JP4803774B2 - エチレンおよび不飽和カルボン酸エステルをベースとするコポリマー、および鉱油用添加物としてのそれの用途 - Google Patents
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Description
【発明の利用分野】
本発明はエチレンと第三カルボン酸のビニルエステルとのコポリマー並びに鉱油の流動性改善剤としてのその用途に関する。
【0002】
【従来技術】
原油および原油の蒸留によって得られる中間留分、例えば軽油、ジーゼル油または暖房用油(heating oil) は、原油の原産地によって異なる量のn−パラフィンを含有している。このn−パラフィンは温度が降下した時に板晶として析出しそして一部は油を包含して凝塊化する。これが上記油または留分の流動性を悪化させ、例えば鉱油および鉱油留分の精製、運搬、貯蔵および/または使用に際して問題を生じさせる。鉱油の場合には、パイプラインを通す際に結晶化現象が特に冬季にパイプ壁面への析出物を生じさせ、個別的な例として、例えばパイプラインを止めた時に、パイプラインを完全に閉塞する恐れがある。パラフィンの析出はしばしば鉱油の貯蔵および加工を困難にし、それ故に冬季には加熱されるタンクに鉱油を貯蔵する必要がある。鉱油留分の場合には、結晶化のためにジーゼルエンジンおよび炉の濾過器の閉塞が生じやすいので、燃料の計量供給が妨害されそして燃料および熱媒体の供給が完全に停止する恐れがある。
【0003】
結晶化析出したパラフィンを(熱的に、機械的にまたは溶剤により)除く慣用の方法は既に生じてしまった析出物を除くことだけに関するものであり、近年ではこれらの方法の他に、析出するパラフィン結晶に物理的に作用して、該結晶の形状、大きさおよび付着性を変える化学的添加物(いわゆる流動性改善剤またはパラフィン抑制剤)が開発されるようになって来た。これら添加物は追加的な結晶種として作用しそして一部はパラフィンと一緒に析出し、改変させられた(modified) 結晶形状のより小さな沢山のパラフィン結晶を生成する。これら添加物の作用の一つはパラフィン結晶の分散によっても説明される。改変させられたパラフィン結晶は凝集する傾向が小さく、この添加物が混入された油は、添加物を含有していない油の場合よりも20℃以上低い温度でさポンプ搬送したりまたは加工することができる。
【0004】
鉱油および鉱油留分の流動性および低温挙動は流動点(ISO 3016に従って測定される)および軽油濾過目詰まり点(CFPP:EN 116に従って測定する)を記することによって示される。両方の特有量は℃で測定される。
原油および中油留分の代表的な流動性改善剤はエチレンとビニルアルコールのカルボン酸エステルとのコポリマーである。例えばドイツ特許出願公開(A)第1147799号明細書によると、約1,000〜3,000の分子量を有する油溶性のエチレン/醋酸ビニル−コポリマーを鉱油留分、または120〜400℃の沸点を有する燃料に添加している。約60〜99重量%のエチレンおよび約1〜40重量%の醋酸ビニルを含有するコポリマーが有利である。このコポリマーは、不活性溶剤中で約70〜130℃の温度および35〜2,100a tm(ゲージ圧)の圧力のもとで遊離基重合することによって製造された場合に、特に有効である(ドイツ特許出願公開(A)第1914756号明細書)。
【0005】
流動性改善剤として使用される他のポリマーは、エチレンおよび醋酸ビニルの他に、例えば1−ヘキセン(ヨーロッパ特許出願公開(A)第184、083号明細書参照)、ジイソブチレン(ヨーロッパ特許出願公開(A)第203、554号明細書参照)または式
【0006】
【化2】
【0007】
[式中、RおよびR’は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子またはC
1 〜C4 −アルキル基である。]
で表されるイソオレフィン(ヨーロッパ特許出願公開(A)第99、646号明細書)を含有している。エチレン、アルケンカルボン酸エステルおよび/またはビニルエステルおよびビニルケトンのコポリマーは、流動点降下剤としておよび、鉱油および鉱油の中油留分の流動挙動を改善するためにも使用される。
【0008】
更に、α、β−不飽和化合物および無水マレイン酸をベースとするコポリマーも流動性改善剤として使用される。ドイツ特許第19645603号明細書には、エチレンから誘導される構造単位60〜99モル%およびマレイン酸、それの酸無水物またはそれのイミド類から誘導される構造単位1〜40モル%より成るコポリマーが開示されている。かゝる化合物を用いることにの欠点は、製法が複雑であり、即ちエチレンおよび無水マレイン酸の高圧塊状重合および続いて酸無水物基のイミド化を行なう。
【0009】
ドイツ特許第1162630号明細書には、鉱油留分の流動点降下剤としてのエチレンと炭素原子数4〜18の直鎖状脂肪酸のビニルエステルとのコポリマーが開示されている。ネオカルボン酸は記載されていない。
ヨーロッパ特許出願公開(A)第217、602号明細書には100℃よりも低い沸点範囲(90〜20%)を有する鉱油留分のための流動性改善剤として、C1 〜C18−アルキル基を持つビニルエステルとエチレンとのコポリマーが開示されている。
【0010】
ヨーロッパ特許出願公開(A)第648、256号明細書には、中でもエチレンとC1 〜C28−カルボン酸のビニルエステルとのコポリマーが開示されているが、ネオカルボン酸はここでも記載されていない。
ヨーロッパ特許出願公開(A)第493、769号明細書には、エチレン、醋酸ビニルおよびビニルネオノナノエートまたはネオデカノエートから製造される三元共重合体、およびそれを鉱油留分のための添加物として使用することが開示されている。
【0011】
ヨーロッパ特許出願公開(A)第584、651号明細書には、0.1〜50g/10分の溶融流動指数MFI(190/2,16)を有する、エチレンと飽和の第三カルボン酸との、フィルム製造用コポリマーが開示されている。しかしながら、分子量が大きく、かつ溶解性が低いために、このコポリマーは鉱油添加剤として使用するのに適していない。
【0012】
ヨーロッパ特許出願公開(A)第746、598号明細書には、−10℃以下の曇り点を有する混合物としてエチレンとジアルキルフマレートとのコポリマーが開示されている。
鉱油留分の性質を改善するための公知の添加物の性能は、中でも、鉱油が産出される原産地、即ち、特にその組成に左右される。従って、ある原油の留分の特別な性質を得るのに非常に適する添加物は、別の原産地の原油の留分の場合に全く不満足な結果をもたらし得る。
【0013】
広範囲の用途を有する添加物、即ち低温での色々な原産地の鉱油および鉱油留分の流動性を本質的に改善する添加物は今は利用できる。それにも係わらず、低温流動性の向上にあまり寄与しないので、全く使用できないかまたは十分には使用できないことが判っているケースがある。それの理由は多岐に渡っており、例えば従来には使用されていなかった原材料の開発、一次生成物の変更された加工および市場の新しい要求が挙げられる。
【0014】
特に、燃焼の間の環境汚染が少ない点で優れておりそして500ppmよりも少ない、特に100ppmよりも少ない非常に低い硫黄含有量および非常に低い芳香族化合物含有量であることに特徴のあるジーゼル燃料は、慣用の流動性改善剤では処理できないかまたは不十分な程度にしか処理できない。特に厳寒な条件のもとで使用するために生産される優れた低温特性を持つ冬季用ジーゼル油、例えば−10℃より低い、特に−15℃より低い曇り点、100℃より低い、特に80℃より低い留分が20〜90重量%の沸点範囲を有する非常に狭い留分および約360℃、特に320℃に最終沸点限界を持つ冬季用ジーゼル油の場合に問題がある。かゝる留分の低温特性は低沸点のパラフィン低含有量成分、例えば灯油の添加によってのみ満足に改善され得る。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来技術の添加物が不満足な効果しか示さなかった品質の鉱油および鉱油留分の流動性を改善する新規の添加物を提供することである。更に、例えばコモノマーがマレイン酸のイミド誘導体である場合の方法よりも煩雑でない方法で製造できる添加物を見出すことも本発明の課題である。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エチレンと第三カルボン酸(以降で、ネオカルボン酸とも称する)のビニルエステルとのコポリマーを含有する鉱油用流動性改善剤を提供することによって解決される。
本発明は、低級オレフィンおよびビニルエステルより成り、
a)85〜97モル%の式1
−CH2 −CR1 R2 − (1)
[式中、R1 およびR2 は互いに無関係に水素原子またはメチル基である。]
で表される二価の構造単位および
b)少なくとも3モル%の式2
【0017】
【化3】
【0018】
[式中、R3 は第三炭素原子を有している枝分かれした炭素原子数6〜16の飽和アルキルであり、その際にR3 はそれの第三炭素原子によってカルボキシル官能基に結合している。]
で表される二価構造単位を含有するコポリマーに関する。
R1 およびR2 は水素原子であるのが有利である。
【0019】
R3 が炭素原子数7〜11のネオアルキル基、特に炭素原子数8、9または10のネオアルキル基であるのが有利である。上記のネオアルキル基を誘導することができるネオアルカン酸は、式3
【0020】
【化4】
【0021】
[式中、R’およびR”は好ましくは炭素原子数5〜9、特に好ましくは炭素原子数6、7または8のアルキル基である。]
で表される。従って、共重合に使用されるビニルエステルは式4
【0022】
【化5】
【0023】
で表される。
本発明のコポリマーは15モル%より多くない、特に5〜10モル%の式2の構造単位を有する。
本発明のコポリマーは慣用の共重合法、例えば懸濁重合、溶液重合、気相重合または高圧塊状重合によって製造することができる。好ましくは50〜400mPa、特に100〜300mPaの圧力および好ましくは50〜300℃、特に好ましくは100〜250℃の温度での高圧塊状重合が有利である。モノマーの反応は遊離基を形成する開始剤(遊離基連鎖開始剤)によって開始する。この種類の物質には、例えば酸素、過酸化水素、過酸化物およびアゾ化合物、例えばクミルヒドロペルオキシド、第三ブチルヒドロペルオキシド、ジラウロイルペルオキシド、ジベンゾイルペルオキシド、ビス(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート、第三ブチルペルピバレート、第三ブチルペルマレエート、第三ブチルペルベンゾエート、ジクミルペルオキシド、第三ブチルクミルペルオキシド、ジ(第三ブチル)ペルオキシド、2,2’−アゾビス(2−メチルプロパノニトリル)および2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)が含まれる。開始剤は個々にまたは二種類以上の物質の混合物としてモノマー混合物を基準として0.001〜20重量%、好ましくは0.01〜10重量%の量で使用される。
【0024】
本発明のコポリマーは140℃20〜10、000mPas、特に30〜5000mPas、特に50〜2000mPasの溶融粘度を有しているのが有利である。
モノマー混合物の所定の組成の場合には、コポリマーの所望の溶融粘度は反応パラメーターの圧力および温度を変更することによっておよび場合によっては分子量調整剤の添加によって達成される。分子量調整剤としては水素原子、飽和または不飽和の炭化水素、例えばプロパン、アルデヒド類、例えばプロピオンアルデヒド、n−ブチルアルデヒドまたはイソブチルアルデヒド、ケトン類、例えばアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンまたはシクロヘキサノン、またはアルコール類、例えばブタノールが使用できることが判っている。所望の粘度次第で分子量調整剤はモノマー混合物を基準として20重量%まで、好ましくは0.05〜10重量%の量で使用される。
【0025】
本発明のコポリマーを製造するのに適するコモノマーは特にビニルネオオクタノエート、ネオノナノエート、ネオデカノエート、ネオウンデカノエートおよびネオドデカノエートである。これらのエステルは例えばオレフィン、COおよびH2 Oからコッホ(Koch)のカルボン酸合成によって得られるネオカルボン酸のビニル化によって製造できる(Roempp: Chemie-Lexikon, Thieme-Verlag,第9版、第4881〜4901頁)。
【0026】
本発明のコポリマーは4重量%までの醋酸ビニルまたは5モル%までの別のコモノマーを含有していてもよい。かゝるコモノマーは例えばビニルエステル、ビニルエーテル、アルキルアクリレート、アルキルメタクリレートまたは少なくとも5個の炭素原子を持つ高級オレフィンでもよい。特に有利な高級オレフィンはヘキセン、4−メチルペンテン、オクテンおよびジイソブチレンである。
【0027】
特許請求の範囲に記載の組成のコポリマーを得るためには、エチレンおよび場合によっては分子量調整剤の他に1〜50重量%、好ましくは3〜40重量%のビニルエステルを含有するモノマー混合物を使用する。
各モノマーの異なる重合速度は、モノマー混合物の組成がコポリマーの組成と異なる事実に考慮される。ポリマーは室温でワックス状の固体に固化する無色の溶融物として得られる。
【0028】
高圧塊状重合は公知の耐圧反応器、例えばオートクレーブまたは管状反応器において不連続的にまたは連続的に実施される。管状反応器が特に有益であることが判っている。溶剤、例えば脂肪族−および/または芳香族炭化水素または炭化水素混合物、ベンゼンまたはトルエンが反応混合物中に存在していてもよい。溶剤を使用しない製法が有利である。重合の有利な実施形態においては、モノマー、開始剤および場合によって使用される分子量調整剤より成る混合物を反応器入口および一つまたは複数の側部枝管を通して管状反応器に供給する。この場合には、モノマー流は色々な組成を有していてもよい(ヨーロッパ特許出願公開(A)第271、738号明細書)。
【0029】
本発明のコポリマーは鉱油または鉱油留分に溶液または分散物の状態で添加する。これらの溶液または分散物は好ましくは1〜90重量%、特に好ましくは10〜80重量%の本発明のコポリマーを含有している。適する溶剤または分散剤は脂肪族−および/または芳香族炭化水素または炭化水素混合物、例えばガソリン留分、灯油、デカン、ペンタデカン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンまたは市販の溶剤混合物、例えばソルベント−ナフサ(Solvent Naphtha) 、(R) Shellsoll AB、(R) Solvesso150、(R) Solvesso200、(R) Exxsol、(R) ISOPAR- および (R)ShellsolDタイプがある。新規のポリマー化合物によって流動特性が改善される鉱油または鉱油留分は、該油を基準として0.001〜2、好ましくは0.005〜0.5重量%のコポリマーを含有している。
【0030】
本発明のコポリマーは、また特許請求の範囲に記載されたものの混合物の形で流動性改善剤として用いられるが、定性的におよび/または定量的に異なる組成および/または異なる粘度(140℃で測定)のポリマーの混合物の状態でも流動性改善剤として使用することもできる。コポリマーの混合比(重量部)は広い範囲で変更することができ、例えば20:1〜1:20、特に10:1〜1:10である。この様に流動性改善剤は個々の要求に適合させることができる。
【0031】
特定の基体に対する流動性改善剤としての性能を最適にするために、本発明のコポリマーは原油、潤滑油または燃料油の冷間流動性を単独で改善する1種類以上の油溶性共添加物と一緒に使用して同じ結果を得ることもできる。かゝる共添加物の例には、パラフィンを分散させる極性化合物(パラフィン分散剤)およびくし型ポリマーがある。
【0032】
従って本発明のコポリマーはパラフィン分散剤との混合物として使用できる。これらの添加物はパラフィン粒子の大きさを小さくしそしてパラフィン粒子が析出する傾向を著しく低減しながらコロイド状で分散したままとして、パラフィン粒子の析出を防止することを可能とする。イオン性基または極性基を持つ油溶性極性化合物、例えばアミン塩および/または脂肪族または芳香族アミン、好ましくは長鎖脂肪族アミンと脂肪族または芳香族のモノ−、ジ−、トリ−またはテトラカルボン酸またはそれらの酸無水物との反応によって得られるアミドがパラフィン分散剤として有用であることが実証されている(米国特許第4、211、534号明細書参照)。他のパラフィン分散剤は無水マレイン酸と、場合によっては第一モノアルキルアミン類および脂肪族アルコールと反応し得るα、β−不飽和化合物とのコポリマー(ヨーロッパ特許出願公開(A)第154、177号明細書参照)、アルケニルスピロビスラクトン類とアミンとの反応生成物(ヨーロッパ特許出願公開(A)第413、279号明細書参照)、およびヨーロッパ特許出願公開(A1)第606、055号明細書に従う、α、β−不飽和ジカルボン酸無水物、α、β−不飽和化合物および低級不飽和アルコールのポリオキシアルケニルエーテルをベースとする三元共重合体の反応生成物がある。
【0033】
最後に、本発明の他の有利な実施形態では、新規のコポリマーを流動性改善剤としてくし型ポリマーと一緒に使用する。これは、少なくとも8個、好ましくは少なくとも10個の炭素原子を有する複数の炭化水素残基がポリマー骨格に結合しているポリマーを意味している。これらはアルキル側鎖が少なくとも8個、特に少なくとも10個の炭素原子を含むホモポリマーであるのが好ましい。コポリマーの場合にはモノマーの少なくとも20%、好ましくは少なくとも30%が側鎖である[“Comb-like Polymers-Structure and Properties(くし形ポリマー構造および性質)”;N.A. PlateおよびV.P. Shibaev, J.Polym. Sci. Macromolecular Revs. 1974, 8, 117 頁以降] 。適するくし形ポリマーの例にはフマレート/醋酸ビニル−コポリマー(ヨーロッパ特許出願公開(A)第153、176号明細書参照)、C6 〜C24−α−オレフィンとN−C6 〜C22−アルキルマレイミドとのコポリマー(ヨーロッパ特許出願公開(A)第320、766号明細書参照)および更に、エステル化されたオレフィン/無水マレイン酸−コポリマー、α−オレフィンのポリマーおよびコポリマー、スチレンと無水マレイン酸とのエステル化コポリマーがある。
【0034】
本発明のコポリマーとパラフィン分散剤またはくし型ポリマーとの混合比(重量部)はいずれの場合にも1:10〜20:1、好ましくは1:1〜10:1である。
新規のコポリマーおよびそれら相互の混合物およびそれらと共添加物との混合物は単独でもまたは他の添加物、例えば脱ロウ助剤、腐蝕防止剤、酸化防止剤、潤滑用添加物またはスラッジ抑制剤(sludge inhibitor) と一緒に使用できる。このものは、慣用の添加物は作用しないかまたはCFPPを増加させる極限低温特性を有する油のCFPPを低下させる。
【0035】
【実施例】
本発明のコポリマーの製造
エチレンおよびビニルネオデカノエート(=(R) VeoVa10、ShellChemicals)(実施例1〜4)またはビニルネオウンデカノエート(=(R) VeoVa11、Shell Chemicals)(実施例5および6)を耐圧オートクレーブ中で連鎖移動剤(分子量調整剤)としてのプロピオンアルデヒドの添加下に重合する。この目的のために、ビス(2−エチルヘキシル)ペルオキシジカルボナート(鉱油スピリットに溶解した15重量%濃度溶液)が添加されたモノマー混合物を150mPaの反応圧のもとで190℃で反応器中に供給した。オートクレーブ中における反応成分の滞留時間は約2分である。表1は重合条件を示しておりそして表2は得られるターポリマーの性質を示している。
【0036】
粘度は回転粘度計(プレート/コーン測定系を使用するHaake RV20)ISO3219に従い140℃で測定した。
ポリマーの物性を測定する前に、反応で得られる粗生成物を減圧(10mbar)下に2時間に渡って150℃で乾燥することによって揮発性成分を除く。
ビニルネオデカンノエートの含有量はポリマーの熱分解によって測定される。この目的のためには、コポリマーを閉じられた系において減圧下に450℃で熱的に分解する。熱分解生成物および残留物をトルエンに溶解しそして2−プロパノールを添加した後にエタノールにKOHを溶解した溶液(1リットルの溶液当り0.1モルのKOH)を使用して平衡点まで電位差滴定する。KOH消費量がビニルネオデカノエート含有量に一致する。
【0037】
表1: コポリマーの製造
表2:コポリマーの特徴
コポリマーの性能
表3は製造例に従って得られた添加物の性能をスカンジナビア油田の種々の留分でのCFPP試験(EN116に従う軽油濾過目詰まり点試験)によって鉱油留分の流動性改善剤として説明する。添加物はソルベントナフサに溶解した50%濃度溶液として使用する。32重量%(13.3モル%)の醋酸ブニルを含有しそして125mPasの溶融粘度V140 を有する市販のエチレン/醋酸ビニル−共重合体の性能および35重量%(16モル%)の醋酸ビニルおよび6重量%(1.2モル%)のビニルネオデカナートを含有しそして140mPasの溶融粘度V140 を有する市販のエチレン/醋酸ビニル/ビニルネオデカノエートの性能を比較して示す。
【0038】
表3:
表4: CFPP性能
表4の続き
使用した登録商標のリスト:
Solvent Naphtha: 180〜210℃の沸点範囲の芳香族溶剤
混合物
(R) ShellsolAB
(R) Solvesso150
(R) Solvesso200: 230〜287℃の沸点範囲の芳香族溶剤
混合物
(R) Exxsol 200:色々な沸点範囲を有する芳香族化合物を除いた
した溶剤、例えば(R) ExxsolD60:1
87〜215℃
(R) ISOPAR(Exxon):色々な沸点範囲を有するイソパラフィン
系溶剤、例えば(R) ISOPARL:190〜
210℃
(R) Shellsol D:色々な沸点範囲を持つ主として脂肪族の溶剤混
合物。
Claims (10)
- 鉱油または鉱油留分および鉱油または鉱油留分を基準として0.001〜2重量%のコポリマーを含み、コポリマーは、コポリマーを構成する構造単位の総モルを基準として、
a)85〜97モル%の式1
−CH2−CR1R2− 1
[式中、R1およびR2は互いに無関係に水素原子またはメチルである。]で表される二価の構造単位、および
b)3〜15モル%の式2
で表される二価の構造単位を含有する、低級オレフィンとビニルエステルとのコポリマーであり、但し、コポリマーは醋酸ビニルに由来する構造単位をコポリマーを構成する構造単位の総重量を基準として多くて4重量%含有する鉱油組成物。 - 式1において、R1およびR2が水素である、請求項1に記載の鉱油組成物。
- 式2において、R3が炭素原子数8、9または10のネオアルキル基である、請求項1に記載の鉱油組成物。
- コポリマーが、140℃における溶融粘度20〜10,000mPasを有する、請求項1に記載の鉱油組成物。
- コポリマーが、コポリマーを構成する構造単位の総モルを基準として5モル%までの別のコモノマーを含有し、該別のコモノマーが酢酸ビニル以外のビニルエステル、ビニルエーテル、アルキルアクリレート、アルキルメタクリレート又は少なくとも5個の炭素原子を持つ高級オレフィンから選択される請求項1〜4いずれか一つに記載のコポリマー。
- コポリマーが、式2の二価の構造単位を、コポリマーを構成する構造単位の総モルを基準として5〜10モル%含有する、請求項1に記載の鉱油組成物。
- パラフィン分散剤、くし型ポリマー、またはそれらの組合せを更に含有する、請求項1に記載の鉱油組成物。
- コポリマーが、140℃における溶融粘度30〜5000mPasを有する、請求項5に記載の鉱油組成物。
- コポリマーが、140℃における溶融粘度50〜2000mPasを有する、請求項8に記載の鉱油組成物。
- 鉱油または鉱油留分に、鉱油または鉱油留分を基準として0.001〜2重量%のコポリマーを加えることを含み、コポリマーは、コポリマーを構成する構造単位の総モルを基準として、
a)85〜97モル%の式1
−CH2−CR1R2− 1
[式中、R1およびR2は互いに無関係に水素原子またはメチルである。]で表される二価の構造単位、および
b)3〜15モル%の式2
で表される二価の構造単位を含む、低級オレフィンとビニルエステルとのコポリマーであり、但し、コポリマーは醋酸ビニルに由来する構造単位をコポリマーを構成する構造単位の総重量を基準として多くて4重量%含有する、請求項1に記載の鉱油組成物の製造方法。
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