂组合物包含:
-60~99重量%,优选60~95重量%,更优选70~90重量%的基础油;
-0.1~30重量%,优选0.5~20重量%,更优选1~10重量%的一种或多种式(A)的咪唑啉化合物;和
-0.01~10重量%,优选0.1~5重量%,更优选0.5~3重量%的分散剂;和
-任选地3~40重量%,优选5~30重量%,更优选10~25重量%的去污剂。
所述润滑剂组合物还可以包含所有类型的适合其使用的功能添加剂,例如,消泡剂,其可以是极性聚合物如聚甲基硅氧烷、聚丙烯酸酯;抗氧化剂添加剂,例如,酚或胺类;和/或防锈添加剂,例如,有机金属化合物或噻二唑类。这些是本领域技术人员已知的。
在本发明的一种优选实施方式,式(A)的化合物是以下化合物(I):
在一种具体的实施方式中,相对于所述润滑剂组合物的总重量,所述润滑剂组合物包含:
-50~96.9重量%,优选60~95重量%,更优选70~90重量%的基础油;
-0.1~30重量%,优选0.5~20重量%,更优选1~10重量%的一种或多种咪唑啉化合物,包括至少一种上述定义的式(I)化合物;以及
-3~40重量%,优选5~30重量%,更优选10~25重量%的去污剂,其包含至少一种酚盐或磺酸盐类型的高碱性去污剂;和
-任选地0.01~10重量%,优选0.1~5重量%,更优选0.5~3重量%的分散剂。
在一种具体的实施方式中,相对于所述润滑剂组合物的总重量,所述润滑剂组合物包含:
-60~99重量%,优选60~95重量%,更优选70~90重量%的基础油;
-0.1~30重量%,优选0.5~20重量%,更优选1~10重量%的一种或多种咪唑啉化合物,包括至少一种以上定义的式(I)化合物;以及
-0.01~10重量%,优选0.1~5重量%,更优选0.5~3重量%的选自琥珀酰亚胺的分散剂;和
-任选地3~40重量%,优选5~30重量%,更优选10~25重量%的去污剂。
本发明还涉及根据本发明的润滑剂组合物用于润滑发动机,例如,二冲程发动机,尤其是船用二冲程发动机的至少一个金属部件的用途。
优选地,使用根据本发明的润滑剂组合物允许防止和/或减少所述发动机的所述金属部件的腐蚀和/或摩擦腐蚀。
本发明还涉及一种用于润滑发动机,例如,二冲程发动机,尤其是船用二冲程发动机的至少一个金属部件的方法,所述方法包括使发动机部件与根据本发明的润滑剂组合物接触。
本发明还涉及根据本发明的式(A)的化合物在包含至少一种基础油的润滑剂组合物中用于预防和/或减少发动机,例如,二冲程发动机,尤其是船用二冲程发动机的至少一个金属部件的腐蚀和/或摩擦腐蚀的用途。
本发明还涉及一种用于预防和/或减少发动机,例如,二冲程发动机,尤其是船用二冲程发动机的至少一个金属部件的腐蚀和/或摩擦腐蚀的方法,该方法包括用根据本发明的润滑剂组合物润滑所述金属部件。
本发明还涉及本发明的润滑剂组合物用于钝化发动机,例如,二冲程发动机,尤其是船用二冲程发动机的至少一个金属部件的用途。
本发明还涉及一种使发动机的至少一个金属部件钝化的方法,所述方法包括至少一个使所述金属部件与根据本发明的润滑剂组合物接触的步骤。
本发明还涉及根据本发明的式(A)的化合物在包含至少一种基础油的润滑剂组合物中用于钝化发动机,例如,二冲程发动机,尤其是船用二冲程发动机的至少一个金属部件的用途。
优选地,根据本发明的金属部件是汽缸或活塞。
有利地,所述金属部件由铸铁制成。
优选地,本发明的发动机是二冲程发动机。优选地,所述发动机是船用二冲程发动机。
优选地,所述发动机是消耗重质燃料油的发动机。为了本发明的目的,术语“重质燃料油”是指从石油蒸馏获得的重质馏分,任选地包含添加剂。
为了本发明的目的,术语“腐蚀”是指通过与氧化剂的化学反应来退化材料(优选金属的材料)。优选地,所述氧化剂是酸。优选地,所述酸是硫酸H2SO4。
为了本发明的目的,术语“摩擦腐蚀”应理解为是指在如上所定义的摩擦和腐蚀的联合作用下导致金属材料的降解和磨损的过程。
有利地,本发明中定义的式(A)的化合物用于汽缸润滑剂组合物中以降低二冲程发动机,例如,船用二冲程发动机的汽缸和活塞上的酸摩擦腐蚀。
附图说明
图1显示了在根据本发明的组合物CL和对比组合物CC的存在下进行的摩擦测试之后获得的铸铁板的深度轮廓图。
现在将借助于非限制性实施例来描述本发明。
实施例
实施例1:润滑剂组合物
表2的组合物(CL:本发明的润滑剂组合物;CC:对比润滑剂组合物)通过在60℃下将分散剂和/或去污剂以及添加剂混入基础油中来制备。
[表2]
表2:本发明的润滑剂组合物和对比润滑剂组合物
实施例2:磨损深度测试的结果
使用直径为6mm、曲率半径为50mm的钢棒(EN31)以及经800粒度的SiC砂纸抛光的铸铁板(FT 25),在往复式Biceri摩擦计上进行摩擦学测试。还对钢棒进行抛光以获得在50~100nm之间的粗糙度Ra。另外,在摩擦区域之外的铸铁板的区域已经涂覆有树脂。在测试结束之后去除该树脂。这样,树脂覆盖的区域在测试过程中不会被腐蚀,并且作为测量因腐蚀现象而引起的磨损痕迹深度的标准。
在每次测试之前,将润滑剂组合物加热至100℃,并通过“T”组件使其与在室温下的5M硫酸溶液(27重量%)接触。所述润滑剂组合物通过主通道到达,并且酸溶液通过垂直于主通道的通道供应。
这些测试的条件如下:
-温度:100℃
-压力:0.67GPa
-速度:0.02m/s
-轨道长度:5毫米
-时间:6小时。
在每次测试结束时,用乙二胺四乙酸(EDTA)溶液去除腐蚀产物,铸铁板的磨损通过白光干涉仪来进行分析,允许提供由腐蚀和/或摩擦腐蚀产生的磨损痕迹的3D轮廓。
这些3D轮廓提供了磨损痕迹的深度轮廓。图1显示了在如上所述的并且在根据本发明的润滑剂组合物CL和比较组合物CC的存在下进行的摩擦测试之后获得的铸铁板的深度分布。
这些测试的结果表明,在不存在式(I)的化合物的情况下,铸铁板在不与钢棒接触的区域(非接触区域)被腐蚀,并且在与钢棒接触的区域中观察到由于摩擦腐蚀而引起的磨损。式(I)化合物的存在改善了对腐蚀和摩擦腐蚀的防护。在不希望受任何理论束缚的情况下,添加剂允许形成第二保护层,该第二保护层通过在金属部件的表面与润滑剂组合物中的油之间形成物理屏障,通过添加去污剂来中和酸滴,由此防止腐蚀现象。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的组合物,进一步包括至少一种选自去污剂、分散剂及其混合物中的添加剂。
3.根据权利要求2所述的组合物,其中:
-相对于所述润滑剂组合物的总重量,去污剂的含量为3~40重量%,优选为5~30重量%,有利地为10~25重量%;和/或
-相对于所述润滑剂组合物的总重量,分散剂的含量为0.01~10重量%,优选为0.1~5重量%,有利地为0.5~3重量%。
4.根据权利要求2或3所述的组合物,其中,所述分散剂选自琥珀酰亚胺,例如,聚异丁烯双琥珀酰亚胺,任选地被硼酸化或被锌封端。
5.根据权利要求2~4中任一项所述的组合物,其中,所述去污剂是碳酸钙高碱性去污剂,选自羧酸盐、酚盐、磺酸盐、水杨酸盐以及混合的酚盐-磺酸盐-水杨酸盐去污剂。
7.式(A)的化合物,例如,权利要求1~6中所定义的式(A)的化合物在包含至少一种基础油的润滑剂组合物中用于防止和/或减少发动机,特别是二冲程发动机,例如,船用二冲程发动机中的至少一个金属部件的腐蚀和/或摩擦腐蚀的用途。
8.根据权利要求1~6中任一项所述的组合物用于预防和/或减少发动机,特别是二冲程发动机,例如,船用两冲程发动机中的至少一个金属部件的腐蚀和/或摩擦腐蚀的用途。
9.根据权利要求8所述的用途,其中,所述金属部件是汽缸,优选是铸铁汽缸。
10.一种用于钝化发动机,特别是二冲程发动机,例如,船用二冲程发动机中的至少一个金属部件的方法,包括至少一个使所述金属部件与根据权利要求1~6中任一项所述的润滑剂组合物接触的步骤。
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