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Polyether, ihre Herstellung und ihre Verwendung als Schmier-
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mittel Die Erfindung betrifft neue Polyether, ihre Herstellung und
ihre Verwendung als Schmiermittel.
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Die Schmierqualitäten von Schmiermitteln können durch den Viskositäts-Druckkoeffizienten
Z und die Reibungszahl ~#, insbesondere die Scherreibungszahlas, beschrieben werden.
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Beide Kenngrößen werden zur Beschreibung der Schmierstoffeigenschaften
verwendet (VDI-Z 102, (1960) 219 und 221; Konstruktion 12 (1966) Heft 8; Konstruktion
12 (1960), Heft 10, 400; Arbeitstechnik 19, Band 22 (1964)).
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Der Viskositäts-Druckkoeffizient und die Scherreibungszahl können
über die effektiven Schmierfilmdicken leicht bestimmt werden (Schmiertechnik und
Tribologie 27, (1980) 2, 55 bis 57).
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Für ein Schmiermittel ist es besonders erwünscht, wenn der Viskositäts-Druckkoeffizient
und die Scherreibungszahl möglichst klein sind. Die Schmiermittel sollen sich außerdem
in den zu schmierenden Systemen, z.B. mechanischen Getrieben, mit den dort ebenfalls
üblichen Mineralölen vertragen, um bei einem Wechsel von den Mineralölen auf die
neuen Schmiermittel mit den verbleibenden Restmengen an Mineralölen nicht zu Komplikationen
zu führen. Sie sollen auch möglichst kein
Wasser aufnehmen, das
die Korrosion Desünstigt. Außerdem ist eine hohe Wärmebelastbarkeit erwünscht.
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Aus J.A.Kokai 50/13 3205 sind Polyalkylen-glykol-ether bekannt, die
C8 bis C28-I,2-Epoxyalkaneinheiten enthalten und ein Verhältnis Kohlenstoff : Sauerstoff
von 3,5 bis 9,5 haben. Dies^ bekannten Polyalkylen-glykol-ether können zwar in Abmilchunyelmit
Mineralölen als Schmiermittel verwendet werden, jedoch sind ihre Schmiereigenschaften
nicht befriedigend. Dies wird deutlich an den zu hohen Viskosität-Druckkoeffizienten
und Scherreibungszahlen.
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Die aus der US 3 382 055 bekannten Polyalk'ylen-alkylenoxide, die
als Additive für leichte Schmieröle verwendet werden können, haben ebenfalls einen
zu hohen Viskositäts-Druckkoeffizienten und zu hohe Scherreibungszahlen.
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Es wurden neue Polyether gefunden, die sich durch eine hohe Mineralölvertraglichkeit,
geringe Wasseraufnahme und hc>hc' Wärmebelastbarkeit auszeichnen. Im Vergleich
zu den bekannten Schmiermitteln besitzen sie sehr niedrige Viskositäts-Druckkoeffizienten
und sehr kleine Scherreibungszahlen.
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Die neuen Polyether sind erhältlich durch Polymerisation von 0 bis
70 Gew.-teilen Ethylenoxid und/oder 0 bis 70 Gew.-teilen Propylen oder Butylenoxid,
wobei wenigstens Ethylenoxid oder Propylen- bzw. Butylenoxid eingesetzt wird, 10
bis 90 Gew.-teilen eines#-Alkylenoxids, wobei der Alkylenrest 8 bis 26 Kohlenstoffatome
enthält, 5 bis 55 Gew. -teilen Tetrahydrofuran und in Gegenwart einer bifunktionellen
Verbindung der Formel H - O worin R1 Wasserstoff oder ein Hydroxyalkylrest mit 2
bis 40 Kohlenstoffatomen bedeutet, und wobei in dem Polyether das Verhältnis der
Anzahl der
Kohlenstoffatome zu der Anzahl der Sauerstoffatome 3,6
bis 10 : 1 beträgt.
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Die erfindungsgemäß erhältlichen Polyether umfassen alle Polyether
mit der gleichen Struktur unabhängig von dem Verfahren iit#C1i dem sie hergestellt
wurden.
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Der Kohlenwasserstoffrest der erfindungsgemäßen #. -Alkylenoxide kann
geradkettig oder verzweigt sein und 8 bis 26, bevorzugt 10 bis 18, Kohlenstoffatome
enthalten. Beispielsweise seien die folgenden H-Alkylenoxide genannt 1,2-Epoxyoctan,
1,2-Epoxynonan, 1, 2-Epoxydecan, 1,2-Epoxyundecan, 1,2-Epoxydodecan, 1,2-Epoxytetradecan,
1,2-Epoxyhexadecan und 1,2-Epoxyoctadecan.
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In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
es möglich, bis zu 70 Mol-% des eingesetzten 1,2-Epoxyalkans (C8-C26) durch einen
Glycidylester einer C5 - bis C26-Neoalkansäure zu ersetzen. Bevorzugt können Neoalkansäuren
mit 8 bis 14 Kohlenstoffatomen in Form ihrer Glycidylester eingesetzt werden.
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Tetrahydrofuran umfaßt erfindungsgemäß außer dem unsubstituierten
Tetrahydrofuran auch Tetrahydrofurane, die durch 1 bis 4 bevorzugt 1 oder 2, Niederalkylreste
substituiert sind. Niederalkylreste können hierbei geradkettige oder verzweigte
Kohlenwasserstoffreste sein und 1 bis etwa 6 Kohlenstoffatome enthalten. Beispielsweise
seien die folgenden Tetrahydrofurane genannt: 2-Methyltetrahydrofuran, 3-Methyltetrahydrofuran,
4-Methyltetrahydrofuran, 5-Methyltetrahydrofuran, 3- oder 4-Isopropyl-tetrahydrofuran,
3,4-Diisopropyl-tetrahydrofuran, 2,3, #-Tributyl-tetrahydrofuran und 2,3,4,5-Tetramethyl-tetrahydrofuran.
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Bifunktionelle Verbindungen können erfindungsgemäß Wasser oder Dihydroxyalkane
sein, wobei der Alkanrest geradkettig oder verzweigt sein und 2 bis 40, bevorzugt
2 bis 18, Kohlenstoffatome
enthalten kann. Die Hydroxygruppen können
sich sowohl an den Enden als auch in der Mitte des Alkans befinden.
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Bevorzugte bifunktionelle Verbindungen sind Dihydroxyalkane mit endständigen
Hydroxygruppen. Beispielsweise seien die folgenden bifunktionellen Verbindungen
genannt: Wasser, Ethandiol-1,2, Propandiol-1,2, Propandiol-1,3, Butandiol-1,2, Butandiol-1,4,
Hexandiol-i,6. Bevorzugte bifunktionelle Verbindungen sind Wasser, Ethandiol-1,2
und Butandiol-1,4.
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-Im Falle der Verwendung von Wasser kommt das Reaktionsgemisch bevorzugterweise
erst in der Aufarbeitungs- und Reinigungsphase mit dem Wasser in Kontakt.
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Ethylenoxid, Propylenoxid und Butylenoxid werden erfindungsgemäß in
einer Menge von 0 bis 70 Gewichtsteilen, bevorzugt 5 bis 65 Gewichtsteilen, insbesondere
bevorzugt von 10 bis 60 Gewichtsteilen, bezogen auf die Gesamtmenge aller Oxacycloalkane,
eingesetzt.
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Z-Alkylenoxide werden im allgemeinen in einer Menge von 10 bis 90
Gewichtsteilen, bevorzugt von 15 bis 80 Gewichtsteilen, insbesondere bevorzugt von
20 bis 70 Gewichtsteilen, bezogen auf die Gesamtmenge aller Oxacycloalkane, eingesetzt.
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Tetrahydrofuran wird im allgemeinen in einer Menge von 5 bis 55 Gewichtsteilen,
bevorzugt von 10 bis 50 Gewichtsteilen, insbesondere bevorzugt von 15 bis 45 Gewichtsteilen,
bezogen auf die Gesamtmenge aller Oxacycloalkane, eingesetzt.
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Die bifunktionelle Verbindung wird im allgemeinen in einer Menge von
0,6 bis 92,5 Gew.-Teilen, bevorzugt von 1,5 bis 60 Gew.-Teilen, insbesondere bevorzuggt
von 3,0 bis 50 Gew.-Teilen, bezogen auf die Gesamtmenge aller Reaktanden
eingesetzt.
Bei der Verwendung von Wasser als Hydroxyverbindung ist im allgemeinen die am Ende
der Reaktion bei der Aufarbeitung zugesetzte Menge Wasser ausreichend.
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In den erfindungsgemäßen neuen Polyethern beträgt das Verhältnis der
Anzahl der Kohlenstoffatome zu der Anzahl der Sauerstoffatome 3,6 bis 10, bevorzugt
3,8 bis 9,5, insbesondere bevorzugt 4,0 bis 9,:1.
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Bevorzugte erfindungsgemäße Polyether sind erhältlich durch Polymerisation
von 5 bis 65 Gewichtsteilen Ethylenoxid und/oder Propylen- oder Butylenoxid, 15
bis 80 Gewichtsteilen eines oc-Alkylenoxids, wobei der Alkylenrest 10 bis 18 Kohlenstoffatome
enthält, 10 bis 50 Gewichtsteilen Tetrahydrofuran und in Gegenwart einer bifunktionellen
Verbindung der Formel H - OR worin R2 Wasserstoff oder ein Hydroxyalkylrest mit
2 bis 18 Kohlenstoffatomen bedeutet, und wobei in dem Polyether das Verhältnis der
Anzahl der Kohlenstoffatome zu der Anzahl der Sauerstoffatome 3,8 bis 9,5 : 1 beträgt.
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Die erfindungsgemäßen neuen Polyether haben bei 40 0c eine kinematische
Viskosität von 20 bis 2000 mm2/s, bevorzugt von 40 bis 1000 mm2/s.
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Der Viskositäts-Druckkoeffizient der erfindungsgemäßen neuen Polyether
liegt im allgemeinen in dem Bereich von 8 bis 12, bevorzugt von 9 bis 11 Z m2/N
~ 10 Die Scherreibungszahl der erfindungsgemäßen neuen Polyether liegt im allgemeinen
in dem Bereich von 0,025 bis 0,035.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen neuen Polyether kann nach an-sich
bekannten Polymeris-ationsvetfahren erfolgen (Angew. Chem. 72, 927 bis 934 (1960)).
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Das Verfahren zur Herstellung der neuen Polyether ist dadurch gekennzeichnet,
daß man 0 bis 70 Gew.-teile Ethylenoxid#und/ oder 0 bis 70 Gewichtsteile Propylen-
oder Butylenoxid, wobei wenigstens ein Reaktand der Reihe Ethylenoxid oder Propylen-
bzw. Butylenoxid eingesetzt wird, 10 bis 90 Gewichtsteile eines 4 -Alkylenoxids,
wobei der Alkylenrest 8 bis 26 Kohlenstoffatome enthält, 5 bis 55 Gewichtsteile
Tetrahydrofuran und in Gegenwart einer difunktionellen Verbindung der Formel H -
0R1 worin R1 Wasserstoff oder ein Hydroxyalkylrest mit 2 bis 40 Kohlenstoffatomen
bedeutet, polymerisiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im allgemeinen im Temperaturbereich
von -20 bis 1000C, bevorzugt von 0 bis 80°C, durchgeführt.
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Im allgemeinen führt man das erfindungsgemäße Verfahren bei einem
Druck von 0,5 bis 50 bar, bevorzugt von 1 bis 5 bar, durch.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im allgemeinen in Gegenwart eines
Polymerisationsstarters durchgeführt. Als Polymerisationsstarter für das erfindungsgemäße
Verfahren können die für die Polyetherherstellung üblichen Polymerissationsstarter
verwendet werden (Angew.Chem. 72, S. 927 bis 934 (1960)) Beispielsweise seien die
folgenden Polymerisationsstarter genannt: Bortrifluorid, Bortrichlorid, Antimonpentachlorid,
Antimonpentafluorid,
Zinn(IV)chlorid, Titantetrachlorid, Aluminiumchlorid und wasserfreies Eisen (III)chlorid.
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Bevorzugter Polymerisationsstarter für das erfindungsgemäße Verfahren
ist Bortrifluorid.
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Der Polymerisationsstarter für das erfindungsgemäße Verfahren wird
im allgemeinen in einer Menge von 0,001 bis 5,0 Gew..-%, bevorzugt von 0,01 bis
1,0 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Reatkionsgemisch, zugesetzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise wie folgt durchgeführt
werden: Im Reaktionsgefäß legt man eines der Ausgangsprodukte, vorzugsweise Tetrahydrofuran
und gegebenenfalls den Alkohol, vor und gibt den Polymerisationsstarter hinzu. In
das Reaktionsgefäß füllt man die anderen Reaktionskomponenten ein.
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Durch Regulieren der Zufuhrgeschwindigkeit und/oder zusätzliche Kühlung
kann das Verfahren in dem erfindungsgemäßen Temperaturbereich gehalten werden.
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Nach Beendigung der Polymerisation erfolgt die Aufarbeitung in üblicher
Weise, beispielsweise durch Waschen mit Wasser und nachfolgender Trocknung.
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Die erfindungsgemäßen Polyether können beispielsweise als Schmiermittel
und als Wärmeträgeröle verwendet werden.
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Es ist möglich, die erfindungsgemäßen Polyether alleine als Schmiermittel
zu verwenden oder sie mit anderen an sich bekannten Schmiormitteln zu mischen. Andere
Schmiermittel sind beispielsweise: Polyether vom Poly(niederethylenoxid) -Typ, Esterschmieröle
vom Diester-, Polyester- oder Neopentylpolyol-Typ und Phosphorsäureester.
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Die erfindungsgemäßen Polyether vertragen sich mit den bekannten üblichen
Schmiermitteln, so daß ein abwechselnder Einsatz ohne Reinigung des zu schmierenden
Systems möglich ist.
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Die erfindungsgemäßen Schmiermittel können bevorzugt zur Verminderung
der Reibung in mechanischen Getrieben, insbesondere Schneckengetrieben und Anlagen
für Papier- und Kunststoffkalander eingesetzt werden.
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Beispiel 1 In einem luftdicht verschlossenen, ca. 2 1 fassenden Schüttelgefäß
aus dickwandigem Glas mit Möglichkeit zur Innenkühlung werden 259,6 g wasserfreies
Tetrahydrofuran und 15,6 g Bortrifluorid-Tetrahydrofuran-Addukt vorgelegt und auf
4000 erwärmt. Dann pumpt man unter Schütteln und eventueller Kühlung ein Monomergemisch,
bestehend aus 278,0 g Tetrahydrofuran, 129,9 g Propylenoxid, 217,1 g Ethylenoxid,
495,5 g eines im Molverhältnis 7 : 3 vorliegenden 1, 2-Epoxydodecan-1, 2-Epoxytetradecan-Gemisches
so zu, daß die Temperatur nicht über 55 0C ansteigt. Nach beendeter Zugabe läßt
man 1 Stunde nachreagieren.
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Nach kurzer Gasspülung mit Stickstoff zur Entfernung leichtflüchtiger
Ausgangsprodukte gibt man eine Lösung von 30,6 g wasserfreiem Soda in 153,6 g Wasser
zu, heizt unter Durchleiten eines schwachen Stickstoffstromes auf 10000, danach
langsam auf 14000 hoch und hält 2 Stunden bei dieser Temperatur. Durch diese Maßnahme
werden restliches Tetrahydrofuran sowie niedermolekulare flüchtige cyclische Oligomere
entfernt.
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In dem Polyether sind die Ausgangstemperaturen in folgenden Anteilen
enthalten: 15,7 Gew.-Teile Ethylenoxid 9,4 Gew.-Teile Propylenoxid 36,0 Gew. -Teile
1,2-Epoxydodecan und -tetradecan 39,0 Gew.-Teile Tetrahydrofuran Molekulargewicht:
4315 (aus OH-Zahl) Molekulargewicht: 1200 (osmotisch) Stockpunkt: -39 bis 4000;
Flammpunkt: 24700 Kinematische Viskosität bei 4000 50,2 mm2/s bei- 1000C 75,8 mm2/s
Viskositätsindex 229
Verhältnis Anzahl der Kohlenstoffatome in
der Anzahl der Sauerstoffatome: 4,58 : 1.
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Zur Prüfung der Mineralölverträglichkeit wurden 10 Gew.-Teile des
Polethers bei 1000C mit 90 Gew.-Teilen eines Paraffin-basischen Mineralöls (ASTM-Klassifikation
ASTM-D 2226 104 B; Dichte bei 15°C 0,888 [g/m³]; Viskosität bei 50°C 87,4 [mm²/sec]
und bei 100°C 14,3 [mm²/sec]; Zusammensetzung: 3 % aromatische Kohlenwasserstoffe,
32 % naphthenische Kohlenwasserstoffe und 65 % paraffinische Kohlenwasserstoffe)
intensiv vermischt. Nach zweiwöchigem Stehen wurde auf klare Löslichkeit geprüft.
Die Probe nach Beispiel 1 ergibt eine klare Lösung; sie ist also mineralölverträglich.
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Beispiel 2 Dieses Beipsiel wird analog dem Beispiel 1 unter Vorlage
einer Mischung, bestehend aus 145,8 g absolutem Tetrahydrofuran, 1,7 g Butandiol-1,4
und 9,4 g Bortrifluorid-Tetrahydrofuranat und Zugabe einer Mischung, bestehend aus
178,2 g absolutem Tetrahydrofuran, 149,2 g Ethylenoxid, 196,8 g Propylenoxid, 924,7
g einer (70 : 30 gew.-%igen)-Mischung von 1,2-Epoxydodecan und 1,2-Epoxytetradodecan
und 32,1 g Butandiol-1,4 unter denselben Reaktions- und Aufarbeitungsbedingungen
durchgeführt. Pro Mol Butandio-1,4 werden also 34,6 Mol Oxacycloalkane zugegeben.
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Ausbeute 939 g In dem Polyether sind die Ausgangskomponenten in folgenden
Anteilen enthalten:
15,0 Gew.-Teile Ethylenoxid 19,8 Gew.-Teile
Propylenoxid 32,6 ~Gew. -Teile 1,2-Epoxydodecan und -tetradecan 32,6 Gew. -Teile
Tetrahydrofuran Molgewicht ca. 2100 (aus OH-Zahl) Molgewicht: 1200 (osmotisch) Stockpunkt:
-39 0C; Flammpunkt: 197 bis 1980C Kinematische Viskosität bei 37,8 0C: 313,3 mm2
/s bei 98,9 0C: 42,8 mm2/s Viskositätsindex: 202 Das Verhältnis der Anzahl der Kohlenstoffatome
zu der Anzahl der Sauerstoffatome beträgt 4,19 : 1.
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Das Produkt ist nach der bei Beispiel 1 beschriebenen Prüfmethode
ebenfalls gut mineralölverträglich.
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Vergleichsbeispiel: Dieses Vergleichsbeispiel wird analog dem Beispiel
1 unter Vorlage einer Mischung, bestehend aus 162 g absolutem Tetrahydrofuran, 5,6
g Butandiol-1,4 und 10,5 g Bortrifluorid-Tetrahydrofuranat und Zugabe einer Mischung,
bestehend aus 198 g absolutem Tetrahydrofuran, 240 g Ethylenoxid, 359,9 g Propylenoxid,
239,5 g einer (70 : 30 Gew.-%)-Mischung von 1,2-Epoxydodecan und 1,2-Epoxytetradecan
und 106,9 g Butandiol-1,4, unter denselben Reaktions- und Aufarbeitungsbedingungen
durchgeführt. Pro Mol Butandiol-1,4 werden also 14,3 Mol cyclische Ether ("Oxacycloalkane")
zugegeben (mittleres Molgewicht der Oxacycloalkane 67,1). -In dem Polyether sind
die Aus gangs temperaturen in folgenden Anteilen enthalten:
20,0
Gew.-Teile Ethylenoxid 30,0 Gew.-Teile Propylenoxid 20,0 Gew.-Teile 1,2-Epoxydodecan
und -tetradecan 30,0 Gew.-Teile Tetrahydrofuran Molgewicht ca. 1060 (aus OH-Zahl)
Molgewicht: 710 (osmotisch) Stockpunkt: -40 bis 4100; Flammpunkt 195 bis 1960C Kinematische
Viskosität bei 37,80C: 146,1 mm2/s bei 98,90C: 20,0 mm2 /s Viskositätsindex: 168
Im Verhältnis der Anzahl der Kohlenstoffatome in der Anzahl der Sauerstoffatome
beträgt: 3,39 Das Produkt ist nicht mineralölverträglich.