DE2409968A1 - Verfahren zur herstellung eines synthetischen schmieroels - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines synthetischen schmieroelsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Schmieröls, insbesondere ein Verfahren zur
Herstellung eines synthetischen Schmieröls mit hohem Viskositätsindex, hohem Flammpunkt und niedrigem Stockpunkt,
dessen Viskosität bei niedrigeren Temperaturen extrem niedrig ist.
Als Schmier- oder Gleitöle werden die verschiedensten Erdöl-Schmieröle,
synthetischen Schmieröle, Fettöle und dergleichen verwendet. Mit zunehmendem Bedarf an solchen
Schmierölen hat auch der Bedarf an Schmierölen mit hohem Flammpunkt, hohem Viskositätsindex, niedrigem
Stockpunkt und dergleichen zugenommen. Die auf den verschiedensten Anwendungsgebieten zum Einsatz gebrachten
Erdöl-Schmieröle genügen jedoch nicht sämtlichen der geschilderten Anforderungen in gleich guter Weise.
Es wurden auch bereits durch organische Synthesemethoden, beispielsweise durch Polymerisieren von Olefinen, synthetische
Schmieröle in Form flüssiger Polymerer, z.B. flüssiger Polyolefine, hergestellt. Durch Polymerisieren
von Olefinen nach allgemeinen Polymerisationsverfahren, z.B. kationischer Polymerisation, Radikalketten-
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.Dr.F/jo
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polymerisation und dergleichen, die von einer Isomerisierung begleitet sind, lassen sich jedoch keine polymeren
Öle mit einem vrünschenswert hohen Viskositätsindex herstellen. So wurden in jüngster Zeit bei der Herstellung
von Polyolefinölen sogenannte koordinierte anionische
Ziegler-Katalysatoren, die eine reguläre Polymerisation bewirken, eingesetzt, wobei zahlreiche (zu niedermolekularen
Polymerisaten führende) Polymerisationsreaktionen unter Verwendung von Olefinrohmaterialien versucht
wurden. So wurden beispielsweise Cg-Olefine unter
Verwendung einer aus Monoäthylaluminiumdichlorid und Titantetrachlorid
hergestellten Komplexverbindung als Kata-
lysator polymerisiert, wobei qualitativ hochwertiges Schmieröl mit einer Viskosität von 40 Centistokes bei
einer Temperatur unterhalb 37,8°C, einem Viskositätsindex von 130, einem Flammpunkt von 216°C und einem Stockpunkt
von -57°C erhalten wird.
Da jedoch solche Schmieröle als Betriebsöle für Flugzeuge und Schmier- bzw. Gleitöle für Düsentriebwerke verwendet
werden sollen, besteht· ein erheblicher Bedarf nach Schmierölen, die neben den geschilderten wertvollen
Eigenschaften auch eine niedrige Viskosität selbst bei extrem niedrigen Temperaturen aufweisen. Folglich .wird
das in der geschilderten Weise hergestellte polymere Öl fraktioniert destilliert, wobei dann ein Teil desselben
dem beabsichtigten Verwendungszweck zugeführt wird. Das durch fraktionierte Destillation erhaltene Öl genügt jedoch
diesen Anforderungen nicht immer in ausreichendem Maße. So neigt beispielsweise ein durch Polymerisieren
eines CQ-oü -Olefins und fraktionierte Destillation gewonnenes
Schmieröl zu einer zu starken Viskositätserhöhung bei extrem niedrigen Temperaturen, wobei gleichzeitig der
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Viskositätsindex nicht so hoch ist und der Flammpunkt und Stockpunkt niedriger werden. Ein durch Polymerisieren
eines C^Q-o6-Olefins und fraktionierte Destillation gewonnenes
Schmieröl besitzt zwar bei niedrigen Temperaturen eine ausgesprochen gute Viskosität, der Stockpunkt
wird hierbei jedoch zu hoch. Wenn man nun diese polymeren Öle in geeignetem Verhältnis miteinander mischt, gehen
die Vorteile der Einzelkomponenten lediglich wechselseitig verloren, d.h. man erhält kein Schmieröl, das sämtlichen
der gewünschten Eigenschaften Rechnung trägt.
Wenn man solche polymeren Öle ganz genau fraktioniert destilliert,
indem man beispielsweise mehrmals eine Molekulardestillation und dergleichen durchführt, erhält man
möglicherweise eine bestimmte Fraktion, die sich als Betriebsöl für Flugzeuge eignet, die Ausbeute an dieser
Fraktion beträgt jedoch lediglich etwa 10%, weshalb diese
Maßnahmen in keinem Falle wirtschaftlich durchführbar sind.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein in üblichen Industrieanlagen durchführbares Verfahren zur Herstellung
synthetischer Schmieröle mit hohem Viskositätsindex, hohem Flammpunkt und niedrigem Stockpunkt zu schaffen,
das darüber, hinaus noch eine niedrige Viskosität, selbst bei extrem niedrigen Temperaturen, aufweist.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, daß sich die gestellte Aufgabe lösen läßt, wenn man von einem ein
geeignetes Mischungsverhältnis aufweisenden Gemisch aus otz-Olefinen unterschiedlicher Kettenlänge ausgeht, dieses
Gemisch polymerisiert und dann aus dem erhaltenen Polymerisationsgemisch
Polyolefinöle eines geeigneten Siedebereichs abtrennt.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung
eines synthetischen Schmieröls, bei welchem ein Olefinrohmaterial in Gegenwart eines aus einem Titanhalogenid
und mindestens einer Alkylaluminiumverbindung, bestehend aus einer Verbindung der Formel AIR,, AlR2Cl,
AlR1 ^Cl1 5 und AlRCl2 (worin R für einen Alkylrest steht),
hergestellten Katalysators oder eines aus einem Alkalimetallhydrid, Aluminiumhalogenid und Titanhalogenid bestehenden
ternären Katalysators polymerisiert und aus dem hierbei angefallenen Polymerisationsgemisch ein als synthetisches
Schmieröl verwendbares Polyolefin eines Siedepunkts im Siedebereich von Schmierölen abgetrennt wird,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß als Olefinrohmaterial ein Gemisch aus CQ- bis C1 q-cO -Olefinen mit weniger
als 30 Mol-96 Cq- oC -Olefin und einer durchschnittlichen
Kohlenstoffanzahl von 8,7 bis 9,7 verwendet wird.
Erfindungsgemäß werden die als Rohmaterial verwendbaren Olefine Octen-1, Nonen-1 und Decen-1 in einem solchen
Mischungsverhältnis miteinander gemischt, daß das erhaltene Gemisch weniger als 30 Mol-% CQ-c6 -Olefin (Nonen-1)
enthält und eine durchschnittliche Kohlenstoffzahl von 8,7 bis 9,7, vorzugsweise 8,8 bis 9,2, aufweist. Wenn
man die Ausgangsolefine in einem Verhältnis außerhalb dieses Bereichs mischt, läßt sich ein Schmieröl der gewünschten
Eigenschaften nicht herstellen. Einem als Ausgangsmaterial verwendeten Cg- bis C,.q-Olefingemisch sollten
vorzugsweise keine Olefine geringerer Kohlenstoffzahl einverleibt sein. Wenn dies trotzdem einmal der Fall ist,
muß deren Menge auf höchstens etwa 10% beschränkt bleiben.
Zur Polymerisation des Gemischs aus den angegebenen 01efinausgangsmaterialien,
nämlich oL -Olefinen, kann man,
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wie bereits erwähnt, entweder eine aus einem Titanhalogenid
und einer Alkylaluminiumverbindung hergestellte Komplexverbindung (Ziegler-Katalysator) oder einen aus einem Alkalimetallhydrid,
Aluminiumhalogenid und Titanhalogenid bestehenden ternären Katalysator (Metallhydridkatalysator)
verwenden.
Geeignete Ziegler-Katalysatoren können aus Alkylaluminiumverbindungen,
wie Trialkylaluminium (AlR*), Dialkylaluminiumchlorid (AlRoCl), AlkylaluminiumsesquiChlorid (AlR. j-Cl.
oder Alkylaluminiumdichlorid (AlRCl2Λ und Titanhalogeniden,
wie Titantetrachlorid, Titantetrabromid/ Titantrichlorid
und dergleichen, hergestellt werden. Selbstverständlich können bei der Herstellung dieser Komplexverbindungen
auch zwei oder mehrere Arten von Alkylaluminiumverbindungen verwendet werden. Als·Alkylreste können solche Alkylaluminiumverbindungen
die verschiedensten Alkylreste, beispielsweise Methyl-, Äthyl- und/oder n-Propylreste, tragen.
Das Molverhältnis Alkylaluminiumverbindung zu Titanhalogenid liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 5,0 Al : Ti.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Metallhydridkatalysatoren
können aus Alkalimetallhydridverbindungen, wie Lithiumhydrid, Natriumhydrid, Kaliumhydrid, Natriumborhydrid,
Lithiumaluminiumhydrid und dergleichen, Aluminiumhalogeniden, wie Aluminiumtrichlorid, Aluminiuratribromid, einem
Alkylaluminiumdichlorid und dergleichen, und Titanhalogeniden, z.B. den genannten Titanhalogeniden, hergestellt
werden. Das Molverhältnis Alkalimetallhydridverbindung zu Aluminiumhalogenid liegt vorzugsweise im Bereich von
1 : 0,5 bis 1:6; das Molverhältnis Titanhalogenid zu Aluminiumhalogenid liegt vorzugsweise im Bereich von
1 : 0,5 bis 1:2.
+) Titantrihalogeniden,' wie
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Die Polymerisation des Gemischs aus 06-Olefinen mit einer
Kohlenstoff anzahl von 8,7 bis 9,7 erfolgt in Gegenwart eines der genannten Katalysatoren bei einer Temperatur
von 0° bis 2000C. Bei Verwendung von Metallhydridkatalysatoren
müssen die Alkalimetallhydridverbindungen und Aluminiumhalogenide zur Aktivierung .vorher in Lösungsmitteln,
wie Diäthyläther, Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan, gesättigten Kohlenwasserstoffen und dergleichen, gelöst oder
dispergiert werden.
Die Polymerisation kann erfindungsgemäß in Anwesenheit oder Abwesenheit von Lösungsmitteln durchgeführt werden.
Verwendbare Lösungsmittel sind beispielsweise Paraffinkohlenwasserstoffe mit η-Paraffinen und Isoparaffinen,
naphthenische Kohlenwasserstoffe, Kohlenwasserstoffhalogenide
oder vorzugsweise Mischungen Mervon. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind n-Pentan, Isooctan, Cyclohexan,
Dimethylcyclohexan, Trichloräthan, Methylchloroform,
Tetrafluoräthan und dergleichen. Bei Mitverwendung dieser Lösungsmittel bei der Umsetzung sollte das Gewi
chtsverhältnis Lösungsmittel zu Olefin im Bereich von
1 : 2 bis 4 : 1 liegen. In Abwesenheit solcher Lösungsmittel kann das aus dem Olefinrohmaterial bestehende Olefingemisch
als solches als Reaktionslösungsmittel dienen. In einem solchen Falle muß jedoch die Reaktionswärme in
geeigneter Weise gesteuert werden, da die Reaktion als solche rasch abläuft. Die Reaktionswärme kann beispielsweise
dadurch gesteuert v/erden, daß das Olefinrohmaterial oder der Katalysator schrittweise zugesetzt wird, daß
durch äußere Wärmetauschermaßnahmen eine Zwangskühlung erfolgt und dergleichen. Zur Zersetzung des Katalysators
nach beendeter Umsetzung wird in der Regel ein Alkohol oder eine wäßrige alkalische Lösung verwendet. Vorzugs-
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weise wird jedoch ein Amin oder Ammoniak verwendet, damit
in dem Polymeren kein Halogen verbleibt. In der erfindungsgemäß angefallenen Polymerenlösung sind nicht-umgesetzte
Olefine und Olefindimere enthalten. Da diese die angestrebte Qualität des Schmieröls beeinträchtigen könnten,
werden sie durch Destillation und Extraktion entfernt, Zur Verbesserung der thermischen Stabilität des Schmieröls
können die noch restlichen Doppelbindungen hydriert werden. Die Hydrierung läßt sich ohne Schwierigkeiten unter
Verwendung von Hydrierkatalysatoren, wie Raney-Nickel und
dergleichen, durchführen.
Wie bereits erwähnt, erhält man erfindungsgemäß ein höheres
synthetisches Schmieröl mit hohem Viskositätsindex, hohem Flammpunkt, niedrigem Stockpunkt und deutlich geringer
Viskosität bei extrem niedrigen Temperaturen, indem man ein Gemisch aus CQ- bis C^Q-oü-Olefinen mit weniger
als 30 Mol-% Cg-ot -Olefine! und einer durchschnittlichen
Kohlenstoffanzahl von 8,7 bis 9,7 in Gegenwart eines
Ziegler-Katalysators oder eines Metallhydridkatalysators polymerisiert. Das erfindungsgemäß in einer Ausbeute über
50% erhältliche synthetische Schmieröl erfüllt sämtliche Anforderungen des für Betriebsöle für Flugzeuge geltenden
Standardtests "U.S. Army Standards MIL-H83282".
Die folgende Tabelle I gibt Auskunft über die Eigenschaften
der in der Tabelle aufgeführten Olefin-Oligomeren, die durch Polymerisation des entsprechenden Ausgangs-oC-Olefins
(Ausgangs-ού-Olefingemischs) mit Hilfe eines Ziegler-Katalysators,
Destillieren der erhaltenen Polymerenlösung zur Entfernung nicht-umgesetzter Olefine und Olefindimerer,
Entnehmen von 50% des dem Schmieröl entsprechenden
Destillats aus der fraktionierten Destillation
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und Hydrieren desselben gewonnen wurden.
Wie aus Tabelle I hervorgeht, sind "bei den unter Verwendung
eines C>- bzw. Cg-Olefinrohmaterials hergestellten Oligomeren
selbst bei Einstellung der Viskosität bei -40°C innerhalb der (zulässigen) Standardgrenzen der Flammpunkt
und Brennpunkt wegen deren niedrigem Viskositätsindex problematisch. Folglich genügt also insbesondere der Brennpunkt
dieser Oligomeren selbst bei Einhaltung sämtlicher möglicher Vorkehrungen nicht den Standardanforderungen.
Bei dem unter Verwendung des C-Q-Olefinrohmaterials hergestellten
Oligomeren sind der Brennpunkt und die Viskosität bei niedrigen Temperaturen gut, der Stockpunkt
liegt jedoch hoch. Darüber hinaus ist bei diesem Oligomeren bei einer Temperatur von etwa -29°C ein Kristallisationsbeginn
feststellbar (Trübepunkt). Selbst wenn die einzelnen Olefinrohmaterialien (bloß) gemischt und polymerisiert
werden oder wenn verschiedene Arten von Polymeren in geeigneter Mischung getestet werden, genügen die
hierbei erreichten Ergebnisse den Standardanforderungen nicht. Ein Schmieröl, das den Standardanforderungen des
Standardtests US Army MIL-H83282 genügt, erhält man nur, wenn man ein Gemisch aus CQ- bis C^o-o6 -Olefinen mit weniger
als 30 Mol-# Cq- öl -Olefin und einer durchschnittlichen
Kohlenstoffanzahl von 8,7 bis 9,7 polymerisiert.
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Standard-Test "US-Army Standards MIL-H83282"
Hexen- Octen- Decen*· Oligo- .oligo- Oligomeres
meres meres
C6- bis C10-OIi- C8- bis C10-**01igomeres
(Kohlen- gomeres (Kohlenstoff anzahl: 8,7) stoffanzahl: 9,0)
Viskosität bei etwa 990C oberhalb 3,5 |
(CS) | 3,95 | 4,04 | 4,09 | 4,00 | 4,02 | |
Viskosität bei etwa 380C oberhalb 16,5 |
(CS) | 18,50 | 19,30 | 19,20 | . 19,30 | 18,60 | |
O CD |
Viskosität bei -400C (CS) oberhalb 2600 |
3500 | 2800 | 2200 | 3000 | 2400 | |
CXJ | Flammpunkt oberhalb etwa | 2040C | !193° | 213° | 227° | 221° | 228°· |
-J | Flammpunkt oberhalb etwa | 2460C | 216° | 227° | 254° | ■ 238° | 249° |
Stockpunkt unterhalb etwa | -540C | -62° | -62Ö | -46° | -57 p | -62° | |
067 | Viskositätsindex oberhalb | 120 | 90 | 118 | 132 | 111 | 130 |
Das Destillat aus der fraktionierten Destillation des C1n-01igomeren entsprechend,
dem Schmieröl betrug 35?6. ·
** Beispiel gemäß der Erfindung
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O CD CO CD OO
Die folgenden Beispiele sollen das Verfahren gemäß der Erfindiang näher veranschaulichen.
2000 ml eines c^-Olefingemischs wurden in einen mit einem
Rührer, einem Kühlaufsatz, einem Stickstoffeinlaßrohr und
einem Thermometer ausgestatteten Vierhalskolben eingefüllt und nach Zugabe von 4,3 g Monoäthylaluminiumdichlorid
und 21,0 g Titantetrachlorid (als Katalysatoren) polymerisiert. Während der vierstündigen unter Rühren durchgeführten
Polymerisation wurde die Temperatur zwischen 20° und 400C gehalten.
Nach beendeter Umsetzung wurde in das Reaktionsgemisch gasförmiges
Ammoniak eingeblasen, worauf der hierbei gebildete Niederschlag zur Entfernung der Katalysatoren abfiltriert
wurde. Die erhaltene Rohreaktionslösung wurde dann zur Entfernung nicht-umgesetzter Olefine und von
Dimeren destilliert, wobei eine Fraktion aufgefangen wurde, die den Vorschriften an ein Betriebsöl für Flugzeuge
entspricht. Die Fraktion wurde derart ausgewählt, daß die Viskosität bei etwa 380C und die Viskosität bei -40°C
den Standardanforderungen des Standardtests US-Army. MIL-H83282
genügten. Hierauf wurde die Fraktion unter Verwendung von Raney-Nickel als Katalysator bei einer Temperatur
von 15O0C unter einem Viasserstoff druck von 20 kg/cm hydriert, wobei eine Betriebsölgrundlage der in der folgenden
Tabelle II angegebenen Eigenschaften erhalten wurde i
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- | Tabelle II | 4,00 | Beispiel 2 Octen 1 Decen 1 |
Beispiel 3 Octen-1 Nonen-1 Decen-1 |
Beispiel 4 Octen-1 Decen-1 |
Olefinrohmaterial | Beispiel 1 Octen-1 Decen-1 |
18,60 | C8 50 C10 50 |
C8 40 Cg 20 C10 40 |
C8 30 C10 70 |
molprozentuales Mi schungsverhältnis der Olefine |
C8 60 - C10 40 |
9,0 | 9,0' | 9,4 | |
Durchschnittliche Kohlenstoffanzahl |
8,8 | 2550 | 81 | 79 | 77 |
Olefinumwandlung, % | 80 | 2.16° | 72 | 69 | 68 |
Ausbeute an Oligo- merem, % |
70 | 247° | 45 | 52 | 42 |
Destillierte Fraktion entsprechend dem Be triebs öl für Flug zeuge (% für das Oli- gomere) 40 |
-62° | 4,05 | 4,01 | 4,08 | |
Viskosität bei etwa 99 C (CS) |
121 | ' 19,10 | 18,50 | 19,00 | |
Viskosität bei etwa 380C (CS) |
|||||
Viskosität bei -40°( | 2500 | 2550 | 2400 | ||
(es) | 227° | 227° | 227° | ||
Flammpunkt (0C) | 249° | 249° | 252° | ||
Brennpunkt (°C) | - 62° | -62° | -59,5 | ||
Stockpunkt (0C) | 126 | «132 | 132 | ||
Viskositätsindex | |||||
Beispiel 5 |
200 ml Diäthyläther wurden in den Vierhalskolben eingefüllt, worauf in dem Diäthyläther 17 g Aluminiumchlorid
gelöst wurden, Durch Zugabe von 3,1 g Lithiumhydrid
wurde ein Katalysator hergestellt, worauf der Hauptteil
wurde ein Katalysator hergestellt, worauf der Hauptteil
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des Diäthyläthers abdestilliert wurde. In den Rest des Kolbeninhalts wurden 800 ml eines oC--01efingemischs mit
einem Verhältnis Octen-1 : Decen-1 von 1:2 und 25 g
Titantetrachlorid eingetragen.
Die Umsetzung wurde 4 std lang bei einer Temperatur von 100° bis 1200C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung
wurden die Destillation und Hydrierung in der in Beispiel 1 geschilderten Weise durchgeführt, wobei eine Betriebsölgrundlage
der in der folgenden Tabelle III «!gegebenen Eigenschaften erhalten wurde.
Olefinumwandlung (%) 88
Ausbeute an Oligomerem (%) 80
Destillierte Fraktion entsprechend dem Be-
triebsöl (% an Oligomerem) 85
Viskosität bei etwa 99°C (CS) 4,02
bei etwa 380C (CS) 18,60
bei -400C (CS) 2400
Viskositätsindex 130
Flammpunkt (0C) 228°
Brennpunkt (0C) 249°
Stockpunkt (0C) . -62°
-13-
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Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Schmieröls,
bei welchem ein Olefinrohmaterial in Gegenwart eines aus einem Titanhalogenid und mindestens einer
Alkylalurainiumverbindung, bestehend aus einer Verbindung der Formel AlR3, AlR2Cl, AlR1 ^Cl1 ^ und AlRCl2
(worin R für einen Alkylrest steht;, hergestellten Katalysators oder eines aus einem Alkalimetallhydrid, AIuminiumhalogenid
und Titanhalogenid bestehenden ternären Katalysators polymerisiert und aus dem hierbei angefallenen
Polymerisationsgemisch ein als synthetisches Schmieröl verwendbares Polyolefin eines Siedepunkts
im Siedebereich von Schmierölen abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Olefinrohmaterial ein Gemisch
aus Cg- bis C^0-Ot-Olefinen mit weniger als 30- Mol-%
Cg-oC-Olefin und einer durchschnittlichen Kohlenstoffanzahl
von 8,7 bis 9,7 verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Olefinrohmaterial verwendet wird, das etwa
an anderen als Cg- bis C. 0-oc-Olefinen enthält.
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