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Schmierfette Die Erfindung betrifft die Zusammensetzung von Schmierfetten,
die außer bekannten Verdickungsmitteln Trinatriumphosphat enthalten, wodurch deren
Ilochtemperatureigenschaften und mechanische Beständigkeit erhöht werden.
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Man hat bereits vorgeschlagen, Salze niedrigmolekularer Säuren, wie
Essigsäure, Acrylsäure, Furancarbonsäure, mit den als Verdickungsmittel dienenden
Seifen üblicher Art zu kombinieren, um bestimmte Eigenschaften der Schmierfette,
z. B. die Beständigkeit bei hohen Temperaturen, zu verbessern, den Schmelzpunkt
zu erhöhen und den Schmierfetten eine höhere Konsistenz und eine längere Schmiermittelwirkungsdauer
zu erteilen. Erfindungsgemäß bewirkt ein Gehalt von Trinatriumphosphat in Schmierfetten
auf Schmierölbasis, die als Verdickungsmittel 5 bis q.o Gewichtsprozent Natriumseifen
gesättigter Fettsäuren mit 12 bis 24 Kohlenstoffatomen enthalten, in einem weiten
Temperaturbereich unerwartet gute Schmiereigenschaften des Schmierfettes, die in
keinem Verhältnis zu den geringen Mengen des Zusatzes stehen.
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Bei einer Anzahl von Schmierfetten bekannter Art zeigte sich, daß
die zur Verdickung verwendeten Seifen und Komplexe mit Ölen von hohem V.-I. (Viskositätsindex)
schlecht verträglich waren. Deswegen stellte man derartige Schmierfette allgemein
aus Ölen von niedrigem V.-I. her. So nimmt man in
der Schmiermittelindustrie
fast stets Schmieröle von einem V.-I. von 4o oder 50, um diese Schwierigkeit zu
vermeiden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, auch Schmieröle von hohem
V.-I., z. B. von mindestens 8o, vorzugsweise etwa go bis ioo.. und darüber hinaus,
zur Herstellung sehr guter Schmierfette zu verwenden, wodurch man in der Lage ist,
Schmierfette von hoher Beständigkeit, guter Schmierfähigkeit bei hohen und tiefen
Temperaturen und einem guten Gefüge herzustellen. Die Schmierfette nach der Erfindung
zeigen ein außerordentlich gutes Verhalten beim Spindeltest bei hoher Umdrehungsgeschwindigkeit
und hoher Temperatur. Die Schmierdauer betrug dabei bei 1o ooo Umdr./Min. und 14g°
looo bis =50o Stunden oder mehr, während sie mit den bisher bekannten Schmierfetten
nur einen Bruchteil dieser Werte betrug. Außerdem sind die verwendeten Zusätze nicht
kostspielig und ihre Verarbeitung ist einfach und leicht.
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Weiterhin wird die Oxydationsbeständigkeit des Fettes durch das Trinatriumphosphat
wesentlich erhöht, was für Hochtemperaturschmierfette von Bedeutung ist. Die Erhöhung
der Oxydationsbeständigkeit wirkt sich besonders bei solchen Fetten aus, die mit
Natronseifen, und zwar insbesondere mit Natronseifen von Oxysäuren, wie Oxystearinsäure,
gedickt sind. Es wird auch eine bessere Dispergierung der Seife und Verdickungswirkung
erreicht, ohne daß die sonstige Beschaffenheit des Fettes darunter leidet.
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Der -Seifengehalt des Fettes beträgt zwischen 5 und 4o Gewichtsprozent
des Fettes, wobei 1o bis 30 °/o Natriumseife für Wälzlagerschmierung im allgemeinen
erforderlich sind. Die Natronseifen können aus- allen Fettsäuren oder fetten Ölen
mit etwa 12 bis 24 C-Atomen hergestellt werden. Gesättigte Oxysäuren werden besonders
bevorzugt.
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Die mit dem Natriumphosphat zu kombinierenden Seifen müssen zur Erzielung
der besten Ergebnisse besonders ausgewählt werden, da die mit den üblichen Ölsäure-
oder Stearinsäureseifen gedickten Fette zwischen 65 und z35° eine Phasenänderung
erleiden, wenn sie mit Natriumphosphat modifiziert werden. Derartige Fette werden
beim Abkühlen zu hart und sind daher als Schmiermittel wenig geeignet. Dieser Übelstand
wird erfindungsgemäß beseitigt, wenn man Oxysäuren, z. B. Oxystearinsäure, mindestens
als Teil der Seifengrundlage verwendet. Vorzugsweise bildet die Oxystearinsäure
mindestens die Hälfte der Seifengrundlage.
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Diese Neigung zum Hartwerden wurde a) an mit Natronseife der üblichen
Art gedickten Fetten ohne Natriumphospliatzusatz, b) an mit Natron seife der üblichen
Art gedickten Fetten mit einem Gehalt an Trinatriumphosphat und c) an mit Natrium
12-oxy= stearat gedickten Fetten mit einem Gehalt an Trinatriumphosphat untersucht.
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Ein Messingzylinder von 6,4 cm Länge und
9,5 mm Durchmesser
wurde mit dem Fett gefüllt und aufrecht in einen Messingsockel gestellt. Von jeder
Probe wurde nach dem in der Zeitschrift »Institute Spokesman« vom Oktober 1947 auf
Seite 6 beschriebenen Verfahren die »Mikropenetration« bestimmt. Hierauf wurde der
Zylinder in einem Ofen 1 Stunde lang der jeweiligen Prüftemperatur ausgesetzt, sodann
herausgenommen und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Dann wurde nochmals die
Mikropenetration von dem abgekühlten Fett bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle
I wiedergegeben. Tabelle I
| Temperatur, |
| Na PO Viskosität des Öls bei der der Wert |
| V: I. für dieMikropenetration |
| Beispiel Seifengrundlage Gewichtsprozent cSt bei g7,8° um 25'/"
abgesunken war |
| . °C |
| A Rübsamenöl .............. ö 65 45 127 |
| B Stearinsäure ............. 0 69 45 124 |
| C desgl. ................ 0 1o8 45 104 |
| D desgl. ............ .... 3,9 69 45 71 |
| E desgl. ................ 1,75 108 45 88 |
| F desgl. ................. 2,9 1o8 45. unter 66 |
| G desgl. . : . ..: ............ 2,3 108 45. 85 |
| H 12-Oxystearinsäure ......... 3,0 1o8 45- 146 |
| J desgl.,......:............ 4,5 1o8 45 138 |
Es zeigte sich also, daß die mit 12-Oxystearinsäureseife gedickten und Trinatriumphosphat
enthaltenden Fette H und J hinsichtlich der Verhärtung die größte Wärmebeständigkeit
aufwiesen. Beispiel K Es wurde ein Fett aus 22 Gewichtsteilen Stearinsäure, 6g;6
Teilen Mineralöl (Viskosität 7o cSt bei .37,8°; V.-I. = 45), 4,5 Teilen -Natriumhydroxyd
in wäßriger Lösung und 9,1 Teilen hydratisiertem Trinatriumphosphat (Na3POV 12 H20)
oder 3,g Teüendes wasserfreien Salzes hergestellt. Das Fett wurde zwecks Bildung
der Seife, Verdampfung des Wassers und Entwässerung des Natriumphosphats erhitzt.
Das Produkt zeigte eine sehr gute Oxydationsbeständigkeit und blie15 beim Spindeltest
mit hoher Geschwindigkeit außergewöhnlich lange wirksam.
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Der Spindeltest bei hoher Geschwindigkeit dient zur Bestimmung des
Hochtemperaturverhaltens von Schmierfetten. Er ist durch das »National Lubricating
Grease Institute« und das »Annular-BBaring Engeneering Committee of the Anti-friction
Bearing Manufacturers Association« veröffentlicht worden,
und unter
anderem beschrieben im »Institute Spokesmancc, Dezember 1950, S.7. Die Methode
besteht darin, daß man ein Norma-Hoffman-Kugellager Nr. 204 mit io ooo Umdr./Min.
bei r49° so lange 5 umlaufen läßt, bis es nicht mehr arbeitet. Die üblichen Natriumseifenfette
werden bei dieser Prüfung bald dunkel und sehr hart. Dies hat drei Hauptursachen:
Die Oxydation des Fettes, die Verdampfung des Mineralöls aus dem Fett und das Auslaufen
von Öl io aus dem Lager infolge Phasentrennung.
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Wie erwähnt, eignen sich für Hochtemperaturfette hochgereinigte Mineralöle
am besten, da diese die größte Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, geringe
Flüchtigkeit und einen hohen V.-I.
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15 besitzen. Außerdem müssen derartige Fette noch Oxydationsinhibitoren
enthalten. Das erfindungsgemäß zugesetzte Trinatriumphosphat wirkt nun als starker
Oxydationsinhibitor und verringert außerdem die Ausscheidung des Öls bei hohen Temperaturen.
Dadurch wird die Herstellung von mit Natriumseifen gedickten Fetten aus Schmierölen
von hohem V.-I. ermöglicht: Bei den oben beschriebenen Versuchen wurde gefunden,
daß eine direkte Beziehung zwischen der beim Spindeltest bei 149° gemessenen Schmierdauer
eines Fettes im Kugellager und der Zeit besteht, innerhalb deren das gleiche Fett,
wenn es in einem Ofen der gleichen Temperatur ausgesetzt wird, bis auf eine Mikropenetration
von 5 erhärtet. Man kann also mittels einer einfachen statischen Bestimmung der
Mikropenetration eine große Anzahl von Zusatzstoffen darauf prüfen, ob sie die Oxydationsbeständigkeit
von Wälzlagerfetten erhöhen. Dieses Prüfverfahren kann als »Fettverhärtungsprüfunga
bezeichnet werden. Tabelle II enthält die Zusammensetzungen und die Prüfergebnisse
für mehrere Hochtemperaturfette. Tabelle II Zusammensetzung und Prüfwerte für Hochtemperaturfette
| K L |
| . M N O P |
| Zusammensetzung, Gewichtsprozent |
| Stearinsäure .............................. 22,0 17,0 22,5
19,5 20,5 2r,8 |
| Natriumhydroxyd ......................... 4,5 3,1 4,6 4@0 3,9
4,2 |
| Trinatriumphosphat*) ..................... 3,9 - 0,4
3,7 2,0 2,5 |
| Mineralöl |
| Viskosität cSt bei |
| 37,8° = 70,0 V.-I. 45 . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 69,6 79,9 72,5 43,6 - - |
| g8,9° = 15,8 V.-I.45 .................... - - - 28,2 - - |
| 37,8° = 62,8 V.-1. 8o ................... - - - - 29,1 - |
| 37,8° = 146,1 V.-I. 8o ................:.. - - - - 43,5 - |
| 37,8° = 32,1 V.-I. 95 ................... - - - - =
7,0 |
| 37,8° = 119,0 V.-I. 95 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. - - - - - 63,5 |
| Phenyl-a-naphthylamin .................... - - - 1,0 1,0 1,0 |
| Prüfwerte |
| Mineralöl, Viskosität bei 37,8°cSt............ 70 70
70 1o8 108 108 |
| Freies Alkali, o% . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . .
. o,8 0,15 0,35 o,6 0,8 0,9 |
| Phasentrennung bei i49° (°/o Ölverlust**) ... 1,7 25,2 = 3,7
8,7 10,7 |
| ASTM Tropfpunkt, ° C .................... 222. 201 213 221
221 - |
| Walk-penetration bei 25° mm/io ........... 300 300
305 290 275 270 |
| Walk-penetration nach io ooo Stößen***) ... - 335 - 265 327
338 |
| Fettverhärtungsprüfung bei 14g° |
| Stunden bis zur Mikropenetration 5 ...... 520 290
39.0 116o i550 1030 |
| Fettfarbe bei Prüfungsende ..... ...... ...... gelb schwarz
braun rotbraun dunkel- dunkel- |
| braun braun |
| Spindeltest (io ooo Umdr./Min., i49°), Stunden 48o 288 keine
1140 1520 logo |
| Werte |
*) Ausgedrückt als wasserfreies Salz (Na3P04).
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**) 185 g Fett in einem verzinkten Siebkegel von o,589 mm Maschenweite,
roo Stunden bei x49°. ***) Durchgeführt bei einer Schergeschwindigkeit von 25oo/Sek.
Aus dieser Tabelle ist folgendes ersichtlich: i. Ein Gehalt an Trinatriumphosphat
erhöht sowohl die Spindellebensdauer als auch die Verhärtungszeit des Schmierfettes
bei hohen Temperaturen (Fette K, L, M). 2. Die Kombination von Trinatriumphosphat
mit Phenyl-a-naphthylamin führt zu einer außerordentlichen Verbesserung der Oxydationsbeständigkeit,
was sich in 'den besonders hohen Werten für die Spindellebensdauer und die Verhärtungszeit
dieser Fette
äußert. Beachtenswert ist dabei die besonders gute
Beschaffenheit des Fettes mit einer Ölgrundlage vom V.-I. 8o (Fette N, O).
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3. Auch bei Verwendung eines Grundöls von einem V.-I. von 95 wird
durch einen Gehalt von Trinatriumphosphat und Phenyl-a-naphthylamin immer noch eine
sehr beträchtliche Erhöhung dieser beiden Kennwerte erzielt (vgl. Fett L und P).
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Ein 'bevorzugtes Herstellungsverfahren, das jedoch keinen Teil der
vorliegenden Erfindung bildet, besteht darin, daß man zunächst die -Fettsäure-zusammen
mit der gleichen Mineralölmenge in einem Fettkessel mit Dampfmantel auf etwa '95°
erhitzt, dann Ätznatron, zweckmäßig als Lösung von 50'B6, zusetzt, die Seife
durch weiteres Erhitzen entwässert, dann weiter auf z50° erhitzt, dann das Phosphat
und sch@eßlich das restliche Mineralöl zusetzt. Zu diesem Zeitpunkt können Oxydationsinhibitoren
oder andere Zusatzstoffe nach Wunsch zugesetzt werden. Dann wird das Fett unter
ständigem Rühren auf etwa 93° gekühlt und direkt in Versandbehälter abgefüllt.
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Die günstige Wirkung des Trinatriumphosphats auf die Phasentrennung
des Fettes ist - aus Tabelle II deutlich erkennbar.
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Die Wirkung einer Erhöhung des Trinatriumphosphatzusatzes auf die
Oxydationsgeschwindigkeit, gemessen nach dem Fettverhärtungstest, ergibt sich aus
Tabelle III. Es wurden vier Fette durch Dispergieren von Natriumstearat in einem
Mineralöl von der Viskosität von I08 cSt bei 37,8° und einem V.-I. von 8o hergestellt.
Alle Proben enthielten 101, PhenyI a-naphthylamin.
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Wenn man die Werte der folgenden Tabelle III graphisch aufträgt, beobachtet
man, daß die Verhärtungsdauer des Fettes bis zu einer Mikropenetration von 5 praktisch
linear mit dem Prozentgehalt des Natriumphosphats ansteigt, und zwar von 70o Stunden
bei Probe Q (Leerversuch) bis - auf 215o Stunden bei Fett T.
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Tabelle III Wirkung des Phosphatgehalts auf die Oxydationsgeschwindigkeit
von Fetten)
| Fett (1 Qr) g 1 S 1- T |
| Trinatriumphosphat, Ge- |
| wichtsprozent ........ - 1,0 2,0 4,0 |
| Ergebnisse der |
| Fetthärtungsprüfung |
| Stunden bis zur Mikro- ' |
| penetration 5 .... . ... 700 975 1550 2,50 |
*) Die Fette enthalten etwa 2o °/o Na-stearat in Mineralöl (Viskosität: r08 cSt
bei 37,8°, V.-I. = 8o) dispergiert.
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Die Qualität des Fettes, d. h. die Erzeugung der gewünschten Konsistenz
mit einem minimalen Gehalt an Verdickungsmittel, wird durch die Erfindung erheblich
verbessert.
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Die nach diesem Verfahren hergestellten Fette haben auch bessere Hochdruckeigenschaften.
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Eine Reihe von Fetten wurde aus I2-Oxystearinsäure und einem SAE-3o-Mineralöl
von einer Viskosität von etwa 146 cSt bei 37,8° und, etwa 8oV.-I. hergestellt. Es
wurden verschiedene Mengen Trinatriumphosphat von o bis 3,5 % zugesetzt. Die erhaltenen
Werte sind in Tabelle IV zusammengestellt.
| Tabelle IV |
| Fett -Ä B C D F @ F |
| Zusammensetzung, Gewichtsprozent |
| I2-Oxysteaiinsäure*) ...................... I5,0 15,0
15,0 15,0 15,0 15,0 |
| Natriumsulfonat 65:35 ........... .. ...... 1,5 1,5
1,5 1,5 1,5 L- - |
| Natriumhydroxyd (trocken) ................ I,9 =,g h9 I,9 I,9
h9 |
| NagP04 ...................... , ......... -
1,3 I,8 2,55 -34 3,6 - |
| SAE-3o-Öl............................... .:.. 81,6
80,3 79,8 79,05 78,2 78,o |
| Prüfergebnisse |
| Freies Alkali (der Seife, °% . . . . . . . . . . . . . . .
. 0,03 0,04 0,o6 0,03 neutr. neutr. |
| ASTM Walk-penetration bei 25 ° mm /=o ...... 324 245
269 259 325 337 |
| Timken-Prüfung, Tragfähigkeit, kg . . . . . . . bei 6,8 nicht
bestimmt . bei 15,0 |
| unge- genügd., |
| nügend bei 17,3 |
| un- |
| genügd. |
| *) Verhältnis zwischen Seife und Öl. |
Bei diesen Versuchen wurden alle veränderlichen Größen außer dem Natriumphosphatgehalt
konstant =sieht,- gehalten, daß desgleichen die Qualität das bei Herstellungsverfahren.-Man,
einem Trinatriumphosphatgehalt von 1,3 bis 2,55 °/o am besten war. Der Phosphatgehalt
variierte von etwa
0,5 bis I Äquivalent (o,=67 bis
0,333 M01) Phosphat
je Mol Seife.
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Es ist zu bemerken, daß das Fett F-= eine ausreichende Tragfähigkeit
bei 15 kg im Schmiermittelprüfer nach Timken zeigte, ein Wert, der sich den
Normen
für Hochdruckschmiermittel nähert, z. B. den Bleinaphthenatfetten, die eine Tragfähigkeit
von 15 bis 19,5 kg haben. Fett R mit 2,5% Na3P04 hatte eine Tragfähigkeit von 11,4
kg, während gewöhnlich mit Natronseife gedickte Fette im Timkenprüfgerät bei 6,8
kg versagten.
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Der optimale Phosphatzusatz scheint bei etwa 2 bis q. % wasserfreiem
Salz zu liegen. Das hydratisierte Salz kann- in -Mengen von etwa 2 bis 2o % verwendet
werden. Etwas geringere untere Grenzen bis beispielsweise 0,5 % und obere Grenzen
bis zu etwa io 0/0 des wasserfreien Salzes können mit guten Ergebnissen verwendet
werden.
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Obwohl die Erfindung sich besonders bei Fetten auf Grundlage von Mineralölen
mit einem V.-1. um 8o bewährt, kann sie auch auf solche Schmierfette, die Mineralölgrundlagen
mit einem V.-I. von mindestens 45 enthalten, sowie auf Schmierfette auf der Grundlage
synthetischer Öle, wie Siliconpolymerer, z. B. Polyphenyl-methyl-siloxan, synthetischer
Äther, z. B. n-Butyl-polyäthoxybutan, polymerisierter Kohlenwasserstoffe, z. B.
Polyisobutylen, oder. vorzugsweise synthetischer Ester, wie Di-2-äthylhexylsebacat,
angewendet werden.
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Beispiel Q-25 Gewichtsprozent Natriumstearat wurden mit einer geringen
Menge eines Mineralschmieröls (Viskosität = 146 cSt bei 37,8°, V.-I. = 8o) bis zur
vollständigen Dispersion gemischt. Dann wurde das Gemisch auf 2o#° erhitzt und mit
6o Gewichtsprozent Di-2-äthy1hexylsebacat versetzt. Das heiße Gemisch wurde dann
ausgegossen und auf Verarbeitungstemperatur abkühlen gelassen. Es wurde dann zu
einem glatten Fett geknetet.
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Beispiel R Einer zweiten Probe des gleichen Fettes wurden währepd
der Herstellung bei 21o° 3,8 % einer Lösung von Trinatriumphosphat zugesetzt, und
das Gemisch wurde vor dem Züsatz des Sebacinsäureesters entwässert. Nach dem Abkühlen
und Durchkneten erhiIt man ein glattes Fett. Diese beiden Fette wurden den oben
beschriebenen Normenprüfungen unterworfen. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle
V.
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.Die in der Tabelle V angegebenen Werte zeigen, daß das Natriumphosphat
auch hier eine erhebliche Verbesserung der Konsistenz für einen gegebenen Seifengehalt
bewirkt. Das phosphatfreie Fett (Leerversuch Q) war außerordentlich weich und hatte
eine hohe Penetration, während das phosphathaltige Fett eine ausgezeichnete Fettstruktur
besaß. Wenn das phosphatfreie Fett der hohen Temperatur des Ofentestes unterworfen
wurde, lief es aus dem Lager aus, wurde dunkel und verhärtete schnell. Nach der
gleichen Zeit zeigte das phosphathaltige Fett nur eine geringe Veränderung.
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Man kann die üblichen Zusätze, z. B. Oxydationsinhibitoren, Hochdruckzusätze,
Haftmittel, Metalldesaktivatoren u. dgl., in den üblichen Mengen verwenden, ohne
die sonstige Beschaffenheit des Fettes
| Tabelle V |
| Schmierfette |
| auf Grundlage synthetischer Ester |
| Fett Q R |
| Zusammensetzung, Gewichts- |
| prozent |
| Natriumstearat ............ 25,0 25,0 |
| Mineralöl) .... *********'*' i5,0 15,0 |
| Na, P0, (wasserfrei) ........ - 3,8 |
| Di-2-äthylhexylsebacat ...... 60,0 56,2 |
| Prüfwerte |
| Mikropenetration ........... 290 55 |
| Fettverhärtungstest bei 1q.9° |
| nach Zoo Stunden im Ofen |
| Mikropenetration .....:... < 5 31 |
| Fettfarbe '*'****'**** .... schwarz blaßgelb |
| Verlust, Gewichtsprozent.. 6o 9 |
| *) Viskosität bei 37,8° = 146 cSt, V.-I. = 8o. |
sonderlich zu beeinflussen. Phenylnaphthylamine sind in Verbindung mit Trinatriumphosphat
besonders wirksame Oxydationsverzögerer.