ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И НЕСУЩИХ НАГРУЗКУ Российский патент 2002 года по МПК C10M105/38 C10N40/08 

Изобретение относится к гидравлическим жидкостям. Изобретение относится также к способу получения гидравлической жидкости и ее использования с определенным назначением.

Гидравлическая жидкость известна своим назначением в качестве средства передачи энергии или несения нагрузки в различных системах. Гидравлическую жидкость используют в различных стационарных и подвижных машинах, таких как цилиндры возвратно-поступательного движения или гидравлические двигатели вращения.

Кроме передачи энергии к функциям гидравлической жидкости относятся смазка подвижных частей узлов машин и их охлаждение.

Гидравлическая жидкость должна отвечать следующим требованиям:
1. Приемлемая вязкость при различных температурах.

2. Достаточная устойчивость к воздействию давления.

3. Свойства пеноподавления.

4. Содержать ингибитор окисления.

5. Содержать ингибитор коррозии.

6. Инертность по отношению к другим материалам.

В дополнение к указанным свойствам в последние годы особенно стала актуальной устойчивость к биодеструкции, в частности применительно к гидравлическим жидкостям машин, работающим на открытых пространствах.

Известен патент Финляндии 95367, описывающий способ изготовления синтетического сложного эфира из растительного масла. В публикации представлен способ производства сложного эфира триметилпропана рапсового масла путем трансэтерификации, начиная со смеси низших сложных алкиловых эфиров жирных кислот рапсового масла, полученных трансэтерификацией растительного масла низшими спиртами. Указанная публикация относится также к производству метиловых сложных эфиров таллового масла, но в ней нет упоминания о реакциях трансэтерификации и в ней отсутствуют указания по дальнейшей обработке или использовании метиловых сложных эфиров.

Ближайшим аналогом представляется патент США 4783274, описывающий состав гидравлической жидкости на основе сложных эфиров (глицеринов смеси жирных кислот), содержащий присадки - ингибиторы коррозии и окисления, пеноподавляющий агент и смазывающие присадки.

Технический результат, преследуемый настоящим изобретением, заключается в разработке гидравлической жидкости, исходным материалом для производства которой производство располагает в избытке и которое обладает хорошей устойчивостью к биодеструкции.

Другим техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа изготовления такой гидравлической жидкости простыми средствами при минимуме промежуточных реакций.

Указанные технические результаты достигают гидравлической жидкостью на основе натуральных сложных эфиров жирных кислот, а основу для ее изготовления выбирают из ряда следующих сложных эфиров таллового масла или их смесей:
сложного эфира полигидроксильных соединении неопентана, таких как
сложного эфира триметилолпропана (эфира ТМП),
сложного эфира пентаэритрита,
сложного эфира триметилолэтана,
сложного эфира триметололбутана,
сложного эфира неопентилгликоля, и
сложного эфира поли(этиленгликоля),
и которая также содержит по крайней мере ингибитор окисления, ингибитор коррозии, пеноподавляющий агент и смазывающий агент высокого давления.

Кроме этого, основа для ее изготовления представляет сложный эфир полигидроксильного соединения неопентана.

Сложный эфир таллового масла является конечным продуктом простой этерификации таллового масла.

К основе добавляют низший сложный эфир таллового масла, обладающего более низкой величиной вязкости, чем основной материал, такой как сложный эфир этиленгликоля.

Гидравлическая жидкость содержит 90-99 вес.% сложных эфиров таллового масла при том, что оставшаяся доля соответствует содержанию добавок для улучшения свойств гидравлической жидкости.

В качестве ингибитора окисления используют Аддитин^® RC 9308, Аддитин^® RC 7110, Аддити ^® RC 6301 или любую смесь с их использованием, или вещество с добавкой активного агента, имеющего отношение к указанным веществам или их комбинаторным сочетаниям.

Кроме этого, указанные технические результаты достигают способом изготовления гидравлической жидкости путем этерификации начального агента, где в качестве начального агента используют талловое масло, которое этерифицируют одним или несколькими из нижеприведенных многоатомных спиртов:
полигидроксильным соединением неопентана, таким как
триметилолпропан (ТМП),
пентаэритрит,
триметилолэтан,
триметололбутан,
неопентилгликоль, и
поли(этиленгликолем),
и далее вводят добавки для улучшения свойств гидравлической жидкости.

В качестве многоатомного спирта, используемого для этерификации, используют полигидроксильное соединение неопентана.

Процесс этерификации проводят путем простой этерификации кислот таллового масла.

Кроме этого, указанные технические результаты достигают конкретным использованием материала, содержащего сложный эфир таллового масла с полигидроксильным соединением неопентана, такого как сложный эфир триметилопропана, сложный эфир пентаэритрита, сложный эфир триметилоэтана, сложный эфир триметилобутана, сложный эфир неопентилгликоля, или сложного эфира поли(этиленгликоля) в качестве основы с добавками ингибитора окисления, ингибитора коррозии, пеноподавляющего агента и смазывающего агента высокого давления в качестве гидравлической жидкости для устройств высокого давления, предназначенных для передачи энергии или несущих нагрузку.

Было обнаружено, что этерификация ди- или многоатомных спиртов, содержащих в молекуле по крайней мере пять атомов углерода, с талловым маслом дает возможность получать гидравлическую жидкость с приемлемой вязкостью в рабочем диапазоне температур, приобретающую особенную эксплуатационную привлекательность при введении определенных добавок. Кроме этого, было обнаружено, что вязкость получаемого масла может регулироваться добавлением небольших количеств некоторых низших сложных эфиров таллового масла, в частности его сложных эфиров этиленгликоля. Низшие сложные эфиры относятся к сложным эфирам, полученным в основном с использованием бивалентных (дигидроксильных) спиртов и имеющих меньшее количество атомов углерода, чем полиоли, перечисленные выше, или одновалентных, в углеродных цепях которых может находиться большее количество атомов углерода. Такой сложный эфир имеет естественное более низкое значение вязкости, чем перечисленные выше полиолевые сложные эфиры.

Используемые для изготовления предлагаемой гидравлической жидкости исходные материалы более детально будут рассмотрены далее.

Талловое масло является побочным продуктом сульфатной обработки целлюлозы, получаемое перегонкой мыла, нейтрализованного кислотой и образованного омылением смоловых и жирных кислот. Талловое масло образуется известным способом из жирных кислот, смоловых кислот и неомыляемых компонентов, а процентное содержание различных жирных кислот отличается в зависимости от сортов древесины и вида процесса перегонки. Наиболее типичные композиции содержат 20-40% смоловых кислот, 50-75% жирных кислот и 3-15% неомыляемых компонентов. Жирные кислоты таллового масла включают обычно более чем 3/4 олеиновой и линолевой кислот суммарно, при том, что остальная часть приходится на пальмитиновую и стеариновую кислоты.

Талловое масло получают путем этерификации вышеназванных полиолов с четырьмя по крайней мере атомами углерода в реакции прямой этерификации при достаточно высокой температуре. Двух- или многоатомный спирт или полиол может быть представлен любым из названных выше полигидроксильных соединений неопентана, содержащих по крайней мере пять атомов углерода (триметололпропан, триметилолэтан, триметилолбутан, т.е. триметилолалканы в целом, а также пентаэритрит или неопентилгликоль), или поли-(этиленгликоль) (ПЭГ), который является продуктом полимерной конденсации этиленгликоля с по крайней мере четырьмя атомами углерода (димер) в углеродной решетке.

Ниже приведены примеры некоторых реакций этерификации полигидроксильных соединений неопентана с кислотами таллового масла. В приведенных формулах под Т понимают различные углеродные решетки кислот таллового масла.

Триметилолпропан

Триметилолэтан

Неопентилгликоль

Пентаэритрит
Было обнаружено, что вышеназванные сложные эфиры, в частности полигидроксильные соединения неопентана, проявляют хорошие свойства сепарации воды, т.е. обладают "водоотталкивающим" действием. Это свойство имеет особое значение применительно к гидравлическим жидкостям, в объеме которых часто может присутствовать вода (см. таблицу А).

Изменением длины цепи полиэтиленгликоля (ПЭГ) можно влиять на вязкость композиции, кроме этого могут быть использованы смеси цепей различной длины. При использовании поли(этиленгликоля) может потребоваться добавка деэмульгатора, т.к. ПЭГ склонен к образованию гидромасляных эмульсий.

Свойства могут изменяться добавкой любых из указанных сложных эфиров в необходимой пропорции. Кроме этого, вязкость может быть снижена добавлением вышеназванной основы к низшим сложным эфирам кислот таллового масла (сложного эфира этиленгликоля таллового масла или сложных эфиров таллового масла с одноатомными спиртами). Однако большая доля (более 50 вес.%) приходится на вышеназванные высшие сложные эфиры.

В таблице 1 показаны результаты анализа результатов применения типичных сложных эфиров таллового масла, используемых в качестве основы для гидравлической жидкости.

Добавка к этому сложному эфиру ТМП нижеперечисленных компонентов 1-5 обеспечила результат по вязкости 50,5 при 40^oС и 9,8 при 100^oС при индексе вязкости 185.

В таблице 2 показаны результаты анализа другого материала основы.

Дальнейшее добавление сложного эфира ТМП к низшим сложным эфирам кислот таллового масла обеспечивает переход в класс вязкости 32.

Для улучшения свойств осуществляют добавку к вышеназванным материалам основы следующих компонентов:
1. Ингибитор окисления RC 0308 - 2%
2. Смазывающий агент высокого давления (пограничный агент) Vanlube 672 - 1%
3. Ингибитор коррозии меди Irgamet 39 - 0,05%
4. Пеноподавляющий агент Bevaloid 311 М - 0,1%
5. Депрессант точки твердения Lubrizol 3123 - 0,15%
Представляется очевидным, что можно использовать все имеющиеся на рынке добавки подобного рода и производить их добавку в различных пропорциях. Ингибитор окисления может одновременно включать и ингибитор коррозии. А депрессант точки тумана может оказаться лишним, если гидравлическую жидкость используют в теплых условиях окружающей среды.

Ингибитор окисления является важным компонентом для функционирования гидравлической жидкости. Таблица 3 демонстрирует результаты испытаний по сопротивляемости окислению сложного эфира ТМП таллового масла с добавкой ингибитора окисления типа Additin RC9308 в количестве 1,5 вес%.

Заявляемая гидравлическая жидкость обладает высоким индексом вязкости, а способность противостоять биодеструкции придает ей особую привлекательность, особенно в тех случаях, когда существует риск ее попадания в окружающую среду.

Далее будут более подробно описаны добавки к сложному эфиру таллового масла или смеси сложных эфиров для получения гидравлической жидкости с заданными свойствами.

1. Ингибитор окисления
Преимущественным является ингибитор окисления марки Additin^® RC 9308, производящийся фирмой Rhein Chemie Rheinau GmbH. Германия. Это вещество содержит помимо антиокислителя также и ингибитор коррозии. Вещество содержит приблизительно 1,5 вес. % С12-С14-1-алкиламинов (индекс CAS 68955-53-3), 4 вес. % толилтриазола (индекс CAS 29385-43-1) и 3,4 вес.% трибутил фосфата (индекс CAS 126-73-8). Содержание RC 9308 в масле преимущественно превышает 1,0 вес.%, в основном составляя около 1,5 вес.%. Другими возможными агентами являются RC 7110 и RС 6301, производимые тем же изготовителем. Все названные выше вещества также могут использоваться и в смеси друг с другом, также превышая преимущественно по суммарному содержанию 1,0 вес.%, составляя в основном соответствующую величину около 1,5 вес.%. Смеси содержат в основном комбинации RC 7110+RC 9308 и RC7110+RC 6301.

Добавление RC 9308 к сложному эфиру ТМП в количестве 1,5 вес.% обеспечивает давление кислорода по тесту ASTM D 525 величиной 6,87 атм (за 72 часа) против 0,48 атм без добавок.

2. Смазывающий агент высокого давления (пограничный агент)
В качестве пограничного смазывающего компанента преимущественно используют Vanlube^® 672 (производимый компанией Вандербильт Инк. США), который является смазывающим агентом высокого давления и одновременно антиизносной присадкой фосфатного типа. Вещество представляет собой вязкую жидкость с плотностью 1,05 кг/л при 25^oС. Добавление Vanlube 672 к сложному эфиру ТМП в количестве 1,0 вес. % обеспечивает превышение величины 12 параметра смазывающей способности в соответствии с тестом FZG, являющимся наиболее показательным для определения смазывающих свойств агентов высокого давления. Также можно использовать и другие добавки, например Additin^® 9308 (2.0 вес.%) и Irgamet 39 (0,05 вес.%). Содержание Vanlube 672 предпочтительно выдерживать более 0.5 вес.%, преимущественно в диапазопе между 1,0 и 3,0 вес.%. Безусловно могут быть использованы и другие смазывающие компоненты.

3. Ингибитор коррозии.

Как указывалось выше, ингибитор коррозии, как правило, уже содержится в поставляемых на рынок ингибиторах окисления. В дополнение к сказанному следует отметить значимость так называемой "защиты желтых металлов", в частности ингибитора коррозии меди в составе преимущественно используемого агента Irgamet 39, производимого фирмой Ciba-Geigy AG, Германия. Вещество представляет собой производную толуолтриазола и его присутствия для достижения эффекта достаточно в составе гидравлической жидкости в количестве 0,02-0,05 вес.%.

4. Агент пеноподавления.

Преимущественным пеноподавляющим агентом представляется Bevaloid 311М, производимый фирмой Rhone-Poulenc Chemicals (дисперсия неполярных поверхностно-активных агентов в парафиновом масле с удельным весом 0,79 при 20^oС). Рекомендуется добавление в количестве около 0,1 вес.% с возможностью отклонения в диапазоне 0,05-0,2 вес.%.

5. Денрессант температуры застывания.

Депрессант температуры застывания используют при вероятности эксплуатации гидравлики при низких температурах. Подходящим агентом представляется Lubrizol 3123, производимый компанией Lubrizol Petroleum Chemicals, шт. Огайо, США. Рекомендуемое содержание в районе диапазона 0,05-0,5 вес.%, преимущественно около 0,1-0,2 вес.%.

Далее будут представлены наиболее показательные результаты испытаний заявляемых композиций в отношении свойств, необходимых для гидравлической жидкости. Будут сделаны ссылки на графическое приложение, содержащее графики состояния проводимых испытаний. В состав испытываемой гидравлической жидкости входил сложный эфир триметилолпропана таллового масла (TМП), поставляемый фирмой Forchem Oy, Оулу, Финляндия. Свойства исходного материала определялись следующими характеристиками:
Вязкость (мПа):
при 25^oС - 100
при 40^oС - 48
при 100^oС - 11
ISOVG - 46
Кислотное число: - менее 10 мг КОН/г
Йодное число: - 135 гI₂/100г
Удельный вес: - 0,91 (40^oC)
В исходный материал были введены следующие добавки (в вес.%):
1. Ингибитор окисления Additin RC 9308 - 2%
2. Смазывающий агент высокого давления (пограничный агент) Vanlube 672 - 1%
3. Медный ингибитор коррозии Irgamet 39 - 0,05%
4. Агент пеноподавления Bevaloid 311М - 0,1%
5. Депрессант точки твердения Lubrizol 3123 - 0,15%
Результаты износных испытаний гидравлической жидкости в соответствии со стандартами DIN 51389 и ASTM 2882
Условия износных испытаний полностью соответствовали указанным стандартам за исключением замены регламентируемого насоса типа Vickers V104 насосом Vickers 20VQ, что обеспечило более высокий уровень давления, использованный при данных испытаниях.

Достигнутые параметры:
А. Давление - 210+/-10 атм (3000 фунтов/дюйм²)
В. Температура - 69 -2/+7^oС
С. Вязкость - около 20 сСт
D. Объемный расход - 20+/-1 л/мин
Е. Длительность - 250 часов
Результаты испытаний:
Масса кольца (0 час) (г) - 405,836
Масса лопатки (0 час) (г) - 54,1540
Масса кольца (250 час) (г) - 405,838
Масса лопатки (250 час) (г) - 54,1451
Износ кольца (мг) - -2,0
Износ лопатки (мг) - 8,9
Общий износ (мг) - 6,9
Испытания показали хорошее качество испытуемой партии. Стандарт DIN 51.525 разд. 2 регламентирует соответствующие допуски для испытаний с насосом типа V104 в размере 30 мг для лопаток и 120 мг для кольца. Для испытываемых таким образом масел допуски являются скорее жесткими, чем льготными. Содержание воды в испытуемой партии составляло 400 промилей в начале испытаний и 210 промилей к их окончанию.

Результаты испытаний показали слегка завышенный результат, возможно по причине невозможности полного удаления растворителей с поверхности кольца. Этот эффект может сказаться максимум в результирующем приращении износа на величину нескольких мг.

Эксплуатационные испытания
Та же гидравлическая жидкость была использована при эксплуатационных испытаниях в машине для лесных работ с суммарной временной наработкой 1968 часов. Были получены следующие результаты испытаний:
Вязкость 40^oC: - 33,54 сСт (ASTM D 445)
Вязкость 100^oC: - 7,347 сСт (ASTM D 445)
Индекс вязкости: - 194 (ASTM D 2270)
Содержание воды: - 0,08 вес.% (ASTM D 1744)
Кислотное число: - 10,4 мг КОН/г (ASTM D 644)
Сложный эфир пентаэритрита таллового масла
Было также проведено испытание сложного эфира пентаэритрита таллового масла без добавок по типу теста "четырех шаров" в соответствии с методикой испытания по стандарту ASTM D 4172 (в течение 1 часа при постоянной нагрузке). Нагрузка составляла 400 Н при температуре 20^oС. Диаметр точки износа составил 1,2 мм через 1 час испытаний.

Сложные эфиры из указанной выше группы проявляют аналогичные свойства и добавляя к ним соответствующие компоненты также получают гидравлические жидкости, способные передавать энергию и нести нагрузку в гидравлических системах разнообразных устройств, обеспечивая хорошие эксплуатационные качества.

Сущность изобретения: основу гидравлической жидкости (ГЖ) составляют сложные эфиры таллового масла и поли(этиленгликоля) или полигидроксильных соединений неопентана, таких как триметилолпропана, пентаэритрита, триметилолэтана, триметилолбутана, неопентилгликоля, а также содержит по крайней мере ингибитор окисления, ингибитор коррозии, агент пеноподавления и смазывающий агент высокого давления. ГЖ получают этерификацией таллового масла и полигдроксильных соединений. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Гидравлическая жидкость на основе сложных эфиров, содержащая по крайней мере ингибитор окисления, ингибитор коррозии, пеноподавляющий агент и смазывающий агент высокого давления, отличающаяся тем, что в качестве основы содержит сложные эфиры таллового масла и поли(этиленгликоля) или полигидроксильных соединений неопентана, таких, как триметилолпропана, пентаэритрита, триметилолэтана, триметилолбутана, неопентилгликоля. 2. Гидравлическая жидкость по п. 1, отличающаяся тем, что основа представляет сложный эфир таллового масла и полигидроксильного соединения неопентана. 3. Гидравлическая жидкость по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что основа представляет продукт простой этерификации таллового масла. 4. Гидравлическая жидкость по пп. 1, 2 или 3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит сложный эфир таллового масла и одноатомного или двухатомного спирта, обладающего более низкой величиной вязкости, чем основа, например сложный эфир этиленгликоля. 5. Гидравлическая жидкость по пп. 1-4, отличающаяся тем, что содержит 90-99 вес. % сложных эфиров таллового масла и остальное - добавки для улучшения свойств гидравлической жидкости. 6. Способ получения гидравлической жидкости путем этерификации начального агента отличающийся тем, что в качестве начального агента используют талловое масло, которое этерифицируют одним или несколькими из нижеприведенных многоатомных спиртов: поли(этиленгликолем), полигидроксильным соединением неопентана, таким, как триметилолпропан, пентаэритрит, триметилолэтан, триметилолбутан, неопентилгликоль с последующим введением добавки для улучшения свойств гидравлической жидкости. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве многоатомного спирта используют полигидроксильное соединение неопентана. 8. Гидравлическая жидкость для устройств высокого давления, предназначенных для передачи энергии или несущих нагрузку, представляющая собой материал, содержащий сложный эфир таллового масла и поли(этиленгликоля) или сложный эфир таллового масла и полигидроксильного соединения, неопентана, такого, как триметилолпропана, пентаэритрита, триметилолэтана, триметилолбутана, неопентилгликоля, в качестве основы с добавками ингибитора окисления, ингибитора коррозии, пеноподавляющего агента и смазывающего агента высокого давления.

Приоритет по пунктам:
12.03.1996 - по пп. 1-10;
03.10.1996 - по пп. 1-10(уточнение признаков).