CN115584293A - 润滑油摩擦改进剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了润滑油摩擦改进剂及其制备方法和应用,所述润滑油摩擦改进剂的化学式为A2B+C‑,其中,A为全氟聚醚油酰基,B+为氨基为端基的树状分子阳离子,C‑为BF4 ‑、PF6 ‑、FAP‑、TFSI‑、Mn2O4 ‑、ClO4 ‑。本发明的润滑油摩擦改进剂与氟油和氟脂的溶解性好,添加后在氟油和氟脂中不出现沉淀,并且可以明显改善诸如氟油和氟脂的润滑油的抗磨损性能。
Description
技术领域
本发明属于润滑油技术领域,特别涉及润滑油摩擦改进剂及其制备方法和应用。
背景技术
氟化工行业兴起于上个世纪三十年代。氟化合物因具有独特的性能,而得到了人们的广泛重视,并迅速应用于纺织、电子、航空航天、半导体、医疗等领域。随着科技的发展,越来越多的含氟精细化工产品被开发出来,其应用领域也愈加的广泛,氟化工产品已经成为生活中常见的化工产品,氟化工亦成为化工行业中的重要分支。
氟化工产品包括无机氟化合物和有机氟化合物。无机氟化合物包括氢氟酸、氧化氟化物、含氟气体以及氟盐等,全球无机氟产品约有近百种左右,无机氟化合物仍然是我国氟化工行业的主要产品。有机氟化合物是在无机氟化合物的基础上发展起来的,主要有ODS及其替代品、氟橡胶、氟涂料及含氟精细化学品等。随着氟化工的不断发展,其中性能独特的含氟精细化工产品对航空航天、汽车、医药、电子电器行业起到了重要的支撑作用,如应用于航天飞船的全氟聚醚油。同时,经济的快速发展为含氟精细化工产品的应用提供了广阔的应用空间,全球含氟精细化工产品已经超过了近万种,产值已经占到氟化工产业的70%,是氟化工乃至整个化工行业研究热点。
氟油由于具有高度稳定性、抗氧化性、抗腐蚀性的特性,日益受到人们的重视,目前已经广泛应用于纺织、化工、电子、电气、机械、核工业、航天介质、磁介质等领域。氟油是极端环境下不可替代的特殊润滑油,国外主要生产厂家有:美国杜邦、日本大金和意大利Montefluos公司,年产量为几十万千克,主要销往西欧和日本等发达国家,并且产量和种类都在日益增长。以氟油改性得到的氟碳表面活性剂种类已达六千多种,产品正向系列化、功能化、普遍化发展。在我国,目前仅国内公司有中国石化润滑油公司、上海艾肯化工、福建永泓高新等有少量的全氟聚醚油产品出售,产品种类很少,产品质量与国外相比还有较大差距。
氟油的合成技术一直是相关企业的高度商业秘密。与此同时,单一氟油很难满足核工业、航天工业、军工等苛刻条件下的润滑需求。为此,需要在氟油加入添加剂,补充并完善其性能要求。由于氟油溶解能力有限,很少有添加剂能加入并改善其性能。添加剂在含氟油中的分散和稳定成为限制其应用的主要问题之一。而这些油溶性添加剂技术被国外公司控制,成为制约国家润滑技术精、深发展的掐脖子问题。目前我国高性能的氟油、氟碳表面活性剂等仍主要依赖进口。在市场上仅有杜邦、苏威公司出售含氟添加剂,并且这些添加剂直接添加到氟油中,防止含氟添加剂技术泄露。所以必须加大高性能的氟油及相关产品的研发力度,以满足日益增长的市场需求。
发明内容
鉴于此,本发明的目的是针对现有技术中存在的技术问题,提供润滑油摩擦改进剂及其制备方法和应用,本发明的润滑油摩擦改进剂与氟油和氟脂的溶解性好,添加后在氟油和氟脂中不出现沉淀,可以明显改善诸如氟油和氟脂的润滑油的抗磨损性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
第一方面,本发明提供了润滑油摩擦改进剂,所述润滑油摩擦改进剂的化学式为AxBy+(C-)y,其中,A表示全氟聚醚酰基,By+表示具有x个氨基和y个铵离子(-NH3 +)的树状分子阳离子基团,C-为BF4 -(四氟化硼阴离子)、PF6 -(六氟磷酸阴离子)、AsF6 -(六氟砷酸阴离子)、三氟三(五氟乙基)磷酸阴离子(FAP-,其结构如式V所示)、双三氟甲基磺酰亚胺阴离子(TFSI-)、Mn2O4 -(锰酸根)或ClO4 -(高氯酸根),x为大于等于1的整数,y大于等于1的整数,且x+y≥4。
本发明中,基团A与By+中的氨基经由共价键连接,由此可以形成酰胺基团(-CONH-),而C-与By+中的铵离子经由离子键连接。本申请发明人发现,化学式为AxBy+(C-)y的润滑油摩擦改进剂在氟油和氟脂的润滑油中溶解性好,添加后在氟油和氟脂中不出现沉淀,可以明显改善诸如氟油和氟脂的润滑油的抗磨损性能。
根据本发明提供的润滑油摩擦改进剂,其中,A为式K、Y、Z或D所示的基团:
其中,m和n各自独立地为正整数,优选地,m为1~99,n为1~10。
本发明中,m可以为1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、99以及他们之间的范围。类似地,n可以1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或由它们组成的范围。
在一些实施方案中,A为式K所示的基团;以及在另一些实施方案中,A为式Z或D所示的基团,且m/n值为0.2~25,优选为0.2~15,更优选为0.2~10。
根据本发明提供的润滑油摩擦改进剂,其中,B为以乙二胺、三乙基二胺、对联苯二胺、1,4-二苯胺或1,4-二苯甲胺为核的聚酰胺-胺型(PAMAM)树状分子,树状分子的代数优选为0~10,更优选为0~4,最优选为0~3。例如,B为以乙二胺为核的PAMAM树状分子,其代数为0或1。
根据本发明提供的润滑油摩擦改进剂,其中,AxBy+(C-)y中,x+y=22+d;d表示所述树状分子的代数。在一些实施方案中,x与y的比值为1:3~3:1。
在一些实施方案中,d为0或1,则x+y=4或8,x的范围优选为2~6,y的范围优选为2~6。
根据本发明提供的润滑油摩擦改进剂,其中,树状分子阳离子基团By+上基团A和C-阴离子的位置没有特殊要求。
例如,以B为0代PAMAM树状分子,所述润滑油摩擦改进剂的结构可以如式I或II所示,
第二方面,本发明提供了润滑油摩擦改进剂的制备方法,其中,所述制备方法包括以下步骤:
S100、使全氟聚醚酰化剂与端基为氨基的树状分子在溶剂和促进剂存在下进行酰胺化反应,得到第一反应产物溶液;
S200、向步骤S100中得到的第一反应产物溶液中加入酸和选自BF4 -、PF6 -、三氟三(五氟乙基)磷酸阴离子、双三氟甲基磺酰亚胺阴离子、Mn2O4 -和ClO4 -中的至少一种阴离子的盐并搅拌反应,得到第二反应产物溶液;
S300、将步骤S200中得到的第一反应产物溶液中和、分液和除去溶剂,得到目标产物。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S100中所述全氟聚醚酰化剂为选自式K’、Y’、Z’和D’中的至少一种酰化剂,
其中,R1、R2、R3和R4各自独立地为氟、氯、溴、酸酐或羟基。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S100中所述树状分子为以乙二胺、三乙基二胺、对联苯二胺、1,4-二苯胺或1,4-二苯甲胺为核的PAMAM树状分子,所述树状分子的代数优选为0~10,更优选为0~4,最优选为0~3。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S100中全氟聚醚酰化剂与所述树状分子的摩尔比为x:1。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S100中所述促进剂为吡啶和/或三乙胺。本发明中,采用诸如吡啶和/或三乙胺的促进剂,有助于促进反应进行。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S100中所述溶剂为1,1,2-三氟三氯乙烷(F113)。本发明中,采用诸如F113的溶剂,反应完全。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S100包括:
S101、将全氟聚醚酰化剂与溶剂和促进剂混合,得到混合物;
S102、在-5~0℃的温度下,向步骤S101中得到的混合物中加入端基为氨基的树状分子,回流反应,得到回流反应产物;
S103、将步骤S102中得到的回流反应产物中和、分液,得到第一反应产物溶液。
在一些实施方案中,步骤S101中,混合物中全氟聚醚酰化剂的质量比为1:0.5~1:30,优选为1:1~1:10。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S200中所述盐与所述树状分子的摩尔比为y:1。在一些实施方案中,x与y的比值为1:3~3:1。
在一些实施方案中,步骤S200中所述盐选自锂盐、钠盐和钾盐中的至少一种。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S200中所述酸与所述盐的摩尔比为1:1~20:1,优选为1:1~10:1
在一些实施方案中,所述酸选自硝酸、硫酸和盐酸中的至少一种。
根据本发明提供的制备方法,其中,步骤S103和S300中各自独立地采用包含碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种的水溶液进行中和。
第三方面,本发明提供了所述制备方法制得的润滑油摩擦改进剂。
第四方面,本发明提供了所述润滑油摩擦改进剂或所述制备方法制得的润滑油摩擦改进剂在润滑油中的应用。
第五方面,本发明提供了润滑油组合物,其中,所述润滑油组合物包括90~99重量份的基础润滑油和1~10重量份的润滑油摩擦改进剂,所述基础润滑油为选自氟油和氟脂中的至少一种。
根据本发明提供的润滑油组合物,其中,所述润滑油组合物包括92~97重量份的基础润滑油和3~8重量份的润滑油摩擦改进剂。
本发明具有以下优势:本发明的润滑油摩擦改进剂与氟油和氟脂的溶解性好,添加后在氟油和氟脂中不出现沉淀,可以明显改善诸如氟油和氟脂的润滑油的抗磨损性能。
附图说明
图1是根据本发明的润滑油摩擦改进剂的一种实施方案的制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但并不构成对本发明的任何限制。
实施例1
参照图1,采用以下方法来制备润滑油摩擦改进剂。
(1)在300mL三口烧瓶中,在搅拌下分别加入3g K型全氟聚醚酰氟(中国石化润滑油公司提供,n=7)、1mL吡啶和100mL F113(1,1,2-三氟三氯乙烷)。在-3℃条件下,滴加2g0代PAMAM树状分子(购自威海市晨源有机硅新材料有限公司,商品名为CYD-100A,核为乙二胺)。滴加完成后,在-5~0℃条件下,搅拌1h。然后逐渐升温,在回流条件下,反应3h后,停止加热。当反应温度降至25~30℃,加入饱和碳酸氢钠水溶液150mL,搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。
(2)向上述溶液中加入2mL浓度为98%的硝酸,常温搅拌7min后,加入8g双三氟甲基磺酰亚胺锂,搅拌反应5h后,停止反应。然后加入150mL饱和碳酸氢钠水溶液,常温搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。对于这个下层溶液,再加入150mL饱和碳酸氢钠水溶液,常温搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。
(3)将上述下层溶液,通过减压蒸馏除去F113溶剂后,得到粘稠液体4g,即为目标产物。
采用红外光谱法表征所得产物,其中:2929.69cm-1和1456.85~1305.25cm-1为-CH2吸收峰,2375.19~2208.8cm-1为胺盐吸收峰,1819.08cm-1为-C(O)-吸收峰,1696.82cm-1和1635.98cm-1为–C(O)NH-吸收峰;1116.10cm-1为叔胺吸收峰。
实施例2
(1)在300mL三口烧瓶中,在搅拌下分别加入3g K型全氟聚醚酰氟(中国石化润滑油公司提供,n=10)、1mL吡啶和100mL F113(1,1,2-三氟三氯乙烷)。在-3℃条件下,滴加1.5g 2代PAMAM树状分子(购自威海市晨源有机硅新材料有限公司,商品名为CYD-120A,核为乙二胺)。滴加完成后,在-5~0℃条件下,搅拌1h。然后逐渐升温,在回流条件下,反应3h后,停止加热。当反应温度降至25~30℃,加入饱和碳酸氢钠水溶液150mL,搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。
(2)在上述溶液中,加入2mL浓度为98%的硝酸,常温搅拌7min后,加入10g BF4Li,搅拌反应5h后,停止反应。然后加入150mL饱和碳酸氢钠水溶液,常温搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。对于这个下层溶液,再加入150mL饱和碳酸氢钠水溶液,常温搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。
(3)将上述下层溶液,通过减压蒸馏除去F113溶剂后,得到粘稠液体3.8g,即为目标产物。
采用红外光谱法表征所得产物,其中,各峰位置与实施例1基本相同。
实施例3
(1)在300mL三口烧瓶中,在搅拌下分别加入3g Z型全氟聚醚酰氟(中国石化润滑油公司提供,m=2,n=10)、1mL吡啶和100mL F113(1,1,2-三氟三氯乙烷)。在-3℃条件下,滴加1.8g 1代PAMAM树状分子(购自威海市晨源有机硅新材料有限公司,商品名为CYD-110A,核为三乙基二胺)。滴加完成后,在-5~0℃条件下,搅拌1h。然后逐渐升温,在回流条件下,反应3h后,停止加热。当反应温度降至25~30℃,加入饱和碳酸氢钠水溶液150mL,搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。
(2)向上述溶液中加入2mL浓度为98%的硝酸,常温搅拌7min后,加入10g LiPF6,搅拌反应5h后,停止反应。然后加入150mL饱和碳酸氢钠水溶液,常温搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。对于这个下层溶液,再加入150mL饱和碳酸氢钠水溶液,常温搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。
(3)将上述下层溶液,通过减压蒸馏除去F113溶剂后,得到粘稠液体4.5g,即为目标产物。
采用红外光谱法表征所得产物,其中,各峰位置与实施例1基本相同。
实施例4
(1)在300mL三口烧瓶中,在搅拌下分别加入3g D型全氟聚醚酰氟(由中国石化润滑油公司提供,n=8)、1mL吡啶和100mL F113(1,1,2-三氟三氯乙烷)。在-3℃条件下,滴加1.5g 3代PAMAM树状分子(购自威海市晨源有机硅新材料有限公司,商品名为CYD-130A,核为对联苯二胺)。滴加完成后,在-5~0℃条件下,搅拌1h。然后逐渐升温,在回流条件下,反应3h后,停止加热。当反应温度降至25~30℃,加入饱和碳酸氢钠水溶液150mL,搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。
(2)向上述溶液中加入2mL浓度为98%的硝酸,常温搅拌7min后,加入14g LiAsF6,搅拌反应5h后,停止反应。然后加入150mL饱和碳酸氢钠水溶液,常温搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。对于这个下层溶液,再加入150mL饱和碳酸氢钠水溶液,常温搅拌5min后,通过分液漏斗,留取下层溶液。
(3)将上述下层溶液,通过减压蒸馏除去F113溶剂后,得到粘稠液体4.2g,即为目标产物。
采用红外光谱法表征所得产物,其中,各峰位置与实施例1基本相同。
应用例1
(1)采用HFRR仪器对氟油(由中国石化润滑油公司提供,氟素真空泵油)进行摩擦磨损试验,其试验条件为:球/盘摩擦副、200g、80Hz、90℃、1h、1mm。测得平均摩擦系数为0.122,盘磨损体积为1.295*106μm3,盘磨损率为0.144*10-6mm2/gs。
(2)将3g实施例1的润滑油摩擦改进剂加入到97g氟油(由中国石化润滑油公司提供,氟素真空泵油)中,采用HFRR仪器对其进行摩擦磨损试验,其试验条件为:球/盘摩擦副、200g、80Hz、90℃、1h、1mm。测得平均摩擦系数为0.118,盘磨损体积为7.18*105μm3,盘磨损率为0.0798*10-6mm2/gs。
与单一氟油相比,加入3%润滑油摩擦改进剂的氟油,其摩擦系数略有降低,但盘磨损率明显降低,降低了44.58%。由此可见,加入制备的润滑油摩擦改进剂的氟油,其抗磨损性能明显提高。
应用例2
(1)采用HFRR仪器对氟油(由中国石化润滑油公司提供,FM 110镀膜屏蔽油)进行摩擦磨损试验,其试验条件为:球/盘摩擦副、200g、80Hz、90℃、1h、1mm。测得平均摩擦系数为0.122,盘磨损体积为1.295*106μm3,盘磨损率为0.144*10-6mm2/gs。
(2)将5g实施例2的润滑油摩擦改进剂加入到95g氟油(由中国石化润滑油公司提供,FM 110镀膜屏蔽油)中,采用HFRR仪器对其进行摩擦磨损实验,其实验条件为:球/盘摩擦副、200g、80hz、90℃、1h、1mm。测得平均摩擦系数为0.115,盘磨损体积为:6.77*105μm3,盘磨损率为0.0752*10-6mm2/gs。
与单一氟油相比,加入5%润滑油摩擦改进剂的氟油,其摩擦系数略有降低,但盘磨损率明显降低,降低了47.78%。由此可见,加入制备的润滑油摩擦改进剂的氟油,其抗磨损性能明显提高。
应用例3
1)采用HFRR仪器对氟脂(由中国石化润滑油公司提供,耐高温润滑油脂)进行摩擦磨损试验,其实验条件为:球/盘摩擦副、200g、50Hz、90℃、1h、2mm。测得平均摩擦系数为0.142,盘磨斑直径为126μm。
(2)将8g实施例3的润滑油摩擦改进剂加入到92g氟脂(由中国石化润滑油公司提供,耐高温润滑油脂)中,采用HFRR仪器对其进行摩擦磨损试验,其实验条件为:球/盘摩擦副、200g、50Hz、90℃、1h、2mm。测得平均摩擦系数为0.115,盘磨斑直径为92μm。
与单一氟脂相比,加入8%润滑油摩擦改进剂的氟脂,其摩擦系数和盘磨斑直径明显降低,分别降低了19.01%和26.98%。由此可见,加入制备的润滑油摩擦改进剂的氟油,其摩擦磨损性能明显提高。
在本发明中的提到的任何数值,如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔,则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如,如果声明一种组分的量,或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90,在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值,可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中,以相似方式,所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。
应当注意的是,以上所述的实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述,但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇,而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改,以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例,但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例,相反,本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (10)
1.润滑油摩擦改进剂,其中,所述润滑油摩擦改进剂的化学式为AxBy+(C-)y,其中,A表示全氟聚醚酰基,By+表示具有x个氨基和y个铵离子的树状分子阳离子基团,C-为BF4 -(四氟化硼阴离子)、PF6 -(六氟磷酸阴离子)、AsF6 -(六氟砷酸阴离子)、FAP-(三氟三(五氟乙基)磷酸阴离子)、TFSI-(双三氟甲基磺酰亚胺阴离子)、Mn2O4 -(锰酸根)或ClO4 -(高氯酸根),x为大于等于1的整数,y大于等于1的整数,且x+y≥4。
3.根据权利要求1或2所述的润滑油摩擦改进剂,其中,B为以乙二胺、三乙基二胺、对联苯二胺、1,4-二苯胺或1,4-二苯甲胺为核的PAMAM树状分子,所述树状分子的代数优选为0~10,更优选为0~4,最优选为0~3。
4.根据权利要求3所述的润滑油摩擦改进剂,其中,AxBy+(C-)y中,x+y=22+d;d表示所述树状分子的代数;
优选地,d为0或1,x的范围为2~6,y的范围为2~6。
5.权利要求1至4中任一项所述的润滑油摩擦改进剂的制备方法,其中,所述制备方法包括以下步骤:
S100、使全氟聚醚酰化剂与端基为氨基的树状分子在溶剂和促进剂存在下进行酰胺化反应,得到第一反应产物溶液;
S200、向步骤S100中得到的第一反应产物溶液中加入酸和选自BF4 -、PF6 -、三氟三(五氟乙基)磷酸阴离子、双三氟甲基磺酰亚胺阴离子、Mn2O4 -和ClO4 -中的至少一种阴离子的盐并搅拌反应,得到第二反应产物溶液;
S300、将步骤S200中得到的第二反应产物溶液中和、分液和除去溶剂,得到目标产物。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其中,步骤S100中所述全氟聚醚酰化剂为选自式K’、Y’、Z’和D’中的至少一种酰化剂,
其中,R1、R2、R3和R4各自独立地为氟、氯、溴、酸酐或羟基;和/或
步骤S100中所述树状分子为以乙二胺、三乙基二胺、对联苯二胺、1,4-二苯胺或1,4-二苯甲胺为核的PAMAM树状分子,所述树状分子的代数优选为0~10,更优选为0~4,最优选为0~3;和/或
步骤S100中所述促进剂为吡啶和/或三乙胺;和/或
步骤S100中所述溶剂为1,1,2-三氟三氯乙烷;和/或
步骤S100包括:
S101、将全氟聚醚酰化剂与溶剂和促进剂混合,得到混合物;
S102、在-5~0℃的温度下,向步骤S101中得到的混合物中加入端基为氨基的树状分子,回流反应,得到回流反应产物;
S103、将步骤S102中得到的回流反应产物中和、分液,得到第一反应产物溶液。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法,其中,步骤S200中所述盐选自锂盐、钠盐和钾盐中的至少一种;和/或
步骤S200中所述酸选自硝酸、硫酸和盐酸中的至少一种;和/或
步骤S103和S300中各自独立地采用包含碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种的水溶液进行中和。
8.权利要求1至4中任一项所述的润滑油摩擦改进剂或权利要求5至7中任一项所述的制备方法制得的润滑油摩擦改进剂在润滑油中的应用。
9.润滑油组合物,其中,所述润滑油组合物包括90~99重量份的基础润滑油和1~10重量份的权利要求1至4中任一项所述的润滑油摩擦改进剂或权利要求5至7中任一项所述的制备方法制得的润滑油摩擦改进剂,所述基础润滑油为选自氟油和氟脂中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的润滑油组合物,其中,润滑油组合物,其中,所述润滑油组合物包括92~97重量份的基础润滑油和3~8重量份的润滑油摩擦改进剂。
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