DE4000753A1 - Kraftuebertragungsfluessigkeit auf basis mineraloel - Google Patents
Kraftuebertragungsfluessigkeit auf basis mineraloelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Hydraulikflüssigkeiten aus
Mineralöl für die hydrokinetische Kraftübertragung, wie
sie, auch als sogenannte "mobile Hydrauliken", in den
verschiedensten Fahrzeugen und Flugzeugen angewandt
werden. Die Erfindung betrifft insbesondere die
Verbesserung des Tieftemperatur-Viskositäts-Verhaltens der
Kraftübertragungsflüssigkeiten, die in Fachkreisen auch
als Automatic Transmission Fluids (ATF) bezeichnet
werden.
ATF sind ihrem Charakter und ihrer Grundzusammensetzung
nach Kraftfahrzeug-Getriebeöle, die nach DIN 51 512 als Öle
der SAE-Klasse 75W-80W beschrieben werden können. Die für
ATF erforderlichen Eigenschaften werden dadurch erzielt,
daß den als Grundöle verwendeten paraffinbasischen
Ölraffinaten Additive hinzugefügt werden. Entsprechend den
zu erfüllenden Qualitätsanforderungen haben ATF hohe
Additive-Gehalte. Diese Kraftübertragungsöle zeigen in der
Praxis u. a. ein gutes VT-Verhalten, sind korrosionsstabil
und hoch alterungsbeständig (Ullmann, Enzyklopädie der
technischen Chemie, 4. Auflage, Band 20, Seiten 606-607).
Für extreme Kälteanforderungen, z. B. Einsatz in
Automobilen bei -40°C, zeigen die bekannten ATF, mit den
heute üblichen Werten von ca. 40 000 mPas/-40°C, zu hohe
Viskositäten, um den kommenden Anforderungen der neuen
Automatikgetriebe zu genügen. Gefordert werden in Zukunft
Viskositäten von max. 30 000 mPas/-40°C, wenn nicht sogar
max. 20 000 mPas/-40°C. Das typische ATF-Grundöl
paraffinischer Art, in der Mineralölindustrie oft als 100
Neutralöl bezeichnet und mit einer Viskosität von ca. 4
mm2s-1/100°C sowie einem V.I. von etwa 100, ist bei -40°C
fest; eine Brookfieldmessung der Viskosität ist nicht
möglich.
Durch Zusatz eines geeigneten Stockpunkterniedrigers (pour
point depressant) kann die Viskosität bei -40°C unter
Umständen auf Werte unter 20 000 mPas gesenkt werden.
Zusatz von V.I.-Verbesserern, das sind Polymere, z. B.
Polyalkylmethacrylate, bewirkt, daß die Viskosität des Öls
auch bei höherer Temperatur, z. B. bei 100°C, noch
genügend hoch liegt, ohne die bei der erzielten
Stockpunkterniedrigung erhaltenen Viskositäten wesentlich
zu verschlechtern.
Durch den Zusatz weiterer notwendiger Additive (Ullmann,
loc. cit.) wie vor allem Antioxidantien, Reibwertminderer
und Detergent bzw. Dispersant, welche vorzugsweise und
handelsüblich gemeinsam in Form von Paketen, bei der
Konfektionierung der verschiedensten Schmieröle, so auch
der ATF-Konfektionierung eingesetzt werden, steigt der
-40°C Viskositätswert wieder auf Werte von ca. 40 000 mPas
an.
Möglichkeiten zur Herstellung von Hydraulikflüssigkeiten
(ATF) mit besserem Tieftemperaturverhalten, bei Einsatz
der heute üblichen Paket-V.I.-Verbesserer-Kombination,
bestehen in der Verwendung von Grundölen geringerer
Viskosität oder dem Einsatz gleichviskoser Syntheseöle
oder speziell raffinierter Mineralöle, den sogenannten
hydrocracked oder extra high V.I.-Ölen. ATF, die mit
normalen, niedrigerviskosen Grundölen hergestellt werden,
können potentiell hohen Verschleiß zulassen, der wegen der
speziellen Reibwertanforderungen durch Zulegierung von
Verschleißschutzadditiven nicht verhindert werden kann.
Einer breiteren Verwendung von Syntheseölen (Polyolefine,
Esteröle) als ATF bzw. als deren Grundöle mit gutem
Viskositäts-Temperaturverhalten dürften deren hohe
Herstellkosten entgegenstehen. (Ullmann loc. cit., Bd. 13,
Seite 92).
In der US-P 40 36 768 werden Kombinationen aus
Polyalkylmethacrylaten und flüssigen Alkylbenzolen
beschrieben, die zur Formulierung von Automatic
Transmission Fluids anderen ATF-Additiven zugesetzt
werden. Solche Mischungen haben Brookfield-Viskositäten
(mPas) von 27 000 bis 33 200 bei -40°C.
Neben den bereits erwähnten, kommenden höheren
Anforderungen gilt auch für den vermehrten und
problemloseren Einsatz nicht-
militärischer Fahr- und Flugzeuge sowie technischer
Geräte mit hydrokinetischen Kraftübertragungsvorrichtungen
in Regionen mit häufig unter -20 bis -40°C liegenden
Temperaturen, daß die z. Z. üblichen
Hydraulikflüssigkeiten auf Mineralölbasis wegen ihrer
hohen Viskosität nicht bzw. nur unter zusätzlichen
Maßnahmen brauchbar sind.
Von diesem Problem her ergab sich die Aufgabe, auf
Mineralöl basierende Hydraulikflüssigkeiten zu
formulieren, in denen für die Temperatur von -40°C, die
derzeit bei ca. 40 000 mPas liegende Viskosität, wenn
möglich, auf Werte unter 30 000, evtl. auf Werte unter
20 000 mPas gesenkt ist.
Überraschenderweise läßt sich das Problem der Herstellung
solcher Hydraulikfüssigkeiten auf Mineralölbasis, die
sowohl für hohe als auch sehr tiefe Gebrauchstemperaturen
einsetzbar sind, und welche weiter die bekannten
erwünschten Eigenschaften besitzen, einfach dadurch lösen,
daß bei deren Formulierung die bisher zugesetzten
Dispergiermittel auf Polyisobutylenbasis weitgehend oder
völlig durch solche auf Polyalkylmethacrylatbasis ersetzt
werden.
Die Erfindung betrifft damit Hydraulikflüssigkeiten
vorwiegend für den hydrokinetischen Antrieb, auch
Automatic Transmission Fluids (ATF) genannt, auf Basis
Mineralöl, wobei das mineralische GrundÖl ein
paraffinisches Ölraffinat mit einer Viskosität von ca. 4
mm2s-1/100°C und einem V.I. von ca. 100 ist, und dem für
diesen Verwendungszweck notwendige Additive, unter
Ausschluß von Dispergiermitteln auf Polyisobutylenbasis,
zugesetzt sind, und die so formuliert, bei -40°C,
Brookfield-Viskositäten unter 30 000 bis um bzw. unter
20 000 mPas aufweisen.
Die eingesetzten Additivepakete enthalten vor allem
Korrosions- und Oxidationsinhibitoren,
Verschleißschutzmittel, Reibwertmodifikatoren u. a. Die
Dispergierwirkung der ATF muß gegeben sein und wird durch
den erfindungsgemäßen Austausch erreicht, der auch
insgesamt das gewünschte Viskositäts-Temperatur-Verhalten
gewährleistet und andere Additive für diesen Effekt
überflüssig macht. Die erfindungsgemäßen ATF können
gegebenenfalls auch weitere übliche dispergierende V.I.-
und Pour-Point-Verbesserer in geringen Mengen enthalten.
Die erfindungsgemäßen Hydraulikflüssigkeiten enthalten als
V.I.-Verbesserer Polymere, im wesentlichen solche auf
Methacrylatbasis. V.I.-verbessernde Polyalkylmethacrylate
(PAMA) können durch Copolymerisation mit polaren Monomeren
auch noch Detergent- und Dispersant-Eigenschaften
besitzen.
Der Ersatz des Dispergiermittels auf Polyisobutylenbasis
wird erfindungsgemäß mit dispergierend wirkenden PAMA
durchgeführt.
Durch diese Maßnahmen werden ATF erhalten, die die
geforderten Viskositäten bei tiefen Temperaturen bis -40°C
aufweisen, ohne auf niedrigerviskose Grundöle
überzugehen.
Die vorliegende Erfindung verbessert das Viskositäts-/
Temperatur-Verhalten von n-Paraffin-haltigen Mineralölen
bei deren Einsatz als Grundöl für Hydraulikflüssigkeiten
und eröffnet diesen ihre Verwendung besonders bei tiefen
Temperaturen unter günstigen Viskositätsbedingungen und
ohne eine störende Kristallisationsneigung der n-
Paraffine. Der verstärkte Einsatz von paraffinbasischen
Mineralölen ist in der Zukunft geboten einmal durch den
Umstand, daß immer mehr die paraffinierten Mineralöle als
Grundöle dominieren werden - Erschöpfung anderer
Lagerstätten - und zum anderen, daß niedrigerviskose
Grundöle, insbesondere wegen ihres ungünstigen
Verschleißverhaltens, technische Nachteile zeigen. Wegen
der speziellen Reibwertanforderungen ist der Zusatz an
Verschleißschutzadditiven jedoch begrenzt. Deshalb ist die
Einhaltung von Mindestgrundölviskositäten wichtig.
Die erfindungsgemäße Maßnahme des Ersatzes von aschefreien
Dispergiermitteln auf Polyisobutylenbasis und des bisher
üblichen V.I.-Verbesserers sowie des Pour Point-
Verbesserers durch ein Dispergiermittel auf PAMA-Basis
bringt den weiteren Vorteil, daß V.I.-Verbesserung und
Dispergierung mit einem Additiv, einem Mehrzweck-Additiv
- multifunktioneller V.I.-Verbesserer - und zwar eines
Additiv mit relativ niedrigem Molekulargewicht, erreicht
werden. Das ist gleichbedeutend mit minimalen
Viskositätsverlusten und damit einem günstigen
Verschleißverhalten während der Einsatzdauer der ATF.
Die aschefreien Dispergiermittel für ATF der herkömmlichen
Art sind als Polyisobutylenbernsteinsäureimide (Ullmann,
loc. cit., Bd. 20, S. 552 und US 40 36 768, Beispiel II)
Polymere, die neben dem Polyisobutenblock (PIB) einen
stark polaren Polyalkylenpolyaminimidblock enthalten.
Dagegen sind in den aschefreien Dispergiermitteln auf
PAMA-Basis die polaren Gruppen über das Polymermolekül
verteilt. Dadurch wird hohes Gesamtdispergiervermögen
erreicht, ohne mit Reibwert- und Antiverschleißadditiven
verstärkt zu interferieren.
Zusammenfassend ergibt sich:
PAMA-Dispergiermittel für ATF ersetzen die bisherigen Produkte auf PIB-Basis sowie die heute eingesetzten V.I.- Verbesserer und Stockpunkterniedriger. Dabei ergeben sich folgende Effekte:
I. Bessere, auf bisherigem Wege nicht erzielbare Tieftemperatureigenschaften.
II. Vermeiden des Einsatzes niedrigerviskoser oder teurerer Grundöle.
III. Drastische Verbesserung der Scherstabilität.
PAMA-Dispergiermittel für ATF ersetzen die bisherigen Produkte auf PIB-Basis sowie die heute eingesetzten V.I.- Verbesserer und Stockpunkterniedriger. Dabei ergeben sich folgende Effekte:
I. Bessere, auf bisherigem Wege nicht erzielbare Tieftemperatureigenschaften.
II. Vermeiden des Einsatzes niedrigerviskoser oder teurerer Grundöle.
III. Drastische Verbesserung der Scherstabilität.
1. Als Grundöle (1) werden entsprechend der Erfindung
paraffinbasische Mineralöle verwendet, die vor allem
als Solventraffinate bei der Rohölaufbereitung
anfallen und eine Viskosität bei 100°C von ca.
4,0 mm2s-1 und einen Pour Point
von nicht mehr als -10°C aufweisen (Ullmann loc. cit.,
Bd. 20, S. 575-577, 606-607).
2. Fließverbesserer als Zusätze zum Grundöl zur
Verbesserung der Viskosität, des Viskositäts-
Temperatur-Verhaltens und zur Senkung des Pour Point
sind polymere Zusätze vor allem auf
(Meth)acrylsäurealkylesterbasis (2). Dazu werden
die als V.I.-Verbesserer bekannten öllöslichen
Polymerisate von Estern der Methacrylsäure und/oder
der Acrylsäure mit 1 bis ca. 30 Kohlenstoffatomen im
Alkylrest, vorwiegend als Copolymerisate der
verschiedenen Ester und mit einem
viskositätsmittlerem Molekulargewicht von 5000 bis
200 000, vorzugsweise von 20 000 bis 1 00 000, vor
allem von 10 000 bis 50 000 eingesetzt (Ullmann
loc. cit., Bd. 13, 8. 87; Bd. 19, 8. 26).
Poly(meth)acrylsäurealkylester, mit polaren
Monomeren, die ein Heteroatom enthalten, wie z. B.
Hydroxyalkyl(meth) acrylate,
2-Dimethylaminoethylmethacrylat,
N-Di-methylaminopropylmethacrylamid, Vinylpyridin, als
Copolymerisate hergestellt, besitzen auch Detergent-
und Dispersant-Eigenschaften (Ullmann, loc.cit.,
Band 19, S. 26 und Band 20, S. 547, 8. 552).
Dies sind bekannte aschefreie Dispergiermittel auf
Poly-(meth)acrylatbasis, die entsprechend der
Erfindung als dispergierendes Additive in
Hydraulikflüssigkeiten die bisher darin als
Dispergiermittel verwendeten und, wie
erfindungsgemäß festgestellt, Viskositätssenkungen bei
tiefen Temperaturen erschwerende
Polyisobutenylbernsteinsäureimide ersetzen. Sie können
in Kombination mit anderen bekannten V.I.-
Verbesserern, vor allem den dafür bekannten und oben
beschriebenen Polyalkyl(meth)acrylaten, als Additive
bei der Formulierung der Hydraulikflüssigkeit auf
Mineralölbasis eingesetzt werden oder in ihrer
Funktion als multifunktionelle Additive alle oben
angeführten Fließverbessererfunktionen und die
Dispergierwirkung in den ATF wahrnehmen.
Sie werden hergestellt durch Copolymerisation von (a)
C1- bis C30-Alkylestern der Methacrylsäure und/oder
der Acrylsäure und (b) Monomeren mit funktionellen
Gruppen der geschilderten Art (polare Monomere mit
Heteroatom) im Molverhältnis (a) : (b) = 1 : 0,01 -
0,2 vor allem 1 : 0,02 bis 0,2 und insbesondere im
Molverhältnis 1 : 0,02 bis 0,15. Die
Polymerisation wird vorzugsweise in dem Mineralöl
durchgeführt, in welchem das Dispergiermittel auch
vornehmlich als Additive zugesetzt wird.
Herstellungen von PAMA′s sind u.a. beschrieben in DE-C
28 05 826 (=US-P 42 81 081 und US-P 43 38 418), DE-A
33 39 103, DE-A 36 07 444, DE-A 36 13 992.
Die viskosimetrisch (Methode 8. N. Chinai, R.A.
Guzzi, J. Pol. Sci. 41, 475 (1959)) ermittelten
Molekulargewichte der dispergierenden Copolymerisate
liegen im Bereich von 5000 bis 200 000.
3. Zur Erfüllung weiterer geforderter Eigenschaften, wie
Oxidationsstabilität, Verschleißschutz, Alterung,
werden nach konventioneller Art bekannte
Wirksubstanzen (Ullmann loc. cit. Bd. 20, S. 549-560,
US-P 40 36 768) vor allem als Additive-
Mischung (3), (Additive-Paket, D.I.-Paket),
erfindungsgemäß unter Ausschluß der gegebenenfalls
darin enthaltenen Dispergiermittel vom Typ der
Polyisobutenylbernsteinsäureimide, bei der ATF-
Formulierung zugesetzt.
4. Die mit den unter 1 bis 3 angegebenen Komponenten (1),
(2) und (3) werden bei der ATF-Formulierung in
Mengenverhältnissen (Gewichtsteile) von:
(1) : (2) : (3) = 80-95 : 3-15 : 2-10,
vor allem in Mengenverhältnissen von
85-95 : 3-10 : 4-10
eingesetzt.
(1) : (2) : (3) = 80-95 : 3-15 : 2-10,
vor allem in Mengenverhältnissen von
85-95 : 3-10 : 4-10
eingesetzt.
Das Verhältnis in Gewichtsteilen der V.I.-verbessernden
PAMA-Zusätze mit und ohne Dispergierwirkung kann bei
100 : 0 bis 10 : 1
liegen.
100 : 0 bis 10 : 1
liegen.
Die Charakterisierung kann durch folgende physikalische
Kenngrößen erfolgen:
Kinematische Viskosität | |
DIN 51 550 | |
Pour Point/Cloud Point | DIN 51 597 |
Viskositätsindex (V.I.) | ISO 29 09 |
Brookfield-Viskosität | DIN 51 398 |
Eingesetzte Komponenten
- 1. Grundöle:
- (1.1) Paraffinbasisches Raffinat (sogenanntes 100
Neutral) mit den folgenden Daten:
Viskosität mm²s-1/100°C: 4,25 V.I.: 107 Pour Point °C: -15 - (1.2) Niedrigviskoses paraffinisches Raffinat:
mm²s-1/100°C: 3,58 V.I.: 108 Pour Point °C: 17
- (1.1) Paraffinbasisches Raffinat (sogenanntes 100
Neutral) mit den folgenden Daten:
- 2. ATF-Paket, handelsübliches Produkt:
Einsatzkonzentration 8,0 Gew.-% - 3. ATF-Paket ohne aschefreies Dispergiermittel auf Basis
Polyisobutylen:
Einsatzkonzentration 2,0 Gew.-% - 4. Dispergierender V.I.-Verbesserer auf Basis PAMA mit
Stockpunktwirkung (handelsübliches Produkt):
Einsatzkonzentration 3,2 Gew.-% PSSI (permanenter Scherstabilitäts-Index) nach DIN 51 382 = 45. - 5. Pour Point-Verbesserer auf PAMA-Basis ohne
Dispergierwirkung
(handelsübliches Produkt)
PSSI = 15. - 6. Aschefreies Dispergiermittel auf PIB-Basis (Polyisobutenylsuccinimid, handelsübliches Produkt).
- 7. Erfindungsgemäß zu verwendende dispergierende PAMA- Produkte, intern als BID (Brookfield Improving Dispersant) bezeichnet:
Diese Produkte haben Pour Point-Wirkung.
Der PSSI ist = 5
Polymergehalt 70 Gew.-%
Einsatzkonzentration 7-10 Gew.-% in der ATF.
Polymergehalt 70 Gew.-%
Einsatzkonzentration 7-10 Gew.-% in der ATF.
Gegenübergestellt werden die Rezepturen:
- A. Derzeit übliche ATF-Zusammensetzung Basis Grundöl (1.1).
- B. Rezeptur mit BID 1 anstelle der in A enthaltenen PIB- Produkte, Basis Grundöl (1.1).
- C. Wie B, jedoch BID 1 mit ausgewählter PPD abgemischt.
- D. Wie A, jedoch auf Basis des niedrigerviskosen Grundöls (1.2).
- E. Wie B, jedoch bei Ersatz von nur 2/3 des PIB Produktes durch BID 1.
- F. Wie B, jedoch mit BID 2.
mit folgenden Zusammensetzungen und Viskositätsdaten:
Claims (4)
1. Hydraulikflüssigkeiten, vorwiegend für den
hydrokinetischen Antrieb, auch Automatic Transmission
Fluids (ATF) genannt, auf Basis Mineralöl, wobei das
Grundöl ein paraffinbasisches Ölraffinat mit einer
Viskosität bei 100°C von ca.4 mm2s-1 ist, und dem für
diesen Verwendungszweck notwendige Additive, unter
Ausschluß von Dispergiermitteln auf
Polyisobutylenbasis, zugesetzt sind, und die so
formuliert, bei -40°C, Brookfield-Viskositäten unter
30 000 bis unter 20 000 mPas aufweisen.
2. Hydraulikflüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie als Dispergiermitteladditiv
ein Polymeres auf Polyalkyl(meth)acrylatbasis (PAMA)
enthalten, das durch Copolymerisation von (a) C1- bis
C30-Alkylestern der Methacrylsäure und/oder der
Acrylsäure und (b) Monomeren mit funktionellen
Gruppen, im Molverhältnis (a) : (b) = 1 : 0,01 bis
0,2, hergestellt wird und ein Molekulargewicht von
5000 bis 200 000, viskosimetrisch ermittelt nach
S.N.Chinai, R.A. Guzzi, J. Pol. Sci. 41, 475 (1959),
aufweist.
3. Hydraulikflüssigkeiten nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sie als fließverbessernde
Additive Polyalkyl(meth)acrylate mit C1- bis C30-
Alkylresten und als Dispergiermittel entsprechende
Polyalkyl(meth)acrylate hergestellt mit Comonomeren
mit funktionellen Gruppen enthalten, und das
Verhältnis in Gewichtsteilen der PAMA-Zusätze ohne
und mit Dispergierwirkung bei 1 : 10 bis 1 : 99
liegt.
4. Hydraulikflüssigkeiten nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Formulierungen nur
funktionelle Gruppen tragende PAMA-Additive, die
V.I.-, Dispergier- und Pour-Point-verbessernde Wirkung
haben, enthalten.
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