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DE69634442T2 - Biologisch abbaubare schmierflüssigkeiten auf pflanzlicher basis - Google Patents

Biologisch abbaubare schmierflüssigkeiten auf pflanzlicher basis Download PDF

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DE69634442T2
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • (1) GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft biozersetzbare Ölzusammensetzungen auf pflanzlicher Basis, die speziell zum Schmieren von Verbrennungsmotoren verwendbar sind.
  • (2) BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN GEBIETS
  • Die Hauptaufgabe von Motorölen besteht darin, den Metall-Metall-Kontakt zwischen den sich bewegenden Motorteilen untereinander zu verhindern. Bei Fehlen eines Schmiermittels bewirkt die durch das Reiben der sich bewegenden Teile hervorgerufene Reibung einen Verschleiß und erzeugt Wärme, die winzige Unvollkommenheiten auf den sich bewegenden Teilen zusammenschweißt. Die Teile reißen sodann auseinander, werden wieder miteinander verschweißt usw. Dieser Prozess, der als "Fressen" bezeichnet wird, wird, wenn er fortdauern kann, absehbar einen Ausfall des Motors herbeiführen. Motoröle verhindern den Metall-Metall-Kontakt, indem sie einen Film zwischen den sich bewegenden Teilen bilden. Zusätzlich dazu, dass sie die Reibung zwischen den sich bewegenden Teilen verringern, sorgt das Schmiermittel auch für ein Kühlen der Teile, für die Verhinderung einer Korrosion und eine Verbesserung der abdichtenden Wirkung der Kolbenringe.
  • Die Hauptquellen für Motorschmieröle waren traditionell aus Erdöl erzeugte Mineralöle. Die Öle setzen sich hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen zusammen (Paraffine, Naphtene, Asphaltene und Aromaten) und werden durch Destillieren oder Raffinieren von Rohöl hergestellt. Diesen auf Erdöl basierenden Ölen wird eine Unmenge verschiedener Chemikalien zugesetzt, um ihre physikalischen Eigenschaften und ihr Verhalten zu verbessern. Beispielsweise werden polymere Substanzen zur Verbesserung der Viskosität zugesetzt und wirken als Dispergiermittel; feinstzerkleinertes Polytetrafluorethylen (PTFE) wird zugesetzt, um für das Schmiervermögen und einen verringerten Motorverschleiß zu sorgen. Amine, Metallphenate und Zinksalze werden als Antioxidantien zugesetzt, und Erdalkaliphenate werden zum Neutralisieren von Säuren und zur Verringerung des Verschleißes zugesetzt.
  • Auf Erdöl basierende Öle haben eine Reihe von Nachteilen. Das Rohöl, aus denen sie hergestellt werden, ist eine nichterneuerbare Quelle. Die Erde verfügt lediglich über eine begrenzte Zahl von Ölreserven. Darüber hinaus sind auf Erdöl basierende Motoröle hoch toxisch gegenüber der Umwelt und sowohl für Flora als auch Fauna gefährdend. Neuere Untersuchungen zeigten, dass diese Öle carcinogen sind. Schließlich sind auf Erdöl basierende Öle mit ihren chemischen Additiven durch Mikroorganismen, wie sie in der Umwelt natürlich vorkommen, nicht ohne weiteres biozersetzbar. Demzufolge besteht ein großer Bedarf nach einem Motoröl, welches Motoren wirksam schmiert und dennoch gleichzeitig von einer erneuerbaren Quelle kommt, gegenüber der Umwelt nicht toxisch ist und durch in der Natur vorkommende Mikroben in der Umwelt leicht zersetzbar sind.
  • Zusätzlich zu den Mineralölen sind synthetische Fluids als eine zweite Klasse von flüssigen Schmiermitteln entwickelt worden. Synthetische Fluids enthalten Verbindungen, die synthetisch hergestellt worden sind, um eine gewünschte, ihnen innewohnende Eigenschaft, wie beispielsweise thermische Beständigkeit zu erhalten. Oftmals werden sie künstlich zur Verwendung unter extremen Temperaturen, Vakuum, Strahlung und chemischen Umgebungen weiter verarbeitet. Die häufigsten synthetischen Schmiermittel sind Silicone, Polyglykole, Phosphatester, zweibasische Säureester und Silicatester. Synthetische Schmiermittel sind jedoch relativ kostspielig und haben viele der gleichen Nachteile wie auf Erdöl basierende Öle. Sie sind oftmals für die Umgebung der Erde toxisch, sowohl für Flora als auch Fauna gefährdend und durch natürlich vorkommende Mikroben nicht ohne weiteres biozersetzbar.
  • Schließlich sind eine dritte Klasse von flüssigen Schmiermitteln fette Öle. Fette Öle sind Fettsubstanzen, die von Tieren, pflanzlicher Substanz und Fisch extrahiert wurden. Sie werden als "fette Öle" bezeichnet, weil sie ohne Zersetzung nicht flüchtig sind. Allgemein setzen sich fette Öle aus Fettsäuren und Alkoholen zusammen, deren Reste unter Bildung von Fettestern vereint werden. Die Verwendung fetter Öle und speziell von Ölen auf pflanzlicher Basis als flüssige Schmiermittel ist minimal gewesen und war im Allgemeinen auf das Mischen mit Erdöl basierenden Ölen beschränkt. Beispielsweise wird oftmals Rizinusöl mit Erdöl basierenden Ölen gemischt (seit Beginn mit "Castrol" zur Jahrhundertwende). Diese gemischten Formulierungen haben die selben Nachteile wie auf Erdöl basierende Öle.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, indem ein flüssiges Schmiermittel bereitgestellt wird, das gänzlich aus Komponenten auf pflanzlicher Basis besteht. Anders als die konventionellen Schmiermittel bekannter Ausführung wird das Öl der vorliegenden Erfindung auf pflanzlicher Basis von einer erneuerbaren Quelle hergeleitet. Es ist durch in der Umgebung der Erde natürlich vorkommende Mikroben leicht biozersetzbar und für Flora und Fauna nichttoxisch.
  • Das erfindungsgemäße Schmiermittel auf pflanzlicher Basis schließ ein Fettsäure-Grundöl ein, das den überwiegenden Anteil der Zusammensetzung ausmacht (bevorzugt 65% bis 85 Volumenprozent der Zusammensetzung), worin mindestens 75% der Fettsäure eine Kettenlänge von 18 bis 24 Kohlenstoffatomen haben. In die Zusammensetzung ferner einbezogen ist ein pflanzliches Öladditiv, das Hydroxyfettsäuren hat (vorzugsweise 10% bis 30 Vol.-% der Zusammensetzung) und ein pflanzliches, flüssiges Wachsadditiv (bevorzugt 3% bis 8 Vol.-% der Zusammensetzung. Das Grundöl wird bevorzugt von Pflanzen hergeleitet, bei denen es sich um Vertreter der Gattung Brassica und der Familie der Cruciferae (Kreuzblütler) handelt, z.B. Rapssamen, Meerkohl und Raps. Das pflanzlicher Öladditiv, das Hydroxyfettsäuren aufweist, ist vorzugsweise Rizinusöl, Lesquerella-Öl oder Cosmos-Öl. Das flüssige, pflanzliche Wachs-Additiv wird bevorzugt von Jojoba oder Limnanthes alba.
  • Dementsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schmiermittel auf pflanzlicher Basis mit wettbewerbsfähigem Preis, das aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird, das für die Umwelt nichttoxisch ist und biozersetzbar.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines wirksamen flüssigen Schmiermittels für Verbrennungsmotoren.
  • Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der anschließenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen offensichtlich.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die flüssige Schmiermittelzusammensetzung der Erfindung auf pflanzlicher Basis wird anders als Schmiermittel bekannter Ausführung von einer erneuerbaren Quelle hergeleitet und ist für Flora und Fauna nichttoxisch und durch in der Umgebung der Erde natürlich vorkommende Mikroorganismen leicht biozersetzbar. Anfangs wurde das Schmiermittel zur Verwendung in Verbrennungsmotoren und speziell zur Verwendung in 2- und 4-Taktmotoren (z.B. Landrover-Maschinen) und für solche Maschinen entwickelt, die in extrem fragilen Ökosystemen zur Anwendung gelangen (z.B. Wüste, Tundra, Wälder und Feuchtgebiete). Die Erfindung scheint jedoch in allen Formen von Verbrennungsmotoren ein breites Anwendungsspektrum zu haben. Darüber hinaus steht in Aussicht, dass die Schmiermittelzusammensetzung der Erfindung eine Anwendbarkeit als Kettenschmiermittel, Kettensägenöl und Mehrzwecköl finden wird und zur Verwendung in der Hydraulik und bei Schmierfetten zugeschnitten werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Schmiermittel auf pflanzlicher Basis schließt Fettsäure-Grundöl ein, das den überwiegenden Anteil der Zusanmensetzung ausmacht, worin mindestens 75% der Fettsäure eine Kettenlänge von 18 bis 24 Kohlenstoffatomen hat. In die Zusammensetzung ferner einbezogen ist ein pflanzliches Öladditiv, das Fettsäuren hat, sowie ein flüssiges, pflanzliches Wachs-Additiv.
  • Das Grundöl ist die größte Komponente in der Schmiermittelzusammensetzung. Die bevorzugten Prozentanteile des Grundöls werden von der Anwendung abhängen. Bei Anwendungen in kleinen Motoren von 2,6 bis 3,7 kW (3,5 bis 4 PS ("Hauspower") wird der prozentuale Bereich bei 65% bis 85 Vol.-% liegen.
  • Damit das Grundöl eine angemessene Schmierung vermittelt, ist ein höherer Prozentanteil von mindestens 75% von Fettsäuren mit 18 bis 20 Kohlenstoffatomen in der Kette für die Fettsäuren des Grundöls erforderlich. Für die Verwendung als Grundöl bevorzugt sind Rohöle, die von Pflanzen kommen, bei denen es sich um Vertreter der Gattung Brassica- und der Cruciferae-Familie (Kreuzblütler) handelt. Die Vertreter der Familie der Cruciferae (Kreuzblütler) sind insofern einzigartig, dass das Öl, das sie erzeugen, in ihren Triglyzeriden (Fette oder Öle) Eruca-Fettsäure enthalten (die Kette mit 22 Kohlenstoffatomen, einfach gesättigt). Insbesondere enthält Rapssamenöl 20 bis 24% Erucasäuren, während Meerkohl 24 bis 28% Eruca enthält. Erucasäuren haben eine wichtige Funktion insofern, dass sie einem Abbau unter extremen Temperaturbedigungen, die 218°C (425°F) überschreiten können, widerstehen. Rapsöle enthalten weniger als 2% Erucasäure, haben jedoch 65 bis 82% Ölsäure als Fettsäure (Kette mit 18 Kohlenstoffatomen, einfach gesättigt). Obgleich Rapsöl nicht so viel Erucasäure wie Papssamenöl oder Meerkohlöl enthält, funktioniert es in einer ähnlichen Weise, wenn die Temperatur keine extremen Werte erreicht. In jedem der Grundöle sind ebenfalls die Fettsäuren Linolsäure (Kette mit 18 Kohlenstoffatomen, 2 Doppelbindungen oder mehrfach ungesättigt), Linolensäure (Kette mit 18 Kohlenstoffatomen, 3 Doppelbindungen) und einige Palmitinsäuren (Kette mit 16 Kohlenstoffatomen, gesättigt oder keine Doppelbindung) und Stearinsäure (Kette mit 16 Kohlenstoffatomen, einfach gesättigt) enthalten.
  • Darüber hinaus sind mehr als 180 Komponenten in jedem der Grundöle Rapssamenöl, Meerkohlöl und Rapsöl identifiziert worden, die die Funktionsfähigkeit des Grundöls beeinträchtigen können. Obgleich Sojabohnen-, Sonnenblumen- und Safloröle Fettsäureprofile haben, die dem Rapssamenöl, Meerkohlöl und Rapsöl ähnlich sind, sind sie in ihrer Funktion jedoch nicht ähnlich und haben sich anfangs als ein Grundöl für unzureichend erwiesen. Dementsprechend geht man davon aus, dass andere Komponenten des Grundöls als die Triglyzeride die Funktionalität des Öls ebenfalls beeinflussen. Insbesondere ist man der Meinung, dass die Komponenten von Phosphatidylcholinen (Lecithine und Lektine), aliphatischen Alkoholen, Wachsen, Terpenoiden, Saponinen als Detergentien fungieren und freie Fettsäure, die zusätzlich in dem Rapssamenöl, Meerkohlöl und Rapsölen vorhanden sind, diese Öle besonders zur Verwendung als Grundbestandteil in der Schmiermittelzusammensetzung geeignet machen.
  • In die biozersetzbare flüssige Schmiermittelzusammensetzung auf pflanzlicher Basis einbezogen ist ein Öladditiv, das über erhebliche Mengen an Hydroxyfettsäuren verfügt (die eine OH-Gruppe dort enthalten, wo normalerweise von einem Kohlenstoffatom ein Wasserstoffatom abzweigt). Wie das Grundöl wird auch das Öladditiv von einer pflanzlichen Quelle hergeleitet. Die Hydroxyfettsäuren tragen dazu bei, den Abbau der Öle bei hohen Temperaturen zu verändern. Vorzugsweise machen die Öladditive bis zu 10 bis 30% der Gesamtzusammensetzung (bezogen auf Volumen) aus. Castor Lesquerella-Öl und Cosmos-Öl enthalten jeweils Hydroxyfettsäuren und können als das Öladditiv für die Schmiermittelzusammensetzung verwendet werden.
  • Ebenfalls entscheidend für die biozersetzbare, flüssige Schmiermittelzusammensetzung auf pflanzlicher Basis ist eine Quelle für flüssiges, pflanzliches Wachs. Diese Wachse setzen sich aus Estern aliphatischer Alkohole und Fettsäureketten mit einer Menge von im Allgemeinen bis zu 30 Kohlenstoffatomen zusammen. In Jojoba kann ein Alkohol eine Länge von 20 bis 26 Kohlenstoffatomen haben und mit einer Fettsäure vereint werden, deren Länge von 16 bis 22 Kohlenstoffatome varriert. Diese Wachse verbessern die Viskosität und neigen zum Binden an Metallen, wodurch einem Verschleiß entgegen gewirkt wird. Sulfoniertes Jojoba (worin eine normale Säure COOH durch eine stärkere Säure, z.B. CSO4, am Ende der Fettsäure ersetzt ist) fungiert als ein Viskositätsverbesserer für das Öl.
  • Wenn diese Komponenten der Schmiermittelzusammensetzung auf pflanzlicher Basis gemischt werden, ist es wahrscheinlich, dass etwaige freie Fettsäuren, die verfügbar sind, sich mit den bereits vorhandenen Diglyzeriden (die zusätzliche Triglyzeride bilden) verbinden oder mit aliphatischen Alkoholen unter Bildung von noch mehr Wachs verbinden. Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass die Fettsäure enthaltenden Triglyzeride des Grundöls mit den Triglyzeriden der Hydroxyfettsäuren unter Absenkung der Viskosität reagieren. Bei der Ausführung der chromatographischen Analyse des angesetzten Öls sind ungewöhnlich methylierte freie Fettsäuren beobachtet worden. Pflanzliche Fetsäuren treten mit geraden Zahlen auf, während die graschromatische Analyse dieses Öls ungeradzahlige Ketten zeigte, wie beispielsweise eine Kette mit 17 Kohlenstoffatomen, was wiederum auf eine chemische Veränderung der Grundölkomponenten hinweist. Obgleich das nicht vollständig verstanden wird, wird angenommen, dass Reaktionen zwischen den drei verschiedenen Komponenten der Zusammensetzung unter Verstärkung der Fähigkeit der Zusammensetzung auf pflanzlicher Basis zusammenwirken, um als ein wirksames Schmiermittel zu wirken.
  • Erste Tests der Ölzusammensetzung auf pflanzlicher Basis in kleinen Zweitaktmotoren (2,6 bis 3,0 kW (3,5 bis 4 Hp)) zeigen, dass die Ölzusammensetzung der vorliegenden Erfindung den Motoren einen bis zu 30% kühleren Lauf als Motore ermöglicht, die mit konventionellen Erdöl basierenden Ölen laufen. Darüber hinaus zeigen die Tests, dass Schmiermittel auf pflanzlicher Basis den Motorverschleiß um schätzungsweise 10 bis 20% gegenüber konventionell geschmierten Motoren verringert. Interessanterweise bleiben die Fettsäureprofile des Schmiermittels auf pflanzlicher Basis nach 20 Stunden Betrieb in einem 2,6-kW (3,5 Hp)-Motor unverändert, während auf Erdöl basierende Schmiermittel in der Regel in der Analyse eine deutliche Veränderung ihrer Zusammensetzung zeigen.

Claims (18)

  1. Biozersetzbare, flüssige Schmiermittelzusammensetzung, insgesamt bestehend aus Produkten auf pflanzlicher Basis, wobei die Zusammensetzung mindestens aufweist: ein pflanzliches Fettsäure-Grundöl, das den überwiegenden Teil der Zusammensetzung ausmacht, wobei mindestens 75% der Fettsäure eine Kettenlänge von 18 bis 24 Kohlenstoffatomen haben; ein pflanzliches Öladditiv, das Hydroxyfettsäuren hat; und ein pflanzliches flüssiges Wachs.
  2. Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 1, bei welcher das Fettsäure-Grundöl ein pflanzliches Fettsäuretriglycerid-Grundöl ist, das 65% bis 85 Vol.-% der Zusammensetzung ausmacht.
  3. Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das pflanzliche Öladditiv 10% bis 30 Vol.-% der Zusammensetzung ausmacht.
  4. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher das pflanzliche flüssige Wachs 3% bis 8 Vol.-% der Zusammensetzung ausmacht.
  5. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher das Grundöl von der Pflanzenfamilie der Cruciferae deriviert ist.
  6. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher das Grundöl Rapsöl ist.
  7. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das Basisöl Rapssamenöl oder Meerkohlöl ist.
  8. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das pflanzliche Öladditiv Rhizinusöl ist.
  9. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das pflanzliche Öladditiv Lesquerella-Öl ist.
  10. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das pflanzliche Öladditiv Kosmosöl ist.
  11. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher das pflanzliche flüssige Wachs Jojobawachs ist.
  12. Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 11, bei welcher das Jojobawachs sulfoniert ist.
  13. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher das pflanzliche flüssige Wachs Wachs von Limnanthes alba ist.
  14. Verfahren zum Verwenden der Schmiermittelzusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche zum Schmieren eines Verbrennungsmotors.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Verbrennungsmotor ein Zweitaktmotor ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Verbrennungsmotor ein Viertaktmotor ist.
  17. Verfahren zum Herstellen einer biozersetzbaren flüssigen Schmiermittelzusammensetzung, insgesamt bestehend aus Produkten auf pflanzlicher Basis, worin ein pflanzliches Fettsäuretriglycerid-Grundöl 65% bis 85 Vol.-% der Zusammensetzung ausmacht, worin mindestens 75% der Fettsäure eine Kettenlänge von 18 bis 24 Kohlenstoffatomen haben, vereint ist mit: einem pflanzlichen Öladditiv, das Hydroxyfettsäuren hat und das 10% bis 30 Vol.-% der Zusammensetzung ausmacht; und einem pflanzlichen flüssigen Wachs, das 3% bis 8 Vol.-% der Zusammensetzung ausmacht.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem das pflanzliche Fettsäuretriglycerid-Grundöl, das pflanzliche Öladditiv und/oder das pflanzliche flüssige Wachs wie in einem der Ansprüche 5 bis 13 festgelegt sind.
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