[0001] Die Erfindung betrifft eine Schmierstoffzusammensetzung, welche ein Poly-Alpha-Olefin
mit Seitenketten aus 6 bis 14 Kohlenstoffatomen, optional ein Polyalkylmethacrylat
und/oder ein Polyisobutylen und/oder ein Olefin-Copolymer, optional zusammen mit einem
Ester und mindestens einem Antiverschleissadditiv, Buntmetallinhibitor, Antioxidant,
Antikorrosionsadditiv und/oder einem Detergenz umfasst.
[0002] Für umweltsensible Bereiche werden auf Umweltverträglichkeit verbesserte Schmierstoffe
gefordert seitens Behörden, Kommunal- und Privatunternehmen. Dies gilt für Anwendungen
zu Wasser zu Lande und in der Luft für Motoröle, Getriebeöle, Schmierfette, Hydrauliköle
usw.
[0003] Die Nachfrage an schnell biologisch abbaubaren Produkten seit Beginn der 90er Jahre
sind von vielen negativen Erfahrungen im Einsatz geprägt. Dies ist darin begründet,
dass umweltverträglichere Schmierstoffe hinsichtlich ihrer schnelleren biologischen
Abbaubarkeit auf Grundsubstanzen mit einer hohen natürlichen biologischen Abbaubarkeit
angewiesen waren wie z. B. Rapsöle. Die Weiterentwicklung der Rapsöle bis zum gesättigten
synthetischen Ester konnten die Einsatznachteile dieser Produktgruppe verringern jedoch
nicht beseitigen. Frühere Erfahrungen mit Rapsöl bis zum vollgesättigten Ester zeigen
einen erhöhten Wartungs- und Pflegeaufwand. Dieser ist notwendig, um zusätzliche ungeplante
Ausfälle/Schäden zu vermeiden. Weitere alternative Grundsubstanzen mit schneller biologischer
Abbaubarkeit wie z. B. Polyalkylenglycole (PAG) sind noch weniger geeignet, um mineralölgeschmierte
Anwendungen abzulösen aufgrund der mangelnden Mischbarkeit mit Mineralölen.
[0004] Zur Beurteilung der Umweltverträglichkeit eines Schmierstoffes wird bisher hauptsächlich
der Teil des Einflusses auf die Umwelt bewertet, welcher durch den unmittelbaren Kontakt
des Schmierstoffes mit der Natur zustande kommt im Falle einer Havarie oder bei Leckagen.
[0005] Von wesentlicher Bedeutung ist der Einfluss des Schmierstoffes auf die Schonung der
Abnutzungsvorräte der zu schmierenden energieintensiv hergestellten Bauteile. Die
Lebensdauerverlängerung von Bauteilen ist ein für die Umweltschonung viel wesentlicherer
Aspekt als der Einsatz eines Schmierstoffes, welcher nur den Vorteil der schnellen
biologischen Abbaubarkeit vorweist. Diese ganzheitliche Betrachtung beim Einsatz von
Schmierstoffen wird zunehmend berücksichtigt werden müssen, auch aus dem Zwang, die
Wettbewerbsfähigkeit durch Absenkung der Betriebskosten zu steigern.
[0006] Derzeit ist noch immer die beschränkte Betrachtung der Umweltverträglichkeit Stand
der Technik. Diese fordert nur den Einsatz umweltverträglicherer Schmierstoffe durch
schnelle biologische Abbaubarkeit und weiterer ökotoxikologischer Anforderungen. Deshalb
sind esterbasierende Schmierstoffe hier maßgeblich im Einsatz.
[0007] Esterbasierende Schmierstoffe besitzen jedoch etliche literaturbekannte Nachteile.
Sie können beim Vermischungen mit Ölen auf Mineralölbasis zu unerwünschten Reaktionen
führen. Ferner sind spülmengenbedingte Frischölverluste in Höhe der 2-4 fachen Füllmenge
des Ölkreislaufes bei Umölung aufgrund von Unverträglichkeiten erforderlich. Sie zeigen
zudem eine Hydrolyseinstabilität bei Anwesenheit von Wasser, was wiederum Wasserfilter
z. B. in der Hydraulik erfordert, um kleinste Wasseranteile zu vermeiden. Sie zeigen
eine gewisse Aggressivität gegenüber Elastomeren, welche ursprünglich für Mineralöl
ausgelegt waren, was wiederum Sonderelastomere für Schläuche und Dichtungen erforderlich
macht. Durch vermehrte Undichtigkeiten aufgrund von Elastomerversagen können Verluste
und/oder Verunreinigungen von Schmierstoffen in die Umwelt gelangen. Ferner sind eine
geringere Standzeit des Öles durch geringere Stabilität und höhere Einsatzrisiken
bei gleichem Pflege- und Wartungsaufwand wie bei Mineralölen zu berücksichtigen. Nachteilig
ist auch die geringere Tieftemperaturtauglichkeit/Pumpfähigkeit auch vor Erreichen
des Stockpunktes durch höhere Viskositätslage besonders nach Einwirken eines entsprechenden
Kälteeinflusses über längere Zeit.
[0008] Des weiteren besitzen polyalkylenglycolbasierende Schmierstoffe folgende Nachteile.
Sie sind nicht mischbar mit Mineralölen und erfordern in der Regel spezielle Elastomere.
Die Verbesserung der Schmierfähigkeit durch Additivierung ist stark eingeschränkt
und die Wasserlöslichkeit/Wasserunlöslichkeit kann je nach Molekularstruktur nachteilig
sein.
[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schmierstoffzusammensetzung bereitzustellen,
welche sowohl die Anforderungen an die Umweltverträglichkeit erfüllt als auch höhere
Leistungen bei der Anwendung im Vergleich zu den herkömmlichen mineralöl- oder esterbasierten
Schmierstoffen zulässt. Insbesondere soll die vorliegende Erfindung Schmierstoffzusammensetzungen
bereitstellen, welche bei gesteigerter Viskosität und unter Beibehaltung der erforderlichen
hohen Leistung dennoch eine schnelle biologische Abbaubarkeit gewährleisten.
[0010] Diese Aufgabe wird durch die technische Lehre des unabhängigen Patentanspruchs 1
gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen.
[0011] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schmierstoffzusammensetzung umfassend
60 bis 98 Gewichtsprozent mindestens eines Poly-Alpha-Olefins mit Seitenketten aus
6 bis 14 C-Atomen und 0,2 bis 20 Gewichtsprozent mindestens eines Antiverschleissadditivs,
Buntmetallinhibitors, Antioxidanz, Antikorrosionsadditivs und/oder Detergenzes.
[0012] Die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung kann des weiteren noch folgende
Komponenten umfassen:
0,1 bis 30 Gewichtsprozent mindestens eines Esters,
und/oder
0,1 bis 30 Gewichtsprozent mindestens eines Polyalkylmethacrylates und/oder eines
Polyisobutylens und/oder eines Olefin-Copolymers.
[0013] Bevorzugt sind Seitenketten der Poly-Alpha-Olefine mit 8 - 14 C-Atomen, weiter bevorzugt
mit 10 - 14 C-Atomen, noch weiter bevorzugt mit 11 - 14 C-Atomen und insbesondere
bevorzugt mit 12 - 14 C-Atomen.
[0014] Die Poly-Alpha-Olefine haben folgende Struktur

worin
n die Anzahl der Kohlenstoffatome der Seitenketten angibt und zwischen 6 und 14 liegt.
X gibt den Polymerisationsgrad an und liegt in dem Bereich, dass sich durchschnittliche
Molekulargewichte von 400 - 700 g/mol, vorzugsweise 500 bis 600 g/mol und insbesondere
bevorzugt 530 - 580 g/mol ergeben.
[0015] Ein polymeres Molekül muss nicht, wie die obige Strukturformel vermuten ließe, nur
Seitenketten gleicher Länge enthalten. In einem polymeren Molekül können die Seitenketten
unterschiedliche Längen haben, je nachdem, welche Monomeren bzw. Monomerengemische
eingesetzt wurden. Voraussetzung ist jedoch, dass die Länge sämtlicher Seitenketten
im Bereich von 6 bis 14 Kohlenstoffatomen liegt, d.h. die Seitenketten also folgende
Strukturen haben: -C
6H
13, -C
7H
15, -C
8H
17, -C
9H
19, -C
10H
21 , -C
11H
23 , C
12H
25, -C
13H
27 , -C
14H
29·
[0016] Insbesondere die Verwendung von längerkettigen Poly-Alpha-Olefinen mit einer bevorzugten
Kohlenstoffatomanzahl der Seitenketten von 10 - 14, weiter bevorzugt von 11 - 14 und
insbesondere bevorzugt von 12 - 14 ermöglichen eine starke Viskositätssteigerung unter
Beibehaltung der hohen Leistung und einer schnellen biologischen Abbaubarkeit. Die
vorliegende Erfindung stellt somit Hochleistungs-Schmierstoffzusammensetzungen bereit,
welche gut und schnell biologisch abbaubar sind und aufgrund der Verwendung längerkettiger
Poly-Alpha-Olefine eine gesteigerte Viskosität besitzen, welche bislang nur durch
die Verwendung von dünnflüssigen Poly-Alpha-Olefinen bis ca. ISO VG 15 - 22 gewährleistet
werden konnte.
[0017] Bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung 70 - 98 Gew.-%,
weiter bevorzugt 74 - 98 Gew.-% und insbesondere bevorzugt 76 - 97,5 Gew.-% Poly-Alpha-Olefin.
[0018] Olefin-Copolymere (OCP) sind bekannte alternative Viskositätsindex-Verbesserer. Diese
sind bei bestimmten Schmierstoffgruppen unter Umständen besser geeignet als Polymethacrylate.
Je nach Anspruch an die Scherstabilität muß ggf. auf Olefin-Copolymere als Viskositätsverbesserer
verzichtet werden oder eine Festlegung des Typs und der Dosierung erfolgen.
[0019] Bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung 0,1 - 25 Gew.-%,
weiter bevorzugt 5 - 20 Gew.-% und insbesondere bevorzugt 8 - 18 Gew.-% Polyalkylmethacrylat
und/oder Polyisobutylen und/oder mindestens ein Olefin-Copolymer.
[0020] Anstelle oder zusammen mit dem mindestens einen Polyalkylmethacrylat, Polyisobutylen
und/oder dem mindestens einen Olefin-Copolymer kann auch mindestens ein anderes Polymer
eingesetzt werden, welches keine bedeutenden leistungsvermindernden Veränderungen
auf die Schmierstoffzusammensetzung hat.
[0021] Bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung 0,5 - 26 Gew.-%,
weiter bevorzugt 1,0 - 24 Gew.-% und insbesondere bevorzugt 2,0 - 22 Gew.-% Ester.
[0022] Die Ester werden vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt enthaltend Polyolester, Neopentylglykol(NPG)-Ester,
Trimethylolpropan(TMP)-Ester und Pentaerythrit(PENTA)-Ester. Die TMP-Ester, NPG-Ester,
PENTA-Ester als auch die Polyolester sind vorzugsweise vollständig gesättigt und haben
die Funktion ggf. das Lösungsvermögen zu erhöhen und die Elastomerverträglichkeit
auszubalancieren.
[0023] Die eingesetzten Ester vermögen auch bei anhaltender Kälte schon vor Erreichen des
Stockpunktes aufgrund hoher Viskositäten die Pumpbarkeit der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzungen
aufrecht zu erhalten.
[0024] Der Begriff "Schmierstoffzusammensetzung" umfasst sowohl Schmierölzusammensetzungen,
Schmieröle, Schmierfette als auch Schmierfettzusammensetzungen, welche als Hochleistungsschmiermittel,
Getriebeöle, Motorenöle, Hydraulikflüssigkeiten, Turbinenöle, Kompressorenöle, Pumpenöle,
Öle zur Metallverarbeitung, Trennmittel, Sägekettenöle, Prozessöle und Schmierfette
eingesetzt werden können.
[0025] Als Viskositätsindex-(VI)-Verbesserer, Antiverschleissadditive, Buntmetallinhibitoren,
Antioxidantien, Antikorrosionsadditive und Detergentien können die üblicherweise für
die Schmierstoffzusammensetzungen verwendeten und im Folgenden beispielhaft aufgeführten
Stoffe eingesetzt werden. Eine ausführliche Zusammenstellung der insbesondere verwendeten
Stoffe ist den Literaturstellen [1] bis [9] des Literaturverzeichnisses zu entnehmen.
Die in den Literaturstellen [1] - [9] aufgeführten Stoffe, insbesondere die Viskositätsindex-(VI)-Verbesserer,
Antiverschleissadditive, Buntmetallinhibitoren, Antioxidantien, Antikorrosionsadditive
und Detergentien werden durch die Nennung der Referenzen [1] - [9] in die vorliegende
Offenbarung mit einbezogen.
[0026] Der Begriff "Viskositätsindex- bzw. (VI)-Verbesserer" bezeichnet Stoffe, die zur
Verbesserung des Viskositäts-Temperaturverhaltens eingesetzt werden. Hierbei werden
Olefin Copolymere (OCP), Styrene Butadiene (SBR), Styrene Isoprene (SIP), Radial Isoprene
(RIP), Polyisobutylene (PIB), Styrene Ester (MSC) und Polymetacrylate (PMA) verwendet.
Diese VI-Verbesserer werden in unterschiedlichen Anwendungen dosiert. Es gibt aber
auch Mischanwendungen wie z.B. das Gemisch OCP/PMA.
[0027] Der Begriff "Antiverschleissadditive" bezeichnet Stoffe, die bei gleichzeitiger Glättungswirkung
den direkten metallischen Kontakt verhindern bzw. vermeiden. Hierbei werden Zinkdialkyldithiophosphate,
Molybdändialkyldithiophosphate, Phosphorsäurepartialester - neutralisiert, Phosphor-Schwefel-Stickstoff-Additiv,
Methylen-bis-dialkyldithiocarbamat, Tolyltriazol-Derivat, Polyol-Ester und TMP-Ester
verwendet.
[0028] Der Begriff "Buntmetallinhibitoren" bezeichnet Stoffe, die die Korrosion verhindern
bzw. verringern und Buntmetalloberflächen passivieren. Hierbei werden Dimercapto-thiadiazolderivat,
Benzotriazol und Tolytriazol verwendet.
[0029] Der Begriff "Antioxidantien" bezeichnet Stoffe, die die Oxidationsneigung von Schmierstoffen
verringern. Hierbei werden phenolische Antioxidantien sowie aminische Antioxidantien
verwendet.
[0030] Der Begriff "Antikorrosionsadditive" bezeichnet Stoffe, die die Korrosion auf metallischen
Oberflächen verhindern bzw. verringern. Hierbei werden Sulfonate, Naphthenate und
Carbonsäurederivate verwendet.
[0031] Der Begriff "Detergentien" bezeichnet Stoffe, die das Schmutztragevermögen und Reinigungsvermögen
erhöhen. Hierbei werden Kalzium-Alkyl-Phenate, Succinimid und überbasisches Kalzium-Sulfonat
verwendet.
[0032] Detergenzien werden zugesetzt, um eine höhere Reinigungswirkung und ein besseres
Detergierverhalten gegenüber Verunreinigungen (auch Wasser) im Schmierölkreislauf
zu erreichen. Wasserauschluß ist meist bei allen Schmierstoffanwendungen unvermeidbar.
Kondenswasser bildet sich bei temperaturbedingten Taupunktsunterschreitungen besonders
bei Mobilanwendungen unter freien Witterungsbedingungen und Arbeiten in Gewässern.
Die erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzungen zeichnen sich dadurch aus, dass
geringe Wassermengen ihre Eigenschaften nicht nachteilig beeinflussen.
[0033] Die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung erfüllt die Anforderungen an umweltverträgliche
Schmierstoffe (schnelle biologische Abbaubarkeit)
und lässt zudem höhere Leistungen in der Anwendung als herkömmliche mineralöl- oder esterbasierte
(schnell biologisch abbaubare) Schmierstoffe zu.
[0034] Anwendungen sind in allen Bereichen vorteilhaft, in denen bisher schnell biologisch
abbaubare Schmierstoffe Verwendung fanden, um den Umweltanforderungen gerecht zu werden.
Somit kann die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung beispielsweise in folgenden
Bereichen eingesetzt werden:
Hydrauliköle
Getriebeöle
Motoröle
Schmierfette
Kompressoröle
Stoßdämpferöle
Prozessöle
[0035] Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung sind unter anderem
die gute Mischbarkeit und Verträglichkeit mit Hydraulikölen auf Mineralölbasis, keine
spülmengenbedingten Frischölverluste in Höhe der 2-4 fachen Füllmenge des Hydraulikkreislaufes
bei Umölung aufgrund von Unverträglichkeiten, keine Hydrolyseinstabilität bei Anwesenheit
von Wasser, was wiederum den Einsatz von Wasserfiltern für die Hydraulik zur Entfernung
kleinster Wasseranteile entbehrlich macht sowie keine Aggressivität gegenüber Elastomeren/Schläuchen
wie bei Estern. Ferner sind keine Sonderelastomere für Schläuche/Dichtungen erforderlich.
Dadurch kann ein Elastomerversagen vermieden werden, wodurch geringere Verluste/Verunreinigungen
an Schmieröl aufgrund von Undichtigkeiten in die Umwelt gelangen. Des weiteren sei
auf die längere Standzeit durch höhere Stabilität und geringere Einsatzrisiken bei
gleichem Pflege- und Wartungsaufwand der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung
hingewiesen.
[0036] Die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung weist zudem bessere Tieftemperaturtauglichkeit/Pumpfähigkeit
auch vor Erreichen des Stockpunktes durch gleichbleibend niedere Viskositätslage auch
nach Einwirken eines Kälteeinflusses oberhalb des Stockpunktes über längere Zeit auf.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung zeigt sich
in dem besseren Luftabscheidevermögen bei geringerer Luftaufnahme und weniger Schaumbildung.
[0037] Bevorzugt eignen sich die erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzungen für eine
Verwendung bei tiefen Temperaturen und insbesondere bevorzugt für Tieftemperaturanwendungen,
bei denen eine Pumpfähigkeit bzw. eine ausreichend hohe Viskosität gegeben sein muss.
[0038] Die folgenden Beispiele offenbaren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung,
ohne den Schutzumfang durch die konkreten Ausführungsformen zu beschränken.
Beispiele
[0039]
Beispiel 1 |
|
Gew.-% |
Poly-Alpha-Olefin mit 12 bis 14 C-Atomen |
70,45 |
Polymethacrylat |
8,00 |
Ester |
20,50 |
Buntmetallinhibitoren, Antioxidantien, Antikorrosions- / Antiverschleissadditiv |
1,05 |
|

|
Beispiel 2 |
|
Gew.-% |
Poly-Alpha-Olefin mit 6 bis 14 C-Atomen |
74,80 |
Polymethacrylat |
0,10 |
Ester |
22,00 |
Buntmetallinhibitoren, Antioxidantien, Antikorrosions- / Antiverschleissadditiv |
3,10 |
|

|
Beispiel 3 |
|
Gew.-% |
Poly-Alpha-Olefin mit 6 bis 14 C-Atomen |
74,90 |
Ester |
22,00 |
Buntmetallinhibitoren, Antioxidantien, Antikorrosions- / Antiverschleissadditiv |
3,10 |
|

|
Beispiel 4 |
|
Gew.-% |
Poly-Alpha-Olefin mit 6 bis 14 C-Atomen |
76,00 |
PIB |
15,00 |
Ester |
8,00 |
Buntmetallinhibitoren, Antioxidantien, Antikorrosions- / Antiverschleissadditiv |
1,00 |
|

|
Beispiel 5 |
|
Gew.-% |
Poly-Alpha-Olefin mit 6 bis 14 C-Atomen |
97,40 |
OCP |
0,10 |
Ester |
2,00 |
Buntmetallinhibitoren, Antioxidantien, Antikorrosions- / Antiverschleissadditiv |
0,50 |
|

|
Beispiel 6 |
|
Gew.-% |
Poly-Alpha-Olefin mit 6 bis 14 C-Atomen |
97,50 |
Ester |
2,00 |
Buntmetallinhibitoren, Antioxidantien, Antikorrosions- / Antiverschleissadditiv |
0,50 |
|

|
Beispiel 7 |
|
Gew.-% |
Poly-Alpha-Olefin mit 6 bis 14 C-Atomen |
77,15 |
PIB |
18,00 |
Ester |
2,00 |
Buntmetallinhibitoren, Antioxidantien, Antikorrosions- / Antiverschleissadditiv |
2,85 |
|

|
Literaturverzeichnis
[0040]
[1] Dipl.-Ing. Horst Dieterle. Sonderdruck aus Krausskopf-Taschenbücher "Ölhydraulik
und -pneumatik" Band 1: "Grundlagen der Ölhydraulik" Otto Krausskopf-Verlag GmbH,
Mainz
[2] Prof. Dr.-Ing. W. J. Bartz, K. Brugger, C. P. Neumann, H. Noemayer. Erfordern
gestiegene Anforderungen an HLP- und CLP-Öle neue Prüfmethoden? Tribologie und Schmierungstechnik
37. Jahrgang 1/1990
[3] Dr.-Ing. Manfred Tumbrink. Wirtschaftliche Hydrauliköl-Filtration unter den Gesichtspunkten
Schadensverminderung und Energieeinsparung. Technische Arbeitstagung Hohenheim am
05.03.1984
[4] Prof. Dr.-Ing. Heinz Peeken, Dr.-Ing. Manfred Spilker. Untersuchungen zum Viskositäts-Temperatur-Druck-Verhalten
von Schmierstoffen. Fortschritt-Berichte der VDI Zeitschriften Reihe 1 Nr. 81.1981
[5] Prof. Dr.-Ing. W. J. Bartz. Handbuch der Tribologie und Schmierungstechnik
[6] Prof. Dr.-Ing. H. Murrenhoff, Dipl.-Ing. M. Schmidt. Werkstoffeinfluss auf die
Alterung biologisch schnell abbaubarer Schmierstoffe. Tribologie und Schmierungstechnik.
48. Jahrgang. 2/2001
[7] Dipl.-Ing. Jürgen Reichel. Wasserhydraulik - Klarwasser als Druckflüssigkeit in
hydraulischen Antrieben. Tribologie und Schmierungstechnik. 48. Jahrgang. 1/2001
[8] Rainer Ulrich, Gesamtkosten - Maschinenarbeit, 6. Ulmer Schmierstofftag. 16.10.2001
im Kongress Zentrum Neu-Ulm - Edwin-Scharff-Haus
[9] Dr. Manfred B. Turmbrink, Möglichkeiten der Verlängerung der Gebrauchsdauer von
Mineralölen und anderen Druckflüssigkeiten durch konsequente Überwachung und Pflege.
50. Technische Arbeitstagung Hohenheim am 19.03.1997