DE1046813B

DE1046813B - Verfahren zur Herstellung oxydationsbestaendiger Schmieroele

Info

Publication number: DE1046813B
Application number: DEI11739A
Authority: DE
Inventors: Tobie Salomon; Robert Courtel; Moise Lerer
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1956-05-25
Filing date: 1956-05-25
Publication date: 1958-12-18

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oxydationsbeständiger Schmieröle aus Schmierölen mineralischer, tierischer, pflanzlicher oder synthetischer Herkunft unter Verwendung von Anionen- und Kationenaustauschern.

Um Öle mineralischer, pflanzlicher, tierischer und synthetischer Herkunft als Schmiermittel verwenden zu können, war es nötig, Zusatzmittel in diese öle einzuführen. Dadurch wurden wenigstens teilweise die Nachteile beseitigt, die sich aus ihrer Instabilität ergaben, und insbesondere ihre Verwendung bei erhöhten Temperaturen ermöglicht. Die Wirksamkeit dieser Zusatzmittel variiert jedoch mit den Bedingungen, bei denen die Schmiermittel verwendet werden. Ein Zusatzstoff, der die Qualität eines Öles für gewisse Verwendungszwecke verbessert, macht es sehr häufig für andere Verwendungszwecke ungeeignet. Daraus ergibt sdch eine beträchtliche Beschräntkung der Anwendungsgebiete dieser mit Zusatzmitteln versehenen. Öle. Es ist' daher Aufgabe der voiriiegend'en Erfindung, Schmieröle hoher Stabilität oihne die Verwendung von Zusatzmitteln zu erhalten,.

Es hat sich gezeigt, daß der Mangel an Stabilität und insbesondere die Oxydierbarkeit natürlicher öle, wie mineralischer, pflanzlicher oder tierischer Öle, hauptsächlich auf die vorhandenen Verunreinigungen zurückzuführen ist. Diese Verunreinigungen, die für die schlechte chemische Stabilität der Öle verantwortlich sind, können von vornherein in den natürlichen Ölen vorliegen, oder sie können von Materialien herrühren, die für die .Verarbeitung des Öles verwendet wurden, oder-sie können im Laufe der Zubereitung in das Öl gelangt sein.

Es 'handelt sich dabei sowohl um ionische als auch um nichtionische Stoffe." Die ionisdhen Verunreinigungen sind saure oder basische Substanzen, die einmal neutralisiert nach dem Calcinieren des Öls Asche ergeben. Al¹S nichtionische Verunreinigungen sindi diejenigen zu betrachten, die nach der Entfernung der ionischen Verunreinigungen noch in dem Öl zurückbleiben und durch die Bildung organometallischer Verbindungen bei der Oxydation an der Luft in Gegenwart von Metallen und bei erhöhter Temperatur in Erscheinung treten. Diese Organometallverbindungen führen beim Calcinieren des oxydierten Öls ebenfalls zur Bildung von Asche.

Es ist bereits bekannt, die in Erdölkohlenwasserstoffen enthaltenen ionischen Verunreinigungen mit Hilfe von Anionen- oder Kationenaustauschern zu entfernen (vgl. USA.-Patentschriften 2 534907, 2 367 803, 2 566 353; französische Patentschrift 1 100 026; Journal Inst. Petroleum [1954], S. 50 bis 54). Es war dadurch aber nicht möglich, oxydations-Verfahren zur Herstellung
oxydationsbeständiger Schmieröle

Anmelder:

Institut Frangais du Petrole,

des Carburants et Lubrifiants,

Paris

Vertreter: Dr. F. Zumstein
und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann,
Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4

Tobie Salomon, Robert Courtel und Moise Lerer, Paris, sind als Erfinder genannt worden

beständige Schmieröle, die keine Korrosion hervorrufen, zu erhalten.

Es wurde nun gefunden, daß in diesen gereinigten Ölen noch geringe Mengen nichtiotiisdher Verunreinigungen vorhanden sind. Der Gehalt an diesen Stoffen liegt bei über 0,0001 %. Sie katalysieren "die Oxydation des Öls und fördern seine Korrosionswirkung auf Metalle. Erst durch Entfernung auch dieser, häufig nur in Spuren vorhandener, ni<#itionischer Verunreinigungen wird es möglich, Öle mit großer Wärme- und Oxydationsbeständigkeit zu erzielen und zu verhüten, daß das öl die Metalle, mit denen es bei seiner Verwendung in Berührung kommt, angreift.

Unter den in den Schmierölen vorliegenden nichtionischen. Verunreinigungen finden sich insbesondere Oxydations- und Sulfonierungsprodukte. Es war zwar nicht möglich, alle Verunreinigungen dieser Art zu identifizieren, da viele davon nur in so kleinen Mengen in dem zu reinigenden öl vorliegen, daß sie sich bei der Analyse nicht erfassen lassen, doch konnte das Vorhandensein von Aldehyden und Peroxyden und unter den schwefelhaltigen Verbindungen das von Schwefelsäureestern und Sulfonaten festgestellt werden.

Gemäß der Erfindung wird die Entfernung sowohl der ionischen als auch der nidhtionischen Verunreinigungen aus Schmierölen mineralischer, tierischer,

809 699/506

pflanzlicher oder synthetischer Herkunft dadurch er- _· reicht, daß man das Schmieröl in einem Lösungsmittel, in welchem das Schmieröl löslich oder vollständig mischbar ist, nacheinander in beliebiger Reihenfolge über Anionen- und Kationenaustauscher leitet und dann das so behandelte Schmieröl in an sich bekannter Weise vom Lösungsmittel abtrennt.

Als Lösungsmittel, die vor allem dazu dienen, die Viskosität des zu reinigenden Öls herabzusetzen, verwendet man vorteilhaft solche, die unterhalb.. des Siedebeginns des Schmieröls sieden, damit man sie durch einfaches Konzentrieren im Vakuum leicht und vollständig entfernen kann'; Hierfür kommen, z. B. Äther, Alkohole, Ketone, Ester, wie Äthylacetat, Kohlenwasserstoffe, wie Benzol oder sogar Wasser, je nach der Art des Öls in Frage. Das Verhältnis der Mengen von Lösungsmittel zu dem zu reinigenden Schmiermittel liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 1 Volumen Lösungsmittel je Volumen Schmiermittel. Je nach der:.. Viskosität des Öls können jedoch auch andere Verdünnungen zweckmäßig sein.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Lösung des Schmieröls in dem Lösungsmittel durch eine Ionenaustauscherbatterie strömen;· zu lassen, die Kationenaustauscher, Anionenaustauscher und ein Mischbett (ein Gemisch von Anionen- und Kationenaustauschern) enthält, wobei die Lösung zunächst in beliebiger Reihenfolge durch die Kationen- und Anionenaustauscher und hierauf durch das Mischbett geleitet wird.

Nach dem Abtrennen des Lösungsmittels aus der gereinigten Lösung erhält man als Rückstand sehr stabile Schmiermittel, die sich unter der Einwirkung von Sauerstoff selbst bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei etwa 160° C, nicht ändern, unabhängig davon, ob Metalle, wie Kupfer und/oder Eisen, anwesend sind oder nicht, und zwar ohne daß man dem Öl irgendeinen Oxydationsinhibitor zusetzt.

Diese Oxydationsbeständigkeit wurde nach zwei Methoden bestimmt. 1. Methode H. Weiß und T. Salomon (T. Salomon, Bull, de la Ste Francaise des Electriciens, Bd.IV, Nr.46, S.570 bis 600, AnhangA, Otober 1954) besteht in einer Alterung bei steigenden Erwärmungszeiten auf 115° C an der Luft ohne katalytisches Metall und in Gegenwart einer Spirale aus Eisen und/oder Kupfer. In den folgenden Beispielen sind die nach 72stündiger und/oder 168stündiger Erwärmung erhaltenen Werte angegeben.

2. Die Methode nach Sünburry (F. Wh. Matthews, Journallnst. Petroleum, Bd. XXXV, 1949, S. 436 bis 453) besteht in einem 12stündigen Erwärmen des zu prüfenden Öls an Luft auf eine Temperatur von 160° C unter Rühren in Gegenwart von Kupfer und einer Cadmium-Nickel-Legierung. Nach dem Ende des Versuchs wird der durch die Korrosion verursachte Gewichtsverlust der Metalle bestimmt. Die im folgenden beschriebenen Vergleichsversuche zur Bestimmung des Ausmaßes der Korrosion wurden nach der Methode Sünburry durchgeführt, doch wurde dabei die Cadmium-Nickel-Legierung durch Blei ersetzt und elektrolytisch gereinigtes Kupfer verwendet. Das Ausmaß der Oxydation wurde nicht nur mit Hilfe des Gewichtsverlustes der Metalle, sondern auch durch Messung der Viskositätserhöhung des Öls und seiner Säurezahl ermittelt.

Diese beiden Methoden zählen zu den energischsten zur Beurteilung der Oxidationsbeständigkeit in den erwähnten Temperaturbereichen.

Die Stabilität der gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltenen Schmiermittel wird durch die folgenden Vergleichsbeispiele veranschaulicht.

Beispiel 1

Die Methode Weiß und Salomon einerseits und die Methode nach Sünburry andererseits wurden auf ein Veresterungsprodukt von Ricinusölsäure oder auf ein Umesterungsprodukt von Ricinusöl mit PoIyäthylenglycol vom Molekulargewicht 400 angewandt. Das so erhaltene Produkt, das als »Bisricinoleat von Polyäthylenglycol« bezeichnet werden kann, ergab, nachdem es durch Durchleiten durch Ionenaustauscher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig gereinigt worden war, bei Anwendung der Oxydationsprüfungen folgende Ergebnisse:

1. Anwendung der Methode H. Weiß
und T. Salomon

Nach 72stündigem Erwärmen an der Luft auf eine Temperatur von 115° C hat sich die Säurezahl des Produktes nicht geändert und noch weniger der Aschegehalt, der unwägbar geblieben .ist. Andererseits konnte kein Angriff auf das Kupfer oder das Eisen festgestellt werden.

Die 168stündige Oxydation bei derselben Temperatur mit denselben Katalysatoren verursachte keine Änderung der Säurezahl und des Aschegehaltes (der immer unmeßbar blieb).

Auch der Eisendraht wurde nicht angegriffen, und es konnte nur ein leichtes Anlaufen, des Kupferdrahtes bemerkt werden.

Das unter den ,oben angegebenen Bedingungen oxydierte Öl hat die gleiche Viskosität und den gleichen Viskositätsindex wie das ursprüngliche öl vor der Oxydation.

2. Anwendung der Methode nach Sünburry

Nach 12stündiger Oxydation bei einer Temperatur von 160° C wurden keine Änderungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Öls (innerhalb der Fehlergrenze) festgestellt.

Diese Eigenschaften sind die folgenden:

•	bei 37,8° bei 98,9° index ...	C C	Vor der	Prüfung	Nach, der Prüfung
Säurezahl Viskosität Viskosität Viskosität«		i 143 18 129	,0 " cSt ■ cSt	- -' " 0,95 148 cSt 18,3 cSt 128

Der Gewichtsverlust der Kupferspirale beträgt insgesamt nur 0,5 mg und der des Bleiplättchens insgesamt 47,9 mg.

Beispiel 2

Die folgende Tabelle enthält die Ergebnisse von Oxydationsversuchen mit nicht gereinigten ölen (P₁ und P₂) sowie mit ungenügend gereinigten ölen (P₃ bis P₅). Alle diese Öle haben zwar die gleiche allgemeine Formel, besitzen jedoch nicht genau die gleichen Eigenschaften, insbesondere was Säurezahl und Asdbegehalt betrifft.

Tabelle I

Ergebnisse der nach Weiß-Salomon bei 115⁰C mit Kupfer und Eisen an der Luft

und einer Dauer von (1) 72 Stunden und (2) 168 Stunden durchgeführten Oxydationskorrosionsversuche an verschiedenen Bisricinoleaten von Polyäthylenglycol mit dem Molekulargewicht 400

vor und nach teilweiser Reinigung

Ausgangsstoff

Vor Oxydation

Säurezahl

Vo Asche

Nach Oxydation in Gegenwart von

Kupfer
Säurezahl Asche

Eisen Säurezahl Asche

P₁ nicht gereinigt

P₂ nicht gereinigt

P₃ ungenügend gereinigt
P₄ ungenügend gereinigt
P₅ ungenügend gereinigt

0,18
0,37
1,12
0,80
1,5

0,035

0,014

0,0000

0,0000 0,66(1)

1,11(1)
1,09(2)
1,00(2)
1,50(2)

0,07(1)
0,021(1)
0,0075(2)
0,0060(2)
0,015(2) ■

0,60(1) 2,96(1)

1>66(2)

0,070(1) 0,448(1) 0,0000(2) 0,0200(2)

Ps = Produkt der diskontinuierlichen Umesterung von 2 Mol Ricinusöl mit 3 Mol Polyäthylenglycol vom Molekulargewicht 400: Glasapparatur, 3 Stunden bei 200° C. Entfernung des Glycerins durch Erhitzen im Vakuum (1 bis 10 mm Hg) in einer Apparatur mit Innenheizung, die Kupfer und Aluminium enthält, Reinigung durch rasches Durchleiten durch . Ionenaustauscher.

P4 = Umesterungsprodukt, auf die gleiche Weise wie P3, aber unter kontinuierlicher Entfernung des Glycerins hergestellt.

P5 = Produkt der Umesterung in Gegenwart von Methanol und Natrium. Entfernung des Glycerins durch Wasserdampfdestillation.

Die in der vorstehenden Tabelle wiedergegebenen Beispiele zeigen, daß die Produkte, die so weit gereinigt wurden, daß sie keine ionischen Verunreinigungen mehr enthalten (Aschegehalt = O) immer noch nicht genügend rein sind, da sie die Metalle angreifen und ihre Wärme- und Oxydationsbeständigkeit zu wünschen übrigläßt. Daraus ergibt sich, daß sie noch nichtionische Verunreinigungen enthalten, auf die ihre chemische Instabilität und ihre korrodierende Wirkung zurückzuführen sind. Der Gehalt des Öls an nichtionischen Verunreinigungen steht in direktem Zusammenhang mit der Aschemenge, die nach dem Erhitzen des vorher gereinigten und dann der Oxydation in Gegenwart von Metallen unterworfenen Öls anfällt.

Aus den obigen Beispielen wird ferner ersichtlich, daß die nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren erhältlichen Produkte auf Grund ihrer hohen Reinheit hervorstechende Eigenschaften besitzen, insbesondere was ihre Oxydationsbeständigkeit betrifft.

Im folgenden wird eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Reinigung von Polyalkylenglycolestern beschrieben :

1 1 des zu reinigenden Esters wird in 1 1 eines Alkohols oder eines Äthers oder Ketons oder Benzol gelöst. Die Lösung wird dann durch eine Batterie von drei Glassäulen mit einem Innendurchmesser von 45 mm und einer Höhe von 700 mm, die jeweils zu zwei Dritteln mit den Ionenaustauschern gefüllt sind, die vollständig mit 95°/oigem Alkohol bedeckt sind, passiert. Diese Kolonnen sind derart miteinander verbunden, daß die Lösung, nachdem sie das erste Kationenaustauscher enthaltende Rohr durchströmt hat, in das zweite AnionenauiStausoher enthaltende Rohr übertritt und dann nach Austritt aus dem zweiten Rohr in das dritte Rohr übertritt, das ein Gemisch von Anionen- und Kationenaustauscher (Mischbett) enthält. Jedes Rohr enthält also 700 bis 750 ecm Ionenaustauscher, und bei einer Durchtrittsgeschwindigkeit von 2 1 je Stunde nacheinander durch Kationenaustauscher, Anionenaustauscher und das Mischbett konnte eine praktisch vollständige Reinigung der behandelten Öle erzielt werden.

Als Kationenaustauscher können beispielsweise sulfoniertes Polystyrol oder ein phenolisches Polymeres und als Anionenaustauscher ein Aminierungsprodukt auf phenolischer Grundlage verwendet werden. Es können aber auch andere Arten von Ionenaustauschern; die die gleiche Wirkung haben, verwendet werden. Die beim Austritt aus dem dritten Rohr erhaltene Lösung wird durch Erwärmen auf 120° C zunächst unter atmosphärischem Druck und dann bei allmählicher Verminderung des Druckes bis zu einem Wert von 5 mm Hg bei Beibehaltung einer Temperatur von 120° C konzentriert. Um die letzten Spuren des Lösungsmittels zu entfernen, wird die Temperatur schließlich bei einem Druck von 5 mm auf 150° C erhöht.

Die folgenden Beispiele erläutern die .Erfindung, ohne s.ie zu beschränken.

Beispiel 3

5 1 »Bisricinoleat von Polyäthylenglycol vom Molekulargewicht 400«, das durch direkte Veresterung von Ricinusölsäure mit Polyäthylenglycol vom Molekulargewicht 400 oder durch Umestern von Ricinusöl mit dem gleichen Polyäthylenglycol erhalten wurde, werden mit 5 1 95'°/(>igem Äthylalkohol verdünnt. Die so erhaltene Lösung wird filtriert und mit einer Geschwindigkeit von 21 je Stunde nach dem oben beschriebenen Verfahren durch die Ionenaustauscherbatterie geleitet, wobei die die Ionenaustauscher enthaltenden Säulen, vor der Zuführung der Lösung des Öls mit 95%igem Alkohol gefüllt wurden.

Die beim Austritt aus der Ionenaustauscherbatterie erhaltene Losung wird nach dem oben beschriebenen Verfahren konzentriert. Auf diese Weise wird ein reines öl mit den folgenden physikalischen Eigenschaften erhalten:

Dichte bei 20° C 1,0

Viskosität bei 37,8° C 144 cSt

Viskosität bei 50° C 84,7 cSt

Viskosität bei 98,9° C 18,2 cSt

Viskositätsindex 130

Aschegehalt unwägbar

Erstarrungspunkt — 18° C

Beispiel 4

Ein »Bisricinoleat von Polyäthylenglycol vom Molekulargewicht 300« wird nach dem bereits be-

I 046

schriebenen Verfahren behandelt. Nach völliger Entfernung des Alkohols erhält man auf diese Weise ein gelbgefärbtes öl, Aschegehalt 0, mit folgenden physikalischen Eigenschaften:

Dichte bei 20° C 1,002

Viskosität bei 50° C 66 cSt

Erstarrungspunkt — 36° C

Das oben beschriebene Reinigungsverfahren läßt sich ohne Abänderung auf die Reinigung anderer öle mineralischer, tierischer und pflanzlicher Herkunft, beispielsweise der Polyalkylenglycole, der Mono- und Diäther von Polyalkylenglycoleu, der Mono- und Diester von Polyalkylenglycolen, der Polymeren von Thioglycolen, der Mono- und Diäther von Polythioglycolen, der Mono- und Diester von Polythioglycolen, anwenden, deren chemische Instabilität auf darin enthaltene Verunreinigungen zurückzuführen ist. Das gleiche gilt für synthetische Schmieröle, wie Monoester von Fettsäuren und Mono- und Polyester mehrbasischer Säuren. Im folgenden Beispiel wird die Reinigung eines synthetischen, mit Wasser mischbaren Schmieröls beschrieben.

Beispiel 5

Ein Polyäthylenglycol vom Molekulargewicht 400, das mit dem gleichen Volumen Wasser verdünnt ist, wird nach dem Verfahren von Beispiel 3 behandelt. Jedoch sind die die Ionenaustauscher enthaltenden Säulen nicht mit Alkohol, sondern mit destilliertem Wasser gefüllt. Die erhaltene gereinigte Lösung wird zunächst durch Erhitzen auf 120° C bei Atmosphärendruck und dann durch Erhitzen auf die gleiche ίο Temperatur bei einem Druck von 10 mm von Wasser befreit. Man erhält ein nicht gefärbtes und stabiles wasserfreies Produkt, dessen Viskosität und Dichte unverändert die folgenden Werte haben:

Dichte bei 20° C 1,107

Viskosität bei 50° C ............... 28,9 cSt

Die Ergebnisse der Oxydations-Korrosions-Versuehe mit einem nicht gereinigten Polyäthylenglycol vom Molekulargewicht 400 (P₆) und einem gleichen, aber gereinigten Polyäthylenglycol (P₇) nach der Methode Weiß—Salomon- bei- einer Dauer -von Stunden und einer Temperatur von 115° C an der Luft in Gegenwart von Eisen und Kupfer werden in der folgenden Tabelle wiedergegeben.

¹⁵

Tabelle II

Vor der Oxydation Säurezahl °/o Asche

Nach der Oxydation in Gegenwart von

Kupfer
Säurezahl % Asche

Eisen
Säurezahl °/o Asche

O,50 0,02

0,037 0,0000

0,110
0,140

0,056
0,0000

0,050
0,180

0,040
0,0000

Beispielo

Ein Polypropylenglycol vom Molekulargewicht 400 wurde in Form einer 50°/oigen wäßrigen Lösung nach dem im Beispiel 5 beschriebenen Verfahren behandelt. Nach Entfernung des Wassers wurde ein blaßgelbgefärbtes, vollständig stabiles und vollständig entmineralisiertes öl erhalten, dessen Viskosität und Dichte gleich der des nicht gereinigten Produktes waren, nämlich

Viskosität bei 50° C 19,4 cSt

Dichte bei 20° C ,... 1,012

45

Beispiel?

Ein reines Mineralöl vom Spindelöltyp, nach der üblichen Methode mit Säure gereinigt, wurde nach dem bereits beschriebenen Verfahren behandelt, indem man es nacheinander durch Anionenaustauscher, Kationenaustauscher und ein Mischbett leitete. Es wurde unter Verdünnung mit einer- Durchtrittsgeschwindigkeit von 11 je Stunde gearbeitet. Das so behandelte öl wurde der künstlichen Alterung nach Weiß-Salomon unterworfen. Die Alterungsperiode des über Ionenaustauscher behandelten Öls (gekennzeichnet durch die Erwärmungszeit, die erforderlich ist, um die ersten Schlammspuren zu erzeugen) war sechsmal größer ■ als die des nicht mit Ionenaustauschern (d. h. nur mit Schwefelsäure) gereinigten Produktes.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung oxydationsbeständiger Schmieröle aus Schmierölen mineralischer, tierischer, pflanzlicher oder synthetischer Herkunft unter Verwendung von Anionen- und Kationenaustauschern, dadurch gekennzeichnet, daß man das Schmieröl in einem Lösungsmittel, in welchem das Schmieröl löslich oder vollständig mischbar ist, nacheinander in beliebiger Reihenfolge über Anionen- und Kationenaustauscher leitet und dann das so behandelte Schmieröl in an sich bekannter Weise vom Lösungsmittel abtrennt. ■ ■ ■

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel unterhalb des Siedebeginns des Schmieröls siedet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch -gekennzeichnet, daß man die Lösung des Schmieröls in dem Lösungsmittel durch eine Ionenaustauscherbatterie strömen läßt, die Kationenaustauscher, Anionenaustauscher und ein Mischbett (ein Gemisch von Anionenaustauschern und ■Kationenaustauschern) enthält, wobei die Lösung zunächst in beliebiger Reihenfolge durch die Kationen- und Anionenaustauscher und hierauf durch das Mischbett geleitet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA-Patentschriften Nr. 2 566 353, 2 534907, 367 803;

französische Patentschrift Nr. 1100 026;

Ohlenschläg&r: Die Aufarbeitung gebrauchter Mineralöle (1952), S. 65 und 89;

Journ. Insjt: Petroleum (1954), S. 50 bis 54.