KR100912022B1

KR100912022B1 - 기어 유체

Info

Publication number: KR100912022B1
Application number: KR1020070027712A
Authority: KR
Inventors: 칩 히웨트
Original assignee: 에프톤 케미칼 코포레이션
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2009-08-12
Also published as: CN101070506B; JP2007291357A; KR20070095819A; CN101070506A; EP1840194A1; US7410935B2; DE602007001091D1; EP1840194B1; US20070225182A1; JP4856575B2

Abstract

극압 용도용 기어 유체 조성물. 본 조성물은 베이스 오일 성분 및 마찰 조정제 혼합물을 함유한다. 상기 혼합물은 하기 화학식:

[식 중, R¹ 은 약 8 내지 약 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R² 및 R³ 는 약 1 내지 약 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 선택됨] 의 알킬 포스폰산 디에스테르, 하기 화학식:

[식 중, R⁴ 는 약 8 내지 약 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R⁵ 는 수소 또는 약 1 내지 약 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기임] 의 알킬 포스폰산 모노에스테르, 및 하기 화학식:

[식 중, R⁶ 및 R⁸ 각각은 히드로카르빌기이고, R⁷ 은 수소 또는 히드로카르빌기임] 으로 나타내는 인산의 부분적 에스테르의 아민 염으로 제공되며, 여기서, (i) 대 (ⅱ) 의 비는 약 3 내지 약 5.5 범위이다.

기어 유체, 베이스 오일, 마찰 조정제, 알킬 포스폰산 모노에스테르, 알킬 포스폰산 디에스테르, 인산의 부분적 에스테르의 아민 염

Description

기어 유체 {GEAR FLUIDS}

도면과 함께 고찰할 때 상세한 설명을 참조하면 예시적 구현예의 추가의 장점이 명백해질 수 있고, 여기서:

도 1 은 SAE #2 시험 장비 (test rig) 에서 마찰 내구성 시험 동안 기어 유체 중 표면 처리 조성물의 도식적 비교이다.

기술분야

본 개시내용은 특히 극압 용도에 있어서의 특징이 향상된 기어 및 동력 변속기 유체에 관한 것이다. 본원에 나와 있는 유체는 자동차 및 기계 산업에서 광범위한 기어 및 변속기 용도에 사용하기에 적합한 유체 및 첨가제를 포함할 수 있다.

종래기술

자동차 산업에 의해서 신규하고 진보된 차동 기어 및 변속기 시스템이 개발되고 있다. 이러한 신규의 시스템은 종종 고에너지 요건을 수반한다. 따라서, 이들 진보된 시스템의 증가하는 에너지 요건을 충족시키는 부품 보호 기술을 개발해야 한다.

기어 장치의 예는 차동 제한 장치이다. 차동 제한 장치는 다수의 운송 수단에서, 두 개의 구동 타이어 또는 바퀴 중 하나가 본질적으로 견인력이 없는 경우 흔히 발생하는 상황에 대비하기 위해서 제공된다. 이는 푸석푸석한 흙, 모래, 진흙, 또는 얼음의 경우일 수 있다. 표준형 순종 차동 장치에서는, 견인력이 없는 구동 타이어가 전동기구 토크 전부를 받지만, 그 운송 수단을 원하는 방향으로 이동시키지 못하고 공전한다. 차동 제한 장치에서는, 메카니즘이 전동기구에 의해서 전달된 토크 부분을 두 구동 바퀴와 나누고, 즉 분배한다. 유효 토크를 분배함으로써, 약간의 견인력이 있는 바퀴가 충분한 토크를 받아서 운송 수단을 원하는 방향으로 이동시킨다. 또한, 고성능 운송 수단은 토크가 너무 높아서, 어떠한 방향전환의 상황에서, 한 바퀴에서의 토크가 유효 견인력을 초과하고, 그리하여 성능이 나빠진다. 차동 제한 장치는 두 바퀴 사이로 토크를 분배하여, 운송 수단의 성능을 높인다.

차동 제한 장치의 각종 메카니즘은 입력 피니언 기어 (input pinion gear) 로부터 차축 샤프트 (axle shaft) 까지 토크를 전달한다. 공동 메카니즘은 차동 치차 캐리어 (differential carrier) 로부터 사이드 기어로 토크를 전달하는 다중-판 습식 클러치이다. 이들 다중-판 클러치는 전형적으로 한 가지 재료 또는 외장 재료의 한 세트의 마찰판, 및 한 세트의 강철판을 갖는다. 한 세트의 판들은 어떤 수단을 통해서 차동 치차 캐리어에 연결되고, 나머지 세트의 판들은 유사한 수단을 통해서 사이드 기어에 연결된다. 사이드 기어가 차축 샤프트를 구 동시킬 때, 그 결과 토크가 차축 샤프트, 그리고 그것에 의해서 운송 수단의 바퀴 및 타이어에 전달된다. 이때, 이것이 운송 수단에 추진력을 준다.

운전 중, 차동 제한 장치 마찰 및 강철 클러치 판들은, 운송 수단이 방향을 바꿀 때 또는 한 바퀴에 대한 견인력이 줄어들거나 없을 때, 서로에 대하여 다른 속도로 회전한다. 클러치 판들의 상대적 회전 속도는 분당 거의 0 회전에서 분당 수백 회전인 매우 고속의 범위일 수 있다. 클러치 판들은 대부분의 경우에, 두 세트의 판들을 함께 미는 바이어싱 (biasing) 스프링 힘, 뿐만 아니라 차동 장치 기어 세트 분리력으로 움직인다.

차동 제한 장치는, 후 차축용 윤활제가 적당한 마찰 특성을 갖고, 그 마찰 특성이 충분한 경과 마일리지 또는 기간 동안 지속되기를 요한다. 적당한 마찰 특성은, 마찰 계수가 판 회전 속도가 증가할수록 올라가고, 판 회전 속도가 감소할수록 떨어지는 것이다.

적당한 마찰 특성 및 수명을 제공하기 위해서, 특정 첨가제를 표면 처리제로서 기어 윤활제에 첨가할 수 있다. 이들 첨가제는 광범위한 마찰 조정제 및 관련 화합물로부터 선택할 수 있다. 그러나, 특히 효과적인 첨가제는 표면 처리제에서 용액으로 있지 않을 것이다.

본 개시내용의 목적상, "기어 유체" 라는 어구는 상기의 기어 및 변속기 시스템 및 어플리케이션을 포함하기 위함이지만, 여기에 한정되지는 않는다.

본 개시내용에 따라 제형화한 기어 유체는 금속-대-금속 접촉 상황에서 변속 기 및 기어 구동 부품을 보호하기에 적합하게 제형화된다. 그러나, 그와 같은 향상을 제공하는 첨가제는 기어 유체에 전달하기 위해서 농축액에 용해된 채로 유지하기가 어렵다.

한 구현예로, 극압 용도용 기어 유체 조성물을 제공한다. 기어 유체는 베이스 오일 성분 및 마찰 조정제 혼합물을 함유한다. 마찰 조정제는 하기를 함유한다:

(i) 하기 화학식:

[식 중, R¹ 은 약 8 내지 약 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R² 및 R³ 는 약 1 내지 약 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 독립적으로 선택됨] 의 알킬 포스폰산 디에스테르 하나 이상;

(ⅱ) 하기 화학식:

[식 중, R⁴ 는 약 8 내지 약 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R⁵ 는 수소 및 약 1 내지 약 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 선택됨] 의 알킬 포스폰산 모노에스테르 하나 이상; 및

(ⅲ) 하기 화학식:

[식 중, R⁶ 및 R⁸ 각각은 독립적으로 히드로카르빌기이고, R⁷ 은 수소 또는 히드로카르빌기임] 으로 나타내는 인산의 부분적 에스테르의 아민 염 하나 이상,

여기서, (i) 대 (ⅱ) 의 비는 약 3 내지 약 5.5 범위임.

또다른 구현예로, 마찰 조정제 첨가제 패키지 중 마찰 조정제 성분의 용해도 향상 방법을 제공한다. 상기 방법은 하기 화학식:

의 알킬 포스폰산 디에스테르 하나 이상을 하기 화학식:

의 알킬 포스폰산 모노에스테르 하나 이상과, 그리고 하기 화학식:

으로 나타내는 인산의 부분적 에스테르의 아민 염 하나 이상과 배합하는 것을 포함하며, 여기서, R¹ 및 R⁴ 는 약 8 내지 약 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히 드로카르빌기로부터 선택되고; R², R³ 및 R⁵ 는 수소 및 약 1 내지 약 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 독립적으로 선택되고; R⁶ 및 R⁸ 각각은 독립적으로 히드로카르빌기이고, R⁷ 은 수소 또는 히드로카르빌기이다. 혼합물 중 알킬 포스폰산의 디에스테르 대 모노에스테르의 비는 약 3 내지 약 5.5 범위이고, 알킬 포스폰산 디에스테르의 총 산가 (total acid number: TAN) 는 약 15 이하이다. 실질적으로 모든 알킬 포스폰산 디에스테르 및 모노에스테르를 가용화시키기에 충분한 양의 베이스 오일 성분에서 상기 성분들을 배합한다.

본원에 기재한 조성물 및 방법의 장점은, 첨가제 패키지에서 실질적으로 첨가제 드롭-아웃 (drop-out) 이 없도록 첨가제를 추가로 가용화시킬 필요 없이, 첨가제 패키지의 성분들이 베이스 오일 성분에 충분히 가용화 또는 안정화된다는 것이다. 본원에 기재한 첨가제 패키지는 또한 고농도의 마찰 조정제 성분이 기어 유체로 전달될 수 있도록 해 준다. 그와 같은 첨가제 패키지는 자동차 기어, 산업용 기어, 정치 기어, 후 차축, 차동 제한 장치, 통상의 차동 장치, 및/또는 자동 및 수동 변속기를 포함하지만, 여기에 한정되지는 않는 광범위한 기어 및/또는 변속기 용도에 특히 적합하다. 게다가, 그와 같은 첨가제 패키지는 다중-판 차동 장치, 원뿔형 클러치 차동 장치, 토르센 (torsen) 차동 장치, 및/또는 도그 (dog) 클러치 차동 장치에 사용하기에 적합하다.

구현예의 상세한 설명

본원에서 사용할 때, "히드로카르빌 치환기" 또는 "히드로카르빌기" 라는 용 어는 당업자에게 주지되어 있는 그것의 통상의 의미로 사용된다. 구체적으로는, 그것은 분자의 나머지 부분에 탄소 원자가 직접 결합되어 있고, 탄화수소 성질이 우세한 기를 가리킨다. 히드로카르빌기의 예는 다음을 포함한다:

(1) 탄화수소 치환기, 즉, 지방족 (예를 들어, 알킬 또는 알케닐), 지환식 (예를 들어, 시클로알킬, 시클로알케닐) 치환기, 및 방향족-, 지방족-, 및 지환식-치환 방향족 치환기, 뿐만 아니라 분자의 또다른 부분을 통해서 고리가 완성되는 환식 치환기 (예를 들어, 두 치환기가 함께 지환식 라디칼을 형성함);

(2) 치환 탄화수소 치환기, 즉, 본원의 설명의 정황상, 우세한 탄화수소 치환기를 바꾸지 않는 비-탄화수소기 (예를 들어, 할로 (특히 클로로 및 플루오로), 히드록시, 알콕시, 메르캅토, 알킬메르캅토, 니트로, 니트로소, 및 설폭시) 를 함유하는 치환기;

(3) 헤테로-치환기, 즉, 탄화수소 성질이 우세하면서, 본 설명의 정황상, 만약 그렇지 않았다면 탄소 원자로 구성되는 고리 또는 사슬에 탄소 이외의 것을 함유하는 치환기. 헤테로-원자는 황, 산소, 질소를 포함하며, 피리딜, 푸릴, 티에닐 및 이미다졸릴과 같은 치환기를 포함한다. 일반적으로, 두 개 이하, 또다른 예로서는, 하나 이하의 비-탄화수소 치환기가 히드로카르빌기 중 탄소 원자 매 10 개당 존재할 것이며; 전형적으로는, 히드로카르빌기에는 비-탄화수소 치환기가 없을 것이다.

본원에 기재한 예시적 구현예에서, 기어 유체 첨가제는 베이스 오일 성분 및 포스폰산 에스테르 및 유용성 인산 유도체의 아민 염을 함유하는 마찰 조정제 첨가 제 조성물을 함유할 수 있다. 포스폰산의 에스테르는 하기 화학식:

(I)

[식 중, R¹ 은 약 8 내지 약 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R² 및 R³ 는 H 및 약 1 내지 약 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 독립적으로 선택됨] 으로 나타낼 수 있다.

더욱 구체적으로는, 포스폰산의 에스테르는 포스폰산의 완전 또는 부분적 모노에스테르 및 포스폰산의 디에스테르를 포함할 수 있다. 포스폰산의 디에스테르는, R² 및 R³ 가 독립적으로는 약 1 내지 약 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터인, 상기 화학식 (I) 로 나타낼 수 있다. 포스폰산의 모노에스테르는 하기 화학식:

(Ⅱ)

[식 중, R⁴ 는 약 8 내지 약 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R⁵ 는 수소 및 약 1 내지 약 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 선택됨] 으로 나타낼 수 있다. 상기 화학식 (I) 및 (Ⅱ) 에서, R¹ 및 R⁴ 는 동일한 히드로카르빌기일 수 있고, R⁵ 는 R² 와 동일한 히드로카르빌기일 수 있 다. 따라서, 화학식 (Ⅱ) 의 모노에스테르는, 그 개시내용이 본원에 참조로 반영되는 미국 공개 번호 2004/0230068 A1 에 나와 있는 절차에 따라서, 화학식 (I) 의 디에스테르로부터 디에스테르의 가수분해에 의해서 유도될 수 있다. 화학식 (Ⅱ) 의 모노에스테르는 완전 또는 부분적 가수분해된 에스테르일 수 있다.

모노에스테르가 디에스테르로부터 유도되든 별도로 만들어지든 간에, 첨가제 농축물 중 모노에스테르 및 디에스테르의 총량은 전형적으로는 농축물의 총 중량의 약 1 내지 약 10 중량% 이다. 또한, 첨가제 농축물에 사용하는 디에스테르 대 모노에스테르의 비는 베이스 오일 성분 중 에스테르의 장기간 안정성을 제공하도록 선택한다. 전형적으로는, 첨가제 농축물 중 디에스테르의 용해도를 유지하기는 어렵다. 그러나, 모노에스테르와 디에스테르를, 디에스테르 대 모노에스테르의 비가 약 3 내지 약 5.5 범위이도록 화합시키면, 디에스테르의 농도가 4 중량% 를 초과하더라도 첨가제 패키지 중 디에스테르의 장기간 안정성이 증가한다.

포스폰산 모노에스테르의 예는 헥산 포스폰산, 옥탄 포스폰산, 도데칸 포스폰산, 테트라데칸 포스폰산, 헥사데칸 포스폰산, 펜타데칸 포스폰산, 2-메틸펜탄 포스폰산, 트리메틸펜탄 포스폰산, 옥타데칸 포스폰산, 에탄 포스폰산, 프로판 포스폰산, 2-메틸프로판 포스폰산, 헥산 포스폰산, n-헵틸 에스테르, 옥탄 포스폰산 2-에틸헥실 에스테르, 도데칸 포스폰산 에틸 에스테르, 테트라데칸 포스폰산 메틸 에스테르, 헥사데칸 포스폰산 부틸 에스테르, 펜타데칸 포스폰산 메틸 에스테르, 2-메틸펜탄 포스폰산 에틸 에스테르, 헥산 포스폰산 4-메틸펜틸-(2) 에스테르, 2,4,4-트리메틸펜탄 포스폰산 에틸 에스테르, 옥타데칸 포스폰산 이소프로필 에스 테르, 에탄 포스폰산 메틸 에스테르, 에탄 포스폰산 에틸 에스테르, 에탄 포스폰산 이소부틸 에스테르, 프로판 포스폰산 에틸 에스테르, 및 2-메틸프로판 포스폰산 이소부틸 에스테르를 포함하지만, 여기에 한정되지는 않는다. 모노에스테르는 전형적으로는 총 산가 (TAN) 가 약 100 내지 약 200 범위이다.

포스폰산의 디에스테르의 예는 헥산 포스폰산 디-n-헵틸 에스테르, 옥탄 포스폰산 디-2-에틸헥실 에스테르, 도데칸 포스폰산 디에틸 에스테르, 테트라데칸 포스폰산 디메틸 에스테르, 헥사데칸 포스폰산 디부틸 에스테르, 펜타데칸 포스폰산 디메틸 에스테르, 2-메틸펜탄 포스폰산 디에틸 에스테르, 헥산 포스폰산 디-4-메틸펜틸-(2) 에스테르, 2,4,4-트리메틸펜탄 포스폰산 디에틸 에스테르, 옥타데칸 포스폰산 디이소프로필 에스테르, 에탄 포스폰산 디메틸 에스테르, 에탄 포스폰산 디에틸 에스테르, 에탄 포스폰산 디-이소부틸 에스테르, 프로판 포스폰산 디에틸 에스테르, 및 2-메틸프로판 포스폰산 디-이소부틸 에스테르를 포함하지만, 여기에 한정되지는 않는다. 포스폰산 에스테르의 제조 방법은, 예를 들어, Siles 등의 미국 특허 번호 2,724,718 및 Kleiner 등의 미국 특허 번호 3,812,222 에 기재되어 있다. 디에스테르는 전형적으로는 총 산가 (TAN) 가 약 15 이하이다.

마찰 조정제 첨가제 조성물의 또다른 성분은 인산의 부분적 에스테르의 아민 염으로부터 선택된다. 그와 같은 화합물은 하기 화학식:

[식 중, R⁶ 및 R⁸ 각각은 독립적으로 히드로카르빌기이고, R⁷ 은 수소 또는 히드로카르빌기임] 으로 나타낼 수 있다.

인산의 부분적 에스테르의 아민 염의 실례는 다음을 포함하지만, 여기에 한정되지는 않는다:

부틸인산의 옥타데실아민 염

이소부틸인산의 옥타데실아민 염

아밀인산의 옥타데실아민 염

헥실인산의 옥타데실아민 염

헵틸인산의 옥타데실아민 염

2-에틸헥실인산의 옥타데실아민 염

옥틸인산의 옥타데실아민 염

노닐인산의 옥타데실아민 염

데실인산의 옥타데실아민 염

도데실인산의 옥타데실아민 염

트리데실인산의 옥타데실아민 염

테트라데실인산의 옥타데실아민 염

헥사데실인산의 옥타데실아민 염

옥타데실인산의 옥타데실아민 염

올레일인산의 옥타데실아민 염

벤질인산의 옥타데실아민 염

시클로헥실인산의 옥타데실아민 염

p-톨릴인산의 옥타데실아민 염

자일릴인산의 옥타데실아민 염

옥타데실아민 염 또는 부가물은 단지 예시의 목적으로 앞서 두 목록에 나타내었다. 옥타데실 아민 염 대신에, 또는 거기에 더하여, 노닐아민, 데실아민, 운데실아민, 도데실아민, 트리데실아민, 테트라데실아민, 펜타데실아민, 헥사데실아민, 헵타데실아민, 시클로헥실아민, 페닐아민, 메시틸아민, 올레일아민, 코코아민, 소이아민, C₈ 삼차 알킬 일차 아민, C₁₂ _-14 삼차 알킬 일차 아민, C₂₂ _-24 삼차 알킬 일차 아민, 펜에틸아민 등, 부분 에스테르화 인산의 염 또는 부가물을 사용할 수 있고, 그와 같은 임의의 화합물의 혼합물이 포함된다. 일반적으로, 적합한 아민 염은 지방족 아민, 특히 포화 또는 올레핀계 불포화 지방족 일차 아민, 예컨대 n-옥타데실아민, 2-에틸헥실아민, tert-옥틸아민, n-데실아민, C₁₀, C₁₂, C₁₄ 및 C₁₆ 삼차 알킬 일차 아민 (단독 또는 그들의 임의의 조합, 예컨대 C₁₂ 및 C₁₄ 삼차 알킬 일차 아민의 혼합물), n-운데실아민, C₁₄ 내지 C₁₈ 삼차 알킬 일차 아민의 혼합물, 라우릴 아민, 헥사데실아민, 헵타데실아민, 옥타데실아민, C₂₂ 및 C₂₄ 삼차 알킬 일차 아민 (단독 또는 조합), 데세닐아민, 도데세닐아민, 팔미톨레일아민, 올레일아민, 리놀레일아민, 에이코세닐아민 등의 염이다. 이차 히드로카르빌 아민 및 삼차 히드로카르빌 아민을 또한 단독으로 또는 서로 조합하여 또는 일차 아민과 함께 사용할 수 있다. 그러므로, 상기 염 또는 부가물을 형성하는데 있어서, 모노아민이든 폴리아민이든 간에, 일차, 이차, 및/또는 삼차 아민의 임의의 조합을 사용할 수 있다.

유사하게, 아민은 폴리알킬렌 폴리아민; 작용기-치환 폴리아민 예컨대 폴리알킬렌 폴리아민의 숙신이미드 또는 숙신아미드 예컨대 디에틸렌 트리아민의 폴리이소부테닐 숙신이미드, 트리에틸렌 테트라민의 폴리이소부테닐 숙신이미드, 테트라에틸렌 펜타민의 폴리이소부테닐 숙신이미드, 펜타에틸렌 헥사민의 폴리이소부테닐 숙신이미드 (선형, 분지형 및 환형 종을 포함하는 시판 폴리에틸렌 폴리아민 혼합물로부터 만든 숙신이미드 포함); 및 지금 막 기재한 유형의 폴리알킬렌 폴리아민으로부터 유도한 만니히 (Mannich) 염기의 형태로 사용할 수 있다. 게다가, 유리 상태이든 또는 숙신이미드, 숙신아미드, 또는 만니히 염기의 형태이든 간에, 폴리알킬렌 폴리아민은 말레산 무수물, 말산, 이타콘산, 이타콘산 무수물, 티오말산, 푸마르산 등과 같은 시약으로 부분적으로 붕산화, 부분적으로 인산화, 또는 부분적으로 아실화시킬 수 있는데, 단, 그와 같은 붕산화 또는 인산화 또는 아실화 아민 또는 아민 부분은 최소한의 충분한 잔류 염기도를 포함하여서, 부분적 에스테르화 인산과의 염을 형성할 수 있다. 붕산화 및 인산화시킨 숙신이미드, 숙신아미드 또는 만니히 염기 형태의 알킬렌 폴리아민은 예를 들어 미국 특허 번호 4,857,214 에 기재되어 있다.

일차 아민을 사용하는 것이 적합하다. 기타 적합한 아민은 분자 내에 탄 소 원자가 약 8 내지 약 24 개인 알킬 모노아민 및 알케닐 모노아민이다.

생성되는 아민 염이 유용성인 한, 메틸 아민 등을 포함하는, 탄소 원자가 8 개 미만인 아민을 사용할 수 있다. 마찬가지로, 또한 생성되는 아민 염이 유용성인 한, 탄소 원자가 24 개를 초과하는 아민을 사용할 수 있다.

그와 같은 아민 염의 제조 방법은 주지되어 있고, 문헌에 보고되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 번호 2,063,629; 2,224,695; 2,447,288; 2,616,905; 3,984,448; 4,431,552; 및 국제 출원 공개 번호 WO 87/07638 을 참조한다.

마찰 조정제 첨가제 조성물 중 인산의 부분적 에스테르의 아민 염의 적합한 양은 첨가제 조성물의 총 중량의 약 5 내지 약 40 중량%, 또다른 예로서 약 25 내지 약 35 중량%, 더욱 추가의 예로서 약 28 내지 약 32 중량% 범위일 수 있다.

합성 배합원료

일부 구현예에서, 베이스 오일 성분은 합성 배합원료를 함유할 수 있다. 상기 마찰 조정제 첨가제 조성물용 합성 배합원료는 알킬화된 방향족 화합물, 예를 들어, 알킬화된 나프탈렌을 함유할 수 있다. 알킬화된 나프탈렌은 업계에 공지된 임의의 적합한 방법에 의해서, 나프탈렌으로부터 또는 탄소 원자가 약 8 개 이하인 하나 이상의 단쇄 알킬기, 예컨대 메틸, 에틸, 또는 프로필 등을 포함할 수 있는 알킬-치환 나프탈렌으로부터 제조될 수 있다. 적합한 알킬-치환 나프탈렌은 알파-메틸나프탈렌, 디메틸나프탈렌 및 에틸나프탈렌을 포함한다. 그러나, 비-치환 나프탈렌을 알킬화시키는 것이 더욱 고도로 알킬화된 물질보다 더 양호한 열 그리고 산화 안정성을 제공할 수 있다.

알킬화된 나프탈렌을 제조하는 편리한 방법은 제목이 "나프탈렌 알킬화 방법 (Naphthalene Alkylation Process)" 이고, 그 전체가 본원에 참고로 반영되는 미국 특허 번호 5,034,563 에 나와 있다. 간략하게 상기 방법에 따르면, 장쇄 알킬 치환 나프탈렌은 반경이 2.5 Å 이상인 양이온을 포함하는 제올라이트를 함유하는 알킬화 촉매의 존재 하에, 알파-올레핀과 같은 올레핀 또는 기타 알킬화제 예컨대 6 개 이상의 탄소 원자, 또는 10 내지 30 개의 탄소 원자, 또는 12 내지 20 개의 탄소 원자를 보유하는 알코올 또는 알킬 할라이드를 이용한 나프탈렌의 알킬화에 의해서 제조된다. 이 크기의 양이온은 수화 암모늄, 나트륨 또는 칼륨 양이온과 같은 수화 양이온에 의해서 또는 테트라알킬암모늄 양이온과 같은 유기암모늄 양이온에 의해서 제공될 수 있다. 제올라이트는 보통 공극 크기가 큰 제올라이트 USY 이다. 제올라이트 내에 부피가 큰 양이온이 존재하면 더욱 고도로 치환된 생성물보다 장쇄 모노-알킬 치환 나프탈렌의 제조에 있어서 촉매의 선택성이 증가한다.

마찰 조정제 첨가제 조성물 중 합성 배합원료의 양은 첨가제의 약 50 내지 약 80 중량% 범위일 수 있다.

베이스 오일

본 개시내용에 따른 기어 첨가제 또는 유체 조성물을 제형화하는데 사용하기에 적합한 베이스 오일은 임의의 합성 또는 천연 오일 또는 그의 혼합물로부터 선택할 수 있다. 천연 오일은 동물성 오일 및 식물성 오일 (예를 들어, 피마자유, 라드유) 뿐만 아니라 광물성 윤활유, 예컨대 액체 석유 및 파라핀계, 나프텐계 또는 혼합 파라핀-나프텐 유형의, 용매처리 또는 산처리 광물성 윤활유를 포함한다. 석탄 또는 혈암 유래의 오일이 또한 적합하다. 베이스 오일은 전형적으로는 100 ℃ 에서의 점도가 약 2 내지 약 15 cSt, 또는 또다른 예로서 약 2 내지 약 10 cSt 이다.

합성 베이스 오일은 디카르복실산의 알킬 에스테르, 폴리글리콜 및 알코올, 폴리부텐을 포함하는 폴리-알파-올레핀, 알킬 벤젠, 인산의 유기 에스테르, 및 폴리실리콘 오일을 포함한다. 합성 오일은 탄화수소 오일 예컨대 중합 및 공중합 올레핀 (예를 들어, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 프로필렌 이소부틸렌 공중합체 등); 폴리(1-헥센), 폴리-(1-옥텐), 폴리(1-데센) 등 및 그의 혼합물; 알킬벤젠 (예를 들어, 도데실벤젠, 테트라데실벤젠, 디-노닐벤젠, 디-(2-에틸헥실)벤젠 등); 폴리페닐 (예를 들어, 비페닐, 터페닐, 알킬화 폴리페닐 등); 알킬화된 디페닐 에테르 및 알킬화된 디페닐 설파이드 및 그의 유도체, 유사체 및 동족체 등을 포함한다.

말단 히드록실기가 에스테르화, 에테르화 등에 의해서 개질된 산화알킬렌 중합체 및 공중합체 및 그의 유도체는 사용할 수 있는 또다른 부류의 공지의 합성 오일을 구성한다. 그와 같은 오일로는 산화에틸렌 또는 산화프로필렌의 중합을 통해서 제조한 오일인, 이들 폴리옥시알킬렌 중합체의 알킬 및 아릴 에테르 (예를 들어, 평균 분자량이 약 1000 인 메틸-폴리이소프로필렌 글리콜 에테르, 분자량이 약 500-1000 인 폴리에틸렌 글리콜의 디페닐 에테르, 분자량이 약 1000-1500 인 폴리프로필렌 글리콜의 디에틸 에테르 등) 또는 그의 모노- 및 폴리카르복실산 에스 테르, 예를 들어, 테트라에틸렌 글리콜의 아세트산 에스테르, 혼합 C₃ _-8 지방산 에스테르, 또는 C₁₃ 옥소산 디에스테르를 예로 든다.

사용할 수 있는 또다른 부류의 합성 오일은 디카르복실산 (예를 들어, 프탈산, 숙신산, 알킬 숙신산, 알케닐 숙신산, 말레산, 아젤라산, 수베르산, 세박산, 푸마르산, 아디프산, 리놀레산 이량체, 말론산, 알킬 말론산, 알케닐 말론산 등) 과 각종 알코올 (예를 들어, 부틸 알코올, 헥실 알코올, 도데실 알코올, 2-에틸헥실 알코올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 모노에테르, 프로필렌 글리콜 등) 의 에스테르를 포함한다. 이들 에스테르의 구체적인 예는 디부틸 아디페이트, 디(2-에틸헥실)세바케이트, 디-n-헥실 푸마레이트, 디옥틸 세바케이트, 디이소옥틸 아젤레이트, 디이소데실 아젤레이트, 디옥틸 프탈레이트, 디데실 프탈레이트, 디에이코실 세바케이트, 리놀레산 이량체의 2-에틸헥실 디에스테르, 1 몰의 세박산과 2 몰의 테트라에틸렌 글리콜 및 2 몰의 2-에틸헥산산을 반응시켜 형성한 복합 에스테르 등을 포함한다.

합성 오일로서 유용한 에스테르는 또한 C₅ 내지 C₁₂ 모노카르복실산 및 폴리올 및 폴리올 에테르 예컨대 네오펜틸 글리콜, 트리메틸올 프로판, 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 트리펜타에리트리톨 등으로부터 만든 것들을 포함한다.

또한, 액화 가스 (gas-to-liquid) 공정 유래의 오일 또한 적합하다.

그러므로, 본원에 기재되어 있는 기어 유체 조성물을 만드는데 사용할 수 있는 사용하는 베이스 오일은 미국 석유 협회 (American Petroleum Institute: API) 베이스 오일 호환성 지침 (Base Oil Interchangeability Guidelines) 에 명시된 I-V 군의 임의의 베이스 오일로부터 선택할 수 있다. 그와 같은 베이스 오일군은 다음과 같다:

베이스 오일군¹	황 (중량%)		포화물 (saturates) (중량%)	점도 지수
I 군	> 0.03	및/또는	< 90	80 내지 120
Ⅱ 군	≤ 0.03	및	≥ 90	80 내지 120
Ⅲ 군	≤ 0.03	및	≥ 90	≥ 120
Ⅳ 군	전부 폴리알파올레핀 (PAO)
V 군	I-Ⅳ 군에 포함되지 않는 나머지 전부
¹I-Ⅲ 군은 광유 베이스 원료임.

마찰 조정제 첨가제 조성물 중 베이스 오일 성분의 양은 첨가제의 약 50 내지 약 70 중량% 범위일 수 있다.

포스폰산 에스테르, 인산의 부분적 에스테르의 아민 염, 및 베이스 오일 성분을 함유하는 상기 첨가제 조성물은 기어 유체에 표면-처리 조성물로서 제공될 수 있다. 첨가제 조성물 또는 표면 처리 조성물은 기어 유체의 총 중량을 기준으로 약 1 내지 약 10 중량% 범위의 양으로 기어 유체에 첨가할 수 있다.

그와 같은 첨가제 또는 표면 처리 조성물로 강화시킬 수 있는 기어 유체는 전형적으로는 대량의 베이스 오일 및 소량의 첨가제 조성물을 함유한다. 첨가제 조성물은, 예를 들어, 무회 분산제, 마찰 조정제, 항산화제, 점도 지수 향상제, 부식 저해제, 내마모 첨가제, 금속 탈활성화제, 소포제, 유동점 (pour point) 강하제, 세제 금속성 세제, 및/또는 씰 (seal) 팽윤제를 포함할 수 있다.

본원에 기재한 유체 조성물을 제형화하는데 사용하는 첨가제는 개별적으로 또는 다양한 하위-조합으로 베이스 오일에 배합시킬 수 있다. 또한, 첨가제 농축물 (즉, 첨가제 + 희석제, 예컨대 탄화수소 용매) 을 사용하여 모든 성분을 동시에 배합하는 것이 적합하다. 첨가제 농축물의 사용은, 첨가제 농축물이라는 형 태에서, 성분들의 조합으로 얻게 되는 상호 상용성을 이용한다. 또한, 농축물의 사용은 배합 시간을 줄이고, 배합 오류 가능성을 경감시킨다.

본원에 나와 있는 기어 유체는 자동차 기어, 산업용 기어, 정치 기어, 후 차축, 차동 제한 장치, 통상의 차동 장치, 및/또는 자동 및 수동 변속기를 포함하지만, 여기에 한정되지는 않는 광범위한 기어 및/또는 변속기 용도에 적합한 유체를 포함할 수 있다. 게다가, 그와 같은 첨가제 패키지는 다중-판 차동 장치, 원뿔형 클러치 차동 장치, 토르센 차동 장치, 및/또는 도그 클러치 차동 장치에 사용하기에 적합하다.

앞서 기재한 바와 같이 기어 유체에 표면 처리 첨가제로서 유용한 예시적 조성물은 하기의 성분들을, 첨가제 조성물 중 중량% 를 근거로 나타낸 양으로 함유할 수 있다:

성분 양

I-V 군 베이스 오일 60-70 중량%

알케닐 아민 15-20 중량%

모노-히드로카르빌산 포스페이트 10-12 중량%

디메틸옥타데실포스포네이트 4-5 중량%

메틸옥타데실포스포네이트 모노에스테르 0.5-1.5 중량%

상기 첨가제 또는 표면 처리 조성물은 유체 특성을 향상시키도록 약 1 내지 약 10 중량% 범위의 양으로 기어 유체에 첨가할 수 있다. 비-합성 베이스 오일, 합성 베이스 오일, 및 비-합성 및 합성 베이스 오일의 조합을 함유하는 통상의 기어 유체 중 상기 첨가제 또는 표면 처리 유체의 마찰 내구성 시험은 SAE #2 시험 장비에서 24 시간의 내구성 시험 후 미끄러짐 속도가 증가할수록 마찰 계수가 증가함을 나타내었다.

종래의 두 표면 처리 첨가제 (곡선 B 및 C) 와 상기 예시적 조성에 따른 표면 처리 첨가제 (곡선 D) 사이의 비교를 도 1 에 도식적으로 제공한다. 각각의 표면 처리 첨가제를 통상의 기어 유체에 첨가하고, 100 rpm 에서 그리고 450 킬로파스칼의 압력을 적용하여 SAE #2 시험 장치에서 24 시간 내구성 시험을 적용하였다. 100 rpm 의 회전 속도에서, 표면 처리 첨가제 B, C, 또는 D 를 함유하는 기어 유체에서의 마찰 계수 (곡선 A) 를 도 1 에 예시한다. 본 개시내용에 따른 표면 처리 첨가제 (곡선 D) 를 함유하는 유체에 대한 마찰 계수 곡선인 곡선 D 는 내구성 시험 동안 마찰 계수의 증가를 나타내는 반면, 종래의 표면 처리 첨가제 (곡선 B 및 C) 를 함유하는 유체는 시험 주기 동안 마찰 계수의 감소를 나타내었다. 따라서, 본 개시내용에 따른 표면 처리 첨가제는 장기적으로는 종래의 표면 처리 첨가제를 상당히 능가할 것이라고 여겨진다.

본 명세서의 도처에서, 다수의 미국 특허를 참조하였다. 그와 같은 인용 문헌 모두는, 본원에서 완전히 설명하는 듯이, 본 개시내용에 전부 명백하게 반영된다.

본 발명의 기타 구현예는 본 명세서를 이해하고 본원에 나와 있는 발명을 실행함으로써 당업자에게 명백해질 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위 전체에서 사용할 때, "(단수형 부정관사)" 는 하나 또는 하나 초과를 가리킬 수 있다. 달리 나타내지 않는다면, 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용하는, 성분, 성질 예컨대 분자량, 백분율, 비, 반응 조건 등의 양을 표현하는 모든 숫자는 "약" 이라는 용어로 모든 경우에 변경되는 것으로 본다. 따라서, 반대로 나타내지 않는다면, 본 명세서 및 특허청구범위에 나타내는 수치적 변수는 본 발명으로 얻고자하는 원하는 성질에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 적이나, 그리고 균등주의의 적용을 특허청구범위의 범주로 한정하려는 시도가 아니라, 각각의 수치적 변수는 적어도 기록한 유효 숫자의 수에 비추어서 그리고 통상의 반올림 기술을 적용하여 해석해야 한다. 본 발명의 여러 항목을 나타내는 수치적 범위 및 변수가 근사치임에도 불구하고, 구체적인 예에 나타낸 수치는 가능한 한 정확하게 기록한다. 그러나, 어떠한 수치라도 본래 그들의 개별적인 시험 측정치에서 발견되는 표준 편차로부터 필연적으로 생기는 특정 오차를 포함한다. 본 명세서 및 실시예는 단지 예시로만 간주하고, 본 발명의 진정한 범주 및 취지는 하기의 특허청구범위로 나타내고자 한다.

본 발명에 따르면, 베이스 오일 성분 및 마찰 조정제 혼합물을 함유하는 첨가제 조성물로서, 마찰 조정제의 베이스 오일 중 용해도가 향상된 첨가제 조성물을 사용하여 금속-대-금속 접촉 상황에서 변속기 및 기어 구동 부품을 보호하기에 적합하게 제형화된 극압 용도용 기어 유체를 얻을 수 있다.

Claims

하기를 함유하는 기어 첨가제 조성물:

(a) 베이스 오일 성분; 및

(b) 하기를 함유하는 마찰 조정제 혼합물:

(i) 하기 화학식:

[식 중, R¹ 은 8 내지 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R² 및 R³ 는 1 내지 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 독립적으로 선택됨] 의 알킬 포스폰산 디에스테르 하나 이상;

(ⅱ) 하기 화학식:

[식 중, R⁴ 는 8 내지 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R⁵ 는 수소 및 1 내지 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 선택됨] 의 알킬 포스폰산 모노에스테르 하나 이상; 및

(ⅲ) 하기 화학식:

[식 중, R⁶ 및 R⁸ 각각은 독립적으로 히드로카르빌기이고, R⁷ 은 수소 또는 히드로카르빌기임] 으로 나타내는 인산의 부분적 에스테르의 아민 염 하나 이상,

여기서, (ⅱ) 에 대한 (i) 의 비는 3 내지 5.5 범위임.
제 1 항에 있어서, 베이스 오일 성분이 알킬화된 나프탈렌 배합원료를 함유하는 첨가제 조성물.
제 1 항에 있어서, 베이스 오일 성분이 모노알킬화된 나프탈렌을 함유하는 첨가제 조성물.
제 1 항에 있어서, 알킬 포스폰산 디에스테르가 디메틸옥타데실포스포네이트, 디메틸옥타데세닐포스포네이트, 디에틸-2-에틸데실포스포네이트, 에틸프로필-1-부틸헥사데실포스포네이트, 메틸에틸옥타데실포스포네이트, 메틸부틸 에이코실포스포네이트, 디메틸헥사트리아콘틸포스포네이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제 조성물.
제 1 항에 있어서, 알킬 포스폰산 모노에스테르가 알킬 포스폰산 디에스테르로부터 유도된 첨가제 조성물.
제 1 항에 있어서, 아민 염이 2-에틸헥실산 포스페이트 또는 올레일아민으로부터 유도된 첨가제 조성물.
제 1 항에 있어서, 포스폰산의 모노에스테르 및 디에스테르를 1 내지 10 중량% 함유하는 첨가제 조성물.
제 1 항에 있어서, 인산의 아민 염을 5 내지 40 중량% 함유하는 첨가제 조성물.
제 1 항에 있어서, 베이스 오일 성분을 50 내지 70 중량% 함유하는 첨가제 조성물.
제 1 항에 있어서, 항산화제, 내마모제, 소포제, 및 점도 지수 향상제를 추가로 함유하는 첨가제 조성물.
제 1 항의 첨가제 조성물의 유효량을 함유하는 기어 유체 (gear fluid).
제 11 항에 있어서, 첨가제 조성물을 1 내지 10 중량% 함유하는 기어 유체.
제 1 항의 첨가제 조성물을 포함하는 차축.
제 13 항에 있어서, 차동 제한 장치를 포함하는 차축.
제 1 항에 있어서, 미끄럼 제한 차축에 표면 처리 유체로서 도포되는 첨가제 조성물.
마찰 조정제 첨가제 패키지 중 하나 이상의 마찰 조정제 성분의 용해도 향상 방법으로서, 하기 화학식:

의 알킬 포스폰산 디에스테르 하나 이상을 하기 화학식:

의 알킬 포스폰산 모노에스테르 하나 이상과, 그리고 하기 화학식:

으로 나타내는 인산의 부분적 에스테르의 아민 염 하나 이상과 배합하는 것을 포함하며, 여기서, R¹ 및 R⁴ 는 8 내지 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 선택되고; R², R³ 및 R⁵ 는 수소 및 1 내지 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 독립적으로 선택되고; R⁶ 및 R⁸ 각각은 독립적으로 히드로카르빌기이고, R⁷ 은 수소 또는 히드로카르빌기이고, 여기서 실질적으로 모든 알킬 포스폰산 모노에스테르 및 디에스테르를 가용화시키기에 충분한 양의 베이스 오일 성분에서 상기 성분들을 배합하고, 여기서 알킬 포스폰산의 모노에스테르에 대한 디에스테르의 비가 3 내지 5.5 범위인 방법.
제 16 항에 있어서, 베이스 오일 성분이 알킬화된 나프탈렌 배합원료를 함유하는 방법.
제 16 항에 있어서, 베이스 오일 성분이 모노-알킬화된 나프탈렌을 함유하는 방법.
제 16 항에 있어서, 알킬 포스폰산 디에스테르가 디메틸옥타데실포스포네이트, 디메틸옥타데세닐포스포네이트, 디에틸-2-에틸데실포스포네이트, 에틸프로필-1-부틸헥사데실포스포네이트, 메틸에틸옥타데실포스포네이트, 메틸부틸 에이코실포스포네이트, 디메틸헥사트리아콘틸포스포네이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 방법.
제 16 항에 있어서, 아민 염이 2-에틸헥실산 포스페이트 또는 올레일아민으로부터 유도된 방법.
제 16 항에 있어서, 베이스 오일 성분 내에서, 알킬 포스폰산 디에스테르 1 내지 10 중량% 를 알킬 포스폰산 모노에스테르 0.5 내지 1.5 중량% 와, 그리고 인산의 부분적 에스테르의 아민 염 5 내지 40 중량% 와 혼합하는 것을 포함하는 방법.
제 16 항에 있어서, 베이스 오일 성분 50 내지 70 중량% 를 알킬 포스폰산 모노에스테르와, 알킬 포스폰산 디에스테르와, 그리고 인산의 부분적 에스테르의 아민 염과 배합하는 것을 포함하는 방법.
제 16 항의 방법으로 만든 표면-처리 첨가제 패키지.
첨가제 패키지를 기어 유체에 제공하는 것을 포함하는, 기어 유체의 마찰 성능 향상 방법으로서, 첨가제 패키지가 베이스 오일 성분 및 하기를 함유하는 마찰 조정제 혼합물을 함유하는 방법:

(i) 하기 화학식:

[식 중, R¹ 은 8 내지 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R² 및 R³ 는 1 내지 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 독립적으로 선택됨] 의 알킬 포스폰산 디에스테르 하나 이상;

(ⅱ) 하기 화학식:

[식 중, R⁴ 는 8 내지 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R⁵ 는 수소 및 1 내지 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 선택됨] 의 알킬 포스폰산 모노에스테르 하나 이상; 및

(ⅲ) 하기 화학식:

[식 중, R⁶ 및 R⁸ 각각은 독립적으로 히드로카르빌기이고, R⁷ 은 수소 또는 히드로카르빌기임] 으로 나타내는 인산의 부분적 에스테르의 아민 염 하나 이상,

여기서, (ⅱ) 에 대한 (i) 의 비는 3 내지 5.5 범위임.
제 24 항에 있어서, 첨가제 패키지가 차동 제한 장치에 사용하기에 적합한 방법.
제 24 항에 있어서, 기어 유체가 기어 유체의 총 중량을 기준으로 0.03 내지 0.5 중량% 의 알킬 포스폰산 디에스테르를 함유하는 방법.
제 24 항에 있어서, 기어 유체의 총 중량의 1 내지 10 중량% 범위의 양으로 첨가제 패키지를 기어 유체에 첨가하는 방법.
하기의 단계를 포함하는, 베이스 오일 중 기어 첨가제 성분의 용해도 향상 방법:

하기 화학식:

[식 중, R¹ 은 8 내지 24 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기이고, R² 및 R³ 는 1 내지 8 개의 탄소 원자를 포함하는 히드로카르빌기로부터 독립적으로 선택됨] 의 알킬 포스폰산 디에스테르를 제공하는 단계;

하기 화학식:

[식 중, R⁴ 는 R¹ 과 동일하고, R⁵ 는 R² 와 동일함] 의 알킬 포스폰산 모노에스테르를 제공하는 단계; 및

베이스 오일 내에서 3 내지 5.5 부의 디에스테르를 1 부의 모노에스테르와 화합시키는 단계.
제 28 항에 있어서, 하기 화학식:

[식 중, R⁶ 및 R⁸ 각각은 독립적으로 히드로카르빌기이고, R⁷ 은 수소 또는 히드로카르빌기임] 으로 나타내는 인산의 부분적 에스테르의 아민 염 하나 이상을 베이스 오일 성분에 첨가하여 기어 첨가제 조성물을 얻는 것을 추가로 포함하는 방법.
제 29 항에 있어서, 기어 첨가제 조성물이 아민 염을 5 내지 40 중량% 함유하는 방법.
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