KR101526769B1 - 연비를 개선시키는 자동변속기용 윤활유 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연비를 개선시키는 자동변속기용 윤활유 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토크 컨버터 클러치, 소형 변속기 클러치 및 라비노 기어열을 갖는 유성 기어 시스템을 포함하고 있는 자동변속기로서 특히 6단 및 8단의 다단 자동변속기의 윤활 및 작동에 유용하며, 전달효율 및 연비향상에 기여할 수 있는 윤활유 조성물에 관한 것이다.

Description

연비를 개선시키는 자동변속기용 윤활유 조성물{Automatic Transmission Oil Composition for Enhanced Fuel Efficiency}
본 발명은 연비를 개선시키는 자동변속기용 윤활유 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토크 컨버터 클러치, 소형 변속기 클러치 및 라비노 기어열을 갖는 유성 기어 시스템을 포함하고 있는 자동변속기로서 특히 6단 및 8단의 다단 자동변속기의 윤활 및 작동에 유용하며, 전달효율 및 연비향상에 기여할 수 있는 윤활유 조성물에 관한 것이다.
고유가 및 지구온난화에 따른 기상이변 등으로 인하여 자동차의 연비를 향상시키기 위한 많은 노력이 있어 왔다. 자동변속기에도 이러한 연비향상에 기여하기 위하여 많은 기술들이 적용되고 있다. 이러한 기술 중에 최근 등장하는 것이 저점도형 자동변속기용 윤활유의 적용이다. 독일의 ZF사에서는 저점도형 자동변속기용 윤활유를 6속 자동변속기에 적용하여, 이 윤활유 적용만으로 약 1.1 %의 연비향상을 이루었다는 보고도 있다. 자동변속기는 다양한 습식 마찰재, 토크 컨버터 클러치, 오일 펌프, 소형 변속기 클러치, 유성 기어 등으로 구성되어 윤활유의 점도에 따른 유체 저항이 있어 점도를 낮추게 되면, 이러한 유체 저항이 줄어들어 연비 향상에 기여하게 된다.
그러나 이러한 저점도형 자동변속기용 윤활유 제조 시 윤활기유의 점도를 낮추어 설계할 경우, 사용 중 점도 저하로 인하여 각종 부품의 조기 피로 마모를 초래하여 자동변속기 내부 부품의 조기 고장을 유발할 수 있고, 클러치에서의 마찰재의 마찰 특성을 나쁘게 하여 조기 고장을 일으킬 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 종래기술로서, 일본특허공개 평16-169025호에서는 인계 및 유황계 화합물의 적용을 통해 해결하고자 하였고, 일본특허공개 평16-155873호 및 평16-155924호에서는 특정의 점도지수향상제와 마찰조정제를 통해 해결하고자 하였고, 한국등록특허 제706,434호에서는 특정의 동점도와 점도지수를 가지는 윤활기유를 통해 해결하고자 하였다.
그러나 여전히 변속기가 효율적으로 작동하고 에너지 효율을 높일 수 있는 개선된 윤활유 조성물이 요구된다.
본 발명에서는 토크 컨버터 클러치, 소형 변속기 클러치 및 라비노 기어열을 갖는 유성 기어 시스템을 포함하고 있는 자동변속기에 적용되어 긴 변속기 수명 및 에너지 효율적인 부품의 최적 작동을 보장하기에 적절한 윤활유 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제 해결을 위하여, 본 발명은 윤활기유, 분산제, 마찰조정제, 산화 방지제, 인계 내마모제 및 점도조정제를 포함하는 윤활유 조성물에 있어서, 상기 분산제로는 폴리아민과 폴리아이소뷰테닐 숙신산 무수물을 반응시켜 얻은 숙신산이미드 유도체 및 숙신산아미드 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 무회 분산제가 포함되고, 상기 점도조정제로는 C3∼C13 알킬 측쇄기가 결합되어 변성된 폴리메타크릴레이트계 점도조정제가 포함되어 있는 자동변속기용 윤활유 조성물을 그 특징으로 한다.
본 발명의 윤활유 조성물은 유체저항을 최소화하여 연비를 향상시킬 수 있도록 100℃에서의 동점도가 4.6 ∼ 5.2 cSt 범위로 유지된다.
또한, 본 발명의 윤활유 조성물은 -40℃에서 측정된 브룩필드 점도가 4,000 ∼ 10,000 cP 범위로 유지된다.
따라서 본 발명의 윤활유 조성물은 토크 컨버터 클러치, 소형 변속기 클러치 및 라비노 기어열을 갖는 유성 기어 시스템을 갖는 6단 및 8단 자동변속기에 적용되어 연비 개선하는 효과가 각별하다.
본원에서 사용되는 용어로서 '하이드로카빌 치환기' 또는 '하이드로카빌기'는 당해 분야의 숙련자에게 널리 공지되어 있는 통상적인 의미로 사용된다. 구체적으로, '하이드로카빌 치환기' 또는 '하이드로카빌기'는 탄화수소 특성을 갖는 기를 말한다. 하이드로카빌기는 예를 들면, 알킬 및 알케닐과 같은 탄화수소기; 사이클로알킬과 같은 고리형 탄화수소기; 황, 산소 및 질소 같은 헤테로원자를 포함하는 헤테로탄화수소기; 를 포함할 수 있다.
또한, 발명의 상세한 설명에 사용되는, 구성성분의 양, 반응 조건, 치수, 물리적 특징, 공정 매개변수 등을 표현하는 모든 수치들은 모든 경우에 있어서 '약'이라는 용어에 의해 다소 변경되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 윤활유 조성물은 (1)윤활기유, (2)분산제, (3)마찰조정제, (4)산화 방지제, (5)인계 내마모제 및 (6)점도조정제를 포함하되, 자동변속기용 윤활유로 사용되어 연비향상 효과를 높일 수 있도록 특정의 분산제와 점도조정제를 선택 사용한데 그 특징이 있다.
본 발명에 따른 자동변속기용 윤활유 조성물은 각 조성성분들을 중심으로 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
(1) 윤활기유
본 발명에 따른 윤활유 조성물은 윤활기유(base oil)를 포함한다. 상기 윤활기유(base oil)는 하나 이상의 천연 오일, 하나 이상의 합성 오일 또는 이들의 혼합물을 비롯한 윤활 점도의 다양한 오일을 포함한다. 본 발명의 비한정적인 실시양태에서, 윤활기유(base oil)는 본 발명의 조성물 중에 50 중량% 이상 다량으로 포함될 수 있다. 전형적으로 윤활기유(base oil)는 윤활유 조성물 중에 75 ∼ 95 중량% 범위로, 바람직하기로는 80 ∼ 95 중량% 범위로 포함될 수 있다.
본 발명에 적합한 윤활기유는 동물유, 식물유 및 광물성 오일로부터 선택된 천연 오일이 포함될 수 있다. 광물성 오일은 액체 석유 오일 및 가수소 분해 또는 가수소 마무리처리 공정에 의해 추가로 정제될 수 있는 파라핀계, 나프텐계 또는 파라핀계/나프텐계 혼합형 광물성 오일을 사용할 수 있고, 또는 용매 처리되거나 산 처리된 광물성 오일을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 적합한 윤활기유는 합성 오일일 수 있다. 합성 오일은 폴리알파올레핀으로도 알려져 있는 중합 및 상호중합된(interpolymerized) 올레핀 같은 탄화수소유 및 할로-치환된 탄화수소유; 폴리페닐; 알킬화된 다이페닐 이써; 및 알킬화된 다이페닐 설파이드 및 이들의 유도체, 유사체 및 동족체를 포함한다. 다른 합성 오일은 다양한 알콜과 다이카복실산의 에스터, 또는 C4∼C15 모노카복실산 및 폴리올 또는 폴리올 이써로부터 제조되는 에스터를 포함한다.
상기 천연 오일 및 합성 오일은 정제되지 않거나, 정제되거나 또는 재정제된 오일일 수 있다. 본원에서 사용되는 용어로서 '정제되지 않은 오일'은 추가의 정제 처리 없이 천연 또는 합성 공급원으로부터 직접 수득될 수 있는 오일을 일컫는다. 본원에서 사용되는 용어로서 '재정제된 오일'은 하나 이상의 특성을 개선하기 위하여 1회 이상의 정화 단계에서 추가로 처리된 오일을 지칭한다. 이들은 예를 들어 수소화 및 산화에 의해 개선된 안정성을 갖는 오일을 생성할 수 있다.
본 발명의 비한정적인 실시양태에서, 윤활기유는 미국석유협회(API)의 기유 변경에 대한 규정(BOIG; Base Oil Interchangeability Guidelines)에 따른 Ⅱ군 오일, Ⅲ군 오일, Ⅳ군 오일, V군 오일 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적합한 Ⅱ군 오일의 예는 Yubase 3이고, 적합한 Ⅲ군 오일의 예는 Yubase 6이다. Yubase는 SK 에너지주식회사의 등록상표이다. 적합한 Ⅳ군 오일의 예는 폴리알파올레핀이고, 적합한 V군 오일의 예는 에스터이다.
본 발명에 따른 윤활기유(base oil)는 단일 점도 범위의 오일이거나, 또는 높은 점도 범위의 오일과 낮은 점도 범위의 오일의 혼합물을 포괄할 수 있다.
(2)분산제
본 발명에 따른 윤활유 조성물은 무회 분산제를 포함한다. 무회 분산제는 오일-비함유 기준으로 윤활유 조성물 중에 0.5 ∼ 5.0 중량%, 바람직하기로는 1.0 ∼ 4.0 중량%, 더욱 바람직하기로는 1.0 ∼ 2.0 중량% 범위로 포함될 수 있다.
본 발명에 적합한 무회 분산제는 장쇄 하이드로카빌 숙신이미드 및 장쇄 하이드로카빌 숙신아마이드, 장쇄 하이드로카빌-치환된 숙신산의 에스터/아마이드의 혼합물, 장쇄 하이드로카빌-치환된 숙신산의 하이드록시에스터, 장쇄 하이드로카빌-치환된 페놀, 폼알데하이드와 폴리아민의 만니히(Mannich) 축합 생성물 등을 포함한다. 또한 상기한 무회 분산제의 혼합물도 사용할 수 있다. 이때 장쇄 하이드로카빌은 탄소 원자가 40개 이상의 긴 사슬을 가지는 하이드로카빌을 의미한다.
본 발명의 비한정적인 실시양태에서, 무회 분산제로 장쇄 알케닐 숙신이미드를 포함한다. 이들은 특허 문헌에 널리 개시되어 있는 것과 같은 다양한 아민 또는 아민 유도체를 사용하여 제조된 비환상 하이드로카빌 치환된 숙신이미드를 포함한다. 또한, 무회 분산제로는 인의 무기 산(또는 그의 무수물) 및 보론화제로 처리된 알케닐 숙신이미드가 사용될 수 있는데, 이들은 플루오로-엘라스토머 및 규소-함유 엘라스토머 같은 성분으로부터 제조된 엘라스토머 밀봉에 대하여 상용성이 좋다.
본 발명의 비한정적인 실시양태에서, 무회 분산제는 폴리아민과 폴리아이소뷰테닐 숙신산 무수물을 반응시켜 얻은 숙신산이미드 유도체, 숙신산아미드 유도체 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 폴리아민은 구체적으로 트라이에틸렌 테트라아민, 테트라에틸렌 펜타아민 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 상기 폴리아이소뷰테닐 숙신산 무수물은 폴리아이소뷰테닐 치환기를 가지는 숙신산 무수물이며, 폴리아이소뷰테닐 치환기는 폴리아이소뷰텐으로부터 유래된 치환기이다. 본 발명에서는 무회 분산제를 구성하는 폴리아이소뷰테닐 치환기의 분자량 조절에 의해 윤활유 조성물의 유체저항성, 분산성 및 마찰계수 조절이 가능하다. 무회 분산제를 구성하는 폴리아이소뷰테닐 치환기는 중량평균분자량이 500 ∼ 1,800, 바람직하기로는 800 ∼ 1,200 범위이다. 무회 분산제를 구성하는 폴리아이소뷰테닐 치환기의 분자량이 높아야 분산효과 및 클러치 마찰계수 상승에 효과적이나, 중량평균분자량이 1,800을 초과하면 유체저항을 높이는 문제점이 있으며, 중량평균분자량이 500 보다 낮은 경우 분산효과 및 클러치 마찰계수가 낮아 과량 사용해야 하는 문제점이 있다. 특히 좋기로는 폴리아이소뷰테닐 치환기의 중량평균분자량이 1,200 보다 낮아야 유체저항을 줄일 수 있어 연비개선 효과가 있으며, 점도조정제로서 사용되는 변성 폴리메타크릴레이트를 적용하여 분산효과 및 마찰계수 낮아지는 문제까지도 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 열거된 무회 분산제는 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
(3)마찰조정제
본 발명에 따른 윤활유 조성물은 하나 이상의 마찰조정제를 포함한다. 마찰조정제는 본 발명의 윤활유 조성물 중에 약 0.05 ∼ 5.0 중량%, 바람직하기로는 약 0.1 ∼ 4.0 중량% 범위로 포함될 수 있다.
적합한 마찰조정제는 당해 분야의 숙련자에게 널리 공지되어 있다. 마찰조정제의 유용한 목록은 미국등록특허 제4,792,410호에 포함되어 있다. 본 발명에 유용한 마찰조정제의 목록은 지방산 아마이드, 지방 에폭사이드, 지방 아민, 붕화된 글라이세롤 에스터, 알콕실화된 지방 아민, 붕화된 알콕실화 아민, 지방 이미다졸린, 카복실산 또는 이의 무수물과 폴리아민의 축합 생성물을 포함하지만, 이들로 국한되지는 않는다.
본 발명에 유용한 지방산 아마이드는 시판되고 있으며, 스테아르아마이드, 올레아마이드를 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다. 일반적으로 지방산 기는 약 10 ∼ 20개의 탄소 원자를 함유한다.
본 발명에 유용한 지방 에폭사이드는 과산화제(예컨대, 과아세트산)를 올레핀과 반응시킴으로써 생성된 것을 포함한다. 마찰조정제의 제조에 유용한 올레핀은 통상 약 10 ∼ 20개의 탄소 원자를 갖고, 보통은 말단 위치(예를 들면, 제 1 탄소 원자와 제 2 탄소 원자 사이)에 이중 결합을 갖는 선형 올레핀이다. 유용한 지방 에폭사이드는 1,2-에폭시헥사데케인, 1,2-에폭시옥타데케인 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 지방 에폭사이드를 붕산 같은 보론화제와 추가로 반응시켜, 붕화된 지방 에폭사이드를 생성시킬 수 있다.
본 발명에 유용한 붕화된 글라이세롤 에스터는 스테아르산 및 올레산 같은 장쇄 지방산과 글라이세롤의 에스터를 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 산 1 몰을 글라이세롤 1 몰과 반응시켜 2개의 유리 하이드록실기를 남김으로써 붕화된 글라이세롤 에스터를 제조할 수 있다. 이러한 물질의 예는 글라이세롤 모노-올리에이트이다. 이들 다이올 함유 에스터를 붕산과 추가로 반응시켜 하이드록실기의 보레이트 에스터를 생성시킬 수 있다.
알콕실화된 지방 아민은 널리 공지되어 있는 마찰조정제이다. 이들 물질은 보통 10 ∼ 20개의 탄소 원자를 함유하는 장쇄 아민의 비스(모노에톡실레이트)이다. 이들은 에토민(Ethomeen) 부류의 제품으로 아크조 노벨(Akzo Nobel; 암스테르담) 생산업체로부터 시판되고 있다. 이들 물질은 비스(2-하이드록시에틸)탈로우 아민, 비스(2-하이드록시에틸)올레일아민 및 비스(2-하이드록시에틸)옥타데실아민을 포함하지만, 이들로 국한되지는 않는다. 비스 알콕실화된 아민을 붕산과 추가로 반응시켜, 붕화된 알콕실화 아민을 생성시킬 수 있다. 알콕실화된 아민과 다이에톡실레이트 1 몰당 0.5 ∼ 2.0 몰의 붕산의 반응 생성물을 또한 본 발명의 마찰조정제로서 사용할 수 있다.
지방 이미다졸린은 널리 공지되어 있는 마찰조정제이다. 이들 물질은 지방산과 다이아민 또는 폴리아민의 축합 생성물이다. 적합한 산은 데칸산, 올레산, 스테아르산, 아이소스테아르산, 팔미트산, 미리스트산, 리놀레산, 라우르산, 및 수지(tallow) 및 팜유로부터의 산과 같은 천연 산을 포함한다. 바람직한 아민은 테트라에틸렌 펜타민 및 폴리아민을 포함한다.
카복실산 또는 무수물과 폴리아민의 축합 생성물로부터 상기 기재된 이미다졸린을 생성시킬 수 있다. 그러나, 이들은 또한 보다 온화한 반응 조건의 경우 단순한 아마이드를, 또는 숙신산 무수물계 반응물의 경우 숙신아마이드를 생성시킬 수 있다.
다른 적합한 마찰조정제로서는 알킬 치환된 숙신산 무수물과 폴리아민의 반응에 의해 생성된 것을 사용할 수 있다. 폴리아민은 상기 무회 분산제 제조 설명에서 예시된 폴리아민으로부터 선택될 수 있다. 마찰조정제는 예를 들어 3-옥타데실 숙신산 무수물과 다이에틸렌 트라이아민 또는 테트라에틸렌 펜타아민의 축합 생성물을 포함한다. 이들 물질의 제조방법은 미국등록특허 제5,840,663호에 기재되어 있다.
이상에서 열거된 마찰조정제는 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
(4)산화 방지제
본 발명에 따른 윤활유 조성물은 하나 이상의 산화 방지제를 포함한다. 산화 방지제는 윤활유 조성물 중에 약 0.05 ∼ 5.0 중량%, 바람직하기로는 약 0.1 ∼ 3.0 중량%, 더욱 바람직하기로는 약 0.25 ∼ 2.0 중량% 범위로 포함될 수 있다.
본 발명의 산화 방지제는 당해 분야의 숙련자에게 널리 공지되어 있다. 산화 방지제는 통상적으로 방향족 아민계 및 힌더드 페놀계의 두 가지 부류에 나뉘는데, 본 발명은 이들 부류에 한정하지 않는다.
적합한 방향족 아민계 산화 방지제로는 방향족 트라이아졸, 페노티아진, 다이페닐 아민, C1∼C16 알킬 다이페닐 아민, 페닐-알파-나프틸 아민, 페닐-베타-나프틸 아민, 알킬 또는 아릴 치환된 페닐-알파-나프틸 아민을 포함한다. 비제한적인 실시양태에서, 방향족 아민계 산화 방지제는 노넨(C9)으로 알킬화된 다이페닐 아민이다. 이 물질은 모노알킬화 및 다이알킬화된 다이페닐 아민의 혼합물이며, 이 때 치환기는 분지된 노넨(C9)이다. 이 물질은 노갈루브(Naugalube) 438L™의 등록상표명으로 켐튜라 코포레이션(Chemtura Corporation)에서 시판하고 있다.
적합한 힌더드 페놀계(hindered phenols) 산화 방지제로는 2,6-다이-3급-뷰틸 페놀, 4-메틸-2,6-다이-3급-뷰틸 페놀, 2,4,6-트라이-3급-뷰틸 페놀 및 이들의 유사체 및 동족체 같은 오르토-알킬화된 페놀계 화합물을 포함한다. 다른 적합한 힌더드 페놀계 산화 방지제는 뷰틸화된 하이드록실 톨루엔(BHT), 뷰틸화된 하이드록실 아니솔(BHA) 및 이들의 유도체를 포함한다. 힌더드 페놀계 산화 방지제의 다른 유용한 부류는 단독으로 또는 다른 힌더드 페놀과 함께, 또는 입체 힌더드 비가교 페놀계 화합물과 함께 사용될 수 있는 메틸렌 결합된 알킬 페놀을 포함한다. 적합한 메틸렌 가교된 페놀의 예는 4,4'-메틸렌비스(6-3급-뷰틸-o-크레솔), 4,4'-메틸렌비스(4-메틸-6-3급-뷰틸페놀) 및 4,4'-메틸렌비스(2,6-다이-3급-뷰틸페놀), 및 이들의 유도체를 포함한다. 둘 이상의 이들 단핵 페놀계 화합물의 혼합물도 적합하다.
이상에서 열거된 산화 방지제는 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
(5)인계 내마모제
본 발명에 따른 윤활유 조성물은 하나 이상의 인계 내마모제를 포함한다. 본 발명에 유용한 인계 내마모제는 아인산의 유기 에스터, 즉 유기-포스파이트, 또는 아인산의 아민염 일 수 있다. 상기 인계 내마모제는 윤활유 조성물 중에 약 1 ∼ 10 중량%, 바람직하기로는 약 1 ∼ 5 중량% 범위로 포함될 수 있다.
적합한 유기-포스파이트는 당해 기술분야의 숙련자에게 널리 공지되어 있다. 본 발명에 적합한 유기-포스파이트의 예는 하기 화학식 1로 표시될 수 있으며, 하기 화학식 1로 표시되는 모노(C1∼C18알킬)포스파이트, 다이(C1∼C18알킬)포스파이트 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다:
Figure 112013120306055-pat00001
(상기 화학식 1에서, R1 및 R2는 독립적으로 C1∼C18 알킬기 또는 수소이고, 단 R1 및 R2가 동시에 수소인 경우는 제외한다)
상기 화학식 1에서 치환기로 정의된 알킬기는 선형 또는 분지형일 수 있고, 질소, 산소 또는 황 같은 헤테로원자를 함유할 수 있다. 적합한 유기-포스파이트는 다이-뷰틸 하이드로젠 포스파이트(R1=R2=C4), 다이-2-에틸헥실 하이드로젠 포스파이트(R1=R2=2-에틸헥세인), 다이-올레일 하이드로젠 포스파이트(R1=R2=올레일) 및 모노-뷰틸 하이드로젠 포스파이트(R1=C4; R2=H)를 포함한다.
비한정적인 실시양태에서, 상기 유기-포스파이트는 본 발명의 무회 분산제와 반응하여 그의 용해도 및 안정성을 개선시킬 수 있다.
비제한적인 실시양태에서는, 아인산의 아민염을 내마모제로 사용할 수 있다. 아인산의 아민염은 아인산과 폴리아민을 붕산 존재하에서 반응시켜 생성된 생성물일 수 있다. 아인산(H3PO3)은 상기 화학식 1에서 R1=R2=H인 화합물이고, 폴리아민은 상기 무회 분산제 제조 설명에서 예시된 폴리아민으로부터 선택될 수 있다. 아인산의 아민염의 제조방법은 미국등록특허 제4,857,214호에 상세하게 기재되어 있다.
이상에서 열거된 인계 내마모제는 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
(6)점도조정제
본 발명에 따른 윤활유 조성물은 하나 이상의 점도조정제를 포함할 수 있다. 점도조정제는 고온에서의 점도는 낮아지지 않도록 하여 유막 유지에 유용하도록 하며, 저온에서의 점도는 과도하게 상승되지 않도록 하여 윤활유의 유동성 및 유체저항을 줄이는데 유용하도록 하는 역할을 한다. 상기 점도조정제는 윤활유 조성물 중에 약 1 ∼ 10 중량%, 바람직하기로는 약 2 ∼ 5 중량% 범위로 포함될 수 있다.
적합한 점도조정제는 당해 기술분야의 숙련자에게 널리 공지되어 있다. 본 발명에 적합한 점도조정제는 폴리메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리올레핀, 스타이렌-말레산 무수물 공중합체 및 유사한 단독중합체, 공중합체 및 그라프트 공중합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 비한정적인 실시양태에서, 상기 점도조정제는 폴리메타크릴레이트 및 변성된 폴리메타크릴레이트를 포함할 수 있다. 또한, 올레핀 모노머, 스타이렌 모노머, 알코올 그룹을 포함한 알킬아크릴레이트(탄소 원자수 1 ∼ 10), 아크릴 그룹을 포함한 비닐에스터(탄소 원자수 1 ∼ 11), 알코올 그룹을 포함한 비닐에스터(탄소 원자수 1 ∼ 10), 알코올 그룹을 포함한 다이알킬퓨말레이트(탄소 원자수 1 ∼ 10)로 이루어진 군으로부터 선택된 모노머를 중합하여 제조될 수 있다. 이러한 점도조정제는 미국공개특허 제2008/194443호에 기재되어 있다.
본 발명의 비한정적인 실시양태에서, 상기 점도조정제는 알킬 측쇄 중합 가지(탄소 원자수 3 ∼ 13개)로 개질되어 변성된 폴리메타크릴레이트를 포함할 수 있다. 알킬 측쇄 중합 가지는 전단에 의한 가역적 변형으로 무회분산제와 조합하여 전단을 받을 때의 유체저항을 효과적으로 줄일 수 있다. 다시 설명하면, 무회분산제로 사용된 폴리아민과 폴리아이소뷰테닐 숙신산 무수물을 반응시켜 얻은 숙신산이미드 유도체 또는 숙신산아미드 유도체의 경우 낮은 유체저항을 갖고 있어 연비 개선 효과는 기대할 수 있겠으나, 분산성이 떨어지고 마찰계수가 떨어지는 문제를 야기할 수 있다. 이에 본 발명에서는 점도조정제로서 알킬 측쇄 중합 가지로 개질된 폴리메타크릴레이트를 사용함으로써 분산성을 높이고 마찰계수를 상승시켜 전단을 받을 때의 유체저항을 효과적으로 줄일 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시양태에서, 점도조정제로는 로막스(RohMax)에서 시판되는 아크릴로이드(Acryloid) 및 비스코플렉스(Viscoplex; VPL) 씨리즈 중합체로서 시판되는 폴리메타크릴레이트를 포함한다. 특히 비스코플렉스(Viscoplex; VPL) 씨리즈 제품 중에서도 VPL 12-199는 알킬 측쇄기(탄소 원자수 3 ∼ 13개)로 변성된 폴리메타크릴레이트 제품으로, 본 발명에 적용되어 연비를 개선시키는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시양태에서, 점도조정제는 하기 화학식 2로 표시되는 폴리메타크릴레이트일 수 있다. 하기 화학식 2로 표시되는 폴리메타크릴레이트는 분자량이 클수록 점도조정 효과는 크나, 전단안정성이 분자량이 작은 폴리메타크릴레이트 보다 떨어지므로 내구성능에 유의해야 한다.
Figure 112013120306055-pat00002
본 발명의 비제한적인 실시양태에서, 점도조정제는 하기 화학식 3으로 표시되는 변성 폴리메타크릴레이트일 수 있다. 하기 화학식 3으로 표시되는 변성 폴리메타크릴레이트는 알킬 측쇄 중합 가지 및 전체 분자량의 크기에 따라 점도조정 성능 및 내구성을 조절할 수 있다. 바람직하기로는 하기 화학식 3으로 표시되는 변성 폴리메타크릴레이트는 중량평균분자량이 150,000 ∼ 200,000 범위를 유지하는 것이 좋다.
Figure 112013120306055-pat00003
(상기 화학식 3에서, m 및 n은 서로 같거나 다른 것으로서 1 내지 10의 정수이다)
(7)기타 첨가제
또한, 본 발명에 따른 윤활유 조성물은 당 분야에서 통상적으로 사용되고 있는 다양한 성분을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 임의적인 성분은 하기 성분으로는 부식방지제, 소포제, 고무팽윤제, 유동점 강하제, 분산제, 유동화제, 염료 등을 포함할 수 있으며, 임의적인 성분으로서 이들로 국한되지는 않는다.
이상에서 설명한 바와 같은 조성성분 및 조성비를 이루고 있는 본 발명의 윤활유 조성물은, 100℃에서 동점도가 약 2 ∼ 8 cSt, 바람직하기로는 약 4.0 ∼ 6.0 cSt, 특히 바람직하기로는 약 4.6 ∼ 5.2 cSt가 되도록 전체 윤활제 조성물을 배합할 수 있다. 전체 윤활제 조성물의 동점도가 너무 낮을 경우 변속기 마찰저항이 커져 차량연비가 열세였으며, 너무 높을 경우 변속기 유체저항이 커져 차량연비가 열세였다. 또한, 본 발명의 윤활유 조성물은 브룩필드(Brookfield) 점도계로 측정된 점도(ASTM D-2983)가 -40℃에서 12,000 cP 미만, 바람직하기로는 4,000 ∼ 10,000 cP를 갖도록 전체 윤활제 조성물을 배합할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 윤활유 조성물은 인(P)이 310 ppm 이상 포함된다. 구체적으로 윤활유 조성물 중에는 인(P)이 310 ∼ 1500 ppm 범위로 포함될 수 있다. 윤활유 조성물 중에 포함된 인의 최소 함량이 310 ppm 이상이 되도록 인 공급원은 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 포함될 수 있다.
이와 같은 본 발명은 하기의 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 결코 아니다.
[실시예]
하기 비한정적인 실시예에 의해 본 발명을 예시한다. 모든 부 및 백분율은 달리 규정되지 않는 한 중량 기준이다. 실시예는 본 발명에 따른 윤활유 조성물을 나타낸다.
당해 분야에 널리 공지되어 있는 방법을 이용하여 하기 표 1에 예시된 성분을 조합함으로써 윤활유 조성물을 제조하였다.
[윤활유 조성물을 구성하는 각 성분]
(1) 윤활기유 : API Ⅲ군 오일, Yubase 6(SK 에너지주식회사)
(2) 무회분산제:
①폴리아이소뷰테닐(Mw 1,000) 숙신이미드, 폴리아이소부테닐(Mw 1,000) 숙신산 무수물, 트라이에틸렌 테트라민 및 테트라에틸렌 펜타민으로부터 제조된 분산제.
②폴리아이소뷰테닐(Mw 2,000) 숙신이미드, 폴리아이소부테닐(Mw 2,000) 숙신산 무수물, 트라이에틸렌 테트라민 및 테트라에틸렌 펜타민으로부터 제조된 분산제.
③폴리이소부틸렌숙신산 무수물/폴리아민, PIBSA/PAM, 중량평균분자량 950
(3) 마찰조정제:
①3-옥타데실 숙신산 무수물을 다이에틸렌 트라이아민 또는 테트라에틸렌 펜타민과 반응시켜 제조된 마찰조정제(U.S. Pat. No. 5,840,663); ②카복실산 마찰조정제; ③알킬 티오 이써 에스터 마찰조정제; ④지방산 아마이드 마찰조정제
(4) 산화 방지제: ①페놀계 산화 방지제; ②알킬화된 다이페닐아민 산화 방지제
(5) 인계 내마모제: 모노알킬 및 다이알킬 하이드로젠 포스파이트의 혼합물인 인계 내마모제. 인계 내마모제는 약 0.8 중량%의 인을 함유함. 윤활유 조성물에 330 ppm의 인을 제공함.
(6) 점도조정제: 변성 폴리메타크릴레이트로서 로막스社에서 시판되는 VPL 씨리즈
①VPL 12-199: C3∼C13 알킬 측쇄기로 개질된 변성 폴리메타크릴레이트, SSI(Shear Stability Index)= 17, ASTM D5621
②VPL 12-075: 폴리메타크릴레이트, SSI(Shear Stability Index)= 9, KRL, 20 hour (CEC L-45-A-99)
③VPL 12-413: 폴리메타크릴레이트, SSI(Shear Stability Index)= 68, KRL, 20 hour (CEC L-45-A-99)
(7) 기타 성분: 부식 억제제, 칼슘 분산제, 헤테로환상 밀봉 팽윤제, 소포제는 인피니움사 T4290 패키지 제품
성분(중량%) 실시예
1		 비교예
1 2 3 4
(1)윤활기유　 83.81 83.81 83.81 83.81 84.31
(2)분산제 ①Mw 1000 1.5 　1.5 　1.5
②Mw 2000 1.5
③Mw 950 1.5
(3)마찰조정제 ①숙신이미드 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6
②카복실산 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
③알킬티오이써에스터 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
④지방산아마이드 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09
(4)산화 방지제 페놀계 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
아민계 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
(5)인계 내마모제 4 4 4 4 4
(6)점도조정제 VPL 12-199 4 4 4
VPL 12-075 4
VPL 12-413 4
(7)기타 부식 억제제　 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
칼슘 분산제 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
팽윤제 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
소포제(ppm) 200 200 200 200 200
* 소포제는 제조된 윤활유 조성물에 추가로 200 ppm 첨가함.
또한, 제조된 각각의 윤활유 조성물은 널리 공지되어 있는 성능 시험방법에 의거하여 성능을 시험하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 참고로 시판중인 공장 급유 4단 자동 변속기 오일을 "대조용"으로 하여 동일한 시험을 수행하였다. 시험 결과는 하기 표 2에 나타내었다
[성능 시험 방법]
A) 동점도: 100℃에서의 동점도, ASTM D-445에 따름
B) 내피로하중성: FZG A/3.3/90, 고장 로드 단계에서의 내피로 마모도, DIN 51354-2에 따름.　
C) 안티-셔더 내구성: 클러치특성을 확인하기 위한 것으로 고장까지의 시간(hr), 다이낙스(Dynax) D512 마찰 디스크를 사용하여 JASO 방법 M-349-2001에 따름.　
D) SAE NO2 마찰특성 정마찰 계수(MERCON법): 보그 워너(Borg Warner) BW 6100 마찰 디스크를 사용하여 포드(Ford) 머콘 규정["MERCON(등록상표) Automatic Transmission Fluid for Service", 1997년 1월, Appendix 4]에 따름.
E) SAE NO2 마찰특성 정마찰 계수/마찰계수비 (JASO법): 니세키워너(NissekiWarner) NW461E 마찰 디스크를 사용하여 방법 JASO M-348-2002에 따름.
F) CEC-L-48(170℃, 192시간)에 따름.
G) 점도: -40℃에서의 브룩필드 점도, ASTM D-2983에 따름.
H) 유체저항: PCS사의 MTM(mini traction machine)으로 측정함
I) 연비(FTP 75 모드): EPA Federal Test Procedure (EPA: US Environmental Protection Agency)
성능 시험 실시예
1		 비교예 대조용
1 2 3 4
A)동점도 [cSt] 4.7 4.7 4.7 4.7 5.4 7.53
B)내피로 하중성 [stage] 13 13 13 13 13 11
C)안티-셔더 내구성 [hr] 384 400 240 384 384 168
D)정마찰 계수 [μt] 0.124 0.120 0.120 0.125 0.125 0.12

E)JASO법
 정마찰계수 0.117 0.117 0.117 0.118 0.118 0.11
마찰계수비
[μ0/μd]		 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 1
F)DKA 방법 [TAN 증가] 0.64 0.64 0.64 0.65 0.65 0.97
G)점도[cP] 4,340 8900 9500 8,850 10,000 15,600
H)연비 유체저항
(MTM)		 0.02 0.04 0.04 0.04 0.05 0.05
FTP 75 모드 3.8%
향상		 2%
향상		 2%
향상		 2%
향상		 1%
향상		 기준
상기 표 2의 시험 결과에 의하면, 본 발명에 따른 윤활유 조성물(실시예 1은 모든 성능 시험에서 대조용 윤활유보다 성능이 우수하였음을 확인할 수 있다.
이에 반하여, 비교예 1∼4의 윤활유 조성물은 유체저항(MTM)이 0.04 또는 0.05로 높게 유지되고 있고, 대조용 오일대비 연비 개선 효과가 미비함을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 3의 윤활유 조성물은 실시예 1과 비교할 때 점도조정제로서 개질되지 않은 폴리메타크릴레이트 사용한 점에 차이가 있는 조성물로, 100℃에서의 동점도가 4.7 cSt으로 실시예 1과 동일하였지만, 연비개선 효과에 있어서 실시예 1의 윤활유 조성물과는 현격한 차이를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. 윤활기유, 분산제, 마찰조정제, 산화 방지제, 인계 내마모제 및 점도조정제를 포함하는 윤활유 조성물에 있어서,
    상기 분산제는 폴리아민과 폴리아이소뷰테닐 숙신산 무수물을 반응시켜 얻은 숙신산이미드 유도체 및 숙신산아미드 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 무회 분산제를 전체 조성물 중에 0.5 ∼ 5.0 중량% 포함하고,
    상기 점도조정제는 하기 화학식 3으로 표시되는 바와 같이 알킬 측쇄 중합 가지가 결합되어 변성된 폴리메타크릴레이트계 점도조정제를 전체 조성물 중에 1 ∼ 10 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 자동변속기용 윤활유 조성물.
    [화학식 3]
    Figure 112014127220474-pat00005

    (상기 화학식 3에서, m 및 n은 서로 같거나 다른 것으로서 1 내지 10의 정수이다)
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인계 내마모제는 모노(C1∼C18알킬)포스파이트, 다이(C1∼C18알킬)포스파이트 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 자동변속기용 윤활유 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리아민은 트라이에틸렌 테트라아민, 테트라에틸렌 펜타아민 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 자동변속기용 윤활유 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리아이소뷰테닐 숙신산 무수물은 중량평균분자량이 500 ∼ 1,800인 폴리아이소뷰테닐 치환기를 가지는 숙신산 무수물인 것을 특징으로 하는 자동변속기용 윤활유 조성물.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    (1) 미국석유협회(API)의 기유 변경에 대한 규정에 따른 Ⅲ군 오일 75 ∼ 95 중량%;
    (2) 무회 분산제 0.5 ∼ 5.0 중량%;
    (3) 마찰조정제 0.05 ∼ 5.0 중량%; 및
    (4) 방향족 아민계 또는 힌더드 페놀계 산화방지제 또는 이들의 혼합물 0.05 ∼ 5.0 중량%;
    (5) 인계 내마모제 1 ∼ 10 중량%; 및
    (6) 폴리메타크릴레이트계 점도조정제 1 ∼ 10 중량%;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동변속기용 윤활유 조성물.
  8. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    100℃에서의 동점도가 4.6 ∼ 5.2 cSt 범위인 것을 특징으로 하는 자동변속기용 윤활유 조성물.
  9. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    -40℃에서 측정된 브룩필드 점도가 4,000 ∼ 10,000 cP 범위인 것을 특징으로 하는 자동변속기용 윤활유 조성물.
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