ES2802877B2 - Compuesto biodegradable para su uso como grasa lubricante y procedimiento para su obtencion - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

COMPUESTO BIODEGRADABLE PARA SU USO COMO GRASA LUBRICANTE Y

PROCEDIMIENTO PARA SU OBTENCIÓN

Objeto de la invención

La presente invención se refiere al desarrollo de una nueva tipología de compuesto biodegradable a partir de un silicato laminar, preferentemente montmorillonita, y un aceite vegetal, donde el resultado tiene aplicaciones industriales en el sector de los lubricantes, y en concreto, dicho compuesto se usa como grasa lubricante.

Estado de la técnica

En general, las arcillas en su estado natural (sin modificaciones), tienen un carácter altamente hidrofílico y son solamente miscibles con fluidos o matrices poliméricas muy hidrofílicas, de ahí que en muchas ocasiones el mezclado con algunos materiales poliméricos como las poliolefinas o fluidos como betunes o aceites den lugar a sistemas completamente inmiscibles. Por ello, estas arcillas se han venido modificando con surfactantes (tales como sales de amonio) para hacerlas más afines a este tipo de materiales. Además, con esta modificación se consigue incrementar el espaciado interlaminar (basal) de la arcilla. De ahí que, el tamaño de las cadenas de surfactante es de gran influencia para obtener un mayor o menor espaciado interlaminar. En los últimos años ha crecido exponencialmente el interés por el mezclado y estudio de la compatibilidad de arcillas del tipo esmectita (como la montmorillonita) en todo tipo de fluidos y matrices poliméricas, debido por un lado a la gran relación de aspecto de las laminillas que forman este tipo de silicatos laminares, y por otro, a la gran disponibilidad de este tipo de arcilla frente a otras.

Los silicatos laminares han sido utilizados para varias aplicaciones industriales, tales como aditivos para la fabricación de nanocompuestos de matriz polimérica, matrices con fines catalíticos o en el diseño de materiales de construcción, pero no han sido empleados hasta el momento como espesantes de aceites vegetales para la producción de grasas lubricantes biodegradables. Actualmente, mayoritariamente las grasas biodegradables que se comercializan están elaboradas a partir de jabones de calcio anhidro y de aceites vegetales para aplicaciones de engrase a pérdida (cojinetes, álabes, etc.).

Por otro lado, existen numerosas patentes que describen procedimientos para la obtención de grasas lubricantes. La fabricación de grasas lubricantes, con generación in situ de un jabón metálico que actúa como agente espesante, es un proceso complejo que consiste en llevar a cabo la reacción de saponificación entre ácidos grasos y una disolución alcalina, seguida de una deshidratación, calentamiento hasta temperatura de transición, etapa de enfriamiento y, finalmente, un proceso de homogenización. El procedimiento tradicional de fabricación de grasas lubricantes espesadas con jabones metálicos de ácidos grasos y, mayoritariamente, con 12-hidroxiestereato de litio o de calcio queda bien descrito en diversas patentes americanas de los años 50 y 60.

En referencia a la obtención de grasas lubricantes, consideradas biodegradables, en la patente estadounidense US4115282, se describe el objetivo de proporcionar una grasa biodegradable para carriles, puntos, cruces y vehículos ferroviarios, que consiste en un aceite lubricante, agua, un espesante y opcionalmente aditivos adicionales. Específicamente, la composición de la grasa de la presente invención difiere en su composición y resultados que comprende un aceite vegetal o animal biodegradable en una mezcla acuosa que contiene agente espesante o gelificante de origen vegetal con composición diferenciada.

La patente europea EP/0806470/A2 se refiere a un aceite vegetal, un carboxilato de metal alcalino o alcalinotérreo como agente espesante y el procedimiento para preparar la misma. El espesante se prepara, preferiblemente, in situ en el aceite.

La patente internacional WO97/46642 se refiere al uso de ésteres como bases lubricantes biodegradables en aceites de motor de dos tiempos.

La patente internacional WO03/018/29 A1 se refiere al uso de una grasa biodegradable no tóxica compuesta de aceite de glicerina, uno o varios estearatos, uno o varios ésteres de cadena larga y bentonita para lubricar mecanismos que están expuestos a altas cargas, tales como carriles curvados en ferrocarriles y bridas en coches y locomotoras, además de otras diferentes aplicaciones donde se requieran lubricantes biodegradables.

La patente ES2524603A1 se refiere a grasas lubricantes que comprenden: oleinas residuales resultantes del proceso de refino de aceites de girasol, girasol alto oleico, orujo de oliva, soja, colza o mezcla de los mismos, un hidróxido metálico y un agente oxidante.

La patente US8507421B2 se refiere a grasas lubricantes que incluyen lignosulfonatos de calcio como un aditivo de grasas lubricantes que reacciona con el espesante y es incorporado como parte del espesante.

Sin embargo, no se conoce la utilización de grasas lubricantes biodegradables basadas en arcillas del tipo esmectita (como la montmorillonita) y aceites vegetales. Esto aporta la ventaja técnica de tener reversibilidad la viscosidad frente a la cizalla y de ser utilizada a altas temperaturas, lo cual no es posible obtenerse mediante otro tipo de formulaciones conocidas o la combinación de ellas. En este sentido, la presente invención se refiere en la definición del proceso de obtención de las grasas lubricantes y a su formulación.

Descripción de la invención

La presente invención tiene por objeto desarrollar nuevas formulaciones de grasas lubricantes biodegradables, a partir de arcillas del tipo esmectita, como la montmorillonita, modificadas con sales de amonio y aceites vegetales con posibles aplicaciones en el sector de los lubricantes y a su procedimiento de obtención.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un compuesto biodegradable, que es un producto lubricante que tiene un uso como grasa lubricante, donde el compuesto tiene la siguiente composición (según materia seca):

a) Entre un 10% y un 60% en peso de una arcilla del tipo esmectita, como la montmorillonita, modificada con sales de amonio seleccionada del grupo constituido por la cloisite 10A, cloisite 15A, cloisite 20A, cloisite 25A, cloisite 93A, cloisite 30B, cloisite Na+, o combinaciones de éstas.

b) Entre un 90% y un 40% en peso de un aceite vegetal seleccionado entre el grupo que consiste en aceite de ricino, aceite de oliva, aceite de girasol, aceite alto oleico, aceite de linaza, aceite de soja, aceite de colza, aceite de palma o combinaciones de éstos.

c) Entre un 0,5% y un 3% en peso de un agente natural antioxidante seleccionado entre el grupo que consiste en el tocoferol, galato de propilo, palmitato de ascorbilo o combinaciones de éstos.

Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de la grasa lubricante tal y como se ha descrito anteriormente, que comprende las siguientes etapas:

a) Pre-acondicionamiento de la mezcla aceite-arcilla en un reactor que comprende:

- el pesado inicial de las cantidades de arcilla y aceite dependiendo de sus porcentajes en masa y

- su posterior mezclado sin agitación durante un tiempo entre 1 y 60 minutos para que se produzca una primera interacción entre ambos componentes y se facilite el procesado en la segunda etapa.

b) Homogeneización de la mezcla resultante de la etapa anterior junto con los aditivos antioxidantes, o de otro tipo, utilizando un dispositivo rotor-estator, tipo molino coloidal en las siguientes condiciones:

i) Velocidad de homogeneización entre 1000 y 15000 rpm.

ii) Tiempo de homogeneización de entre 1 y 60 minutos.

iii) Temperatura de homogeneización de entre -10 y 100 °C.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, ésta se refiere al uso de las formulaciones propuestas como grasas lubricantes. Dichas formulaciones pueden emplearse para aplicaciones generales en rodamientos, pivotes de mangueta en automóviles, rodamientos y engranajes para sellados, cojinetes, elevadores, cadenas, cojinetes, cintas transportadoras, acoplamientos, bisagras, u otros similares.

Además, presentan buena resistencia al agua y buena capacidad de adherencia a superficies, temperaturas de trabajo inferiores a 170°C y son fáciles de manejar a bajas temperaturas. Dependiendo de la concentración de arcilla (20-40% en peso) se obtienen grasas lubricantes con diferente consistencia (000-4), comportamiento reológico y tribológico.

Se ha de tener en cuenta que, a lo largo de la descripción y las reivindicaciones, el término “comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas o elementos adicionales.

Breve descripción de las figuras

Con el objeto de completar la descripción y de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se presenta un juego de figuras y dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo se representa lo siguiente:

Figura 1: Muestra los espectros mecánicos (módulos de almacenamiento, G’, y pérdidas, G”), dentro del intervalo de viscoelasticidad lineal para las grasas correspondientes a los ejemplos 1-3, preparadas con aceite de ricino en función de la concentración de arcilla utilizada.

Figura 2: Muestra los espectros mecánicos (módulos de almacenamiento, G’, y pérdidas, G”) dentro del intervalo de viscoelasticidad lineal para las grasas correspondientes a los ejemplos 4-7, preparadas con una concentración de arcilla del 30% en peso en función del tipo de aceite vegetal empleada.

Figura 3: Muestra la evolución de la viscosidad aparente con la velocidad de cizalla para las grasas correspondientes a los ejemplos 1-3, preparadas con aceite de ricino en función de la concentración de arcilla utilizada.

Figura 4: Muestra lo mismo que la figura 3 para los ejemplos 4-7.

Figura 5: Micrografías de la huella a 4x obtenida mediante contacto tribológico de grasas con un 30% en peso de arcillas preparadas con aceite de ricino (A), aceite alto oleico (B), aceite de girasol (C) y aceite de linaza (D), obtenidas con un microscopio óptico.

Descripción detalla de unos ejemplos de realización de la invención.

A continuación, y teniendo en cuenta las anteriores figuras, se ilustran de forma detalla con los siguientes ejemplos no limitativos de realización de la invención:

Ejemplo 1:

En un reactor se introdujo aceite de ricino (80% en peso) y la arcilla (20% en peso) a temperatura ambiente. Esta mezcla se mantuvo sin agitación durante 1 hora. Finalmente se llevó a cabo un proceso de mezclado a alta cizalla con un homogeneizador rotorestator durante 15 min a 8800 rpm.

Ejemplo 2:

En un reactor se introdujo aceite de ricino (70% en peso) y la arcilla (30% en peso) a temperatura ambiente. Esta mezcla se mantuvo sin agitación durante 1 hora. Finalmente se llevó a cabo un proceso de mezclado a alta cizalla con un homogeneizador rotorestator durante 15 min a 8800 rpm.

Ejemplo 3:

En un reactor se introdujo aceite de ricino (60% en peso) y la arcilla (40% en peso) a temperatura ambiente. Esta mezcla se mantuvo sin agitación durante 1 hora. Finalmente se llevó a cabo un proceso de mezclado a alta cizalla con un homogeneizador rotorestator durante 15 min a 8800 rpm.

Ejemplo 4:

En un reactor se introdujo aceite de soja (70% en peso) y la arcilla (30% en peso) a temperatura ambiente. Esta mezcla se mantuvo sin agitación durante 1 hora. Finalmente se llevó a cabo un proceso de mezclado a alta cizalla con un homogeneizador rotorestator durante 15 min a 8800 rpm.

Ejemplo 5:

En un reactor se introdujo aceite de linaza (70% en peso) y la arcilla (30% en peso) a temperatura ambiente. Esta mezcla se mantuvo sin agitación durante 1 hora. Finalmente se llevó a cabo un proceso de mezclado a alta cizalla con un homogeneizador rotorestator durante 15 min a 8800 rpm.

Ejemplo 6:

En un reactor se introdujo aceite de girasol (70% en peso) y la arcilla (30% en peso) a temperatura ambiente. Esta mezcla se mantuvo sin agitación durante 1 hora. Finalmente se llevó a cabo un proceso de mezclado a alta cizalla con un homogeneizador rotorestator durante 15 min a 8800 rpm.

Ejemplo 7:

En un reactor se introdujo aceite de alto oleico (70% en peso) y la arcilla (30% en peso) a temperatura ambiente. Esta mezcla se mantuvo sin agitación durante 1 hora. Finalmente se llevó a cabo un proceso de mezclado a alta cizalla con un homogeneizador rotor-estator durante 15 min a 8800 rpm.

En todos los ejemplos citados, después del proceso de homogenización, se obtuvo una mezcla homogénea, sin separación alguna de aceite.

En la Tabla 1 se muestran los valores de penetración, grados NLGI (según normas ASTM D1403 y D217, respectivamente) de las grasas correspondientes a los ejemplos 1 a 7. El grado NLGI proporciona una medida de la consistencia de la grasa lubricante. Como puede observarse pueden obtenerse diferente consistencia dependiendo de la concentración de arcilla y del tipo de aceite utilizado.

Tabla 1

En la Tabla 2 se muestran los valores del módulo de almacenamiento (G’) a 1 rad/s medido dentro del intervalo viscoelástico lineal y la viscosidad a 1 s-1 para las grasas correspondientes a los ejemplos 1 a 7, en función del porcentaje de arcilla utilizada como espesante y del tipo de aceite utilizado.

Tabla 2

El National Lubricating Grease Institute (NLGI), establece una clasificación de las grasas lubricantes en función de su consistencia. El sistema para clasificar las consistencias de las grasas, se define por la penetración producida por la caída de un cono estándar en una muestra de grasa (ASTM-D-217). Dependiendo del valor obtenido en esta prueba, la grasa se clasifica en uno de los grados que a tal efecto define el NLGI. Estos grados van desde el 000 para las grasas más fluidas, hasta el 6 para las grasas de mayor consistencia.

Como puede observarse en la Tabla 1, en función de la formulación (diferente contenido de espesante y de aceite vegetal) podemos obtener grasas con distintos grados NLGI, que van del 000 hasta el 4. Estos grados de consistencia indican la principal aplicación que puede tener una grasa, siendo las aplicaciones más comunes rodamientos, engranajes y juntas. El ejemplo 1 (NLGI 000, grasa líquida) se puede aplicar en engranajes cerrados en caja cerrada por su capacidad de fluir y volver a asentarse, mientras que las grasas (NLGI 0 y NLGI 1, semifluida) se pueden aplicar en cojinetes y sistemas centralizados. Mientras que el ejemplo 3 (NLGI 4, semidura) puede aplicarse para realizar tareas de sellado en válvulas, armaduras, guías u otros.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Compuesto biodegradable, que es un producto lubricante que se caracteriza por que comprende una composición con:

- al menos una arcilla como agente espesante, en una relación entre un 10% y un 60% en peso;

- al menos un aceite vegetal, en una relación entre un 40% y un 90% en peso; y

- al menos un agente natural antioxidante, en una relación entre un 0,5% y un 3 % en peso.

2. Compuesto biodegradable, según la reivindicación 1, donde la arcilla es una esmectita modificada con sales de amonio.

3. Compuesto biodegradable, según la reivindicación 2, donde la esmectita es una montmorillonita.

4. Compuesto biodegradable, según la reivindicación 2, donde la montmorillonita está seleccionada de entre la cloisite 10A, cloisite 15A, cloisite 20A, cloisite 25A, cloisite 93A, cloisite 30B, cloisite Na+, o combinaciones de éstas.

5. Compuesto biodegradable, según la reivindicación 1, donde el aceite vegetal está seleccionado de entre aceite de ricino, aceite de oliva, aceite de girasol, aceite alto oleico, aceite de linaza, aceite de soja, aceite de colza, aceite de palma o combinaciones de éstos.

6. Compuesto biodegradable, según la reivindicación 1, donde el agente antioxidante está seleccionado de entre el tocoferol, galato de propilo, palmitato de ascorbilo o combinaciones de éstos.

7. Compuesto biodegradable que comprende una composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 para su uso como grasa lubricante.

8. Procedimiento de obtención de un compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 que comprende las etapas de:

a) un pre-acondicionamiento de una mezcla entre el aceite y la arcilla que comprende un pesado inicial de ambos compuestos y un posterior mezclado sin agitación, utilizando un reactor; y b) una homogenización de la mezcla resultante de la etapa anterior junto con el agente antioxidante utilizando un dispositivo rotor-estator.

9. Procedimiento según la reivindicación 8 donde el pre-acondicionamiento de la mezcla de la etapa (a) se realiza sin agitación durante un tiempo entre 1 y 60 minutos.

10. Procedimiento según la reivindicación 8 donde la homogenización de la mezcla resultante de la composición precursora de la etapa (b) se realiza a una velocidad de homogeneización entre 1000 y 15000 rpm.

11. Procedimiento según la reivindicación 8 donde la homogenización de la mezcla resultante de la composición precursora de la etapa (b) se realiza un tiempo de homogeneización de entre 1 y 60 minutos.

12. Procedimiento según la reivindicación 8 donde la homogenización de la mezcla resultante de la composición precursora de la etapa (b) se realiza a una temperatura de homogeneización de entre -10 y 100 °C.

13. Procedimiento según la reivindicación 8 donde la homogenización de la mezcla resultante de la composición precursora de la etapa (b) se realiza en un dispositivo rotor-estator del tipo molino coloidal.