DE19934182A1 - Schwefelhaltige Schmierstoffe - Google Patents
Schwefelhaltige SchmierstoffeInfo
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Abstract
Die vorliegende Anmeldung betrifft Schmierstoffe mit einem Gehalt an nanopartikulärem Schwefel mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 10 bis 1500 nm. Die Schwefelpartikel können mit einem oder mehreren Oberflächenmodifikationsmitteln ummantelt sein und im Schmierstoff in einer Konzentration von 0,02 bis 50 Gew.-% enthalten sein. Der nanopartikuläre Schwefel zeichnet sich durch gute Schmierwirkung sowie gute Dispergierbarkeit in Schmierstoff-Formulierungen aus.
Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft Schmierstoffe mit einem Gehalt an nanopartikulä
rem Schwefel mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 10 bis 1500
nm.
Schmieren ist das Verwenden eines Materials, das die Gleichförmigkeit und Einfach
heit der Bewegung von zwei Oberflächen gegeneinander verbessert. Darunter ist zu
verstehen, daß die Bewegung unter Schonung der geometrischen Gestalt (Abrieb,
Lebensdauer) und möglichst wirtschaftlich (Reibung) abläuft. Das zum Schmieren
verwendete Material wird als Schmierstoff bezeichnet. Eine wesentliche Aufgabe von
Schmierstoffen besteht somit in der Optimierung einer Kraftübertragung. Weitere
Aufgaben von Schmierstoffen bestehen beispielsweise in der Abfuhr von Reibungs
wärme, im Korrosionsschutz oder der Abdichtung.
Bei der Reibung von Oberflächen gegeneinander unterscheidet man die hydrody
namische Reibung, die trockene Reibung sowie als Grenzgebiet zwischen diesen
beiden Formen die Mischreibung. Die technisch größte Bedeutung hat das Gebiet
der Mischreibung. Hier liegen demgemäß die wichtigsten Einsatzgebiete für
Schmierstoffe, zu denen beispielsweise Gleitlager, Wälzlager, Getriebe, Ketten,
Feinwerktechnik, Gleitbahnen, Motoren, Hydraulik, Werkzeuge, Maschinen und Me
tallbearbeitungsprozesse zählen wie spanabhebende Metallbearbeitung und
Kaltumformung. Demgemäß unterscheidet man Schmierstoffe je nach Einsatzgebiet
z. B. als Maschinenschmieröle, Zylinderöle, Turbinenöle, Motorenöle, Getriebeöle,
Kompressorenöle, Umlauföle, Hydrauliköle, Isolieröle, Wärmeträgeröle, Prozeßöle,
Metallbearbeitungsöle, Kühlschmierstoffe, Schneidöle und Schmierfette.
Schmierstoffe bestehen in der Regel aus einem Grundöl sowie Additiven. Als
Grundöle kommen insbesondere zum Einsatz
- - Mineralöle, z. B. Erdöl-Destillatfraktionen
- - Synthetische Öle, z. B.
- - Polyether wie Polyglykole und Polyphenylether
- - Carbonsäureester
- - Phosphor- und Phosphonsäureester
- - Silicone
- - Silicatester
- - Polyhalogenkohlenwasserstoffe
- - fluorierte Verbindungen
- - Polyolefine
- - Alkylaromaten
oder deren Gemische.
Neben der Hauptaufgabe der Reibungsverminderung werden an Schmierstoffe wei
tere Anforderungen gestellt, welche je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Bedeu
tung haben. Dazu gehören
- - Kühlwirkung
- - Fähigkeit, an der Reibstelle zu bleiben
- - Fähigkeit, gegen Verunreinigungen abzudichten
- - anwendungsgerechter Einsatztemperaturbereich
- - Korrosionsschutz
- - geringe Flüchtigkeit
- - niedrige Entflammbarkeit
- - geringe Schaumneigung.
Da in der Regel nicht alle für eine bestimmte Anwendung verlangten Anforderungen
von einem Grundöl alleine erfüllt werden, werden in der Praxis dem Grundöl Additive
zugesetzt. Diese sogenannten Schmierstoffadditive sind Wirkstoffe, die den
Grundölen zugemischt werden, um den gebrauchsfertigen Schmierstoffen er
wünschte Eigenschaften zu verleihen, welche die Grundöle von Natur aus nicht oder
nicht in ausreichendem Maße besitzen.
Die wichtigsten Typen von Additiven sind
- - Oxidationsinhibitoren, z. B. sterisch gehinderte Phenole, Amine, Zinkdithiophos phate
- - Korrosions- und Rostinhibitoren, z. B. Aminphosphate, Alkylbernsteinsäuren, Fettsäuren
- - Metalldeaktivatoren, z. B. Triarylphosphite, Diamine, Dimercaptan-Thiadiazol-De rivate
- - Verschleiß- und Freßschutzwirkstoffe (Anti-Wear-, Extreme-Pressure-Additive), z. B. Zinkalkyldithiophosphate, Trikresylphosphate, geschwefelte Fette und Olefine, Chlorkohlenwasserstoffe, Aminphosphate
- - Reibungsveränderer (Friction Modifier), z. B. Fettsäuren, Fettamine
- - -Detergentien, z. B. normale oder basische Ca-, Ba- Mg-Sulfonate oder -Phosphonate
- - Dispersantien, z. B. Polymere wie stickstoffhaltige Polymethacrylate, Alkylsucci nimide, Succinatester
- - Pourpoint-Erniedriger, z. B. alkylierte Naphthaline und Phenole
- - Viskositätsindexverbesserer, z. B. Polyisobutylene, Polyacrylate, hydrierte Styrol- Butadien-Copolymere
- - Schauminhibitoren, z. B. Silikonpolymere, Tributylphosphat
- - Haftverbesserer, z. B. Seifen, Polyacrylate
- - Emulgatoren, z. B. Natriumsalze organischer Sulfonsäuren, Fettaminsalze
- - Bakterizide, z. B. Phenole, Chlorverbindungen, Formaldehydderivate.
Eine detaillierte Übersicht über Schmierstoffe und Schmierstoffadditive, deren Zu
sammensetzung und Wirkungsweise findet sich in W. J. Bartz et aL, Additive für
Schmierstoffe, Kontakt & Studium Band 433, Expert Verlag, Renningen-Malmsheim
1994.
Die für die praktische Anwendung angestrebten Schmierstoffeigenschaften werden
in der Regel erst durch die Verwendung einer Kombination unterschiedlicher Additive
erreicht.
Die Einsatzkonzentrationen der Additive in den gebrauchsfertigen Schmierstoffen
liegt im Bereich von wenigen ppm (z. B. für Schauminhibitoren) bis zu Konzentratio
nen von 30%. Neben den Schmierstoffadditiven selbst sind auch Schmierstoffadditiv-
Konzentrate im Handel, welche konzentrierte Vorlösungen oder Vordispersionen von
Schmierstoffadditiven in Grundölen darstellen und aus welchen der Anwender durch
Verdünnung mit Grundöl die gebrauchsfertige Schmierstoff-Zubereitung herstellt.
Wie oben beschrieben, besteht die wichtigste Aufgabe von Schmierstoffen in der
Reibungsverminderung gegeneinander bewegter Materialien und der Verhinderung
von mechanischem Verschleiß im Mischreibungsgebiet. Bei der Mischreibung wer
den die Gleitflächen durch einen Flüssigkeitsfilm getrennt, sind jedoch noch so nahe
beieinander, daß sich einzelne Rauhigkeitsspitzen berühren. Die unmittelbaren
Kontaktstellen bestimmen das Reibungsverhalten und den Verschleiß der gegenein
ander reibenden Materialien. Bei direkter metallischer Berührung in diesen Zonen
können hohe Drücke und sehr hohe Temperaturen auftreten, die gelegentlich zu
Verschweißungen ("Fressen") und zum Herausreißen von Teilchen aus dem Werk
stoffverbund führen können. Durch Zugabe von Verschleiß- und Freßschutzadditiven
zu den Schmierstoffen werden die sich berührenden und damit erhitzten Stellen der
Oberflächen der Gleitpartner durch Bildung einer gut haftenden und leicht scherba
ren Schutzschicht chemisch verändert.
In der Fachwelt wird keine klare Trennung zwischen Verschleiß- bzw. Freßschutz
additiven sowie den darunter fallenden Anti-Wear- und Hochdruck- oder Extreme-
Pressure-Additiven (EP-Additiven) vorgenommen, so daß im weiteren Text der vor
liegenden Anmeldung der Einfachheit halber alle diese Additive unter dem gemein
samen Begriff EP-Additive verstanden werden sollen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche EP-Additive bekannt, die jedoch
alle für die Anforderungen der Praxis nicht vollständig befriedigen können. So ist bei
spielsweise bei den Phosphorsäureestern das Lasttragevermögen unter Extreme-
Pressure-Bedingungen begrenzt, und sie sind anfällig gegen Hydrolyse. Die Chlor
paraffine wirken, indem sie unter Anwendungsbedingungen das Metall mit einem
leicht scherbaren Film aus Metallchlorid überziehen. Der bei Anwesenheit von
Feuchtigkeit und unter Einwirkung von Licht sich bildende Chlorwasserstoff kann je
doch starke Korrosionen an der Metalloberfläche bewirken, was den Einsatz der
Chlorparaffine erheblich einschränkt. Darüber hinaus ist ihr Einsatz wegen ihrer un
günstigen ökotoxikologischen Eigenschaften und der damit verbundenen hohen Ent
sorgungskosten stark rückläufig.
Die Wirkung schwefelhaltiger Verbindungen als EP-Additive kommt durch Abspal
tung des Schwefels und dessen Reaktion mit der Metalloberfläche zustande, setzt
also das Vorliegen des Schwefels in einer disponiblen Form voraus. Da die Freiset
zung von Schwefel aus Mono- und Disulfiden jedoch erst bei höheren Temperaturen
erfolgt, besitzen diese nur mittlere Aktivitäten als EP-Additive. Das als EP-Additiv mit
insgesamt guten Anwendungseigenschaften früher vielfach eingesetzte geschwe
felte Spermöl verlor seine Bedeutung, da der Ausgangsstoff zu seiner Herstellung
aus Gründen des Tierschutzes heute kaum mehr verfügbar ist. Die Einsatzgebiete
für vollsynthetische schwefelhaltige Verbindungen wie Dibenzyldisulfid, geschwefelte
Olefine, Terpene und Fettsäureester sind eingeschränkt beispielsweise durch ihre für
zahlreiche Anwendungsgebiete zu hohe Korrosivität. Schwefelverbindungen weisen
darüber hinaus in vielen Fällen eine unbefriedigende Hautverträglichkeit sowie einen
unangenehmen Geruch auf, was im praktischen Gebrauch zur Belästigung und zur
Gesundheitsgefährdung von Personen führt. Als EP-Additive mit dem insgesamt
ausgewogensten Eigenschaftsprofil sind heute Dialkyloligosulfide wie z. B. Diiso
nonylpentasulfid im Gebrauch, die jedoch wie die übrigen EP-Additive des Stands
der Technik häufig keine befriedigende Wirkung zeigen. Darüber hinaus ist bei den
bekannten EP-Additiven das Preis-Leistungs-Verhältnis in vielen Fällen nicht zufrie
denstellend bzw. die Löslichkeit oder Dispergierbarkeit in den Grundölen nicht aus
reichend.
Auch elementarer Schwefel in handelsüblichen Formen, z. B. als Schwefelblüte, fin
det Einsatz als Schmierstoffadditiv. Seine Löslichkeit ist jedoch in den im Bereich der
Teilschmierung üblicherweise verwendeten Grundölen zu gering, um für die üblichen
Anforderungen der Praxis eine ausreichende Schmierwirkung zu erzielen. Alle Ver
suche, durch Erhöhung der Einsatzmenge des Schwefels eine ausreichende
Schmierwirkung zu erzielen, führten wegen der Bildung von Dispersionen zu nicht
akzeptablen Ergebnissen bei der Formulierung und Handhabung der entsprechen
den Schmierstoffe. So kam es zu einem Sedimentieren des Schwefels während der
Lagerung des Schmierstoffs sowie bei vorübergehendem Stillstand der zu schmie
renden Teile. Bei dem bei bestimmten Anwendungen erforderlichen Abfiltrieren von
während des technischen Einsatzes entstehenden Metallspänen wurde darüber hin
aus der Schwefel ebenfalls im Filter zurückgehalten und damit dem Schmiermittel
entzogen. In der Praxis werden wegen dieser Probleme anstelle elementaren
Schwefels die vorstehend beschriebenen schwefelhaltigen Verbindungen eingesetzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, EP-Additive und diese ent
haltende Schmierstoffe technisch verfügbar zu machen, welche den genannten
Nachteilen des Stands der Technik abhelfen.
Gegenstand der Erfindung sind schwefelhaltige Schmierstoffe, welche nanopartikulä
ren Schwefel mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 10 bis 1500
nm, vorzugsweise jedoch im Bereich von 25 bis 800 nm, enthalten.
Die Größenangaben sind zu verstehen als Durchmesser in Richtung der größten
Längenausdehnung der Teilchen. Bei der Herstellung der feinteiligen Partikel erhält
man stets Teilchen mit einer Größe, die einer Verteilungskurve folgt. Zur experi
mentellen Bestimmung der Teilchengröße kann beispielsweise die dem Fachmann
bekannte Methode der dynamischen Lichtstreuung angewandt werden.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß nanopartikulären Schwefel mit den vor
stehend genannten Teilchendurchmessern enthaltende Schmierstoffe Vorteile ge
genüber Schmierstoffen des Stands der Technik aufweisen, wie beispielsweise
- - eine hervorragende Schmierwirkung, besonders bei hoher Belastung
- - eine einfache Herstellbarkeit der Schmierstoff-Zubereitungen verbunden mit einer guten Lagerstabilität, ohne daß Agglomeration oder Sedimentation der disper gierten Partikel erfolgt
- - Ungiftigkeit
- - Geruchlosigkeit
- - gute Hautverträglichkeit
- - problemlose Entsorgbarkeit.
Die nanopartikulären Schwefelteilchen sind in einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung von mindestens einem Oberflächenmodifikationsmittel ummantelt. Durch
diese Ummantelung wird die chemische Stabilität gegenüber oxidativen und photo
chemischen Veränderungen während der Lagerung der Partikel verbessert und ihre
Stabilität gegenüber einer Agglomeration erhöht. Weiterhin kann durch eine geeig
nete Ummantelung der Partikel ihre Redispergierbarkeit verbessert und diese unter
schiedlichen Dispersionsmitteln angepaßt werden.
Unter Oberflächenmodifikationsmitteln sind Stoffe zu verstehen, welche der Oberflä
che der feinteiligen Partikel physikalisch anhaften, mit diesen jedoch nicht chemisch
reagieren. Die einzelnen an der Oberfläche adsorbierten Moleküle der Oberflächen
modifikationsmittel sind im wesentlichen frei von intermolekularen Bindungen unter
einander. Unter Oberflächenmodifikationsmitteln sind insbesondere Dispergiermittel
zu verstehen. Dispergiermittel sind dem Fachmann beispielsweise auch unter den
Begriffen Emulgatoren, Schutzkolloide, Netzmittel und Detergentien bekannt.
Als Oberflächenmodifikationsmittel kommen beispielsweise Emulgatoren vom Typ
der nichtionogenen Tenside aus mindestens einer der folgenden Gruppen in Frage:
- 1. Anlagerungsprodukte von 2 bis 30 Mol Ethylenoxid und/oder 0 bis 5 Mol Pro pylenoxid an lineare Fettalkohole mit 8 bis 22 C-Atomen, an Fettsäuren mit 12 bis 22 C-Atomen und an Alkylphenole mit 8 bis 15 C-Atomen in der Alkyl gruppe;
- 2. C12/18-Fettsäuremono- und -diester von Anlagerungsprodukten von 1 bis 30 Mol Ethylenoxid an Glycerin;
- 3. Glycerinmono- und -diester und Sorbitanmono- und -diester von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren mit 6 bis 22 Kohlenstoffatomen und deren Ethylenoxidanlagerungsprodukte;
- 4. Alkylmono- und -oligoglycoside mit 8 bis 22 Kohlenstoffatomen im Alkylrest und deren ethoxylierte Analoga;
- 5. Anlagerungsprodukte von 15 bis 60 Mol Ethylenoxid an Ricinusöl und/oder gehärtetes Ricinusöl;
- 6. Polyol- und insbesondere Polyglycerinester, wie z. B. Polyglycerinpoly ricinoleat, Polyglycerinpoly-12-hydroxystearat oder Polyglycerindimerat. Ebenfalls geeignet sind Gemische von Verbindungen aus mehreren dieser Substanzklassen;
- 7. Anlagerungsprodukte von 2 bis 15 Mol Ethylenoxid an Ricinusöl und/oder ge härtetes Ricinusöl;
- 8. Partialester auf Basis linearer, verzweigter, ungesättigter bzw. gesättigter C6/22 Fettsäuren, Ricinolsäure sowie 12-Hydroxystearinsäure und Glycerin, Polyglycerin, Pentaerythrit, Dipenta-erythrit, Zuckeralkohole (z. B. Sorbit), Al kylglucoside (z. B. Methylglucosid, Butylglucosid, Lauryl-glucosid) sowie Poly glucoside (z. B. Cellulose);
- 9. Mono-, Di- und Trialkylphosphate sowie Mono-, Di- und/oder Tri-PEG-alkyl phosphate und deren Salze;
- 10. Wollwachsalkohole;
- 11. Polysiloxan-Polyalkyl-Polyether-Copolymere bzw. entsprechende Derivate;
- 12. Mischester aus Pentaerythrit, Fettsäuren, Citronensäure und Fettalkohol ge mäß DE-PS 11 65 574 und/oder Mischester von Fettsäuren mit 6 bis 22 Koh lenstoffatomen, Methylglucose und Polyolen, vorzugsweise Glycerin oder Po lyglycerin sowie
- 13. Polyalkylenglycole.
Die Anlagerungsprodukte von Ethylenoxid und/oder von Propylenoxid an Fettalko
hole; Fettsäuren, Alkylphenole, Glycerinmono- und -diester sowie Sorbitanmono-
und -diester von Fettsäuren oder an Ricinusöl stellen bekannte, im Handel erhält
liche Produkte dar. Es handelt sich dabei um Homologengemische, deren mittlerer
Alkoxylierungsgrad dem Verhältnis der Stoffmengen von Ethylenoxid und/oder
Propylenoxid und Substrat, mit denen die Anlagerungsreaktion durchgeführt wird,
entspricht.
C8/18-Alkylmono- und -oligoglycoside, ihre Herstellung und ihre Verwendung sind aus
dem Stand der Technik bekannt. Ihre Herstellung erfolgt insbesondere durch
Umsetzung von Glucose oder Oligosacchariden mit primären Alkoholen mit 8 bis 18
C-Atomen. Bezüglich des Glycosidrestes gilt, daß sowohl Monoglycoside, bei denen
ein cyclischer Zuckerrest glycosidisch an den Fettalkohol gebunden ist, als auch
oligomere Glycoside mit einem Oligomerisationsgrad bis vorzugsweise etwa 8
geeignet sind. Der Oligomerisierungsgrad ist dabei ein statistischer Mittelwert, dem
eine für solche technischen Produkte übliche Homologenverteilung zugrunde liegt.
Typische Beispiele für anionische Emulgatoren sind Seifen, Alkylbenzolsulfonate,
Alkansulfonate, Olefinsulfonate, Alkylethersulfonate, Glycerinethersulfonate, α-
Methylestersulfonate, Sulfofettsäuren, Alkylsulfate, Alkylethersulfate wie bei
spielsweise Fettalkoholethersulfate, Glycerinethersulfate, Hydroxymischethersulfate,
Monoglycerid(ether)sulfate, Fettsäureamid(ether)sulfate, Mono- und Dialkyl
sulfosuccinate, Mono- und Dialkylsulfo-succinamate, Sulfotriglyceride, Amidseifen,
Ethercarbonsäuren und deren Salze, Fettsäureisethionate, Fettsäuresarcosinate,
Fettsäuretauride, N-Acylaminosäuren wie beispielsweise Acylglutamate und
Acylaspartate, Alkyloligoglucosidsulfate, Proteinfettsäurekondensate (insbesondere
pflanzliche Produkte auf Weizenbasis), und Alkyl(ether)phosphate. Sofern die
anionischen Tenside Polyglycoletherketten enthalten, können diese eine konventio
nelle, vorzugsweise jedoch eine eingeengte Homologenverteilung aufweisen.
Weiterhin können als Emulgatoren zwitterionische Tenside verwendet werden. Als
zwitterionische Tenside werden solche oberflächenaktiven Verbindungen bezeich
net, die im Molekül mindestens eine quartäre Ammoniumgruppe und mindestens
eine Carboxylat- und eine Sulfonatgruppe tragen. Besonders geeignete zwitterioni
sche Tenside sind die sogenannten Betaine wie die N-Alkyl-N,N-dimethylammoni
umglycinate, beispielsweise das Kokosalkyldimethylammonium-glycinat, N-Acyl
amino-propyl-N,N-dimethylammoniumglycinate, beispielsweise das Kokosacyl
aminopropyldimethylammoniumglycinat, und 2-Alkyl-3-carboxylmethyl-3-hydroxy
ethylimidazoline mit jeweils 8 bis 18 C-Atomen in der Alkyl- oder Acylgruppe sowie
das Kokosacylaminoethylhydroxyethylcarboxymethylglycinat. Besonders bevorzugt
ist das unter der CTFA-Bezeichnung Cocamidopropyl Betaine bekannte
Fettsäureamid-Derivat. Ebenfalls geeignete Emulgatoren sind ampholytische Ten
side. Unter ampholytischen Tensiden werden solche oberflächenaktiven Verbindun
gen verstanden, die außer einer C8/18-Alkyl- oder -Acylgruppe im Molekül mindestens
eine freie Aminogruppe und mindestens eine -COOH- oder -SO3H-Gruppe enthalten
und zur Ausbildung innerer Salze befähigt sind. Beispiele für geeignete
ampholytische Tenside sind N-Alkylglycine, N-Alkylpropionsäuren, N-Alkylamino
buttersäuren, N-Alkyliminodipropionsäuren, N-Hydroxyethyl-N-alkylamidopropylg
lycine, N-Alkyltaurine, N-Alkylsarcosine, 2-Alkylaminopropionsäuren und
Alkylaminoessigsäuren mit jeweils etwa 8 bis 18 C-Atomen in der Alkylgruppe. Be
sonders bevorzugte ampholytische Tenside sind das N-Kokosalkylaminopropionat,
das Kokosacylaminoethylaminopropionat und das C12/18-Acylsarcosin. Neben den
ampholytischen kommen auch quartäre Emulgatoren in Betracht, wobei solche vom
Typ der Esterquats, vorzugsweise methyl-quaternierte
Difettsäuretriethanolaminester-Salze, besonders bevorzugt sind.
Weiter kommen als Oberflächenmodifikationsmittel in Frage:
- a) Thiole der allgemeinen Formel HSR1, wobei R1 einen acyclischen oder cyclischen aliphatischen, araliphatischen, alkylaromatischen oder aromatischen Rest mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen bedeutet, der zusätzlich mit einem oder mehreren Sub stituenten ausgewählt aus der Gruppe ONO2, NO2, Cl, Br, CN, SO3M oder OSO3M substituiert sein kann, wobei M Wasserstoff oder ein Alkalimetall bedeu tet.
- b) Thioether der allgemeinen Formel R1-Sx-R2, wobei R1 und R2 jeweils für sich die gleiche Bedeutung haben wie für R1 unter a) beschrieben und gleich oder ver schieden sein können, und x eine ganze Zahl zwischen 1 und 12 bedeutet.
Als Oberflächenmodifikationsmittel geeignete Schutzkolloide sind z. B. natürliche
wasserlösliche Polymere wie z. B. Gelatine, Casein, Gummi arabicum, Lysalbin
säure, Stärke, Albumin, Alginsäure sowie deren Alkali- und Erdalkalimetallsalze,
wasserlösliche Derivate von wasserunlöslichen polymeren Naturstoffen wie z. B.
Celluloseether wie Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose
oder modifizierte Carboxymethylcellulose, Hydroxyethyl-Stärke oder Hydroxypropyl-
Guar, sowie synthetische wasserlösliche Polymere, wie z. B. Polyvinylalkohol, Po
lyvinylpyrrolidon, Polyalkylenglycole, Polyasparaginsäure und Polyacrylate.
In der Regel werden der Schwefel und das bzw. die Oberflächenmodifikationsmittel
im Gewichtsverhältnis 1 : 50 bis 50 : 1, vorzugsweise 1 : 25 bis 25 : 1 und insbeson
dere 1 : 10 bis 10 : 1 eingesetzt.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schmiermittel wird nanopartikulärer
Schwefel mit einem oder mehreren Grundölen und/oder Grundölemulsionen sowie
wahlweise einem oder mehreren weiteren Additiven dispergiert. Dabei kann entspre
chend der Löslichkeit des Schwefels im Dispersionsmittel ein Teil des Schwefels in
Lösung gehen.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der gebrauchsfertigen Schmierstoff-Zube
reitungen besteht darin, daß der nanopartikuläre Schwefel zunächst in einem
Grundöl oder einer Grundölemulsion in Form eines Schmierstoffadditiv-Konzentrats
vordispergiert wird, und dieses anschließend durch Verdünnung mit dem gleichen
Grundöl oder auch anderen flüssigen Komponenten in die gewünschte Anwen
dungsformulierung überführt wird.
Für den Fall, daß die Schmierstoff-Zubereitungen Wasser enthalten, kann der nano
partikuläre Schwefel auch zunächst mit Wasser dispergiert und anschließend mit
den übrigen Rezepturbestandteilen vermengt werden.
Die Reihenfolge der Zugabe der einzelnen Komponenten zur Herstellung der
Schmierstoff-Zubereitungen ist dabei in der Regel unkritisch.
Als Grundöl kommen je nach Einsatzzweck vorzugsweise die eingangs als Grundöle
genannten Stoffgruppen oder deren Emulsionen in Betracht. Vorzugsweise stellt das
Grundöl einen Carbonsäureester wie z. B. Trimethylolpropan-ölsäurester dar. Wei
tere erfindungsgemäß für die Additivierung mit dem nanopartikulären Schwefel ge
eignete Grundöle und Schmiermittel-Zubereitungen sind beispielsweise beschrieben
in Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Band 20, S. 484-529, 4. Auflage,
Verlag Chemie, Weinheim 1981.
Die in den erfindungsgemäßen Schmiermitteln wahlweise zusätzlich enthaltenen
Additive sind beispielhaft eingangs beschrieben. Ihre Wahl nach Art und Menge
richtet sich nach dem Einsatzzweck des Schmiermittels und ist der vorstehend zi
tierten Fachliteratur (W. J. Bartz et al.) zu entnehmen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind somit Schmierstoffe, welche nanoparti
kulären Schwefel mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 10 bis
1500, bevorzugt jedoch 25 bis 800 nm, dispergiert in einem Grundöl enthalten.
Die Einsatzmenge des nanopartikulären Schwefels in der Schmierstoff-Zubereitung
hängt vom angestrebten Einsatzzweck ab. Im allgemeinen wird die Einsatzmenge
des Schwefels so gewählt, daß die Konzentration des in den Nanopartikeln enthalte
nen Schwefels - d. h. ohne Berücksichtigung ggf. zusätzlich in den Nanopartikeln
enthaltener Oberflächenmodifikationsmittel - zwischen 0,02 und 50, vorzugsweise
0,1 und 5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Schmierstoffzubereitungen
liegt.
Die Herstellung des in den erfindungsgemäßen Schmierstoffen enthaltenen nano
partikulären Schwefels kann nach unterschiedlichen Verfahren erfolgen.
Bevorzugt erfolgt die Herstellung so, daß zunächst nach einem der aus dem Stand
der Technik bekannten Verfahren eine wässrige Schwefel-Dispersion - auch als
"kolloidaler Schwefel" bezeichnet - hergestellt wird. Solche Verfahren sind bei
spielsweise beschrieben in Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, Band 9
[A] 8. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim 1953, S. 485 f. Die wässrige Dispersion
kann für den Einsatz in wasserhaltigen Schmierstoff-Zubereitungen als solche ver
wendet werden. Falls gewünscht, kann dabei durch Hinzufügen oder Entfernen von
Wasser eine bestimmte Konzentration der Dispersion eingestellt werden. Für die
Weiterverwendung des Schwefels in nichtwässrigen Schmierstoff-Zubereitungen
wird die wässrige Schwefel-Dispersion vom Wasser befreit, was bevorzugt durch
Gefriertrocknung geschehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Herstellung der wässrigen Schwe
fel-Dispersion dadurch, daß folgende Komponenten zur Reaktion gebracht werden:
- a) Schwefelwasserstoff oder ein Alkalimetallsalz des Schwefelwasserstoffs und
- b) Schwefeldioxid, schweflige Säure oder ein Alkalimetallsalz der schwefligen Säure.
Je nach den eingesetzten Reaktionspartnern ist weiterhin eine Brönsted-Säure, be
vorzugt eine Mineralsäure, zuzusetzen, um den für die Reaktion erforderlichen sau
ren pH-Wert von unterhalb 7 einzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform des Herstellverfahrens für den nanopartikulären
Schwefel werden der wässrigen Schwefel-Dispersion vor der Gefriertrocknung ein
oder mehrere Oberflächenmodifikationsmittel zugesetzt. Die Art und Menge der zu
gesetzten Oberflächenmodifikationsmittel richtet sich dabei nach deren Löslichkeit in
der Dispersion sowie dem Bestimmungszweck der nach Gefriertrocknung erhaltenen
ummantelten Schwefelpartikel. So kann durch die Wahl des Oberflächenmodifikati
onsmittels beispielsweise die Verträglichkeit der Schwefel-Nanopartikel auf die übri
gen Schmierstoffkomponenten der Zubereitung abgestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform findet die Herstellung der wässrigen Schwefel-
Dispersion in Gegenwart eines oder mehrerer Oberflächenmodifikationsmittel statt,
wobei die Reihenfolge ihrer Zugabe zu den übrigen Reaktionspartnern in der Regel
nicht kritisch ist.
Typischerweise werden die Oberflächenmodifikationsmittel in den oben angegebe
nen Gewichtsverhältnissen eingesetzt.
Weiter kann die Herstellung des in den erfindungsgemäßen Schmierstoffen enthal
tenen nanopartikulären Schwefels erfolgen, indem man dampfförmigen Schwefel in
Wasser, das gegebenenfalls einen oder mehrere Oberflächenmodifikationsmittel
enthält, einkondensiert und die erhaltene Suspension anschließend beispielsweise
durch eine Gefriertrocknung vom Wasser befreit.
Eine weitere Herstellungsmöglichkeit besteht darin, daß man
- a) Schwefel in eine flüssige Phase, in der er nicht löslich ist, einbringt,
- b) die resultierende Mischung über den Schmelzpunkt des Schwefels erwärmt,
- c) der resultierenden Phase eine wirksame Menge mindestens eines Oberflä chenmodifikationsmittels zusetzt und schließlich
- d) die Emulsion unter den Schmelzpunkt des Schwefels abkühlt.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von nanopartikulären Teilchen durch rasche
Entspannung von überkritischen Lösungen (Rapid Expansion of Supercritical Soluti
ons RESS) ist beispielsweise aus dem Aufsatz von S. Chihlar, M. Türk und K. Schaber
in Proceedings World Congress on Particle Technology 3, Brighton, 1998 bekannt.
Um zu verhindern, daß die Teilchen wieder zusammenbacken, empfiehlt es sich, die
Ausgangsstoffe in Gegenwart geeigneter Oberflächenmodifikationsmittel zu lösen
und/oder die kritischen Lösungen in wäßrige und/oder alkoholische Lösungen der
Oberflächenmodifikationsmittel zu entspannen, welche ihrerseits wieder gelöste
Oberflächenmodifikationsmittel enthalten können.
Ein weiteres geeignetes Verfahren zur Herstellung des nanopartikulären Schwefels
bietet die Evaporationstechnik. Hierbei wird Schwefel zunächst in einem geeigneten
organischen Lösungsmittel gelöst. Anschließend wird die Lösung derart in Wasser
oder ein anderes Nicht-Lösungsmittel, gegebenenfalls in Gegenwart einer darin ge
lösten oberflächenaktiven Verbindung gegeben, daß es durch die Homogenisierung
der beiden nicht miteinander mischbaren Lösungsmittel zu einer Ausfällung der
nanopartikulären Teilchen kommt, wobei das organische Lösungsmittel vorzugs
weise verdampft. Anstelle einer wäßrigen Lösung können auch O/W-Emulsionen
bzw. O/W-Mikroemulsionen eingesetzt werden. Als oberflächenaktive Verbindungen
können die bereits eingangs erläuterten Oberflächenmodifikationsmittel verwendet
werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von nanopartikulären Teilchen besteht in
dem sogenannten GAS-Verfahren (Gas Anti Solvent Recrystallization). Das Verfah
ren nutzt ein hochkomprimiertes Gas oder überkritisches Fluid (z. B. Kohlendioxid)
als Nicht-Lösungsmittel zur Kristallisation von gelösten Stoffen. Die verdichtete Gas
phase wird in die Primärlösung des Ausgangsstoffs eingeleitet und dort absorbiert,
wodurch sich das Flüssigkeitsvolumen vergrößert, die Löslichkeit abnimmt und fein
teilige Partikel ausgeschieden werden. Ähnlich geeignet ist das PCA-Verfahren (Pre
cipitation with a Compressed Fluid Anti-Solvent). Hier wird die Primärlösung des
Ausgangsstoffs in ein überkritisches Fluid eingeleitet, wobei sich feinstverteilte
Tröpfchen bilden, in denen Diffusionsvorgänge ablaufen, so daß eine Ausfällung
feinster Partikel erfolgt. Beim PGSS-Verfahren (Particles from Gas Saturated Soluti
ons) wird der Ausgangsstoff durch Aufpressen von Gas (z. B. Kohlendioxid oder Pro
pan) aufgeschmolzen. Druck und Temperatur erreichen nahe- oder überkritische
Bedingungen. Die Gasphase löst sich im Feststoff und bewirkt eine Absenkung der
Schmelztemperatur, der Viskosität und der Oberflächenspannung. Bei der Expan
sion durch eine Düse kommt es durch Abkühlungseffekte zur Bildung feinster Teil
chen.
Die aufgeführten Herstellverfahren für den in den erfindungsgemäßen Schmiermit
teln enthaltenen nanopartikulären Schwefel sind lediglich beispielhaft zu verstehen
und stellen keine Einschränkung dar.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schmieren von relativ zueinander
bewegten Oberflächen, bei welchem ein Schmiermittel eingesetzt wird, das nano
partikulären Schwefel mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 10
bis 1500 nm, vorzugsweise jedoch im Bereich von 25 bis 800 nm, enthält.
Beispiele für solche Verfahren sind die Schmierung von Maschinenteilen wie Lagern
und Gelenken.
Der nanopartikuläre Schwefel wirkt in den erfindungsgemäßen Schmiermitteln als
Schmierstoffadditiv, insbesondere als Extreme-Pressure-Additiv. Seine besonders
vorteilhaften reibungsvermindernden Eigenschaften machen sich vor allem bei
schweren Schneidvorgängen sowie Prozessen bemerkbar, wo ein hohes Lastauf
nahmevermögen gefordert wird. Die Erfindung umfaßt daher weiterhin Verfahren zur
Metallbearbeitung unter Einsatz des vorstehend beschriebenen nanopartikulären
Schwefels und seine Verwendung in Metallbearbeitungsölen, insbesondere den bei
der zerspanenden Metallverarbeitung verwendeten Schneidölen.
Die folgenden Beispiele sollen den Erfindungsgegenstand näher erläutern:
Es wurden getrennt folgende Lösungen hergestellt:
Lösung a): 10,8 g Natriumsulfit in 150 ml Wasser
Lösung b): 19,2 g Natriumsulfid-Nonahydrat in 150 ml Wasser.
Lösung a): 10,8 g Natriumsulfit in 150 ml Wasser
Lösung b): 19,2 g Natriumsulfid-Nonahydrat in 150 ml Wasser.
Zu Lösung b) wurden mittels einer Pipette 4,5 ml von Lösung a) zugefügt. Zu der so
erhaltenen klaren Lösung wurde unter ständigem Rühren tropfenweise eine Mi
schung aus 30 ml dest. Wasser und 8,1 g konz. Schwefelsäure solange zugefügt
(wobei sich die Lösung gelb färbt), bis eben noch keine bleibende Trübung auftrat;
dies war nach Zugabe von ca. 24 ml der Wasser/Schwefelsäure-Mischung der Fall.
Der entstandenen Mischung wurde unter ständigem Rühren ein Gemisch aus den
verbliebenen 145,5 ml von Lösung a) und 16,5 g konz. Schwefelsäure zugefügt. Da
bei entstand eine gelblich-weiße Ausfällung. Die erhaltene Mischung wurde 1 h in
einem mit einem Uhrglas bedeckten Erlenmeyerkolben stehengelassen, wobei sich
ein Bodensatz ausbildete.
Danach filtrierte man durch einen Faltenfilter ab und wusch den gelben, aus Schwe
fel-Gel bestehenden Filterkuchen von der Außenseite des Filters mit 300 ml dest.
Wasser aus. Anschließend wurde der Filterkuchen auf dem Filter mit 900 ml dest.
Wasser peptisiert. Von dem erhaltenen, gelblichweißen wässrigen Schwefel-Sol
wurde die Teilchengröße zu X50 = 829 nm bestimmt.
Die Bestimmung der Teilchengröße erfolgte mit einem ultrakompakten Hochlei
stungs-Feinstkorn-Granulometer (UPA). Der X50-Wert besagt, daß 50% aller Teil
chen eine Größe aufweisen, die kleiner oder gleich diesem Wert ist.
Die wässrige Dispersion wurde anschließend gefriergetrocknet, wobei 1,6 g nano
partikulärer Schwefel mit einer Teilchengröße von X50 = 460 nm erhalten wurden.
Es wurde nanopartikulärer Schwefel analog zu Beispiel 1 hergestellt mit dem Unter
schied, daß die Peptisation des Schwefel-Gels auf dem Filter mit 900 ml dest. Was
ser erfolgte, dem zuvor 4,32 g einer 25 Gew.-%igen wässrigen Lösung von Cetyltri
methylammoniumchlorid (Dehyquart A der Henkel KGaA) zugesetzt worden waren.
Die Teilchengröße des erhaltenen, gelblichweißen wässrigen Schwefel-Sols wurde
zu X50 = 1230 nm bestimmt.
Die wässrige Dispersion wurde anschließend gefriergetrocknet, wobei 2,1 g nano
partikulärer Schwefel mit einer Teilchengröße von X50 = 700 nm erhalten wurden.
Die Reib-/Verschleißprüfungen wurden nach DIN 51 834 ("Schwingungsreibver
schleiß im SRV-Prüfgerät bei oszillierender Beanspruchung") in einem Schmierstoff-,
Lubricant-, Material-Testsystem ("SRV-Test") der Firma Optimol Instruments GmbH,
München, durchgeführt. Dabei rieb bei einer gleichmäßigen Belastung von 250 N
eine Stahlkugel mit einer Frequenz von 50 Hz auf einer zylindrischen Stahlplatte.
Nach 50 min Belastung wurde die Profiltiefe der Kalotte vermessen. Beim Auftreten
von Fressern wurde der Versuch vorzeitig abgebrochen.
Während des gesamten Versuchs wird die Reibungszahl zeitabhängig in Form einer
Reibkurve aufgezeichnet. Das Auftreten eines Reibprofils ist hierbei als unerwünscht
zu werten. Ein ideales Schmiermittel zeichnet sich durch einen linearen Kurvenver
lauf aus.
Als Basisöl wurde jeweils Trimethylolpropan-Ölsäureester (Edenor TMP 05, Waren
zeichen der Henkel KgaA) eingesetzt. Versuch Nr. 1 dient als Vergleichsversuch
(Leerwert). In Versuch Nr. 2 (Referenzwert) wurden 13% Diisononylpentasulfid als
Additiv eingesetzt; diese Konzentration entspricht einer Konzentration von 5% ge
bundenem Schwefel. In den erfindungsgemäßen Versuchen Nr. 3 bis 6 wurde der
gemäß Beispiel 1 hergestellte nanopartikuläre Schwefel in den angegebenen Kon
zentrationen als Additiv eingesetzt. In den Vergleichsversuchen Nr. 7 und 8 wurde
kommerzielle Schwefelblüte (Riedel de Haen) als Additiv eingesetzt.
Zur Herstellung der Prüfmuster für die Versuche Nr. 3 bis 6 wurde der nach Gefrier
trocknung erhaltene nanopartikuläre Schwefel aus Beispiel 1 im Schmiermittel dis
pergiert. Die Teilchengröße in diesen Dispersionen wurde mit X50 = 770 nm be
stimmt.
Die Versuche Nr. 3 bis 6 zeigen, daß der nanopartikuläre Schwefel selbst in deutlich
niedrigeren Einsatzkonzentrationen als das kommerzielle Referenzprodukt (Nr. 2)
deutlich bessere Reibverschleißwerte aufweist, d. h. eine bessere Schmierung der
Stahloberfläche und damit einen niedrigeren Verschleiß bewirkt. Dies kommt sowohl
in der geringeren Profiltiefe als auch dem günstigeren Verlauf der Reibkurve zum
Ausdruck.
Die schlechteren Schmiereigenschaften der Schwefelblüte zeigen sich bereits darin,
daß es vor dem Ende der regulären Versuchsdauer zu Fressern kommt. Darüber
hinaus kommt es zu einer unerwünschten Sedimentation der Schwefelpartikel.
Claims (11)
1. Schwefelhaltige Schmierstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß sie nanopartikulä
ren Schwefel mit einem mittlerem Teilchendurchmesser im Bereich von 10 bis
1500 nm enthalten.
2. Schmierstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil
chendurchmesser im Bereich von 25 bis 800 nm liegt.
3. Schmierstoffe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwefelpartikel mit einem oder mehreren Oberflächenmodifikationsmitteln
ummantelt vorliegen.
4. Schmierstoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der nanopartikuläre Schwefel in einem Grundöl dispergiert ist.
5. Schmierstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schmierstoff 0,02 bis 50 Gew.-% des nanopartikulären
Schwefels enthält.
6. Schmierstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff
0,1 bis 5 Gew.-% des nanopartikulären Schwefels enthält.
7. Schmierstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der im Schmierstoff enthaltene nanopartikuläre Schwefel herge
stellt wird durch Gefriertrocknung einer wässrigen Schwefel-Dispersion.
8. Schmierstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige
Schwefel-Dispersion hergestellt wird, indem folgende Komponenten zur Reaktion
gebracht werden:
- - Schwefelwasserstoff oder ein Alkalimetallsalz des Schwefelwasserstoffs und
- - Schwefeldioxid, schweflige Säure oder ein Alkalimetallsalz der schwefligen Säure.
9. Schmierstoff nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der wäßrigen Schwefel-Dispersion vor der Gefriertrocknung mindestens ein
Oberflächenmodifikationsmittel zugesetzt wurde.
10. Schmierstoff nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Herstellung der wäßrigen Schwefel-Dispersion in Gegenwart mindestens ei
nes Oberflächenmodifikationsmittels erfolgt.
11. Verfahren zum Schmieren von relativ zueinander bewegten Oberflächen, da
durch gekennzeichnet, daß man einen Schmierstoff nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 10 einsetzt.
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