SE521569C2 - Vattenbaserad vätska innehållande en zwitterjonisk tensid och en annan zwitterjonisk tensid för friktionsnedsättning, användning av en tensidkomposition samt en tensidkomposition - Google Patents

Description

30 569 2 det friktionsnedsättande medlet att bilda miceller och därmed även dess förmåga att reducera friktionen.

Det har nu visat sig att dessa problem kan lösas genom att använda en vattenbaserad vätska som innehåller en komposition av tensider som friktionsnedsättande medel och en etylenglykolförening som rostskyddsmedel. Den vattenbaserade vätskan kännetecknas av att den innehåller a) 0.01-1.0 viktprocent av en tensidkomposition, som innehåller en zwitterjonisk tensid med formeln R 6 RNïgcoof ( I) , Rv där R är en grupp innehållande en mättad eller omättad kol- vätegrupp eller acylgrupp med 20-24 kolatomer, Rsoch R7 oberoende av varandra är en alkylgrupp med 1-4 kolatomer eller en hydroxialkylgrupp med 2-4 kolatomer och RÅ är en alkylengrupp med 1-4 kolatomer, företrädesvis CH2eller en grupp _ CH_ I RS där Rsär en alkylgrupp med 1-3 kolatomer, och O-140, lämpligen 5-140 viktprocent av den zwitterjoniska tensiden med formeln I av en annan zwitterjonisk tensid med formeln R 6 I R"N Ru COO_ _” grupp innehållande en mättad eller omättad kol- R 6' 7 vätegrupp eller en acylgrupp med 10-19 kolatomer och R 10 l5 20 25 30 35 LW DJ ~à Cfi C:\ \O 3 och !har den ovan angivna betydelsen, i kombination med en anjonisk tensid med den allmänna strukturen R,(oA)nB, glommncmfïzmn, R3NH(Ao)ncmH2mD or RlE eller en blandning därav, där Ru är en kolvätegrupp med 10-24 kolatomer, R3 är en acylgrupp med 10-24 kolatomer, A är en alkylengrupp med 2-4 kolatomer, n är ett tal från 1 till 10, m är ett tal från 1 till 4, B är en sulfatgrupp OSOQL D är en karboxylatgrupp COOM, E är en sulfatgrupp OSOQ¶eller en sulfonatgrupp -SOyIoch M är en katjonisk, företrädesvis monovalent grupp, i ett viktförhàllande mellan den totala mängden av de zwitterjoniska tensiderna med formlerna I och II och den totala mängden av de anjoniska tensiderna från 100:l till 1:2, företrädesvis fràn 50:1 till 2:1, b) 5-35, företrädesvis 10-30 viktprocent av en glykolför- ening med formeln HO(C;gOLfl, där n är 1-4, företrädesvis 1, c) 65-95, företrädesvis 70-90 viktprocent vatten och d) O-4, företrädesvis 0.005-1 viktprocent av en oorganisk vattenlöslig elektrolyt.

Den friktionsnedsättande effekten hos tensidkomposi- tionen är utmärkt över ett stort temperaturområde trots den stora mängden av etylenglykolföreningen i vätskan. Den friktionsnedsättande effekten förbättras även av närvaro av elektrolyt, speciellt när föreningen även innehåller zwitter- joniska tensider med formeln II.

Den totala mängden zwitterjoniska tensider och anjoniska tensider kan variera inom vida gränser beroende pä omständig- heterna men uppgår vanligtvis till 0.1-10 kg/Uf av det vattenbaserade systemet. Den vattenbaserade vätskan enligt uppfinningen är speciellt lämpad för användning i långa ledningar för värmedistribution i kalla tempererade eller polara zoner och kan pumpas vid temperaturer under -10°C och ändå uppvisa en god friktionsreducerande effekt inom ett vitt temperaturområde lämplig för värmeöverföring.

Gruppen R i den zwitterjoniska tensiden är lämpligen en alifatisk grupp med 20-24 kolatomer eller en grupp R'NHCjQ, 10 15 20 25 30 521 569 4 där R' betecknar en acylgrupp med 20-24 kolatomer. Före- trädesvis har den zwitterjoniska tensiden den generella formeln CH 3 I R-NïcHzcoo' I CH 3 (III) där R är en alifatisk grupp med 20-24 kolatomer eller gruppen R'NHCJg, där R' är en acylgrupp med 20-24 kolatomer. I en utföringsform av uppfinningen kan den zwitterjoniska före- ningen, som innehåller en alifatisk grupp eller en acylgrupp med 20-24 kolatomer kompletteras med en zwitterjonisk tensid med formeln II av samma struktur, som innehåller företrädes- vis en kolvätegrupp eller en acylgrupp med endast 12-19 kolatomer. Denna zwitterjoniska tensid har företrädesvis formeln cHä I R' 'nr-cnzcoo* I CH; där R" är en alifatisk grupp med 12-19 kolatomer eller gruppen R"'NHCjg,där R"' är en acylgrupp med 12-19 kolatomer. Mängden av dessa kompletterande zwitterjoniska tensider är företrädesvis från 5 till 100 viktprocent av den nödvändiga zwitterjoniska tensiden med formeln I.

Den hydrofoba gruppen Rl i de anjoniska tensiderna kan vara alifatisk eller aromatisk, rak eller grenad, mättad eller omättad och innehåller lämpligen 12-18 kolatomer. Acyl- gruppen R3 kan vara rak eller grenad, mättad eller omättad och innehåller lämpligen 12-18 kolatomer. Alkylengrupperna A är vanligtvis etylengrupper, n är vanligtvis ett tal från 1- 5, Cßgm är företrädesvis metylen men kan även vara gruppen 10 15 20 25 30 35 021 569 r*@1f:;* tft” _ CH_ I RB där RQ är en alkylgrupp med l-3 kolatomer och M är före- trädesvis natrium och kalium.

De ovan beskrivna zwitterjoniska tensiderna kan fram- ställas genom välkända metoder, till exempel genom att bringa en förening med formeln RNRJL eller R"NRJ@ där R, R", Reoch R7har de ovan angivna betydelserna, med en förening med formeln nalRqcooNa där Råhar den ovan angivna betydelsen och Hal är Cl eller Br vid ett pH-värde av cirka 9.5 i ett reaktionsmedium av en lägre alkohol och vatten. För att erhålla en god friktions- nedsättande effekt är det väsentligt att mängden av amin- reaktanten i den zwitterjoniska produkten är låg. Om en låg halidhalt är önskvärd kan reaktionen företrädesvis utföras i isopropanol med lägsta möjliga vattenhalt, varvid den natriumhalid som bildas vid reaktionen kommer att ut- kristalliseras och kan avlägsnas genom filtrering eller centrifugering. Ett annat sätt att erhålla en halidfri produkt är att kvartärnisera aminreaktanten med etylenoxid i närvaro av en sur katalysator och därefter dehydrogenera den erhållna produkten till den önskade zwitterjoniska tensiden.

De anjoniska tensiderna för användning i enlighet med föreliggande uppfinning är välkända liksom deras framställ- ningsmetoder. Lämpliga exempel är alkalisalter av dekyl- sulfat, dodekylsulfat, tetradekylsulfat, hexadekylsulfat, oktadekylsulfat, oleylsulfat, eikosylsulfat, dokosylsulfat, rapsalkylsulfat, talgalkylsulfat och nonylfenylsulfat och motsvarande etersulfater och karboxymetylestrar med l, 2 eller 3 etylenoxienheter. Andra lämpliga anjoniska tensider är dekanoyl-, dodekanoyl-, tetradekanoyl-, hexadekanoyl-, oktadedanoyl-, och oljesyraamidkarboxymetyletrar med l, 2 10 l5 20 25 30 Qfi FO u-Ä Qfl SX \D 6 eller 3 etylenoxienheter. Ytterligare lämpliga anjoniska tensider är alkalisalter av dekylsulfonat, dodekylsulfonat, tetradekylsulfonat, hexadekylsulfonat, oleylsulfo- nat,dodekylbensensulfonat och hexadekylbensensulfonat.

Elektrolyten, vilken inte inkluderar de katjoniska eller anjoniska tensiderna enligt uppfinningen, kan vara ett god- tyckligt salt, en alkali eller en syra, vilka är lösliga i vatten. Lämpliga exempel är Na¶SOU IgSO,, (NHQ2SO4, NaNOW NaNOB, Nacl, ca(oH) cacog, cauacogz, Mg(oH)2, Mg(Hco3)2, Nagll, Na¶POU tkgHPO4, (NHQBPOQ, (NHQ2HPO,, natriumcitrat och 2/ natriumformiat. I begreppet elektrolythalt inkluderas även salter som förorsakar vattenhàrdhet. Sålunda skall den mängd 2 som förorsakar vattenhàrdhet av l°dH värderas som av Ca(HCOQ närvaro av 29 ppm elektrolyt. Elektrolytbehovet ökar med ökande mängd av zwitterjoniska och anjoniska tensider, vilka uppvisar en kolväte- eller acylgrupp med mindre än 20 kol- atomer, och minskar med minskande mängd av glykol. Glykol- föreningen är företrädesvis en monoetylenglykol, eftersom denna förening har en större fryspunktnedsättning än andra glykolföreningar, såsom dietylenglykol.

Valet av zwitterjonisk tensid och anjonisk tensid kommer att bero på att det vattenbaserade systemets temperatur. Vid högre temperaturer kommer antalet kolatomer i framför allt R, R', Rioch Rznormalt att vara högre än vid låga temperaturer.

En lämplig blandning av tensider innehåller exempelvis en N- behenylbetain kombinerad med dodekylbensensulfonat eller en CH-Cw mättad eller omättad alkyletersulfat. Vid framställning av den vattenbaserade vätskan kan man med fördel använda en torrblandning eller ett vätskekoncentrat innehållande exempelvis 2-30 viktprocent av de zwitterjoniska och anjoniska tensiderna i önskade förhållanden. Lösningsmedel såsom isopropanol, etylenglykolföreningar, exempelvis mono- etylenglykol, vatten eller blandningar därav, kan användas för att solubilisera tensiderna. lO 15 20 25 52-21 569 7 Ett praktiskt sätt att bestämma det rätta förhållandet mellan den zwitterjoniska tensiden och den anjoniska tensiden för en speciell typ av vatten är att bereda en lösning av exempelvis 2.0 kg/m3 av den zwitterjoniska tensiden i det aktuella vattnet med önskad halt av glykolen i en 50 ml glas- bägare med en magnetisk omrörare och hålla temperaturen i mitten av det aktuella temperaturområdet för systemet. Denna lösning titreras därefter med exempelvis en lösning av den anjoniska tensiden med en koncentration av 10 kg/mf i det aktuella vattnet med den önskade halten av glykolen tills den ursprungligen bildade vortexen har försvunnit.

Bortsett från de zwitterjoniska och anjoniska tensiderna kan det vatteninnehàllande systemet även innehålla ett antal av konventionella komponenter, såsom korrosionsinhibitorer och baktericider.

Föreliggande uppfinning illustreras ytterligare av nedanstående exempel.

Exempel 1 Friktionen hos vattenhaltiga vätskor, som innehåller blandningar av tensider bestämdes i enlighet med bägartestet, som beskrivits ovan. Under testet omrördes en vattenhaltig vätska, som innehöll 80 viktprocent vatten med 3°dH, 20 vikt- procent av monoetylenglykol och mindre mängder tensider enligt Tabell I nedan, vid en konstant rotationshastighet av 700 varv per minut. Frånvaro av en vortex eller en vortex av högst 2 mm indikerade en friktionsnedsättande förmåga.

Följande resultat erhölls. 10 l5 8 Tabell I N-dodekyl- N-behenyl- N-stearyl- bensen- Intervall med betain betain sulfonat låg friktion ppm Ppm ppm °C 1575 175 O Ingen effekt 1575 175 35 40-68 l575 175 52 40-70 1575 175 70 40-73 1575 175 87 39-74 1575 175 122 39-77 1575 175 l57 39-80 1575 175 192 39-74 1400 350 87 33-65 Resultaten visar att ett friktionsnedsättande medel, som innehåller N~behenylbetain och N-stearylbetain i kombination med natriumdodekylbensensulfonat har en god friktionsnedsätt- ande förmåga i en vattenhaltig vätska innehållande en stor mängd av monoetylenglykol.

Exempel 2 På samma sätt som i Exempel 1 bestämdes friktionen hos vattenhaltiga vätskor, som innehöll 1350 ppm av N-behenyl- betain, 1350 ppm av N-stearylbetain, anjontensider i varierande mängder, 83 viktprocent avjoniserat vatten, 17 viktprocent av monoetylenglykol och elektrolyter i enlighet med Tabell II nedan. Vätskornas pH-värde justerades till 9-10 genom tillsats av ammoniak.

Följande resultat erhölls. Mängderna av de anjoniska tensiderna är angivna i ppm-mängder inom paranteser. 10 l5 m .xs __) c, ø- \o Tabell II Intervall med låg friktion, °C Anj onisk tensid Avj oniserat NaNO, NaZSOG vatten g/1 g/1 Natriumdodekylsulfat Ingen 32-62 (950) 32-64 (950) effekt 1.6 1.6 Natriumdodekyl-(EO)¿- Ingen 25-63 (300) 32-63 (500) sulfat effekt 1.6 1.6 Natriumdodekylbensen- Ingen 26-74 (300) 25-70 (300) sulfonat effekt 1 1 Resultaten visar att närvaro av elektrolyterna NaNQZoch Na;KL var väsentliga för att erhålla en god friktions- reducerande effekt.

Exempel 3 På samma sätt som i Exempel 1 bestämdes friktionen för vattenhaltiga vätskor, som innehöll 2000 ppm av en N-behenyl- betain, 20 viktprocent av monoetylenglykol och varierande mängder av elektrolyter och anjoniska tensider och elektro- lyter i enlighet med Tabell III nedan. Bestämningarna ut- fördes vid en konstant rotationshastighet av 700 varv per minut eller 1000 varv per minut. Vätskornas pH-värden justerades till cirka 9-10 genom tillsats av ammoniak.

Följande resultat erhölls. Mängden av de anjoniska tensiderna angives i ppm inom paranteser. . , . . = . 521 569 lO Tabell III Intervall med låg Vatten- friktion, °C haltig 1000 vätska Tillsats 700 varv/min varv/min 1 Natriumdodekyl-(EO)3- 53-70 (40) Ingen effekt sulfat Avjoniserat vatten 2 Natriumdodekyl-(EO)3- 44-82 (60) 50-79 (60) sulfat Avjoniserat vatten 0.5 g/l NaNO2 3 Natriumdodekylbensen- 45-82 (30) 61-70 (30) sulfonat Avjoniserat vatten 4 Natriumdodekylbensen- 44-92 (100) 46-87 (100) sulfat Avjoniserat vatten 0.5 g/l NaNO2 5 Natriumdodekylbensen- Ej testat 50-80 (30) sulfonat Vatten 3.8 °dH Resultaten visar att närvaro av elektrolyter i vätskorna ökar temperaturintervallet med nedsatt friktion.

Claims (10)

lO 15 20 25 30 ll PATENTKRAV

1. En vattenbaserad vätska, kännetecknad därav, att den innehåller a) O 01-1.0 viktprocent av en tensidkomposition, som innehåller en zwitterjonisk tensid med formeln där R är en grupp innehållande en mättad eller omättad kol- vätegrupp eller acylgrupp med 20-24 kolatomer, Koch R, oberoende av varandra är en alkylgrupp med 1-4 kolatomer eller en hydroxialkylgrupp med 2-4 kolatomer, M är en katjonisk grupp och RÅ är en alkylengrupp med 1-4 kolatomer, och O-140 viktprocent av den zwitterjoniska tensiden med formeln I av en annan zwitterjonisk tensid med formeln R I R"N R, COO' I R 6 7 där R" är en grupp innehållande en mättad eller omättad kol- våtegrupp eller en acylgrupp med 10-19 kolatomer och Ru R, och Rqhar den ovan angivna betydelsen, i kombination med en anjonisk tensid med den allmänna strukturen R,HflUnB, eller en blandning därav, där Rlär en kolvätegrupp med 10-24 RlOLAO) CH D, n m 2m R3NH (Ao) ncmnzmn or RIE kolatomer, RE är en acylgrupp med 10-24 kolatomer, A är en alkylengrupp med 2-4 kolatomer, n är ett tal från 1 till 10, m år ett tal från 1 till 4, B är en sulfatgrupp OSOJW, D är lO 15 20 25 30 521 5:39 12 en karboxylatgrupp COOM, E är en sulfatgrupp OSO)¶eller en sulfonatgrupp -SC5M och M är en katjonisk grupp, i ett viktförhàllande mellan den totala mängden av de zwitterjoniska tensiderna med formlerna I och II och den totala mängden av de anjoniska tensiderna från lOO:1 till 1:2. b) 5-35 viktprocent av en glykolförening med formeln HO(C;gOLfl, där n är l-4, företrädesvis l, c) 65-95 viktprocent vatten och d) O-4 viktprocent av en oorganisk vattenlöslig elektrolyt.

2. En vattenbaserad vätska enligt krav 1, kännetecknad därav, att den zwitterjoniska tensiden enligt formeln I har formeln CH I R-Nflcæïzcoo* I CH 3 3 (III) där R är en alifatisk grupp med 20-24 kolatomer eller en grupp R'NHC}§, där R' är en acylgrupp med 20-24 kolatomer.

3. En vattenbaserad vätska enligt krav 1 eller 2, känne- tecknad därav, att den zwitterjoniska tensiden av formeln II har formeln CHB I R"Nï I CH 3 där R" är en alifatisk grupp med 12-19 kolatomer eller en grupp R"'NHC}Q, där R"' är en acylgrupp med 12-19 kolatomer.

4. En vattenbaserad vätska enligt något av krav n 1-3, kännetecknad därav, att den zwitterjoniska tensiden med 10 15 20 25 30 521 569 13 formeln II är närvarande i en mängd av 5-140 viktprocent av den zwitterjoniska tensiden med formeln I.

5. En vattenbaserad vätska enligt något av kraven 1-4, kännetecknad därav, att i de anjoniska tensiderna betecknar

6. En vattenbaserad vätska enligt något av kraven l-5, kännetecknad därav, att elektrolyten är närvarande i en mängd av 0.005 till l.O viktprocent.

7. Användning av en tensidkomposition som innehåller en zwitterjonisk tensid med formeln där R är en grupp innehållande en mättad eller omättad kol- vätegrupp eller acylgrupp med 20-24 kolatomer, Ršoch R7är oberoende av varandra en alkylgrupp med 1-4 kolatomer eller en hydroxialkylgrupp med 2-4 kolatomer och Ru är en alkylen- grupp med l-4 kolatomer, och O-140 viktprocent av den zwitterjoniska tensiden med formeln I av en annan zwitterjonisk tensid med formeln R 6 I R' 'N R, coo' I R där R" är en grupp innehållande en mättad eller omättad kolvätegrupp eller acylgrupp med lO-19 kolatomer och RM R? och Rahar den ovan angivna betydelsen, i kombination med en anjonisk tensid med den allmänna strukturen R1(oA)nB, R1o(Ao)ncmH2mD, R3NH(Ao>ncHD or RIE m zm 10 15 20 25 30 (fl ÖJ *à (_51 \\ \Û 14 eller en blandning därav, där R1 är en kolvätegrupp med 10-24 kolatomer, Ršär en acylgrupp med 10-24 kolatomer, A är en alkylengrupp med 2-4 kolatomer, n är ett tal från 1 till 10, m är ett tal från l till 4, B är en sulfatgrupp OSOQL D är en karboxylatgrupp COOM, E är en sulfatgrupp OSO;¶ eller en sulfonatgrupp -SOyIoch M är en katjonisk grupp, i ett viktförhàllande mellan den totala mängden av de zwitterjoniska tensiderna med formlerna I och II och den totala mängden av de anjoniska tensiderna från lOO:l till 1:2, som ett friktionsnedsättande medel i en vattenbaserad vätska som innehåller b) 5-35 viktprocent av en glykolförening med formeln HO(CJgOLfi, där n är 1-4, c) 65-95 viktprocent vatten och d) 0-4 viktprocent av en Oorganisk vattenlöslig elektrolyt.

8. Användning enligt krav 7, där den zwitterjoniska tensiden med formeln I har formeln CH I R-NÜ%HLCOO' I CH3 där R är en alifatisk grupp med 20-24 kolatomer eller en 3 (III) grupp R'NHC}Q, där R' är en acylgrupp med 20-24 kolatomer.

9. Användning enligt krav 7 eller 8, där den zwitterjoniska tensiden med formeln II har formeln lO 15 20 25 30 U1 I -. _.) L Cñ \O 15 där R" är en alifatisk grupp med 12-19 kolatomer eller en grupp R"'NHC;g, där R"' är en acylgrupp med 12-19 kolatomer, och är närvarande i en mängd av 5-140 viktprocent av den zwitterjoniska tensiden med formeln I.

10. En tensidkomposition innehållande en zwitterjonisk tensid med formeln där R är en grupp innehållande en mättad eller omättad kol- vätegrupp eller acylgrupp med 20-24 kolatomer, Rsoch R,är oberoende av varandra en alkylgrupp med 1-4 kolatomer eller en hydroxialkylgrupp med 2-4 kolatomer och R,är en alkylengrupp med 1-4 kolatomer, och 5-140 viktprocent av den zwitterjoniska tensiden med formeln I av en annan zwitterjonisk tensid med formeln R 6 I R' 'N R, coo* I R7 där R" är en grupp innehållande en mättad eller omättad kol- vätegrupp eller en acylgrupp med 10-19 kolatomer och RW Rv och ,har den ovan angivna betydelsen, i kombination med en anjonisk tensid med den allmänna strukturen Rl(oA)nB, Rlo(Ao)ncmH2mD, R3NH(Ao)ncH D or RIE m 2m eller en blandning därav, där RK är en kolvätegrupp med 10-24 kolatomer, Ršär en acylgrupp med 10-24 kolatomer, A är en alkylengrupp med 2-4 kolatomer, n är ett tal från 1 till 10, m är ett tal från 1 till 4, B är en sulfatgrupp OSOQL D är CT! NJ __; (Iï CW \O 16 en karboxylatgrupp COOM, E är en sulfatgrupp OSOJfl eller en sulfonatgrupp -SO)¶och M är en katjonisk grupp, i ett viktförhàllande mellan den totala mängden av de zwitterjoniska tensiderna med formlerna I och II och den totala mängden av de anjoniska tensiderna från lOO:l till 1:2.