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Synthetisches Schmieröl für Flugzeug-Gasturbinen Die Erfindung betrifft
die Zusammensetzung von Schmierölen, die sich zum Schmieren von Gasturbinentriebwerken
in Flugzeugen eignen.
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Ein Schmieröl für Flugzeugturbinen soll folgenden Anforderungen genügen:
Gute Beständigkeit bei hohen Temperaturen, günstiges Viskositätstemperaturverhalten,
Belastungsfähigkeit und niedrige Viskosität bei niedrigen Temperaturen in Verbindung
mit einem niedrigen Dampfdruck bei hohen Temperaturen. Insbesondere verlangen die
für diese Schmieröle aufgestellten Normen eine Viskosität bei 98,9° von mindestens
7 cSt und eine solche bei -4o° von nicht mehr als 5ooo bis 6ooo cSt. Abgesehen davon
darf das Öl bei längerem Verweilen bei sehr tiefen Temperaturen nicht übermäßig
dick werden, wie es bei Gemischen von Komplexestern und Diestern normalerweise der
Fall ist. Schließlich darf es auch keinen Einfluß auf Kautschuk haben, wodurch die
Kautschukabdichtungen der Maschine beeinträchtigt werden würden. Gemische aus aliphatischen
Diestern und Komplexestern sind als Schmieröle bekannt; es ist ferner bekannt, lösliche
Polymerisate Schmierölen auf der Basis flüssiger Estergemische und Polymerisate
Schmierölen auf der Basis von Gemischen aus Diestern und Komplexestern zuzusetzen.
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Die Erfindung betrifft die Zusammensetzung eines Schmieröles aus vier
an sich bekannten Komponenten,
deren Mengen jedoch innerhalb bestimmter
Grenzen liegen, damit diese Schmieröle den oben beschriebenen Anforderungen entsprechen,
die ein ungewöhnlich günstiges Viskositäts-Temperaturverhalten verlangen.
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Erfindungsgemäß sind für das Schmieröl vier Bestandteile wesentlich,
nämlich zwei bestimmte Diester der Sebacinsäure, und zwar Dinonvlsebacat und Di-2-äthylhexylsebacat,
ein flüssiger komplexester aus Sebacinsäure, Polyäthylenglykol eines mittleren Molekulargewichtes
von etwa Zoo in Mittelstellung und einem vorzugsweise verzweigtkettigen einwertigen
Alkohol, und ein zur Verdickung dienendes Polymeres.
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Den Hauptanteil des erfindungsgemäßen Schmieröls bildet das Diestergemisch.
Das Dinonylsebacat macht 5o bis 75 Volumprozent und das Di-2-äthylhexylsebacat mindestens
15 Volumprozent des Schmieröls aus.
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Es ist nicht zweckmäßig, an Stelle der Sebacinsäureester Adipinsäureester
zu verwenden, da diese Kautschuk zum Quellen bringen, wie aus Tabelle I hervorgeht:
| Tabelle I |
| Quellen von Kautschuk durch Adipate und Sebacate |
| % Volumenänderung |
| Kautschuk Behandlungs- des Kautschuks |
| temperatur nach Behandlung mit |
| Adipat 1 Sebacat |
| A 70° 17,1 8,5 |
| B 70° 11,6 5,02 |
| C 10oo 10,0 2,86 |
Von diesen beiden Sebacaten ist Dinonylsebacat bei hohen Temperaturen beständiger,
d. h., es neigt bei Temperaturen in der Größenordnung von 25o° weniger zur Oxydation
und zur Bildung korrodierender Oxydationsprodukte. Dinonylsebacat hat nun einen
ziemlich hohen Gefrierpunkt (etwa -:25'); durch den Zusatz von wenigstens 15°/o
Di-2-äthylhexylsebacat, welches einen niedrigen Gefrierpunkt hat, zum Schmiermittel
wird das Bestreben von Dinonylsebacat, beim Lagern bei etwa -4o° auszukristallisieren,
herabgesetzt. Diese Wirkung zeigt Tabelle II.
| Tabelle II |
| Kristallisation von Vermischungen |
| mit Dinonylsebacat |
| Zusammensetzung Wirkung beim agern |
| bei -53,9' |
| Dinonylsebacat (Dl`TS) . . Verfestigung |
| 9'5 °/o DNS -f- 5 % Di- |
| 2-äthylhexylsebacat |
| (DOS) . . . . . . . . . . . . . . starke Kristallisation |
| 851/o DNS -f- 15 % DOS keine Kristallisation |
Mischungen aus diesen beiden Diestern sind dünnflüssig und haben eine beschränkte
Belastungsfähigkeit. Dieses Verhalten läßt sich durch den Zusatz eines Komplexesters
verbessern. Es handelt sich hier um Komplexester mit Glykol in Mittelstellung, d.
h. Alkohol-Dicarbonsäure- (Glykol-Dicarbonsäure) r Alkohol, wobei x eine Zahl größer
als o ist, aber keine ganze Zahl zu sein braucht. Im letzteren Falle stellt die
Formel den Mittelwert eines Rohgemisches dar. Diese Komplexester werden durch Umsetzung
von Alkoholen, Sebacinsäure und Polyäthylenglykol eines mittleren Molekulargewichtes
von Zoo in einer oder mehreren Stufen dargestellt. Der Alkohol hat die Formel ROH;
R ist zweckmäßig eine verzweigtkettige Alkylgruppe mit q. bis 12 C-Atomen. Beispiele
solcher Komplexester sind in den britischen Patentschriften 666 697 und 683
803 beschrieben.
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Der Zusatz von Komplexestern hat den Vorteil, daß die Viskosität des
Gemisches erhöht und die Leistung bei hoher Temperatur verbessert wird. Für die
Zusatzmenge des Komplexesters besteht aber eine obere Grenze, da er das Verhalten
bei niedriger Temperatur bis zu einem gewissen Grade ungünstig beeinflußt. Der Komplexesteranteil
der Schmierölvermischung soll etwa 1o bis 30 VOlumprozent, bezogen auf das
Gemisch, betragen.
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Der vierte wesentliche Bestandteil des Schmieröls gemäß der Erfindung
ist ein Polymerisat. Dieses soll in Estermischungen löslich sein; vorzugsweise verwendet
man sauerstoffhaltige Polymerisate, insbesondere einen polymerisierten ungesättigten
Ester, z. B. polymerisiertes Acrylat oder Methacrylat. Geeignete Gruppen von Polymerisaten
sind beschrieben in »Acryloid Viscosity Index Improvers and Pour Point Depressants«
and »Phenol Synthetic Lubricant Bases for Low Temperature Oils and Greases«, veröffentlicht
durch die Firma Rohm & Haas.
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Die verschiedenen Bestandteile werden in solchen Mengen angewandt,
daß das Schmiermittel eine Viskosität von weniger als 6ooo cSt bei -¢o° und von
wenigstens 7,5.cSt bei 98,9° hat. Die Gehaltsgrenzen der Schmiermittelbestandteile
sind vorzugsweise folgende:
| Dinonylsebacat ...... 5o bis 75 Volumprozent |
| Di-2-äthylhexylsebacat mehr als 15 Volumprozent |
| Komplexester ....... 1o bis 30 Volumprozent |
| Polymerisat . . . . . . . . . 3 his 2o Gewichtsprozent |
Zweckmäßig erhalten die Schmiermittel außerdem einen Zusatz eines Antioxydans in
Mengen, die einen wirksamen Oxydationsschutz ergeben. Bevorzugt verwendet man z.
B. Brenzkatechin oder Phenthiazin.
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Es sind bereits synthetische Schmieröle bekannt, die aus Gemischen
eines- Komplexesters, eines Dicarbonsäurediesters und eines zur Verdickung dienenden
Polymeren der auch hier verwendeten Art bestehen. Zum Unterschied von den erfindungsgemäßen
Schmierölen sind die bei diesen bekannten Schmierölen verwendeten Komplexester Reaktionsprodukte
eines
Alkohols, eines i,3-Diols und einer Dicarbonsäure und- müssen hinsichtlich des Molverhältnisses
von Alkohol zu Diol zu Dicarbonsäure der Gleichung x -I- 2 y = 2 z
genügen, wobei x die Molzahl des Alkohols, y die Molzahl des Diols und z die Molzahl
der Dicarbonsäure bedeutet. Chemisch unterscheiden sich diese Komplexester von den
(ebenfalls an sich bekannten) erfindungsgemäß eingesetzten Komplexestern dadurch,
daß die ersteren als Glykolkomponenten ein 1,3-Diol, die letzteren dagegen Polyäthylenglykol
eines mittleren Molekulargewichts von Zoo enthalten. Ein weiterer grundlegender
Unterschied zwischen den bekannten und den erfindungsgemäßen Schmierölen besteht
darin, daß das bekannte Schmieröl nur einen Dicarbonsäurediester im Gemisch mit
dem Komplexester enthält, während das erfindungsgemäße Schmieröl als Diester sowohl
Dinonylsebacat als auch Di-2-äthylhexylsebacat enthalten muß. Nur diese Kombination
in Verbindung mit dem Zusatz des Polymeren gestattet die Erreichung der für die
für Flugzeug-Gasturbinen bestimmten Schmieröle vorgeschriebenen Viskositätswerte.
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Zum Beispiel zeigt das oben beschriebene, aus der USA.-Patentschrift
2 499 984 bekannte Schmieröl bei verschiedenen Zusammensetzungen aus Komplexester
und Diester die folgenden Viskositätswerte:
| Tabelle III |
| Bestandteile |
| Komplex- Dioctyl- Viskosität, cSt, bei |
| ester sebacat |
| 0/0 |
| 0/0 98,90 ' -400 |
| 0 100 3,35 1450 |
| 20 So 4,00 2318 |
| 40 60 4,89 39i6 |
| 6o 40 5195 7010 |
| 80 20 7,28 12490 |
| 100 0 9,07 141400 |
Es gibt also keine Zusammensetzung, die bei 98,9° eine Viskosität von mindestens
7 cSt und gleichzeitig bei -40o eine solche von nicht mehr als 5ooo bis 6ooo cSt
aufweist. Auch durch den Zusatz eines zur Verdickung dienenden Polymeren, wie er
in der gleichen Patentschrift vorgeschlagen wird, läßt sich das hier gesteckte Ziel
nicht erreichen; denn man müßte hierzu ein Gemisch von Komplexester und Diester
wählen, dessen Viskosität bei 98,9° unterhalb 7 cSt liegt, und dem Gemisch so viel
Polymeres zusetzen, daß die Viskosität bei 98,9° auf über 7 cSt steigt. Hierdurch
steigt aber gleichzeitig die Viskosität bei -40° über die zulässige Grenze von 5ooo
bis 6ooo cSt an.
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Im Gegensatz dazu erhält man durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung
ein Schmieröl, welches den gestellten Anforderungen genügt, wie aus Tabelle IV hervorgeht,
in der zu Vergleichszwecken außer den erfindungsgemäßen Gemischen (B, C) auch noch
ein entsprechendes Gemisch (A) ohne Zusatz eines Polymeren angegeben ist:
| Tabelle IV |
| A B C |
| Komplexester *, |
| Volumprozent ..... 20 15 20 |
| Di-2-äthylhexylseba- |
| cat, Volumprozent . . 20 15 15 |
| Dinonylsebacat, |
| Volumprozent ..... 6o 70 65 |
| Polymere**, Gewichts- |
| prozent ........... - 4,1 3,7 |
| Brenzkatechin, |
| Gewichtsprozent .. i.o 1,0 1,0 |
| Kinemat,Viskositätbei |
| 98,9o, cSt ...... - 7,49 7,48 |
| 37,81, cSt ...... - 31,32 3233 |
| -400, cSt ........ 3970 4990 5590 |
| (nach 17 Stunden |
| bei -53,9o) ....21ooo 6785 10305 |
| Flammpunkt o C .... - 215 - |
| Fließpunkt o C ...... - < -51 < -51 |
| * Der Komplexester besteht aus Sebacinsäure, Polyäthylen- |
| glykol vom Molgewicht 200 und 2-Äthylhexanol. |
| ** Polymere auf der Basis polymerisierter Acrylate und |
| Methacrylate. |
Ein Vergleich des Gemisches A mit den erfindungsgemäßen Gemischen B und C zeigt,
daß nach 17 Stunden langem Verweilen bei -53,9o bei dem Gemisch A ein Viskositätsanstieg
auf nahezu den 5fachen Wert erfolgt, während der Viskositätsanstieg der erfindungsgemäßen
Gemische unter den gleichen Bedingungen erheblich geringer ist.
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Aus dem Werk »Physical Chemistry of Lubricating Oils « von A. B o
n d i , 1951, S. 341, ist es bekannt, daß man die Gefrierpunkte von Gemischen aus
den physikalischen Konstanten der Einzelkomponenten nach einer dort angegebenen
mathematischen Beziehung mit mehr oder weniger gutem Erfolg vorausberechnen kann,
und daß die tatsächlich erhaltenen Gefrierpunktserniedrigungen besonders dann geringer
als die berechneten sind, wenn es sich um Gemische von Stoffen ähnlicher Molekularstrukturen
handelt.
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Die Viskositäten bei tiefen Temperaturen, auf die es bei der vorliegenden
Erfindung entscheidend ankommt, lassen sich jedoch auf Grund dieser Beziehung nicht
vorausberechnen und insbesondere nicht der bei -40° gemessene Viskositätsanstieg,
den ein Schmieröl nach längerer Einwirkung einer noch tieferen Temperatur erleidet.