KR100328347B1 - 무교환식 초극압용 윤활유 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 무교환식 초극압용 윤활유 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서,

윤활기유 70∼75중량부, 극압성능 부여제 5∼15중량부, 극압성능 향상제 5∼10중량부, 윤활 촉진제 3∼7중량부, 점도지수 향상제 1∼5중량부 및, 청정제, 분산제, 산화방지제 및/또는 유동점 강하제로서의 기타 첨가제 0.5∼4.5중량부로 구성되며,

그 물리적 특성은 비중 0.750∼0.950, 인화점 225∼238℃, 동점도 103∼111cSt(40℃), 12.5∼16.5cSt(100℃), 점도지수 140∼150, 유동점 -36∼-40℃, 중화가 9.5∼11.5mg KOH/g의 범위이고,

극압성능이 우수하여 초극압 상태에서의 기계작동부의 윤활효과를 극대화하여 기계작동시 마찰면의 마모량 최소화가 가능함과 아울러, 윤활유의 교환 없이 1회 주입 후 정기적인 소량 보충만으로 반영구적으로 사용 가능하므로 원가 절감 및 유지비에 있어서의 코스트 다운이 가능하며, 따라서 내연기관의 엔진 용도뿐만 아니라 산업용 용도, 중장비용 용도까지 광범위하게 효율적으로 적용 가능한 신규 유용한 발명이다.

Description

무교환식 초극압용 윤활유 조성물 및 그 제조방법{A Nonexchangeable Type Lubricative Composition for Utra-Extreme Pressure and the Preparation Method thereof}

본 발명은 무교환식 초극압용 윤활유 조성물 및 그 제조방법에 괸힌 것이며, 더욱 상세하게는, 통상의 윤활기유에 극압성능 부여제, 극압성능 향상제, 극압성능 부여제 및 점도지수 향상제를 일정 조성비로 조성함과 아울러, 선택적 성분으로서청정제, 분산제, 산화방지제 및/또는 유동점 강화제를 일정 조성비로 첨가하는 것에 의하여, 윤활유의 교환 없이 1회 주입 후 부족분 만큼의 정기적인 소량 보충만으로도 반영구적으로 사용 가능하며, 또한 초극압 상태에서의 기계작동시 마찰면의 마모량을 최소화하여 윤활 성능 및 효율을 극대화시킬 수 있는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 윤활이라 함은 기계요소의 작동부분에서 필연적으로 수반되는 마찰을 감소시키는 역할을 말하며, 윤활제라 함은 각종기계의 작동부와 전동부에 공급해서 기계마찰을 경감시켜 주는 물질을 말한다. 따라서, 윤활유의 사용범위는 디젤, 가솔린 등의 육상용 및 선박용 내연기관의 엔진의 경우뿐만 아니라 압축기, 감속기, 기어박스, 유압장치 등의 산업용 용도, 또한 굴착기, 분쇄기 등의 광산장비, 건설장비, 운송장비 등의 중장비용 용도까지 광범위하게 적용되며 기계의 작동에서는 없어서는 안될 필연적인 기계요소 제품이다.

윤활제가 갖는 기능으로서는, 첫째로는 기계운동부의 마찰을 감소시켜 기계적 효율를 증진시키는 동시에 마멸과 손상을 경감해서 기계의 수명을 연장해주는 감마작용이 있으며, 둘째로는 기계운동부의 마찰열을 흡수하여 다른 곳으로 방열시키는 냉각작용 및 국부압력을 액 전체에 균등하게 분산시키는 응력 분산작용이 있고, 셋째로는 내연기관 및 압축기 등의 실린더 윤활에 있어서 피스톤링의 고압작동에 의한 가스 누설방지를 도와 기계작동 효율을 증진시키며, 넷째로는 윤활면의 금속에 산소, 수분 또는 부식가스의 침투를 방지하는 방청작용, 다섯째로는 윤활부에 이물질 또는 금속 마모분 등의 고형의 물질이 생성됨에 따른 윤활작용 저하를 막아주는 세정작용, 여섯째로는 고부하와 저속 마찰부에서 일어날 수 있는 극압 상황하에서의 응착방지작용 등이 있다.

또한, 윤활은 두 운동면 경계에 있는 유막의 두께 및 유막 구성력등과 윤활상태에 따라 후막윤활, 경계윤활, 극압윤활의 3단계로 나뉘어 진다. 더욱 자세하게는, 후막윤활(Thick Film Lubrication)은 가장 이상적인 윤활로써 충분히 두터운 유막에 의해 두 마찰면이 완전히 분리되고 베어링 간극중에는 수력학적인 유압이 발생되어 이것이 하중과 균형을 이루어 작용하며, 경계윤활(Bounding Lubrication)은 후막윤활 상태에서 하중이 증가하여 유온이 상승해서 점도가 떨어지면 유압으로서는 하중을 지탱할 수 없게 되어 금속면이 엷은 경계상에서 마찰을 일으켜 작용하게 되며, 상기의 후막윤활 및 경계윤활은 통상의 윤활제로 극복할 수 있다. 그러나, 경계윤활 상황에서 더욱 하중이 증대되면 마찰면의 온도가 높아져 결국 흡착유막으로는 하중을 지탱해 나갈 수 없게 되어 유막을 파괴하고 마침내 금속접촉이 일어나 접촉 금속부분에 응착과 인렬이 계속해서 일어나 마찰은 급증하면서 결국 이러한 마찰면은 파괴, 균열, 긁힘이 일어나고 국부적인 고온, 고압은 금속피로의 원인이 되며, 이때 필요한 것이 극압 윤활(Extreme Pressure Lubrication)이다. 이런 경우의 윤활에서는 유성제의 효과는 없으며 소위 극압 성능부여제 라고 불리우는 염소, 인, 황 등의 유기화합물을 배합함으로써 비교적 양호한 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 이런 화합물은 윤활 금속면의 돌출부와 화학적으로 반응해서 2차적인 금속화합물피막인 『염화철피막(FeCl2), 황화철피막(FeS), 인화철피막(FeP2)』을 만든다. 이런 것들은 해당 금속에 비해서 응착이 잘 안되고 극압마찰을 저하시키게 되는 것으로 알려져 있다.

상기의 극압윤활의 효과를 얻기위하여 염화파라핀등을 극압성능부여제로 사용하면 일반적인 윤활유보다는 극압성능이 우수하나 점점 가혹해지는 초극압 상태의 기계 윤활에서는 그 역할을 감당하기 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 첫 번째 목적은 상기한 종래의 문제점을 완전히 해소하여 초극압 조건하에서도 우수한 윤활 특성을 발휘하는 초극압용 윤활유 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 1회 주입후 정기적으로 부족분만을 소량 보충하는 것만으로도 반영구적인 윤활 작용이 가능한 무교환식 윤활유 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 상기한 첫 번째 및 두 번째 목적에 따른 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 본 발명의 첫 번째 및 두 번째 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태(樣態)에 따르면, 윤활기유 70∼75중량부, 극압성능 부여제 5∼15중량부, 극압성능 향상제 5∼10중량부, 윤활 촉진제 3∼7중량부, 점도지수 향상제 1∼5중량부 및, 선택적 성분으로서의 청정제, 분산제, 산화방지제 및/또는 유동점 강하제로서의 기타 첨가제 0.5∼4.5중량부로 구성되며, 비중 0.750∼0.950, 인화점 225∼238℃, 동점도 103∼111cSt(40℃), 12.5∼16.5cSt(100℃), 점도지수 140∼150,유동점 -36∼-40℃, 중화가 9.5∼11.5mg KOH/g 범위의 물리적 특성을 갖는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물이 제공된다.

본 발명의 세 번째 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태(樣態)에 따르면, 윤활기유 70∼75중량부, 극압성능 부여제 5∼15중량부, 극압성능 향상제 5∼10중량부, 윤활 촉진제 3∼7중량부, 점도지수 향상제 1∼5중량부를 반응조에 순서대로 투입하는 원료 배합 단계 및, 90∼110℃의 온도에서 서서히 교반하면서 10∼15시간동안 반응시키는 반응 단계와, 상기한 반응조의 온도를 65∼75℃로 감온한 후 청정제, 분산제, 산화방지제 및/또는 유동점 강하제로서의 기타 첨가제 0.5∼4.5중량부를 투입하고 서서히 7∼10시간동안 반응시키는 첨가제 첨가 단계로 구성되는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 제조방법이 제공된다.

도 1은 실시예 1 및 비교예 1∼4의 윤활유 조성물을 이용한 극압성능 평가 결과를 나타내는 비교사진도이다.

도 2 내지 5는 비교예 1 내지 4의 윤활유 조성물을 이용한 극압성능시험후 의 원통형 베어링의 마모흔 사진도이다.

도 6은 본 발명의 실시예 1의 윤활유 조성물을 이용한 극압성능시험후의 원통형 베어링의 마모흔 사진도이다.

본 발명에 있어서 사용하는 윤활기유로는 특별한 제한은 없으나, 한국산업규격 KS M 2161를 만족하는 석유계 윤활기유 또는 이에 준하는 윤활기유를 사용하는 것이 바람직하며, 윤활기유의 사용비 조성은 70∼75중량부가 가장 바람직하다. 윤활기유의 조성비가 70중량부 미만에서는 극압 윤활유의 기본 물성에 대한 균형이 깨어져 극압성능의 효율적 발휘가 저해될 우려가 있으며, 반대로 윤활기유의 조성비가 75중량부를 넘게 되면 역시 극압성능의 최적 발현을 기대할 수 없게 될 우려가 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

본 발명에서 극압성능을 부여함과 동시에 극압 및 고온 상태하에서 금속표면간의 융착을 방지하기 위하여 사용하는 극압성능 부여제로는 황화지방산(지방산은 알킬기의 탄소수가 12~18인 포화지방산계로 하는 것이 바람직함), 올레핀계(파라핀계) 염소화하이드로카본, 아민포스페이트를 단독 또는 조합하여 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 올레핀계 염소화하이드로카본이며, 특히 바람직한 것은 염소화파라핀 (Chlorinated Parafine)이다.

극압성능 부여제의 사용 조성비는 5∼15중량부이며, 극압성능 부여제의 조성비가 5중량부 미만에서는 극압성능이 낮아져 금속 표면간의 마모가 일어나 기계 작동부의 마멸이 진행되어 결국 기계작동부의 손상을 일으킬 염려가 있으므로 바람직하지 못하며, 반대로 극압성능 부여제의 조성비가 15중량부를 넘어서게 되면 극압성능 부여제의 과다사용으로 인하여 각 성분간의 상분리가 일어나 전체 윤활유로서의 균형이 깨어질 우려가 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

본 발명에서의 가장 큰 특징인 초극압 성능 및 무교환 성능을 부여하기 위하여 사용하는 극압성능 향상제로는 탄소수 10 이상, 바람직하게는 탄소수 100∼50000, 특히 바람직하게는 탄소수 1000∼20000의 포화지방산의 무기물 개질제(마그네슘, 알루미늄, 인, 황 등의 에스테르 부가물 중 금속함량이 15중량부 이상인 것)를 단독 또는 조합으로 사용된다.

극압성능 향상제의 사용 조성비는 5∼10중량부가 가장 바람직하다. 극압성능 향상제의 조성비가 5중량부 미만에서는 초극압 성능 부여가 곤란하게 될 우려가 있으며, 반대로 극압성능 향상제의 조성비가 10중량부를 넘어서게 되면 윤활기유, 극압성능 부여제 및 기타 첨가제간의 상분리가 일어나 오히려 초극압 성능이 저하될 우려가 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

한편, 본 발명에서 초극압 윤활유 조성물의 윤활성능 향상을 위하여 사용하는 윤활 촉진제로는 알킬스테아레이트 계열의 화합물이 사용된다.

윤활 촉진제의 사용 조성비는 3∼7중량부, 바람직하게는 4∼6 중량부, 특히 바람직하게는 약 5중량부이다. 윤활 촉진제의 조성비가 3중량부 미만에서는 윤활성능이 저하되어 기계작동부의 마모가 촉진될 우려가 있으며, 반대로 윤활 촉진제의 조성비가 7중량부를 넘어서게 되면 윤활 촉진제 과다 사용으로 인한 윤활유 조성의 불균형을 초래할 우려가 있다.

본 발명의 초극압용 윤활유 조성물에서 온도에 따른 점도 변화율을 낮게 하기 위해 사용되는 점도지수 향상제로는 폴리이소부틸렌, 폴리메티아크릴레이트, 에틸렌프로필렌공중합체, 스티렌말레익에스테르공중합체, 부타디엔계 공중합체가 단독 또는 조합으로 사용되며, 그 중에서도 폴리이소부틸렌이 특히 바람직하다.

점도지수 향상제의 사용 조성비는 1∼5중량부, 바람직하게는 2∼4중량부, 특히 바람직하게는 약 3중량부이다. 점도지수 향상제의 조성비가 1중량부 미만에서는 본 발명에 따른 윤활유의 사용시기 및 작동온도에 따라 점도가 불안정하게 되어 초극압 윤활유의 점도가 온도변화에 따라 일정하지 못하게 될 우려가 있다. 반대로 점도지수 향상제의 조성비가 5중량부를 넘어서게 되면 점도지수 향상제의 과다 사용으로 인한 첨가제 균형이 깨어져 초극압 윤활유로서의 기능에 영향을 줄 우려가 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

본 발명의 초극압용 윤활유 조성물의 부식 및 방청을 효과적으로 관리하기위하여 사용하는 선택적 성분으로서의 청정제로서는 칼슘설포네이트, 마그네슘설포네이트, 칼슘포스페이트, 바륨포스페이트, 염화칼슘, 염화마그네슘을 단독 또는 조합으로 사용하며, 염화마그네슘이 바람직하다.

청정제의 사용 조성비는 0.1∼1.0중량부, 바람직하게는 0.3∼0.7중량부, 더욱 바람직하게는 0.4∼0.6중량부이다. 청정제의 조성비가 0.1중량부 미만에서는 기계의 윤활작동시 생성되는 슬러지 등의 부식 및 방청처리 능력이 저하되어 윤활성능이 열등하게 될 우려가 있으며, 반대로 청정제의 조성비가 1.0중량부를 넘어서게 되면 청정제 과다 사용으로 인한 윤활유 조성의 불균형을 초래할 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

본 발명에서 기계류들의 윤활에 있어 저온 작동 상태에 있어서의 슬러지의 생성 및 퇴적 방지를 위해 사용하는 선택적 성분으로서의 분산제로는 폴리메타아크릴레이트를 포함하는 질소고분자화합물, 알킬썩신이미드, 알킬썩신산에스테르를 단독 또는 조합하여 사용하며, 바람직하게는 알킬썩신이미드이다.

분산제의 사용 조성비는 0.2∼1.0중량부, 바람직하게는 0.3∼0.8중량부, 더욱 바람직하게는 0.4∼0.7중량부이다. 사용되는 분산제의 조성비가 0.2중량부 미만에서는 본 발명에 따른 초극압 윤활유의 분산성 저하로 인한 극압윤활 성능의 저하 우려가 있으며, 반대로 분산제의 조성비가 1.0중량부를 넘어서게 되면 분산제 과다 사용으로 인하여 오히려 분산제가 불순물로 작용할 우려가 있어 극압유활 성능을 저하시키는 한 요인이 될 수 있으므로 바람직하지 못하다.

본 발명에서 수지, 와니스, 산, 폴리머 등의 구성요소에서 뿐만 아니라, 생성되는 슬러지로 인하여 초래될 수 있는 산화현상을 방지하기 위하여 사용되는 선택적 성분으로서의 산화방지제로는, 페놀화합물, 아민화합물, 황화합물 및 인산화합물로 된 당분야에 공지된 것들을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 금속 인산 화합물이고, 특히 바람직하게는 Zn-DTP(Zinc-dithio phosphate)이다. 산화방지제의 사용 조성비는 0.1∼1.0중량부, 바람직하게는 0.2∼0.7중량부, 더욱 바람직하게는 0.3∼0.6중량부이다. 산화방지제의 조성비가 0.1중량부 미만에서는 본 발명에 따른 초극압 윤활유에서 생겨날 수 있는 유기과산화물 생성을 효과적으로 억제하지 못하여 산화현상의 초래에 의한 초극압 윤활유로서의 기능 저하 우려가 있으며, 반대로 산화방지제의 조성비가 1.0중량부를 넘어서게 되면 산화방지제의 과다 사용으로 인하여 윤활유내의 첨가제 균형이 깨어져 초극압 윤활유로서의 원활한 기능 발현에 장애가 될 수 있으므로 바람직하지 못하다.

본 발명에서 사용되는 왁스성분의 결정화 또는 코팅에 의해 왁스가 굳어지는 현상 방지를 위한 즉, 윤활유의 유동점 강하를 위하여 사용되는 유동점 강하제로는 알킬나프탈렌왁스, 알킬페놀왁스, 폴리메타아크릴레이트를 단독 또는 조합이 사용되며, 특히 바람직한 것은 TPH(Tetra-paraffin phenol)이다. 유동점 강하제의 사용 조성비는 0.1∼1.5중량부, 바람직하게는 0.2∼0.9중량부, 더욱 바람직하게는 0.3∼0.8중량부이다. 유동점 강하제의 조성비가 0.1중량부 미만에서는 본 발명에 따른 초극압 윤활유에서 생겨날 수 있는 왁스 성분의 결정화 우려가 있으며, 반대로 유동점 강하제의 조성비가 1.5중량부를 넘어서게 되면 유동점 강하제의 과다 사용으로 인하여 윤활유내의 첨가제 균형이 깨어져 초극압 윤활유로서의 사용이 곤란하게 될 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

한편, 본 발명의 제조방법에 관하여 설명하면, 상기한 바와 같은 윤활기유 70∼75중량부, 극압성능 부여제 5∼15중량부, 극압성능 향상제 5∼10중량부, 윤활 촉진제 3∼7중량부, 점도지수 향상제 1∼5중량부를 반응조에 순서대로 투입하는 원료 배합 단계 및, 90∼110℃의 온도에서 서서히 교반하면서 10∼15시간동안 반응시키는 반응 단계에 의하여 제조된다. 한편, 선택적으로는, 상기한 동일 반응조의 온도를 65∼75℃로 감온한 후 청정제, 분산제, 산화방지제, 유동점 강하제를 적어도 1종 이상, 바람직하게는 모두를 전술한 바와 같은 조성비로 0.5∼4.5중량부를 투입하고 서서히 7∼10시간동안 반응시키는 첨가제 첨가 단계를 수행하고, 또한 선택적으로 여과 단계를 수행할 수도 있다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예, 시험예 및 비교예에 의하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

(실시예)

실시예 1∼5

본 발명에 따른 무교환식 초극압용 윤활유 조성물을 기존의 여러 단계를 거치는 복잡한 과정 대신 단 한 단계의 간단한 축소 공정에 따라 제조하였으며, 실시예 1∼5의 조성비를 이하의 표 1에 나타내며, 각 실시예의 조성성분은 이하에 별도로 후술한다.

본 발명의 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 조성성분 및 조성비

실시예조성성분	조성비(중량부)
	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
윤활기유	73	74	71	72	75
극압성능 부여제	12	10	10	10	10
극압성능 향상제	5	6	9	8	5
윤활 촉진제	5	5	5	5	5
점도지수 향상제	3	3	3	3	3
청정제	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
분산제	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
산화 방지제	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
유동점 강하제	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
총 계	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0

[참고]: 윤활기유(潤滑基油 : Base oil)라 함은 원유정제 후 발생되는 중질유에서 재가공하여 제조된 윤활유의 기본유로서 일반적으로 Base oil로 통용되고 있음.

실시예 1에 대하여 먼저 설명하기로 한다.

우선, 교반기가 장치된 금속제 반응조에 주반응원료인 윤활기유(SJ급) 73중량부, 극압성능 부여제로서의 염화파라핀 12중량부, 극압성능 향상제로서의 스테아릭포스페이트 5중량부, 윤활 촉진제로서의 부틸스테아레이트 5중량부, 점도지수 향상제로서의 폴리이소부틸렌 3중량부를 순서대로 투입한 후, 100℃의 온도에서 서서히 교반하면서 12시간동안 반응시켰다. 그 후 반응조의 온도를 70℃로 낮추고 청정제로서의 염화마그네슘 0.5중량부, 분산제로서의 알킬썩신이미드 0.5중량부, 산화방지제로서의 Zn-DTP(Zinc- dithio phosphate) 0.5중량부 및 유동점 강하제로서의 TPH (Tetra-paraffin phenol) 0.5중량부를 모두 투입한 후, 상기 온도조건에서 서서히 8시간 동안 반응시켰다. 전체 반응 종료후 실온까지 서서히 냉각시키고, 여과기를 사용하여 반응중 발생할 수도 있는 불순물을 여과하여 제거한 후, 실시예 1로 하였다.

실시예 2는 조성비를 상기한 표 1과 같이하였으며, 선택적 성분으로서의 첨가제들을 사용치 아니한 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지의 절차를 사용하여 윤활유 조성물을 제조하고 실시예 2로 하였다.

실시예 3은 조성비를 상기한 표 1과 같이하였으며, 극압성능 부여제로서 아민 포스페이트, 극압성능 향상제로서 팔미틱썰페이트, 윤활 촉진제로서 펜틸스테아레이트, 점도지수 향상제로서 폴리메틸아크릴레이트를 사용하였으며, 청정제의 사용없이 분산제로서 알킬썩신산에스테르, 산화방지제로서 Zn-DTP 및 유동점 강하제로서 알킬나프탈렌왁스를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지의 절차를 사용하여 윤활유 조성물을 제조하고 실시예 3으로 하였다.

실시예 4는 조성비를 상기한 표 1과 같이하였으며, 극압성능 부여제로서 황화지방산, 극압성능 향상제로서 스테아릭포스페이트 알루미늄, 윤활 촉진제로서 헵틸스테아레이트, 점도지수 향상제로서 스티렌말레익에스테르공중합체를 사용하였으며, 청정제 및 분산제의 사용없이, 산화방지제로서 Zn-DTP 및 유동점 강하제로서 알킬페놀왁스를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지의 절차를 사용하여 윤활유 조성물을 제조하고 실시예 4로 하였다.

실시예 5는 조성비를 상기한 표 1과 같이하였으며, 극압성능 향상제로서 스테아릭포스페이트 마그네슘, 윤활 촉진제로서 펜틸스테아레이트를 사용하였으며, 분산제의 사용없이, 청정제로서 칼슘 설포네이트를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지의 절차를 사용하여 윤활유 조성물을 제조하고 실시예 5로 하였다.

(시험예)

시험예 1∼5

상기한 실시예 1∼5에서 제조한 본 발명에 따른 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 실제 적용가능성을 평가하기 위하여 KS(한국산업규격) 시험방법에 준하여 물성평가 시험을 행하였으며, 평가결과를 하기한 표 2에 나타낸다.

구체적인 특성시험 평가방법은 다음과 같았다.

(1) 비중(Specific Gravity)

KS M 2002에 규정한 시험기와 시험방법에 따라 시험하였다.

(2) 인화점(Flash Point)

KS M 2010에 규정한 시험기와 시험방법에 따라 시험하였다.

(3) 동점도(Kinematic Viscosity)

KS M 2014에 규정한 시험기와 시험방법에 따라 40℃와 100℃에서 각각 시험하였다.

(4) 점도지수(Viscosity Index)

KS M 2014에 규정한 시험기와 시험방법에 따라 시험하였다.

(5) 유동점(Pour Point)

KS M 2016에 규정한 시험기와 시험방법에 따라 시험하였다.

(6) 중화가(Neutralization Number)

KS M 2004에 규정한 시험기와 시험방법에 따라 시험하였다.

본 발명의 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 물성평가 결과

평가항목	평가결과(실시예)	평가방법
	1		2	3	4	5
비 중( 15/4℃ )	0.871	0.924	0.903	0.827	0.794	KS M 2002
인화점( C.O.C, ℃ )	231	227	234	230	232	KS M 2010
동점도( CST )	40℃	108.4	105.2	109.7	110.2	104.9	KS M 2014
	100℃	14.5	13.4	15.4	14.9	16.0
점도지수	145	143	147	146	142	KS M 2014
유동점(℃)	-38.2	-36.5	-39.3	-37.8	-36.1	KS M 2016
중화가( mg KOH/g )	10.5	10.1	11.1	9.8	10.6	KS M 2004

(비교예)

실시예 1 및 비교예 1∼4

본 발명의 윤활유 조성물의 가장 큰 특징인 초극압 성능의 확인을 위하여 현재 국내에서 생산, 시판되고 있는 기존의 윤활유 제품과 비교평가를 수행하였다. 비교제품으로는 내연기관용 고급윤활유 3종류와 윤활성능의 향상을 목적으로 하는 윤활유 첨가제 1종류를 대상으로 하였으며, 표 3에 이들 비교 시료 및 그 시험 결과를 각각 나타냈다.

극압성능 평가는 팀켄 테스트방식(TIMKEN OK LOAD TEST METHOD)으로 평가하였으며, 하중부하는 TOHNICH(1800 DB DB3) 토오크 렌치를 사용하였다. 극압성능 시험시 상부 롤러는 외경 63.10mm 의 S.U.S제 금속강을 사용하였으며, 하부 롤러로는 외경 34.7mm의 S.U.S제 금속강을 사용하였다. 극압성능 시험시의 작동회전속도는1250rpm으로 일정하게 유지시켰다.

극압성능 시험은 먼저, 상기 극압성능 시험기의 상.하부 롤러 사이에 상단부 직경 13.0mm, 하단부 직경 14.50mm, 길이18.0mm의 원통형 S.U.S제 베어링을 시험편으로 하여 고정시킨 후, 윤활유 보관통에 표 3에 설명하는 비교 윤활유 MO, ZA, DR 및 QM 시료를 각각 주입하여 상기 시험속도로 회전시키면서 시험편인 원통형 베어링의 마모 및 작동상태를 서로 비교하여 극압성능을 상대 평가하였으며, 또한 극압 성능시험 후의 시험편에 대한 마모정도는 영상 분석기(Image Analyzer : 일본국 Hirok사제의 KIT-500)와 디지털 카메라(미국 Kodak사제의 DC-265)를 사용하여 직접 관찰하였다. 각 비교 시료 및 본 발명의 실시예 1에 대한 극압 성능 평가결과를 하기한 표 3 및 도 1∼6에 나타냈다.

본 발명의 실시예 1에 따른 무교환식 초극압용 윤활유 조성물 및 비교예 1∼4의 윤활유 조성물의 초극압성능을 비교 시험하였으며, 도 1은 비교사진도이고, 도 2 내지 5는 각각 비교예 1 내지 4의 결과를 나타내는 사진도이며, 도 6은 본 발명의 실시예 1의 결과를 나타내는 사진도이다.

표 3에 나타낸 결과로부터 명확한 바와 같이, 비교 윤활유로 사용한 SK사의 ZA윤활유의 경우(비교예 1)는 극압 성능시험을 시작함과 동시에 베어링 시험편에서 과부하로 인한 연기가 발생하였으며, 200kgf의 부하로 25초 후 마모가 급격히 진행되어 연기발생이 심해지며 또한 소음발생이 극에 달하여 더 이상의 마모 시험을 행할 수가 없었다. 마모면의 마모흔을 실제 사진 촬영하고(도 1 및 도 2) 이를 바탕으로 마모흔의 면적을 계산한 결과, 28.04 ㎠의 크기만큼 마모되었다.

SA사의 DR윤활유의 경우(비교예 2) 역시 극압 성능시험을 시작함과 동시에 베어링 시험편에서 과부하로 인한 연기가 발생하였으며, 150kgf의 부하로 20초 후 마모가 급격히 진행되어 연기발생이 심해지며 또한 소음발생이 극에 달하여 더 이상의 마모 시험을 행할 수가 없었다. 아울러, 본 비교시험 시료 중 극압 성능이 가장 낮은 윤활유로 나타났으며, 마모면의 마모흔을 실제 사진 촬영하고(도 1 및 도 3) 이를 바탕으로 마모흔의 면적을 계산한 결과, 31.38 ㎠의 크기만큼 마모되었다.

MO사의 MO윤활유의 경우(비교예 3)는 극압 성능시험을 시작함과 동시에 베어링 시험편에서 과부하로 인한 연기가 발생하였으며, 200kgf의 부하로 30초 후 마모가 급격히 진행되어 연기발생이 심해지며 또한 소음발생이 극에 달하여 더 이상의 마모 시험을 행할 수가 없었다. 마모면의 마모흔을 실제 사진 촬영하고(도 1 및 도 4)를 바탕으로 마모흔의 면적을 계산한 결과, 37.31 ㎠의 크기만큼 마모되었다.

또한 윤활촉진을 위하여 사용하는 윤활첨가제중 본 비교시험에서는 SU사 테프론계 윤활첨가제인 QM을 대상으로 극압 성능을 시험한 결과(비교예 4), 상기의 일반 윤활유 3종류보다 극압 성능이 훨씬 우수하였다. 즉, 일반 윤활유와는 달리 극압마모 시험 중 베어링 시험편에 연기 및 소음의 발생은 거의 없었다. 따라서 본 극압 성능 시험에 사용한 기기의 최대부과 하중인 500kgf의 부하로 300초 후에 극압 성능시험을 종료하고, 마모면의 마모흔을 실제 사진 촬영하고(도 1 및 도 5)를 바탕으로 마모흔의 면적을 계산한 결과, 16.22 ㎠의 크기만큼 마모되어 윤활 성능이 일반 윤활유보다는 양호함을 알 수 있었다.

반면에, 본 발명의 실시예 1에 의한 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 극압 성능을 측정한 결과, 상기한 비교예 4의 윤활 첨가제의 경우와 유사하고 비교예 1 내지 3의 윤활유와는 달리 극압 마모 시험 중 베어링 시험편에 연기 및 소음의 발생이 거의 없었다. 따라서 본 극압 성능 시험에 사용한 기기의 최대부과 하중인 500kgf의 부하로 420초 후에 극압 성능시험을 종료하고, 마모면의 마모흔을 실제 사진 촬영한 결과(도 1 및 도 6)를 바탕으로 마모흔의 면적을 계산하였던 바, 윤활 촉진제의 시험시간보다도 훨씬 긴 시간임에도 불구하고 겨우 6.28 ㎠의 크기만큼 마모되어 윤활성능이 비교예 1 내지 4의 윤활유보다 훨씬 우수할 뿐만 아니라 가격이 매우 고가인 윤활첨가제 보다도 극압 성능이 더 우수하여, 결국 본 발명에 의한 무교환식 초극압용 윤활유 조성물은 품질에서 뿐만 아니라 경제성 면에서도 현재 사용중인 고급 윤활유 및 윤활 첨가제보다 훨씬 우수한 것으로 판명되었다.

한편, 하기한 표 3 및 도면에의 기재는 생략하였으나, 본 발명의 실시예 2 내지 4에 대한 동일한 시험 결과, 실시예 2의 경우는 500kgf의 부하로 300초 후의 마모면의 마모흔 면적은 23.1 ㎠였으며, 실시예 3의 경우는 500kgf의 부하로 400초 후의 마모면의 마모흔 면적은 13.1 ㎠였으며, 실시예 4의 경우는 500kgf의 부하로 400초 후의 마모면의 마모흔 면적은 13.7 ㎠였으며, 실시예 5의 경우는 500kgf의 부하로 400초 후의 마모면의 마모흔 면적은 25.3 ㎠였다.

극압성능 비교결과

구분	시료	결과	비고
윤활유	ZA(비교예1)	·시험 시작 후 곧 소음 발생· 200kgf 부하, 25초 후연기발생 및 소음증대·마모면적 : 28.04 ㎠ (도 2)	SK화학 제품SAE 5W/30(국내산)
	DR(비교예2)	· 시험 시작 후 곧 소음 발생· 150kgf 부하, 20초 후연기발생 및 소음증대·마모면적 : 31.38 ㎠ (도 3)	쌍용정유(SA) 제품SAE 10W/30(국내산)
	MO(비교예3)	· 시험 시작 후 곧 소음 발생· 200kgf 부하, 30초 후연기발생 및 소음증대·마모면적 : 37.31 ㎠ (도 4)	MOBIL OIL사 (USA)제품SAE 5W/50(수입품)
	LU(실시예1)	· 500kgf 부하, 420초 까지연기 및 소음발생 없음· 마모면적 : 6.28 ㎠ (도 6)	발명품
	QM(비교예4)	· 500kgf 부하, 300초 까지연기 및 소음발생 없음·마모면적 : 16.22 ㎠ (도 5)	QMI사 (USA) 제품(수입품)

※윤활유QM은 현재 수입 시판품 중에서 가장 최근 개발된 제품으로서 성능이 가장 우수한 고급고가 제품임.

실시예 6

실시예 1의 윤활유 조성물의 경시 특성 변화를 확인하기 위하여 승용차(현대자동차(주)의 에란트라 1.5 SLOC)의 엔진룸에 넣고 30일간 계속하여 엔진을 가동시킨 후의 물성치 변화를 측정한 결과, 비중은 0.871로부터 0.858로, 동점도(100℃)는 14.5로부터 13.9cSt로, 점도지수는 145로부터 142로 변화되었다. 이 결과로부터 본 발명의 윤활유 조성물은 윤활유의 수명이 기존의 제품보다 월등히 우수하여 교환주기가 거의 1년 이상으로 예상되어지는 조성물인 것으로 평가되었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 무교환식 초극압용 윤활유 조성물은 극압 성능이 공지의 윤활유 및 윤활유 첨가제보다 극압 성능이 우수하여 기계 작동부의 윤활효과를 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 윤활유 1회 주입 후 일정기간 마다 부족분에 대한 소량의 첨가만으로도 반영구적으로 사용 가능하므로 원가절감의 효과도 탁월하여 내연기관의 엔진 용도뿐만 아니라 산업용 용도, 중장비용 용도까지 광범위하게 적용 가능하다.

(무교환식이라함은 윤활유의 극압성이 우수하여 내연기관 내의 금속마모성이 거의 없기 때문에 윤활유의 외관적인 오염이 없어 주행시간 즉 사용시간이 10,000시간 이상이 되어도 윤활유의 변질, 변색이 없고 윤활성은 최초의 상태와 동일하게 유지됨을 말한다.)

Claims (12)

1. 하기로 구성되는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물:

   윤활기유 70∼75중량부;

   황화지방산, 올레핀계 염소화하이드로카본 및 아민포스페이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 극압성능 부여제 5∼15중량부;

   마그네슘, 알루미늄, 인 및 황으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 에스테르 부가물 중 금속함량이 15중량부 이상인 포화지방산의 무기물 개질제로서의 극압성능 향상제 5∼10중량부;

   알킬스테아레이트로서의 윤활 촉진제 3∼7중량부 및;

   폴리이소부틸렌, 폴리메티아크릴레이트, 에틸렌프로필렌공중합체, 스티렌말레익에스테르공중합체 및 부타디엔계 공중합체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 점도지수 향상제 1∼5중량부.
2. 제 1 항에 있어서, 폴리메타아크릴레이트, 알킬썩신이미드 및 알킬썩신산에스테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 분산제를 0.2∼1.0중량부 또한 포함하는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물.
3. 제 1 항에 있어서, 산화방지제로서 Zn-DTP(Zinc-dithio phosphate)를 0.1∼1.0중량부 또한 포함하는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 알킬나프탈렌왁스, 알킬페놀왁스 및 폴리메타아크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 유동점 강하제를 0.1∼1.5중량부 또한 포함하는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물.
5. 제 1 항에 있어서, 칼슘설포네이트, 마그네슘설포네이트, 칼슘포스페이트, 바륨포스페이트, 염화칼슘 및 염화마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 청정제를 0.1∼1.0중량부를 또한 포함하는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 비중 0.750∼0.950, 인화점 225∼238℃, 동점도 103∼111cSt(40℃), 12.5∼16.5cSt(100℃), 점도지수 140∼150, 유동점 -36∼-40℃, 중화가 9.5∼11.5mg KOH/g 범위의 물리적 특성을 갖는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물.
7. 제 1 항에 있어서, 극압성능 부여제가 염화파라핀, 극압성능 향상제가 스테아릭포스페이트, 윤활 촉진제가 부틸스테아레이트 및, 점도지수 향상제가 폴리이소부틸렌인 무교환식 초극압용 윤활유 조성물.
8. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서, 청정제로서 염화마그네슘, 분산제로서 알킬썩신이미드, 산화방지제로서 Zn-DTP(Zinc-dithio phosphate) 및, 유동점 강하제로서 TPH(Tetra-paraffin phenol)중 적어도 1종을 또한 포함하는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물.
9. 하기의 단계로 구성되는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 제조방법:

   윤활기유 70∼75중량부, 황화지방산, 올레핀계 염소화하이드로카본 및 아민포스페이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 극압성능 부여제 5∼15중량부, 마그네슘, 알루미늄, 인 및 황으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 에스테르 부가물 중 금속함량이 15중량부 이상인 포화지방산의 무기물 개질제로서의 극압성능 향상제 5∼10중량부, 알킬스테아레이트로서의 윤활 촉진제 3∼7중량부 및, 폴리이소부틸렌, 폴리메티아크릴레이트, 에틸렌프로필렌공중합체, 스티렌말레익에스테르공중합체 및 부타디엔계 공중합체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 점도지수 향상제 1∼5중량부를 반응조에 순서대로 투입하는 원료 배합 단계; 및

   90∼110℃의 온도에서 서서히 교반하면서 10∼15시간동안 반응시키는 반응 단계.
10. 제 9 항에 있어서, 상기한 반응 단계에 후속하여, 반응조의 온도를 65∼75℃로 감온한 후, 폴리메타아크릴레이트, 알킬썩신이미드 및 알킬썩신산에스테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 분산제 0.2∼1.0중량부, 산화방지제로서 Zn-DTP (Zinc-dithio phosphate) 0.1∼1.0중량부, 알킬나프탈렌왁스, 알킬페놀왁스 및 폴리메타아크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 유동점 강하제 0.1∼1.5중량부 및, 칼슘설포네이트, 마그네슘설포네이트, 칼슘포스페이트, 바륨포스페이트, 염화칼슘 및 염화마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 청정제 0.1∼1.0중량부중 적어도 1종을 투입하고 서서히 7∼10시간동안 반응시키는 첨가제 첨가 단계를 또한 수행하는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기한 원료 배합 단계 및 반응 단계와, 상기한 첨가물 첨가 단계가 동일 반응조내에서 일원화하여 수행하되, 설정 온도만을 상기한 범위로 변화시켜 수행하는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 제조방법.
12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기한 반응 단계, 또는 상기한 첨가물 첨가 단계에 이어서 불순물 제거를 위한 여과 단계를 후속 수행하는 무교환식 초극압용 윤활유 조성물의 제조방법.