DE2538038C2 - Schmieröladditive und Verfahren zur Verbesserung der Hochdruck- und Antiabriebseigenschaften eines Schmieröls - Google Patents
Schmieröladditive und Verfahren zur Verbesserung der Hochdruck- und Antiabriebseigenschaften eines SchmierölsInfo
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Description
is Z-(-C=C-)- C—Ο —R
I I *
ζ ζ
und der Ester einer olefinischen Dlcarbonsäure die allgemeine Forme!
O O
Il Il
ZZ
aufweist, wlrin χ 1, 2 oder 3, die Substltuenten R, unabhängig voneinander, jeweils den Rest eines veresterten Alkohols mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, und die Substituenten Z, unabhängig voneinander, jeweils
ein Wasserstoffatom oder eine Kohlenwasserstoffgruppe bedeuten, welche keine Wasserstoffatome In AIIyI-
stellung enthalt.
S. Additiv gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Substltuenten R, unabhängig voneinander, jeweils den Rest eines veresterten Alkohols mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, und die Substituenten Z,
unabhängig voneinander, jeweils ein Wasserstoffatom oder eine Kohlenwasserstoffgruppe mit 4 bis 30
Kohlenstoffatomen bedeuten.
" 6. Additiv gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Substituenten R, unabhängig voneinander, jeweils den Rest eines veresterten Alkohols mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen, und die Substltuenten Z
Wasserstoffatome bedeuten.
7. Additiv gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Gemisch eines Umsetzungsprodukts von Schwefel mit einem Ester einer olefinischen Mono- oder Dlcarbonsäure, welche keine Wasser-
-"> Stoffatome In Allylstellung besitzt, und dem Umsetzungsprodukt von Schwefelmonochlorld mit einem
solchen Ester besteht.
8. Additiv gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Gemisch des Umsetzungsprodukts von Schwefel mit einem Ester einer olefinischen Mono- oder Dlcarbonsäure, welche keine Wasserstoffalome In Allylstellung aufweist, mit dem Umsetzungsprodukt von Schwefeldichlorid mit einem solchen
*5 Ester besteht.
9. Verfahren zur Verbesserung der Hochdruck- und/oder Antiabrlebseigenschaften eines Schmieröls,
dadurch gekennzeichnet, daß man diesem ein Additiv gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zusetzt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man Hern Schmieröl elr. Additiv gemäß
Anspruch 3 In einer solchen Menge zusetzt, daß es 0,1 bis 10 Gew.-* Schwefel aus dem Additiv enthält.
5" II. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Schmieröl ein Additiv gemäß
Vorliegende Erfindung betrifft sulfurlerte Ester oleflnlscher Carbonsäuren, die als Schmieröladditive geeignet
sind, sowie ein Verfahren zur Verbesserung der Schmiereigenschaften von Schmierölen, Insbesondere bei hohen
Drucken, unter Verwendung derselben. Derartige Additive sind Insbesondere wertvoll für Schneidöle und zum
Schmieren von sich bewegenden Maschinenelemente!!, wie z. B. bei Vorrichtungen zur Kraftübertragung, Zahnradvorgelegen und Motoren, Insbesondere Innere Verbrennungsmotoren.
Zwecks guter Sichtbarkeit des Werkstücks sollten Schneidöle bei der spanabhebenden Bearbeitung von Metallen eine helle Farbe aufweisen. Insbesondere aus Gesundheitsgründen des die Maschine bedienenden Personals
sollten Schneidöle einen angenehmen, zumindest jedoch schwachen Geruch aufweisen. Um eine möglichst
lange Lebensdauer des Werkzeugs vor dem Nachschleifen oder Austausch zu gewährleisfen, müssen Schneidöle
ferner ein gutes Schmiervermögen bei Hochdruck zeigen. Bei anderen Anwendungen von Schmiermitteln, wo
das Bedienungspersonal keinen Dämpfen aus dem Öl ausgesetzt Ist, und die Sichtbarkelt des geschmierten Teils
nicht ausschlaggebend Ist, können Farbe und Geruch des Öls nicht so wichtig sein, wie die Hochdruckschmlereigenschaft und eine geringe Anfälligkeit gegenüber Oxidation. Jedoch sind Geruch und das Aussehen für die
Hersteller der Schmieröladditive wichtig, welche die Öle kompoundieren und sie bei ihrer Verwendung handhaben.
Die Reaktionsprodukte von Schwefel und olefinischen Verbindungen, wie z. B. gecrackte Wachse, Speck- und
Walratöl, sind dunkelbraun oder schwarz, selbst wenn sie auf Konzentrationen der Endanwendung mit Öl
verdünnt sind. Ferner sind diese Verbindungen übelriechend, da sie nach Schwefelwasserstoff und Mercaptan-Nebenprodukten riechen. Bislang wurden hellfarbene, schwach riechende Schwefelverbindungen zur Verwendung für Schneidöle durch Chlorierung oder Sulfochloriening und nachfolgende Behandlung mit Natriumpolysulfid hergestellt. Dieses mehrstufige, indirekte Verfahren Ist jedoch aufwendig und kostspielig; demgemäß sind
die hieraus hergestellten Schneidöle teuer. Infolgedessen besteht ein Bedürfnis für hellfarbene, schwach
riechende Additive und Schmierölzusammensetzungen, welche aus leicht zugänglichen, billigen Materialien κι
nach einem verhältnismäßig einfachen und wenig kostspieligen, vorzugsweise einstufigen Verfahren hergestellt
werden können.
In der US-PS 26 83119 sind Zusammensetzungen beschrieben, welche Schmieröle« Schmierfähigkeit und
Filmfestigkeit verleihen. Diese Zusammensetzungen besitzen zumindest zwei veresterte Carbonsäuregruppen
und zumindest ein Schwefelatom in einer Thiobindung. Sämtliche Beispiele für geeignete Säuren enthalten
Wasserstoffatome In Allylstellung.
In der US-PS 37 40 333 sind Zusammensetzungen, welche als Ersatz für Spermöl brauchbar sind, offenbart.
Die Zusammensetzungen sind Gemische von Triglycsriden und Wachsestern. Die Wachsester leiten sich von
ungesättigten Fe.;::äuren mit 18, 20 oder 22 Kohlenstoffatomen ab. Die Trlglycerlde stammen von den gleichen
Fettsäuren. Das Gsmisch der Wachsester und Triglyceride wird nach herkömmlichen Verfahren sulfuriert.
Es wurde nun gefunden, daß sulfurierte Ester von olefinischen Mono- oder Dicarbonsäuren und Alkoholen
von niedrigem bis mittlerem Molekulargewicht, wobei weder die Säuren noch die Alkohole Wasserstoffatome in
Allylstellung aufweisen, hervorragende Additive für Schmieröle und Öle zur Bearbeitung und Zerspanung von
Metallen sind. Vorzugsweise werden Gemische von sulfurierten und sulfochlorierten Materialien verwendet,
welche eine synergistische Wirkung hinsichtlich der Erniedrigung der Drehkraft beim Bohren aufweisen.
Schmierölzusammensetzungen, weiche als Hauptanteil ein Öl mit einer Viskosität sines Schmieröls sowie eine
wirksame Menge derartiger sulfurlerter Ester enthalten, sind verhältnismäßig hellfarbig und riechen nur
schwach. Ihr Schwefelgehalt führt zu hervorragenden Schmiereigenschaften bei Hochdruck. Ferner entwickelt
sich während der Herstellung der sulfurierten Ester fast kein Schwefelwasserstoff; infolgedessen wird ein luftverschmutzendes Nebenprodukt vermieden. M
Die den erfindungsgemäßen Additiven zugrundeliegenden Ester werden aus Mono- und Dicarbonsäuren
hergestellt, welche keine Wa^serstokatome in Allylstellung enthalten. Unter Wasserstoffatomen in Allylstellung
sind Wasserstoffatome zu ve.stehen, welche an In α-Stellung zu einer Doppelbindung stehende gesättigte
Kohlenstoffatome gebunden sind. EIr. ieispiel hierfür gibt folgende Formel I wieder:
H H
I I !
-C = C-C-H* (I)
In dieser Formel Ist das mit einem Stern markierte Wasserstoffatom ein solches in Allylstellung. Ein Beispiel
für eine Carbonsäure, welche keine Wasserstoffatome in Allylstellung enthält, ist Acrylsäure (CH2=CH-COOH).
Ein Beispiel für eine Carbonsäure, welche Wasserstoffatome in Allylstellung enthält. Ist Methacrylsäure
(CH2=C(CH,)-COOH). Bei der Methacrylsäure Ist die an das «-Kohlenstoffatom gebundene Methylgruppe ein
gesättigtes Kohlenstoffatom, an das Wasserstoffatome gebunden sind. Dieses gesättigte Kohlenstoffatom ist -^
bezüglich der Doppelblndung der Acrylsäure ar-ständlg; Infolgedessen sind die Wasserstoffatome an der Methylgruppe solche in Allylstellung.
Beispiele für geeignete Monocarbonsäuren sind Acrylsäure, 2,4-Pentadlensäure (/J-Vlnylacrylsäure), 4,4-Dimethylpenta-2-ensäure und andere ähnliche Verbindungen. Derartige geeignete Monocarbonsäuren können
durch die allgemeine Formel II
Z-(C = C)-COOH (Π)
I Γ
ζ ζ
wiedergegeben werden, worin .v 1, 2 oder 3, vorzugsweise 1, und Z ein Wasserstoffatom oder einen Kohlen wasscrstoffrest darstellen, welcher an den Carbonsäurerest durch ein tertiäres Kohlenstoffatom gebunden ist.
Beispiele für geeignete Kohlenwasserstoffreste sind folgende Reste:
ten.-Butyl, tert.-Pentyl, lert.-Hexyl, tert.-Octyl, tert.-Dodecyl, tert.-Hexadecyl sowie tert.-Octadecyl. Im allgemeinen enthalten die Monocarbonsäuren 30 oder weniger Kohlenstoffatome. Vorzugsweise 1st nicht mehr als 1 &>
Substltuent Z pro Molekül ein Kohlenwasserstoffrest, Insbesondere sind alle Substltuenten Z Wasserstoffatome.
Beispiele für geeignete Dicarbonsäuren sind Fumarsäure (trans-Butendlsäure), Maleinsäure (cls-Butendlsäure),
Muconsäure (Hexadlendlsäure), 2-tert.-Butyl-fumarsäure, 2-tert.-Butylmaleinsäure, 2-tert.-Butylmuconsäure und
dgl. Im allgemeinen können geeignete Dicarbonsäuren, welche Im vorliegenden brauchbar sind, durch nachioltjendc Formel III wiedergegeben werden: '1^
I Γ
ζ ζ
worin χ und Z dieselben Bedeutungen besitzen, wie sie für die vorhergehende Formel II genannt wurden. In der
Regel enthalten die Dicarbonsäuren 30 oder weniger Kohlenstoffatome.
Seibstverständlich können zur Herstellung der zu sul furierenden Ester auch die Anhydride und Säurehalogenide
der zuvor genannten Mono- und Dicarbonsäuren verwendet werden. Die Anhydride können einfache
oder gemischte Anhydride sein; sie umfassen äußere Anhydride, wie z. B. Acrylsäureanhydrld, sowie innere
Anhydride, wie z. B. Maleinsäureanhydrid.
Geeignete Alkohole, welche mit den zuvor beschriebenen Carbonsäuren unter Bildung der Ester kombiniert
werden können, welch' letztere sodann zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sulfuriert
werden, umfassen Alkohole mit niedriger bis mittlerer Kettenlänge. Beispiele für geeignete Alkohole sind aliphatische
Alkohole niedrigen bis mittleren Molekulargewichts, wie z. B. die Alkanole niederen bis mittleren
is Molekulargewichts. Beispiele sind diejenigen, welche 1 bis 30 Kohlenstoffatome enthalten. Der allphatlsche Teil
des Alkanols kann geringe, biswellen zufällige. Mengen an anderen Atomen als Kohlenstoff- und Wasserstoffatome,
ζ. B. Sauerstoff-, Halogen-, Stickstoff- und Schwefelatome, enthalten. Der aliphatische Teil der Alkohole
kann gerad- oder verzwelgtkettig sein und eine geringe Anzahl an Stellen der Ungesättigtheit enthalten. In der
Regel enthält der Alkohol nicht mehr als eine olefinische Stelle pro Alkoholmolekai; vorzugsweise ist er völlig
gesättigt. Wenn der aliphatische Teil des Alkohols irgendwelche Stellen der Ungesättigte» enthält, sollte er
jedoch auf keinen Fall Wasserstoffatome in Allylstellung enthalten.
Im allgemeinen können geeignete Alkohole, welche zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
brauchbar sind, durch die allgemeine Formel IV
R-OH (IV)
wiedergegeben werden, worin R den Rest des Alkohols, ausschließlich der Hydroxylgruppe, darstellt, welcher
zweckmäßigerweise 1 bis 30, vorzugsweise 1 bis Ί2, Insbesondere bevorzugt 4 bis 8 Kohlenstoffatome enthält. In
der Regel ist R ein aliphatischer Substituent, welcher jedoch, wie zuvor dargelegt, Stellen oleflnlscher Unge-
M sättlgtheit aufweisen kann.
Beispiele für geeignete Alkohole niedrigen bis mittleren Molekulargewichts sind: Methanol, Äthanol, Propanol,
Isopropanol, Butanol, Isobutanol, sek.-Butanol, tert.-Butanol, Pentanol, 2-Äthylhexanol, Octanol, Decanol,
Hexadecanol, Octadecanol, Trlpropylsnoxoalkohol, Tetrapropylenoxoalkohol, Äthoxyäthanol und dergleichen.
Die als Ausgangsmaterial fur die sulfurlerten Ester dienenden Ester werden aus den zuvor beschriebenen
Die als Ausgangsmaterial fur die sulfurlerten Ester dienenden Ester werden aus den zuvor beschriebenen
'*■ Carbonsäuren und Alkoholen hergestellt. Als Beispiel für derartige, wohlbekannte Herstellungsverfahren dieser
Ester wird die direkte Vereinigung der Säure mit dem Alkohol genannt, wobei man zur Reaktlonsbeschleunlgung
biswellen Mineralsäuren als Katalysatoren verwendet. Um die Umsetzung zum Abschluß zn bringen, kann
Wasser entfernt werden. In anderen Fällen können Säurehalogenide oder -anhydride mit dem Alkohol umgesetzt
werden.
Im allgemeinen können geeignete Ester von Monocarbonsäuren, weiche den sulfurlerten Estern zugrundeliegen,
durch folgende allgemeine Formel dargestellt werden:
(C C)^
Z Z
Il
C-O-R (V)
während geeignet»; Ester von Dicarbonsäuren durch nachfolgende Formel VI
O O
Il Il
R—O —C-f C = C^-C-O-R
Z Z
dargestellt werden können, wobei R. Z und χ die zuvor genannten Bedeutungen besitzen.
Die Ester können. In der Reg>;l ohne Schwierigkeit, sulfuriert werrtn, Indem man sie mit elementarem
Schwefel, Schwefelmonochlorid oder Schwefeldlchlorid zusammenbringt.
<·" Der Sulfidierung kann bei einer beliebigen Temperatur, bei der die Umsetzung stattfindet, unterhalb der
Zersetzungstemperaiur der Reaktionsteilnehmer oder der Reaktionsprodukte durchgeführt werden. im allgemeinen
wird bevorzugt, die Umsetzung bei höherer Temperatur durchzuführen, um die Reaktionsgeschwindigkeit
zu erhöhen. Vorzugswelse wird die Reaktion zwischen dem Schwefel und dem Ester Im Bereich von etwa 100
bis 200 C. vorzugsweise 120 bis 200° C. durchgeführt. Die Umsetzung wir,1 In der Regel etwa 0,5 bis 48, Insbe-
1^ sondere clvvn bis 24 Stunden fortgesetzt.
I)Ie Umsetzung /wischen dem lister und dem Schwclelmonochlorld oder Schwefeldlchlorid verläuft typischerweise.
Im Ciciicnsiii/ /ur Umsetzung /wischen dem Ester und elementarem Schwefel, leicht bei niederen Temperaturen.
Typlscherwclse kann diese Umsetzung bei etwa 60 bis 200° C, vorzusswelse etwa 80 bis 180° Γ Hnrrh.
IC OO Λ10
JLJ JO \JJ%3
geführt werden. Die Umsetzung wird Im allgemeinen etwa 0,5 bis 48, vorzugsweise 2 bis 36 Stunden fortgesetzt.
Das Molverhältnls von Schwefel oder Schwefelchlorid zum Ester kann In breitem Bereich schwanken. Zu
diesem Zweck Ist es gewöhnlich zweckmäßig, die Mole an Schwefel oder dessen. Im verwendeten Schwefelchlorid vorliegenden, Äquivalent pro olefinische Bindung, welche im Ester vorliegt, zu berechnen. Die Verhältnisse
von Schwefel zu olefinischen Bindung können Im Bereich von 0,5 bis 2: 1, vorzugsweise 0,75 bis 1,5 I liegen.
Molvcrhilltnlsse von annilhernd I : I werden bevorzugt, da dies In der Regel /u einem hohen Sehwefclgehalt
führt, ohne daß überschüssiger freier Schwefel Im Rcaktlonsprodukt zurückbleibt, welcher sich beim Stehen
absetzen kann.
Die meisten der Ester niederen Molekulargewichts sind bei Raumtemperatur oder zumindest bei höheren
Reaktionstemperaturen flüssig. Infolgedessen Ist ein Lösungsmittel für die Umsetzung nicht erforderlich. In der
Regel werden der Ester und Schwefel oder das Schwefelchlorid Im Reaktionsgefäß einfach vereint, und das
Reaktionsgemisch wird unter Rühren auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Das Erwärmen und Rühren wird
wahrend des gesamten Zeltraums der Umsetzung fortgeführt, wonach das Produkt auf Umgebungstemperatur
abkühlen gelassen wird.
Nach Abkühlen des Reaktionsprodukts kann es erwünscht sein, es 1 bis 3 Tage noch stehen zu lassen, so daß i<
nichtumgesetzter. überschüssiger Schwefel sich ausscheiden kann. Zur Entfernung dieses Schwefels kann das
Produkt sodann filtriert werden.
Das 5» erhaltene filtrierte Produkt !st !n der Rege! ohne weiter.! Reinigung für die Zugabe zu Schmierölen
geeignet, welche sodann zum Schmieren von sich bewegenden Maüchinenelementen und als Schneidöle bei der
Metallbearbeitung verwendet werden können. 2<>
Bei Elstern, welche bei Raumtemperatur keine Flüssigkeiten sind, wird es im allgemeinen bevorzugt, ein
Lösungsmittel für die Umsetzung zu verwenden. Geeignete derartige Lösungsmittel sind alle Lösungsmittel, mit
denen der Ester mischbar oder In denen er löslich Ist, und die bei der Sulfurierung nicht stören. Infolgedessen
sollten Lösungsmittel, die Doppelbindungen, Insbesondere solche, welche Wasserstoffaiorne in Allylstellung
enthalten, vermieden werden, well dies in beiden Fällen zur Schwefelwasserstoffentwlcklung und zu dunkel ^
gefärbten Produkten führt. Als Lösungsmittel können niedrig-siedende Erdölfraktionen verwendet werden,
welche nach der Sulfurierung leicht entfernt werden können, wenn da'. Rcakllonsprodukt bei Raumtemperatur
eine Flüssigkeit Ist. Wenn das Rcaklionsprodukt bei Raumtemperatur nicht flüssig Ist, wird Im allgemeinen das
Lösungsmittel nicht vollständig entfernt. In diesem letzteren Fall können höhersiedende Erdöl Traktionen
wünschenswert sein. Insbesondere Fraktionen, die annähernd den gleichen Siede- und VlskosltätsSerelch wie die ■">
Schmieröle aufweisen, denen die sulfurlerten Ester zugesetzt werden. Das als Verdünnungsmittel für den sulfurlerten Ester verwendete Öl bildet sodann einfach einen geeigneten Teil der Schmieröl-Endzusammensetzung.
Falls Lösungsmittel bei der Umsetzung verwendet werden, wird es, ungeachtet, ob es sich um niedrigsiedende
Lösungsmittel, welche nach der Vervollständigung der Umsetzung entfernt werden, oder um höhersiedende
Erdölfrüktionen handelt, welche nicht entfernt werden, in der Regel bevorzugt, die geringstmögliche Lösungsmittelmenge zu verwenden, da dies die Konzentration der Reaktionsteilnehmer erhöht. Höhere Konzentrationen
an Reaktionsteilnehmern können jedoch nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit verbessern, sondern sie ermöglichen auch eine bessere Ausnutzung der Reaktorkapazität.
Die erhaltenen sulfurlerten Ester, Insbesondere diejenigen, welche aus Carbonsäureestern niederen Molekulargewichts hergestellt wurden, wie z. B. die Alkytacrylate, sind bei Raumtemperatur flüssig und besitzen eine -w
Viskosität, welche niedrig genug Ist. um bei Raumtemperatur ein Pumpen und leichtes Handhaben zu ermöglichen. Überdies sind diese sulfurlerten Ester mit Schmierölen leicht mischbar. Sie weisen auch, insbesondere
nach Verdünnen In Öl auf normale Arbeltskonzentrationen, eine viel hellere Farbe auf als gewöhnliche sulfuriert Verbindungen, welche durch direkte Umsetzung mit Schwefel hergestellt wurden. Ferner besitzen diese ·
sulfurlerten Ester einen schwachen und angenehmen Geruch. 4·.
der spanabhebenden Bearbeitung von Metallen unverdünnt angewandt werden; es ist jedoch am zweckmäßig- :
sten und blliigsten. sie mit einem leicht zugänglichen, billigen Trägeröl zu verdünnen.
sind. Die sulfurlert-n Erster liegen In den Schmierölen und Metallbearbeltungs- und Schneidölen in einer so ■
solchen Menge vor, welche wirksam ist, dem Öl Schmiereigenschaften bei Hochdruck zu verleihen. In der Flegel ;,
betrügt die wirksame Menge an diesen sulfurierten Estern in den ölen etwa 0,1 bis etwa 20, vorzugsweise etwa :
0,5 bis etwa 15, insbesondere bevorzugt etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%. Bei der Anwendung in Schneidölen ist es ίί
üblich, den sulfurierten Ester mit dem Öl zu vermischen, um einen speziellen Schwefelgehalt zu erreichen. Bei . >,
der Anwendung als Schneldöl können die Schwefelkonzentratlonen etwa 0,1 bis 10, vorzugsweise etwa 0,5 bis 5,
insbesondere bevorzugt etwa 0,5 bis 2 Gew.-% betragen. ;i
Die sulfurierten Ester können als Konzentrate hergestellt werden. Dann werden sie mit einem Trägeröl vor
der Endanwendung vermischt. Diejenigen sulfurierten Ester, welche bei Raumtemperatur flüssig sind, werden in
der Regel ohne ein Lösungsmittel bei der Umsetzung hergestellt; demgemäß enthält das Konzentrat 100^b an J]
sulfuriertem Ester. Eine Zugabe von ölen als Streckmittel zu diesen Konzentraten würde lediglich die Versand- w>
:|
kosten erhöhen, ohne daß dies in der Regel durch Vorteile, wie z. B. eine leichtere Handhabung, ausgeglichen |
wird. Dagegen können diejenigen sulfurierten Ester, welche bei Raumtemperatur nicht flüssig oder welche sehr "%
viskose Flüssigkeiten sind, in hochkonzentrierter Form hergestellt werden. Jedoch sollte, um die Versandkosten ^
auf einem Minimum zu halten, die Menge an Öl als Verdünnungsmittel in diesen Konzentraten möglichst %
niedrig gehalten werden. Im allgemeinen beträgt der sulfuriert«: Ester etwa 20 bis etwa 95, vorzugsweise (·$
§
zumindest 50 Gew.-% des Konzentrats. g
einer Viskosität eines Schmieröls. Dieses Öl sollte ein Öl einer Viskosität sein, welches zu den Zwecken, für die H
5 %
25 J8 Ui8
die Endzusammensetzung angewandt werden soll, geeignet lsi. Es handelt sich in der Regel um Schmierölfraktionen von Erdöl entweder auf Basis von Naphthenen oder Paraffinen, welche nichtraffiniert, mit Säure raffiniert, mit Lösungsmittel raffiniert oder hydrogecrackt sind, entsprechend dem besonderen Bedürfnis für das
Schmier- oder Schneidmittel. Als Grundmaterial können auch synthetische öle verwendet werden, welche die
Erfordernisse hinsichtlich der Viskosität erfüllen, und zwar solche mit oder ohne Zusatz an den Viskositätsindex
verbessernden Mitteln oder anderen Additiven.
Die Viskosität des Schmier- oder Schneldöls schwankt beträchtlich, je nach dem Endverwendungszweck.
Durch Auswahl eines geeigneten Grundmaterials, Vermischen verschiedener Grundöle und/oder Kompoundleren dieser Öle oder Gemische derselben mit verschiedenen Im Handel erhältlichen Mitteln zur Verbesserung
in des Viskositätsindex, können die Schmierölzusammensetzungen den gewünschten Erfordernissen angepaßt
werden.
Die Öle, Insbesondere Schmieröle, können zusätzlich zum sulfurlerten Ester eine Vielzahl anderer Kompoundlerungsmiltel, wie z. B. Dlsperglerungsmlttel, oberflächenaktive Stoffe, Hochdruckmittel, MIttel zur Verbesserung des Viskositätsindex und andere Materialien enthalten, welche bekannterweise zur Kompoundierung von
i> Schmierölen brauchbar sind, um die verschiedenen genauen Anforderungen zu erfüllen, welche für die spezielle
Anwendung des Schmieröls verlangt werden.
Bei der Metallbearbeitung werden die das erfindungsgemäße Additiv enthaltenden Schmiermittel auf das
Metall vor der Bearbeitung in Irgendeiner geeigneten Welse aufgebracht, weiche eine innige Berührung ds~
Metalloberfläche gewährleistet. Beispielsweise kann das Schmiermittel auf das Metall aufgebürstet oder
2« -gesprüht werden, oder das Metall kann In ein Bad des Schmiermittels getaucht werden.
Ein 2-Llier-Kolben aus Kunststoff, welcher mit einem Rührer, Stickstoffeinlaß, Kühler, Thermometer und
einem mit Ascarit gefüllten Gasabsorptionsrohr versehen war, wurde mit 842 g (4,576 Mol) 2-Äthylhexylacrylat
und 146 g (4,576 Mol) elementarem Schwefel beschickt. Das Reaktionsgemisch wurde unter Rühren und unter
einer Stickstoffatmosphäre 21 Stunden auf 1600C erwärmt, auf Umgebungstemperatur abgekühlt und durch
Gelite 545 filtriert. Es wurden 955 g Flltrat erhalten, das einen Schwefelgehalt von 14,0 Gew.-*. aufwies.
Ein Kolben, wie er In Beispiel I benutzt wurde, welcher jedoch ein Volumen von I Liter aufwies, wurde mit
184 g (1 Mol) 2-Äthylhexylacrylat und 32 g (1 Mol) elementarem Schwefel beschickt. Das Reaktionsgemisch
-V< wurde unter Rühren und unter einer Stickstoffatmosphäre auf 160° C erwärmt und 14 Stunden auf einer Temperatur von 160 bis 170° C gehalten. Das Reaktionsgemisch wurde gekühlt und filtriert, wobei 206 g Produkt mit
einem Schweieigehait von Ϊ3.5 Gew.-* erhalten wurden.
Nach einem ähnlichen Verfahren wurde aus Butylacrylat und elementarem Schwefel sulfuriertes Butylacrylat
hergestellt. Das erhaltene Reaktionsprodukt enthielt 20 Gew.-% Schwefel.
•«ι Auf ähnliche Weise wurden sulfuriertes Dl-n-butylfumarat mit einem Schwefelgehalt von 10,9 Gew.-% aus
Dl-n-butylfumarat und elementarem Schwefel, sowie durch Sulfidierung von Cellosolveacrylat mit elementarem
Schwefel ein Produkt mit einem Schwefelgehalt von 17,7 Gew.-« erhalten.
Ferner wurde auf analoge Weise Dl-n-butylmaleat mit elementarem Schwefel umgesetzt, wobei aufgrund der
NMR-Analyse das Maleat zum Fumarat Isomerlslene.
Ein Kolben gemäß Beispiel 2 aus glasfaserverstärktem Kunststoff wurde mit 368 g (2 Mol) 2-Äthylhexylacrylat beschickt. Unter Rühren wurden 135 g (i Mol) Schwefelmonochlorid aus einem Tropftrichter während 20
Minuten zugegeben. Es konnte keine exotherme Reaktion beobachtet werden. Das Reaktionsgemisch wurde
unter Rühren und unter einer Stickstoffatmosphäre auf i20°C erwärmt und 22 Stunden auf 120 ± 5° C gehalten. Am Ende der Reaktionszeit wurde das Reaktionsgemisch auf Raumtemperatur abgekühlt und unter
Vakuum filtriert, wobei 453 g Filtrat mit einem Chlorgehalt von 10,99 Gew.-% und einem Schwefelgehalt von
7,67 Gew.-% sowie 27 g Filterrückstand erhalten wurden, welcher 97,1 Gew.-% Schwefel und weniger als 0,2
-« Gew.-·», Chlor enthielt. Der Filterrückstand wies einen Schmelzpunkt von 113 bis 114° C auf.
A) Um sicherzustellen, daß das verwendete kommerzielle Schwefeldichlorld rein war, wurde ein Teil des
w) Materials wie folgt chloriert: 5352 g im Handel erhältliches Schwefeldichlorld (Handelsprodukt der Stauffer
Chemical Company) wurde In ein großes Reaktionsgefäß gebracht und auf 10° C abgekühlt. Das Material wurde
innerhalb von 3 Stunden mit 363 g Chlor behandelt, wobei die Temperatur bei 8 bis 10° C gehalten wurde.
B) Ein Teil von 20 000 g 2-Äthylhexylacrylat wurde In ein großes Reaktionsgefäß gebracht, welches mit einem
Rührer und einer Heizvorrichtung versehen war. Ein Teil von 5605 g des unter A) hergestellten Produkts wurde
fts innerhalb von 15 Minuten unter Rohren zugegeben. Während dieser Zeit betrug die Temperatur 23,9° C. Nach
15 Minuten war die Temperatur auf 76.7° C angestiegen. Nach weiteren 13 Minuten war die Temperatur auf
111,1° C angestiegen, und nach weiteren 7 Minuten auf 108,9° C abgefallen. Das Gemisch wurde sodann auf
etwa 130° C erwärmt und unter Rühren 24 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Sodann wurde das Gemisch
auf 15,6" C abgekühlt und durch eine 3-Mlkron-Fllterhüise fütrieri.
Die Produktausbeute betrug 23 770 g. Das Produkt enthielt 6,41 Gew.-% Schwefel und 11.2 Gew.-1V, Chlor.
Beispiel 5
Bohrdrehkraft-Test
Die in zuvor beschriebener Welse hergestellten Verbindungen wurden hinsichtlich Ihrer Eigenschaften als
Additive für Schneidöle In dem Bohrdrehkraft-Test untersucht. In diesem Test wird eine Bohrbank mit veränderlichem Kraftvorschub und veränderlicher Geschwindigkeit benutzt. Das Meßsystem für die Torsionskraft
beim Bohren umfaßte einen drehbaren Werkstückhalter, einen Tisch, einen Bremshebel, einen Spannungsmesser, eine Kraftmeßzelle und einen Schreiber. Als Bohrer wurde ein Hochgeschwindigkeitsbohrer aus Stahl von
Im Großhandel üblicher Länge mit einem Durchmesser von 9,5 mm verwendet, der auf Schneidkanten von 130°.
vorgeschliffen war. Das zum Bohrtest verwendete Material war ein rostfreier Stahl vom Typ 304; seine Abmessungen betrugen 15,24 χ 15,24 χ 3,81 cm.
Das Torslonskraftmeßsystem wurde auf 0 kalibriert, und der Endanhaltepunkt von 1,268 mkg Torsionskraft
wurde ermittelt.
Der präzisionsgeschliffene Bohrer wurde Im Spannfutter der Bohrbank fest eingespannt. Die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers wurde auf 0,355 mm pro Umdrehung eingestellt. Die Bohrbank wurde auf die
gewünschte Umdrehungsgeschwindigkeit eingestellt, und die Ölpumpe wurde In Gang gesetzt. Der Bohrer
wurde manuell gesenkt, bis er den Testblock fast berührte. Sodann wurde der automatische Vorschub eingeschaltet und ein Loch gebohrt. Nach vollständiger Bohrung des Loches wurde der Bohrer hochgehoben, der
Arbeltsblock gedreht und ein neues Loch gebohrt. Dieses Verfahren wurde mit der konstanten ausgewählten
Umdrehungsgeschwindigkeit wiederholt, bis die Bohrerdrehkraft die Grenze von 1,268 mkg überschritt oder bis
50 Löcher mit einem einzigen Bohrer gebohrt worden waren. In Tabelle I sind die Ergebnisse der Untersuchung
verschiedener sulfurlerier Verbindungen, welche erfindungsgemäß vorgeschlagen werden, sowie eines im Handel
erhältlichen Additivs für Schneidfile wiedergegeben. Ferner wurden Gemische von derartigen mit Schwefel
sulfurlerten Estern mit Estern, welche mit Schwefelmonochlorid und Schwefeldlchlorld sulfuriert worden waren,
getestet.
Tabelle I Bohrdrehkraft-Test
Tesi
Additiv bei 0,8 Gew.-.. S oder (S + (I)
Schwclcl- | Konzen | Löcher gebohrt | bei UpM |
gehalt des | tration des | 600 800 | 1000 |
Additivs | Additivs | ||
(Gew.-,,) | im Testöl | ||
(Gew.-:,,) |
2(A) 3(H) 4(C > 5(D)
6(E)
Im Mündel erhältliches Schncidöl-Additiv
Acrylat
24
Butyl + 1 Mol S*) | 20 | 4 | 2 | I | I |
2-Äthylhcxyl + 1 Mol S | 14 | 5,7 | 26 | 6 | I |
2-Äthylhcxyl + 1,3 Mol S | 20 | 4 | 38 | 27 | 1 |
2-Älhylhexyl +
0,5 Mol Monochlorid |
7.7 S
11% Cl |
4 | 50+ | 25 | 5 |
2-Älhylhexyl + 0,5 Mol Dichlorid | - | 4 | - | 30 | 8 |
C'**) und D | — | 2,5 C, 2,0D' |
50+ | 50+ | 19 |
-27 4 | |||||
C und E | - |
2,5 C,
2,0E |
- | 50+ | 8 |
■| (iihl die Molo Sull'urkTungsmitk'l pro MuI Olcfinbindungcn im Carboxilal an.
"I S" war dim mil I.I Mol Schndcl pro Mol IsUT hergestellten C gleich.
Aus den Ergebnissen kann gesehen werden, daß die erfindungsgemäß vorgeschlagenen sulfurierten Ester
Schmierölen hervorragende Eigenschaften bei der spanabhebenden Bearbeitung von Metallen verleihen. In dem
Test erwies sich Insbesondere das sulfurlerte 2-Äthylhexylacrylat dem im Handel erhaltlichen Schneidöladditiv
beträchtlich überlegen, und die Kombinationen von Estern, welche mit Schwefel allein sulfuriert worden waren,
mit solchen, weiche mit Schwefelchloriden sulfuriert worden mvaren, erwiesen sich wirksamer als die Einzelkomponenten selbst. Dieser Bohrdrehkraft-Test steht In guter Übereinstimmung mit den tatsächlichen technischen
Gegebenheiten.
Verschiedene der zuvor beschriebenen sulfurlerten Carboxylate wurden zur Ermittlung Ihrer Wirksamkeit als
Additive für Motoröle getestet.
Kupferstrelfcn-Korrosionsiest
Durch den Kupferstrelfen-Korroslonstest wird das Korrosionsvermögen von Schmierölen gegenüber Bunin-·:
lallen ermittelt. Bei diesem Test wird ein Kupferstrelfen in eine Schmierölzusammensetzung mil einem Gehall
"ι an dem zu testenden Additiv eingetaucht. Die Schmierölzusammensetzung wird auf einer Temperatur von
121° C 3 Stunden gehalten. Der Grad der Verfärbung des Kupferstreifens wird durch Vergleich mil einer Tiifel
ermittelt. Ein Wert von la zeigt einen sehr geringen Verfärbungsgrad und demgemäß ein sehr geringes
Korrosionsvermögen der Schmierölzusammensetzung gegenüber Kupfer.
Werte höherer Zahlen, wie z.B. Ib oder 2a, zeigen höhere Reaktivität, was für unter starken Betastungen
i> verwendete Öle wünschenswert sein kann. Weitere Einzelheiten dieses Tests können der ASTM-Testme'hodc
D-130 entnommen werden. Die Testergebnisse unter Verwendung erflndungsgemüße Additive enthaltender
Schmierölzusammensetzungen sind in Tabelle II enthalten.
Oxldatlonsbeständigkeltstest
Die Stabilität einer (^zusammensetzung gegenüber oxidativer Veränderung wird durch die Zelt gemessen,
welche für den Verbrauch von 1 Liter Sauerstoff durch 100g eines zu testenden Öls bei 171°C benötigt wird.
Aus Zweckmäßigkeitsgründen wurde Im vorliegenden der Test unter Verwendung von 25 g Öl durchgeführt; die
Ergebnisse wurden auf eine Probe von 100 g berechnet. Das öl wurde mit einem ein Gemisch von löslichen
-* Salzen enthaltenden Katalysator versetzt, der 95 ppm Kupfer, 80 ppm Eisen, 4,8 ppm Mangan, 1100 ppm Blei
und 49 ppm Zinn lieferte. Die Ergebnisse, welche erhalten wurden, wenn man die die erfindungsgemäßen Additive
enthaltenden Schmieröle diesem sogenannten »Oxidator B-Test« unterwarf, sind ebenfalls In Tabelle Il
aufgeführt.
·«· 4-Kugel-Verschlelßtest
Die Antiabriebselgenschalten von Schmieröladditiven unter Grenzbedingungen der Schmierung können durch
den bekannten Vler-Kugel-Verschlelßtest ermittelt werden. Bei diesem Test werden 3 Stahlkugeln mit einem
Durchmesser von 1,27 cm mit Bügeln verbunden und In das zu testende Schmieröl eingetaucht. Eine vierte
Stahlkugel wird In Berührung mit den drei anderen Kugeln bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa
1800 UpM rotleren gelassen. Es wird eine spezielle Belastung, in diesem Falle 20 kg, angewandt, wodurch die
rotierende Kugel gegen die drei stationären Kugein gedrückt wird. Der Test wird während 60 Minuten durchgeführt,
und die Abmessungen der durch Abrieb auf den drei stationären Kugeln entstandenen Vertiefungen
wurden gemessen; es wird der Mittelwert der Abriebsvertiefungen In mm angegeben. Je geringer die Vertiefung,
•»η desto größer sind die Antiabriebselgenschaften des getesteten Schmiermittels. Beispielsweise zeigen bei einer
Belastung von 20 kg Grundöle gewöhnlich Abriebsvertiefungen von 0,60 mm oder mehr. In der Regel werden
Schmiermittel, welche eine Abriebsvertiefung von 0,5 mm bei einer Belastung von 20 kg ergeben, als annehmbare
Antiabrlebsmlttel angesehen, während Schmiermittel, welche Abriebsvertiefungen von weniger a** 0,4 mm
bei einer Belastung von 20 kg aufweisen, als außerordentlich gute Antlabriebsschmiermittel erachtet werden. Die
Im vorliegenden Test mit erfindungsgemäße Additive enthaltenden Schmierölen erhaltenen Ergebnisse sind in
Tabelle II angegeben.
Falex-Hochdrucktest
5Ii Durch diesen Test kann die Fähigkeit von Schmierölzusammensetzungen, unter Hochdruck zu schmieren,
ermittelt werden. Die Falex-Maschine wird von der Favllle-Levally Corporation, Chicago, Illinois, hergestellt.
Bei diesem Test werden zwei sich gegenüberliegende stationäre V-Blöcke durch eine Anordnung von Hebelarmen
wie bei einem Nußknacker gegeneinander und gegen eine dazwischenliegende, rotierende Stahlwelle
gedrückt. Die rotierende Welle wird durch ein Spannfutter mittels eines Querbolzens aus Messing angetrieben.
Der V-Block und die Testbolzen werden in ein mit dem zu testenden Schmiermittel gefülltes Gefäß bei einer
zuvor festgelegten Temperatur eingetaucht. Die Maschine wird mit 290 UpM betrieben, und die Bolzenmuster
werden bei einer Belastung von 136 kg eingelaufen. Während des Tests wird die Belastung zwischen den V-Blöcken
und dem rotierenden Bolzen automatisch erhöht, bis ein Fassen erfolgt. Dieser Punkt des Versagens
zeigt sich durch eine Scherung des Messingbolzens an, welcher die rotierende Welle hält. Die Belastung beim
fto Versagen in kg wird als quantitatives Maß für die Hochdruckeigenschaften der Ölzusammensetzungen genommen.
Mineralöle können bei 272 bis 408 kg versagen. Öle mit mäßigen Hochdruckadditiven versagen bei 454 bis
907 kg, während sehr wirksame Hochdruckadditive Belastungen aber 1360 kg erlauben. Die Grenze der Testmaschinc
liegt bei 2040 kg. Die in diesem Test erhaltenen Ergebnisse mit erfindungsgemäße Additive enthaltenden
Ölzusammensetzungen sind In Tabelle II angeführt.
'<*■ Erfindungsgemäße Additive enthaltende Schmieröizusammensetzungen wurden aus sulfuriertem Butylacrylat
mit einem Gehalt von 20 Gew.-% Schwefel und sulfuriertem 2-Äthylhexylacrylat mit einem Schwefelgehalt von
19 Gew.-^i hergestellt. Diese sulfurlerten Additive wurden zu einem Grundöl gegeben, welches ein neutrales,
lösungsmiitelrafflnlertes Schmieröl mit einer Viskosität von 480 SUS bei 38° C war. Dieses Grundöl enthielt 6
Gew.-H. Polylsobutenylsucclnimld, hergestellt durch Umsetzung von Bernsteinsäureanhydrid, welches mit einer
Polybutenylgruppe eines durchschnittlichen Molekulargewichts von etwa 950 (Zahlenmittel) substituiert war,
mit Teiraäthylenpentamin bei einem Molverhältnis von Amin zu Bernsteinsäureanhydrid von etwa 0,87. Das
Grundöl enthielt auch 0,1 Gew.-% Terephthalsäure. Die Ergebnisse der Untersuchung dieses Grundgemlschs in
diesen Tests sind ebenfalls in Tabelle II angegeben.
Additive
tration test (121° C; B-Test (Stdn.) schleißtest drucktest (kg)
(Gew.-%) 3 Stdn.) (bei 20 kg
in nun)
Gvundgemisch | — | la | 0,5 | 0,65 | 431 |
Sulfuriertes Butylacrylat (20% S) | 1 | 4c | 3,0 | 0,38 | 2040+ |
2 | 4c | 4,6 | 0,46 | 2040+ | |
4 | 4c | 4,3 | 0,44 | 1530 | |
Suifuriertes 2-Äthylhexylacrylat | 1 | 4c | 4,1 | 0,39 | 715 |
(19% S) | 2 | 4c | 5,1 | 0,44 | 1440 |
4 | 5,0 | 0,5! | ι nn |
Wie aus den Ergebnissen ersehen werden kann, zeigen die erfindungsgemäße Additive enthaltenden Schmierö'izusammensetzungen hervorragende Antioxidationseigenschaften und führen zum Schutz vor Abrieb und
Hochdruck. Allerdings ist die Korrosionsfähigkeit gegenüber Kupfer verhältnismäßig hoch, jedoch nicht hoher
als diejenige, welche bei manchen Schwefel enthaltenden Schmierölen gefunden wird, welche erfolgreich als
Motoröle verwendet werden.
Beispiel 7 Motorlagergewichtsveriust-Test
Im sogenannten »L-38 Bearing Weight Loss Engine Test« wurde eine ein erfindungsgemäßes Additiv enthaltende Schmlerölzusammenselzung getestet. Bei diesem Test enthielt das verwendete Schmieröl 6 Gew.-9t, des in
Beispiel 5 beschriebenen Polyisobutenylsuccinlmlds, 0,1 Gew.-% Terephthalsäure, 0,8 Gew.-1V. Tetrapropcnylbcmslcinsäurc, 1 Gew.-'*, sulfuriertes Dlparafflnpolysulfld (17,5 Gew.-% Schwefel), 1,5 Gew.-% sulfuricrtcs 2-Äthylhexyiacrylal mit einem Gehalt von annähernd 19 Gew.-% Schwefel und 0,1 Gew.-t, Bcnzolriazol als
Kupferdesaktivator. Das In diesem Test untersuchte öl hatte einen Kupferkorrosionswert von 3a, was eine
bedeutsame Verbesserung gegenüber dem in Tabelle H angegebenen Wert 4c bedeutet, und einen Lagergewichtsverlust nach 40 Std. von 33 mg. Bei diesem Test ist ein Lagergewichtsverlust von weniger als 40 mg nach
40 Stunden Betrieb annehmbar.
Es wurden die Tests gemäß Beispiel 6 mit erfindungsgemäße Additive enthaltenden Schmierölzusammen- 4S
Setzungen wiederholt.
In diesen Testreihen enthielt das GrundOI keine zusätzlichen Additive. Das Grundöl war ein lösungsmlttelrafrinlcrtcs neutrales Schmieröl mit einer Viskosität von 480 SUS bei 38° C. Die Testergebnisse sind In Tabelle III
angeführt.
Additiv | Produkt | Analyse | Test3 | »Oxidator Β« | »4-Kugel- | »Falex- | - | 995 |
(Molverhältnis der | Farbe S (%); Cl (%) | Konzen | (Stdn.) | verschleiß« | Hochdruck« | |||
Rcaklionsteilnehmer) | tration (%) | (mm) | (kg) | |||||
_ | 0,5 | 0,76 | 408 | |||||
Ohne (480 Neutralöl) | - | |||||||
Acrylate | hellbraun 20 | 2,3 | 0,47 | 839 | ||||
n-Butylacrylat/S | - | 1·) | 6,0 | 0,56 | 980 | |||
dunkelgelb - - | 2 | - | - | 1020 | ||||
2 (n-Btitylacrylat)/S2Cl2 | dunkelgelb 14 | 2 | 3,1 | 0,40 | ||||
2-Äthylhexyiacrylat/S | - - | 1,5*) | 3,3 | 0,42 | ||||
2 | ||||||||
Fortsetzung
Additiv
(Molverhältnis der 5 Reaktionsteilnehmer)
Farbe
2 (2-ÄthylhexylacryIat)/ hellbraun 19
3S
Äthoxyäthylacrylat/S hellbraun 18
2 (2-Äthylhexylacrylat)/ dunkelgelb 7,7 11
S2Cl2
Ester, zweibas. Säure Di-n-Butylfumarat/S
hellbraun 11
·) Bei konstanter Konzentration von 0,2% S im Ölgemisch
2" Diese Ergebnisse zeigen, daß erfindungsgemäße Additive enthaltende Schm!er«tzusan?iuenseizar.gcn hervorragende Antioxiddüuns-, Äntiabriebs- und Schmierelgenschaften bei Hochdruck aufweisen.
(mm) (kg)
10
Claims (4)
1. Schmieröladditive, bestehend aus dem Umsetzungsprodukt von Schwefel, Schwefelmonochlorld oder
Schwefeldichlorid mit einem Ester einer olefinischen Mono- oder Dlcarbonsäure, welcher keine Wasserstoffatome in Allylstellung aufweist, oder aus Gemischen dieser Umsetzungsprodukte.
2.
Additiv gemäß Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Mono- oder Dlcarbonsaurc 3 bis 200
Kohlenstoffatome, und der Alkoholrest des Esters 1 bis 30 KohlenstolTatome enthalten.
3. Additiv gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umsetzungsprodukt 0,5 bis 2 Mole
Schwefel pro olefinischen Bindung der Säure enthalt.
4. Additiv gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ester einer olefinischen Monocarbonsäure
die allgemeine Formel
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