DE202021002910U1 - Limonene sulfide - Google Patents
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Abstract
Limonenpolysulfid dadurch erhältlich, dass Limonen mit mehr als 2,2 mol-Äquivalenten, bevorzugt mit 3,5 mol-Äquivalenten, von elementarem Schwefel zur Reaktion gebracht wird.Limonene polysulfide obtainable in that limonene is reacted with more than 2.2 mole equivalents, preferably with 3.5 mole equivalents, of elemental sulfur.
Description
Hintergrundbackground
Moderne Schmierstoffformulierungen beinhalten umfangreiche Additivpakete bestehend aus verschleißmindernden Additiven (anti wear, AW), und Schwerlastadditiven (extreme pressure, EP). Technisch relevante AW- und EP-Additive gehören zu den Verbindungsklassen der Thiophosphate (beispielsweise Triphenylphosphorothionat, TPPT) sowie den Dialkyldithiophosphaten (beispielsweise Irgalube L63® der BASF) und die ebenfalls aus der Thiophosphorsäuredialkyle ableitbaren Zinkdialkyldithiophosphate.
Strukturen von TPPT (links) und der synthetische Zugang zu Zinkdialkyldithiophosphaten (rechts oben) sowie aschefreien Dialkyldithiophosphaten (rechts unten, mit R=CO2H : Irgalube L63®).Structures of TPPT (left) and the synthetic access to zinc dialkyldithiophosphates (top right) and ashless dialkyldithiophosphates (bottom right, with R = CO 2 H: Irgalube L63 ® ).
Die technische Relevanz dieser Stoffklassen spiegelt sich in den bei dem Europäischen Chemikalienamt (ECHA) registrierten Tonnagen im Bereich von 4.000 t/a für Thiophosphate und 340.000 t/a für Dialkyldithiophosphat-Derivate wider. Die registrierten Thiophosphate basieren auf Phenolderivaten und sind aufgrund von gesundheitlichen Aspekten - im Wesentlichen hervorgerufen durch freisetzbare Phenolderivate - in die Kritik geraten.The technical relevance of these substance classes is reflected in the tonnages registered with the European Chemicals Agency (ECHA) in the range of 4,000 t / a for thiophosphates and 340,000 t / a for dialkyldithiophosphate derivatives. The registered thiophosphates are based on phenol derivatives and have come under criticism due to health aspects - mainly caused by releasable phenol derivatives.
Polysulfide sind herkömmlich eingesetzte Schwerlastadditive und (aus der Reaktion von Olefinen mit Schwefel und/oder Schwefelwasserstoff unter erhöhtem Druck und Temperaturen) relativ einfach und skalierbar zugänglich. Gängige kommerzielle Produkte sind von Isobutylen oder Isononylen abgeleitet und von Chevron als TBPS454® und TNPS537® oder von Rheinchemie als RC2540® verfügbar. Das Reaktionsprodukt von Dipenten (das racemische Gemisch aus D- und L-Limonen) sowie Terpentinöl (Gemisch diverser Terpene) mit Schwefel sind aus dem Stand der Technik als Schwerlastadditiv beschrieben. Die Verwendung von Katalysatoren für die Polysulfidsynthese ist üblich und häufig werden hierzu Amine eingesetzt. Neben Polysulfiden sind auch schwefelhaltige Thiadiazolderivate (unter anderem von Metallchemie MC210, MC213 etc.) als EP-Additive bekannt.Polysulfides are conventionally used heavy-duty additives and (from the reaction of olefins with sulfur and / or hydrogen sulfide under increased pressure and temperatures) are accessible in a relatively simple and scalable manner. Common commercial products derived from isobutylene or isononylene and available from Chevron as TBPS454 ® and TNPS537 ® or from Rhein Chemie as RC2540 ®. The reaction product of dipentene (the racemic mixture of D- and L-limonene) and turpentine oil (mixture of various terpenes) with sulfur are described in the prior art as a heavy-duty additive. The use of catalysts for polysulfide synthesis is common and amines are often used for this purpose. In addition to polysulfides, sulfur-containing thiadiazole derivatives (including those from Metallchemie MC210, MC213 etc.) are known as EP additives.
Die bekannten kommerziellen Produkte mit Schwerlasteigenschaften basieren auf petrochemischen Produkten. Aus aktueller Sichtweise sind petrochemische Produkte aus Umwelt- und ökonomischen Aspekten allerdings nicht zukunftsfähig. Die genannten Umwelt- und Gesundheitsgefährdungen der eingesetzten Additive mit Verschleißmindernden oder Schwerlasteigenschaften erfordern die Entwicklung von effektiven Additiven mit tatsächlich akzeptablen biologischen, toxikologischen sowie umweltrelevanten Eigenschaften bei gleichzeitig hervorragender Leistung. Ein ständiges Problem besteht somit darin, nachhaltige und erneuerbare Produkte mit konkurrenzfähigen Schwerlasteigenschaften bereitzustellen.The well-known commercial products with heavy duty properties are based on petrochemical products. From a current perspective, however, petrochemical products are not sustainable from an environmental and economic point of view. The mentioned environmental and health hazards of the additives used with wear-reducing or heavy-duty properties require the development of effective additives with actually acceptable biological, toxicological and environmentally relevant properties with excellent performance at the same time. A constant problem is thus to provide sustainable and renewable products with competitive heavy duty properties.
Beschreibungdescription
Mit den dieser Erfindung zugrundeliegenden Arbeiten konnte dieses Problem überraschender Weise mit Polysulfiden basierend auf D-Limonen, einem Abfallprodukt aus der Zitronen- und Orangensaftindustrie, gelöst werden, welche über einen Schwefelgehalt bis zu etwa 60 wt.%, bevorzugt über einen Schwefelgehalt von 34-45 wt.%, verfügen, und eine polymere Struktur aufweisen, in der die durchschnittliche Länge der Sulfidbrücken maximal etwa 6 Schwefelatome, bevorzugt 2,2 bis 3,5 Schwefelatome, umfasst; besonders bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Polysulfide einen Schwefelgehalt von etwa 45 wt.% auf und, dem entsprechend, beträgt die durchschnittliche Länge der Sulfidbrücken besonders bevorzugt etwa 3,5 Schwefelatome. Die erfindungsgemäßen polymere Limonenpolysulfide sind z.B. ohne Katalysator in einer druckfreien Synthese aus D-Limonen und elementarem Schwefel bei erhöhten Temperaturen zugänglich. Alternativ können sie aber auch in einer Alkylamin-katalysierten Reaktion, wie sie z.B. in
Im katalysatorfreien Syntheseweg werden z.B. 1 mol D-Limonen mit wenigstens 2,2 mol, bevorzugt mit 3,5 mol, elementarem Schwefel umgesetzt. Das resultierende erfindungsgemäße polymere Polysulfid eignet sich insbesondere für die Formulierung von ölbasierten Zusammensetzungen, die als Schmiermittel, Hydraulikflüssigkeit, Motoröl, Getriebeöl, Prozessöl, Schmierfett etc. Anwendung finden können.
Beispielhafte chematische Struktur eines erfindungsgemäßen polymeren D-Limonenpolysulfides.Exemplary chemical structure of a polymeric D-limonene polysulfide according to the invention.
Die geringe Toxizität sowie die polymere Struktur mit einhergehender Registrierungsfreiheit bei der ECHA bildet die Voraussetzung für eine schnelle Markteinführung mit hoher Kundenakzeptanz. Zudem zeichnet sich das aus nachwachsenden Rohstoffen erhältliche Produkt durch hervorragende umweltrelevante Eigenschaften aus. Die erfindungsgemäßen Produkte sind damit sowohl aus technischen als auch als ökonomischen und ökologischen Gründen für die Verwendung in ölbasierten Zusammensetzungen, die als Schmiermittel, Hydraulikflüssigkeit, Motoröl, Schmierfett, Kühlschmierstoff, Schleifflüssigkeit oder als Metallverarbeitungsflüssigkeit Verwendung finden können, herausragend geeignet.The low toxicity and the polymer structure with the associated freedom from registration with the ECHA are the prerequisites for a quick market launch with high customer acceptance. In addition, the product, which is made from renewable raw materials, is characterized by excellent environmentally relevant properties. The products according to the invention are therefore eminently suitable for technical as well as economic and ecological reasons for use in oil-based compositions which can be used as lubricants, hydraulic fluids, motor oil, lubricating grease, cooling lubricants, grinding fluids or as metalworking fluids.
Die aus erneuerbaren Quellen erhältlichen innovativen Polysulfide auf D-Limonenbasis der vorliegenden Erfindung können als EP-Additive auch mit AW-Additiven kombiniert werden, wobei sich aus einer Kombination mit AW-Additiven, die ebenfalls aus nachwachsenden Quellen (etwa aus Fettsäuren oder Terpenen) erhältlich sind, höchst vorteilhafte Produkte ergeben.The innovative D-limonene-based polysulfides of the present invention that are available from renewable sources can also be combined as EP additives with AW additives, being obtained from a combination with AW additives that are also obtained from renewable sources (e.g. from fatty acids or terpenes) result in highly beneficial products.
Phosphonate mit der folgenden Struktur
Als weitere Möglichkeit eines mit dem EP-Additiv der vorliegenden Erfindung vorteilhaft zu kombinierenden AW-Additivs steht das Poly(polybutadienphosphonat) der Struktur I
Selbstverständlich lassen sich die erfindungsgemäßen polymeren Limonenpolysulfide auch mit weiteren EP-Additiven und/oder mit Kombinationen von AW-Additiven zu hochwirksamen Schmiermittelzusammensetzungen formulieren.The polymeric limonene polysulfides according to the invention can of course also be formulated with further EP additives and / or with combinations of AW additives to form highly effective lubricant compositions.
BeispieleExamples
SynthesevorschriftSynthesis specification
Die erfindungsgemäßen limonenbasierten Polysulfide sind durch Erhitzen von Limonen und elementarem Schwefel in variierenden Gewichtsteilen erhältlich. Dazu wurden die in der folgenden Tabelle angegeben Mengen in einem Rundkolben (ausgestattet mit einem Rückflusskühler) auf 175 °C erhitzt und für 6h gerührt.
Nach 6h Reaktionszeit wurde die Reaktionslösung auf Raumtemperatur abgekühlt und das Rohprodukt als rote Flüssigkeit erhalten. Das Rohprodukt wurde durch Vakuumdestillation von den flüchtigen niedermolekularen Bestandteilen befreit, wodurch ein rotes Harz erhalten wurde. Die Menge der flüchtigen Bestandteile betrug etwa 25 wt.%.After a reaction time of 6 hours, the reaction solution was cooled to room temperature and the crude product was obtained as a red liquid. The crude product was freed from the volatile, low molecular weight components by vacuum distillation, whereby a red resin was obtained. The amount of volatiles was about 25 wt.%.
Ergebnisse der Elementaranalyse:Results of the elemental analysis:
- CHS für 33 wt.% S D-Limonenpolysulfid gemessen: C 50,24, H 6.59, S 42.92CHS measured for 33 wt.% S D-limonene polysulfide: C 50.24, H 6.59, S 42.92
- CHS für 41 wt.% S D-Limonenpolysulfid gemessen: C 50.98, H 6.66, S 42.72CHS measured for 41 wt.% S D-limonene polysulfide: C 50.98, H 6.66, S 42.72
- CHS für 50 wt.% S D-Limonenpolysulfid gemessen: C 45.79, H 5.95, S 48.25CHS measured for 50 wt.% S D-limonene polysulfide: C 45.79, H 5.95, S 48.25
Das erfindungsgemäße Produkt zeigt hervorragende Löslichkeiten in unpolaren sowie polaren Basisölen.The product according to the invention shows excellent solubilities in non-polar and polar base oils.
Die Schwerlasteigenschaften wurden mit einem modifizierten VKA ermittelt, der Messungen mit dynamischem Lastanstieg erlaubte. Die Laufgewichte (jeweils 2, 5, 10, 20, 30, 40 und 50 kg) wurden mit Hilfe eines Linearantriebes innerhalb von einer Minute über den Lastenarm bewegt. Dadurch konnte das Verhalten der Additive über einen sehr breiten Bereich untersucht werden. Die Daten der jeweiligen Laufgewichte werden anschließend zusammengefügt und hinsichtlich etwaiger Reibschwingungen, dem Verschleißkalottendurchmesser der nicht verschweißten Kugeln, sowie einem eventuellen Verschweißen bewertet.The heavy load properties were determined with a modified VKA, which allowed measurements with a dynamic load increase. The running weights (each 2, 5, 10, 20, 30, 40 and 50 kg) were moved over the load arm within one minute with the aid of a linear drive. This enabled the behavior of the additives to be examined over a very wide range. The data of the respective barrel weights are then combined and evaluated with regard to any frictional vibrations, the wear cap diameter of the non-welded balls, and any welding.
In jedem Experiment wurden 1 mmol, 1,5 mmol und 2 mmol (bezogen auf Schwefel) des gewünschten Additivs in 50 g eines aliphatischen Basisöls gelöst. Der Kugeltopf des Vierkugelapparates wurde mit 3 gereinigten 100Cr6 Stahlkugeln der Qualität G10 befüllt und diese fest eingespannt. Die eingespannten Kugeln wurden mit ca. 12 mL Öl umgeben, sodass die Kugeln ganzheitlich mit Öl bedeckt waren. Die Temperatur des Kugeltopfes wurde mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit konstant auf 25 °C temperiert. Eine vierte Kugel wurde in einer angetriebenen Spindel befestigt. Der Kugeltopf wurde in die Haltevorrichtung gespannt und das System mit dem jeweiligen Startgewicht der Laststufe beladen. Jeder Testlauf hat eine Zeit von 60 s pro Laststufe.In each experiment, 1 mmol, 1.5 mmol and 2 mmol (based on sulfur) of the desired additive were dissolved in 50 g of an aliphatic base oil. The ball pot of the four-ball apparatus was filled with 3 cleaned 100Cr6 steel balls of quality G10 and these were firmly clamped. The clamped balls were surrounded with approx. 12 mL oil so that the balls were completely covered with oil. The temperature of the ball pot was kept constant at 25 ° C. with the aid of a cooling liquid. A fourth ball was attached to a powered spindle. The ball pot was clamped in the holding device and load the system with the respective starting weight of the load level. Each test run has a time of 60 s per load level.
Das verwendete Basisöl ist ein technisches Basisöl mit hohem Anteil aliphatischer paraffinischer Kohlenwasserstoffe, welches sehr unpolar ist. Das Basisöl zeichnet sich weiterhin durch eine Viskosität (bei 40 °C) von 84 mm2/s aus.The base oil used is a technical base oil with a high proportion of aliphatic paraffinic hydrocarbons, which is very non-polar. The base oil is also characterized by a viscosity (at 40 ° C.) of 84 mm 2 / s.
Extreme Pressure ErgebnisseExtreme Pressure Results
Die Schwerlasteigenschaften wurden entsprechend der
Die Resultate dieses Tests am kommerziell erhältlichen DMTD Derivat MC210 sind in den
Zu Vergleichszwecken wurde auch ein kommerzielles tert. Butylpolysulfid von Chevron® untersucht. Die Resultate sind in den
Die Ergebnisse der Schwerlasttests mit dem erfindungsgemäßen Produkt sind in den
Kombinationspräparat Oleylstearylphosphonat & D-LimonenpolysulfidCombination preparation oleyl stearyl phosphonate & D-limonene polysulfide
Die Kombination beider Klassen, die Kombination von EP- mit AW-Additiven, ermöglicht die maßgeschneiderte Zusammensetzung des Öles für die jeweilige Anwendung. Obwohl es sich bei Phosphonaten um reaktive Substanzen handelt und man befürchten könnte, dass sich die Wirkung der beiden Substanzen durch eine Reaktion aufhebt, konnte mit den im Folgenden dargestellten AW/EP Experimenten gezeigt werden, dass bei Mischungsverhältnissen von 0.1 mmol P zu 6 mmol S bis mit 1 mmol P zu 1 mmol S höchstwirksame AW/EP-Kombischmierstoffe erhalten werden (
Die Schwerlastergebnisse der Kombinationsexperimente sind in den
Die Probe mit 0.1 mmol P zu 6 mmol S erzielte sogar Versagenslasten im Bereich von 837 bis 900 kg. Beide Experimente an den kombinierten Proben konnten eine relevante Reaktion zwischen den Additiven ausschließen. Eine deutliche Erhöhung der Menge an Limonensulfid (von 1 auf 6 mmol, d.h. von 0,15 wt.-% auf 0,9 wt.-%) in der Formulierung mit dem Oleyl/Stearyl-Phosphonat steigerte die Versagenslast um mehr als das Doppelte. Das Konzept, maßgeschneiderte Additivpakete aus den nachwachsenden Additiven zu entwickeln, wurde somit vollumfänglich bestätigt.The sample with 0.1 mmol P to 6 mmol S even achieved failure loads in the range from 837 to 900 kg. Both experiments on the combined samples were able to rule out a relevant reaction between the additives. A significant increase in the amount of limonene sulfide (from 1 to 6 mmol, ie from 0.15% by weight to 0.9% by weight) in the formulation with the oleyl / stearyl phosphonate more than doubled the failure load . The concept of developing tailor-made additive packages from renewable additives was thus fully confirmed.
EP Performance GegenüberstellungEP performance comparison
Die Ergebnisse belegen, dass das Produkt MC210 sowie das polymere D-Limonenpolysulfid über den untersuchten Konzentrationsbereich vergleichbare Versagenslasten aufweisen. Das tert. Butylpolysulfid TBPS454 zeigt deutlich und im Vergleich zu den anderen Vertretern weitaus stärker konzentrationsabhängige Versagenslasten. Die Untersuchten Stoffmengen in mmol sind in Gewichtsprozent umgerechnet worden und in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1: Umrechnung der Stoffmenge in Gewichtsprozent.
Die eingesetzten und im Experiment als hochgradig wirksam beobachteten Mengen der erfindungsgemäßen EP Additive liegen deutlich unterhalb der üblichen Dosierung von 0,5 bis 5 wt.-%.The amounts of the EP additives according to the invention used and observed in the experiment to be highly effective are significantly below the usual dosage of 0.5 to 5% by weight.
Eine zusammenfassende Übersicht der Versagenslasten der kommerziellen Produkte TBPS454, MC210 sowie dem innovativen D-Limonenpolysulfid ist in
- - dass die EP-Wirksamkeit des erfindungsgemäßen polymeren Limonenpolysulfids praktisch konzentrationsunabhängig ist,
- - dass kleine Menge TBPS nur zu niedrigen Versagenslasten führen, während das erfindungsgemäße polymere Limonenpolysulfid bereits in kleinen Dosierungen eine überzeugende Leistung zeigt,
- - dass bereits deutlich geringere Mengen des erfindungsgemäßen polymeren Limonenpolysulfid zu vergleichbaren Ergebnissen wie MC210 (0,15 wt.-% vs. 0,22 wt.-%) führen und
- - dass das erfindungsgemäße polymere Limonenpolysulfid, wenigstens bezogen auf die Gewichtsanteile der Additive in der Schmiermittelmischung und bei niedrigen Additivkonzentrationen, eine zu MC210 vergleichbare Wirksamkeit zeigt.
- - that the EP effectiveness of the polymeric limonene polysulfide according to the invention is practically independent of the concentration,
- - that small amounts of TBPS only lead to low failure loads, while the polymeric limonene polysulfide according to the invention shows convincing performance even in small doses,
- - that even significantly smaller amounts of the polymeric limonene polysulfide according to the invention lead to results comparable to those of MC210 (0.15 wt .-% vs. 0.22 wt .-%) and
- - That the polymeric limonene polysulphide according to the invention shows an effectiveness comparable to MC210, at least based on the weight proportions of the additives in the lubricant mixture and at low additive concentrations.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 0201197 [0006]EP 0201197 [0006]
- EP 2021/053874 PCT [0011]EP 2021/053874 PCT [0011]
- DE 202020107390 U1 [0011]DE 202020107390 U1 [0011]
- EP 2021/051026 PCT [0012]EP 2021/051026 PCT [0012]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- DIN 51350 [0020]DIN 51350 [0020]
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EP0201197A1 (en) | 1985-04-08 | 1986-11-12 | Mobil Oil Corporation | Sulfurized olefins |
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Non-Patent Citations (1)
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DIN 51350 |
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