KR101816427B1 - 연비 및 내구향상형 무단변속기오일 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연비 및 내구향상형 무단변속기오일 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유동점이 -40℃ 이하인 기유에 점도조정제로서 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트를 첨가제와 함께 소정량 포함함으로써, 저온에서는 점도를 낮춰 유체저항 저감을 통한 연비 향상을 구현하고, 고온에서는 점도를 높여 변속기 내구성 향상을 구현할 수 할 수 있는 새로운 조성의 무단변속기오일 조성물에 관한 것이다.

Description

연비 및 내구향상형 무단변속기오일 조성물{Composition of continuously variable transmission oil for improving fuel efficiency and endurance performance}
본 발명은 연비 및 내구향상형 무단변속기오일 조성물에 관한 것이다.
최근에는 에너지의 효율적 이용과 지구온난화 방지를 위해 이산화탄소 등 자동차 배기가스에 대한 규제가 엄격해지고 있으며, 이러한 환경규제에 대응하기 위해 엔진의 에너지 손실을 줄일 수 있는 연비향상형 엔진오일, 변속기오일 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 엔진이나 변속기 오일의 점도를 낮추게 되면 동력이 전달될 때 유체저항으로 손실되는 에너지를 최소화할 수 있다. 반면에 점도가 낮아지면 유막 두께도 얇아져 금속 간 마찰이 증가하게 되어 내구성에는 불리한 면이 있다.
한국등록특허 제10-1439132호에는 기유에 점도 조정제인 콤 폴리메타크릴레이트(Comb PMA, Comb Polymethacrylate)와 폴리 알파 올레핀(PAO)을 포함하는 저점도 엔진오일 조성물이 개시되고 있다. 이는 저온 점도를 낮춰서 엔진의 연비 개선을 실현한다. 그러나 무단변속기에 적용 시에는 연비 개선 효율이 미비하다.
이에 무단변속기의 오일로서, 저온 점도를 낮춰 유체저항 저감을 통한 연비를 향상시키고 고온 점도를 높여 변속기의 내구성을 향상시킬 수 있는 오일을 제공할 필요성이 있다.
1: 한국등록특허 제10-1439132호
이에 본 발명의 발명자들은 유동점이 -40℃ 이하인 기유에 점도조정제로서 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트를 소정량 포함하는 오일을 무단 변속기오일로 사용하는 경우, 저온에서는 점도를 낮춰 유체저항 저감을 통한 연비 향상을 구현하고, 고온에서는 점도를 높여 변속기 내구성 향상을 구현할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 저온 점도를 낮춰 연비를 향상함과 동시에 고온 점도를 높여 내구성도 향상시킬 수 있는 새로운 조성의 무단변속기오일 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제 해결을 위하여, 본 발명은 유동점이 -40℃ 이하인 기유 75 ~ 85 중량%; 점도조정제인 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트 5 ~ 15 중량%; 내마모첨가제 8 ~ 15 중량%; 및 마찰조정제 2 ~ 5 중량%를 포함하는 무단변속기오일 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 무단변속기오일 조성물은 저온 점도를 낮춰 연비를 향상 시킴과 동시에 고온 점도를 높여 내구성도 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 점도조정제인 콤 폴리메타크릴레이트(Comb PMA), 에스터릭 폴리메타크릴레이트(Asteric PMA)의 사슬 구조 모습(b)과 본 발명에서 사용한 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트(Olefin Amide Comb PMA)의 사슬 구조 모습(b)을 나타낸 것이다.
본 발명의 무단변속기오일 조성물은 유동점이 -40℃ 이하인 기유, 점도조정제인 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트, 및 내마모 첨가제를 포함하고 있으며, 상기 점도조정제는 아마이드기가 도입된 극성 사슬 체인을 갖는 점도조정제(OACP, 이하 Olefin Amide Comb PMA로 칭함)로서 극성기의 도입으로 인해 온도에 대한 저온수축 및 고온 팽창성을 극대화함으로써, 무단변속기오일 조성물의 온도에 대한 점도강건성(VI, Viscosity Index) 특성을 향상시켰다는 점에 그 특징이 있다.
종래에는 점도조정제로서, 콤 폴리메타크릴레이트(Comb PMA), 에스터릭 폴리메타크릴레이트(Asteric PMA, Asteric Polymethacrylate)를 사용하였으나(도 1(a)), 본 발명에서는 콤 폴리메타크릴레이트(Comb PMA, Comb Polymethacrylate)의 메인 체인에 아마이드기가 도입된 사이드 체인을 도입함으로써 극성치를 달리하여 온도에 대한 저온수축 및 고온팽창성을 극대화하였다(도 1(b)).
구체적으로, 본 발명에 따른 무단변속기오일 조성물은 유동점이 -40℃ 이하인 기유 75 ~ 85 중량%; 점도조정제인 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트 5 ~ 15 중량%; 내마모첨가제 8 ~ 15 중량% 및 마찰조정제 2 ~ 5 중량를 포함한다.
본 발명에 따른 무단변속기오일 조성물을 구성하는 각 성분에 대해 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
본 발명에서 사용하는 기유는 유동점이 -40℃ 이하이면서, 기어장치의 윤활에 사용하는 윤활유을 의미하며, 치면간의 접촉을 방지하고, 마찰, 마모를 저하시켜 녹아 붙는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 기유의 유동점이 -40℃ 초과를 사용하는 경우 왁스성분의 석출에 의한 저온유동성이 악화되는 한계가 있기에 상기 범위 내의 것을 사용한다. 현존하는 기유 중에서 가장 유동점이 낮은 것은 -69℃의 폴리알파올레핀(PAO)로서, 본 발명에서는 유동점이 -40℃ 이하인 기유로서, 폴리 알파 올레핀(PAO) 및 파라핀 계열의 탄화수소 화합물을 포함하는 기유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 파라핀 계열의 탄화수소 화합물을 포함하는 기유는 API(American Petroleum Institute)에서 분류한 Group Ⅲ에 속하는 그룹으로서, 대표적으로 Yubase 3, Yubase L3, Ultra S3 제품을 사용할 수 있다.
이때 기유는 75 ~ 85 중량%로 사용하는 것이 바람직한데, 75 중량% 미만인 경우 기타 점도조정제 및 첨가제가 과량 들어가게 되어 마찰계수 저하 등 내구특성이 악화되는 한계가 있으며, 85 중량% 초과인 경우 기타 점도조정제 및 첨가제 사용량이 제한되어 연비 및 내구특성이 악화되는 한계가 있기에 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
본 발명에서 사용하는 점도조정제는 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트(OACP)로서 무단변속기 오일 전체 중량에 대해 5 ~ 15 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트(OACP)가 5 중량% 미만인 경우 점도 저감 효과가 적어 연비 향상 효과가 미비하며, 15 중량% 초과인 경우 -40℃의 저온 점도가 높아져 저온작동성에 안좋은 영향을 미치기에 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
구체적으로 본 발명에서 사용되는 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트(OACP)는 하기 화학식 1의 구조를 갖는다.
[화학식 1]
Figure 112016074680107-pat00001
상기 화학식 1은 락탐(lactam)구조를 포함하며, R1은 C1~C20의 직쇄 또는 분쇄형 알킬기이고, R2는 올레핀 올리고머(Olefin oligomer)로서 C2 ~ C40의 직쇄 또는 분쇄형 알케닐기를 갖고, X와 Y의 비는 1:2 ~ 1:3이고, 중량평균분자량은 100,000 ~ 150,000인 것을 나타낸다.
본 발명의 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트 전제 중량에 대해 5 ~ 15중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 5% 미만인 경우 40℃ 점도저감에 한계가 있어 연비향상 효과가 없고, 15% 초과인 경우 -40℃ 저온점도가 급격히 높아져 저온작동성에 한계가 있기에 상기 범위 내의 것을 사용하는 것이 좋다.
한편 종래에는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 콤 폴리메타크릴레이트를 점도 조정제로 사용하였으며, 도 1에 나타낸 바와 같이 극성 사이드 체인이 도입되지 않은 형태이다.
[화학식 2]
Figure 112016074680107-pat00002
상기 화학식 2에서, R1은 C1~C20의 직쇄 또는 분쇄형 알킬기이고, R2는 올레핀 올리고머(Olefin oligomer)로서 C2 ~ C40의 직쇄 또는 분쇄형 알케닐기를 갖고, X와 Y의 비는 1:2 ~ 1:3이고, 중량평균분자량이 400,000 ~ 500,000을 나타낸다.
종래의 다른 점도조정제로서 에스터릭 폴리메타크릴레이트(Asteric PMA)의 경우 하기 화학식 3의 구조를 갖으며, 중량평균분자량이 200,000 ~ 300,000을 나타낸다. 이때 R1은 C1~C20의 직쇄 또는 분쇄형 알킬기이다.
[화학식 3]
Figure 112016074680107-pat00003
본 발명에서는 콤 폴리메타크릴레이트(Comb PMA)의 메인 체인에 아마이드기가 도입된 사이드 체인을 도입하고 극성치를 달리하여 온도에 대한 저온수축 및 고온팽창성을 극대화함으로써, 무단변속기오일의 저온 점도를 낮춰 연비를 향상시키고, 고온 점도를 높여 내구성도 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 사용되는 내마모첨가제는 오일 내 이물질을 분산시켜 내구성을 유지할 수 있게 하고 기어간 마모로 인한 내구악화를 방지시키는 역할을 하는 것으로, 무단변속기 오일 전체 중량에 대해 8 ~ 15 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 첨가제가 8 중량% 미만인 경우 내구성 유지에 대한 한계가 있으며, 15 중량% 초과인 경우 과량의 첨가제로 인한 마찰계수 저하로 인한 내구성이 악화될 수 있어 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 내마모첨가제로서는 디뷰틸 하이드로젠 포스파이트, 아마인 포스파이트, 및 이소뷰티닐 석시닉 에스터로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 디뷰틸 하이드로젠 포스파이트계이다. 디뷰틸 하이드로젠 포스파이트계를 사용하는 경우 무단변속기의 벨트풀리 마찰계수를 높게 유지할 수 있는 장점이 있기 때문이다.
아울러, 본 발명은 마찰조정제를 무단변속기 오일 전체 중량에 대해 2 ~ 5 중량%를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 마찰조정제가 2 중량% 미만인 경우 변속기 동/종마찰계수가 떨어져 내마모성이 악화되고, 5 중량% 초과인 경우 금속간 마찰이 높아져 내구성에 한계가 있기에 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 본 발명의 마찰조정제는 설퍼라이즈드 패티 에스터(sulfurized fatty ester), 알키닐 포스파이트(Alkenyl phosphite) 및 폴리올 에스터(Polyol ester)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명 통상의 첨가제로서 산화방지제, 소포제, 등이 추가로 포함될 수 있다. 상기 산화방지제는 엔진오일의 산화 방지를 목적으로 사용된다. 상기 산화방지로는 3-히드록시디페닐아민, 페닐-알파-나프틸아민 등과 같은 아민계 산화방지제를 사용할 수 있으며, 본 발명의 조성물 중에 0.05 ~ 3 중량% 범위로 포함될 수 있는데, 그 함량이 0.05 중량% 미만이면 산화방지성능이 약해질 수 있고, 3 중량%를 초과하면 경쟁흡착, 금속부식 등의 부작용이 발생시킬 수 있다.
상기 소포제로는 실리콘, 및 폴리메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다. 이러한 소포제는 본 발명의 조성물 중에 0.0005 ~ 2 중량% 범위로 포함될 수 있는데, 그 함량이 0.0005 중량% 미만이면 윤활유내의 기포발생의 효과적으로 억제할 수 없는 문제가 있으며, 2 중량%를 초과하여 사용하면 소포성이 오히려 감소하거나, 윤활유에서 소포제가 석출되는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 무단변속기 오일은 유동점이 -40℃ 이하인 기유에 극성기인 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트를 점도조정제로 사용하여, 극성체인과 비극성체인의 신축성과 팽창성을 향상시킴으로써 저온 수축 및 고온 팽창성을 극대화하여 무단변속기의 연비 및 내구성 향상을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 7: 무단변속기오일 조성물의 제조
하기 표 1에 나타낸 성분들을 반응기에 투입하고, 온도 40℃, 교반기의 속도 1000rpm인 조건하에서 혼합하여 무단변속기오일 조성물을 제조하였다.
[무단변속기오일 조성물을 구성하는 각 성분]
(1) 기유: 유동점이 -40℃ 인 Yubase L3 (GroupⅢ, SK사 제품)
(2) 점도조정제: ① 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트(Olefin Amide Comb PMA): X와 Y의 비는 1:2이고, 아마이드 모노머는 10~50 중량%을 포함하고, 중량평균분자량이 150,000임, ② 콤 폴리메타크릴레이트(Comb PMA): Rohmax사 제품, ③ 에스터릭 폴리메타크릴레이트(Asteric PMA): Lubrizol사 제품
(3) 청정분산 및 내마모 첨가제: 디뷰틸 하이드로젠 포스파이트계(Lubrizol사 제품)
(4) 마찰조정제: 설퍼라이즈드 패티 에스터 (Lubrizol사 제품)
구분 (중량%) 실시예 비교예
1 2 3 4 5 1
(현사양)		 2 3 4 5 6 7
기유 Yubase L3
(유동점-40℃)		 85 83 80 78 75 82 87 73 85 80 85 80
점도조정제 올레핀 아마이드 콤 폴리메타크릴레이트(OACP) 5 7 10 12 15 - 3 17 - - - -
콤 폴리메타크릴레이트
(comb PMA)		 - - - - - - - - - - 5 10
에스테릭 폴리메타크릴레이트(Asteric PMA) - - - - - 8 - - 5 10 - -
내마모첨가제 디뷰틸하이드로젠
포스파이트계		 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
마찰조정제 설퍼라이즈드 패티 에스터 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
총 합량 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
실시예 6 ~ 7 및 비교예 8 ~ 14: 무단변속기오일 조성물의 제조
하기 표 2에 나타낸 성분들을 반응기에 투입하고, 온도 60℃, 교반기의 속도 1000rpm rpm인 조건하에서 혼합하여 무단변속기오일 조성물을 제조하였다.
[무단변속기오일 조성물을 구성하는 각 성분]
(1) 기유: ① 유동점이 -40℃ 인 Yubase L3 (GroupⅢ, SK사 제품), ② 유동점이 -69℃ 인 PAO4(Chevron Philips사 제품), ③ 유동점이 -30℃ 인 Kixx4, (GroupⅢ, GS 칼텍스사 제품)
(2) 점도조정제: 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트(Olefin Amide Comb PMA): X와 Y의 비는 1:2이고, 아마이드 모노머는 10~50 중량% 포함하고 중량평균분자량이 150,000임.
(3) 내마모첨가제: 디뷰틸 하이드로젠 포스파이트계(Lubrizol사 제품)
(4) 마찰조정제: 설퍼라이즈드 패티 에스터 (Lubrizol사 제품)
구분 (중량%) 실시예 비교예
구분 (중량%) 6 8 9 10 11 12 13 14
기유 Yubase L3
(유동점-40℃)		 - - - - - - - -
PAO4 (유동점-69℃) 80 - - - - - - -
Kixx4 (유동점-30℃) - 87 85 83 80 77 75 73
점도조정제 올레핀 아마이드 콤 폴리메타크릴레이트(OACP) 10 3 5 7 10 13 15 17
내마모첨가제 디뷰틸하이드로젠
포스파이트계		 8 8 8 8 8 8 8 8
마찰조정제 설퍼라이즈드 패티 에스터 2 2 2 2 2 2 2 2
총 합량 100 100 100 100 100 100 100 100
실험예
상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 7과, 실시예 3, 6 및 비교예 1 ~ 14에서 제조된 각 무단변속기오일 조성물은 널리 공지되어 있는 성능 시험방법에 의거하여 성능을 시험하였고, 그 결과는 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.
[성능 시험 방법]
(A) 40℃/100℃ 동점도(cSt): ASTM D 445 방법에 의해 측정하였다.
(B) -40℃ 저온 점도(cP): ASTM D 2983 방법에 의해 측정하였다.
(C) 연비 개선율(실차연비, %): FTP75(인증모드)에 의해 평가하였다.
평가항목 실시예 비교예
평가항목 1 2 3 4 5 1
(현사양)		 2 3 4 5 6 7
40℃ 동점도 (cSt) 23 22 20 19 18 25 24 17 26 25 24 23
100℃ 동점도 (cSt) 5.8 6.2 7.0 7.1 7.2 5.4 5.5 7.3 5.3 5.5 5.5 5.7
-40℃ 저온 점도 (cP) 6500 6500 7000 9000 10000 8500 8300 15000 9000 9500 12000 13000
연비 개선율(%) 0.1 0.3 0.4 0.2 0.2 기준 0 0.1 -0.1 0 0 0.1
상기 표 3을 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 5의 경우 연비측정온도 영역(20 ~ 85℃)에서의 점도를 낮춰 유체저항 저감을 통한 연비 개선 효과 가 있음을 확인할 수 있다. 특히 실시예 3의 경우 가장 우수한 연비 개선율을 나타낸다.
반면, 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트가 5 중량% 미만인 비교예 2와 15 중량% 초과인 비교예 3의 경우 점도 저감 효과가 적어 연비 개선 효과가 미비함을 확인할 수 있다.
또한 종래의 점도조정제로 사용되는 에스터릭 폴리메타크릴레이트(Asteric PMA)이나 콤 폴리메타크릴레이트를 사용하는 비교예 4 ~ 7의 경우, 연비 향상 효과가 미비하거나, -40℃ 저온 점도가 높아져 연비 효율이 좋지 않음을 확인할 수 있다.
평가항목 실시예 비교예
평가항목 3 6 8 9 10 11 12 13 14
40℃ 동점도 (cSt) 20 19 24 23 22 22 21 20 20
100℃ 동점도 (cSt) 7.0 7.0 5.5 6.0 6.8 6.9 7.2 7.3 7.5
-40℃ 저온 점도 (cP) 　7000 5500 13000 15000 17000 20000 25000 27000 29000
연비 개선율(%) 0.4 0.6 0 0 0 -0.1 -0.1 -0.1 -0.1
상기 표 4를 살펴보면, 비교예 8 ~ 14와 같이 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트를 유동점 -30℃인 일반 기유를 사용하는 경우 -40℃ 저온 점도가 오히려 높아져 연비 효율이 저하됨을 확인할 수 있다.
반면 유동점이 -69℃인 폴리 알파 올레핀(PAO)을 기유로 사용한 실시예 6의 경우 연비 개선율이 0.6% 까지 향상됨을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에서 사용되는 점도조정제가 저온에서 왁스성분인 폴리 알파 올레핀(PAO)에서 결정화가 덜 되어 점도 상승을 막아주기 때문이다.
따라서 본 발명에 무단변속기오일 조성물은 유동점이 -40℃ 이하인 기유에 새로운 점도조정제인 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트를 사용함으로써 저온 점도를 낮춰 연비를 향상함과 동시에 고온 점도를 높여 내구성도 향상시킬 수 있는 연비 향상 무단변속기 오일로 제공될 수 있다.

Claims (6)

  1. 유동점이 -40℃ 이하인 기유 75 ~ 85 중량%;
    점도조정제인 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트 5 ~ 15 중량%;
    내마모첨가제 8 ~ 15 중량%; 및
    마찰조정제 2 ~ 5 중량%;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무단변속기오일 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기유는 폴리 알파 올레핀(PAO), 및 파라핀 계열의 탄화수소 화합물을 포함하는 기유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 것을 특징으로 하는 무단변속기오일 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 점도조정제는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 무단변속기오일 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112017085947184-pat00004

    상기 화학식 1에서,
    R1은 C1~C20의 직쇄 또는 분쇄형 알킬기이고,
    R2는 C2 ~ C40의 직쇄 또는 분쇄형 알케닐기이고,
    X와 Y의 비는 1:2 ~ 1:3이고,
    중량평균분자량은 100,000 ~ 150,000인 것을 나타낸다.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트는 아마이드 모노머를 포함하고, 상기 아마이드 모노머는 상기 아마이드기가 도입된 콤 폴리메타크릴레이트 전체 중량에 대해 10 ~ 50 중량%로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 무단변속기오일 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내마모첨가제는 디뷰틸 하이드로젠 포스파이트계인 것을 특징으로 하는 무단변속기오일 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰조정제는 설퍼라이즈드 패티 에스터(sulfurized fatty ester), 알키닐 포스파이트(Alkenyl phosphite) 및 폴리올 에스터(Polyol ester)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 무단변속기오일 조성물.
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