KR101581070B1 - 냉동 시스템용 폴리올 에스테르 윤활제의 제조 - Google Patents

냉동 시스템용 폴리올 에스테르 윤활제의 제조 Download PDF

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Abstract

하기 화학식 I을 갖는 네오펜틸폴리올을 산 촉매의 존재하에 하이드록실기에 대한 카복실기의 초기 몰비가 0.5:1 초과 내지 0.95:1의 범위가 되도록 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 모노카복실산과 반응시켜 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 조성물을 형성함으로써 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물이 제조된다:
화학식 I
Figure 112011054044069-pct00014

상기 식에서, R 각각은 독립적으로 CH3, C2H5 및 CH2OH로 이루어진 군으로부터 선택되고, n은 1 내지 4의 정수이다. 이어 상기 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 조성물은 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 부가적인 모노카복실산와 반응하여 최종 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물을 형성한다.

Description

냉동 시스템용 폴리올 에스테르 윤활제의 제조{PRODUCTION OF POLYOL ESTER LUBRICANTS FOR REFRIGERATION SYSTEMS}
본 발명은 폴리올 에스테르 윤활제의 제조, 및 냉동 및 공기 조절 시스템용 작동 유체에서 얻어진 폴리올 에스테르의 용도에 관한 것이다.
폴리올 에스테르(POE)는 용적형 냉동 시스템용 윤활제로서 당해 기술분야에 널리 공지되어 있다. 일반적으로 사용되고 있는 상업용 POE는 폴리올(2개 이상의 OH기를 함유한 알코올)과 하나 이상의 모노기능성 카복실산의 반응으로부터 얻어진다. 이 같은 폴리올 에스테르는 R-134a 및 관련된 분자와 같은 하이드로플루오로카본 냉매(HFC)를 이용하는 시스템에서 사용하기에 특히 적합하다. 이는 이들 극성 성질이 광유, 폴리-α-올레핀 또는 알킬화 방향족 화합물과 같은 기타 윤활제와 비교시 향상된 냉매와의 혼화성을 제공한다. 이 같은 폴리올 에스테르 윤활제의 일 예가 미국 특허 제 6,221,272 호에 개시되어 있다.
디펜타에리트리톨(DiPE)은 냉동 윤활제로서 사용하기 위한 고급의 폴리올 에스테르의 제조에서 주요한 폴리올 성분이다. 그러나 DiPE의 공급은 모노펜타에리트리톨(PE)에 대한 요구에 고도로 의존하고 있는데, 이는 DiPE가 PE 제조에서의 기능성 부산물이기 때문이다. 특정 시기에 PE에 대한 요구가 급감하게 되고, DiPE의 공급이 매우 제한적이거나 존재하지 않게 된다. 따라서 이러한 고가의 이용 불가능한 성분을 사용할 필요없이 DiPE로부터 유래한 폴리올 에스테르의 조성 및 성능을 재생하기 위한 방법을 확인할 필요성이 있다.
본 발명에 따르면, 폴리올 출발 물질로서 PE로부터 제조되었지만 DiPE로부터 유래한 폴리올 에스테르와 유사한 조성 및 특성을 갖는 폴리올 에스테르 조성물이 현재 개발되어 있다. 또한 PE와의 반응을 위해 사용된 카복실산 혼합물의 조성을 조절함으로써 동점도 값의 범위에서 에스테르 조성물을 제조하는 것이 가능하며, 이들 모두는 높은 점도 지수를 갖는다.
미국 특허 제 3,670,013 호에는 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 생성물을 제조하는 공정이 개시되어 있으며, 상기 공정은 네오펜틸 폴리올 물질, 지방족 모노카복실산 물질 및 촉매량의 산 촉매 물질을 반응 구역에 도입하여 반응 혼합물을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 네오펜틸 폴리올 물질은 구조식
Figure 112011054044069-pct00001
(여기서, R 각각은 독립적으로 CH3, C2H5 및 CH2OH로 이루어진 군으로부터 선택됨)으로 표시되는 적어도 하나의 네오펜틸 폴리올로 본질적으로 구성되며, 상기 지방족 모노카복실산 물질은 적어도 하나의 지방족 탄화수소 모노카복실산으로 본질적으로 구성되며, 상기 산 촉매 물질은 적어도 하나의 산 에스테르화 촉매로 본질적으로 구성되며, 여기서 상기 반응 혼합물 중의 상기 지방족 모노카복실산 물질의 초기 농도는 반응 혼합물 중의 하이드록실기에 대한 카복실기의 초기 몰비가 약 0.25:1 내지 약 0.5:1이 되도록 제공하는 것과 같으며, 반면 상기 반응 혼합물은 170 내지 200℃에서 확립되어 유지되고, 지방족 모노카복실산 증기 및 수증기는 상기 반응 구역에서 인출된다. 얻어진 부분 에스테르는 디펜타에리트리톨과 같은 상응하는 폴리(네오펜틸 폴리올)의 합성, 및 상응하는 완전 에스테르화 폴리(네오펜틸 폴리올)의 합성에서 중간체로서 유용한 것으로 알려져 있다.
또한 미국 특허 제 5,895,778 호에는 약 50 내지 80중량%의 폴리펜타에리트리톨 에스테르와 약 20 내지 50중량%의 폴리올 에스테르의 에스테르 혼합물을 포함하는 합성 냉각제/윤활제 조성물이 개시되어 있으며, 여기서 상기 폴리펜타에리트리톨 에스테르는 (i) 반응 혼합물 중의 하이드록실기에 대한 카복실기의 몰비가 약 0.25:1 내지 약 0.50:1의 범위가 되도록 과량의 하이드록실기 및 산 촉매의 존재하에 7 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 적어도 하나의 선형 모노카복실산과 펜타에리트리톨을 반응시켜 부분 폴리펜타에리트리톨 에스테르를 형성하는 단계; 및 (ii) 7 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 과량의 적어도 하나의 선형 모노카복실산과 부분 폴리펜타에리트리톨 에스테르를 반응시키는 단계에 의해 형성되고, 상기 폴리올 에스테르는 5 내지 8개의 탄소 원자 및 적어도 2개의 하이드록실기를 갖는 폴리올을 7 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 적어도 하나의 선형 모노카복실산과 반응시키는 단계에 의해 형성되되, 상기 선형 모노카복실산은 조성물 총 중량에 대해 블렌드 중의 에스테르(중량%)와 더불어 약 5중량% 미만의 분지형 산을 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물에 관한 것으로, 상기 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물은,
(i) 하기 화학식 I을 갖는 네오펜틸폴리올을 산 촉매의 존재하에 하이드록실기에 대한 카복실기의 초기 몰비가 0.5:1초과 내지 0.95:1의 범위가 되도록 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 적어도 하나의 모노카복실산과 반응시켜 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 조성물을 형성하는 단계; 및
(ii) 단계 (i)에서 제조된 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 조성물을 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 부가적인 모노카복실산과 반응시켜 최종 폴리(네오펜틸폴리올)에스테르 조성물을 형성하는 단계에 의해 제조된다:
화학식 I
Figure 112011054044069-pct00002
상기 식에서, R 각각은 독립적으로 CH3, C2H5 및 CH2OH로 이루어진 군으로부터 선택되고, n은 1 내지 4의 정수이다.
편의상, 하이드록실기에 대한 카복실기의 초기 몰비는 0.7:1 내지 0.85:1의 범위이다.
편의상, 상기 네오펜틸폴리올은 하기 화학식 II를 갖는다. 일 실시형태에서, 상기 네오펜틸폴리올은 펜타에리트리톨을 포함한다.
화학식 II
Figure 112011054044069-pct00003
상기 식에서, R 각각은 독립적으로 CH3, C2H5 및 CH2OH로 이루어진 군으로부터 선택된다.
편의상, 상기 적어도 하나의 모노카복실산은 5 내지 11개의 탄소 원자, 예를 들어 5 내지 10개의 탄소 원자를 갖는다. 일반적으로, 상기 적어도 하나의 모노카복실산은 n-펜탄산(n-pentanoic acid), 이소-펜탄산(iso-pentanoic acid), n-헥산산(n-hexanoic acid), n-헵탄산(n-heptanoic acid), n-옥탄산(n-octanoic acid), n-노난산(n-nonanoic acid) 및 이소-노난산(3,5,5-트리메틸헥산산)(iso-nonanoic acid(3,5,5-trimethylhexanoic acid) 중 하나 이상을 포함한다. 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 모노카복실산은 이소-노난산과 n-펜탄산 및/또는 이소-펜탄산의 혼합물, 및 선택적으로는 n-헵탄산과 n-펜탄산 및/또는 이소-펜탄산의 혼합물을 포함한다.
편의상, 단계 (ii)에서 사용된 부가적인 모노카복실산은 단계 (i)에서 사용된 상기 적어도 하나의 모노카복실산과 동일하다.
일 양태에서, 본 발명은 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물에 관한 것으로, 상기 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물은,
(i) 산 촉매의 존재하에 하이드록실기에 대한 카복실기의 초기 몰비가 0.5:1 초과 내지 0.95:1의 범위가 되도록 펜타에리트리톨을 펜탄산, 이소-노난산 및 선택적으로는 n-헵탄산을 포함하는 산 혼합물과 반응시켜 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 조성물을 형성하는 단계; 및
(ii) 단계 (i)에서 제조된 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 조성물을 상기 부가적인 양의 산 혼합물과 반응시켜 최종 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물을 형성하는 단계에 의해 제조된다.
제 1 실시형태에서, 상기 산 혼합물은 n-펜탄산, 이소-노난산 및 선택적으로는 n-헵탄산의 혼합물을 포함하되, 상기 혼합물은 이소-노난산(3,5,5-트리메틸헥산산) 1몰 당 약 2 내지 약 6몰, 바람직하게는 약 2.5 내지 약 3.5몰의 n-펜탄산 및 약 0 내지 약 3.5몰, 바람직하게는 약 2.5 내지 약 3.0몰의 n-헵탄산을 포함하고, 상기 폴리올 에스테르 조성물은 4O℃에서의 약 22cSt 내지 약 45cSt, 예를 들어 28cSt 내지 약 36cSt의 동점도를 갖는다. 전형적으로, 상기 폴리올 에스테르 조성물은 130 초과의 점도 지수를 갖는다.
제 2 실시형태에서, 상기 산 혼합물은 이소-펜탄산, n-헵탄산 및 이소-노난산의 혼합물을 포함하되, 상기 혼합물은 이소-노난산(3,5,5-트리메틸헥산산) 1몰 당 약 1.75 내지 약 2.25몰, 바람직하게는 약 1.9 내지 약 2.1몰의 이소-펜탄산 및 0.75 내지 약 1.25몰, 바람직하게는 약 0.9 내지 약 1.1몰의 n-헵탄산을 포함하며, 상기 폴리올 에스테르 조성물은 4O℃에서의 약 46cSt 내지 약 68cSt, 예를 들어 55cSt 내지 약 57cSt의 동점도를 갖는다. 전형적으로, 상기 폴리올 에스테르 조성물은 120 초과의 점도 지수를 갖는다.
제 3 실시형태에서, 상기 산 혼합물은 이소-펜탄산, 이소-노난산 및 선택적으로는 n-헵탄산의 혼합물을 포함하되, 상기 혼합물은 이소-펜탄산(2-메틸부탄산) 1몰 당 약 1 내지 약 10몰, 바람직하게는 약 3 내지 약 4몰의 이소-노난산 및 0 내지 약 1몰, 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.05몰의 n-헵탄산을 포함하며, 상기 폴리올 에스테르 조성물은 4O℃에서의 약 68cSt 내지 약 170cSt, 예를 들어 90cSt 내지 약 110cSt의 동점도를 갖는다. 전형적으로, 상기 폴리올 에스테르 조성물은 95 초과의 점도 지수를 갖는다.
또 다른 추가의 양태에서, 본 발명은 (a) 냉매 및 (b) 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물을 포함하는 작동 유체에 관한 것으로, 상기 작동 유체는,
(i) 하기 화학식 I을 갖는 네오펜틸폴리올을 산 촉매의 존재하에 하이드록실기에 대한 카복실기의 초기 몰비가 0.5:1 초과 내지 0.95:1의 범위가 되도록 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 적어도 하나의 모노카복실산과 반응시켜 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 조성물을 형성하는 단계; 및
(ii) 단계 (i)에서 제조된 부분적으로 에스테르화된 폴리(네오펜틸폴리올) 조성물을 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 부가적인 모노카복실산과 반응시켜 최종 폴리(네오펜틸폴리올)에스테르 조성물을 형성하는 단계에 의해 제조된다:
화학식 I
Figure 112011054044069-pct00004
상기 식에서, R 각각은 독립적으로 CH3, C2H5 및 CH2OH로 이루어진 군으로부터 선택되고, n은 1 내지 4의 정수이다.
편의상, 냉매는 하이드로플루오로카본, 플루오르카본 또는 이의 혼합물이다.
또 다른 추가의 양태에서, 본 발명은 (a) 모노펜타에리트리톨, (b) 디펜타에리트리톨 및 (c) 트리- 및 고급 펜타에리트리톨의 에스테르와 약 5 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 적어도 하나의 모노카복실산과의 혼합물을 포함하는 폴리올 에스테르 조성물에 관한 것이다. 여기서, 에스테르의 중량비는 모노펜타에리트리톨 에스테르가 약 55 내지 약 65% 범위, 디펜타에리트리톨 에스테르가 15 내지 25% 범위, 및 디펜타에리트리톨 에스테르는 15 내지 25% 범위가 되는 비율이며, 예를 들어 모노펜타에리트리톨 에스테르는 약 60%, 디펜타에리트리톨 에스테르는 20%, 및 트리- 및 고급 펜타에리트리톨 에스테르는 20%이 되는 비율이고, 폴리올 에스테르 조성물은 4O℃에서의 약 46cSt 내지 약 68cSt, 예를 들어 55cSt 내지 약 57cSt의 동점도를 갖는다. 전형적으로, 상기 폴리올 에스테르 조성물은 120 초과의 점도 지수를 갖는다. 편의상, 약 5 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는 상기 적어도 하나의 모노카복실산은 이소-펜탄산, n-헵탄산 및 이소-노난산의 혼합물을 포함하되, 상기 혼합물은 전형적으로 이소-노난산(3,5,5-트리메틸헥산산) 1몰 당 약 1.75 내지 약 2.25몰, 바람직하게는 약 1.9 내지 약 2.1몰의 이소-펜탄산 및 0.75 내지 약 1.25몰, 바람직하게는 약 0.9 내지 약 1.1몰의 n-헵탄산을 포함한다. 이러한 폴리올 에스테르 조성물은 하이드로플루오로카본, 플루오르카본 또는 이의 혼합물과 같은 냉매와 혼합하여 냉동 및/또는 공기 조절 시스템용 작동 유체를 형성할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 윤활제 및 비교예의 윤활제를 팔렉스 핀 및 비 블록 하중 지지 시험(Falex Pin and Vee block load carrying test)에 적용하는 경우에 수득된 게이지 하중(gauge load)의 함수로서의 토크의 그래프이다.
도 2의 (a), (b) 및 (c)는 실시예 3의 에스테르 조성물 및 상업적으로 이용 가능한 ISO 68 에스테르인 Emkarate RL 68H를 30N의 하중 및 4O℃, 8O℃ 및 12O℃의 온도 각각에서 소형 권상기(Mini Traction Machine)를 이용하여 윤활 시험에 적용하는 경우에 수득된 비말 속도(entrainment speed)에 대한 마찰의 그래프이다.
도 3의 (a), (b) 및 (c)는 실시예 3의 에스테르 조성물 및 Emkarate RL 68H를 30N의 하중, 2m/s의 평균 속도 및 4O℃, 8O℃ 및 12O℃의 온도 각각에서 소형 권상기를 이용하여 윤활 시험에 적용하는 경우에 수득된 활주/회전 비율(slide roll ratio)에 대한 마찰의 그래프이다.
제 1 산-촉매 에스테르화 및 에테르 형성 단계에서 과량의 제한된 몰의 하이드록실기가 존재하며, 부가적인 모노카복실산이 에스테르화 공정을 완료하기 위해 제 2 과정에 첨가되는 다단계 공정으로 제조된 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물이 본원에 개시된다. 모노펜타에리트리톨을 폴리올 출발 물질로 사용함으로써 펜타에리트리톨과 디펜타에리트리톨의 혼합물로부터 통상적인 수단에 의해 얻어진 폴리올 에스테르와 유사한 조성 및 특성을 갖는 최종 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물을 제조하는 것이 가능하다. 따라서 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물은 냉동 작동 유체용으로 바람직한 윤활제 또는 윤활제 베이스스톡(basestock)이다.
네오펜틸폴리올
본 발명의 폴리올 에스테르 조성물의 제조에 사용되는 네오펜틸폴리올은 하기 일반 화학식 I을 갖는다. 하나의 바람직한 실시형태에서, n은 1이고, 네오펜틸폴리올은 하기 화학식 II를 갖는다.
화학식 I
Figure 112011054044069-pct00005
상기 식에서, R 각각은 독립적으로 CH3, C2H5 및 CH2OH로 이루어진 군으로부터 선택되고, n은 1 내지 4의 정수이고,
화학식 II
Figure 112011054044069-pct00006
상기 식에서, R 각각은 상기에서 정의된 바와 같다.
적합한 네오펜틸폴리올의 비제한적인 예로는 모노펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 트리펜타에리트리톨, 테트라펜타에리트리톨, 트리메틸올프로판, 트리메틸올에탄, 네오펜틸글리콜 등을 들 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 단일 네오펜틸폴리올, 특히 모노펜타에리트리톨은 에스테르 윤활제를 제조하는데 사용되는 반면, 기타 실시형태에서는 이 같은 2개 이상의 네오펜틸폴리올이 사용된다. 예를 들어, 하나의 상업적으로 이용 가능한 등급의 모노펜타에리트리톨은 디펜타에리트리톨, 트리펜타에리트리톨, 및 가능하게는 테트라펜타에리트리톨을 소량(최대 10중량%)으로 함유하고 있다.
모노카복실산
폴리올 에스테르 조성물을 제조하는데 이용되는 적어도 하나의 모노카복실산은 약 2 내지 약 15개의 탄소 원자, 예를 들어 약 5 내지 약 11개의 탄소 원자, 예를 들어 약 5 내지 약 10개의 탄소 원자를 갖는다. 전형적으로, 산은 다음 일반 화학식을 따른다:
Figure 112011054044069-pct00007
상기 식에서, R1은 C4 내지 C10 알킬기, 예를 들어 C4 내지 C9 알킬기와 같은 C1 내지 C14 알킬, 아릴, 아르알킬 또는 알크아릴기이다. 알킬 쇄인 R1은 점도, 점도 지수, 및 얻어진 윤활제와 냉매의 혼화성 정도에 대한 요건에 따라 분지형 또는 선형일 수 있다. 사실상, 최종 윤활제에서 최적의 특성을 달성하기 위해 상이한 1가 염기성 산의 블렌드를 이용하는 것이 가능하다.
본원에서 사용하기에 적합한 모노카복실산으로는 아세트산, 프로피온산, 부탄산, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 노난산, 데칸산, 운데칸산, 도데칸산, 트리데칸산, 테트라데칸산, 펜타데칸산, 3-메틸부탄산, 2-메틸부탄산, 2-에틸헥산산, 2,4-디메틸펜탄산, 3,3,5-트리메틸헥산산 및 벤조산을 들 수 있다.
일반적으로, 적어도 하나의 모노카복실산은 n-펜탄산, 이소-펜탄산, n-헥산산, n-헵탄산, n-옥탄산, n-노난산 및 이소-노난산(3,5,5-트리메틸헥산산) 중 하나 이상을 포함한다.
제 1 실시형태에서, 적어도 하나의 모노카복실산은 n-펜탄산 및 이소-노난산과 선택적으로는 n-헵탄산과의 혼합물을 포함하며, 여기서 상기 혼합물은 이소-노난산 1몰 당 약 2 내지 약 6몰, 바람직하게는 약 2.5 내지 약 3.5몰 및 가장 바람직하게는 2.84몰의 n-펜탄산, 및 약 0 내지 약 3.5몰, 바람직하게는 약 2.5 내지 약 3.0몰 및 가장 바람직하게는 2.67몰의 n-헵탄산을 포함한다.
제 2 실시형태에서, 적어도 하나의 모노카복실산은 이소-펜탄산, n-헵탄산 및 이소-노난산의 혼합물을 포함하며, 여기서 상기 혼합물은 이소-노난산(3,5,5-트리메틸헥산산) 1몰 당 약 1.75 내지 약 2.25몰, 바람직하게는 약 1.9 내지 약 2.1몰 및 가장 바람직하게는 약 2몰의 이소-펜탄산, 및 약 0.75 내지 약 1.25몰, 바람직하게는 약 0.9 내지 약 1.1몰 및 가장 바람직하게는 약 1몰의 n-헵탄산을 포함한다.
제 3 실시형태에서, 적어도 하나의 모노카복실산은 이소-펜탄산 및 이소-노난산과 선택적으로는 헵탄산과의 혼합물을 포함하며, 여기서 상기 혼합물은 이소-펜탄산 1몰 당 약 1 내지 약 10몰, 바람직하게는 약 3 내지 약 4몰 및 가장 바람직하게는 3.7몰의 이소-노난산, 및 0 내지 약 1몰, 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.05몰 및 가장 바람직하게는 약 0.013몰의 n-헵탄산을 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "이소-펜탄산"이란 용어는 이러한 명칭으로 이용 가능하며 실제로 약 34%의 2-메틸부탄산과 66%의 n-펜탄산의 혼합물인 산업용 화학제품을 지칭한다.
폴리 ( 네오펜틸폴리올 ) 에스테르 조성물의 제조
본 발명의 작동 유체에 사용되는 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르 조성물은 다단계 공정으로 형성된다.
제 1 단계에서, 상술한 바와 같은 네오펜틸폴리올, 및 C2 내지 C15 모노카복실산 또는 산 혼합물을 반응 용기에 충전하여, 하이드록실기에 대한 카복실기의 몰비가 0.5:1 초과 내지 0.95:1의 범위, 전형적으로는 0.7:1 내지 0.85:1의 범위가 되도록 한다. 전형적으로 강산 촉매인 적어도 하나의 산 에스테르화 촉매가 반응 용기에 충전되며, 이때 상기 촉매는 1 미만의 pKa를 갖는 산이다. 적합한 산 에스테르화 촉매의 예로는 무기 산, 바람직하게는, 황산, 염산 등; 예를 들어 이황산나트륨, 중아황산나트륨과 같은 산 염; 및 예를 들어 벤젠설폰산, 톨루엔설폰산, 폴리스티렌 설폰산, 메틸설폰산, 에틸설폰산과 같은 설폰산을 들 수 있다.
이어, 반응 혼합물을 약 15O℃ 내지 약 25O℃의 온도, 전형적으로는 약 17O℃ 내지 약 200℃의 온도까지 가열하고, 반면에 산 증기 및 수증기는 일반적으로 진공원(vacuum source)의 적용에 의해 반응 용기로부터 연속적으로 제거된다. 이러한 반응 단계에서 제거되는 물을 제외한 카복실산은 반응기로 되돌아가게 되며, 반응은 반응 혼합물에서 목적하는 양의 물이 제거될 때까지 계속된다. 이는 실험에 의해 결정될 수 있거나, 예상된 반응수(water of reaction)를 산정함으로써 추정될 수 있다. 출발 물질인 네오펜틸폴리올가 펜타에리트리톨인 시점에는 혼합물은 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 트리펜타에리트리톨, 테트라펜타에리트리톨 및 고급 올리고머성/중합체성 폴리네오펜틸폴리올의 부분 에스테르를 포함한다. 선택적으로는, 산 촉매는 제 1 반응 단계의 말기에 알칼리로 중화될 수 있다.
부분 에스테르의 에스테르화를 완료하기 위해, 과량의 C2 내지 C15 모노카복실산 또는 산 혼합물, 또는 산 혼합물 및 선택적으로는 에스테르화 촉매가 반응 혼합물에 첨가된다. 부가적인 산은 초기 단계에 사용된 동일하거나 상이한 C2 내지 C15 모노카복실산 또는 산 혼합물일 수 있거나, 일반적으로는 하이드록실기에 대해 과량인 10 내지 25%의 카복실기를 제공하기 위한 양으로 첨가된다. 이어 반응 혼합물은 약 200℃ 내지 약 26O℃의 온도, 전형적으로는 약 23O℃ 내지 약 245℃의 온도까지 가열되고, 이때 반응수는 반응 용기로부터 제거되며, 산은 반응기로 되돌아가게 된다. 진공 상태를 이용하는 경우 반응이 촉진될 것이다. 수산기가(하이드록실가)가 충분히 낮은 수준, 전형적으로는 1.0mg KOH/g 미만까지 감소하게 되는 경우, 과량의 산의 부피는 진공 증류에 의해 제거된다. 임의의 산 잔류물은 알칼리에 의해 중화되며, 얻어진 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르는 회수되어 건조된다.
얻어진 에스테르는 추가의 정제 없이 사용될 수 있으며, 증류, 산 미량물질을 제거하기 위한 제산제에 의한 처치, 습도를 제거하기 위한 제습제에 의한 처치 및/또는 투명도를 향상시키기 위한 여과와 같은 통상적인 기법을 이용하여 정제될 수 있다.
폴리 ( 네오펜틸폴리올 ) 에스테르 조성물의 조성 및 특성
폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르의 조성물은 에스테르를 제조하기 위해 사용된 특정 네오펜틸폴리올 및 모노카복실산에 의존할 것이다. 그러나 네오펜틸폴리올이 펜타에리트리톨인 경우, 에스테르는 전형적으로 통상적인 공정에 의해 모노펜타에리트리톨과 디펜타에리트리톨의 혼합물로부터 제조된 등가의 에스테르의 조성 및 특정을 가질 것이다.
따라서 네오펜틸폴리올이 펜타에리트리톨이고 카복실산이 상술한 제 1 실시형태에 따른 n-펜탄산, 이소-노난산 및 선택적으로는 n-헵탄산의 혼합물인 경우, 약 22cSt 내지 약 45cSt, 예를 들어 약 28cSt 내지 약 36cSt의 4O℃에서의 동점도, 및 130 초과의 점도 지수를 갖는 폴리올 에스테르를 제조하는 것이 가능하다.
대안적으로, 네오펜틸폴리올이 펜타에리트리톨이고 카복실산이 상술한 제 2 실시형태에 따른 이소-펜탄산, n-헵탄산 및 이소-노난산의 혼합물인 경우, 약 46cSt 내지 약 68cSt, 예를 들어 50cSt 내지 약 60cSt의 4O℃에서의 동점도, 및 120 초과의 점도 지수를 갖는 폴리올 에스테르를 제조하는 것이 가능하다. 또한 본 실시형태의 폴리(네오펜틸폴리올) 에스테르는 겔 여과 크로마토그래피에 의해 결정된 조성물이 (a) 모노펜타에리트리톨, (b) 디펜타에리트리톨 및 (c) 트리- 및 고급 펜타에리트리톨의 에스테르 혼합물을 포함한다는 점에서 신규한 조성을 갖는 것으로 여겨진다. 여기서, 에스테르의 중량비는 모노펜타에리트리톨 에스테르가 약 55 내지 약 65%, 예를 들어 60%, 디펜타에리트리톨 에스테르가 15 내지 25%, 예를 들어 20%, 및 트리- 및 고급 펜타에리트리톨 에스테르가 15 내지 25%, 예를 들어 20%가 되는 비율이다.
또한 네오펜틸폴리올이 펜타에리트리톨이고 카복실산인 상술한 제 3 실시형태에 따른 이소-펜탄산, 이소-노난산 및 선택적으로는 n-헵탄산의 혼합물인 경우, 약 68cSt 내지 약 170cSt, 예를 들어 90cSt 내지 약 110cSt의 4O℃에서의 동점도, 및 95 초과의 점도 지수를 갖는 폴리올 에스테르를 제조하는 것이 가능하다.
본원에서 보고된 4O℃ 및 100℃에서의 동점도에 대한 값은 ASTM D 2270 방법에 따라 결정된다.
폴리 ( 네오펜틸폴리올 ) 에스테르 조성물의 용도
본 발명의 폴리올 에스테르는 특히 냉동 및 공기 조절 시스템용 작동 유체에 윤활제로서 사용하기 위해 의도된 것으로, 상기 에스테르는 하이드로플루오로카본 또는 플루오르카본과 같은 열전달 유체, 일반적으로는 플루오로 함유 유기 화합물; 2개 이상의 하이드로플루오로카본 또는 플루오르카본의 혼합물; 또는 탄화수소와 함께 임의의 선행 화합물과 조합된다. 적합한 플루오르카본 및 하이드로플루오로카본 화합물의 비제한적인 예로는 4염화탄소(R-14), 디플루오로메탄(R-32), 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(R-134a), 1,1,2,2-테트라플루오로에탄(R-134), 펜타플루오로에탄(R-125), 1,1,1-트리플루오로에탄(R-143a) 및 테트라플루오로프로펜(R-1234yf)을 들 수 있다. 하이드로플루오로카본, 플루오르카본 및/또는 탄화수소 화합물의 비제한적인 예로는 R-404A(1,1,1-트리플루오로에탄, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 펜타플루오로에탄의 혼합물), R-410A(50중량%의 디플루오로메탄과 50중량%의 펜타플루오로에탄의 혼합물), R-410B(45중량%의 디플루오로메탄과 55중량%의 펜타플루오로에탄의 혼합물), R-417A(1,1,1,2-테트라플루오로에탄, 펜타플루오로에탄 및 n-부탄의 혼합물), R-422D(1,1,1,2-테트라플루오로에탄, 펜타플루오로에탄 및 이소-부탄의 혼합물), R-427A(디플루오로메탄, 펜타플루오로에탄, 1,1,1-트리플루오로에탄 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄의 혼합물) 및 R-507(펜타플루오로에탄과 1,1,1-트리플루오로에탄의 혼합물)을 들 수 있다.
또한 본 발명의 폴리올 에스테르는 R-22 (클로로디플루오로메탄), 디메틸에테르와 같은 비-HFC 냉매, 또는 이소-부탄, 이산화탄소 및 암모니아와 같은 탄화수소 냉매와 함께 사용될 수 있다. 기타 유용한 포괄적인 냉매 목록은 유럽 공개 특허 공보 제 EP 1985681 A 호에서 찾아볼 수 있으며, 이는 본원에서 전체가 참고로 인용된다.
기유(base oil)로서 상술한 폴리올 에스테르를 함유하는 작동 유체는 폴리-α-올레핀, 알킬벤젠, 상술한 에스테르를 제외한 에스테르, 폴리에테르, 폴리비닐 에테르, 퍼플루오로폴리에테르, 인산 에스테르, 및/또는 이들의 혼합물과 같은 광유 및/또는 합성유를 추가로 포함할 수 있다.
또한 작동 유체에 항산화제, 극압 첨가제, 내마모 첨가제, 마모 감소 첨가제, 소포제, 발포 촉진제(profoaming agent), 금속 불활성화제, 제산제 등과 같은 통상적인 윤활 첨가제를 첨가하는 것이 가능하다.
사용 가능한 항산화제의 예로는 2,6-디-t-부틸-4-메틸페놀 및 4,4'-메틸렌비스(2,6-디-t-부틸페놀)과 같은 페놀성 항산화제; p,p-디옥틸페닐아민, 모노옥틸디페닐아민, 페노티아진, 3,7-디옥틸페노티아진, 페닐-1-나프틸아민, 페닐-2-나프틸아민, 알킬페닐-1-나프틸아민 및 알킬페닐-2 -나프틸아민과 같은 아민 항산화제; 알킬 디설파이드, 티오디프로피온산 에스테르 및 벤조티아졸과 같은 황 함유 항산화제; 및 아연 디알킬 디티오포스페이트 및 아연 디아릴 디티오포스페이트를 들 수 있다.
사용 가능한 극압 첨가제, 내마모 첨가제 및 마모 감소 첨가제의 예로는 아연 디알킬 디티오포스페이트 및 아연 디아릴 디티오포스페이트와 같은 아연 화합물; 티오디프로피온산 에스테르, 디알킬 설파이드, 디벤질 설파이드, 디알킬 폴리설파이드, 알킬메르캅탄, 디벤조티오펜 및 2,2'-디티오비스(벤조티아졸)와 같은 황 화합물; 디알킬디메르캅토티아디아졸 및 메틸렌비스(N,N-디알킬디티오카바메이트)와 같은 황/질소 무회분 내마모 첨가제; 트리아릴 포스페이트, 예를 들어 트리크레실 포스페이트 및 트리알킬 포스페이트와 같은 인 화합물; 디알킬 또는 디아릴 포스페이트; 트리알킬 또는 트리아릴 포스파이트; 디메틸인산 에스테르의 도데실아민 염과 같은 알킬 및 디알킬인산 에스테르의 아민 염; 디알킬 또는 디아릴 포스파이트; 모노알킬 또는 모노아릴 포스파이트; 퍼플루오로 알킬 폴리에테르, 트리플루오로클로로에틸렌 중합체 및 흑연 플루오라이드와 같은 불소 화합물; 지방산 변형 실리콘과 같은 실리콘 화합물; 몰리브덴 디설파이드, 흑연 등을 들 수 있다. 유기 마찰 개질제의 예로는 장쇄 지방산 아민 및 글리세롤 에스테르를 들 수 있다.
이용 가능한 소포제 및 발포 촉진제의 예로는 디메틸폴리실록산과 같은 실리콘유, 및 디에틸 실리케이트와 같은 오가노실리케이트를 들 수 있다. 이용 가능한 금속 불활성화제의 예로는 벤조트리아졸, 톨일트리아졸, 알리자린, 퀴니자린 및 메르캅토벤조티아졸을 들 수 있다. 또한 페닐 글리시딜 에테르, 알킬 글리시딜 에테르, 알킬글리시딜 에스테르, 에폭시스테아르산 에스테르 및 에폭시화 식물유와 같은 에폭시 화합물, 오르가노틴 화합물 및 붕소 화합물이 제산제 또는 안정제로서 첨가될 수 있다.
제습제의 예로는 트리메틸오르토포르메이트 및 트리에틸오르토포르메이트와 같은 트리알킬오르토포르메이트, 1,3-디옥사사이클로펜탄과 같은 케탈, 및 2,2-디알킬옥사졸리딘과 같은 아미노 케탈을 들 수 있다.
본 발명의 에스테르 및 냉매를 포함하는 작동 유체는 매우 다양한 냉동 및 열에너지 전달 응용분야에서 사용될 수 있다. 예로는 소형의 창문형 공기 조절기, 중앙 집중식 가정형 공기 조절 장치에서부터 공장, 사무실 건물, 아파트 단지 및 창고용 경공업 공기 조절기 및 중공업 공기 조절기에 이르는 모든 범위의 공기 조절 분야를 들 수 있다. 냉동 응용분야로는 가정용 냉장고, 냉동고, 수냉식 냉각기 및 얼음 제조기와 같은 소형의 가정용 응용분야에서부터 대형 냉동 창고 및 아이스 스케이트장에 이르는 응용 분야를 들 수 있다. 케스케이드형 식료품점 냉장 및 냉동 시스템도 또한 산업용 응용분야에 포함될 수 있다. 열에너지 전달 응용분야로는 가정 난방용 열 펌프 및 온수기를 들 수 있다. 수송 관련 응용분야로는 자동차 및 트럭 공기 조절, 및 해상 및 철도 선박용 냉동 컨테이너뿐만 아니라 냉동 세미-트레일러용 공기 조절 응용분야를 들 수 있다.
상기 응용분야에 유용한 압축기의 유형은 용적형 압축기 및 터보형 압축기와 같이 크게 2개의 범주로 분류될 수 있다. 용적형 압축기는 압축기 메커니즘에 적용되는 작업을 통해 압축 챔버의 부피를 감소시킴으로써 냉매 증기압을 증가시킨다. 용적형 압축기로는 피스톤식 압축기, 회전식 압축기(회전 피스톤, 회전 날개, 단축형, 이축형), 및 궤도형 압축기(스크롤 또는 트로코이드(trochoid)형)와 같이 현재 사용되고 있는 다양한 유형의 압축기를 들 수 있다. 터보형 압축기는 운동 에너지를 회전 부재로부터 증기로 연속적으로 전달한 후, 이러한 운동 에너지를 압력 상승으로 전환함으로써 냉매 증기압을 증가시킨다. 이러한 원리에 기초하여 원심분리형 압축기가 작동한다. 냉동 응용을 위한 이들 압축기의 설계 및 기능에 대한 세부사항은 문헌[2008 ASHRAE Handbook, HVAC systems and Equipment, Chapter 37]에서 찾아볼 수 있으며, 이들 내용은 본원에서 전체가 참고로 포함되어 있다.
본 발명은 하기 실시예를 참고하여 보다 구체적으로 개시될 것이다.
실시예에서, 폴리올 에스테르 조성물의 "산가"란 용어는 조성물 중의 미반응 산의 양을 지칭하며, 조성물 1g 중의 미반응 산을 중화시키기 위해 요구되는 수산화칼륨의 양(mg)으로서 보고되어 있다. 산가는 ASTM D 974에 의해 측정된다.
실시예에서, 유동점 값은 ASTM D 97에 따라 결정되었으며, 인화점 값은 ASTM D 92에 따라 결정되었다.
실시예 1
반응기에는 기계식 교반기, 열전대, 온도 조절기, 딘스타크 트랩(Dean Stark trap), 응축기, 질소 살포기 및 진공원이 구비되어 있다. 표 1에 표시된 몰비 및 약 0.70:1의 산:하이드록실 몰비를 제공하기 위한 양으로 펜타에리트리톨, 및 n-펜탄산, n-헵탄산 및 3,5,5-트리메틸헥산산의 혼합물을 반응기에 충전하였다. 미국 특허 제 3,670,013 호에서 Leibfried에 의해 개시된 바와 같은 강산 촉매를 초기 충전물에 첨가하였다.
혼합물은 약 17O℃의 온도까지 가열하였으며, 반응수를 제거하고 트랩에 수집하였다. 환류액을 수득하기 위한 온도에서 진공을 가하여, 물을 제거하고 트랩에 수집된 산을 반응기로 되돌려 보냈다. 진공 하에서 온도는 17O℃로 유지하였으며, 목적하는 양의 물을 수집하였다. 이렇게 수집된 물의 양은 부분적으로 에스테르화된 펜타에리트리톨의 농축(에테르 형성)으로 인한 물과 함께 에스테르화에 의한 이론적인 물의 양을 포함하였다. 이때 반응 혼합물은 주로 펜타에리트리톨 및 디펜타에리트리톨의 부분 에스테르로 이루어져 있었으며, 트리펜타에리트리톨 및 테트라펜타에리트리톨이 소량으로 존재하였다.
부분적으로 에스테르화된 생성물을 약 134℃까지 냉각시킨 이후, 임의의 유리 하이드록실기와 반응하기에 충분한 양의 펜탄산, 헵탄산 및 3,5,5-트리메틸헥산산을 제 1 단계에서 사용된 강산 촉매를 중화시키기에 충분한 양의 알칼리와 함께 충전하였다. 이어 반응 혼합물의 온도를 24O℃까지 승온시키기 위해 열을 가하였으며, 그 이후에 혼합물을 약 8시간 동안 상기 온도에서 유지하였으며, 하이드록실가가 6.4mg KOH/g이 될 때까지 반응수를 수집하였다.
이어 반응 혼합물을 추가의 약 3시간 시간 동안 24O℃에서 방치하였으며, 진공을 적용하여 과량의 산을 상방으로 제거하였다. 산가가 1.0mg KOH/g 미만인 경우, 혼합물을 8O℃까지 냉각시키고, 산 잔류물을 알칼리로 중화시켰다. 폴리에스테르 생성물의 4O℃에서의 점도는 30cSt이고, 100℃에서의 점도는 5.7cSt이었다. 상기 생성물의 기타 물성은 표 1에 제공되어 있다.
비교예 1
폴리올 에스테르는 통상적인 공정을 이용하여 공업용 등급(technical grade)의 펜타에리트리톨 (90중량%의 펜타에리트리톨 및 10중량%의 디펜타에리트리톨)과 디펜타에리트리톨의 조합물과 n-펜탄산, n-헵탄산 및 3,5,5-트리메틸헥산산의 혼합물의 반응에 의해 제조된다. 기계식 교반기, 열전대, 온도 조절기, 딘스타크 트랩, 응축기, 질소 살포기 및 진공원이 구비된 반응기에는 하이드록실기에 대해 과량의 산 기(약 15몰%)가 존재하도록 표 1에 도시된 비율로 폴리올 및 산 혼합물을 충전하였다. 반응 혼합물을 240℃까지 가열하고, 상기 온도에서 방치하였으며, 이때 반응수가 딘스타크 트랩을 통해 제거되고 산이 반응기로 되돌아갔다. 240℃에서의 가열은 하이드록실가가 2.5mg KOH/g 미만까지 떨어질 때까지 계속되었다. 이어 반응물을 24O℃에서 추가의 3시간 동안 방치하였으며, 진공을 가하여 과량의 산을 상방으로 제거하였다. 산가가 1.0mg KOH/g 미만인 경우, 혼합물을 8O℃까지 냉각시키고, 산 잔류물을 알칼리로 중화시켰다. 폴리에스테르 생성물의 4O℃에서의 점도는 30.1cSt이고, 100℃에서의 점도는 5.7cSt이었다. 상기 생성물의 기타 물성은 표 1에 제공되어 있다.
실시예 1 및 비교예 1의 에스테르를 상술한 바와 같은 핀-온-비 블록 시험(Pin-on-Vee Block Test, ASTM D 3233 방법B)을 통해 비교하였으며, 그 결과는 또한 표 1에 나타나 있다.
이러한 핀-온-비 블록 시험에서는 윤활제의 극압 하중 지지 성능이 측정된다. 브라스 전단 핀(brass shear pin)에 의해 적소에 유지되는 강철 저널(steel journal)을 2개의 정지 V-블록에 대해 회전시켜 4선 접점을 제공하였다. 시편 및 이들의 지지부(supporting jaws)를 오일 윤활제용 오일 샘플 컵에 담갔다. 상기 저널을 250rpm으로 구동시키고, 너트크래커(nutcracker) 작동 레버암 및 스프링 게이지를 통해 V-블록에 하중을 가한다. 하중이 작용하고, 톱니바퀴 메커니즘에 의해 시험 도중에 연속적으로 증가한다. 브라스 전단 핀이 마모되거나 시험 핀이 파손될 때까지 하중 톱니바퀴 메커니즘에 의해 하중이 증가한다. 팔렉스 윤활 시험기(Falex lubricant tester)에 부착된 게이지로부터 토크를 파운드 단위로 기록한다.
Figure 112011054044069-pct00008
비교예 1A 내지 1C
비교예 1A에서는 펜타에리트리톨과 디펜타에리트리톨의 혼합물이 모노펜타에리트리톨 단독으로 치환되고 비교예 1B에서는 공업용 펜타에리트리톨 단독(90중량%의 PE 및 10중량%의 diPE)으로 치환되었다는 것을 제외하고는 비교예 1의 공정을 반복하였다. 비교예 1C에서는 펜타에리트리톨과 디펜타에리트리톨의 혼합물이 모노-펜타에리트리톨 단독, 및 3,5,5-트리메틸헥산산을 표 1에 사용된 약 15중량% 대신에 약 35중량%로 함유하는 n-펜탄산, n-헵탄산 및 3,5,5-트리메틸헥산산의 혼합물로 치환된다는 것을 제외하고는 비교예 1의 공정을 반복하였다. 그 결과는 표 2에 요약되어 있다.
Figure 112011054044069-pct00009
표 1 및 표 2로부터 비교예 1의 통상적인 공정을 이용하여 32cSt의 40℃에서의 동점도 및 130 초과의 점도 지수(VI)를 갖는 폴리에스테르를 제조하기 위해서는 디펜타에리트리톨이 요구된다는 것을 알 수 있다. 또한 모노펜타에리트리톨(PE)을 n-C5, n-C7 및 이소-C9 산의 혼합물과 반응시키고, 산 조성물을 추가의 이소-C9로 변경함으로써 ISO 32 폴리에스테르를 제조하는 것이 가능할 지라도(비교예 1C), 얻어진 생성물을 단지 125의 VI를 갖는 것으로 나타날 것이다.
실시예 2
산 혼합물이 표 3에 표시된 몰비에서 약 0.70:1의 산:하이드록실 몰비를 제공하기 위한 양으로 이소-펜탄산(상술한 바와 같음), n-헵탄산 및 3,5,5-트리메틸헥산산을 포함한다는 것을 제외하고는 실시예 1의 공정을 반복하였다. 폴리에스테르 생성물의 4O℃에서의 점도는 100.7cSt이고, 100℃에서의 점도는 11.25cSt이었다. 상기 생성물의 물성은 표 3에 제공되어 있다. 겔 여과 크로마토그래피에 의한 생성물의 조성 분석에 따르면, 모노펜타에리트리톨 에스테르, 디펜타에리트리톨 에스테르 및 폴리펜타에리트리톨 에스테르는 혼합물에 약 76:16:8의 중량비로 존재하는 것으로 나타났다.
비교예 2
산 혼합물이 표 3에 표시된 몰비에서 하이드록실기에 대해 과량의 산(약 15몰%)을 제공하기 위한 양으로 이소-펜탄산(표 3에서 규정한 바와 같음), n-헵탄산 및 3,5,5-트리메틸헥산산을 포함한다는 것을 제외하고는 비교예 1의 공정을 반복하였다. 최종 폴리에스테르 생성물의 4O℃에서의 점도는 93.7cSt이고, 100℃에서의 점도는 11.0cSt이었다. 상기 생성물의 물성은 표 3에 제공되어 있다.
실시예 2 및 비교예 2의 에스테르는 상술한 바와 같은 핀-온-비 블록 시험(ASTM D 3233 방법B)을 통해 비교하였으며, 그 결과는 표 3에 나타나 있다.
경계선 윤활 조건 하에서의 실시예 2 및 비교예 2의 에스테르의 마모 방지 특성은 ASTM D 4172 사구식 마모 시험(4-Ball Wear Test)을 이용하여 비교하였다. 그 결과는 표 3에 나타나 있다.
실시예 2 및 비교예 2의 에스테르의 열적 안정성은 ASHRAE 97 밀봉 튜브 시험을 이용하여 평가하였다. 이 시험에서 윤활제 및 냉매(각 0.7ml)를 강철, 구리 및 알루미늄 쿠폰과 함께 벽이 두꺼운 유리관에 넣는다. 알루미늄 쿠폰을 강철과 구리 사이에 위치시킨다. (적정량의 냉매가 저온에서 유리관 내로 응축된 후) 유리관을 진공하에 밀봉하고, 유리관을 175℃에서 14일 동안 가열한다. 시험이 끝날 무렵, 쿠폰의 임의의 착색 및 부식에 대해 평가하고, 에스테르의 산으로의 분해에 대해 평가하기 위해 윤활제를 기체 크로마토그래피로 측정한다. 그 결과는 표 3에 나타나 있다.
실시예 2 및 비교예 2의 에스테르의 가수분해 안정성은 120℃에서의 가속 열 노화(accelerated heat aging)에 의해 평가되었다. 먼저, 100g의 윤활제 분취량 중의 수분 함량을 물을 800±20ppm으로 함유하도록 조절하고, 금속 뚜껑이 있는 4온스 유리 항아리에 넣는다. 이어 50g의 분취량을 2온스 유리 항아리에 넣은 후, 유리 항아리는 주석 호일로 덮고, 금속 뚜껑을 이용하여 단단히 밀봉한다. 4온스 유리 항아리에 잔류하는 샘플은 추후의 분석의 위해 보관한다. 이어 2온스 유리 항아리를 오븐에 넣고 120℃에서 7일 동안 방치한다. 샘플을 실온까지 냉각시킨다. 열 노화 샘플 및 실온 샘플 둘 모두의 산가는 이소프로판올을 이용하여 페놀프탈레인 종점으로 적정함으로써 측정한다. 열 노화 샘플과 실온 샘플 사이의 산가의 차이는 가수분해 안정성에 대해 보고된 산가로서 받아들여진다.
Figure 112011054044069-pct00010
실시예 3
산 혼합물이 약 0.70:1의 산:하이드록실 몰비를 제공하기 위한 양으로 50몰%의 이소-펜탄산(상술한 바와 같음), 25몰%의 n-헵탄산 및 25몰%의 3,5,5-트리메틸헥산산을 포함한다는 것을 제외하고는 실시예 1의 공정을 반복하였다. 폴리에스테르 생성물의 4O℃에서의 점도는 55cSt이고, 100℃에서의 점도는 8.36cSt이었다. 겔 여과 크로마토그래피에 의한 상기 생성물의 조성 분석에 따르면, 모노펜타에리트리톨 에스테르, 디펜타에리트리톨 에스테르 및 폴리펜타에리트리톨 에스테르은 혼합물에서 약 60:20:20의 중량비로 존재하는 것으로 나타났다.
비교예 3
비교예 3은 Emkarate RL 68H의 상표명으로 CPI Engineering Services로부터 상업적으로 이용 가능한 통상의 프리미엄 ISO 68 폴리올 에스테르 냉동 윤활제이다. Emkarate RL 68H는 모노펜타에리트리톨 및 디펜타에리트리톨과 발레르산, n-헵탄산 및 3,5,5-트리메틸헥산산의 몰비가 약 1:1인 반응 산물이다.
표 4에서는 실시예 3의 물성과 비교예 3의 물성이 비교되어 있다.
Figure 112011054044069-pct00011
실시예 3 생성물은 비교예 3의 물질과 비교시에 냉매 R-134a와의 유사하거나 향상된 혼화성을 나타내며, 특히 30부피% 농축시에 냉매 R-410A와의 향상된 혼화성을 나타낸다는 것을 표 4로부터 알 수 있을 것이다.
실시예 3의 생성물의 윤활성은 PCS Instruments에 의해 제공된 소형 권상기(MTM)를 이용하여 4O℃, 8O℃ 및 12O℃의 온도에서 비교예 3의 생성물의 윤활성과 비교하였다. 이러한 MTM 시험에서는 디스크상의 회전볼에 대한 기하학(rotating ball-on-disk geometry)을 이용하는 2종의 다른 기법에 의해 윤활제의 윤활/마찰 특성이 측정된다.
제 1 작동 모드에서, 윤활제의 윤활성은 완전 유체 필름 조건(유체 역학적 윤활 조건) 하에서 측정된다. 볼 및 디스크의 속도는 50%의 활주/회전 비율로 동시에 증가하고, 마찰 계수는 일정한 하중 및 온도에서의 비말 속도의 함수로서 측정된다(스트리백(Stribeck) 곡선). 이는, 디스크의 속도가 증가함에 따라 볼은 항상 회전 디스크의 50%의 속도로 이동한다는 것을 의미한다. 디스크 및 볼의 속도가 증가함에 따라 윤활제가 금속-금속 접점의 일 측면으로 이동하기 때문에 회전/활주 접점의 전면에서 압력이 증가하게 된다. 일부 시점에서 속도가 충분히 빨라지게 되고, 압력은 볼과 디스크 접점 사이에서의 윤활제 비말을 초래하기에 충분하게 된다. 이러한 시점에 시스템은 유체 역학적 윤활 상태가 되지만, 이는 볼과 디스크 사이의 필름의 온전성(integrity)에 의해 윤활 상태가 제어된다는 것을 의미한다. 높은 비말 속도에서 마찰 계수가 낮다는 것은 윤활제가 보다 양호한 윤활 성능을 갖는다는 것을 나타낸다.
제 2 작동 모드에서, 윤활성은 윤활 영역(경계선, 혼합 필름, 유체 탄성 역학적 및 유체 역학적 영역)의 전체 범위에 대해 측정된다. 이러한 시험에서, 마찰 계수는 일정한 하중 및 온도에서 다양한 활주/회전 비율(예를 들어, 볼 및 디스크가 서로에 대해 상이한 속도로 회전하는 경우)로 측정된다(견인(Traction) 곡선).
작동 모드 둘 모두에 있어서, 전형적으로 몇몇 상이한 고정 온도(본 시험의 경우 40℃, 80℃ 및 120℃) 및 30N의 하중 조건에서 상기 시험을 수행하였다. 마찰 계수는 윤활제의 윤활성의 직접적인 측정치이다. 즉, 마찰 계수가 낮을수록 윤활제의 윤활성은 높아진다. 이러함 시험에서 등가량의 ISO 점도 등급의 윤활제를 비교하는 것이 유의하다는 것을 언급하는 것이 중요하다.
상기 결과는 도 2 및 도 3에 도시되어 있으며, 실시예 3의 생성물은 낮은 점도에도 불구하고 Emkarate RL 68H 물질의 윤활성 및 하중 지지 특성을 초과하는 윤활성 및 하중 지지 특성을 나타내는 것으로 나타나 있다.
본 발명은 특정 실시형태를 참고하여 도시되고 예시되었을지라도, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명 자체는 본원에서 필수적으로 예시되지 않은 변형예에 적용되는 것으로 인지할 것이다. 이어, 이러한 목적을 위해 본 발명의 실제 범주에서 벗어나지 않는 한, 첨부된 특허청구범위만이 인용되어야 한다.

Claims (19)

  1. 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물에 있어서,
    (i) 하기 화학식 I을 갖는 네오펜틸폴리올을 산 촉매의 존재하에 하이드록실기에 대한 카복실기의 초기 몰비가 0.5:1 초과 내지 0.95:1의 범위가 되도록 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 모노카복실산과 반응시켜 부분적으로 에스테르화된 폴리네오펜틸폴리올 조성물을 형성하는 단계; 및
    (ii) 단계 (i)에서 제조된 부분적으로 에스테르화된 폴리네오펜틸폴리올 조성물을 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 부가적인 모노카복실산과 반응시켜 최종 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물을 형성하는 단계에 의해 제조된 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물:
    화학식 I
    Figure 112015064529567-pct00012

    상기 식에서, R 각각은 독립적으로 CH3, C2H5 및 CH2OH로 이루어진 군으로부터 선택되고, n은 1 내지 4의 정수이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하이드록실기에 대한 카복실기의 초기 몰비 0.7:1 내지 0.85:1인 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 네오펜틸폴리올은 하기 화학식 II를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물:
    화학식 II
    Figure 112015064529567-pct00013

    상기 식에서, R 각각은 독립적으로 CH3, C2H5 및 CH2OH로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 네오펜틸폴리올은 펜타에리트리톨을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (ii)에서 사용된 부가적인 모노카복실산은 상기 단계 (i)에서 사용된 적어도 하나의 모노카복실산과 동일한 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모노카복실산은 5 내지 11개의 탄소 원자를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모노카복실산은 n-펜탄산, 이소-펜탄산, n-헥산산, n-헵탄산, n-옥탄산, n-노난산 및 이소-노난산(3,5,5-트리메틸헥산산) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모노카복실산은 n-펜탄산, 이소-노난산 및 선택적으로는 n-헵탄산의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 혼합물은 이소-노난산 1몰 당 2 내지 6몰의 n-펜탄산 및 0 내지 3.5몰의 n-헵탄산을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 최종 폴리올 에스테르 조성물은 4O℃에서의 22cSt 내지 45cSt의 동점도를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 최종 폴리올 에스테르 조성물은 130 초과의 점도 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모노카복실산은 이소-펜탄산, 이소-노난산 및 선택적으로는 n-헵탄산의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 혼합물은 이소-노난산 1몰 당 1.75 내지 2.25몰의 이소-펜탄산 및 0.75 내지 1.25몰의 n-헵탄산을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 최종 폴리올 에스테르 조성물은 4O℃에서의 46cSt 내지 68cSt의 동점도를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 최종 폴리올 에스테르 조성물은 120 초과의 점도 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 혼합물은 이소-펜탄산 1몰 당 1 내지 10몰의 이소-노난산 및 0 내지 1몰의 n-헵탄산을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 최종 폴리올 에스테르 조성물은 4O℃에서의 68cSt 내지 170cSt의 동점도를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 최종 폴리올 에스테르 조성물은 95초과의 점도 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물.
  19. 작동 유체에 있어서,
    (a) 냉매; 및
    (b) 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 폴리네오펜틸폴리올 에스테르 조성물을 포함하는 작동 유체.
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