NO129207B - - Google Patents

Description

Syntetisk smøreoljesammensetning.

Foreliggende oppfinnelse angår syntetiske smøreoljesammen-setninger som brukes i gassturbin- eller jetmotorer. Gassturbinmotorer utsetter- smøremidlet for ekstreme forhold og det dannes indre motortemperaturer på 205-260°C eller høyere. Dette miljø angriper smøreoljen sterkt, slik at de mest avanserte smøreoljesammensetninger på mineraloljebasis ikke kan brukes til gassturbinmotorer.

I det siste har man med hell anvendt smøreoljeblandinger

på basis av syntetiske estere, inneholdende en omhyggelig avpasset blanding av additiver, for smøring av gassturbinmotorer. Disse oljer på esterbasis er' virksomme innenfor et bredt temperaturområde og oppviser høy varmestabilitet, slitasjebestandighet, bæreevne og antioksydasjons-egenskaper samtidig som blandingen gir god smøring.

Med utviklingen av nyere og kraftigere gassturbinmotorer

som tas i bruk innen overlydsflyvning, stilles større krav med hensyn til temperaturbelastning og oksydasjonsbelastning av smøreoljen.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er tilveiebragt en

syntetisk smøreoljesammensetning inneholdende en hoveddel olje på

basis av alifatisk ester med smørende egenskaper, fremstilt ved omsetning av pentaerytritol eller en polypentaerytritol eller trimetylolpropan og en organisk monokarboksylsyre med fra ca. 2 til 18 karbo-atomer pr. molekyl, samt et dialkyldifenylamin, en polyhydroksyantrachinon og et trihydrokarbylfosfat, kjennetegnet ved at den inneholder

a) fra 0,3 til 5 vektprosent av sammensetningen av et

alkyl- eller alkaryl-fenylnaftylamin, hvor alkyl- og alkarylradikalet

har fra 4 til 12 karboatomer,

b) fra 0,3 til 5 prosent av nevnte dialkyldifenylamin,

c) fra 0,001 til 1 prosent av nevnte polyhydroksyantrachinon, og d) fra. 0,25 til 10 prosent av nevnte trihydrokarbylfosfat.

Smøreoljesammensetningen ifølge oppfinnelsen gir vesent-

lige forbedringer i avleiringsmengden, korrosjonsbeskyttelse av rustfritt stål og har fremragende temperatur- og oksydasjonsstabilitet. Disse gode egenskaper blir oppnådd ved en kritisk avbalansert og sammensatt smøreoljeblanding på basis av syntetisk ester. Resultatene var overraskende og uventet fordi de er like gode eller bedre enn egenskapene til en fremragende kjent smøreoljesammensetning på syntetisk esterbasis og ble oppnådd med en oljesammensetning som var avgjørende og kritisk modifisert med hensyn til at blandingen ikke inneholdt et additiv som er betraktet som nødvendig for fremstilling av en kommersielt kjent syntetisk smøreolje, nemlig en smøre-olje som er beskrevet i britisk patent nr. 1.020.526. Det additiv det her menes er et ekvimolekylart salt av 1-salicylalaminoguanidin og en alifatisk karboksylsyre. En vesentlig forskjell ved sammensetningen i nevnte patent og den i foreliggende oppfinnelse, er at det anvendes forskjellige antioksydasjonsmidler hvilket resulterer i forskjellige egenskaper. Således benyttes det i det britiske patent usubstituert fenylnaftylamin, mens det i foreliggende sammensetning anvendes et alkyl- eller alkyl-substituert fenylnaftylamin. Forsøk viser at blant annet bruken av slike forskjellige antioksydasjonsmidler resulterer i at man ved anvendelse av foreliggende sammensetning får en vesentlig lavere grad av avleiring og en større viskositets-

økning enn ved bruk av den kjente sammensetning (kfr. nedenstående tabell I og II hvor "olje E" og "olje F" henholdsvis representerer sammensetningen i det britiske patent og den ifølge foreliggende oppfinnelse).

Hovedkomponenten i smøremidlet i henhold til oppfinnelsen er én væske på esterbasis fremstilt fra pentaerytritol eller trimetylolpropan og en blanding av hydrokarbyl-monokarboksylsyrer. Polypentaerytritoler som dipentaerytritol, tripentaerytritol og tetra-pentaerytritol kan også brukes til reaksjonen for fremstilling av basisoljen.

De hydrokarbonmonokarboksylsyrer som brukes for fremstilling av esterbasisoljen omfatter rettkjedede og forgrenede alifatiske syre, cykloalifatiske syrer og aromatiske syrer, samt blandinger av disse. De syrene som brukes har fra ca. 2 til 18 C-atomer i mole-kylet, fortrinnsvis fra ca. 5 til 10 C-atomer. Eksempler på slike spesielle syrer er eddiksyre, propionsyre, smøresyre, valeriansyre, isovaleriansyre, kaprionsyre, dekanoinsyre, heksadekanoinsyre, vinyl-benzosyre, dodecylbenzosyre, pelargonsyre, heksansyre, cykloheksan-syre, naftensyre, benzosyre, fenyleddiksyre, t-butyleddiksyre og 2-etylheksansyre.

Generelt omsettes disse syrer i mengdeforhold som fører til en fullstendig forestret pentaerytritol eller trimetylolpropan, hvor foretrukne esterbaser er pentaerytritol-tetraestere. Eksempler på slike markedsførte"tetraestere er pentaerytritol-tetrakaproat som fremstilles fra renset pentaerytritol og rå kaprionsyre og inneholder andre C5_]_q monobasiske syrer. Andre egnede tetraestere fremstilles fra teknisk pentaerytritol og en blanding av syrer som omfatter 38 prosent valeriansyre, 13 prosent 2-metylpentansyre, 32 prosent oktansyre og 17 prosent pelargonsyre. Andre effektive estere er tri-esteren av trimetylolpropan hvor trimetylolpropanet er forestret med en blanding av monobasiske syrer bestående av 2 prosent valeriansyre, 9 prosent kaprionsyre, 13 prosent heptansyre, 7 prosent oktansyre, 3 prosent kaprylsyre, 65 prosent pelargonsyre og .1 prosent kaprinsyre. Trimetylolpropan-triheptanoat, trimetylolpropan pentanoat og tri-metylolpropanheksanoat er også egnede basisestere.

Basisesteren utgjør hoveddelen -av den ferdig sammensatte syntetiske oljesammensetning på esterbasis. Generelt utgjør basisesteren 90 til 98% av sammensetningen..

Den essensielle alkyl- eller alkaryl-fenylnaftylaminkompo-nent i smøremidlet i henhold til oppfinnelsen har formelen

hvor R betegner et alkyl- eller alkarylradikal med fra 4 til 12 C-atomer. Denne gruppe kan være rettkjedet eller forgrenet, men hvor tertiært alkylstrukturen foretrekkes, eller kan være et alkarylradikal. Naftylaminet kan være enten a- eller 3-naftylamin. Spesielle effektive forbindelser innenfor denne klasse omfatter N-p-t-oktyl-fenyl-a-naftylamin, N-(p-a-kumylfenyl)-6-a-kumyl-B-naftylamin, N-p-t-oktylfenyl-3-naftylamin og tilsvarende p-t-dodecylfenyl-, p-t-butylfenyl-, og p-dodecylfenyl-a- og -g-naftylaminer. Foretrukne konsentrasjoner av denne komponent er fra ca. 0,5 til 2,5%. En annen essensiell bestanddel i smøreoljesammensetningen ifølge oppfinnelsen er et dialkyldifenylamin. Disse forbindelser

hvor R betegner et alkylradikal med fra ca. 4 til 12 C-atomer. Egnede alkylaminer er dioktyldifenylamin, didecyldifenylamin, didodecyldi-fenylamin, diheksyldifenylamin og lignende forbindelser. Dioktyldifenylamin er den foretrukne forbindelse dg den foretrukne konsentrasjon 0,5 til 2, 0%.

Den essensielle metalldeaktivator i'smøreoljesammenset-ningen er et polyhydroksyantrachinon. Egnede forbindelser innenfor denne klasse er dihydroksyåntrachinoner som 1,4-dihydroksyantrachinon, også kjent som chinizarin, 1,5-dihydroksyantrachinon og 1,8-dihydroksyantrachinon,' og høyere polyhydroksyantrachinoner. Den foretrukne konsentrasjon av denne komponent ligger mellom ca. 0,01 og 0,5 vektprosent .

Den avsluttende kritiske komponent i smøreoljesammensetning-en i henhold til oppfinnelsen er en hydrokarbylfosfatester, mer spesielt et trihydrokarbylfosfat hvor hydrokarbylradikalet er alkyl, aryl, alkaryl, cykloalkyl eller aralkyl, eller blandinger av disse med fra 2 til 12 C-atomer, fortrinnsvis fra 4-8 C-atomer. Effektive spesielle forbindelser er trikresylfosfat, kresyldifenylfosfat, trifenylfosfat, tributylfosfat, tri(2-etylheksyl)-fosfat og tri-cykloheksylfosfat. Disse forbindelser foreligger fortrinnsvis i smøreoljesammensetningen i konsentrasjoner på mellom ca. 0,5 og 5%•

Smbreoljesammensetningen i henhold til oppfinnelsen ble provet med henblikk på oksydasjons- og korrosjonsbestandighet ved oksydasjons-korrosjons-prbver og med henblikk på avleiringer og termostabilitet ved 1.5 Erdco lagerprove (1.5 Erdco Bearing Tests) og Erdco sorteringsprove (Erdco Screening Tes.t) beskrevet nedenfor.

Oksydasjons-, og. korrosjonsprbven ved .204,5°C/72 timer

og 2l8,5°C/72 timer, gjennomføres i henhold til. metode .5308.4 i Federal Test Method and Standard No. 791a (av 31. desember 1961), bortsett ,fra modifikasjoner i henhold .til MIL-L-23699B. Badtém-peraturen holdes på respektivt 204,5 og 218,5°C. - 0,5°C (400 og 425°F - 1°F), i stedet"for ved 121°C og forsøkene gjennomføres over et tidsrom på 72 timer i stedet for 168. timer som spesifisert i originalprbven.

Erdco sorteringsprove brukes- for testing av smbreolje-sammensetninger og består i å sirkulere en smbreolje under regu-lerte og kontrollerte betingelser i et bestemt tidsrom gjennom et gjennomluftet testkammer som inneholder et oppvarmet aluminiums-rbr. Ved avslutning av forsbket granskes tre bestemte områder.på aluminiumsrøret visuelt., og eventuelle avleiringer eller flekk-dannelser noteres og bedbmmes numerisk med karakterangivelse.

Apparaturen som brukes til denne prove er i det vesent-lige Wrigrfc Air Development Center Deposition Test Rig (avleirings-forsbksapparatur ifblge Wright Air Development, Center) som beskrevet i Federal Test Method Standard, metode 5003.med fblgende modifikasjoner: 1) Ledningsfilteret erstattes med et aluminiumsrør 89 cm langt og 4,76 mm i diameter. 2) Reservoirkolhen erstattes med en gradert 100 ml etter-fyl^ingsbeholder. 3) Oljekjbleren brukes bare for kjbling ay oljen på slutten av forsbket.

4) "På-av"-bryteren for oljetemperatur brukes ikke.

5) Filtertrykfcmåleren frakoples.

Patronvarmerenden på avleiringsrbret settes inn i en chuck som roterer med 17.00 til 1800 omdreininger pr. minutt. Alle avleiringer fjernes fra avleiringsrbret med silisiumkarbid nr. 400 papir fulgt av avstbving med en ren myk klut. Luftstrømmen reguleres, til innføring.av 300 ml pr. minutt mettet luft,med atmos-færetrykk og temperatur 49 - 2,7°C (120 <-> 5°F) og temperaturregu-

lator på 274°C

Apparaturen skylles med en oljeladning i 10 minutter og påfylles frisk olje ved oppfylling av det graderte reservoir til 100 ml merket. Oljenivået i avleiringskaret reguleres til det står omkring 1,25 cm over bunnen i glasset.

Fremgangsmåten ved forsoket er som folger:

Man slår på avleiringsvarmeroret og innstiller regula-toren på 149°C (300°F). Man holder temperaturen i 5 minutter og innstiller på 204°C (400°F). Man fortsetter til en temperatur på 316°C (600°F) er nådd. Etterhvert som forsoksoljen oppvarmes og utvides, tappes det av olje slik at man holder et nivå 63 mm over bunnen i avleiringsglasset. Man holder likevekts-temperaturforhold ved hjelp av ovnstemperaturen og riktig oljenivå, som dekker avleiringsrbret som omtalt ovenfor. Etterhvert som fordampning finner' sted tilsettes ny olje fra beholderen fo'r å holde riktig nivå. Etter 6 timers kjbring slås avleiringsvarmeren av, man slår på vannkjoler og lar utgående oljetemperatur synke til 122°C. Man slår av alle brytere og luft- og vanntilfbrsler.

Etter ca. 18 timers avbrutt prove, gjenopptas forsoket

på samme måten som for opprinnelig start og man fortsetter prbven under standardforhold som angitt i nye seks timer. (Man vil even-tuelt tilsette 5 til 10 ml ny olje til den brukte oljen for å bringe oljenivået opp til 1,25 cm over bunnen av avleiringsglasset). Etter avsluttet oppvarming slås varmeroret av, oljen kjoles og luftstrømmen stanses. Den brukte olje tappes av og avleiringsrbret tas ut fra beholderen. Avleiringsrbret senkes i n-pentan til alle synlige spor av olje er fjernet og blir deretter luft-tbrket.

Avleiringsrbret betraktes på forsiden som vendte inn

mot luftinnlbpet i avleiringsbeholderen. For å bedbmme avleiring-ene anbringes en sjablong med 1/2" graderinger over disse områder med 1 l/2" linjen anbragt på kontaktflaten damp/olje. Hvert halv^ toms segment bedbmmes numerisk med henblikk på type og tykkelse avleiring på dette område. Hvis avleiringenes bedbmmelseskarak-ter varierer innenfor et segment, brukes det hbyeste tall. Man knytter en vektfaktor til hvert av de tre, hovedområder for å få

me(d forskjeller i deres relative betydning. Den samlede avleiringskarakter fåes ved å legge sammen karakterene for hovedområdene og multiplisere med vektfaktoren. Summen av tre områdekarakterer

dividert med- '2 gir: total avleiringskarakter.

Bedbmmelsesskalen for avleiringsrbret er oppfort i fblgende tabell:

Porsbksresultatene viser god reproduserbarhet og god overensstemmelse med data fra Erdco lagerprbve under betingelsene type 1.5 med hensyn på flekkdannelse og kulldannelse.

Basisoljen A i smbreoljesammensetninger testet nedenfor var en teknisk kvalitet pentaerytritol inneholdende en mindre mengde dipentaerytritol forestret med en blanding av fettsyrer som i molprosent inneholdt ca. 38 $ valeriansyre, 13 i° 2-metylpentansyre, 32 $ n-oktansyre og 17 i° pelargonsyre, med en midlere

■ syre-C-kjedelengde'"på ca. 6,5. Basisoljen hadde fblgende egenskaper

Basisolje B var en teknisk kvalitet pentaerytritol forestret med en blanding av fettsyrer som i molprosent inneholdt ca. 12 % isovaleriansyre, 27 $ valeriansyre, 8 i° kaprionsyre, 14 i° heptylsyre, 19 $ kaprylsyre og 13 i° pelargonsyre..

Basisolje C var en teknisk pentaerytritol forestret med en blanding av fettsyrer som i molprosent inneholdt ca. 8 $ isovaleriansyre, 23 i° valeriansyre, 20 $ kapronsyre, 27 i° heptylsyre, 7 i° kaprylsyre og 16 % pelargonsyre.

Sammensetningen av oppfinnelsens smbreoljer og sammen-ligningsoljer, samt resultater fra oksydasjons-korrosjons-prbvene er angitt i tabell I nedenfor. Smbreoljene E, G, H og I representerer foreliggende oppfinnelse.

Basisoljen D var en .teknisk pentaerytritol forestret med en blanding av fettsyrer som i'molprosent inneholdt ca. 18 $ isovaleriansyre, 39 i° valeriansyre, 2 $ kaprylsyre og 40 <<>fo pelargonsyre.

Smøreoljene A, B, C og D oppfyller ikke de militære spesifikasjoner-for oksydasjons-korrosjons-prover, særlig ved at de har meget dårlig viskositetskonstans og hby syredannelse. Oljen A oppfyller heller ikke korrosjonsspesifikasjonene med henblikk på kobber og magnesium. Disse olje sammensetninger viser de snevre krav som stilles til de fire additivkomponenter i henhold til oppfinnelsens oljesammensetning. Smøreoljene E, G, H og I er eksempler på sammensetninger i henhold til oppfinnelsen og de er like gode som eller bedre enn en fremragende markedsfbrt og kjent syntetisk esterbasert olje anfort i sammenligningen.

Avleiiringsegenskapene ■ f or oppfinnelsens esterbaserte smoreoljesammensetninger og markedsførte kjente syntetiske esterbaserte oljer ble sammenlignet ved Erdco avleiringsproven beskrevet oTanfor og Erdco lagerprbven, type: 1.5. Disse resultater- r?r oppfort i tabell II nedenfor:

Alle olje sammensetningene i henhold til oppfinnelsen oppfyller de gjeldende militære spesifikasjoner. Videre hadde de bedre karakterer enn en kjent smoreolje på esterbasis, smoreolje F.

Smoreoljesammensetningene C og E og en kjent esterbasert olje ble sammenlignet med hensyn på korrosivitet på rustfritt stål ved "410 Stainless Steel Corrosion Test" (korrosjonsprove for rustfritt stål, nr. 410). Ved dette forsok ble plater (2,5 x 15 x 0,32 cm) fremstilt av rustfrie stålplater nr. 410, som tilfredsstiller Aerospace Material Specification 5504 med Brinell-hårdhet på ca. B76 og overflatebehandling på 2D. To proveplater veies til nærmeste 0,1 mg og anbringes i en nikkelbombe sammen med 65 ml av den olje som skal proves. Oljen i bomben oppvarmes til 260°C og holdes ved denne temperatur i 72 timer. Deretter avkjbles oljen til romtemperatur, 5 ml olje tas ut for å bestemme total syretall og bomben inneholdende proveplater settes tilbake ved 260°C i nye 72 timer. Deretter avkjbles bomben og platene renses og veies til nærmeste 0,1 mg. Oljens viskositet ved 38°C og totalt syretall for oljen måles. Resultatene er oppfort i tabell III.

Ovenstående forsbk viser den vesentlig bedre evne hos smoreoljesammensetningen ifblge oppfinnelsen til å hindre korro-sjon av rustfritt stål nr. 410 sammenlignet med denne evne hos en kjent markedsfbrt olje og en lignende oljesammensetning som ikke inneholdt trikresylfosfat.

Smoreoljesammensetningen i henhold til oppfinnelsen er særlig god med hensyn på oksydasjonsstabilitet, korrosjonsbeskyttelse og lav avleiringstendens som riet fremgår av de anfbrte forsbk. Smoreolje E er godkjent undtr,U.S. Navy's MIL-L-23699B-spesifikasjoner og spesifikasjoner tii Pratt og Whitney Aircraft 521B, og oljene G og H oppfyller også disse spesifikasjoner.

Claims (3)

1. Syntetisk smøreoljesammensetning inneholdende en hoveddel olje på basis av alifatisk ester med smørende egenskaper, fremstilt ved omsetning av pentaerytritol eller en polypentaerytritol eller trimetylolpropan og en organisk monokarboksylsyre

med fra 2"til 18 karboatomer pr. molekyl, samt et dialkyldifenylamin, en polyhydroksyantrachinon og et trihydrokarbylfosfat, karakterisert ved at den inneholder

a) fra 0,3 til 5 vektprosent av sammensetningen av et alkyl- eller alkaryl-fenylnaftylamin, hvor alkyl- og alkarylradikalet har fra 4 til 12 karboatomer, b) fra 0,3 til 5 prosent av nevnte dialkyldifenylamin, c) fra OjOOl til 1 prosent av nevnte polyhydroksyantrachinon, og d) fra 0,25 til 10 prosent av nevnte trihydrokarbylfosfat.

2. Smøreoljesammensetning som angitt i krav 1, karakterisert ved fra 0,5 til 2,5 prosent substituert naftylamin.

3. Smøreolj esammensetning som angitt i krav 1 f-!.] ;r 2, karakteris, ert ved fra til 2,0 prosent dialkyldifenylamin.