Brevet FR2571380A2 — publié le 19860411

FR 2571380 A2 19860411 FR 8415641 A 19841010 L'invention concerne le domaine des additifs organiques sulfurés utilisés notamment pour améliorer les propriétés extrême-pression des lubrifiants ; elle concerne plus particulièrement un procédé amélioré pour la préparation d'additifs du type oléfines polysulfurées et les produits obtenus par ce procédé. Dans une demande de brevet antérieure déposée le 20 avril 1984 sous le numéro d'Enregistrement National 84/06278 le déposant a déjà décrit un procédé de préparation d'oléfines polysulfurées défini principalement par-les étapes suivantes (1) on fait réagir au moins un composé choisi parmi le monochlorure et le dichlorure de soufre avec au moins une monooléfine de 2 à 5 atomes de carbone (en général l'isobutylène),en une proportion de 1,5 à 2,5 moles de monooléfine par mole de monochlorure et/ou de dichlorure de soufre, formant ainsi un produit d'addition ou adduct (2) on met en contact ledit adduct et au moins un halogénure d'hydrocarbyle choisi parmi les chlorures, les bromures et les iodures d'alkyle de C1à C12, de cycloalkyle ou de cycloalkyle substitué de C5 à C12 et d'arylalkyle ou d'arylalkyle substitué de C6 à C12, la proportion dudit halogénure d'hydrocarbyle correspondant à 2 - 40 % en atomes-gramme d'halogène par rapport au nombre d'atomes-gramme d'halogène de l'ensemble formé par ledit adduct et ledit halogénure d'hydrocarbyle (soit 0,015 - 0,55 atomes-gramme d'halogène pour 100 g d'adduct), avec au moins un composé sulfuré choisi parmi les sulfures, les hydrogénosulfures et les polysulfures de métaux alcalins, d'ammonium ou de métaux alcalino-terreux, mis en jeu en une proportion d'environ 0,4 à 0,8 mole par atome-gamme d'halogène contenu dans l'ensemble formé par ledit adduct et ledit halogénure d'hydrocarbyle, et une proportion de soufre élémentaire de 0 à 4 atomes-gramme par mole dudit composé sulfuré, au sein d'un milieu consistant en de l'eau ou un mélange d'eau et de monoalcool aliphatique (3) on chauffe le mélange résultant et, après séparation en deux phases, on récupère l'oléfine polysulfurée dans la phase organique, (4) et on traite éventuellement le produit issu de l'étape (3) par un composé basique tel qu'une base minérale. Il est indiqué dans cette demande antérieure que les produits ainsi préparés sont des oléfines polysulfurées, qui peuvent présenter une teneur en soufre allant en général jusqu'à environ 45-55 % en masse et quelquefois davantage (environ 60 % masse). Leur viscosité cinématique à 100 C varie en fonction de leur teneur en soufre. Elle peut être d'environ 4 à 20 mm/s. Leur teneur en halogène (principalement en chlore ) est en général inférieure à environ 1 % en masse et le plus souvent à environ 0,6 % en masse. Les produits dont la préparation met en jeu les proportions de soufre élémentaire les plus élevées peuvent être utilisés pour la formulation d'huiles destinées au travail des métaux (coupe, formage, etc.). Il est indiqué qu'il est possible d'utiliser dans cette application les oléfines polysulfurées dont la préparation met en jeu des rapports molaires composé soufré/soufre élémentaire aussi faibles que 0,3/1, ces produits (très riches en soufre) étant encore suffisamment solubles dans les huiles de base d'origine minérale servant à la formulation des lubrifiants pour le travail des métaux (par exemple 100 Neutral Solvent). Dans ce cas, la concentration d'additif utilisée est en général de 1' ordre de 0,5 à 2 % en masse. On a maintenant découvert que la mise en jeu, dans un procédé de préparation d'oléfines polysulfurées tel que défini plus haut, de proportionsencore plus élevées d'halogènure d'hydrocarbyle par rapport à 1' adduct obtenu à l'étape (1) permettait d'obtenir, notamment pour les rapports atomes-gramme de soufre élémentaire/moles de composé sulfuré les plus élevés (par exemple d'environ 3,3hà7/l), des produits très riches en soufre et de solubilité encore accrue dans les huiles des- tinées au travail des métaux (par exemple du type 100 Neutral Solvent ou Spindle naphténique). Cela constitue un résultat particulièrement surprenant pour des produits dont la teneur en soufre peut être aussi élevée qu'environ 60 à 65 % en masse. Le procédé de l'invention peut donc être défini, de façon large, comme celui de la demande antérieure précitée, si ce n'est que, dans l'étape (2), la proportion de l'halogènure d'hydrocarbyle correspond à un nombre d'atomes-gramme d'halogène compris entre environ 40 et 70 % du nombre d'atomes-gramme d'halogène de l'ensemble formé par ledit halogénure d'hydrocarbyle et ledit adduct, et la proportion de soufre élémentaire peut aller jusqu'à environ .7 atomes-gramme par mole du composé sulfuré mis en jeu (le rapport composé du soufre/soufre élémentaire peut alors être aussi faible que 0.14/;ï. La proportion en atomes-gramme d'halogène de l'halogénure d'hydrocarbyle, exprimée en atomes-gramme d'halogène pour 100 g d'adduct, est compriselle plus souvent (en particulier lorsque la monooléfine de départ est l'isobutylène) entre environ 0,55 et 1,9. les divers aspects plus spécifiques du procédé de l'invention, analogues à ceux décrits dans la demande de brevet antérieure précitée sont rappelés ci-après. Dans le procédé de l'invention, comme oléfine de départ, on utilise le plus souvent l'isobutylène. On peut aussi prévoir d'utiliser l'isobutylène en mélange avec une proportion mineure d'au moins une oléfine de plus de 5 atomes de carbone (par exemple du diisobutylène). L'oléfine est utilisée de préférence en une proportion de 1,8 à 2,2 moles par mole de monochlorure et/ou de dichlorure de soufre. Elle est en général introduite dans le monochlorure et/ou le dichlorure de soufre liquide à une température de 20 à 800 C, plus spécifiquement de 30 à 500C. Dans l'étape (2) du procédé de l'invention, l'halogénure d'hydrocarbyle utilisé conointement à l"'adduct" obtenu à l'issue de l'étape (1) consiste de préférence en un chlorure, un bromure ou un iodure d'alkyle, linéaire ou ramifié, par exemple en C2 à C8, de cycloalkyle, éventuellement substitué, en C6, ou d'arylalkyle, éventuellement substitué, par exemple en C7 et C8. Pourdes raisons opératoires, on consi dère comme particulièrement avantageux les halogénures d'hydrocarbyle dont le point d'ébulition va par exemple jusqu'à environ 100 - l500C. On peut citer comme exemples notamment les chlorures, bromures et iodures d'éthyle, d'isopropyle, de n-propyle, de tert-butyle, d'isobutyle, de n-butyle, de tert-amyle, d'isoamyle, de n-amyle, de n-hexyle, d'éthyl-2 hexyle, de n-octyle, de cyclohexyle et de benzyle et leurs mélanges. On utilise avantageusement le chlorure d'isopropyle, le chlorure et le bromure de n-butyle, le chlorure de n-octyle, le chlorure de cyclohexyle ou le chlorure de benzyle. La proportion d'halogénure d'hydrocarbyle utilisée doit être suffisante pour que l'on observe une amélioration marquée des propriétés du produit final. Une proportion préférée est d'environ 0,7 à 1,5 atomes gramme d'halogène pour 100 g d'adduct, ce qui correspond à environ 45 à 65 % en atomes-gramme d'halogène par rapport au nombre total d'atomesgramme. d'halogène. de l'ensemble adduct +.-halogénure d'hydrocarbyle. Le composé sulfuré utilisé dans l'étape (2) peut être choisi parmi les sulfures, les hydrogénosulfures et les polysulfures de métaux alcalins (par exemple sodium ou potassium), de métaux alcalin6-terreux (par exemple magnésium ou calcium) ou d'ammonium. On utilise le plus souvent le sulfure de sodium, l'hydrogénosulfure de sodium (par exemple en présence de soude) et les polysulfures de sodium. Le soufre élémentaire éventuellement mis en jeu, dans l'étape (2), conjointement au composé sulfuré, peut être avec celui-ci dans un rapport molaire allant en général de 0,4/1 à 7/1. Le procédé de l'invention est particulièrement avantageux lorsqu'on met en jeu les rapports molaires soufre élémentaire/composé sulfuré les plus élevés (d'environ 3,3/1 à 7/1 comme indiqué plus haut). Le rapport molaire inverse, que l'on mentionne souvent, est alors de 0,14/1 à 0,3/1. Dans l'étape (2), on introduit (ou on forme) en général le composé sulfuré et on. introduit le soufre élémentaire éventuel dans de l'eau ou, de préférence, dans un mélange d'eau et de monoalcool aliphatique léger (renfermant par exemple de 1 à 4 atomes de carbone). Comme monoalcools aliphatiques légers, on peut citer : le méthanol, 1' éthanol, le n-propanol, l'îsopropanol, le n-butanol, l'isobutanol et le tert-butanol. L'isopropanol est préféré. Le mélange eau-alcool utilisé peut contenir par exemple de 2 à 60 % en masse d'alcool (de préférence de 5 45 %) par rapport à la masse d'eau. Dans le milieu ainsi constitué, maintenu sous agitation (à 20-1000C), on ajoute conjointement le produit d'addition issu de l'étape (1) et l'halogénure d'hydrocarbyle en un temps de quelques minutes à plusieurs heures, par exemple de 10 minutes à 3 heures. Dans l'étape (3), on chauffe (à une température allant de 500C à la température de reflux) par exemple pendant 3 à 10 heures. On peut éventuellement mettre en oeuvre une étape (4) de traitement du produit obtenu à l'issue de l'étape (3) au moyen d'un composé basique, qui peut être par exemple une base minérale (telle que la soude ou la potasse) en solution aqueuse. Les produits du type oléfine polysulfurée obtenus selon le procédé défini ci-dessus sont utilisables comme additifs extrême-pression dans les huiles lubrifiantes. Certains de ces produits, bien que présentant une teneur en soufre très élevée (d'environ 60 à 65 % en masse, pour une teneur en chlore inférieure à 1 % en masse), sont peu visqueux (viscosité à 100 C de 4 à 15 mm/s) et sont encore solubles dans des huiles minérales de faible viscosité, utilisées dans le travail des métaux (comme la coupe, le formage) à des concentrations suffisantes pour améliorer les propriétés extrême-pression de ces huiles. La concentration d'additif utilisée est en général de l'ordre de 0,1 à 10 % et de préférence de 0,5 à 5% en masse par rapport à l'huile lubrifiante. Dans cette application, d'autres additifs classiques peuvent être ajoutés, tels que des paraffines chlorées en une proportion correspondant par exemple à 2-10 % en masse de chlore par rapport à l'huile lubrifiante. Les exemples suivants illustrent l'invention ; ils ne doivent en aucune manière être considérés comme limitatifs. Exemple 1 Dans un réacteur de 5 1, chauffé à 4045oC, on introduit 1900 g de monochlorure de soufre S2C12 (14,07 moles), puis, par l'intermédiaire d'un tube plongeant, on introduit, sous la surface du S2C12 constamment agité, 1780 g d'isobutylint (34,27 moles), dans lequel on a dissous 17,8 g de méthanol. La température du milieu réactionnel est maintenue entre 45 et 500C durant toute la durée d'introduction de l'isobutylène (3 heures). On obtient ainsi 3520 g de produit d'addition, que l'on désigne par le terme d"'adduct". Ce produit contient environ 0,81 atome-gramme de chlore pour 100 g. Dans un second réacteur de 1 1, on introduit successivement 296 g d' eau, 159,3 g de Na2S à 60 % en écailles (1,225 mole), 152,3 g de soufre 3 finement divisé (4,75 atomes-gramme) et 31 cm d'isopropanol, le rap- port molaire Na2S/S utilisé dans cet essai étant de 0,258. Le mélange est chauffé à 800C sous agitation pendant une heure, puis la température est ramenée à 45 C. On introduit ensuite dans le milieu aqueux constamment agité, un mélange constitué de 125 g du produit d'addition obtenu précédemment (soit environ 1,01 atome-gramme de chlore) et de 93,4 g de chlorure de n-butyle (1,01 mole), l'introduction étant effectuée en 1,5 heure. La température du milieu réactionnel s'élève progressivement de 45 à 750C ; on chauffe ensuite le mélange pendant 6 heures à 750C, puis pendant 2 heures à reflux total (80-85 C) pour parfaire la réaction. Après décantation, on élimine la phase aqueuse, puis on ajoute à la phase organique 200 cm3 d'une solution aqueuse de soude à 4% en masse. Le mélange est porté de nouveau à reflux pendant 6 heures. La phase organique récupérée après décantation est lavée trois fois 3 avec 200 cm d'eau; elle est séchée sous un vide de 2666 Pa à 1000C pendant 1heure, puis filtrée en présence de terre de diatomées. On obtient ainsi 276 g d'un liquide jaune-orangé dont les caractéristiques sont les suivantes S (% masse) = 60,0 Cl (% masse) = 0,86 Viscosité à 1000C (mm /s) = 5,7 Exemple 2 L'expérimentation de l'exemple 1 est reprise en utilisant 159,3 g de Na2 à 60 % (1,225 mole), 163,4 g de soufre (soit 5,096 atomes-gramme) le rapport molaire Na2S/S étant dans cet essai de 0,24-, et un mélange constitué de 125 g de produit d'addition S2C12/isobutylène et de 93,4 g de chlorure de n-butyle (1,01 mole). Après traitements, on récupère 286,3 g de produit dont les caractéristiques sont les suivantes S (% masse) = 61,7 Cl (% masse) = 0,9 Viscosité à 1000C (mm2/s) = 6,2 Exemple 3 L'expérimentation de l'exemple 1 est reprise en utilisant 159,3 g de Na2S à 60 % (1,225 mole), 196,05 g de soufre (soit 6,115 atomes.granme), le rapport molaire Na2S/S étant dans cet essai de 0,2, et un mélange constitué de 93,65 g de produit d'addition S2C12/isobutène et de 116,8 g de chlorure de n-butyle (1,263 mole). Après traitements, on récupère 252,7 g de produit dont les caractéris tiques sont les suivantes S (% masse) = 63,0 Cl (% masse) = 0,54 Viscosité à 1000C (mm2/s) = 5,23 Exemple 4 : Essais de solubilité des additifs La solubilité des additifs est mesurée à deux températures dans deux huiles minérales de composition différente huile minérale 100 Neutral Solvent huile naphténique Spindle. Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau 1 suivant TABLEAU 1 tif Quantité Additif Quantité de Neutral Solvent Spindlenaphté de @@@@@@@@ l'exemple ( % masse) 100 Neutral Solvent Spindle naphténique 20 C -5 C 20 C -5 C 2 limpide louche limpide limpide 4 limpide louche limpide limpide 1 7 louche trouble limpide limpide 10 troublee - limpide limpide 20 - - limpide limpide 20 limpide 2 limpide louche limpide limpide 2 4 louche louche limpide limpide 7 louche trouble limpide limpide 10 trouble - limpide limpide 20 - - limpide limpide 2 limpide trouble limpide limpide 4 trouble - limpide limpide 3 7 - - limpide limpide 10 - - limpide limpide 20 - - limpide limpide Exemple 5 : Evaluation des propriétés extrême-pression des additifs On a réalisé des essais mettant en évidence les propriétés extrêmepression des additifs préparés selon les Exemples 1, 2 et 3 dans des formulations du type huiles de coupe des métaux, au moyen d'une machine 4 billes selon la procédure ASTM D 2783. Les formulations lubrifiantes étudiées étaient constituées d'une huile 100 Neutral Solvent renfermant 3 % de chlore sous forme de paraffine chlorée, et 1 % de soufre sous forme d'additifs soufrés des Exemples 1, 2 et 3. Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau 2 ci-après TABLEAU 2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Paraffine Additif S % masse % masse Solubilité dans l' Essais 4 billes E. P. chlorée de l' de l' de l' huile 100 n s Indice charge Charge de % masse exemple additif additif -------------------------- charge/ avant soudure soufré dans l' usure grippage huile 100ns 20 C 0 C (Kgf) (kgf) -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------sans sans - - - - 21,4 50 126 4,62 sans - - limpide limpide 38,1 80 200 sans 1 60 1,67 limpide limpide 42,8 80 315 4,62 1 60 1,67 limpide limpide 93,8 100 620 4,62 2 61,7 1,62 limpide limpide 97,2 100 620 4,62 3 63 1,59 limpide limpide 101,0 100 620 Ces résultats montrent que l'emploi des additifs selon l'invention se traduit par une augmentation-considérable de la charge de soudure des billes. REVENDICATIONS 1- Procédé de préparation d'une oléfine polysulfurée, défini comme dans la revendication 1 de la demande principale et caractérisé en ce que, dans l'étape (2), on met en jeu une proportion d'halogénure d'hydrocarbyle comprise entre environ 40 et 70 % en atomes-gramme d'halogène par rapport aU nombre d'atomes-gramme d'halogène de l'ensemble formé par l'adduct provenant de l'étape (1) et ledit halogénure d'hydrocarbyle, et une proportion de soufre élémentaire pouvant aller jusqu'à 7 atomes-gramme par mole du composé sulfuré mis en jeu. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans 1' étape (1), on utilise comme monoeléfine aliphatique de l1isobutylène. 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans 1' étape (2), on met en jeu une proportion d'halogénure d'hydrocarbyle comprise entre environ 0,55 et 1,9 atome-gramme d'halogène pour 100 g dudit adduct. 4- Procédé selon l'une des revendications à 3, caractérisé en ce que ledit halogénure d'hydrocarbyle est choisi parmi les chlorures, bromures et iodures d'éthyle, d'isopropyle, de n-propyle, de tert-butyle, d'isobutyle, de n-butyle, de tert-amyle, d'isoamyle, de n-amyle, de n-hexyle, d'éthyl-2 hexyle, de n-octyle, de cyclohexyle et de benzyle. 5- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit composé sulfuré est choisi parmi le sulfure de sodium, l'hydrogénosulfure de sodium, et les polysulfures de sodium. 6- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la proportion de soufre élémentaire est de 3,3/1 à 7/1 atomes-gramme par mole de composé sulfuré. 7- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans l'étape (2), ledit adduct et ledit halogénure d'hydrocarbyle sont ajoutés au milieu contenant ledit composé sulfuré et éventuellement le soufre élémentaire et maintenu à une température de 20 à 100 C, en l'espace de 10 minutes à 3 heures et en ce que, dans l'étape (3), on chauffe à une température allant de 500C jusqu'au reflux, pendant 3 à 10 heures. 8- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu' il comprend en outre une étape (4) dans laquelle le produit issu de 1' étape (3) est traité par un composé basique. 9- Oléfine polysulfurée caractérisée en ce qu'elle est obtenue par un procédé selon l'une des revendications 1 à 8. 10- Oléfine polysulfurée selon la revendication 9 caracterisee en ce qu'elle présente une teneur en soufre d'environ 60 - 65 % en masse, et une viscosité cinématique à 1000C de 4 à 15 mm2/s. 11- Utilisation d'une oléfine polysulfurée selon l'une des revendications 9 à 10 comme additif dans une huile destinée au travail des métaux, dans laquelle ladite oléfine polysulfurée est ajoutée à raison d'environ 0,1 à 10 % en masse par rapport à l'huile.