NO179076B

NO179076B - Vannbasert, hydraulisk væske

Info

Publication number: NO179076B
Application number: NO894533A
Authority: NO
Inventors: James Neville Gardiner Faulks; John Robert Moxey
Original assignee: Int Speciality Chem Ltd; Bp Chem Int Ltd
Priority date: 1988-11-17
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1996-04-22
Also published as: CS276771B6; FI895489A0; CA2002813C; ATE89598T1; CS8906492A2; DK573989D0; EP0369692A1; ZA898754B; AU4471789A; JP2839918B2; CA2002813A1; JPH02189393A; NO894533D0; DK573989A; NO179076C; GB8826857D0; FI101398B; ES2055100T3; FI101398B1; EP0369692B1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en vannbasert hydraulisk væske.

Funksjonelle væsker basert på blandinger av vann og polyeter-glykoler er velkjent, og er benyttet i en rekke forskjellige anvendelser, f.eks. som skjærevæsker, hydrauliske væsker, o. 1.

Typiske formuleringer av vannbaserte, hydrauliske væsker (kjent som HF-C væsker) omfatter 15- 30% av en polyeterglykol av høy viskositet, og 35-45$ vann, idet resten (opptil 50%) utgjøres av enkel glykol og små mengder additiver som er kjent for fagmannen. Disse hydrauliske væskene har typisk en viskositet på 32-68 cSt ved 0°C.

Det er imidlertid en voksende tendens til nedsettelse av polyeterglykolinnholdet i slike funksjonelle væsker. I siste instans ville det f.eks. være ønskelig å redusere polyeterglykol innholdet i hydrauliske væsker til 10% eller muligens enda lavere. Det er også en tendens til fremstilling av det som kan beskrives som sterkt vannbaserte væsker (HWBF'er) typisk inneholdende 50-98$ vann, ved ytterligere fjerning av noe eller all glykol.

Det oppstår et problem når det gjøres forsøk på å nedsette polyeterglykolinnholdet i hydrauliske væsker ved at den hydrauliske væskens viskositet reduseres. Dette oppstår fordi standard polyeterglykolvæsker ikke er i besittelse av tilstrekkelig fortykningsevne. Bare å øke polymerens viskositet gir ikke den nødvendige effekt fordi økningen i oppløsningsviskositet blir marginal og polymeren blir ustabil under betingelser med høy skjærpåvirkning.

Det har tidligere blitt foreslått f.eks. i US patenter 4.767.555 og 4.288.639 å oppnå den ønskede viskositeten hos slike hydrauliske væsker ved inkorporering av små mengder materialer som (a) er vannkompatible og (b) øke de hydrauliske væskenes viskositet ved intramolekylær tilknytning i oppløsning. Slike materialer er kjent som assosiative fortykningsmidler.

De hydrauliske væskene som tidligere er beskrevet som sterkt vannbaserte væske (HWBF'er), som vanligvis enten ikke inneholder noen enkel glykol, eller bare små mengder som anti-frysemiddel, har en rekke ulemper sammenlignet md HFC-vann-glykolvæsker, nemlig: (i) selv om nevnte HWBF'er normalt viser "permanent skjærstabilitet", dvs. viskositeten til væsken for-blir stabil over en lengre operasjonsperiode, så utviser de ikke desto mindre midlertidig tap av viskositet i soner med høy skjærpåvirkning, hvilket fremgår ved tap av strømningshastighet og pumpeeffektivitet i hydrauliske systemer, m.a.o. mangler de "midlertidig skjærstabilitet". (ii) Under slike betingelser med midlertidig viskositets-tap går dette også utover væskens hydrodynamiske smøreevne. Smøring opprettholdes kun av additiver som gir grensesmøring (EP-additiver). Til tross for at slike additiver er høyt utviklede, så kan disse betingelsene resultere i forøket slitasje. Videre er de beste av disse additivene i mange tilfeller tok-siske, hydrolytisk ustabile, og miljømessig uønskede. (ili) Viskositetsindeksen til slike væsker er ofte dårlig, hvilket kan gi problemer med oppstarting av pumper. (iv) HWBF'er er følsomme overfor vanntap, hvilket har en

dramatisk og uønsket effekt på fluidviskositet.

US 3.538.033 beskriver en familie av polyeterderivater av diepoksyder som kan anvendes som fortykningsmidler i tekstil-trykkemulsjoner, kosmetiske emulsjoner, vandige pigment-suspensjoner, o.l.

Problemet som skal løses, er derfor å fremstille funksjonelle væsker, egnet for de ovenfor beskrevne anvendelser, som har god permanent og midlertidig skjærstabilitet, innholder lave konsentrasjoner av det assosiative fortykningsmiddelet, har god motstandsevne overfor vanntap m.h.t. viskositetsendring, har gode tilsynelatende viskositetsindekser, og som opprett-holder hydrodynamisk smøring under høye skjærbetingelser.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en vannbasert hydraulisk væske, som er kjennetegnet ved at den innbefatter

(a) 20-98 vekt-$ vann,

(b) 0-80 vekt-$ av en glykol, og

(c) 0,5-25 vekt-$ av et fortykningsmiddel fremstilt ved (a) relativ reaksjon av 1 mol av en monofunksjonell forbindelse som inneholder aktivt hydrogen og som har minst 10 karbonatomer, med mellom 20 og 400 mol av ett eller flere alkylenoksyder, og (b) deretter omsetning av produktet fra trinn (a) med et diepoksyd i en mengde slik at molarforholdet for diepoksyd til hydroksylgrupper i produktet fra trinn (a) er mellom 0,2:1 og 5:1.

Foreliggende oppfinnelse løser problemet som er definert ovenfor ved å benytte et fortykningsmiddel av den type som er definert i US 3.538.033 i de ovenfor omtalte anvendelser, sammen med den formuleringsteknologi som er detaljert angitt nedenfor.

Betrakter man først den hydrauliske væskens vannkomponent, så er det foretrukket at den innbefatter mellom 35 og 95$ av den hydrauliske væsken, mest foretrukket mellom 45 og 80$. M.h.t. glykolen, så kan denne i prinsippet være en hvilken som helst glykol som er blandbar med vann og innbefatter monoetylenglykol og monopropylenlykol, og lavmolekylvekige oligomerer derav (dvs. som har opptil 6 etylen- og/eller propylenglykolenheter. Glykolen velges fortrinnsvis fra monoetylenglykol, dietylenglykol og trietylenglykol. Det er foretrukket at glykolen omfatter mellom 20 og 60$ av den hydrauliske væsken.

Det første trinnet i fremstillingen av fortykningsmiddelet innebærer omsetning av den monofunksjonelle forbindelsen som inneholder aktivt hydrogen med et eller flere alkylenoksyder. Med betegnelsen "forbindelse innholdende aktivt hydrogen" menes en forbindelse som inneholder hydrogen som kan måles ved Zerewitinoff-testen for aktivt hydrogen. Slike for-bindelser inkluderer alkoholer, fenoler, tioler, fettsyrer og aminer. De foretrukne forbindelsene er C-j^-Cgo enverdig alkohol eller tioler, ^ ib~^ 20 alkylfenoler og C^5~<C>2o alifatiske aminer.

Forbindelsen inneholdende aktivt hydrogen alkoksyleres med ett eller flere alkylenoksyder ved anvendelse av enten en base eller en Lewis-syre som katalysator. Typisk er alkylenoksydet ett eller flere av etylenoksyd, propylenoksyd eller isomerene av butylenoksyd. Hensiktsmessig blir mellom 20 og 400 mol av alkylenoksydet tilsatt til forbindelsen inneholdende aktivt hydrogen, hvorav 20-100 mol-$ (mest foretrukket 65-85 mol-$) er etylenoksyd og 0-80$ (mest foretrukket 15-35$) er propylen- og/eller butylenoksyd.

I det andre fremstillingstrinnet blir produktet fra det første trinnet omsatt med et diepoksyd. Diepoksydet kan i prinsippet være en hvilken som helst organisk forbindelse som har to epoksydgrupper. Egnede diepoksyder er de som har mellom 4 og 30 karbonatomer og Inkluderer vinylcykloheksendiepoksyd, bisfenol A/epiklorhydrinkondensat og lignende. Det er foretrukket å benytte diepoksydet i mengder slik at molarforholdet for epoksydgrupper til hydroksylgrupper (i produktet fra trinn 1) er i området fra 0,2:1 til 5:1. Det andre trinnet i prosessen kan også katalyseres ved enten en base eller en Lewis-syre.

Det er foretrukket at fortykningsmiddelet omfatter mellom 2 og 10 vekt-$ av den hydrauliske væsken. Det er også foretrukket at selve fortykningsmiddelet bør ha en netto viskositet på over 4000 cSt ved 40°C.

Når det gjelder antislitasjekomponentene, så er disse typisk metall- eller aminsalter av organosvovel-, —fosfor- eller borderivater eller karboksylsyrer. Disse innbefatter typisk salter av £\- £>22 karboksyl syrer, alifatiske eller aromatiske; svovelsyrer slik som aromatiske sulfonsyrer, fosforsyrer, f.eks. syrefosfatestere og analoge svovelforbindelser, f.eks. tiofosforsyre og ditiofosforsyre. Mange ytterligere anti-slitasjemidler er egnede, og er kjent for fagmannen.

Inhibitorer for korrosjon av metaller kan være oganiske eller uorganiske, f.eks. metallnitritter, hydroksyaminer, nøytrali-serte fettsyrekarboksylater, fosfater, sarkosiner, og suksi-nimider, osv. Mest nyttige er aminer slik som alkanol-aminer, f.eks. etanolamin, dietanolamin og trietanolamin. Ikke-ferrometallinhibitorer innbefatter f.eks. aromatiske triazoler.

I formuleringen er det foretrukket å inkludere 0,5-15$ av et overflateaktivt middel som et ko-fortykningsmiddel, som kan være ikke-ionisk, kationisk, anionisk eller amfotert. Eksempler på egnede overflateaktive midler omfatter lineære alkoholalkoksylater, nonylfenoletoksylater, fettsyresåper, aminoksyder, osv. Mest foretrukket er lineære, sekundære alkoholalkoksylater, f.eks. de som er kommersielt til-gjengelige fra BP Chemicals under det registrerte varemerke Softanol. De overflateaktive midlene opptrer synergistisk med det assosiative f ortykningsmiddelet slik at en gitt viskositet kan oppnås med et lavere totalt innhold av fortykningsmiddel i blandingen sammenlignet med bruk av det assosiative fortykningsmiddelet alene.

I tillegg til det som er nevnt ovenfor, kan den hydrauliske væsken også inneholde eventuelle komponenter slik som høytrykksadditiver, antiskummemidler, antimikrobielle midler, o.l., som er velkjent for fagmannen. Det er også mulig å tilsette ytterligere kjente fortykningsmidler og ko-fortykningsmidler dersom dette er ønskelig.

Foreliggende hydrauliske væske kan fremstilles ved blanding av de fire hovedkomponentene og eventuelle ytterligere materialer som er nødvendige i en beholder av egnet størr-else .

I de foretrukne utførelser av oppfinnelsen, det er de formuleringer som innholder 20$ glykol eller mer, er det funnet at midlertidig skjærstabilitet gis til væskene. Dette forøker væskenes evne til å gi hydrodynamisk smøring under høye skjærbetingelser. Tilstedeværelsen av 20$ glykol eller mer, og av det overflateaktive ko-fortykningsmiddelet forbedrer også væskenes tilsynelatende viskositetsindeks sammenlignet med væsker som ikke innholder noe glykol eller overflataktivt middel.

I de utførelser av oppfinnelsen som inneholder mindre enn 20$ glykol, er problemet med midlertidig skjærvirkning også tatt hensyn til ved bruk av assosiative fortykningsmidler ifølge oppfinnelsen med høy polymer-viskositet (f.eks. større enn 20.000 cSt ved 40°C). I omgivelser med høy skjærpåvirkning, går fortykning oppnådd ved assosiasjon tapt når væskene utsettes for midlertidig skjærvirkning. Viskositeten til væsken opprettholdes imidlertid ved et intermediært nivå ved den normale fortykning av en polymer med høy viskositet, typisk til et nivå på 10-20 cSt ved 50°C. Dette begrenser tapet av pumpeeffektivitet og sikrer at hydrodynamisk smøre-evne bibeholdes. Dette fremmer også væskens egenskaper m.h.t. viskositetsendring ved vanntap og viskositetsindeks.

Foreliggende vannbaserte hydrauliske væske er særlig nyttig i hydrauliske stempel-, gir- eller skovlepumper, motorer og generelle hydrauliske systemer, f.eks. hydrauliske rambukker, roboter, o.l.

Oppfinnelsen illustreres ved følgende eksempler:

Eksempel 1

En kommersiell prøve av oleyl/cetylalkohol (85/15) ble katalysert med kaliumhydroksyd (0,3 vekt-$ på mål-alkoksylatet), tørket og omsatt med en 70/30 (vekt/vekt) blanding av etylenoksyd og propylenoksyd ved 115-125°C for dannelse av et alkoksylat med en eksperimentelt bestemt molekylvekt på 6000 (ved hydroksylbestemmelse).

500 g av det ovennevnte ikke-nøytraliserte alkoksylatet ble omsatt ved 130°C med 15,9 g bisfenol Å/epiklorhydrinkondensat (Epikote 828 - ex Shell) i 3 timer. Den resterende katalysator ble fjernet ved behandling med magnesiumsilikat til oppnåelse av et assosiativt fortykningsmiddel med en nettoviskositet på 5000 cSt ved 40°C. En viskositet for 10$ vandig oppløsning ble bestemt som 193 cSt ved 0°C.

Ekempel 2

500 g av det ovennevnte unøytraliserte alkoksylatet fra eksempel 1 ble omsatt ved 130°C med 31,8 g bisfenol A/epi-klorhydrin-kondensat i 3 timer, katalysatoren ble fjernet med magnesiumsilikatbehandling, og dette ga et assosiativt fortykningsmiddel med en nettoviskositet på 17.300 cSt ved 40°C.

En viskositet for 10$ vandig oppløsning ble bestemt som 2.100 cSt ved 40°C.

Eksempel 3

En kommersiell prøve av oleyl/cetylalkohol (85/15) ble omsatt på den måten som er beskrevet i eksempel 1 med en 80/20-blanding av etylenoksyd og propylenoksyd for dannelse av et alkoksylat med en molekylvekt på 6.000.

300 g av den ovennenvte unøytraliserte polyalkylenglykolen ble omsatt ved 14,0 g vinylcykloheksendiepoksyd i 3 timer ved 140-150°C. Det resulterende assosiative fortykningsmiddel hadde en nettoviskositet på 4.900 cSt ved 40°C og en 10$ vandig oppløsning-viskositet på 1427 cSt ved 0°C.

Eksempel 4

En kommersiell prøve av oleyl/cetylalkohol (85/15) ble omsatt på den måten som er beskrevet i eksempel 1 med en 75/25-blanding av etylenoksyd og propylenoksyd for dannelse av et mellomprodukt med en molekylvekt på 2950, og deretter med ytterligere etylenoksyd for dannelse av et alkoksylat med en molekylvekt på 3100.

2000 g av den ovennevnte unøytraliserte polyalkylenlykolen ble omsatt md 175 g vinylcykloheksendiepoksyd ved 140-150°C i 6 timer til oppnåelse av et assosiativt fortykningsmiddel med en 10$ vandig oppløsning-viskositet på 1742 cSt.

Eksempler 5- 8

Dodekan-l-ol, tetradekan-l-ol, heksadekan-l-ol og oktadekan-l-ol ble omsatt under basekatalyse med 80-20-blandinger av etylenoksyd/propylenoksyd for dannelse av alkoksylater med molekylvekter på 6000. 200 g av hvert alkoksylat ble omsatt med 9,4 g vinylcykloheksendiepoksyd på den måten som er beskrevet i eksempel 3, for oppnåelse av fire assosiative fortykningsmidler. Produktene ble benyttet for tilveiebring-else av en sammenligning av oppløsningsviskositet mot hydrofob kjedelengde.

Eksempel 9

Fortykningsmiddelet (8$) fra eksempel 1 ble formulert til en hydraulisk væske av 46 cSt ved 4 0°C innholdende vann (36$), dietylenglykol (50$), en fettsyre og morfolin. Denne ble utsatt for en firekule-test (IP239) ved 40 kg i 1 time, og ga et slitasjemerke på 0,56 mm, et resultat lik det for en på lignende måte formulert hydraulisk væske ved anvendelse av 15$ av et konvensjonelt polyglykol-fortykningsmiddel.

Det samme fortykningsmiddelet ved et nivå på 7$ i en sterkt vannbasert væske av 46 cSt ved 40°C ble tilsatt for 50 passasjer i en Kurt Orban skjærstabilitet-testanordning (IP294 ) og gjennomgikk ikke noe permanent tap av oppløsnings-viskositet .

Eksempel 10

Fortykningsmiddelet fra eksempel 4 ble formulert ved et nivå på 8$ til en hydraulisk væske inneholdende 30$ dietylenglykol og 58$ vann, idet resten var et materiale omfattende anti-slitasjemiddel og antikorrosjonsmiddel. Nevnte hydrauliske væske ble sirkulert i 24 timer i en 7 kW Wickers PFB-5 aksialstempelpumpe ved 50°C og 170 bar. Strømningshastig-heten som kan direkte relateres til væskeviskositeten, ble overvåket for å indikere viskositet i pumpens høyskjær-områder. Den hydrauliske væsken ble sammenlignet med en lignende hydraulisk væske inneholdende kun 10$ dietylenglykol og 80$ vann, og med en ytterligere hydraulisk væske basert på et kommerielt tilgjengelig assosiativt fortykningsmiddel med lav viskositet, ett fettalkoholetoksylat terminert med et olefinepoksyd, og uten noe innhold av dietylenglykol.

Eksempel 11

Fortykningsmiddelet fra eksempel 1 (6,2$) og et 5 mol etoksylat av en lineær, sekundær C-12/14 alkohol (1,55$)

(Softanol 50 - ex BP Chemicals) ble blandet med dietylenglykol (40$) og vann (50$), idet resten besto av funksjonelle antislitasje-, antikorrosjons- og antiskummingsmidler (2,25$) for oppnåelse av en hydraulisk væske av 45,5 cSt ved 40°C. Følgende data ble bestemt.

Firekule-slitasjemerke, mm (1 time, 40 kg, IP239): 0,61 Skjærstabilitet (IP294), $ viskositetsendring: -7

Eksempel 12

Det assosiative fortykningsmiddelet fra eksempel 3 (3,6$) og et 5-mol etoksylat av en lineær sekundær Cjl2/14 alkohol (0,9$ ble blandet med dietylenglykol (20$) og vann (73,4$), idet resten var additiver (2$), til oppnåelse av en hydraulisk væske av 49,3 cSt ved 40°C. Følgende data ble bestemt.

Firekule-slitasjemerke, mm (1 time, 40 kg, IP239): 0,62 Skjærstabilitet (IP29), $ viskositetsendring: + 5

Eksempel 13

Det assosiative fortykningsmiddelet fra eksempel 3 (5,4$) og et 12 mol etoksylat av en lineær sekundær C-12/14 alkohol (3,6$) (Softanol 120 - ex BP Chemicals) ble blandet med dietylenglykol (39$) og vann (50$), idet resten besto av antislitasje-, antikorrosjons- og antiskummingsadditiver (2$) til oppnåelse av en hydraulisk væske av 46,8 cSt ved 40°C. Følgende data ble bestemt.

Firekule-slitasjemerke, mm (1 time, 40 kg, IP239): 0,61 Skjærstabilitet (IP294), $ viskositetsendring: +2,9

Eksempel 14

Fortykningsmiddelet fra eksempel 2 (5,0$) og et 12 mol etoksylat av en lineær, sekundær C-12/14 alkohol (1,25$) ble blandet med dietylenglykol (20$) og vann (70$) idet resten besto av antislitasje-, antikorosjons- og antiskummingsmidler (3,75$) til oppnåelse av en hydraulisk væske av 46,1 cSt ved 40°C. Følgende data ble bestemt.

Firekule-slitasjemerke, mm (1 time, 40 kg, IP239): 0,68

Eksempel 15

For å demonstrere effekten av dietylenglykol på tilsynelatende viskositetsindeks ble to ISO 68-væsker fremstilt fra fortykningsmiddelet fra eksempel 3. Væske 1 inneholdt 6,0$ fortykningsmiddel, 30$ dietylenglykol og 64$ vann. Væske 2 inneholdt 5,0$ fortykningsmiddel og 95$ vann. Den kombinerte effekten av tilstedeværelsen av dietylenglykol og det litt forhøyede innhold av fortykningsmiddel i væske 1 resulterer i en væske med betydelig lavere viskositet ved 20°C enn det som observeres for væske 2, hvilket demonstrerer at den tilsynelatende viskositetsindeks for væske 1 er høyere enn den for væske 2.

Eksempel 16

For å demonstrere effekten av ko-fortykningsmidler på tilsynelatende viskositetsindeks, ble to væsker av 550 cSt ved 40°C fremstilt som følger: Væske 1 inneholdt 6,0$ fortykningsmiddel fra eksempel 2, 4,0$ av et 12 mol etoksylat av en C 12/14 lineær sekundær alkohol, 10$ dietylenglykol og 80$ vann. Væske 2 inneholdt 10,0 fortykningsmiddel fra eksempel 2, 10$ dietylenglykol og 80$ vann. Tilstedeværelsen av overflateaktivt middel i væske og redusert innhold av fortykningsmiddel reduserer i en væske med betydelig lavere viskositet ved 20°C enn det som observeres for væske 2, hvilket demonstrerer at den tilsynelatende viskositetsindeksen for væske 1 er høyere enn den for væske 2.

Claims

1. Vannbasert hydraulisk væske, karakterisert ved at den innbefatter (a) 20-98 vekt-# vann, (b) 0-80 vekt-$ av en glykol, og (c) 0,5-25 vekt-$ av et fortykningsmiddel fremstilt ved (a) relativ reaksjon av 1 mol av en monofunksjonell forbindelse som inneholder aktivt hydrogen og som har minst 10 karbonatomer, med mellom 20 og 400 mol av ett eller flere alkylenoksyder, og (b) deretter omsetning av produktet fra trinn (a) med et diepoksyd i en mengde slik at molarforholdet for diepoksyd til hydroksylgrupper i produktet fra trinn (a) er mellom 0,2:1 og 5:1.

2. Hydraulisk væske ifølge krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter funksjonelle komponenter for hindring av slitasje og korrosjon.

3. Hydraulisk væske ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter 35-95 vekt-$ vann.

4. Hydraulisk væske ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter 20-60 vekt-$ glykol.

5. Hydraulisk væske ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter 2-10 vekt-$ av fortykningsmidlet.

6. Hydraulisk væske ifølge krav 1 eller 4, karakterisert ved at den ytterligere omfatter 0,5-15 vekt-$ av et ikke-ionisk, kationisk, anionisk eller amfotert overflateaktivt middel.

7. Hydraulisk væske ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter 0-20 vekt-$ glykol og 0,5-25 vekt-$ av et f ortykningsmiddel som har en netto viskositet på over 20.000 cSt ved 40°C.