齒輪潤滑劑的制作方法
【專利摘要】提供齒輪油組合物。所述組合物包含主要量的包含礦物基礎(chǔ)油和聚丁烯的混合物的基礎(chǔ)油；和基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.1-0.5重量%的炭黑。所述組合物可提供改善的粘度穩(wěn)定性。
【專利說明】齒輪潤滑劑
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)通常涉及適合用作潤滑劑，特別是開式齒輪潤滑劑的組合物。
[0002]背景
[0003]開式齒輪潤滑油和潤滑脂用于在重負(fù)荷下采用大型緩動(dòng)齒輪的機(jī)器中。顧名思義，齒輪對(duì)大氣開放。開式齒輪潤滑劑經(jīng)受特別嚴(yán)格的操作條件。潤滑劑不僅必須執(zhí)行其使在移動(dòng)表面之間的摩擦和金屬間接觸最小化的基本功能，而且其還必須能夠在寬溫度范圍內(nèi)且在高負(fù)荷條件下操作。
[0004]開式齒輪潤滑劑的基本要求是機(jī)械剪切穩(wěn)定性。剪切穩(wěn)定性是油在高剪切下抵抗永久性粘度損失的能力的度量；油剪切越穩(wěn)定，在經(jīng)受剪切時(shí)粘度損失就越小。如果潤滑劑的粘度在操作期間下降太多，則齒輪不會(huì)被充分潤滑且操作者不會(huì)知道這種情形將在何時(shí)發(fā)生。如果潤滑劑的粘度在操作期間趨于以受控方式上升，則操作者將能夠例如通過在齒輪箱中的通道注意到增稠且在對(duì)齒輪的不利影響最小的情況下矯正該情形。 [0005]對(duì)于大多數(shù)開式齒輪應(yīng)用需要高膠粘性潤滑劑。通常，所述潤滑劑為重油、基于浙青的化合物或軟潤滑脂。隨著煉油廠從溶劑精制轉(zhuǎn)向較新工藝，重油如重汽缸油的利用度降低?？衫?C8-C12直鏈α-烯烴生成的高粘度合成聚α-烯烴(PAOs)。這些PAOs具有良好的剪切穩(wěn)定性，但其由于直鏈α-烯烴原料的高成本而昂貴。高粘度聚異丁烯(PIBs)也可作為重油供選物使用。
[0006]可將高粘度基料與低粘度基料共混以增加低粘度原料的粘度。需要在不必使用非常昂貴的PAOs的情況下提供具有良好剪切穩(wěn)定性的開式齒輪潤滑劑。
[0007]概述
[0008]一方面，提供齒輪油組合物，其包含主要量的包含礦物基礎(chǔ)油和聚丁烯的混合物的基礎(chǔ)油；基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.1-0.5重量％的炭黑；和基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.001-30重量％的選自分散劑、清凈劑、消泡劑、抗氧化劑、防銹劑、金屬鈍化劑、極壓劑、摩擦改進(jìn)劑及其混合物的至少一種添加劑。
[0009]另一方面，提供改善齒輪油組合物的粘度穩(wěn)定性的方法，其包括將基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.1-0.5重量％的炭黑加到主要量的包含礦物基礎(chǔ)油和聚丁烯的混合物的基礎(chǔ)油中。
[0010]發(fā)明詳述
[0011]除非另有陳述，否則以下術(shù)語將貫穿本說明書使用并將具有以下含義。
[0012]使用“布氏粘度”來測(cè)定潤滑劑的低剪切率粘度，其可通過ASTM D2983-09 (“對(duì)于通過布氏粘度計(jì)測(cè)量的潤滑劑的低溫粘度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(Standard Test Method forLow-Temperature Viscosity of Lubricants Measured by Brookfield Viscometer)，，)來測(cè)量。
[0013]“運(yùn)動(dòng)粘度”為流體在重力下的流動(dòng)阻力的度量(mm2/s)，其通過ASTM D445_lla(對(duì)于透明和不透明液體的運(yùn)動(dòng)粘度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(和運(yùn)動(dòng)粘度的計(jì)算)(“ StandardTest Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids(andCalculation of Dynamic Viscosity)，，)。
[0014]“粘度穩(wěn)定性”是指當(dāng)經(jīng)受具有本文所述的改進(jìn)的ASTM D5182-97 (2008年重新批準(zhǔn))(“評(píng)價(jià)油的擦傷負(fù)荷容量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(FZG目視法)(Standard Test Method forEvaluating the Scuffing Load Capacity of Oils (FZG Visual Method)，，))時(shí)維持齒輪油組合物的布氏粘度的最小變化的能力。所述齒輪油組合物的布氏粘度的變化小于5%，例如小于2%。
[0015]某礎(chǔ)油
[0016]適合用作齒輪油的基礎(chǔ)油包括至少一種礦物基料和聚丁烯的混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述基礎(chǔ)油含有足夠量的礦物和聚丁烯以使得所述齒輪油組合物在100°c下具有10mm2/s-15mm2/s的運(yùn)動(dòng)粘度。所述組合物包含以主要量的基礎(chǔ)油，即，基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)，所述基礎(chǔ)油的量大于50重量％ (例如,60重量％、70重量％或80重量％)。
[0017]所述礦物油可為任何石蠟油和環(huán)烷油或其混合物。礦物油可通過使通過大氣或真空蒸鎦原油生成的潤滑油餾分進(jìn)行一種或多種煉油工藝?yán)缛軇┟撜闱?、溶劑萃取、加氫裂化、溶劑脫蠟、催化脫蠟、加氫精制、硫酸處理和粘土處理獲得。
[0018]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述礦物油可含有以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)50重量％或更少的量的合成油如聚-α -烯烴、乙烯/ α -烯烴共聚物和基于酯的合成油。
[0019]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述礦物油(或礦物油和/或基于烴的合成油的共混物)具有在100°C下3-120mm2/s的運(yùn)動(dòng)粘度和至少60的粘度指數(shù)。在一些實(shí)施方案中，所述礦物油包含小于10重量％ (例如，小于5重量％、小于1重量％或小于0.5重量％)的一種或多種重質(zhì)餾分。重質(zhì)餾分是指在100°C下具有至少20mm2/s的運(yùn)動(dòng)粘度的礦物油餾分。在一些實(shí)施方案中，所述重質(zhì)懼分在100°C下具有至少25mm2/s或30mm2/s的運(yùn)動(dòng)粘度。
[0020]聚丁烯
[0021]聚丁烯加工油為具有3-8個(gè)碳原子、通常4-6個(gè)碳原子的烯烴衍生單元的低分子量(Mn〈15，000)均聚物或共聚物。所述聚丁烯可為C4精制油(raffinate)的均聚物或共聚物。稱為“聚丁烯”聚合物(在本文中稱為“聚丁烯加工油”或“聚丁烯”)的所述低分子量聚合物的一個(gè)實(shí)施方案例如由J.D.Fotheringham描述在合成潤滑劑和高效功能性流體(Synthetic Lubricants and High-Performance Functional Fluids) (L.R.Rudnick 和R.L.Shubkin 編，Marcel Dekkerl999, 357-392)中。
[0022]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述聚丁烯加工油為至少異丁烯衍生單元、1-丁烯衍生單元和2- 丁烯衍生單元的共聚物。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述聚丁烯為這三種單元的均聚物、共聚物或三元共聚物，其中所述異丁烯衍生單元為所述共聚物的40-100重量％，所述1- 丁烯衍生單元為所述共聚物的0-40重量％，且所述2- 丁烯衍生單元為所述共聚物的0-40重量％。在另一實(shí)施方案中，所述聚丁烯為這三種單元的共聚物或三元共聚物，其中所述異丁烯衍生單元為所述共聚物的40-98重量％，所述1- 丁烯衍生單元為所述共聚物的2-40重量％，且所述2- 丁烯衍生單元為所述共聚物的0-30重量％。在又一實(shí)施方案中，所述聚丁烯為這三種單元的三元共聚物，其中所述異丁烯衍生單元為所述共聚物的40-96重量％，所述1- 丁烯衍生單元為所述共聚物的2-40重量％，且所述2- 丁烯衍生單元為所述共聚物的2-20重量％。 在又一實(shí)施方案中，所述聚丁烯為異丁烯與1-丁烯的均聚物或共聚物，其中所述異丁烯衍生單元為所述均聚物或共聚物的65-100重量％，且所述1-丁烯衍生單元為所述共聚物的0-35重量％。
[0023]有用的聚丁烯加工油通常具有小于10，000 (例如，小于8000或6000)的數(shù)均分子量(Mn)。在一些實(shí)施方案中，所述聚丁烯油具有大于400 (例如，大于700、900、1100、1300、1500、1700、1900或2100)的數(shù)均分子量。例如，在一些實(shí)施方案中，所述聚丁烯具有400-10，000 (例如，700-8000、900-3000 或 1100-2600)的數(shù)均分子量。
[0024]有用的聚丁烯加工油通常在100°C下具有10-6000mm2/s(例如，35-5000mm2/s)的運(yùn)動(dòng)粘度。在一些實(shí)施方案中，所述聚丁烯在100°c下具有至少35mm2/s (例如，至少200mm2/s > 600mm2/s > 800mm2/s > 2000mm2/s 或 2500mm2/s)的運(yùn)動(dòng)粘度。
[0025]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述聚丁烯以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)大于10重量％ (例如，大于10-25重量％、大于10-20重量％或大于10-15重量％)的量存在。
[0026]這種加工油的商業(yè)實(shí)例有Chevron Oronite PIB (San Ramon, CA) ；PARAP0L?
加工油(ExxonMobil Chemical Company, Houston, TX),諸如 PARAP0L? 450、700、950、1300、2400 和 2500 ;DAEUMP0LYBUTENE_? (Daelim Industrial C0.，Ltd.，Korea)，諸如
PB1400、PB2000 和 PB2400 ； IND0P0L? 聚 丁烯(INE0S Oligomers, League City, TX);和
TPC PIB (Texas Petrochemicals，Houston，TX)。
[0027]體
[0028]本文公開的齒 輪油組合物包含炭黑。炭黑由通過在高溫(例如，300°C-1800°C或800°C -1800°C)下短暫地(幾毫秒)加熱原料烴(油、氣等)以轉(zhuǎn)化成碳而獲得的具有小于500nm的平均粒度的黑色顆粒組成。所使用的炭黑的平均粒度通常在10nm和500nm之間。在本文中所使用的“平均粒度”是指炭黑的單位顆粒(the unit particles)的平均直徑，且其為用電子顯微鏡測(cè)量的平均值。炭黑在世界上以商業(yè)量得到。當(dāng)前的全世界產(chǎn)量為約
8.1百萬公噸/年。
[0029]炭黑可與石墨不同。例如，石墨的晶體結(jié)構(gòu)由六方形(或三角多邊形)平板組成，而炭黑由一類具有以復(fù)雜方式聚集的細(xì)晶體的無定形碳的單位顆粒組成，且所述細(xì)晶體具有聚集了具有2nm-3nm的平均直徑的芳族平面分子的多個(gè)層的無規(guī)層狀結(jié)構(gòu)。炭黑還形成具有一起連接到鏈中的單位顆粒的結(jié)構(gòu)，且酸性官能團(tuán)可在顆粒的表面上存在。
[0030]所述炭黑以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.1-0.5重量％ (例如，0.2-0.4重量％)的量存在。如果炭黑含量低于約0.1重量％，則通過加入炭黑改善組合物的剪切穩(wěn)定性的作用將趨于不足。如果炭黑含量高于約0.5重量％，則所述齒輪油組合物太稠，產(chǎn)生不合需要的產(chǎn)物。當(dāng)使用石墨代替炭黑時(shí)，所述齒輪油組合物太稠，產(chǎn)生不合需要的產(chǎn)物。
[0031]其他組分
[0032]所述齒輪油組合物包含0.001-30重量％ (基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì))的一種或多種選自分散劑、清凈劑、消泡劑、抗氧化劑、防銹劑、金屬鈍化劑、極壓劑、摩擦改進(jìn)劑等添加劑，以滿足多種特性，例如與摩擦力、氧化穩(wěn)定性、清潔度和消泡等有關(guān)的特性。
[0033]分散劑的實(shí)例包括基于聚丁烯基丁二酸酰亞胺、聚丁烯基丁二酸酰胺、苯甲基胺、丁二酸酯、丁二酸酯-酰胺及其硼衍生物的分散劑。在使用時(shí)，無灰分散劑通常以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.05-7重量％的量使用。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述分散劑選自多乙多胺(例如，三乙四胺或四乙五胺)與通過使分子量為約700-1400的聚烯烴與不飽和多羧酸或酸酐(例如，馬來酸酐)反應(yīng)制得的烴取代的酸酐的反應(yīng)產(chǎn)物。
[0034]金屬清凈劑的實(shí)例包括含有鈣、鎂、鋇等的磺酸鹽、苯酚鹽、水楊酸鹽的金屬清凈劑。在使用時(shí)，金屬清凈劑通常以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.05-5重量％的量并入。
[0035]消泡劑可任選以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)10-100ppm的量并入。消泡劑的實(shí)例包括但不限于 二甲基聚硅氧烷、聚丙烯酸酯及其氟衍生物和全氟聚醚。
[0036]抗氧化劑的實(shí)施例包括但不限于基于胺的抗氧化劑，例如烷基化二苯胺、苯基-α-萘胺和烷基化苯基-α-萘胺；基于苯酚的抗氧化劑，例如2，6-二叔丁基酚、4，4’ -亞甲基雙-(2，6- 二叔丁基酚)和3- (3，5- 二叔丁基_4_羥基苯基)丙酸異辛酯；和基于硫的抗氧化劑，例如3，3’ -硫代二丙酸二月桂酯；和二硫代磷酸鋅。在使用時(shí)，抗氧化劑以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.05-5重量％的量并入。
[0037]防銹劑可以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0-30重量％的量使用。實(shí)例包括脂肪酸、烯基丁二酸半酯、脂肪酸皂、烷基磺酸鹽、多元醇/脂肪酸酯、脂肪酸胺、氧化石蠟和烷基聚氧乙烯醚。
[0038]金屬鈍化劑的實(shí)例包括噻唑、三唑和噻二唑。所述噻唑和噻二唑的具體實(shí)例包括2-巰基-1，3，4-噻二唑、2-巰基-5-烴基硫基-1，3，4-噻二唑、2-巰基-5-烴基硫基-1，3，4-噻二唑、2，5-雙-(烴基硫基)-1，3，4-噻二唑和2，5-雙-(烴基硫基)_1，3，4-噻二唑。其他合適的銅腐蝕抑制劑包括咪唑啉等。在使用時(shí)，金屬鈍化劑以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.05-5重量％的量并入。
[0039]抗磨劑和/或極壓劑可以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.1-10重量％的量并入。抗磨劑和/或極壓劑的實(shí)例包括無金屬的含硫物質(zhì)，包括硫化烯烴、二烷基多硫化物、二芳基多硫化物、硫化油脂、硫化脂肪酸酯、三硫磷、c2-c8單烯烴的硫化低聚物、硫代磷酸化合物、硫化萜烯、硫代氨基甲酸酯化合物、硫代碳酸酯化合物、亞砜、硫醇亞磺酸酯等。其他實(shí)例包括無金屬的含磷抗磨添加劑和/或極壓添加劑，例如磷酸的酯、磷酸和磷酸酯的胺鹽及上述物質(zhì)的部分和全部硫代的類似物。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述組合物包含酸式磷酸鹽作為抗磨劑，所述抗磨劑具有式#0(1^00(0)011,其中R1為氫或烴基且R2為烴基。
[0040]摩擦改進(jìn)劑可以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.05-5重量％的量并入。實(shí)例包括但不限于基于有機(jī)鑰的化合物、脂肪酸、高級(jí)醇、脂肪酸酯、硫化酯、磷酸酯、酸性磷酸酯、酸性磷酸酯和磷酸酯的胺鹽。
[0041]可將少量如0.5-10重量％ (基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì))的牽引減低劑并入所述齒輪油組合物中。牽引減低劑的實(shí)例包括ExxonMobil’s Norpar?流體(包含普通石蠟)、Isopar?流體(包含異構(gòu)烷烴)、EXXSolTM流體(包含脫芳化烴流體)、VarsolTM流體(包含脂族烴流體)及其混合物。
[0042]降傾點(diǎn)劑可以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.05-10重量％的量并入。實(shí)例包括但不限于乙烯/乙酸乙烯酯共聚物、氯化石蠟與萘的縮合物、氯化石蠟與苯酚的縮合物、聚甲基丙烯酸酯、聚烷基苯乙烯、氯化蠟-萘縮合物、乙酸乙烯酯-富馬酸酯共聚物等。
[0043]所述組合物還可包含以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)10-25重量％的量聚氧烷二醇、聚氧烷二醇醚和酯中的至少一種作為增溶劑。實(shí)例包括二元酸(例如，鄰苯二甲酸、丁二酸、烷基丁二酸、烯基丁二酸、馬來酸、壬二酸、辛二酸、癸二酸、富馬酸或己二酸或亞油酸二聚物)與醇(例如，丁醇、己醇、2-乙基己醇、十二醇、乙二醇、二甘醇單醚或丙二醇)的酯；和5-18個(gè)碳原子的單羧酸與多元醇(例如，新戊二醇、三羥甲基丙烷、季戊四醇、二季戊四醇或三季戊四醇)的酯；聚氧烷二醇酯；和磷酸酯。
[0044]所述組合物還可包含以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.5-10重量％的量的至少一種粘度改進(jìn)劑。粘度改進(jìn)劑的實(shí)例包括但不限于聚甲基丙烯酸酯型聚合物、乙烯-丙烯共聚物、苯乙烯-異戊二烯共聚物、水合苯乙烯-異戊二烯共聚物、聚異丁烯及其混合物的組。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述粘度改進(jìn)劑為重量平均分子量為25，000-150，000且剪切穩(wěn)定性指數(shù)小于5的聚甲基丙烯酸酯與重量平均分子量為500，000-1，000，000且剪切穩(wěn)定性指數(shù)為25-60的聚甲基丙烯酸酯的共混物。
[0045]還可將固體材料如細(xì)分散的二硫化鑰、滑石粉、金屬粉末和各種聚合物如聚乙烯蠟加到所述齒輪油組合物中以賦予特殊的性質(zhì)。
[0046]制造方法
[0047]可將在配制所述齒輪油組合物的過程中使用的添加劑單個(gè)地或以各種次組合共混到基礎(chǔ)油共混物中。在一個(gè)實(shí)施方案中，所有組分使用添加劑濃縮物(即，添加劑加稀釋劑如烴溶劑)同時(shí)共混。使用添加劑濃縮物利用當(dāng)以添加劑濃縮物的形式使用時(shí)通過組合成分提供的相互相容性的優(yōu)勢(shì)。在另一實(shí)施方案中，所述組合物通過在適當(dāng)溫度(例如，60°C)下混合基礎(chǔ)油與添加劑直至均質(zhì)來制備。
實(shí)施例
[0048]給出以下實(shí)施例以說明本發(fā)明。然而，應(yīng)該理解本發(fā)明不限于在這些實(shí)施例中所描述的具體條件或細(xì)節(jié)。
[0049]在FZG擦傷試驗(yàn)之前和之后評(píng)價(jià)多種齒輪油的剪切穩(wěn)定性。潤滑劑用適合在開式齒輪應(yīng)用中使用的常規(guī)添加劑包配制。在進(jìn)行FZG擦傷試驗(yàn)之前和之后測(cè)量各種油的布氏粘度。使用FZG擦傷試驗(yàn)來測(cè)量用于潤滑硬化鋼齒輪的油的擦傷負(fù)荷能力。該試驗(yàn)根據(jù)ASTM D5182-97 (2008年 重新批準(zhǔn))在以下改進(jìn)的情況下進(jìn)行:試驗(yàn)負(fù)荷為10級(jí)，齒輪速度在傳動(dòng)側(cè)為lOOOrpm，且試驗(yàn)齒輪箱用水連續(xù)地冷卻以控制操作溫度。結(jié)果列于表1中。
[0050]表1
[0051]
【權(quán)利要求】
1.齒輪油組合物，其包含:a)主要量的的基礎(chǔ)油，所述基礎(chǔ)油包含礦物基礎(chǔ)油和聚丁烯的混合物；b)基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.1-0.5重量％的炭黑；和c)基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.001-30重量％的選自分散劑、清凈劑、消泡劑、抗氧化劑、防銹劑、金屬鈍化劑、極壓劑、摩擦改進(jìn)劑及其混合物的至少一種添加劑。
2.權(quán)利要求1的齒輪油組合物，其在100°C下具有10mm2/s-15mm2/s的運(yùn)動(dòng)粘度。
3.權(quán)利要求1的齒輪油組合物，其中所述礦物油包含小于10重量％的一種或多種重質(zhì)餾分。
4.權(quán)利要求1的齒輪油組合物，其中所述聚丁烯以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)大于10重量％的量存在。
5.權(quán)利要求1的齒輪油組合物，其中所述聚丁烯具有400-10，000的數(shù)均分子量。
6.權(quán)利要求1的齒輪油組合物，其中所述聚丁烯在100°C下具有35-5000mm2/s的運(yùn)動(dòng)粘度。
7.權(quán)利要求1的齒輪油組合物，其中所述炭黑具有小于500nm的平均粒度。
8.權(quán)利要求1的齒輪油組合物，其中所述炭黑以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.2-0.4重量％的量存在。
9.改善齒輪油組合物的粘度穩(wěn)定性的方法，包括將基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.1-0.5重量％的炭黑加到主要量的包含礦物基礎(chǔ)油和聚丁烯的混合物的基礎(chǔ)油中。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所述礦物油包含小于10重量％的一種或多種重質(zhì)餾分。
11.權(quán)利要求9的方法，其中所述聚丁烯以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)大于10重量％的量存在。
12.權(quán)利要求9的方法，其中所述聚丁烯具有400-10，000的數(shù)均分子量。
13.權(quán)利要求9的方法，其中所述聚丁烯在100°C下具有35-5000mm2/s的運(yùn)動(dòng)粘度。
14.權(quán)利要求9的方法，其中所述炭黑具有小于500nm的平均粒度。
15.權(quán)利要求9的方法，其中所述炭黑以基于所述齒輪油組合物的總重量計(jì)0.2-0.4重量％的量存在。
【文檔編號(hào)】C10M111/04GK103687936SQ201280035022
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月14日
【發(fā)明者】E·S·拉拉 申請(qǐng)人:雪佛龍美國公司