بررسی پارامترهای پلیمرشدن استرهای متاکریلیک اسید به‌عنوان بهبوددهنده شاخص گرانروی در روانسازها

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده علوم، گروه علوم پلیمر، صندوق پستی 112-14975

چکیده

فرضیه: محدوده گسترده‌ای از افزودنی‌ها برای ایجاد خواص مدنظر در روانساز استفاده می‌شوند. پلیمرهای بهبوددهنده شاخص گرانروی از جمله مواد افزودنی مهمی هستند که برای اصلاح گرانروی روانساز‌ها در دماهای متفاوت به‌کار می‌روند. پلی‌استرهای متاکریلیک اسید از لحاظ خواص ساختاری در مقایسه با سایر پلیمرهای بهبوددهنده شاخص گرانروی، بهترین انتخاب برای روانساز تخصصی به‌شمار می‌آیند.
روش‌ها: در این پژوهش، سنتز استرهای متاکریلاتی و نیز پلیمرشدن محلولی این استرها به روش رادیکال آزاد بررسی شده است. استرهای متاکریلیک اسید از واکنش‌دادن متاکریلیک اسید با الکل‌های نوع اول هگزانول، اکتانول، دکانول ‌و دودکانول در مجاورت سولفوریک اسید، حلال هپتان و هیدروکینون به‌عنوان بازدارنده پلیمرشدن رادیکالی سنتز شدند. ساختار استرهای سنتزی با روش‌های طیف‌بینی بررسی شد. در ادامه، پلیمرشدن محلول رادیکالی این مونومرهای استری در تولوئن انجام شد. اثر دما و مقدارآغازگر و مونومر بر وزن مولکولی پلی‌استرها بررسی شد.  
یافته‌ها: نتایج نشان داد، با تغییر مقدار آغازگر از %0.25 به %1.5، وزن مولکولی پلی‌هگزیل‌متاکریلات از 104×6.8 g/mol  بهg/mol 2.9×104 کاهش یافت. همچنین، با انجام واکنش در سه دمای 60، 70 و 80 درجه سلسیوس نشان داده شد که وزن مولکولی پلی‌استرهای متاکریلیکی با افزایش دمای واکنش و کاهش مقدار درصد مونومر در واکنش پلیمرشدن کاهش یافت. مطالعات TGA و DSC مشخص کرد، با افزایش طول زنجیر آلکیلی گروه استر پلی‌آکریلات، پایداری گرمایی و دمای انتقال شیشه‌ای نمونه‌های پلیمری نیز کاهش یافته است. با مطالعه خواص رئولوژی استرهای پلی‌متاکریلیک اسید در دو روغن پایه مختلف، اثر غلظت پلیمر و طول زنجیر استر بر شاخص گرانروی بررسی شد. نتایج نشان داد، با افزایش %4 پلی‌اکتیل متاکریلات به روغن پایه SN-350، شاخص گرانروی روغن از 115.6 به 129.3 واحد افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Polymerization Parameters of Methacrylic Acid Esters as Viscosity Index Improvers in Lubricants

نویسندگان [English]

  • Seyed mehrdad Jalilian
  • Farshid Ziaee
Department of Polymer Science, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14965-115, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: A wide range of additives can be utilized to create desirable properties in lubricants. Polymers, as viscosity index improvers, are important additives in oils to improve their viscosity at different temperatures. Polymethacrylic esters due to their structural properties in comparison with other polymers are the best choice as special lubricants.
Methods: The synthesis and solution polymerization of methacrylate esters have been conducted to end use as viscosity index improver in lubricants. Methacrylic acid esters were synthesized by reacting methacrylic acid with primary alcohols like hexanol, octanol, decanol and dodecanol in presence of sulfuric acid, heptane solvent and hydroquinone as a radical polymerization inhibitor. The structure of the synthesized esters was determined by spectroscopic methods. Further, the radical polymerization of these ester monomers was carried out in toluene. The effect of temperature, initiator amount and monomer percentages on molecular weight of polymers was investigated.
Finding: The results show that by changing the initiator amount from 0.25 to 1.5%, the molecular weight of polyhexylmethacrylate at 6.8×104 was dropped to 2.9×104g/mol. Also, in polymerization reaction, it is shown that the molecular weight of poly(hexyl metacrylate) decreases with increasing temperature and the reduction in monomer content. TGA and DSC studies show that with increasing the length of the alkyl chain of the ester group, the thermal stability and glass transition temperature of the prepared polymers are decreased. By studying the rheological properties of polymethacrylate esters in two different base oils, the effect of polymer concentration and ester chain length was noted in relation to oil viscosity index.

کلیدواژه‌ها [English]

  • methacrylic ester
  • poly(alkyl methacrylate)
  • lubricant
  • viscosity index improver
  • solution polymerization
  1. Ghosh S. and Krishnamurti N., Use of Glycidyl Methacrylate Monomers for Developing Cross-linkable Pressure Sensitive Adhesives, Eur. Polym. J., 36, 2125-2131, 2000.
  2. Albers J. and Nollenberger K., Poly(meth)acrylate-Based Coatings, Int. J. Pharm., 457, 461-469, 2013.
  3. Hs T. and Wr P., Pressure-sensitive Adhesives for Transdermal Drug Delivery Systems, Pharm. Sci. Technol. Today, 2, 60-69, 1999.
  4. Sineokov A.P., Aronovich D.A., and Khamidulov Z.S., Reactive Adhesives on the Basis of (Meth) Acrylic Oligomers, Polym. Sci., 5, 264-279, 2012.
  5. Malshe V.C. and Chandalia S.B., Kinetics of the Liquid Phase Esterification of Acrylic Acid with Methanol and Ethanol, Chem. Eng. Sci., 32, 1530-1531, 1977.
  6. Sert E., Buluklu A.D., and Atalay FS., Kinetic Study of Catalytic Esterification of Acrylic Acid with Butanol Catalyzed by Different Ion Exchange Resins, Chem. Eng. Process., 73, 23-28, 2013.
  7. Olivier D. and Fernand C., Kinetics of the Liquid Phase Esterification of Acrylic Acid with Butanol Catalysed by Cation Exchange Resin, J. Chem. Technol. Biotechnol., 58, 351-355, 1993.
  8. Xin C., Zheng X., and Toshio O., Liquid Phase Esterifcation of Acrylic Acid with 1-Butanol Catalyzed by Solid Acid Catalysts, Appl. Catal. A: Gen., 180, 261-269, 1999.
  9. Altiokka R. and Odes E., Reaction Kinetics of the Catalytic Esterification of Acrylic Acid with Propylene Glycol, Appl. Catal. A: Gen., 362, 115-120, 2009.
  10. Sun H., Hua R., and Yin Y., ZrOCl2·8H2O: An Efficient, Cheap and Reusable Catalyst for the Esterification of Acrylic Acid and Other Carboxylic Acids with Equimolar Amounts of Alcohols, Molecules, 11, 263-271, 2006.
  11. Trissa J., Suman S., and Halligudi S., Bronsted Acidic Ionic Liquids: A Green, Efficient and Reusable Catalyst System and Reaction Medium for Fischer Esterification, J. Mol. Cat. A: Chem., 234, 107-110, 2005.
  12. Srinivas K. and Mahender I., Silica Chloride: A Versatile Heterogeneous Catalyst for Esterification and Transesterification, Synthesis, 16, 2479-2482, 2003.
  13. Junzo O., Transesterification, Chem. Rev., 93, 1449-1470, 1993.
  14. Liu Y., Lotero E., and Goodwin G., Effect of Water on Sulfuric Acid Catalyzed Esterification, J. Mol. Catal. A: Chem., 245, 132-140, 2006.
  15. Ghoshna J., Amit K., and Anandkumar J., Experimental and Kinetic Study of Esterification of Acrylic Acid with Ethanol Using Homogeneous Catalyst, Int. J. Chem. Reac. Eng., 14, 2, 2016.
  16. Hakim M., Verhoeven V., and McManus N., High-temperature Solution Polymerization of Butyl Acrylate/Methyl Methacrylate: Reactivity Ratio Estimation, Appl. Polym. Sci., 77, 602-609, 2000.
  17. Jean-Marc S. and Christian J., Method for Polymerisation of (Meth)Acrylic Acid in Solution, Polymer Solutions Obtained and Their Uses, US Pat., 9150722B2, 2012.
  18. Chen J., Li T., and Han S., Impact on Diesel Fuel Crystallization of Alkyl Methacrylate-Maleic Anhydride-Methacrylamide Terpolymers Used as Cold-Flow Improvers, Chem. Tech. Fuel. Oil., 53, 436-443, 2017.
  19. Stöhr T., Eisenberg B., and Müller M., A New Generation of High Performance Viscosity Modifiers Based on Comb Polymers, ASE. Int. J. Fules Lubr., 1, 1511-1516, 2009.
  20. Kazantsev A., Samodurova S., and Sivokhin A., Influence of Composition of Poly(meth)acrylate Thickeners on the Pour Point of Hydraulic Oils, Petrol. Chem., 54, 72-77, 2014.
  21. Ghosh P., Hoque M., and Karmakar G., Terpolymers Based on Sunflower Oil/Alkyl Acrylate/Styrene as Sustainable Lubricant Additive, Polym. Bull., 74, 2685-2700, 2017.
  22. Ghosh P., Das M., and Das T., Polyacrylates and Acrylate-α-Olefin Copolymers: Synthesis, Characterization, Viscosity Studies, and Performance Evaluation in Lube Oil, Petrol. Sci. Technol., 32, 804-812, 2014.
  23. Ante J., Marko R., and Zvonimir J., Optimization of Alkyl Methacrylate Terpolymer Properties as Lubricating Oil Rheology Modifier, Ind. Eng. Chem. Res., 46, 3321-3327, 2007.
  24. Kang J., Byung C., and Chang H., Synthesis of Methacrylate Copolymers and Their Effects as Pour Point Depressants for Lubricant Oil, J. Appl. Polym. Sci., 120, 2579-2586, 2011.
  25. William P. and Eugene S., Methacrylate Copolymer Pour
    Point Depressants, US Pat., 20080108533 A1, 2006.
  26. Akira T., Akira Y., and Kazuo T., Viscosity Index Improver, Lubricant Oil Additive, and Lubricant Oil Composition, CA 2830885A1, 2011.
  27. Jao C., Methacrylate Copolymer Pours Point Depressants, EP1086964, 2006.
  28. Paboucek L., Lubricating Oil Viscosity Index Improver Composition, US5217636A, 1992.
  29. Stuart B. and Chin C., Viscosity Index Improvers for Lubricating Oil Compositions, EP1493800A1, 2003.
  30. Danford H. and Dale L., Polymeric Viscosity Index Improver and Oil Composition Comprising the Same, US4788361, 1988.
  31. ASTM D445, Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids (and Calculation of Dynamic Viscosity), www.astm.org, 2016.
  32. ASTM D2270, Standard Practice for Calculating Viscosity Index from Kinematic Viscosity at 40°C and 100°C, www.astm.org, 2016.
  33. Sperling L.H., Introduction to Physical Polymer Science, 4th ed., John Wiley and Sons, New York, 71-143, 2006.