KR101301343B1

KR101301343B1 - 윤활유 조성물

Info

Publication number: KR101301343B1
Application number: KR1020110043052A
Authority: KR
Inventors: 정하용; 최명화; 권상현; 김형규; 김건
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2013-08-29
Also published as: US20120283161A1; US8906836B2; KR20120125026A

Abstract

본 발명에 따른 윤활유 조성물의 다이에스테르계(diester) 베이스 오일은 중심원자를 기준으로 한쪽의 에스테르기에 결합된 알킬기 체인(chain)이 다른 에스테르기에 결합된 알킬기보다 탄소수가 2개 더 많은 비대칭 구조를 갖는다. 이에 따라, 윤활유 조성물의 점도가 낮으며, 고온에서의 증발량이 상대적으로 적음으로써, 소형 하드디스크 모터에 사용하는 경우 전력소모량을 감소시킬 수 있으며, 고온에서의 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

윤활유 조성물{Lubricating oil composition}

본 발명은 윤활유 조성물에 관한 것이다.

윤활유는 기계의 마찰면에 생기는 마찰력을 줄이거나 마찰면에서 발생하는 마찰열을 분산시킬 목적으로 사용되는 물질로서, 정밀기계, 스핀들, 다이너모, 기 터빈, 컴프레서, 모터, 항공, 실린더 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

윤활유는 일반적으로 석유제품의 정제과정에서 생산된 광물유계(파라핀계. 나프텐계. 아로마틱계) 기초 원료유나 합성유계(Alkylbenzene. PAO. PAGs. PB. Ester. VHVI 등) 기초 원료유 80% ~ 90%에 윤활기능향상 첨가제 10% ~ 20% 를 혼합한 것이다. 윤활유는 사용목적에 따라 물성을 조금씩 달리하나 기본적으로 ① 사용온도에 적당한 점성을 유지하는 동시에 사용온도가 변해도 급격히 점도가 변하지 않아야 하며, ② 경계 윤활 상태에서도 안정한 유막을 형성하고 ③ 열과 산화에 대해 안정도가 높아야 한다.

이러한 윤활유는 하드디스크 스핀들 모터 내부의 동압 유체 베어링에도 사용되고 있다. 하드디스크의 경우, 1 테라바이트 이상의 대용량 제품이 현재 나오고 있으며, 하드디스크 용량은 한 해에 1.8배, 2년에 3.2배, 5년에는 10배로 개발될 것으로 예상된다. 하드디스크의 용량 증가 및 소형화 추세에 따라 스핀들 모터의 고정도 회전과 내충격성이 요구되는바, 동압 유체 베어링의 윤활유는 모터가 상기 요건을 충족시키도록 작동에 영향을 주는 중요한 요소라고 할 수 있다.

특히, 2.5인치 이하 크기의 하드디스크에 사용되는 모터의 경우, 저전력을 소비하도록 낮은 점도 특성을 가지며, 또한 고온에서 안정성을 갖는 윤활유가 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 고온에서 안정하며, 낮은 점도를 갖는 윤활유 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 윤활유 조성물은 하기의 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 다이에스테르계 베이스 오일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

( 상기식에서 R1은 탄소수 3 내지 10의 알킬기이고,

R2는 R1과 서로 상이하고, 상기 R2는 R1의 탄소수보다 2개 더 많은 탄소수를 갖는 알킬기이며,

X는 탄소수 3 내지 10의 선형 또는 비선형의 알킬기임)

여기서, 상기 조성물은 청정제, 산화방지제, 점도지수 향상제, 내마모제, 부식방지제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 다이에스테르계 베이스 오일은 헵틸노닐아디페이트 (heptylnonyl adipate)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 조성물의 20℃에서 점도는 13cP(centi poise) 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 조성물은 하드디스크용 모터의 유체 베어링에 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 윤활유 조성물의 베이스 오일로써 중심원자를 기준으로 비대칭 구조를 갖는 다이에스테르계 베이스 오일을 사용하여 윤활유 조성물의 점도가 낮으며, 고온에서의 증발량이 적다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 윤활유 조성물의 다이에스테르계(diester) 베이스 오일은 중심원자를 기준으로 한쪽의 에스테르기에 결합된 알킬기 체인(chain)이 다른쪽 에스테르기에 결합된 알킬기보다 탄소수가 2개 더 많은 비대칭 구조를 갖는다. 본 발명은 기존 윤활유 조성물에 비해 점도가 낮으며 고온에서의 증발량이 상대적으로 적다. 이에 따라, 모터에 사용하는 경우 모터의 전력소비량을 감소시킬 수 있으며, 고온에서의 안정성을 향상시킬 수 있다. 이하, 본 발명의 윤활유 조성물에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 윤활유 조성물은 베이스 오일로써 하기의 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 다이에스테르계 화합물을 포함한다. 본 발명의 다이에스테르계 화합물은 두개의 에스테르기를 갖는 물질로써 에스테르기 사이의 중심원자를 기준으로 양쪽 알킬기 체인의 탄소수가 상이한 비대칭 구조를 갖는다.

[화학식 1]

[화학식 2]

상기식에서 R1은 탄소수 3 내지 10의 선형 알킬기이다. 구체적으로는 프로필(propyl), 이소 프로필(isopropyl), 부틸(butyl), 이소 부틸(iso butyl), sec-부틸(butyl), tert-부틸(butyl), 펜틸(pentyl), 이소 펜틸(iso pentyl), 네오 펜틸(neo pentyl), tert-펜틸(pentyl), 헥실(hexyl), 헵틸(heptyl), 옥틸(octyl) 등을 들 수 있다.

R2는 R1과 서로 상이하며, R2는 R1의 탄소수보다 2개 더 많은 탄소수를 갖는 알킬기이다. 예를 들면, R1가 탄소수 3개를 갖는 프로필기인 경우, R2는 R1보다 탄소수가 2개 더 많은 탄소수 5개의 펜틸기이다. 따라서, R2는 탄소수 5 내지 12의 범위를 갖는다. 구체적으로 R2는 펜틸(pentyl), 헥실(hexyl), 헵틸(heptyl), 옥틸(octyl), 노닐(nonyl), 데실(decyl), 운데실(undecyl), 도데실(dodecyl)일 수 있다.

X는 탄소수 3 내지 10의 선형 또는 비선형의 알킬기이다.

본 발명의 다이에스테르계 베이스 오일은 에스테르기 사이의 X를 중심으로 양쪽의 알킬기 R1 및 R2의 탄소수가 상이한 비대칭 구조로써, R2가 R1보다 탄소수가 2개 더 많은 구조를 갖는다. 비대칭 구조의 다이에스테르계 오일은 저온에서 결정화가 어려우며, 유동성이 우수한 장점을 지닌다. R2가 R1보다 탄소수가 2개 더 많은 본 발명의 비대칭 다이에스테르계 베이스 오일은 동일한 분자량의 비대칭 또는 대칭 다이에스테르계 베이스 오일에 비해 점도가 낮으며, 고온에서의 증발량이 적음을 실험을 통해 알 수 있었다. 구체적으로 본 발명의 다이에스테르계 베이스 오일은 20℃에서 13cP(centi poise)이하의 점도를 가졌으며, 100℃ 항온조에서 144시간 증발시키는 경우 전체 중량의 11중량% 이하가 증발하였다.

따라서 본 발명의 낮은 점도를 갖는 다이에스테르계 베이스 오일은 장치의 마찰손실을 더욱 효과적으로 줄일 수 있다. 또한, 증발량이 적어 고온에서의 안정성이 향상된다. 특히, 본 발명의 윤활유 조성물은 하드디스크용 모터의 유체 베어링의 사용에 적합하며, 더욱 바람직하게는 2.5인치 이하의 하드디스크에 사용될 수 있다. 소형 하드디스크의 경우, 전력 소모량이 적어야 하고, 모터의 고속회전으로 인해 고온에서의 안정성이 중요한 요소이다. 본 발명의 윤활유 조성물은 마찰손실이 적고, 고온에서 안정성을 가져 소형 하드디스크의 상기 조건을 만족시킬 수 있다.

이러한 본 발명의 다이에스테르계 베이스 오일로써 대표적으로 하기 화학식 3 내지 화학식 7로 표시되는 4-(부티릴옥시)부틸 헥사노에이트(4-(butyryloxy)butyl hexanoate), 헵틸노닐 아디페이트(heptylnonyl adipate), 4-(옥타노일옥시)부틸 데카노에이트(4-(octanoyloxy)butyl decanoate), 옥틸데실 아디페이트(octyldecyl adipate), 4-(노나노일옥시)부틸 운데카노에이트(4-(nonanoyloxy)butyl undecanoate) 등을 들 수 있다. 바람직하게는 제조가 용이하며, 낮은 점도를 갖는 헵틸노닐 아디페이트를 사용한다.

4-(부티릴옥시)부틸 헥사노에이트

헵틸노닐 아디페이트

옥틸데실 아디페이트

4-(옥타노일옥시)부틸 데카노에이트

4-(노나노일옥시)부틸 운데카노에이트

본 발명에 따른 윤활유 조성물은 청정제, 산화방지제, 점도지수 향상제, 내마모제, 부식방지제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 청정제는 윤활유 조성물의 산화안정성을 위해 첨가된다. 청정제는 친유성의 긴사슬 부분 및 소량의 음이온성 또는 소유성 부분을 함유하는 음이온성 물질이다. 일반적으로, 청정제의 음이온성 부분은 황산, 카복실산, 인산, 페놀 또는 이들의 혼합물과 같은 유기산으로부터 유도된 것이며, 반대 이온은 알칼리 토금속 또는 알칼리 금속이다. 이러한 청정제로는 알칼리 토류 금속 술포네이트, 알칼리 토류 금속 페네이트, 알칼리 토류 금속 살리실레이트 등을 사용할 수 있다.

이때, 청정제는 윤활유 조성물에 0.01중량% 내지 0.35중량％가 포함되며, 바람직하게는 0.1중량% 내지 0.3중량％가 포함된다. 청정제가 0.01중량% 미만인 경우, 산화 안정성 및 윤활 유지성이 떨어지며, 0.35중량％를 초과하는 경우에는 다른 첨가제의 성능을 저하시킬 우려가 있다.

다음으로 산화방지제는 윤활유 대신 산화됨으로써, 윤활유의 산화를 지연시키는 역할을 한다. 산화 방지제는 페놀계 산화방지제 및 아민계 산화방지제가 있으며, 이들을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 페놀계 산화 방지제로 옥타데실-3-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트, 4,4'-메틸렌비스(2,6-디-t-부틸페놀), 4,4'-비스(2,6-디-t-부틸페놀), 4,4'-비스(2-메틸-6-t-부틸페놀), 2,2'-메틸렌비스(4-에틸-6-t-부틸페놀), 2,2'-메틸렌비스(4-메틸-6-t-부틸페놀), 4,4'-부틸리덴비스(3-메틸-6-t-부틸페놀), 4,4'-이소프로필리덴비스(2,6-디-t-부틸페놀), 2,2'-메틸렌비스(4-메틸-6-노닐페놀), 2,2'-이소부틸리덴비스(4,6-디메틸페놀), 2,2'-메틸렌비스(4-메틸-6-시클로헥실페놀) 등이 사용될 수 있으며, 아민계 산화방지제로는 모노옥틸디페닐아민, 모노노닐디페닐아민, 4,4'-디부틸디페닐아민, 4,4'-디펜틸디페닐아민, 4,4'-디헥실디페닐아민, 4,4'-디헵틸디페닐아민, 4,4'-디옥틸디페닐아민, 4,4'-디노닐디페닐아민, 테트라부틸디페닐아민, 테트라헥실디페닐아민, 테트라옥틸디페닐아민, 테트라노닐디페닐아민 등을 사용할 수 있다.

산화방지제는 윤활유 조성물에 0.01중량% 내지 5중량%가 포함되며, 바람직하게는 0.01중량% 내지 1.5중량%가 포함된다. 산화방지제가 0.01중량% 미만인 경우 산화방지 효과가 미미하며, 5중량%를 초과하는 경우 윤활유 조성물에 용해되지 않을 우려가 있다.

다음으로, 점도지수 향상제는 온도변화에 따른 윤활유 조성물의 점도변화를 완화시켜, 고온에서 윤활유막이 얇아지는 것을 방지한다. 점도지수 향상제는 온도변화에 따라 팽창하는 고분자로써, 저온에서는 부피가 작어 윤활유 조성물의 점도에 영향을 주지 않으나 고온에서는 긴 사슬 구조로 변하여 윤활유 조성물의 점도를 높인다.

이러한 점도지수 향상제로는 폴리메타크릴레이트, 분산형 폴리메타크릴레이트, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 올레핀계 공중합체, 분산형 올레핀계 공중합체, 스티렌-디엔공중합체, 스티렌-이소프렌 공중합체 등의 스티렌계 공중합체을 들 수 있다. 점도지수 향상제는 윤활유 조성물에 0.5중량% 내지 15중량％가 포함되며, 바람직하게는 1중량% 내지 10 중량％가 포함된다.

다음으로, 내마모제는 금속성 표면의 부식억제를 위해 첨가된다. 내마모제로는 다이벤질다이설파이드, O,O,O-트라이페닐포스포로티오에이트, Zn-다이-n-부틸다이티오카바메이트, Mo-다이부틸다이티오카바메이트 및 Zn-메틸렌-비스-다이알킬다이티오카바메이트일 수 있다. 내마모제는 윤활유 조성물에 0.01중량% 내지 6중량%가 포함되며, 바람직하게는 0.01중량% 내지 4중량%가 포함된다.

또한, 부식방지제는 윤활유 조성물과 접촉하는 금속의 부식을 감소시키는 역할을 한다. 부식방지제로는 티아디아졸, 트리아졸 및 테트라프로펜일석신산, 테트라프로펜일석신산 무수물, 도데센일석신산, 도데센일석신산 무수물, 헥사데센일석신산 등의 석신산 무수물을 사용할 수 있다. 부식방지제는 윤활유 조성물에 0.01중량% 내지 5중량%가 포함되며, 바람직하게는 0.01중량% 내지 1.5중량%가 포함된다.

소포제는 윤활유 조성물의 거품형성을 억제하는 역할을 하며, 일반적으로 유기 규소화합물 및 유기 중합체가 사용된다. 구체적으로 소포제는 실리콘유, 플루오르 실리콘유 및 플루오르 알킬에테르 등을 사용할 수 있다. 소포제는 거품형성 억제 효과 및 경제성을 고려하여 윤활유 조성물에 0.005중량% 내지 0.1중량%가 포함되며, 바람직하게는 0.01중량% 내지 0.1중량%가 포함된다.

상기 첨가제외에도 사용목적에 따라 윤활유 조성물의 성능을 저하시키지 않는 범위내에서 분산제, 금속 불활성제, 계면활성제, 극압첨가제, 마찰개질제, 발색제 또는 이들이 혼합물을 첨가할 수 있을 것이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다.

둥근 100ml 반응용기에 Sigma, Aldrich, Merck, TCI사에서 판매하는 95% 이상 순도의 약품으로 아디프산(adipic acid), 노닐 알코올(Nonyl alcohol), 헵틸 알코올(Heptyl alcohol)의 3가지 성분들을 혼합하여 30분 정도 교반하였다. 이후, 150℃에서 24시간 이상 반응시킴으로써 분자량 370.6 g/mol의 헵틸노닐아디페이트(Heptylnonyl adipate)를 합성하였다.

상기 실시예 1에서 합성된 헵틸노닐아디페이트를 베이스 오일로 사용하여 전체중량에 대해 95중량%를 첨가하였다. 또한, 청정제로 알칼리 토류 금속 술포네이트 2중량%, 페놀계 산화 방지제 2,2'-메틸렌비스(4-메틸-6-노닐페놀) 1.5중량%, 부식방지제 티아디아졸 1.5중량%를 첨가하여 45℃ ~ 55℃를 유지하면서 교반하였다.

< 비 교 예 1 >

베이스 오일로 실시예 1의 헵틸노닐아디페이트와 동일한 분자량을 갖는 Aldirich사의 디옥틸아디페이트(DOA; Dioctyladipate)를 구입하여 사용하였다.

< 비 교 예 2 >

Aldirich사의 디옥틸아디페이트를 베이스 오일로 사용하여 전체중량에 대해 95중량%를 첨가하였다. 또한, 청정제로 알칼리 토류 금속 술포네이트 2중량%, 페놀계 산화 방지제 2,2'-메틸렌비스(4-메틸-6-노닐페놀) 1.5중량%, 부식방지제 티아디아졸 1.5중량%를 첨가하여 45℃ ~ 55℃를 유지하면서 교반하였다.

< 시 험 예 >

상기 실시예와 비교예의 조성물에 대한 점도와 증발량을 측정하였다. 점도는 Brookfield DV-III Rheometer 점도계를 사용하여 측정하였고, 온도에 따른 경향을 확인하기 위하여 각각의 성분들에 대하여 3가지 온도 구간(20℃, 0℃, -10℃)에서 각각 측정하였다. 증발량 측정은, 각각의 윤활유 조성물을 SUS 재질의 증발접시에 5g씩 담아 100℃의 항온조에 넣어서 실험을 진행하였다. 실험시간은 144시간(6일)동안 진행하였고, 증발접시에 조성물을 담은 초기 무게와 100℃, 144hr 증발 후의 무게를 측정하여 증발량을 비교하였다.

구 분	분자량 (g/ mol )	점 도( cP )			증발량(중량%) (100℃/144hr)
구 분	분자량 (g/ mol )	20℃	0℃	-10℃	증발량(중량%) (100℃/144hr)
실시예1	370.6	12.6	30.5	51.9	7.56
실시예2	370.6	15.6	35.1	59.7	4.99
비교예1	370.6	13.3	34	60.2	15.3
비교예2	370.6	17.4	41.6	71.3	7.12

상기 표 1의 실험 결과값에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 윤활유 조성물(실시예2)은 동일한 분자량의 비교예 윤활유 조성물(비교예2)에 비해 점도가 낮으며, 고온에서의 증발량이 더 적었다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 윤활유 조성물은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 명확해질 것이다.

Claims

하기 화학식 4로 표시되는 헵틸노닐아디페이트을 포함하는 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물.
[화학식 4]
청구항 1에 있어서,
상기 조성물은 청정제, 산화방지제, 점도지수 향상제, 내마모제, 부식방지제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 조성물의 20℃에서 점도는 13cP(centi poise) 이하인 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 조성물은 하드디스크용 모터의 유체 베어링에 사용되는 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물.