KR101409132B1 - 윤활첨가제의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 윤활유의 첨가제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 친수성 나노다이아몬드를 정제하고, 정제된 친수성 나노다이아몬드 분말을 소수성으로 표면개질한 후 오일에 균일하게 분산시켜 윤활첨가제를 제조하는 방법과 이에 따라 제조된 윤활첨가제를 제공함으로써 산업 전반에 걸쳐 사용되는 동력구동장치의 수명을 연장하고 연비 개선, 출력 향상, 친환경 조성 등의 제반 효과를 얻을 수 있다.

Description

윤활첨가제의 제조방법{preparing method of lubricant additives for improving performance in power driving}

본 발명은 윤활첨가제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 자동차, 선박, 항공기 등의 다양한 동력구동장치에 적용되어 제반 성능을 향상시킬 수 있는 윤활첨가제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 나노다이아몬드 분말은 다이아몬드계 탄소 입자를 의미하는 것으로, 입자 내부는 다이아몬드 구조를 가지고, 최외각 표면은 비정질화된 탄소계 물질이며, 입자가 4~6 nm의 크기로 군집되어 약 20 nm 이하의 크기를 갖는 나노신소재이다. 이러한 나노다이아몬드 분말은 강도, 전기전도도, 열전도도 등이 우수하고, 안정된 화학구조를 가지며, 특히, 초미세 나노다이아몬드의 경우 구상의 형태를 나타낸다. 이처럼 우수한 화학적, 물리적 특성으로 인해 나노다이아몬드 분말의 적용 범위는 NT, BT, IT 등 전분야로 확산되고 있으며, 이에 따라 나노다이아몬드 분말을 보다 효과적으로 제조할 수 있는 방법에 대해서도 점차 관심이 높아지고 있다.

나노다이아몬드 분말의 제조방법으로는 고온고압법, 충격파를 이용한 합성법, 화학적증기증착법(CVD), 폭발법(Detonation) 등 여러 가지 합성법이 알려져 있으나 최근에는 폭발법이 가장 널리 사용되고 있다. 이와 관련하여 러시아, 미국, 일본, 벨라루스, 중국, 우크라이나 등의 소재 선진국들은 폭발법을 이용한 초미세나노다이아몬드 분말 제조 기술을 보유하고 있어 다양한 제품이 개발되어 상용화되고 있으나, 우리나라의 경우에는 초미세 나노다이아몬드 제조 기술을 보유하고 있지 않아 대부분 선진국에서 생산된 제품을 수입하여 사용하고 있는 실정이다. 이에 국내에서도 일부 연구진들에 의해 초미세나노다이아몬드 분말의 제조에 관한 연구가 진행되고 있기는 하나 초미세 나노다이아몬드의 적용 분야에 관한 연구는 매우 미흡한 상황이다.

최근 초미세 나노다이아몬드의 적용 분야로서 동력구동장치의 성능 개선을 위한 윤활첨가제에 대한 관심이 급격히 증가하고 있는 추세이며, 이를 반영하여 많은 업체들이 해외 생산 윤활첨가제를 수입하여 국내에 유통시키고 있다. 그러나 국내에 시판되고 있는 윤활첨가제의 대부분은 몰리브덴(Mo) 화합물이 수% 분산된 것이어서 적용분야가 극히 제한되는 단점이 있다.

이와 관련하여 자동차 엔진오일에 상술한 윤활첨가제를 첨가하면 연비향상, 출력향상, 매연감소 등의 효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 하지만 몰리브덴 화합물의 경우 물리적, 화학적 특성의 한계 및 입자 형태의 한계로 인해 운전자가 체감할 수 없을 정도로 효과가 전무한 상태이며, 최근 수입되어 시판되고 있는 대부분의 엔진오일 첨가제 또한 품질적 측면에서의 신뢰성이 확보되지 않은 상태이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 나노다이아몬드 분말을 효과적으로 정제하여 오일에 균일하게 분산시킬 수 있는 윤활첨가제의 제조방법과 이에 따라 제조된 윤활첨가제를 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은, (a) 나노다이아몬드를 정제하는 단계와, (b) 정제된 나노다이아몬드의 표면물성을 개질하는 단계 및 (c) 표면개질된 나노다이아몬드를 오일에 분산시키는 단계를 포함하는 윤활첨가제의 제조방법을 제공한다.

이 경우, 상기 (a) 단계는 (1) 표면처리제 용액과 나노다이아몬드 분말을 혼합하는 단계와, (2) 반응용액을 교반하는 단계 및 (3) 원심분리를 통해 나노다이아몬드의 불순물을 제거한 후 건조하여 정제된 나노다이아몬드 분말을 회수하는 단계를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 표면처리제는 NaCl, EDTA, Na₂CO₃, NaHCO₃ 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

한편, 상기 (b) 단계는 친수성인 나노다이아몬드의 표면을 소수성으로 개질하는 단계로서 (1) 초기 나노다이아몬드 분말이나 정제된 나노다이아몬드 분말을 용매에 투입하고, 실레인 용액과 염산 용액을 첨가하여 반응물을 혼합하는 단계와, (2) 반응용액을 가열, 교반한 후 초음파 분산하여 나노다이아몬드 표면의 물성을 변화시키는 단계와, (3) 원심분리를 통해 불순물을 제거하는 단계 및 (4) 건조하여 소수성 나노다이아몬드 분말을 회수하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계는 (1) 초기 나노다이아몬드 분말이나 정제된 나노다이아몬드 분말을 유기용매에 투입하고, 계면활성제 용액을 첨가하여 반응물을 혼합하는 단계와, (2) 반응용액을 가열, 교반한 후 초음파 분산하여 나노다이아몬드 표면의 물성을 변화시키는 단계, (3) 원심분리를 통해 불순물을 제거하는 단계 및 (4)건조하여 소수성 나노다이아몬드 분말을 회수하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 상기 (c) 단계는 (1) 건조를 통해 소수성 나노다이아몬드의 표면에 물리적으로 흡착된 수분을 제거하는 단계와, (2) 이 분말을 오일에 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계는 (1) 초기 나노다이아몬드 분말이나 정제된 나노다이아몬드 분말을 오일에 투입하고, 실레인 용액과 염산 용액을 첨가하여 반응물을 혼합하는 단계와, (2) 반응오일을 초음파 분산하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계는 (1)초기 나노다이아몬드 분말이나 정제된 나노다이아몬드 분말을 오일에 투입하고 계면활성제 용액을 첨가하여 반응물을 혼합하는 단계와, (2) 반응용액을 초음파 분산하는 단계를 포함한다.

본 발명은 이상에서 설명한 방법에 따라 제조되는 윤활첨가제를 제공한다.

본 발명에 따르면, 친수성 나노다이아몬드 분말을 정제, 표면개질의 과정을 통해 획득한 소수성 나노다이아몬드를 오일에 균일하게 분산하여 윤활첨가제를 제조함으로써 자동차, 선박, 항공기 등 다양한 산업분야의 동력구동장치에 적용하여 오일 수명 연장, 동력 기관 수명 연장, 출력 향상, 연비 향상, 배출가스 감소, 친환경 조성 등의 제반 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 윤활첨가제를 컴프레셔에 적용하여 사용 유무에 따른 특성 평가 결과를 나타낸 그래프,
도 2는 상용 윤활첨가제의 사용 전과 사용 후의 색 변화를 나타낸 사진,
도 3은 본 발명에 따라 제조된 윤활첨가제의 사용 전과 사용 후의 색 변화를 나타낸 사진,
도 4는 본 발명에 따라 제조된 윤활첨가제의 사용 유무에 따른 2주 사용 후의 색변화를 나타낸 사진.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명은 각종 동력구동장치에 적용되어 성능을 향상시킬 수 있는 윤활첨가제의 제조방법과, 이에 따라 제조된 윤활첨가제로 대별되는 바 이하 차례대로 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 윤활첨가제의 제조방법은 친수성 나노다이아몬드 분말의 정제 공정과, 정제된 나노다이아몬드의 표면을 개질하는 공정 및 표면개질된 나노다이아몬드를 오일에 분산시켜 윤활첨가제를 제조하는 공정을 포함한다.

먼저, 나노다이아몬드 분말을 정제하는 공정은 다음과 같다.

우선, 증류수에 과량의 표면처리제를 용해시켜 포화용액을 제조한다. 이후, 30 mL 표면처리제 포화용액에 1 g 나노다이아몬드 분말을 투입하고 물질간의 반응이 균일하게 이루어질 수 있도록 1분간 교반한다. 계속하여, 용액을 교반 하에서 50 mL 증류수를 첨가한 후 10분 동안 반응상태를 유지한다. 이 경우, 표면처리제는 NaCl, EDTA, Na₂CO₃, NaHCO₃ 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 이 과정에서 표면처리제가 이온화 되면서 나노다이아몬드 분말에 포함되어 있는 불순물과 반응하게 된다. 이후, 원심분리기를 이용하여 총 7회에 걸쳐 반응 용액을 원심분리하게 되면 정제된 나노다이아몬드와 불순물을 분리할 수 있으며, 이와 같이 정제된 나노다이아몬드는 건조를 통해 분말로 얻어진다. 이 경우, 나노다이아몬드와 표면처리제는 1:6.5 의 질량비로 반응시키는 것이 바람직하다. 즉, 반응에서 표면처리제는 나노다이아몬드의 6.5배(질량비)로 투입되는데 반응시 적정 비율보다 많은 표면처리제가 투입되면 과량의 표면처리제의 제거를 위해 필요치 않은 원심분리 과정이 추가되며, 적은 양이 투입되면 나노다이아몬드 분말에 포함된 불순물과의 충분한 반응이 일어나지 않아 정제 후에도 불순물이 잔존하게 된다. 한편, 증류수의 첨가는 반응공간의 확장과 동시에 불순물과 나노다이아몬드의 거리를 늘려주어 두 물질의 상호 작용력을 낮추어 준다.

상술한 바와 같이 나노다이아몬드 분말의 정제가 완료되면 나노다이아몬드 표면의 물성을 개질한다. 즉, 표면이 친수성인 나노다이아몬드를 오일에 분산시키기 위해 소수성으로 변화시켜주는 것이다. 표면개질에는 실레인용액과 계면활성제가 사용되는데, 두 물질 모두 분자 내 친수성기와 소수성기를 갖고 있으며, 분자의 친수성기가 나노다이아몬드의 표면에 있는 친수성 활성화기(-OH, -COOH, -NH₂)와 반응함으로써 나노다이아몬드 표면의 최외각이 소수성 성질을 나타내도록 한다. 구체적인 표면개질 방법은 다음과 같다.

방법 1

우선, 5 g 나노다이아몬드 분말을 400 mL에탄올에 투입하고, 이 용액을 교반한다. 이후, 혼합용액에 25 mM 2 μL 염산용액을 투입하고 30분간 교반한다. 계속하여, 분산된 용액에 실레인 용액 원액 1μL 를 투입하고 30분 동안 교반한다. 마지막으로, 원심분리기를 이용하여 총 3회에 걸쳐 반응용액을 원심분리하게 되면 소수성 표면의 나노다이아몬드가 얻어지고, 이후 일괄의 공정을 통해 소수성 나노다이아몬드가 획득되며, 건조를 통해 분말이 생산된다.

방법 2

우선, 10 g 나노다이아몬드 분말을 500 mL 유기용매에 투입하고, 이 용액을 교반한다. 이후, 혼합용액에 10 g 계면활성제를 녹인 유기용매 500 mL를 투입하여 1시간 동안 교반한다. 계속하여, 원심분리기를 이용하여 총 3회에 걸쳐 반응용액을 원심분리하게 되면 반응에 참여하지 않은 잉여 계면활성제 및 불순물을 제거할 수 있다.

한편, 윤활유의 제조는 표면개질과 동시에 하는 방법과, 소수성으로 표면 개질된 나노다이아몬드 분말을 이용해 제조하는 방법으로 구별되며, 구체적인 공정은 다음과 같다.

방법 1

우선, 1 L적용하고자 하는 오일에 1 g나노다이아몬드 분말을 분산시킨다. 이후, 5 mM 2 μL 염산용액을 투입하고 30분간 분산시킨다. 분산된 용액에 실레인 용액 원액 0.2 μL 를 투입하고 30분 동안 분산시킨다. 이 경우, 분산장비로는 호모게나이저(Homogenizer)를 사용하는데, 이는 적용하는 오일이 유기용매에 비해 점도가 높아 교반으로는 물질의 분산이 어렵기 때문이다.

방법 2

우선, 1 g 나노다이아몬드 분말을 1 L 유기용매에 투입하고 이 용액을 분산시킨다. 이후, 1 g 계면활성제를 투입한 다음 2시간 동안 분산시킨다.

방법 3

전술한 바와 같이 소수성으로 표면개질된 나노다이아몬드 분말을 적용 오일에 투입하여 분산시킨다. 이 과정에서도 분산장비로 호모게나이저를 사용한다. 나노다이아몬드 분말은 적용 오일에 1 wt%로 투입되며, 적용 오일은 자동차, 산업기계 등에 통상적으로 사용되는 오일이면 족하고 특별히 제한되는 것은 아니다.

이상에서 설명한 바와 같이 윤활첨가제를 제조하여 동력구동장치에 주입하면 나노다이아몬드 분말이 마찰부 사이를 잠식하여 마찰피로 및 마찰에 의한 열 발생률을 감소시키며, 이에 따라 오일의 산화를 방지하고 동력구동장치의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 장기간 사용에 따라 동력구동장치의 마찰부에 발생하는 표면결함 부위는 나노다이아몬드 입자가 충진되어 마찰력 감소에 따른 연비 및 출력 향상의 효과를 기대할 수 있다.

상술한 효과를 얻기 위해 본 발명에 따라 윤활첨가제 제조에 사용된 나노다이아몬드 분말은 다이아몬드 98 wt%, 탄소(흑연, 그래핀 등) 1 ~ 1.5 wt% 로 이루어져 있으며, 표면의 활성화기로 인해 미량의 질소, 수소, 산소를 포함하고 있다. 이러한 나노다이아몬드 분말의 크기는 0.5 ~ 5 nm, 형태는 구형인 것이 바람직하다. 나노다이아몬드가 불순물을 많이 포함하는 경우, 별도의 정제 과정이 필요하기 때문에 시간적, 금전적인 손실이 발생하게 된다. 또한, 입자의 크기가 커지게 되면 윤활효율을 감소시키게 된다.

한편, 본 발명에서 친수성 나노다이아몬드의 정제에 사용되는 표면처리제는 나노다이아몬드 분말에 포함되어 있는 금속 성분과 결합하여 이온화되어 원심분리 시 상층액 또는 침전으로 불순물인 금속 성분을 제거 가능하게 한다. 또한, 소수성 나노다이아몬드의 정제에 사용되는 물질에는 실레인과 계면활성제가 있다. 이 두 물질은 분자 내 친수성기와 소수성기를 함께 가지고 있으며, 이중 친수성기가 나노다이아몬드 표면의 활성화기인 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 아미노기(NH₂)와 반응하여 결합을 형성함으로써 최외각이 소수성기로 둘러싸이게 되면서 소수성으로 표면물성이 바뀌게 되는 것이다.

이상으로 본 발명에 따른 나노다이아몬드의 정제, 표면개질 및 윤활첨가제의 제조방법에 대해 구체적으로 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하도록 한다.

실시예 1

본 발명에 따라 제조된 윤활첨가제의 윤활 특성 및 오일 수명 연장 효과를 확인하기 위해 다음과 같이 컴프레셔를 이용하여 성능 평가를 수행하였다. 이 경우, 컴프레셔는 날개차나 모터의 회전 운동 또는 피스톤의 왕복 운동에 의해 기체를 압축하고, 압력이 압축 전 기체 압력의 2배 이상 또는 압축 후 토출력이 1kg/cm³ 이상 되는 상용 기계이고, 윤활첨가제는 컴프레셔 오일에 0.01 wt% 로 분산되어 주입되었으며 이 오일은 기존 상용 오일에 비해 두껍고 강한 윤활막을 형성하여 피스톤의 왕복 운동시 실린더 내부와의 마찰을 방지하는 기능을 한다.

구체적인 시험방법 및 평가항목은 다음과 같다.

컴프레셔에 시중에 판매되는 기존 상용 오일(Tectyl comp 68, 한국하우톤)과 본 발명의 윤활첨가제를 동일한 오일에1 wt% 로 분산시킨 오일을 각각 주입하여 구동시킨 후 컴프레셔가 특정 압력(4, 5, 6, 7 bar)까지 상승하는데 소요되는 전력, 온도, 시간을 각각 측정하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 이 경우, 컴프레셔는 1분 가동 후 5분 냉각하는 방식으로 24시간 동안 구동하였고, 측정은 1분 구동시 2.5 bar까지 압력 상승 후 5분 냉각시 0 bar까지 압력을 하강시켜 24시간 간격으로 효율성 평가를 실시하였다.

도 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 윤활유를 사용한 경우 상용 윤활유를 사용한 경우에 비해 소비전력, 발열온도 및 동일한 출력값에 이르는 시간이 모두 낮게 측정되어 윤활 특성이 크게 개선된 것을 확인할 수 있다. 참고적으로, 도 1의 (d)는 컴프레셔를 1분간 동작시킬 때 소모되는 전력을 나타낸다.

또한, 상기 시험에 사용된 상용 오일을 사용 전과 사용 후의 총4종의 샘플을 채취하여 각각 도 2 및 도 3에 나타내었으며, 도 4에는 동일한 기간 동안 사용된(2주) 오일을 비교 도시하였다. 도 2 내지 도 4로부터 상용 윤활유의 경우(도 2 내지 도 4의 (a)) 컴프레셔의 구동 중 마찰에 의해 열이 발생하여 윤활유의 분자들이 산소와 반응함으로써 윤활유 분자가 산화되어(열화 현상) 검게 나타나고, 마찰로 인해 구동부 표면의 금속이 마모되어 오일에 침전된 반면 본 발명의 윤활첨가제가 분산된 윤활유의 경우(도 2 내지 도 4의 (b))에는 온도, 마찰력의 감소로 인해 열 및 마찰계수가 감소하여 색변화가 거의 없음을 알 수 있으며, 이로부터 본 발명의 오일 수명 연장 효과를 확인할 수 있다.

실시예 2

본 발명에 따라 제조된 윤활첨가제의 내하중성을 확인하기 위해 다음과 같이 자동변속기를 이용하여 성능 평가를 수행하였다. 자동변속기는 자동차나 모터사이클의 변속기의 일종으로 차량의 속도나 엔진 회전수에 따라 변속비를 자동으로 전환하는 기능을 갖춘 변속기이며, 자동변속기 오일에 분산되어 있는 나노다이아몬드는 이러한 자동변속기의 변속 구동시 상호 마찰력을 감소시키는 기능을 한다.

구체적인 시험방법 및 평가항목은 다음과 같다.

ASTM D 2266 규격에 따라 4-Ball 내마모성 시험기를 이용하여 상용 윤활첨가제와 본 발명의 윤활첨가제의 내하중성 평가를 수행하였으며, 그 결과를 하기의 [표 1]에 나타내었다.

*ND: 나노다이아몬드

품명	측정값(mm)	분산용매	ND첨가 효과
GM ATF	0.71	GM AC Delco ATF Ⅲ(H)	0.28 mm 감소
GM ATF + ND	0.43

[표 1]에 나타난 바와 같이 본 발명의 윤활첨가제를 사용할 경우, 상용 윤활유를 사용할 때 보다 마찰에 의한 표면 침투 깊이가 약 0.28 mm 감소된 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 본 발명에 따라 제조된 나노다이아몬드의 함유로 인해 윤활막이 두껍고 강해짐으로써 내하중성이 개선된 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

1. (a) 나노다이아몬드를 정제하는 단계와, (b) 정제된 나노다이아몬드의 표면물성을 개질하는 단계 및 (c) 표면개질된 나노다이아몬드를 오일에 분산시키는 단계를 포함하는 윤활첨가제의 제조방법에 있어서,
   상기 (a) 단계는,
   (1) 증류수에 과량의 표면처리제를 용해시켜 포화용액을 제조하는 단계와;
   (2) 포화용액에 나노다이아몬드 분말을 투입하는 단계와;
   (3) 반응용액을 교반하는 단계; 및
   (4) 원심분리를 통해 나노다이아몬드의 불순물을 제거한 후 건조하여 정제된 나노다이아몬드 분말을 회수하는 단계;
   를 포함하되, 상기 (a) 단계에서 사용되는 나노다이아몬드 분말과 표면처리제의 질량비는 1:6.5인 것을 특징으로 하는 윤활첨가제의 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 표면처리제는 NaCl, EDTA, Na2CO3, NaHCO3 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 윤활첨가제의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   (1) 초기 나노다이아몬드 분말 또는 정제된 나노다이아몬드 분말을 용매에 투입하고, 실레인 용액과 염산 용액을 첨가하여 반응물을 혼합하는 단계와;
   (2) 반응용액을 가열, 교반한 후 초음파 분산하여 나노다이아몬드 표면의 물성을 변화시키는 단계와;
   (3) 원심분리를 통해 불순물을 제거하는 단계; 및
   (4) 건조하여 소수성 나노다이아몬드 분말을 회수하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 윤활첨가제의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   (1) 초기 나노다이아몬드 분말 또는 정제된 나노다이아몬드 분말을 유기용매에 투입하고, 계면활성제 용액을 첨가하여 반응물을 혼합하는 단계와;
   (2) 반응용액을 가열, 교반한 후 초음파 분산하여 나노다이아몬드 표면의 물성을 변화시키는 단계와;
   (3) 원심분리를 통해 불순물을 제거하는 단계; 및
   (4) 건조하여 소수성 나노다이아몬드 분말을 회수하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 윤활첨가제의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   (1) 건조를 통해 소수성 나노다이아몬드의 표면에 물리적으로 흡착된 수분을 제거하는 단계; 및
   (2) 수분이 제거된 소수성 나노다이아몬드 분말을 오일에 분산시키는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 윤활첨가제의 제조방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images