DE69214789T2

DE69214789T2 - Multifunktionales Schmieröladditiv

Info

Publication number: DE69214789T2
Application number: DE69214789T
Authority: DE
Inventors: Cyril Andrew Migdal; Theodore Eugene Nalesnik
Original assignee: Afton Chemical Additives Corp; DSM Copolymer Inc
Current assignee: Afton Chemical Additives Corp; DSM Copolymer Inc
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1992-12-09
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: DE69214789D1; EP0549196A1; US5188745A; EP0549196B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein neuartiges multifunktionales Schmiermitteladditiv, das ein dichtungskompatibles Dispergiermittel ist, wenn es in einer Schmierölzusammensetzung eingesetzt wird. Die Verbindungen mit niedrigerem Molekulargewicht sind besonders brauchbar als dichtungskompatible Dispergiermittel in Einbereichs-Schmierölen, während die Verbindungen mit höherem Molekulargewicht brauchbar sind, um Mehrbereichs- Schmierölen den Viskositätsindex verbessernde Eigenschaften, Dispergierfähigkeit und Dichtungskompabilitätseigenschaften zu verleihen.
Es gibt einen umfangreichen Stand der Technik zur Verwendung von Polymeren in Schmierölzusammensetzungen. Eine Schlüsselaufgabe für einen Hersteller von Formulierungen ist, eine Anzahl von Funktionen für das Schmieröl als einen integralen Teil einer einzigen Polymerstruktur einzubauen. Es ist somit üblich, ein relativ unreaktives Polymer mit einer Verbindung zur Reaktion zu bringen, die chemisch reaktive Stellen in die Polymerkette einführen wird, ein Verfahren, das als Pfropfen bezeichnet wird. Dieses umgesetzte oder gepfropfte Polymer kann anschließend weiter mit Verbindung zur Reaktion gebracht werden, die so aufgebaut sind, daß sie eine oder mehrere Funktionen für das Schmieröl auf dem gepfropften Polymer einführen. Das resultierende Reaktionsprodukt wird bezeichnet als ein gepfropftes und derivatisiertes Polymer und es kann eine Anzahl von Eigenschaften für das Schmieröl mit variierenden Graden von Wirksamkeit zeigen.
Eine Vielzahl von Polymer-Rückgratketten können verwendet werden, um das Schmiermitteladditiv herzustellen. So kann die Rückgratkette für das Additiv ein Polymer, Copolymer, Terpolymer oder eine Mischung derselben aus olefinischen Kohlenwasserstoffen mit von 2 bis 10 Kohlenstoffatomen und Diolefinen mit von 5 bis 14 Kohlenstoffatomen sein. Das Molekulargewicht des Rückgrat-Polymers kann für spezifische Schmieröle ausgewählt oder maßgeschneidert werden, d.h. Einbereichs- oder Mehrbereichsöl, wobei im letzteren Fall der Schmiermittelzusammensetzung verdickende und die Viskosität verbessernde Eigenschaften verliehen werden.
Ein besonders signifikantes Problem, dem sich der Schmiermittelhersteller gegenübersieht, ist dasjenige der Verschlechterung der Dichtungen im Motor. Alle Verbrennungsmotoren werden mit Elastomerdichtungen, wie etwa Viton-Dichtungen, gebaut und zusammengesetzt. Während des Gebrauchs sind diese Elastomerdichtungen unter Motorbetriebsbedingungen anfällig für ernstzunehmende Verschlechterung. Man glaubt, daß die Verschlechterung der Viton-Dichtungen auf einem Angriff durch das stickstoffhaltige Dispergiermittel im Schmieröl beruht, was zu Brüchigkeit und Brechen der Dichtungen führt. Wenn dieser Zustand eintritt, wird sich eine ernstzunehmende Schmiermittelleckage aus dem Motor entwickeln. Eine Schmierölzusammensetzung, die die Elastomerdichtungen in einem Motor zerstört, ist für Motorhersteller nicht annehmbar.
U.S. Patent No. 3,522,180 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Ethylen-Propylen-Copolymersubstrats, das als ein Viskositätsindexverbesserer für Schmieröle wirksam ist.
U.S. Patent No. 4,026,809 offenbart Pfropf-Copolymere aus einem Methacrylatester und einem Ethylen-Propylen-Alkylidennorbonen-Terpolymer als einen Viskositätsindexverbesserer für Schmieröle.
U.S. Patent No. 4,089,794 offenbart Ethylen-copolymere, abgeleitet von Ethylen und einem oder mehreren C&sub3;-C&sub2;&sub8;-alpha-Olefin, lösungsgepfropft mit einem ethylenisch ungesättigten Carbonsäure-Material, gefolgt von einer Reaktion mit einem polyfunktionalen Material, das mit Carboxylgruppen reaktiv ist, wie etwa einem Polyamin, einem Polyol oder einem Hydroxyamin, wobei das Reaktionsprodukt als ein Schlamm- und Lackkontrolladditiv in Schmierölen brauchbar ist.
U.S. Patent No. 4,137,185 offenbart einen stabilisierten Imid- Pfropf eines Ethylen-Copolymer-Additivs für Schmiermittel.
U.S. Patent No. 4,146,489 offenbart ein Pfropf-Copolymer, bei dem das Rückgrat-Polymer öllösliches Ethylen-Propylen-Copolymer oder ein modifiziertes Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer ist, mit einen Pfropf-Monomer aus C-Vinylpyridin oder N-Vinylpyrrolidon, um einen dispergierenden VI-Verbesserer für Schmieröle bereitzustellen.
U.S. Patent No. 4,320,019 offenbart ein Mehrzweck-Schmieradditiv, das hergestellt wird durch die Reaktion eines Interpolymers aus Ethylen und einem C&sub3;-C&sub8;-alpha-Monoolefin mit einem olefinischen Carbonsäure-Acylierungsmittel, um ein Acylierungsreaktionszwischenprodukt zu bilden, das anschließend mit einem Amin zur Reaktion gebracht wird.
U.S.Patent No. 4,357,250 offenbart ein Reaktionsprodukt eines Copolymers und einer olefinischen Carbonsäure über die "EN"- Reaktion, gefolgt von einer Reaktion mit einer Monoamin-Polyamin-Mischung.
U.S. Patent No. 4,382,007 offenbart einen dispergierenden VI- Verbesserer, der hergestellt worden ist durch Umsetzung eines von einem Polyamin abgeleiteten Dispergiermittels mit einem oxidierten Ethylen-Propylen-Polymer oder einem Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer.
U.S. Patent No. 4,144,181 offenbart Polymer-Additive für Brennstoff und Schmiermittel, die ein gepfropftes Ethylen-Copolymer umfassen, das mit einem Polyamin, Polyol oder Hydroxyamin und schließlich mit einer Alkarylsulfonsäure zur Reaktion gebracht wird.
GB Patent No. 1117643 offenbart cyclische Harnstoff-Derivate von Alkenylbernsteinsäureanhydriden als wesentliche Bestandteile von Schmiermittel- und Brennstoffzusammensetzungen. Die Derivate werden hergestellt durch die thermische "En"-Reaktion. Die hergestellten Dispergiermittel besitzen ein Molekulargewicht von ungefähr 400 bis 3200.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist, eine neuartige derivatisierte Pfropf-Copolymerzusammensetzung bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, ein Schmiermitteladditiv bereitzustellen, das als ein elastomerdichtungskompatibles Dispergiermittel in einer Schmierölzusammensetzung wirksam ist.
Ein andere Aufgabe ist, ein wirksames dichtungskompatibles Dispergiermittel für ein Einbereichs-Schmieröl bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe ist, eine neuartige Schmierölzusammensetzung bereitzustellen, die das Pfropf-Copolymer-Additiv der Erfindung enthält, sowie Konzentrate des Additivs der Erfindung bereitzustellen.
Das Reaktionsprodukt der Erfindung umfaßt ein Polymer, Copolymer oder Terpolymer eines C&sub2;-C&sub1;&sub0;-alpha-Monoolefins und fakultativ eines nicht-konjugierten Diens oder Triens mit einem Molekulargewicht, das im Bereich von 5500 bis 500.000 liegt, auf das eine ethylenisch ungesättigte Carbonsäurefunktion aufgepfropft worden ist, die anschließend weiter mit einer Aminsubstituierten Imidizolidon-Verbindung derivatisiert wird, die dargestellt wird durch die Formel:
in der R¹ in jedem Fall identisch oder verschieden ist und H oder ein verzweigter oder geradkettiger Rest mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen sein kann, der Alkyl, Alkenyl, Alkoxyl, Aralkyl oder Alkaryl sein kann, n einen Wert von 0 bis 12 hat, m einen Wert von 0 bis 2 hat und X entweder 0 oder 5 ist.
Das Schmiermittel der Erfindung umfaßt ein Öl mit Schmierviskosität und eine wirksame Menge des neuartigen Reaktionsproduktes. Das Schmieröl sollte in den niedrigeren Molekulargewichtsbereichen elastomerdichtungskompatibel sein und dispergierende Eigenschaften besitzen. Es sollte zusätzlich in den hohen Molekargewichtsbereichen Viskositätsindexverbesserungseigenschaften besitzen.
Konzentrate des Reaktionsprodukts der Erfindung werden ebenfalls betrachtet.
Das Polymer- oder Copolymersubstrat, das im neuartigen Additiv der Erfindung eingesetzt wird, kann hergestellt werden aus Ethylen und Propylen oder es kann hergestellt werden aus Ethylen und einem höheren Olefin im Bereich der C&sub3;-C&sub1;&sub0;-alpha-Monoolefine.
Komplexere Polymersubstrate, oft bezeichnet als Interpolymere, können unter Verwendung einer dritten Komponente hergestellt werden. Die dritte Komponente, die im allgemeinen verwendet wird, um ein Interpolymersubstrat herzustellen, ist ein Polyen-Monomer, das ausgewählt ist aus nicht-konjugierten Dienen und Trienen. Die nicht-konjugierte Dien-Komponente ist eine mit von 5 bis 14 Kohlenstoffatomen in der Kette. Vorzugsweise ist das Dien-Monomer gekennzeichnet durch das Vorliegen einer Vinylgruppe in ihrer Struktur und kann cyclische und Bicyclo- Verbindungen einschließen. Beispielhafte Diene schließen 1,4- Hexadien, 1,4-Cyclohexadien, Dicyclopentadien, 5-Ethyliden-2- norbornen, 5-Methylen-2-norbornen, 1,5-Heptadien und 1,6-Octadien ein. Eine Mischung von mehr als einem Dien kann bei der Herstellung des Interpolymers verwendet werden. Ein bevorzugtes nicht-konjugiertes Dien zur Herstellung eines Terpolymer- oder Interpolymersubstrates ist 1,4-Hexadien.
Die bevorzugte Trien-Komponente wird wenigstens zwei nicht- konjugierte Doppelbindungen und bis zu 30 Kohlenstoffatome in der Kette aufweisen. Typische Triene, die bei der Herstellung des Interpolymers der Erfindung brauchbar sind, sind 1-Isopropyliden-3a,4,7,7a-tetrahydroinden, 1-Isopropylidendicyclopentadien, Dehydroisodicyclopentadien und 2-(2-Methylen-4-methyl- 3-pentenyl) [2.2.1] -bicyclo-5-hepten.
Die Polymerisationsreaktion, um das Polymersubstrat zu bilden, kann in der Gegenwart eines Katalysators in einem Lösungsmittelmedium durchgeführt werden, d.h. Lösungspolymerisation. Das Polymerisationslösungsmittel kann jedes geeignete inerte organische Lösungsmittel sein, das unter Reaktionsbedingungen für die Lösungspolymerisation von Monoolefinen flüssig ist, die im allgemeinen in der Gegenwart eines Ziegler-Katalysators durchgeführt wird. Beispiele für befriedigende Kohlenwasserstofflösungsmittel schließen geradkettige Paraffine mit von 5 bis 8 Kohlenstoffatomen, wobei Hexan bevorzugt ist; aromatische Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise aromatische Kohlenwasserstoffe mit einem einzigen Benzolkern wie etwa Benzol und Toluol; und gesättigte cyclische Kohlenwasserstoffe mit Siedepunktsbereichen, die denjenigen der geradkettigen paraffinischen Kohlenwasserstoffe und aromatischen Kohlenwasserstoffe, die oben beschrieben sind, nahekommen, ein. Das ausgewählte Lösungsmittel kann eine Mischung von einem oder mehreren der vorstehenden Kohlenwasserstoffe sein. Es ist wünschenswert, daß das Lösungsmittel frei von Substanzen ist, die eine Ziegler-Polymerisationsreaktion beeinflussen würden.
Bei einer typischen Herstellung eines Polymersubstrats wird zunächst Hexan in einen Reaktor eingebracht und die Temperatur im Reaktor wird mäßig auf etwa 30ºC angehoben. Trockenes Propylen wird dem Reaktor zugeführt, bis der Druck 135-152 kPa (40-45 Inches Quecksilber) erreicht. Der Druck wird anschließend auf 202 kPa (60 Inches Quecksilber) erhöht und trockenes Ethylen und 5-Ethyliden-2-norbornen werden dem Reaktor zugeführt. Die Monomerzufuhren werden gestoppt und eine Mischung von Aluminiumsesquichlorid und Vanadiumoxytrichlorid werden zugegeben, um die Polymerisationsreaktion einzuleiten. Abschluß der Polymerisationsreaktion wird belegt durch einen Druckabfall im Reaktor.
Wenn die Aufgabe ist, ein dispergierendes und dichtungskompatibles Additiv für ein Einbereichs-Motoröl bereitzustellen, wird ein Rückgratpolymer mit niedrigerem Molekulargewicht verwendet. Breit gesprochen wird dieses Polymer ein Molekulargewicht im Zahlenmittel von 5.500 bis 25.000 und spezifischer von 6.000 bis 15.000 besitzen. Diese Polymere mit niedrigerem Molekulargewicht können durch Lösungspolymerisation hergestellt werden. Alternativ können sie dadurch hergestellt werden, daß man ein Polymer mit hohem Molekulargewicht nimmt und es, z.B. durch Scherung, auf ein geeignetes Molekulargewicht für Einbereichs-Schmieröl verringert.
Die Verringerung des Molekulargewichts des Ausgangs-Ethylen Copolymers mit einem Molekulargewicht von z.B. etwa 80.000 auf ein Molekulargewicht im Bereich von 5.500 bis 25.000 und das Aufpfropfen des ethylenisch ungesättigten Carbonsäurematerials auf das Copolymer kann gleichzeitig durchgeführt werden oder es kann nacheinander in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Wenn es nacheinander durchgeführt wird, kann zunächst das Ethylen-Copolymer bis zum vorgeschriebenen Molekulargewicht abgebaut und anschließend gepfropft oder, umgekehrt, das Pfropfen auf das Copolymer mit hohem Molekulargewicht bewirkt und das resultierende gepfropfte Copolymer mit hohem Molekulargewicht anschließend im Molekulargewicht verringert werden. Alternativ können Pfropfen und Reduktion des Copolymers mit hohem Molekulargewicht gleichzeitig durchgeführt werden.
Die Verringerung des Molekulargewichts eines Polymers mit hohem Molekulargewicht auf den vorgeschriebenen Bereich niedrigen Molekulargewichts, ob während des Pfropfens oder vor dem Pfropfen, wird vorzugsweise in der Abwesenheit eines Lösungsmittels oder in der Gegenwart eines Basisöls unter Verwendung mechanischer Schermittel durchgeführt. Im allgemeinen wird das Ethylen-Copolymer bis zu einem geschmolzenen Zustand bei einer Temperatur im Bereich von 250ºC bis 450ºC erhitzt und es wird anschließend mechanischen Schermitteln unterworfen, bis das Copolymer bis zum vorgeschriebenen Molekulargewichtsbereich reduziert ist. Die Scherung kann durch Hindurchdrücken des geschmolzenen Copolymers durch feine Öffnungen unter Druck oder durch andere mechanische Mittel bewirkt werden.
Copolymer aus Ethylen und Propylen oder höherem alpha-Monoolefin können aus von 15 bis 80 Molprozent Ethylen und von 20 bis 85 Molprozent Propylen oder höherem Monoolefin bestehen, wobei die bevorzugten Molverhältnisse bei 25 bis 75 Molprozent Ethylen und 25 bis 75 Molprozent eines C&sub3;-C&sub1;&sub0;-alpha-Monoolefins liegen, wobei die bevorzugtesten Verhältnisse bei 25 bis 55 Molprozent Ethylen und 45 bis 75 Molprozent Propylen liegen.
Terpolymer-Variationen der vorstehenden Polymere können von 0,1 bis 10 Molprozent eines nicht-konjugierten Diens oder Triens enthalten.
Die Polymer-Rückgratkette kann eine Vielzahl olefinischer Komponenten beinhalten. Zum Beispiel kann die Polymer-Rückgratkette Methacrylate, Vinylpyrrolidon, Styrol-Copolymer oder Styrol-Terpolymere enthalten.
Das Polymersubstrat, z.B. das Ethylen-Copolymer oder -Terpolymer, ist ein öllösliches, im wesentlichen lineares, gummiartiges Material mit, breit gesprochen, einem Molekulargewicht im Zahlenmittel von 5.500 bis 500.000, mit einem bevorzugten breiten Bereich von 6.000 bis 250.000. Ein bevorzugter Molekulargewichtsbereich für ein Einbereichs-Motoröl ist von 6.000 bis 15.000. Für ein Mehrbereichs-Öl ist ein bevorzugter Molekulargewichtsbereich von 40.000 bis 250.000, ein bevorzugterer Bereich von 50.000 bis 150.000 und ein am meisten bevorzugter Bereich von 75.000 bis 125.000.
Die Begriffe Polymer und Copolymer werden hierin im allgemeinen Sinn verwendet, so daß sie Ethylen-Copolymere, -Terpolymere oder -Interpolymere umfassen. Diese Materialien können geringe Mengen anderer olefinischer Monomere enthalten, solange ihre grundlegenden Eigenschaften nicht materiell verändert werden.
Ein ethylenisch ungesättigtes Carbonsäure-Material wird als nächstes auf die vorbeschriebene Polymer-Rückgratkette aufgepfropft. Diese Materialien, die an das Polymer gebunden werden, enthalten wenigstens eine ethylenische Bindung und wenigstens eine, vorzugsweise zwei, Carbonsäure- oder ihre Anhydridgruppen oder eine polare Gruppe, die in besagte Carboxylgruppen durch Oxidation oder Hydrolyse überführbar ist. Maleinsäureanhydrid oder ein Derivat desselben ist bevorzugt.
Es pfropft sich auf das Ethylen-Copolymer oder -Terpolymer so auf, daß es zwei Carbonsäurefunktionalitäten ergibt. Beispiele von zusätzlichen ungesättigten carboxylischen Materialien schließen Chlormaleinsäureanhydrid, Itaconsäureanhydrid oder die entsprechenden Dicarbonsäuren wie etwa Maleinsäure, Fumarsäure und deren Monoester ein.
Das ethylenisch ungesättigte Carbonsäure-Material wird auf die Polymer-Rückgratkette aufgepfropft, indem es in Lösung oder in fester Form unter Verwendung eines Radikalinitiators aufgepfropft wird. Das durch freie Radikale induzierte Aufpfropfen von ethylenisch ungesättigten Carbonsäure-Materialien in Lösungsmitteln, wie etwa Benzol, ist ein bevorzugtes Verfahren. Es wird bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von 100ºC bis 250ºC, vorzugsweise 120ºC bis 190ºC und bevorzugter bei 150ºC bis 180ºC, z.B. etwa 160ºC, in einem Lösungsmittel, vorzugsweise einer Mineralschmieröllösung, die z.B. 1 bis 50, vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die anfängliche gesamte Öllösung, des Ethylen-Polymers enthält, und vorzugsweise unter einer inerten Umgebung durchgeführt.
Die Radikalinitiatoren, die verwendet werden können, sind Peroxide, Hydroperoxide und Azoverbindungen und vorzugsweise diejenigen, die einen Siedepunkt von mehr als etwa 100ºC besitzen und sich thermisch innerhalb des Pfropftemperaturbereichs zersetzen, um freie Radikale zu liefern. Beispielhaft für diese Radikalinitiatoren sind Azobutyronitril und 2,5-Dimethyl-hex- 3-in-2,5-bis-tert.-butylperoxid. Der Initiator wird in einer Menge von zwischen 0,005 und 1 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Reaktionsmischungslösung, verwendet. Das Pfropfen wird vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre durchgeführt, wie etwa unter einer Stickstoffdecke. Das resultierende Polymerzwischenprodukt ist dadurch gekennzeichnet, daß es Carbonsäure-Acylierungsfunktionen innerhalb seiner Struktur aufweist.
Im Feststoff- oder Schmelzeverfahren zur Bildung eines Pfropf- Polymers wird die ungesättigte Carbonsäure durch die Verwendung eines Radikalinitiators auf geschmolzenen Kautschuk unter Verwendung von Kautschukmastizier- oder Scherausrüstung aufgepfropft. Die Temperatur des geschmolzenen Materials in diesem Verfahren kann im Bereich von 150ºC bis 400ºC liegen.
Polymersubstrate oder Interpolymere sind kommerziell verfügbar. Besonders brauchbar sind diejenigen, die von 40 bis 80 Molprozent Ethylen-Einheiten, 60 bis 20 Molprozent Propylen- Einheiten enthalten. Beispiele sind "Ortholeum 2052" und "PL-1256", erhältlich von E. I. duPont de Nemours and Co.. Das erstere ist ein Terpolymer, das etwa 48 Molprozent Ethylen- Einheiten, 48 Molprozent Propylen-Einheiten und 4 Molprozent 1,4-Hexadien-Einheiten enthält, mit einer Eigenviskosität von 1,35. Das letztere ist ein ähnliches Polymer mit einer Eigenviskosität von 1,95. Die Molekulargewichte im Viskositätsmittel der beiden liegen in der Größenordnung von 200.000 bzw. 280.000.
Die Reaktion zwischen dem Polymersubstratzwischenprodukt, das darauf aufgepfropft Carbonsäure-Acylierungs funktion aufweist, und der vorgeschriebenen Imidizolidonverbindung wird durchgeführt, indem eine Lösung des Polymersubstrats unter inerten Bedingungen erhitzt und anschließend die Verbindung zur erhitzten Lösung zugegeben wird, im allgemeinen unter Mischen, um die Reaktion zu bewirken. Es ist angemessen, eine Öllösung des Polymersubstrats einzusetzen, die auf 140ºC bis 175ºC erhitzt wird, während die Lösung unter einer Stickstoffdecke gehalten wird. Die Amin-substituierte Imidizolidon-Verbindung wird zu dieser Lösung zugegeben und die Reaktion wird unter den angegebenen Bedingungen bewirkt. Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Herstellung der Polymer-Rückgratkette und des neuartigen Reaktionsprodukt-Additivs der Erfindung.

BEISPIEL 1

Die Herstellung durch mechanische/thermische Scherung von niedermolekularem Ethylen-Propylen-Copolymer unter Verwendung eines Extruders

Das Ethylen-Propylen-Copolymer (MG im Zahlenmittel 100.000) wurde zerkleinert und in einem geschmolzenen Zustand bei einer Temperatur nahe 400ºC durch einen Extruder hindurch verarbeitet. Unmittelbar vor Eintritt in die Extruderschraube wurde Maleinsäureanhydrid und Dicumylperoxid mit dem geschmolzenen Polymer vermischt und das Polymer, das aus dem Mundstück des Extruders austrat, mit einem Molekulargewicht im Zahlenmittel von 6.000 bis 12.000, war mit ungefähr 1,8 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül gepfropft. Das Ethylen- Propylen-Copolymer, das mit ungefähr 1,8 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül gepfropft worden war (1000 g), wurde in SNO (Solvent-Neutralöl) 100 bei Austritt aus dem Extruder gelöst, was zu einem ungefähr 50 %igen Konzentrat in Öl führte.

BEISPIEL II

Synthese von N- (2-Aminoethyl) imidizolidon

Diethylentriamin (257,0 g) wurde in einen 1000-ml-4-Halskolben zusammen mit Ethylenglykolmonomethylether (500,0 g) eingebracht. Der Reaktor war ausgerüstet mit einem mechanischen Rührer, einem Thermometer, einem Thermoelement und einem Stickstoffeinlaß, einer Dean-Stark-Falle und einem Kühler. Das Rühren wurde begonnen und Harnstoff wurde langsam zugegeben. Anschließend wurde die Reaktionsmischung auf 125ºC erhitzt und 24 Stunden gehalten. Das erzeugte Ammoniak ließ man durch den Kühler entweichen. Das Lösungsmittel wurde unter Vakuum abgestrippt. Das Produkt wurde durch Vakuumdestillation (-0,5 mm Hg) bei 160ºC-170ºC gesammelt. Das mit GC-MS analysierte Pro dukt erwies sich als 99,5 % rein mit einem MG von 129,4.

BEISPIEL III

Einbereichs-Motoröl-Dispergiermittel, hergestellt aus Ethylen- Propylen-Copolymer, gepfropft mit ungefähr 1,8 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül

Eine 48,6 Gew.-%ige Mischung von Ethylen-Propylen-Copolymer mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000-12.000, gepfropft mit ungefähr 1,8 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül, in Öl (250,0 g), hergestellt wie beschrieben in Beispiel 1, wurde zusammen mit SNO-100-Öl (76,0 g) in einen 500-ml-4-Halskessel eingebracht. Der Kessel war ausgerüstet mit einem mechanischen Rührer, einem Thermometer, einem Thermoelement und einem Stickstoffeinlaß und wurde auf 160ºC erhitzt. N-(2-Aminoethyl)imidizolidon (3,4 g, 0,026 Mol) wurde zusammen mit ethoxyliertem Laurylalkohol als Löslichmacher und Enttrübungsmittel (9,7 g) zugegeben. Die Reaktionstemperatur wurde bei 160ºC für sechs Stunden gehalten. Das Produkt (ein ungefähr 37 %iges Konzentrat) ergab folgende Analyse: %N=0,39 (ber. 0,32) und kinematische Viskosität=1574 x 10&supmin;&sup6;m²s&supmin;¹ @ 100ºC.

BEISPIEL IV

Herstellung eines Dispergiermittels aus Ethylen-Propylen- Copolymer, gepfropft mit ungefähr 2,0 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül

Eine 48,4 Gew.-%ige Mischung von Ethylen-Propylen-Copolymer mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000 bis 12.000, gepfropft mit ungefähr 2,0 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül, in Öl (1.200,0 g), wurde zusammen mit SNO- 100-Öl (377,9 g) in einen 3.000-ml-4-Halskessel eingebracht, wie in Beispiel III oben, und auf 180º0 erhitzt. N-(2-Aminoethyl)imidizolidon (17,5 g, 0,136 Mol) wurde zusammen mit ethoxylierten Laurylalkohol (46,5 g) zugegeben. Die Reaktionstemperatur wurde für sechs Stunden bei 180ºC gehalten. Das Produkt (ein ungefähr 37 %iges Konzentrat) ergab folgende Analyse: %N=0,45 (ber. 0,35) und kinematische Viskosität=1598 x 10&supmin;&sup6;m²s&supmin;¹ @ 100ºC.

BEISPIEL V (Vergleichsbeispiel)

Herstellung von Dispergiermittel aus Ethylen-Propylen- Copolymer, gepfropft mit ungefähr 1,8 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül

Eine 48,6 Gew.-%ige Mischung von Ethylen-Propylen-Copolymer mit einem Molekulargewicht im Bereich vom 6.000 bis 12.000, gepfropft mit ungefähr 1,8 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül, in Öl (700,0 g), wurde zusammen mit SNO- 100-Öl (310,1 g) in einem 2.000-ml-4-Halskessel eingebracht und auf 160ºC erhitzt. N,N-Dimethylaminopropylamin (8,1 g, 0,079 Mol) wurde zusammen mit ethoxyliertem Laurylalkohol (31,1 g) zugegeben. Die Reaktionstemperatur wurde für sechs Stunden bei 160ºC gehalten. Das Produkt (ein ungefähr 33%iges Konzentrat) ergab folgende Analyse: %N=0,22 (ber. 0,21) und kinetische Viskosität=583 x 10&supmin;&sup6;m²s&supmin;¹ @ 100ºC.

BEISPIEL VI (Vergleichsbeispiel)

Eine 48,6 Gew.-%ige Mischung von Ethylen-Propylen-Copolymer, gepfropft mit ungefähr 1,8 Molekülen Maleinsäureanhydrid pro Copolymer-Molekül, in Öl (700,0 g), wurde zusammen mit SNO- 100-Öl (313,4 g) in einen 2.000-ml-4-Halskessel eingebracht und auf 160ºC erhitzt, wie in Beispiel V oben beschrieben. N- (3-Aminopropyl)morpholin (11,4 g, 0,079 Mol) wurde zusammen mit ethoxyliertem Laurylalkohol (31,1 g) zugegeben. Die Reaktionstemperatur wurde für sechs Stunden bei 160ºC gehalten. Das Produkt (ein ungefähr 33 %iges Konzentrat) ergab folgende Analyse: %N=0,22 (ber. 0,21) und kinetische Viskosität=586 x 10&supmin;&sup6;m²s&supmin;¹ @ 100ºC.
Die folgenden Tests zeigen signifikante Leistungseigenschaften des dichtungskompatiblen Ädditivs der Erfindung, wenn es in eine Schmierölzusammensetzung einbezogen wird:

Der Bench Sludge Test

Dieser Test wird durchgeführt, indem das Testöl, vermischt mit synthetischem Kohlenwasserstoff-Durchblasmittel und einem Verdünnungsöl, bei einer feststehenden Temperatur für einen feststehenden Zeitraum erhitzt wird. Nach dem Erhitzen wird die Trübheit der resultierenden Mischung gemessen. Ein niedriger Prozentsatz Trübheit (0 bis 20) zeigt sehr gute Dispergierfähigkeit an, während ein hoher Wert (20 bis 100) eine zunehmend schlechte Dispergierfähigkeit des Öls anzeigt. Die Ergebnisse, die mit den bekannten und vorliegenden Dispergiermitteln erhalten werden, sind in Tabelle 1 unten bei einer 4 bzw. 6,5 Gew.-%igen Konzentration in einem vollständig formulierten SAE-30-Motoröl angegeben.
"SG" repräsentiert einen sehr guten Dispergierfähigkeitswert und die anderen Bezugsöle repräsentieren sukzessiv schlechtere Dispergierfähigkeitswerte. Die Werte für die Testöle III und IV liegen genügend nah am besten Bezugsöl, daß sie ein hochwirksames Dispergierfähigkeitsniveau zeigen. Es ist nicht kritisch, Werte zu besitzen, die genau gleich mit demjenigen sind, der für das Bezugsöl, das mit "SG" bezeichnet ist, angegeben ist.

Tabelle 1 Ergebnisse des Bench Sludge Tests17/1

ASTMS-Sequence-VE-Benzinmotor-Test

Der ASTM-Sequence-VE-Benzinmotor-Test wird verwendet, um die Leistung von Benzinmotorölen beim Schutz von Motorteilen vor Schlamm- und Lackablagerungen und Ventilspielverschleiß während Niedertemperatur-"stop-and-go"-Betrieb zu bewerten. Der Test setzt einen 2,3-Liter-Vierzylinder-Ranger-Truck-Motor von Ford ein. Der Motor wird im Zyklus durch drei Teststadien geführt, die vier Stunden bis zum Abschluß erfordern, für 288 Stunden oder 72 Zyklen. Das Sequence-VE-Benzinmotor-Testergebnis, das in Tabelle 2 dargestellt ist, wurde in einem vollständig formulierten Einbereichs-Motoröl erhalten. Tabelle 2 ASTMS-Sequence-VE-Benzinmotor-Testergebnisse
¹AS, AV, RACS, PSV, ORC, OSC, CLW-Mittelwert und CLW max bezeichnen mittleren Schlamm, mittleren Lack, Ventilkipphebelabdeckungsschlamm, Kolbenmantellack, Ölringverstopfung, Ölsiebverstopfung, Abnutzung der Nocken der Nockenwelle, Mittelwert bzw. Abnutzung der Nocken der Nockenwelle Maximalwert
²Vollständig formuliertes SAE-30-Motoröl

VW-(AK-6)-Viton-Dichtungskompabilität

Der unten beschriebene Test ist so aufgebaut, daß die Viton- Dichtungskompabilität für eine Motorgehäuseschmierölzusammensetzung, die ein stickstoffhaltiges Dispergiermittel enthält, getestet wird. Die Viton-AK-6-Dichtung wird bei 150ºC für 168 Stunden in dem zu testenden Öl getränkt. Das Verhältnis von Elastomer zu Öl beträgt 1/80. Anschließend wird die Probe im Hinblick auf die prozentuale Veränderung in der Dehnung, die prozentuale Veränderung in der Zugfestigkeit und den Reißgrad getestet. Der Gewichtsprozentanteil an aktivem Dispergiermittel in jeder getesteten Ölformulierung beträgt 2,0. Die in Tabelle 3 dargestellten Ergebnisse sind die Dichtungskompabilitäts-Testergebnisse für das Additiv enthaltendes Einbereichs-Motoröl. Tabelle 3 VW-(AK-6)-Viton-Dichtungskompabilitäts-Testergebnisse
Es ist auch festgestellt worden, daß gepfropfte Polymere mit hohem Molekulargewicht, die herkömmlicherweise in Schmierölzusammensetzungen Dispergiermittel- und Viskositätsindexeigenschaften zeigen, im Hinblick auf Viton-Dichtungskompabilität weiter verbessert werden, und zwar ohne den Verlust der anderen Eigenschaften, indem sie mit dem vorbeschriebenen Aminsubstituierten Imidizolidon der Erfindung zur Reaktion gebracht werden. Die folgenden Beispiele veranschaulichen dieses wichtige Merkmal dieser Erfindung.

BEISPIEL VII

Dichtungskompatibles dispergierendes Olefin-Copolymer (DOCP)

42,0 g eines Ethylen-Propylen-Copolymers mit einem Molekulargewicht im Zahlenmittel von etwa 80.000 (Bezugsgröße Polystyrol-Standard), gepfropft mit 0,8 Gew.-% Maleinsäureanhydrid, wurden in 258,0 g Solvent-Neutralöl unter Rühren bei 160ºC gelöst. Nachdem das Copolymer sich gelöst hatte, wurde das Rühren für eine weitere Stunde bei 160ºC fortgesetzt.
0,75 g Aminoethylimidizolidon wurden in 12,9 g ethoxyliertem Laurylalkohol gelöst. Die Aminoethylimidizolidon-Mischung wur-0 de zur Polymer-Öllösung bei 160ºC unter Rühren zugegeben und die Reaktion für drei Stunden bei 160ºC unter Bewegung unter einer Stickstoffdecke und einer Spülung, um das gebildete Wasser zu entfernen, fortgesetzt. Die Lösung des Reaktionsproduktes wurde auf 100ºC abgekühlt und durch ein 149 Mikron(100 Mesh)-Sieb filtriert.

BEISPIEL VIII

Aminopropylmorpholin/DOCP

74,8 g eines Ethylen-Propylen-Copolymers mit einem Molekulargewicht im Zahlenmittel von etwa 80.000 (Bezugsgröße Polystyrol-Standard), gepfropft mit 0,8 Gew.-% Maleinsäureanhydrid, wurden in 441 g Solvent-Neutralöl unter Rühren bei 160ºC gelöst. Nachdem das Copolymer sich gelöst hatte, wurde das Verrühren für eine weitere Stunde bei 160ºC fortgesetzt.
1,31 g Aminopropylmorpholin wurden in 21,5 g ethoxyliertem Laurylalkohol gelöst. Die Aminopropylmorpholinmischung wurde in 21,5 g ethoxyliertem Laurylalkohol gelöst. Die Aminopropylmorpholin-Mischung wurde zur Polymer-Öllösung bei 160ºC unter Rühren zugegeben und die Reaktion wurde für drei Stunden bei 160ºC unter Bewegung unter einer Stickstoffdecke und einer Spülung, um das gebildete Wasser zu entfernen, fortgesetzt. Die Lösung des Reaktionsproduktes wurde abgekühlt und filtriert, wie in Beispiel VII beschrieben.
Die Viskositätsindexleistung des derivatisierten Additivs der Erfindung mit hohem Molekulargewicht wurde im Bench-VC-Test im Vergleich mit einem ähnlichen Ethylen-Propylen-Copolymer (EPM), einem mit Maleinsäureanhydrid gepfropften, aber nicht- derivatisierten Ethylen-Propylen-Copolymer (MA-EPM) und kommerziellen Produkten getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 unten angegeben.
Die Dispergierfähigkeit eines Schmieröls wird relativ zu drei Bezugsgrößen bestimmt, die die Ergebnisse von drei, zusammen mit dem Unbekannten, getesteten Standard-Mischungen sind. Die Test-Additive wurden in ein formuliertes Öl eingemischt, das kein Dispergiermittel enthielt. Das Additiv-Reaktionsprodukt wurde im Öl mit einer Konzentration von 1,20 Gew.-% Polymerlösung eingesetzt. Der numerische Wert der Testergebnisse nimmt mit einem Anstieg in der Wirksamkeit ab. Tabelle 4 Bench-VC-Dispergierfähigkeitstest
Der EPM-Basiskautschuk und der Molekulargewichtsmittelwert sind in allen Beispielen in Tabelle 4 ähnlich.
¹Je niedriger der Wert, umso besser die Leistung. Bezugsöle: Hervorragend 28; Gut 37; Schlecht 100.
Das derivatisierte Additiv mit hohem Molekulargewicht von Beispiel VII zeigte hochwirksame Dispergierfähigkeitseigenschaften im Bench-VC-Dispergierfähigkeitstest.
Die Version des vorgeschriebenen Additivs der Erfindung mit hohem Molekulargewicht wurde auf seine Leistung im Sequence- VE-Motortest im Vergleich mit einem kommerziellen Olefin-Copolymer und einem dispergierenden Olefin-Copolymer der Konkurrenz getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 unten angegeben. Tabelle 5 Motortestleistung
* 1 mil = 2,54 x 10&supmin;&sup5;m
¹DOCP beruht auch auf Amin-derivatisiertem, mit Maleinsäureanhydrid gepfropften OCP.
Die obigen Ergebnisse zeigen, daß das vorbeschriebene Additiv der Erfindung im Sequence-VE-Motortest sehr wirksam war.
Die Viton-Dichtungskompatibilität des gepfropf ten und derivatisierten polymeren VI-Verbesserer-Additivs mit hohem Molekulargewicht ist in Tabelle 6 unten angegeben. Tabelle 6 Volkswagen-Dichtungs-Testergebnisse
¹DOCPs auf der Basis von mit Maleinsäureanhydrid gepfropftem OCP, derivatisiert mit (a) APM, Aminopropylmorpholin, (b) DMAPA, Dimethylaminopropylamin, und (c) AEI, Aminoethylimidizolidon.
Die vorstehenden Daten zeigen die Wirksamkeit des Additivs der Erfindung in Schmierölzusammensetzungen. Die Dichtungskompatibilität für sowohl Einbereichs-Öle als auch Mehrbereichs- Schmieröle ist beträchtlich erhöht und ist wesentlich bei der Herstellung eines annehmbaren Produktes.

Claims

1. Ein Verfahren zur Herstellung einer Additiv-Verbindung, welches umfaßt,

(A) daß ein Copolymer mit einem Molekulargewicht von 5.500 bis 250.000, das hergestellt ist aus Ethylen und wenigstens einem C&sub3;-C&sub1;&sub0;-alpha-Monoolefin und fakultativ einem nicht-konjugierten Dien und Trien, mit wenigstens einem Acylierungsmittel auf der Basis einer olefinischen Carbonsäure zur Reaktion gebracht wird&sub1; um ein oder mehrere Acylierungsreaktionszwischenprodukte mit einer Carbonsäure-Acylierungsfunktion in ihrer Struktur zu bilden, und

(B) daß besagtes Reaktionszwischenprodukt in (A) mit einer Amin-substituierten Imidizolidon-Verbindung zur Reaktion gebracht wird, dargestellt durch die Formel:

in der R¹ in jedem Fall identisch oder verschieden sein kann und H oder ein verzweigter oder geradkettiger Rest mit 1 bis 24 Kohlenstoffdtomen sein kann, der Alkyl, Alkenyl, Alkoxyl, Aralkyl oder Alkaryl sein kann, n einen Wert von 0 bis 12 hat, m einen Wert von 0 bis 3 hat und X entweder 0 oder 5 ist, dadurch gekennzeichnet, daß Reaktion (A) durch Propfen in Lösung oder in fester Form unter Verwendung eines Radikalinitiators bewirkt wird.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, in dem besagtes Polymer ein mittleres Molekulargewicht im Bereich von 6.000 bis 250.000 aufweist.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem besagtes Polymer von 25 bis 75 Molprozent Ethylen und von 25 bis 75 Molprozent eines C&sub3;-C&sub8;-alpha-Monoolefins umfaßt.

4. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem besagtes Acylierungsmittel auf der Basis einer olefinischen Carbonsäure Maleinsäureanhydrid oder Itaconsäureanhydrid ist.

5. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem besagtes Amin N-(2-Aminoethyl)imidizolidon ist.

6. Die Verwendung einer Verbindung, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, als ein Additiv für eine Einbereichs-Motorölzusammensetzung, wobei besagtes Polymer ein Molekulargewicht im Bereich von 6.000 bis 15.000 aufweist.

7. Die Verwendung einer Verbindung, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, als ein Additiv für eine Mehrbereichs-Motorölzusammensetzung, wobei besagtes Polymer ein Molekulargewicht im Bereich von 50.000 bis 150.000 aufweist.

8. Eine Schmierölzusammensetzung, die eine Hauptmenge aus einem Öl mit Schmierviskosität und eine Nebenmenge, die darin wirksam ist, Elastomerdichtungskompatibilität zu verleihen, eines Additiv-Reaktionsproduktes umfaßt, das hergestellt ist mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

9. Ein Konzentrat für ein Schmieröl, das ein Verdünnungsöl mit Schmierviskosität und von 1 bis 50 Gew.-% einer Verbindung, die hergestellt ist mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfaßt.