KR101404140B1 - 산화 몰리브덴 나노입자를 포함하는 윤활유 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주된 양의 윤활 기유(base oil)를 포함하여 이루어진 윤활유 조성물로서, 0.001 중량% ~ 5 중량% 범위내의 산화 몰리브덴 나노입자를 더 포함하여 이루어진 윤활유 조성물을 제공한다. 본 발명에 따르면, 윤활유 내에 첨가되는 몰리브덴 산화물은 나노입자이기 때문에 균일하게 분산이 가능하고, 자체가 산화물이라 산화로 인한 변질 즉, 물리적 및 화학적 특성에 변화가 거의 없어 장기적으로도 안정하며, 내마모성, 내하중성 및 내마찰성이 높게는 70%까지 향상된다. 우수한 고가의 금속 나노 입자와 비교해서 가격이 현저히 저렴하고 제조공정이 간단하여 동일한 또는 우수한 성능을 발휘하면서 가격경쟁력에서 우위를 점할 수가 있다.

Description

산화 몰리브덴 나노입자를 포함하는 윤활유 조성물{lubricant composition containing nano molybdenum oxide}

본 발명은 산화 몰리브덴 나노입자를 포함하는 윤활유 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 윤활(lubrication)이라 함은 마찰면에 오일이나 고체윤활제를 포함한 기타의 것을 도포하여 마찰과 마모손상을 줄이고 마찰면이 과열되어 서로 달라붙는 (융착)현상을 방지하는 것을 의미하며, 윤활유는 상기 윤활작용을 일으키는 오일로서, 더욱 상세히 설명하면, 상접하여 운동하는 두 고체 사이의 마찰을 줄여서 활동면의 발열, 손상, 마모를 방지하고 기계효율의 향상을 도모할 뿐만 아니라 마찰에 따른 기계음 발생을 최소화하기 위해 사용되는 물질을 말한다.

윤활유는 각종 펌프류의 기어오일, 자동차의 엔진오일 및 미션오일 등과 같이 기계 장치들의 활동면(특히 마찰면)의 재료 손상, 마모, 발열을 방지하기 위해 사용된다.

윤활유로 가장 많이 사용되는 것으로는 동식물유, 광유, 합성윤활유 등이 있으며, 이들에 의해 두 고체 사이에 얇은 유막을 형성하여 하중을 지탱함과 동시에 하중에 따라 두 마찰면을 부분적 또는 완전히 떼어 놓아 마찰을 감소시킨다.

이러한 윤활유는 내마모성, 내하중성, 내마찰성 외에 적당한 점도, 물리화학적 안정성, 산화 안정성 등이 요구되며, 따라서 상기 물성 향상을 위해 적절한 첨가제가 혼합될 수 있다. 첨가제로 사용될 경우 극압에서 내하중 및 내마모 특성의 우수한 결과를 나타낸다. 그러나 첨가제 사용시 시간이 경과함에 따라 변질되고 재응집되어 쉽게 침전이 발생할수 있으며, 이러한 첨가물질로 인해 베이스 오일의 물리적 성질(색상, 점도 및 화학적)변화를 수반하는 경우도 있을 수 있다.

몰리브덴 황화물의 경우 첨가제로 많이 활용되고 있지만, 독일,일본의 첨가제의 경우 기존 제품대비 가격이 월등히 비싸고, 저가의 몰리브덴 황화물의 경우 입경이 너무커서 베이스 오일 내에서 분산이 되지 않는 단점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 몰리브덴 산화물이 아닌 황화물의 경우 폐윤활유에서의 황성분 환경오염에도 영향을 미치게 된다.

최근에 오일 내에서 금속 나노 분말을 직접 합성하는 방법도 알려져 있지만, 이러한 방법은 여러 공정을 거쳐서 합성되어 제조비용이 올라가게 되고 공정이 복잡해서 불량에 요인이 된다. 뿐만 아니라 금, 은, 구리, 팔라듐, 플래티늄, 니켈과 같은 고가의 금속을 사용함으로 인해서 가격이 상당히 올라가게 되고 가격 경쟁력도 떨어질 수밖에 없다. 뿐만 아니라 합성에 사용되는 전구체가 AgNO3 또는 AgCl3와 같이 부식성 성분이 남아있어서 장기적으로는 장치의 부식 가능성이 있는 관능성기를 가진 첨가제의 혼용 및 합성하는 과정을 거치는 단점이 있어 시간과 설비의 투자가 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,

첫 번째는 제조공정이 매우 간단하다. 복잡한 합성 공정이 없고 단지 나노산화몰리브덴 입자를 윤활유에 첨가하는 단순 공정이다.

두 번째는 종래의 독일산 리퀴몰리, 일본산 몰리브덴 황화합물 대비 친환경적이다. 산화몰리브덴은 일반 세라믹재질이기 때문에 황화합물을 합유하지 않는다.

세 번째는 입자가 나노입자이기 때문에 침전이 거의 없고 일반 엔진오일, 미션오일과 동일하게 투명한 색상을 유지한다. 매우 안정하게 분산된 몰리브덴 산화물 나노 입자를 함유하고, 베이스 오일의 성질에 변화를 거의 주지 않는 오일 분산 가능한 몰리브덴 나노 입자를 윤활유에 바로 적용하는 적용방법을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

주된 양의 윤활 기유(base oil)를 포함하여 이루어진 윤활유 조성물로서, 0.001 중량% ~ 5 중량% 범위내의 산화 몰리브덴 나노입자를 더 포함하여 이루어진 윤활유 조성물을 제공한다.

또한, 상기 산화 몰리브덴 나노입자는 평균입경이 1 ~ 200nm 범위내인 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물을 제공한다. 특히 산화 몰리브덴 나노입자는 평균입경이 10 ~ 25nm 범위내인 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물을 제공한다.

또한, 상기 산화 몰리브덴 나노입자는 0.5 ~ 3 중량% 범위내로 포함되는 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물을 제공한다.

또한, 상기 윤활 기유는 광유계 윤활유, 식물성 윤활유, 합성 윤활유 혹은 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물을 제공한다.

또한, 유제의 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직경을 측정하여 내마모성을 테스트 한 경우, 산화 몰리브덴 나노입자가 없는 경우의 대조 실험 대비 30% 이상 내마모성이 향상되는 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물을 제공한다.

본 발명에 따르면, 윤활유 내에 첨가되는 몰리브덴 산화물은 나노입자이기 때문에 균일하게 분산이 가능하고, 자체가 산화물이라 산화로 인한 변질 즉, 물리적 및 화학적 특성에 변화가 거의 없어 장기적으로도 안정하며, 내마모성, 내하중성 및 내마찰성이 높게는 70%까지 향상된다. 우수한 고가의 금속 나노 입자와 비교해서 가격이 현저히 저렴하고 제조공정이 간단하여 동일한 또는 우수한 성능을 발휘하면서 가격경쟁력에서 우위를 점할 수가 있다.

도 1은 오일 분산 가능한 몰리브덴 산화물 나노 입자와 베이스 윤활기유를 고속회전 상태에서 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 과정을 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명에 사용된 오일에 분산 가능한 몰리브덴 산화물 나노입자의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 베이스 오일에 분산된 몰리브덴 산화물 나노입자의 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 몰리브덴 산화물을 분산시킨 오토미션오일의 완제품 사진이다. 좌측은 평균입경이 500nm인 산화몰리브덴을 함유하여 검은색으로 불투명하고 우측은 평균입경 20nm의 나노입자 산화몰리브덴이 함유되어 투명한 것을 알 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 도면를 통하여 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에 따른 윤활유 조성물은 주된 양의 윤활 기유(base oil)를 포함하여 이루어진 윤활유 조성물로서, 0.001 중량% ~ 5 중량% 범위내의 산화 몰리브덴 나노입자를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

산화몰리브덴의 분자구조식은 다양하다(MoO,MoO₂, MoO₃,MoO₄ 등). 이처럼 몰리브덴은 전위금속이기 때문에 다양한 원자가를 가지고 있으며 산소 몰비가 높은 산화상태에서부터 환원상태 등 다양한 상태가 존재하기 때문에 산화몰리브덴의 분자구조식을 정확하게 규정하기 보다는 Mo_xO_y로 몰리브덴 금속과 산소가 존재하는 형태로 규정한다.

산화몰리브덴 나노입자는 마찰 표면에 내마찰 보호막을 형성시키고, 마찰시 구조적인 자가 조직화를 촉진시키며, 마찰물질의 표면층에 몰리브덴 산화물 나노 입자가 침투하는 것을 도와준다. 또한, 황화몰리브덴의 문제점, 즉 윤활 기유내에서 분산이 잘 되지 않는 문제점이 현저하게 개선되고, 폐윤활유에서의 황성분으로 인한 환경오염의 문제가 없다.

산화몰리브덴 나노입자의 첨가에 따라 내마모성이 크게 개선될 수 있다. 다만, 산화몰리브덴 나노입자를 많이 첨가하게 되는 경우 점도가 높아져 변속성능이 크게 떨어지고, 분산성이나 분산 안정성이 떨어져 응집 현상이나 침전물이 발생하는 문제점이 있다. 특히, 산화몰리브덴 나노입자를 더 첨가하여도 더 이상 내마모성 향상에 큰 도움이 되지 않는 포화 함량이 존재하는 것을 발견하였다.

산화몰리브덴은 윤활유 조성물에서 0.001 중량% ~ 5 중량% 범위내로 포함되도록 첨가하는 것이 좋다. 5 중량%를 초과하는 경우에는 침전물이 생기거나 윤활유가 불투명하게 되는 문제점이 있다. 상기 범위를 미달하는 경우 내마모성, 내마찰성 향상이 미흡하게 된다.

더 바람직하기로는 산화 몰리브덴 나노입자는 0.5 ~ 3 중량% 범위내로 포함되는 것이 좋다. 0.5 중량% 이상으로 산화 몰리브덴 나노입자를 첨가하는 것이 임계적 의의가 있다. 0.3 중량%로 산화 몰리브덴 나노입자를 사용한 경우에 비하여(후술하는 실시예 참고), 0.5 중량%로 산화 몰리브덴 나노입자를 사용한 경우가 내마모성이 현저하게 향상되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 산화 몰리브덴 나노입자의 입경은 제한되지 않으나 평균입경이 1 ~ 200nm 범위내인 것이 좋다. 산화 몰리브덴의 평균입경이 200nm 이내인 경우 윤활유 조성물이 다크 브라운 색이면서도 상당히 투명한 것을 확인할 수 있다. 평균입경이 너무 커지게 되면 검은색이면서 불투명하게 되어 문제된다.

경제성 및 내마모성을 종합적으로 고려하였을 때, 평균입경은 10 ~ 25nm 범위내인 것이 좋다. 상기 범위내에서 분산성이 매우 우수하며 내마모성도 좋고 산화 몰리브덴 나노입자 입수에 있어서도 경제성이 확보될 수 있다.

상기 윤활 기유는 윤활유에서 사용되는 기유(base oil)를 사용할 수 있으며 제한되지 않는다. 일례로 광유계 윤활유, 식물성 윤활유, 합성 윤활유 혹은 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는 100 ℃ 동점도가 3 ~ 10 cSt인 광유 또는 합성유나, 점도 지수가 100 이상인 고정제 광유 및 합성유를 사용하는 것이 바람직하다.

윤활유 조성물에는 다양한 첨가제가 포함될 수 있다.

보조적인 내마모제로서 징크알킬디티오포스페이트(ZnDTP)를 0.05 ~ 5 중량% 함께 사용할 수 있다. 이때 상기 징크알킬디티오포스페이트는 프라이머리와 세컨더리 징크알킬디티오포스페이트의 비율이 2:1 정도가 적당하며, 사용량이 0.05 중량% 미만이면 내마모성이 좋지 않으며, 5 중량%를 초과하여 사용하면 고온에서 슬러지가 발생되는 문제가 있다.

마찰조정제 및 청정분산제로는 칼슘계 살리실레이트, 붕산칼슘계 살리실레이트 및 디부틸메틸렌 에스테르 중에서 선택된 1종 또는 그 이상의 혼합물을 0.1 ~ 5 중량% 사용할 수 있다. 이때 그 사용량이 0.1 중량% 미만이면 저마찰계수를 구현하는 시너지 효과가 없으며 또한 슬러지 생성시 분산효과가 없고, 5 중량% 를 초과하여 사용하면 내마모성이 좋지 않게 된다.

점도지수 향상제로서 올레핀코폴리머 사용할 수 있으며 0.05 ~ 10 중량%를 함유할 수 있다. 그외 기타 첨가제는 유동성 향상제, 소포제, 녹부식방지제를 사용하는 것이 바람직하다.

이하에서 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다.

실시예 1

상용화 되어 있는 제품명 DEXRON 3 상용 오토미션오일에 도 1과 같이 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 1wt% 첨가한 후 교반하여 윤활유 조성물을 얻은 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 조건은 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직경을 측정하였다. 측정결과 0.610 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 1 대비 67% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 2

제품명 DEXRON 3 오토미션오일에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 2wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 조건은 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.607 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 1 대비 68% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 3

제품명 DEXRON 3 오토미션오일에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 3wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 조건은 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.543 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 1 대비 71% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 4

상용 S-OIL 5W-40 제품에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 1wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.551 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 2 대비 31% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 5

상용 S-OIL 5W-40 제품에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 2wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.489 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 2 대비 39% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 6

상용 S-OIL 5W-40 제품에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 3wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.464 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 2 대비 42% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 7

상용 S-OIL 10W-30 제품에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 1wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.504 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 3 대비 49% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 8

상용 S-OIL 10W-30 제품에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 2wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.504 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 3 대비 54% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 9

상용 S-OIL 10W-30 제품에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 3wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.419 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 3 대비 57% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 10

상용화 되어 있는 제품명 DEXRON 3 상용 오토미션오일에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 0.3wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 1.421 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 1 대비 24% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

실시예 11

상용화 되어 있는 제품명 DEXRON 3 상용 오토미션오일에 평균입경 20nm의 산화몰리브덴 나노입자를 0.5wt% 첨가한 후 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 온도를 75℃, 40Kg의 하중으로 1200rpm 의 속도로 상부의 ball(회전구)을 60분간 회전시킨 후 고정구의 마모흔의 평균직정을 측정하였다. 측정결과 0.690 mm 의 평균직경을 나타내었다. 이는 비교예 1 대비 63% 의 내마모성 향상을 나타내었다.

비교예 1

제품명 DEXRON 3 오토미션오일만을 사용하여 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 측정결과 1.871 mm 의 평균직경을 나타내었다.

비교예 2

S-OIL 5W-40 제품만을 사용하여 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 측정결과 0.800 mm 의 평균직경을 나타내었다.

비교예 3

S-OIL 10W-30 제품만을 사용하여 4 Ball 내마모성 테스트를 실시하였다. 측정결과 0.980 mm 의 평균직경을 나타내었다.

구 분	4ball 테스트 결과 (마모 직경 mm)	내마모성 향성율 (%)
실시예 1	0.543	71
실시예 2	0.607	68
실시예 3	0.610	67
실시예 4	0.551	31
실시예 5	0.489	39
실시예 6	0.464	42
실시예 7	0.504	49
실시예 8	0.504	54
실시예 9	0.419	57
실시예 10	1.421	24
실시예 11	0.690	63
비교예 1	1.871	-
비교예 2	0.800	-
비교예 3	0.980	-

Claims (6)

1. 윤활 기유(base oil)를 포함하여 이루어진 윤활유 조성물로서,
   0.5 중량% 이상 1 중량% 미만의 범위내의 산화 몰리브덴 나노입자를 더 포함하여 이루어지고,
   상기 산화 몰리브덴 나노입자는 평균입경이 10 ~ 25nm 범위내이며,
   징크알킬디티오포스페이트(ZnDTP) 0.05 ~ 5 중량%, 칼슘계 살리실레이트, 붕산칼슘계 살리실레이트 및 디부틸메틸렌 에스테르 중에서 선택된 1종 또는 그 이상의 혼합물 0.1 ~ 5 중량%, 및 올레핀코폴리머 0.05 ~ 10 중량%를 더 포함하여 이루어지고,
   상기 윤활 기유는 100 ℃ 동점도가 3 ~ 10 cSt이며,
   투명한 다크 브라운 색을 갖고,
   유제의 온도 75℃, 40Kg의 하중, 1200rpm 의 속도, 60분간 회전 조건으로, 4 ball 내마모성 테스트를 한 경우, 산화 몰리브덴 나노입자가 없는 경우의 대조 실험 대비 30% 이상 내마모성이 향상되는 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 윤활 기유는 광유계 윤활유, 또는 합성 윤활유인 것을 특징으로 하는 윤활유 조성물.
5. 삭제
6. 삭제

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