Brevet FR2507206A1 — publié le 19821210

La présente invention est relative à une graisse de lithium. Depuis que l'on a commencé à fabriquer des graisses de lithium au niveau de la technologie mondiale, cela s'est toujours fait en mettant en oeuvre des huiles provenant de pétroles bruts à base naphténique, c'est-à- dire des huiles dont l'indice de viscosité oscille entre et 80 Les raisons pour lesquelles on utilise de telles coupes peuvent se résumer comme suit: 1 Faible teneur en savon Les graisses de lithium élaborées à partir de coupes naphténiques présentent de faibles teneurs en savon, allant de 8 à 12 pour 100 pour un degré de consis- tance 11 NLGI Etant donné que le savon de lithium est le composant le plus cher, les avantages sur le plan écono- mique en sont évidents En outre, il est préférable que la teneur en savon d'une graisse soit la plus faible possible car son comportement rhéologique tend à être newtonien et, en conséquence, elle est plus à même d'être pompée. 2 Faible "tendance à la séparation de l'huile": Les graisses, lorsqu'elles ont été stockées pendant un certain temps, présentent une tendance au ressuage de l'huile qui affleure et surnage Cette ten- dance est appelée en anglais "bleeding" (ressuage) Avec l'emploi de coupes naphténiques, cette tendance est très faible, ce qui n'est pas le cas avec les coupes paraffi- niques. 3 Bonne stabilité mécanique: La stabilité mécanique d'une graisse est un paramètre qui se mesure à l'aide de méthodes normalisées (ASTM D217) Ces méthodes représentent la résistance de la structure cristalline au-cisaillement; elles représen- tent également une mesure indirecte de la capacité de récupération de la structure, dès que cesse le cisaille- ment (rhéopexie) Cette résistance est une fonction de -2507206 la structure cristalline et de l'huile Quand on utilise des huiles à base naphténique, on constate expérimentale- ment qu'elle est bien plus grande que si l'on utilise des huiles à base paraffinique. Un autre paramètre a une influence: c'est la viscosité de l'huile mise en oeuvre Par l'expérience, on sait que les meilleures graisses sont obtenues avec des huiles dont la viscosité est comprise entre 700 et 900 S S U à une température de 37,80 C L'utilisation de coupes plus légères, même à base naphténique, implique une perte de rendement, c'est-à-dire une augmentation de la teneur en savon alors que l'emploi de coupes plus lourdes entraîne une baisse de la qualité du produit du fait que le savon a tendance à former des granules sépa- rés qui sont difficilement dispersables L'inconvénient majeur de mise en oeuvre de coupes à base naphténique est leur rareté tant au niveau national que sur le plan international et, par suite, leur coût élevé. L'utilisation de coupes à base paraffinique a pour résultat des graisses à très faible résistance au travail pour des taux de savon identiques. Les essais d'incorporation de coupes paraffi- niques à haut indice de viscosité, en dépit de leur nom- bre élevé au niveau mondial, n'ont pas abouti à des pro- duits d'un bon rendement ni de bonne rentabilité. Les anomalies qui sont détectées dans les graisses de lithium formulées avec de telles huiles peu- vent être résumées par l'énumération suivante: 1 Forte teneur en savon (plus de 20 pour 100). 2 Mauvaises propriétés fluido-dynamiques (ce sont des graisses ayant tendance à être davantage non newtoniennes), et qui, en conséquence, les rendent difficiles à pomper. 3 Fort ressuage (bleeding) (supérieur à 15 pour 100). 4 Faible résistance au travail. Mauvais aspect (opaque et granuleux). 6 Coût d'exploitation élevé, et faible renta- bilité par suite de la forte teneur en savon. On trouve, dans la bibliographie de production des graisses lubrifiantes, de nombreux antécédents quant à l'influence de l'huile. Par exemple, BONER, dans son ouvrage "Modern Lubricating Greases", Scientific Publications, G B. ( 1976) indique textuellement que: " du point de vue de l'obtention du savon et de l'obtention du réticule cristallin le plus souhaitable, sont préférables les huiles à indice de viscosité faible ou moyen " (page 6 2 Il présente en outre un graphique (page 6 3) de l'influence de l'indice de viscosité et de la visco- sité de l'huile sur la teneur en savon de la graisse qui est obtenue, à pénétration fixe ( 220) (page 6 3) Il est à souligner qu'il n'est pas môme fait mention de la possi- bilité d'obtenir des graisses lubrifiantes en mettant en oeuvre des huiles de paraffine ayant un indice de visco- sité supérieur à 93. Après avoir procédé à de nombreuses expérien- ces, on est parvenu à poser l'hypothèse d'un modèle théorique qualitatif expliquant les raisons pour les- quelles se produisent les faits exposés ci-dessus Ceci a permis de disposer d'une ligne à suivre dans le but d'obtenir des graisses de lithium avec des huiles de paraffine. Il est bien connu que la graisse est consti- tuée par un réseau fibreux microcristallin du savon de lithium dans les cavités duquel l'huile est retenue La consistance de la graisse est proportionnelle aux points suivants: 1 Le pourcentage de savon contenu. 2 Les matières premières utilisées pour obte- nir le savon. 3 La force de liaison entre l'huile et le réticule ou réseau. 1 LE POURCENTAGE DE SAVON CONTENU Le pourcentage de savon utilisé a une influence mais en augmenter la teneur a des effets négatifs sur la pompabilité et sur le coût de la graisse Plus le pourcen- tage en savon augmente et plus la pompabilité diminue et plus le coût augmente. 2 MATIERES PREMIERES Les matières premières mises en oeuvre pour obtenir le savon ont également une grande importance puisqu'elles conditionnent le type et la polarité des fibres qui sont obtenues. Quand on utilise des acides gras hydroxyles ou à chaîne courte, par exemple, la polarité du réticule est supérieure à ce qu'elle serait si l'on met en oeuvre des acides gras saturés et à chaîne longue. La polarité du réticule ou réseau fibreux est responsable de la force de liaison du réticule avec les molécules d'huile Cette force de liaison est également fonction du type d'huile. 3 FORCE DE LIAISON ENTRE L'HUILE ET LE RETICULE Dans le cas des huiles de paraffine o il n'y a pas de composés de haute polarité, la force de liaison de l'huile et du réseau microcristallin de savon est fai- ble C'est la raison principale pour laquelle il n'est pas possible d'arriver à des graisses de bonne qualité quand on met en oeuvre ce type d'huile dans la formulation. Pour obtenir une graisse de bonne qualité, on a découvert une série d'additifs améliorateurs de cristalli- sation dont les effets sont au nombre de deux, à savoir: A Augmentation de la polarité du réseau de fibres. B Augmentation de la polarité de l'huile. En réalisant cette augmentation de la polarité, on augmente la force de liaison du réseau et de l'huile, ce qui permet d'arriver à des produits d'une excellente qualité finale. Il convient de préciser que cet effet est la conséquence d'une action synergique d'augmentation des deux polarités En effet, n'en augmenter qu'une seule ne donne pas lieu à des résultats positifs. AUGMENTATION DE LA POLARITE DU RETICULE FIBREUX La polarité des microfibres de savon est fonc- tion du type d'acide qui est utilisé pour l'obtenir. Les acides gras donnant une bonne polarité sont les mono ou les polyhydroxylés et/ou insaturés; mais ils présentent l'inconvénient d'être chers. Les acides gras à faible prix, tels que l'acide stéarique, l'oléostéarine, le suif, etc présentent l'inconvénient de ne pas fournir une bonne polarité. On a découvert que si on ajoute de petites quan- tités de dérivés du pétrole appelés "acides naphténiques" à un acide gras à faible polarité on obtient un système cristallin possédant une haute polarité, et par suite capable de donner des graisses d'un bon rendement. AUGMENTATION DE LA POLARITE DE L'HUILE DE PARAFFINE: L'huile de paraffine manque de composés polaires, étant donné que ceux-ci ont été éliminés soit partiellement soit en totalité au cours du processus d'obtention Ces processus d'obtention fournissent un lubrifiant de caracté- ristiques excellentes pour les usages auxquels il est des- tiné, à savoir la lubrification des carters, mais de très mauvaises performances si on l'utilise aux fins de graisses lubrifiantes. On a découvert que le fait d'ajouter certains composés à caractéristiques aromatiques et/ou naphténiques à ces huiles de paraffine permet d'en augmenter la polarité et, en combinant cela avec l'augmentation de polarité du réseau précédemment mentionnée, on arrive à un effet synergique dont le résultat est des graisses d'excellente qualité. CARACTERISATION DES MODIFICATEURS DE CRISTALLISATION: Les modificateurs de cristallisation sont, ainsi que cela a été dit plus haut, des modificateurs du réticule cristallin et de l'huile. MODIFICATEURS DU RETICULE: Il s'agit d'acides naphténiques dérivés du pétrole (acides de pétrole) qui modifient la polarité du système microcristallin Sur le plan chimique, il ne s'agit pas de composés définis mais de mélanges Ils sont caractérisés par une série d'analyses normalisées, dont les valeurs ou intervalles, qui font partie de la pré- sente invention ainsi que les valeurs ou intervalles pré- férés, sont donnés ci-après: INTERVALLE INTERVALLE ANALYSE NORME SELON L'INVENTION PIREFEIE Densité ASTM DI 298 0,700-1,100 0,900-1,000 Viscosité à 37,8 C SSU ASTM D 445 20-1,500 80-200 Viscosité à 98,9 C SSU ASTM D 445 5-300 20-70 Indice de réfraction à C 1,300-1,600 1,420-1,520 Indice d'aci- dité total ASTM D 664 50-350 180-280 Facteur K (UOP) 9-11,8 9,8-108 Poids moléculaire 80-380 160-280 Courbe de distilla- tion ASTM D 1160 première goutte 40-399 160-240 50 p 100 100-400 250-350 p 100 150-520 300-380 Ces acides naphténiques entrent dans la formu- lation de la graisse dans un pourcentage en poids faible. L'intervalle ou la valeur revendiquée va depuis 0,01 pour 100 jusqu'à 5 pour 100 exprimé en pour- centage en poids par rapport au poids total de la graisse. L'intervalle préféré va de 0,1 pour 100 à 1 pour 100. MODIFICATEURS DE POLARITE DE L'HUILE: Les modificateurs de la polarité de l'huile sont des dérivés de deux familles, à savoir: 1 Alkyl (C 7-C 20) benzènes. 2 Extraits aromatiques. Les premiers sont des sous-produits des usines pétrochimiques d'obtention d'alkyl-benzènes qui, sulfonés par la suite, sont connus sous la dénomination de "détergents synthétiques" Il s'agit d'un mélange hétéro- gène de composés mono et polyalkylés, avec des chaînes latérales de 7 à 20 atomes de carbone, ramifiées et linéaires Ils se caractérisent par une série d'analyses, dont les valeurs ou intervalles revendiqués et préférés sont données ci-après: INTERVTLLE INTERVALLE ANALYSE NORME SELON L'INVENTION PREFERE Densité ASTM D-1298 0,78-0,95 0,83-0,50 Viscosité à 37,8 C ASTM D-445 20-280 40-90 Viscosité à 98,9 C ASTM D-445 10-130 25-60 Indice de Réfraction à 20 C 1,420-1,600 1,450-1,530 Facteur K (UOP) 10,5-12,2 11-11,95 Poids moléculaire (calculé) 100-400 260-350 Courbe de distillation ASTM D-1160 première goutte 120-290 196260 p 100 200-380 240-350 p 100 300-450 400-480 Le pourcentage en poids sur le poids total de graisse est faible, sa valeur revendiquée allant de 0,01 à 10 pour 100 et l'intervalle préféré étant de 0,1 à 1 pour 100. Les extraits aromatiques sont des sous-produits des usines d'extraction au furfural d'huiles lubrifiantes. Normalement, ils n'ont pas d'utilisation spécifique et ils sont envoyés vers le fuel-oil ou conmme charge de craquage catalytique Sur le plan chimique, ce sont des mélanges complexes de dérivés aromatiques et naphténiques mono et pôlynucléés, avec ou sans chatnes latérales alkyliques, des asphaltènes, etc Par suite, ils sont caractérisés par une série d'analyses dont les intervalles revendiqués et préférés sont portés dans le tableau suivant: INTERVALLE INTERVALLE ANALYSE NORME SEIDN L'INVENTION PREFERE Densité ASTM 1298 0,88-1,05 0,93-1,00 Viscosité a 37,8-C SSU ASTM D-445 800-10 000 2 500-7 500 Viscosité A 98,9 C SSU ASTM D-445 30-200 80-150 Indice de réfraction a C 1,450-1,620 1,500-1,580 Facteur K (UOP) 10-11,8 10,5-11,5 Poids moléculaire (calculé) 250-500 350450 Courbe de distillation ASTM D-1160 première goutte 200-450 350-400 p 100 300-520 420-500 p 100 350-550 450-530 La valeur revendiquée exprimée en pourcentage en poids va de 0,01 pour 100 à 10 pour 100, l'intervalle préféré allant de 0,1 pour 100 à 2 pour 100 en poids sur la graisse finale. Ainsi que cela a été dit plus haut, il n'est pas connu dans la bibliographie d'antécédents d'obtention de graisses de lithium avec des huiles de paraffine En conséquence, il est important de définir ce terme Ces huiles, qui sont habituellement utilisées dans l'obten- tion des huiles pour carters moteurs, peuvent être carac- térisées par les analyses suivantes: Densité supérieure à 0,850 Viscosité à 37,80 C supérieure à 100 SSU Viscosité à 98,90 C supérieure à 30 SSU Indice de viscosité supérieur à 93 Facteur K (UOP) supérieur à 12,1 Indice de couleur inférieur à 5 Point d'aniline supérieur à 950 C Les huiles auxquelles cette invention fait référence sont celles qui sont comprises dans les carac- téristiques énoncées par le tableau ci-dessus. Les matières premières pour l'obtention du savon de lithium dont la présente invention fait mention sont les suivantes: A Sources de matières grasses: Les acides aras saturés ou non saturés, hydroxy- lés ou non, dérivés de suif ou de sources végétales, ou synthétiques; les esters d'acides gras en question et leurs combinaisons avec ceux qui sont cités. B Sources de lithium: Oxyde, hydroxyde et les composés organo- métalliques de lithium. Exemples d'application: Suivent ci-après des exemples d'application de ces modificateurs, de même que les caractéristiques des produits ainsi obtenus. EXEMPLE n 1: Graisse Degré NLGI n 2 Composition de la charge Oléostéarine 4 ' Hydroxyde de lithium monohydraté Acides naphténiques Extraits aromatiques 2 c Alkyl-benzènes Huile de paraffine 4 7 c Pertes Total 5 3 E pourcentage de savon l en pourcentage en poids sur la graisse obtenue kg 8,36 pour 100 82,5 kg 1,53 kg 0,65 kg 0,46 kg 0,28 92 kg 89,1 kg kg de graisse I i I Il il Il il le il ,5 pour 100 Avec cette composition de charge, on a utilisé le procédé normal de production qui a permis d'obtenir 380 kg de graisse degré NLGI 2 Cette graisse est con- nue sous la dénomination commerciale YPF-Graisse de lithium 62, et remplit toutes les spécifications commer- ciales requises. EXEMPLE n 2: Obtention de graisse de lithium extrême pression de degré NLGI 2 Composition de la charge pourcentage en poids Huile de ricin hydrogénée Acide 12 OH stéarique Hydroxyde de lithium Acides naphténiques Extraits aromatiques Alkyl-benzènes Huile de paraffine Additifs EP (extrême pression) 225 kg 225 kg 84 kg kg kg 12,5 kg 4 783 kg kg 4,13 4,13 1,54 0, 46 0,46 0,23 87,76 0,91 Pertes 20,5 kg Total 5 450 kg de graisse Pourcentage de savon 10,25 pour 100 Avec cette composition de charge, on a obtenu 5 450 kg de graisse extrême pression de degré NLGI 2, sous la dénomination commerciale YPF Graisse de lithium 62 EP, remplissant toutes les spécifications commercia- les requises. EXEMPLE n 3: Obtention de graisse de lithium extrême pression de degré NLGI 3 Acide stéarique 250 kg 4,82 p 100 Oléostéarine 250 kg 4,82 p 100 Hydroxyde de lithium 92 kg 1,77 p 100 Acides naphténiques 30 kg 0,58 p 100 Extraits aromatiques 30 kg 0,58 p 100 Alkyl-benzènes 20 kg 0,38 p 100 Huile de paraffine 4 453 kg 85,96 p 100 Additifs EP 75 kg 1,45 p 100 Pertes 20 kg Total 5 180 kg Pourcentage de savon 120 % Avec cette composition de charge, on a obtenu 5 180 kg de graisse remplissant les spécifications commer- ciales requises sous la dénomination commerciale YPF Graisse de lithium 63 EP. Il est ajouté finalement que tous les produits obtenus avec les huiles de paraffine et les améliorateurs de cristallisation ne remplissent pas seulement les spé- cifications requises pour la vente de leurs contre-types obtenus avec des huiles naphténiques, mais que dans de nombreux cas ils les dépassent largement. REVENDICATION Graisse de lithium, du type comprenant des huiles de paraffine, des épaississants et des composés de lithium, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre des modificateurs de cristallisation constitués par des modificateurs de réticule à base d'acides de pétrole dont la viscosité est comprise entre 20 et 1500 secondes Saybolt Universal (SSU) à une température de 37,80 C, dans une proportion en poids, comprise entre 0,01 et 5 pour 100; et des modificateurs de polarité de l'huile constitués par des alkyl (C 7-C 20) benzènes d'une viscosité de 20 à 280 secondes Saybolt Universal (SSU) à une température de 37,8 C, et, dans une proportion en poids, comprise entre 0,01 et 10 pour 100; et des extraits aromatiques constitués par le résidu de l'extrac- tion au furfutal d'huiles lubrifiantes, de viscosité comprise entre 800 et 10 000 secondes Saybolt Universal (SSU) à une température de 37,8 C, dans une proportion en poids, comprise entre 0,01 et 8.