KR102115607B1 - Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles - Google Patents

Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles Download PDF

Info

Publication number
KR102115607B1
KR102115607B1 KR1020190048057A KR20190048057A KR102115607B1 KR 102115607 B1 KR102115607 B1 KR 102115607B1 KR 1020190048057 A KR1020190048057 A KR 1020190048057A KR 20190048057 A KR20190048057 A KR 20190048057A KR 102115607 B1 KR102115607 B1 KR 102115607B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanoparticles
lubricant
nanofluid
alumina
treated
Prior art date
Application number
KR1020190048057A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김윤호
서현진
원종찬
정유리
김동균
현준수
Original Assignee
한국화학연구원
(주)원에스티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국화학연구원, (주)원에스티 filed Critical 한국화학연구원
Priority to KR1020190048057A priority Critical patent/KR102115607B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102115607B1 publication Critical patent/KR102115607B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10MLUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M169/00Lubricating compositions characterised by containing as components a mixture of at least two types of ingredient selected from base-materials, thickeners or additives, covered by the preceding groups, each of these compounds being essential
    • C10M169/04Mixtures of base-materials and additives
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B1/005Constitution or structural means for improving the physical properties of a device
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10MLUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M125/00Lubricating compositions characterised by the additive being an inorganic material
    • C10M125/10Metal oxides, hydroxides, carbonates or bicarbonates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10MLUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M139/00Lubricating compositions characterised by the additive being an organic non-macromolecular compound containing atoms of elements not provided for in groups C10M127/00 - C10M137/00
    • C10M139/04Lubricating compositions characterised by the additive being an organic non-macromolecular compound containing atoms of elements not provided for in groups C10M127/00 - C10M137/00 having a silicon-to-carbon bond, e.g. silanes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10MLUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M141/00Lubricating compositions characterised by the additive being a mixture of two or more compounds covered by more than one of the main groups C10M125/00 - C10M139/00, each of these compounds being essential
    • C10M141/12Lubricating compositions characterised by the additive being a mixture of two or more compounds covered by more than one of the main groups C10M125/00 - C10M139/00, each of these compounds being essential at least one of them being an organic compound containing atoms of elements not provided for in groups C10M141/02 - C10M141/10
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10MLUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M2201/00Inorganic compounds or elements as ingredients in lubricant compositions
    • C10M2201/06Metal compounds
    • C10M2201/062Oxides; Hydroxides; Carbonates or bicarbonates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10MLUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M2201/00Inorganic compounds or elements as ingredients in lubricant compositions
    • C10M2201/10Compounds containing silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10MLUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
    • C10M2227/00Organic non-macromolecular compounds containing atoms of elements not provided for in groups C10M2203/00, C10M2207/00, C10M2211/00, C10M2215/00, C10M2219/00 or C10M2223/00 as ingredients in lubricant compositions
    • C10M2227/04Organic non-macromolecular compounds containing atoms of elements not provided for in groups C10M2203/00, C10M2207/00, C10M2211/00, C10M2215/00, C10M2219/00 or C10M2223/00 as ingredients in lubricant compositions having a silicon-to-carbon bond, e.g. organo-silanes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10NINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2040/00Specified use or application for which the lubricating composition is intended
    • C10N2040/02Bearings

Abstract

The present invention relates to a nanofluid lubricant for rotating devices using surface-treated alumina nanoparticles. According to one aspect of the present invention, the nanofluid lubricant for rotating devices ensures excellent long-term dispersion stability and improved effects of reducing the wear of the rotating devices, thereby greatly contributing to commercialization of lubricants for the rotating devices.

Description

표면 처리된 알루미나 나노입자를 이용한 회전기기용 나노유체 윤활유{Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles}Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles}

표면 처리된 알루미나 나노입자를 이용한 회전기기용 나노유체 윤활유에 관한 것이다.The present invention relates to a nanofluid lubricant for rotating equipment using surface-treated alumina nanoparticles.

고속/도시철도의 견인전동기 및 차축감속기 등의 회전기기에 설치되는 베어링은 고하중, 장기사용이라는 특수한 구동 환경 때문에 윤활제 사용이 필수적이다. 고성능 윤활제 사용을 통해, 윤활 및 냉각 성능을 향상시키고, 부품의 수명을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 동력 소모를 줄여 기계 효율을 증가시킬 수 있다. 이는 철도차량 시스템의 안정적인 운영 및 유지보수 비용 절감과도 직결된다. 특히 차축 감속기나 기어박스에 설치된 철도용 베어링의 경우, 원가 비용 등의 문제로 국내에서 제작하지 않아 전량 수입하고 있기 때문에 베어링의 수명 연장을 위한 차세대 고성능 윤활제에 대한 연구가 필요한 상황이다.Bearings installed in rotating equipment such as traction motors and axle reducers of high-speed / urban railroads are required to use lubricants due to the special driving environment of high loads and long-term use. Through the use of high-performance lubricants, it is possible to improve the lubrication and cooling performance, increase the life of the parts, as well as reduce power consumption to increase machine efficiency. This is directly related to the stable operation and maintenance cost reduction of the railroad vehicle system. In particular, in the case of rail bearings installed on axle reducers or gearboxes, research on the next-generation high-performance lubricant to extend the life of bearings is necessary because they are not manufactured in Korea due to cost and other problems.

윤활제는 베어링 등 금속 간 마찰면 사이에 윤활막을 형성하여 마찰 및 마찰열 감소, 공기 또는 수분의 접촉 차단을 통한 부식방지 등 다양한 역할을 한다. 윤활유는 크게 윤활오일(Lubricant oil)과 고체윤활유인 그리스(Greese)로 나뉘며, 윤활제는 커플링 (Coupling), 기어박스 (Gearbox), 트랙션모터 (Traction motor), 휠 플랜지 (Wheel Flange) 등 철도차량 내 다양한 회전기기 부품에 사용되고 있다. 윤활오일은 열 발산이 좋고, 회전 저항 등의 효율이 우수하며, 윤활특성이 좋은 반면, 그리스는 충진이 가능하고, 외부 이물질의 침입 차단 및 밀봉이 쉬워 소형화, 경량화가 가능하고, 유지보수 성능이 우수한 특징을 갖는다. 윤활제는 사용하는 동안 금속간의 마찰열/접촉열, 금속 마모입자, 공기중의 산소 및 수분 등에 의해 물리적, 화학적 변형이 진행된다. 오염된 윤활제나 부적적한 마감(Sealing) 등 윤활제로 인한 문제는 베어링의 마모손상, 재경화(rehardening), 나아가 균열이나 플레이킹(flaking) 손상으로 발전할 수 있다. 윤활제의 수명을 증가시키기 위해, 이러한 접촉열을 냉각할 수 있는 열전도성 향상 및 베어링 금속면의 마찰 최소화가 요구된다. 이러한 윤활유의 물성을 개선하기 위하여, 최근 윤활오일이나 그리스에 나노입자가 포함된 나노유체 (nanofluid) 기반 고성능 윤활유가 개발되고 있다.The lubricant forms a lubricant film between friction surfaces between metals, such as bearings, to play a variety of roles, such as reducing friction and frictional heat and preventing corrosion through blocking contact with air or moisture. Lubricating oil is largely divided into lubricant oil and grease, which is a solid lubricant, and lubricants are railway vehicles such as couplings, gearboxes, traction motors, wheel flanges, etc. It is used in various parts of my rotating equipment. Lubricant oil has good heat dissipation, excellent efficiency such as rolling resistance, and good lubrication characteristics, while grease can be filled, and it is easy to block and seal foreign substances from entering, making it compact, light-weight, and maintenance-friendly. It has excellent characteristics. The lubricant undergoes physical and chemical transformations during use due to friction / contact heat between metals, metal wear particles, oxygen and moisture in the air, and the like. Problems due to lubricants, such as contaminated lubricants or improper sealing, can develop into bearing wear damage, rehardening, and even cracking or flaking damage. In order to increase the life of the lubricant, there is a need to improve thermal conductivity and minimize friction of the bearing metal surface to cool the contact heat. In order to improve the properties of these lubricants, nanofluid-based high-performance lubricants containing nanoparticles in a lubricant oil or grease have been recently developed.

나노유체란, 일반유체에 직경 100nm 이하의 기능성 나노입자를 분산, 부유시켜 만든 유체를 통칭하여 일컫는다(비특허문헌 1. E. Ettefaghi, H. Ahmadi, A. Rashidi, A. Nouralishahi, et al. (2013) Preparation and thermal properties of oil-based nanofluid from multi-walled carbon nanotubes and engine oil as nano-lubricant, International Communications in Heat and Mass Transfer, 46, pp. 142-147.). 특히, 높은 열전도 특성으로 차세대 냉각유체로 활발히 연구되어 왔다. 나노유체 기반 윤활제란, 윤활소재에 기계적 특성(강도 및 열전도도, 친환경성)이 우수한 나노미터 크기의 (<100 nm) 입자를 기존 윤활제 내 분산하여 안정화된 2 상(Two phase) 유체를 의미한다. 나노유체 윤활유 내의 나노입자는 베어링과(ball 또는 cylinder) 같은 회전기기와 기저면 (substrate) 사이에 나노미터 크기의 입자막을 형성하여, 두 금속면의 접촉면을 점접촉화 하여 롤링 효과(Rolling effect)를 향상시키는 역할을 한다. 그리고 미세한 손상부위를 채워 주워 표면을 매끄럽게 재생하는 효과를 줌으로써 윤활성능 및 내마모성을 향상시키는 역할을 할 수 있다(비특허문헌 2. H. Xie, B. Jiang, J. He, X. Xia, F. Pan (2016) Lubrication performance of MoS2 and SiO2 nanoparticles as lubricant additives in magnesium alloy-steel contacts, Tribology International, 93, pp. 63-70.).Nanofluid refers to a fluid made by dispersing and floating functional nanoparticles having a diameter of 100 nm or less in a general fluid (Non-Patent Document 1. E. Ettefaghi, H. Ahmadi, A. Rashidi, A. Nouralishahi, et al. (2013) Preparation and thermal properties of oil-based nanofluid from multi-walled carbon nanotubes and engine oil as nano-lubricant, International Communications in Heat and Mass Transfer, 46, pp. 142-147.). In particular, it has been actively studied as a next-generation cooling fluid due to its high thermal conductivity properties. Nano-fluid-based lubricant means a two-phase fluid stabilized by dispersing nanometer-sized (<100 nm) particles in an existing lubricant with excellent mechanical properties (strength and thermal conductivity, eco-friendliness) in the lubricant. . Nanoparticles in the nanofluid lubricant form a nanometer-sized particle film between a rotating device such as a bearing (ball or cylinder) and a substrate, making the rolling effect by point-contacting the contact surfaces of the two metal surfaces. It serves to improve. And it can play a role of improving lubrication performance and abrasion resistance by filling the fine damaged areas and giving the effect of regenerating the surface smoothly (Non-Patent Document 2. H. Xie, B. Jiang, J. He, X. Xia, F Pan (2016) Lubrication performance of MoS 2 and SiO 2 nanoparticles as lubricant additives in magnesium alloy-steel contacts, Tribology International , 93, pp. 63-70.).

또한, 나노입자의 높은 열전도도 덕분에 운전 중 상승되는 열을 냉각시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 고성능 자동차의 베어링이나 엔진 구동부에 적용되는 나노유체 윤활유는 개발이 되어왔으나, 철도차량용 나노유체 윤활유에 대한 연구는 전무한 상황이다. 특히, 철도 회전기기와 같은 고하중, 장기사용 환경에서 안정적인 분산도 및 점도 등 기계적 특성을 유지할 수 있는 새로운 개념의 윤활제의 연구가 필요하다.In addition, thanks to the high thermal conductivity of the nanoparticles, it has the advantage of cooling the heat rising during operation. However, nanofluid lubricating oil applied to bearings or engine driving parts of high-performance automobiles has been developed, but research on nanofluid lubricating oil for railroad vehicles has not been conducted. In particular, it is necessary to study lubricants of a new concept that can maintain mechanical properties such as stable dispersion and viscosity in a high-load, long-term use environment such as a railroad rolling machine.

본 발명의 일 측면에서의 목적은, 장기 분산안정성과 내마모성이 우수한, 자기조립단일막으로 표면 처리된 알루미나 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유를 제공하는 것이다.An object in one aspect of the present invention is to provide a nanofluidic lubricant for a rotating device including alumina nanoparticles surface-treated with a self-assembled single film, which has excellent long-term dispersion stability and wear resistance.

본 발명의 다른 일 측면에서의 목적은, 상기 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법을 제공하는 것이다.An object in another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a nanofluid lubricant for the rotating device.

본 발명의 또 다른 일 측면에서의 목적은, 알루미나 나노입자를 자기조립단일막으로 표면 처리하여 알루미나 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 분산성을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다.An object of another aspect of the present invention is to provide a method of improving the dispersibility of a nanofluid lubricant for a rotating device including alumina nanoparticles by surface-treating alumina nanoparticles with a self-assembled single film.

본 발명의 또 다른 일 측면에서의 목적은, 자기조립단일막으로 표면 처리된 알루미나 나노입자가 포함된 회전기기용 나노유체를 사용하여 회전기기의 마모를 감소시키는 방법을 제공하는 것이다.Another object of one aspect of the present invention is to provide a method of reducing wear of a rotating device using a nanofluid for a rotating device including alumina nanoparticles surface-treated with a single self-assembled film.

상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명의 일 측면은 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리된 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유에 있어서,In one aspect of the present invention, in a nanofluid lubricant for a rotating device comprising alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles surface-treated with a self-assembled monolayer (SAM),

상기 자기조립단일막은,The self-assembled single film,

하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는,Characterized in that the compound represented by the formula (1),

회전기기용 나노유체 윤활유를 제공한다.It provides a nano-fluid lubricant for rotating equipment.

[화학식 1][Formula 1]

Si(OR1)3R2 Si (OR 1 ) 3 R 2

(상기 화학식 1에서,(In the formula 1,

R1은 C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고; 및R 1 is C 1-5 straight or branched chain alkyl; And

R2는 C1-8의 직쇄 또는 분지쇄 아미노알킬이다).R 2 is C 1-8 straight or branched chain aminoalkyl).

본 발명의 다른 일 측면은 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 용액에 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)을 첨가하여 제1 혼합물을 형성하는 단계;Another aspect of the present invention is the step of forming a first mixture by adding a self-assembled monolayer (SAM) to a solution containing alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles;

상기 제1 혼합물을 원심분리하여 표면 처리된 알루미나 나노입자를 회수하는 단계;Centrifuging the first mixture to recover surface-treated alumina nanoparticles;

기유(base oil)에 상기 표면 처리된 알루미나 나노입자를 첨가하여 제2 혼합물을 형성하는 단계; 및Forming a second mixture by adding the surface-treated alumina nanoparticles to a base oil; And

상기 제2 혼합물을 초음파 처리하는 단계;를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법으로서, 상기 표면 처리된 알루미나 나노입자는 상기 알루미나 나노입자가 상기 자기조립단일막으로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a nanofluid lubricant for a rotating device, comprising the step of ultrasonically treating the second mixture, wherein the surface-treated alumina nanoparticles are characterized in that the alumina nanoparticles are surface treated with the self-assembled single film. Provided is a method for manufacturing a base nanofluid lubricant.

본 발명의 또 다른 일 측면은 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 분산성을 향상시키는 방법에 있어서, 상기 알루미나 나노입자를 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리하여 회전기기용 나노유체 윤활유의 분산성을 향상시키는 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, in a method for improving the dispersibility of a nanofluid lubricant for a rotating device including alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles, the alumina nanoparticles self-assembled monolayer, SAM) to provide a method of improving the dispersibility of nanofluid lubricant for rotating equipment by surface treatment.

본 발명의 또 다른 일 측면은 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체를 사용하여 회전기기의 마모를 감소시키는 방법에 있어서, 상기 알루미나 나노입자를 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리하여 회전기기의 마모를 감소시키는 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, in a method of reducing wear of a rotating device using a nanofluid for a rotating device including alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles, the alumina nanoparticles self-assembled into a single film (self- It provides a method of reducing the wear of rotating equipment by surface treatment with assembled monolayer (SAM).

본 발명의 일 측면에서 제공하는 회전기기용 나노유체 윤활유는 소수성기를 갖는 자기조립단일막으로 표면이 개질된 친수성의 구형 알루미나 나노입자를 포함함으로서, 장기분산안정성과 윤활특성이 매우 우수하므로, 회전기기용 윤활유의 상용화에 큰 기여를 할 수 있다.The nanofluid lubricating oil for a rotating device provided by one aspect of the present invention is a self-assembled single film having a hydrophobic group and includes hydrophilic spherical alumina nanoparticles whose surface is modified. Can make a great contribution to the commercialization of.

도 1은 회전기기에 사용되는 나노유체 윤활유의 원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 알루미나 나노입자의 표면처리 여부를 확인하기 위해 실시예 1 및 비교예 1을 (a) 열적중량분석, (b) 투과전자현미경 분석, (c) 에너지 분산 스펙트럼 분석을 한 사진을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예 2 및 비교예 2의 분산안정성을 평가하기 위한 실험예 2.1에서 각각 (a) 시료가 준비된 직후, (b) 1시간 경과, (c) 1일 경과, (d) 2일 경과, (e) 3일 경과, (f) 8일 경과 후의 사진을 나타내는 도면이다.
도 4는 실험예 2.2에서 사용한 Turbiscan AGS 장비의 실제 이미지와 투과 및 산란도 측정 개념도를 나타내는 도면이다.
도 5는 각각 0.1vol%, 0.3vol% 및 0.5vol% 알루미나 나노입자 농도의 비교예 2 ((a)~(c)) 및 실시예 2((d)~(f))의 Turbiscan을 이용한 장기분산안정성 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예 2 및 비교예 2의 장기분산안정성 실험 결과를 Turbiscan 안정성 지수(TSI)로 나타낸 그래프를 나타내는 도면이다.
도 7은 (a) 0.1vol% 비교예 2, (b) 0.3vol% 비교예 2, (c) 0.1vol% 실시예 2, 및 (d) 0.3vol% 실시예 2의 마모특성을 실험하기 위해 4구 시험을 한 결과와 (e) 실험예 2 및 비교예 2의 마모된 부분의 직경을 그래프로 나타내는 도면이다.
1 is a view showing the principle of a nano-fluid lubricant used in a rotating machine.
Figure 2 is a view showing a photo of Example 1 and Comparative Example 1 (a) thermal gravimetric analysis, (b) transmission electron microscope analysis, (c) energy dispersion spectrum analysis to determine the surface treatment of the alumina nanoparticles to be.
Figure 3 in Experimental Example 2.1 for evaluating the dispersion stability of Example 2 and Comparative Example 2 (a) immediately after the sample was prepared, (b) 1 hour, (c) 1 day, (d) 2 days elapsed , (e) 3 days, and (f) 8 days.
4 is a view showing the actual image of the Turbiscan AGS equipment used in Experimental Example 2.2 and a conceptual diagram of transmission and scattering measurements.
Figure 5 is a long-term using Turbiscan of Comparative Example 2 ((a) ~ (c)) and Example 2 ((d) ~ (f)) of the concentration of alumina nanoparticles 0.1vol%, 0.3vol% and 0.5vol%, respectively. This diagram shows the results of dispersion stability experiments.
FIG. 6 is a graph showing the results of long-term dispersion stability experiments of Example 2 and Comparative Example 2 as Turbiscan stability index (TSI).
Figure 7 is (a) 0.1vol% Comparative Example 2, (b) 0.3vol% Comparative Example 2, (c) 0.1vol% Example 2, and (d) 0.3vol% to test the wear characteristics of Example 2 It is a graph showing the results of the four-ball test and the diameter of the worn parts of (e) Experimental Example 2 and Comparative Example 2.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

한편, 본 발명의 실시 형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 나아가, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Meanwhile, the embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Furthermore, "including" a component throughout the specification means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise specified.

전술한 바와 같이, 나노유체 윤활유는 윤활유 내의 나노입자가 회전기기와 기저면 사이에 나노미터 크기의 입자막을 형성하여 두 금속면의 접촉면을 점접촉화하여 롤링 효과를 향상시키는 역할을 하고, 높은 열전도도 덕분에 상승되는 열을 냉각시킬 수 있는 등의 장점이 있다. 이에 따라 베어링의 수명 연장을 위한 고성능 나노유체 윤활제에 대한 연구 개발이 필요하다.As described above, the nanofluid lubricant serves to enhance the rolling effect by making the nanoparticles in the lubricant form a nanometer-sized particle film between the rotating machine and the base surface to make point-to-contact contact between the two metal surfaces, and to improve the rolling effect. This has the advantage of being able to cool the rising heat. Accordingly, it is necessary to research and develop high-performance nano-fluid lubricants for extending bearing life.

이에, 본 발명은 회전기기가 구동하지 않을 때에도 윤활유 내에서 높은 분산성을 유지할 수 있는 나노입자로서, 경도가 우수한 구형의 알루미나(Al2O3) 나노입자를 선정하고, 이를 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리하여 사용하였다. 알루미나 나노입자는 표면에 옥사이드 그룹을 가지고 있어 강한 친수성을 나타내는데, 이의 윤활유 내에서 분산성을 높이기 위하여 알루미나 나노입자 표면의 옥사이드 그룹과 잘 반응하는 트리에톡시실란 그룹과, 회전기기의 금속재질과 계면특성을 향상시킬 수 있는 극성을 가지는 아민 그룹이 도입된 자기조립단일막을 사용하여 표면 처리하였다.Accordingly, the present invention is to select a spherical alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles having excellent hardness as nanoparticles capable of maintaining high dispersibility in lubricating oil even when the rotating device is not driven, and self-assembled a single membrane ( Self-assembled monolayer (SAM) was used for surface treatment. The alumina nanoparticles have an oxide group on the surface, which shows a strong hydrophilic property. To increase the dispersibility in the lubricant, the triethoxysilane group which reacts well with the oxide group on the surface of the alumina nanoparticles, and the metal material and interface of the rotating machine The surface treatment was performed using a self-assembled single film into which an amine group having a polarity capable of improving properties was introduced.

본 발명의 일 측면은 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리된 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유에 있어서,In one aspect of the present invention, in a nanofluid lubricant for a rotating device comprising alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles surface-treated with a self-assembled monolayer (SAM),

상기 자기조립단일막은,The self-assembled single film,

하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는,Characterized in that the compound represented by the formula (1),

회전기기용 나노유체 윤활유를 제공한다.It provides a nano-fluid lubricant for rotating equipment.

[화학식 1][Formula 1]

Si(OR1)3R2 Si (OR 1 ) 3 R 2

(상기 화학식 1에서,(In the formula 1,

R1은 C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고; 및R 1 is C 1-5 straight or branched chain alkyl; And

R2는 C1-8의 직쇄 또는 분지쇄 아미노알킬이다).R 2 is C 1-8 straight or branched chain aminoalkyl).

이때 상기 알루미나 나노입자의 직경은 몇 가지 측면에서 20 nm 내지 100 nm일 수 있고, 25 nm 내지 95 nm일 수 있고, 30 nm 내지 90 nm일 수 있고, 35 nm 내지 85 nm일 수 있고, 40 nm 내지 80 nm일 수 있고, 45 nm 내지 75 nm일 수 있고, 50 nm 내지 70 nm일 수 있고, 바람직하게는 약 45 nm의 직경을 가질 수 있다.At this time, the diameter of the alumina nanoparticles may be 20 nm to 100 nm, 25 nm to 95 nm, 30 nm to 90 nm, 35 nm to 85 nm, and 40 nm in several aspects. To 80 nm, 45 nm to 75 nm, 50 nm to 70 nm, preferably about 45 nm in diameter.

상기 알루미나 나노입자는 구형의 알루미나 나노입자일 수 있다.The alumina nanoparticles may be spherical alumina nanoparticles.

다른 측면에서,On the other side,

상기 회전기기는 철도차량 회전기기일 수 있다.The rotating device may be a railway vehicle rotating device.

본 발명의 다른 일 측면은 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 용액에 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)을 첨가하여 제1 혼합물을 형성하는 단계;Another aspect of the present invention is the step of forming a first mixture by adding a self-assembled monolayer (SAM) to a solution containing alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles;

상기 제1 혼합물을 원심분리하여 표면 처리된 알루미나 나노입자를 회수하는 단계;Centrifuging the first mixture to recover surface-treated alumina nanoparticles;

기유(base oil)에 상기 표면 처리된 알루미나 나노입자를 첨가하여 제2 혼합물을 형성하는 단계; 및Forming a second mixture by adding the surface-treated alumina nanoparticles to a base oil; And

상기 제2 혼합물을 초음파 처리하는 단계;를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법으로서, 상기 표면 처리된 알루미나 나노입자는 상기 알루미나 나노입자가 상기 자기조립단일막으로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a nanofluid lubricant for a rotating device, comprising the step of ultrasonically treating the second mixture, wherein the surface-treated alumina nanoparticles are characterized in that the alumina nanoparticles are surface treated with the self-assembled single film. Provided is a method for manufacturing a base nanofluid lubricant.

다른 측면에서,On the other side,

상기 회전기기는 철도차량 회전기기일 수 있다.The rotating device may be a railway vehicle rotating device.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a nanofluid lubricant for a rotating device provided in one aspect of the present invention will be described in detail step by step.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법에 있어서, 1 단계는 알루미나 나노입자를 포함하는 용액에 자기조립단일막을 첨가하여 제1 혼합물을 형성하는 단계이다.In the method of manufacturing a nanofluid lubricating oil for a rotating device provided in one aspect of the present invention, step 1 is a step of forming a first mixture by adding a self-assembled single film to a solution containing alumina nanoparticles.

상기 용액의 용매는 에탄올과 증류수를 1:1의 부피비로 사용할 수 있으나, 이는 하나의 예시적인 설명일 뿐이고, 알루미나 나노입자가 분산될 수 있는 용매라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.As the solvent of the solution, ethanol and distilled water may be used in a volume ratio of 1: 1, but this is only an exemplary description, and a solvent in which alumina nanoparticles can be dispersed may be used without particular limitation.

상기 자기조립단일막은,The self-assembled single film,

하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.It may be a compound represented by the formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Si(OR1)3R2 Si (OR 1 ) 3 R 2

(상기 화학식 1에서,(In the formula 1,

R1은 C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고; 및R 1 is C 1-5 straight or branched chain alkyl; And

R2는 C1-8의 직쇄 또는 분지쇄 아미노알킬이다).R 2 is C 1-8 straight or branched chain aminoalkyl).

상기 자기조립단일막은, 3-아미노프로필 트리에톡시 실레인(3-aminopropyl triethoxy silane, APTES)일 수 있다.The self-assembled monolayer may be 3-aminopropyl triethoxy silane (APTES).

상기 제1 혼합물을 형성하는 단계는, 알루미나 나노입자를 용매에 넣고 물리적 교반 시킨 후 초음파 처리를 통해 입자를 충분히 분산시키고, 자기조립단일막을 첨가하여 환류시키며 교반하여 형성할 수 있다. 이때, 교반 시간, 초음파 처리 시간 및 환류 온도는 용매와 자기조립단일막의 종류에 따라 그 조건이 다르며, 하나의 구체예로는 3시간 내지 12시간 동안 교반하고, 1시간 동안 초음파 처리하고, 80 ℃에서 환류시킬 수 있다.The step of forming the first mixture may be performed by physically stirring the alumina nanoparticles in a solvent, sufficiently dispersing the particles through ultrasonic treatment, and adding a self-assembled single film to reflux and stirring. At this time, the stirring time, ultrasonic treatment time, and reflux temperature are different depending on the type of the solvent and the self-assembled monolayer, and in one specific example, agitation is performed for 3 to 12 hours, ultrasonic treatment for 1 hour, and 80 ° C. Can be refluxed.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법에 있어서, 2 단계는 상기 제1 혼합물을 원심분리하여 표면 처리된 알루미나 나노입자를 회수하는 단계이다.In the method of manufacturing a nanofluid lubricant for a rotating machine provided in one aspect of the present invention, the second step is a step of recovering the surface-treated alumina nanoparticles by centrifuging the first mixture.

상기 원심분리는 용매와 자기조립단일막의 종류에 따라 그 조건이 다르며, 하나의 구체예로는 5000 rpm 하에서 50분 동안 원심분리할 수 있다. 상기 원심분리를 통해 회수한 나노입자를 상온과 60 ℃의 진공오븐에서 각각 12시간 건조하여 표면 처리된 알루미나 나노입자를 얻을 수 있다.The centrifugation is different depending on the type of the solvent and the self-assembled monolayer, and in one embodiment, the centrifugation can be performed under 5000 rpm for 50 minutes. The nanoparticles recovered through the centrifugation can be dried in a vacuum oven at room temperature and 60 ° C. for 12 hours to obtain surface-treated alumina nanoparticles.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법에 있어서, 3 단계는 기유에 상기 표면 처리된 알루미나 나노입자를 첨가하여 제2 혼합물을 형성하는 단계이다.In the method of manufacturing a nanofluid lubricant for a rotating machine provided in one aspect of the present invention, step 3 is a step of forming a second mixture by adding the surface-treated alumina nanoparticles to the base oil.

상기 기유는 상기 표면 처리된 알루미나 나노입자를 분산시키기에 적합한 기유이면, 특별한 제한이 없다. 예로서, 합성 또는 천연 오일 또는 그 혼합물 중에서 선택될 수 있는데, 합성 오일은 말단 하이드록시기가 에스테르화 및 에테르화 등으로 변경된 디카르복시산, 폴리글리콜 및 알코올의 알킬 에스테르, 폴리부텐, 알킬 벤젠, 인산의 유기 에스테르, 폴리실리콘 오일, 및 산화 알킬렌 중합체를 포함하는 폴리-알파-올레핀, 공중합체 및 그 유도체를 포함한다. 이때 합성 오일은 천연 가스를 원료로 한 액체(gas to liquid) 합성 오일을 포함한다. 천연 오일은 동물성 오일 및 식물성 오일, 액체 석유 및 파라핀, 나프텐 및 혼합 파라핀-나프텐 형태의 수정제, 용매 처리 또는 산 처리된 광물 윤활유를 포함한다. 또한 석탄 또는 셰일로부터 얻어지는 윤활 점도의 오일도 포함될 수 있다.The base oil is not particularly limited as long as it is a base oil suitable for dispersing the surface-treated alumina nanoparticles. By way of example, it can be selected from synthetic or natural oils or mixtures thereof, synthetic oils comprising dicarboxylic acids, polyglycols and alcohols of alkyl esters, polybutene, alkyl benzene, phosphoric acid with terminal hydroxyl groups modified by esterification and etherification, etc. Organic esters, polysilicon oils, and poly-alpha-olefins, including alkylene oxide polymers, copolymers and derivatives thereof. In this case, the synthetic oil includes a gas to liquid synthetic oil based on natural gas. Natural oils include animal and vegetable oils, liquid petroleum and fertilizers in the form of paraffin, naphthene and mixed paraffin-naphthene, solvent treated or acid treated mineral lubricants. Oils of lubricating viscosity obtained from coal or shale may also be included.

상기 제2 혼합물의 표면 처리된 알루미나 나노입자의 농도는 몇 가지 측면에서 0.05vol% 내지 0.45vol% 농도 범위일 수 있고, 0.08vol% 내지 0.43vol% 농도 범위일 수 있고, 0.10vol% 내지 0.40vol% 농도 범위일 수 있고, 0.13vol% 내지 0.38vol% 농도 범위일 수 있고, 0.15vol% 내지 0.35vol% 농도 범위일 수 있고, 0.18vol% 내지 0.33vol% 농도 범위일 수 있고, 0.20vol% 내지 0.30vol% 농도 범위일 수 있고, 0.23vol% 내지 0.28vol% 농도 범위일 수 있고, 0.10vol% 농도일 수 있고, 0.30vol% 농도일 수 있다.The concentration of the surface-treated alumina nanoparticles in the second mixture may range from 0.05 vol% to 0.45 vol% in some aspects, from 0.08 vol% to 0.43 vol%, and from 0.10 vol% to 0.40 vol. % Concentration range, 0.13 vol% to 0.38 vol% concentration range, 0.15 vol% to 0.35 vol% concentration range, 0.18 vol% to 0.33 vol% concentration range, 0.20 vol% to It may be in a concentration range of 0.30 vol%, in a concentration range of 0.23 vol% to 0.28 vol%, in a concentration of 0.10 vol%, and in a concentration of 0.30 vol%.

본 발명의 일 측면에서 제공하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법에 있어서, 4 단계는 상기 제2 혼합물을 초음파 처리하는 단계이다.In the method of manufacturing a nanofluid lubricant for a rotating device provided in one aspect of the present invention, step 4 is a step of ultrasonicating the second mixture.

상기 초음파 처리는 용매와 자기조립단일막의 종류 및 표면 처리된 알루미나 나노입자의 농도에 따라 달라질 수 있으며, 하나의 구체예로는 1시간 동안 초음파 처리하여 나노입자가 분산될 수 있게 할 수 있다.The ultrasonic treatment may vary depending on the type of the self-assembled monolayer and the concentration of the surface-treated alumina nanoparticles. In one embodiment, the ultrasonic treatment may be performed for 1 hour to allow the nanoparticles to be dispersed.

본 발명의 또 다른 일 측면은 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 분산성을 향상시키는 방법에 있어서, 상기 알루미나 나노입자를 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리하여 회전기기용 나노유체 윤활유의 분산성을 향상시키는 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, in a method for improving the dispersibility of a nanofluid lubricant for a rotating device including alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles, the alumina nanoparticles self-assembled monolayer, SAM) to provide a method of improving the dispersibility of nanofluid lubricant for rotating equipment by surface treatment.

표면이 처리되지 않은 알루미나 나노입자를 포함하는 나노유체 윤활유에 비해, 표면이 처리된 알루미나 나노입자를 포함하는 나노유체 윤활유가 장기 분산안정성 실험에서 좋은 결과를 보였다. 구체적으로, 표면 처리되지 않은 알루미나 나노입자를 0.1vol% 포함하는 나노유체 윤활유는 표면 처리된 알루미나 나노입자를 0.1vol% 포함하는 나노유체와 초기에는 유사한 분산안정성을 보이지만, 36시간 이후부터는 표면 처리된 알루미나 나노입자를 포함하는 나노유체 윤활유보다 분산안정성이 떨어지기 시작하였다. 표면 처리되지 않은 알루미나 나노입자를 0.3vol% 포함하는 나노유체 윤활유는 분산 후 2일만에 안정성이 매우 떨어지기 시작하는 반면, 표면 처리된 알루미나 나노입자를 0.3vol% 포함하는 나노유체 윤활유는 6일 이후에도 분산안정성이 크게 떨어지지 않았다. 구체적인 실험과정 및 데이터는 실험예 2에서 후술하였다.Compared to nanofluid lubricating oil containing alumina nanoparticles without surface treatment, nanofluid lubricating oil containing alumina nanoparticles with surface treatment showed good results in a long-term dispersion stability experiment. Specifically, nanofluid lubricating oil containing 0.1 vol% of alumina nanoparticles without surface treatment initially exhibits similar dispersion stability as nanofluid containing 0.1vol% of alumina nanoparticles treated with surface treatment, but has been surface treated after 36 hours. Dispersion stability began to be lower than that of nanofluid lubricants containing alumina nanoparticles. Nanofluid lubricating oil containing 0.3 vol% of untreated alumina nanoparticles begins to deteriorate in stability only after 2 days after dispersion, whereas nanofluid lubricating oil containing 0.3 vol% of surface treated alumina nanoparticles remains after 6 days. The dispersion stability did not drop significantly. The detailed experimental process and data were described later in Experimental Example 2.

본 발명의 또 다른 일 측면은 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체를 사용하여 회전기기의 마모를 감소시키는 방법에 있어서, 상기 알루미나 나노입자를 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리하여 회전기기의 마모를 감소시키는 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, in a method of reducing wear of a rotating device using a nanofluid for a rotating device including alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles, the alumina nanoparticles self-assembled into a single film (self- It provides a method of reducing the wear of rotating equipment by surface treatment with assembled monolayer (SAM).

표면이 처리되지 않은 알루미나 나노입자를 포함하는 나노유체 윤활유에 비해, 표면이 처리된 알루미나 나노입자를 포함하는 나노유체 윤활유가 윤활특성 실험에서 좋은 결과를 보였다. 구체적으로, 윤활특성을 평가하기 위한 4구 시험(4 ball test)에서 표면 처리된 알루미나 나노입자를 각각 0.1vol%, 0.3 vol% 포함하는 나노유체 윤활유는 각각 0.597 m와 0.633 m의 평균 직경을 가지는 마모가 발생한 반면, 표면이 처리되지 않은 알루미나 나노입자를 각각 0.1vol%, 0.3 vol% 포함하는 나노유체 윤활유는 그보다 11% 내지 13% 이상 큰 0.678 m와 0.707 m의 평균 직경을 가지는 마모가 발생하였다. 구체적인 실험과정 및 데이터는 실험예 3에서 후술하였다.Compared to nanofluid lubricating oil containing alumina nanoparticles without surface treatment, nanofluid lubricating oil containing alumina nanoparticles with surface treatment showed good results in the lubrication characteristic experiment. Specifically, a nanofluid lubricant containing 0.1 vol% and 0.3 vol% of alumina nanoparticles surface-treated in a 4 ball test for evaluating lubrication properties has an average diameter of 0.597 m and 0.633 m, respectively. While abrasion occurred, nanofluid lubricants containing 0.1 vol% and 0.3 vol% of alumina nanoparticles without surface treatment, respectively, had abrasions with average diameters of 0.678 m and 0.707 m, which were 11% to 13% higher. . The detailed experimental process and data were described later in Experimental Example 3.

이하, 본 발명을 후술하는 실시예 및 실험예를 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples and experimental examples described below.

단, 후술하는 실시예 및 실험예는 본 발명을 일부 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.However, the Examples and Experimental Examples described below are merely illustrative of the present invention, but the present invention is not limited thereto.

<실시예 1> 표면처리된 나노입자의 제조<Example 1> Preparation of surface-treated nanoparticles

Figure 112019042424617-pat00001
Figure 112019042424617-pat00001

우수한 특성을 가지는 나노유체 윤활유 제조를 위해서는 기능성 나노입자가 기유(base-oil)안에서 응집현상 없이 잘 분산되어야만 한다.In order to manufacture a nanofluid lubricant having excellent properties, functional nanoparticles must be well dispersed in a base-oil without aggregation.

대표적인 파라핀계 윤활기유는 CnH2n+2 단일결합을 가지고 있는 직선형태이거나 곁가지를 가지는 탄소와 수소로 구성된 분자구조를 가진다. 일반적으로 C12-C16 수준의 긴 alkyl 그룹을 가지고 있기 때문에 소수성 성질을 가진다. 나노유체 윤활유 제조에 사용되는 다양한 기능성 나노입자들은 대부분 표면에 옥사이드(-OH) 또는 카보닐(-COOH) 그룹을 가지고 있어서 친수성 특징을 나타낸다. 이러한 친수성 나노입자를 윤활기유에 잘 분산시키기 위해서는 기유와 유사한 화학적 성질을 가지도록 나노입자 표면을 개질할 필요가 있다.Typical paraffinic lubricating base oils have a molecular structure composed of carbon and hydrogen with straight or branched C n H 2n + 2 single bonds. In general, it has a long alkyl group at the level of C 12 -C 16 and thus has hydrophobic properties. The various functional nanoparticles used in the manufacture of nanofluid lubricating oils have an oxide (-OH) or carbonyl (-COOH) group on the surface and thus exhibit hydrophilic characteristics. In order to disperse these hydrophilic nanoparticles well in a lubricating base oil, it is necessary to modify the surface of the nanoparticles to have chemical properties similar to base oil.

실시예 1에서 사용한 알루미나 (Al2O3) 나노입자 역시 표면에 옥사이드 그룹을 가지고 있어 강한 친수성을 나타낸다. 따라서, 알루미나 표면에 존재하는 옥사이드 그룹과 반응성이 우수한 실레인 그룹을 가지고 있는 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM) 소재를 이용하여 표면을 처리했다.The alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles used in Example 1 also have an oxide group on the surface, thus exhibiting strong hydrophilicity. Therefore, the surface was treated using a self-assembled monolayer (SAM) material having an oxide group present on the alumina surface and a silane group having excellent reactivity.

경도가 우수하고 평균직경 45 nm를 가지는 구형의 알루미나 나노입자(Al2O3, Alfa Aesar, Nanodur)를 사용하는데, 직경 100 nm 이하의 나노입자들은 질량대비 표면적이 커서 서로 응집될 가능성이 매우 높기 때문에 분산성을 높이기 위해서는 적절한 표면처리가 필요하다. 표면처리제로는 대표적인 자기조립단일막인 3-아미노프로필 트리에톡시 실레인(APTES, Sigma-Aldrich)를 이용하였다.Spherical alumina nanoparticles (Al 2 O 3 , Alfa Aesar, Nanodur) having an excellent hardness and an average diameter of 45 nm are used. Nanoparticles with a diameter of 100 nm or less have a large surface area to mass and are very likely to aggregate. Therefore, proper surface treatment is required to increase dispersibility. As a surface treatment agent, 3-aminopropyl triethoxy silane (APTES, Sigma-Aldrich), which is a representative self-assembled monolayer, was used.

APTES의 한쪽 말단은 산화물 나노입자 표면에 다수 존재하는 -OH 그룹과 매우 잘 반응한다고 알려진 트리에톡시실레인 그룹으로 이루어졌으며, 다른 한쪽은 철도 회전기기에 주로 사용되는 금속재질과의 계면특성을 향상시킬 수 있도록 극성을 가지는 아민(-NH2) 그룹이 도입되어 있는 구조이다.One end of APTES consists of a triethoxysilane group that is known to react very well with -OH groups existing on the surface of oxide nanoparticles, and the other end improves the interfacial properties with metal materials mainly used in railway rolling machinery. It is a structure in which an amine (-NH2) group having a polarity is introduced.

알루미나 나노입자 5 g에 에탄올과 증류수를 1:1의 부피비로 총 200 mL를 넣고 혼합하여 물리적 교반(3시간) 시킨 후 초음파처리(1시간)를 통해 입자를 충분히 분산시킨다. 알루미나 입자가 분산된 서스펜션에 3-아미노프로필 트리에톡시 실레인(APTES) 33.75 mM (7.47 g)를 시린지를 이용해서 10분 간 한 방울씩 떨어트려 넣어준다. 80 ℃에서 환류(reflux)시키며 3시간동안 교반 후, 상온에서 12시간 추가적으로 교반 한다. 알루미나 나노입자가 포함된 콜로이드를 원심분리기(5000rpm, 50분)를 이용하여 에탄올로 3 회 세척한다. 원심분리를 이용해서 회수한 나노입자를 상온과 60 ℃의 진공오븐에서 각각 12시간 건조하여 표면처리된 알루미나 나노입자를 (APTES-NP) 얻을 수 있었다.A total of 200 mL of ethanol and distilled water are added to 5 g of alumina nanoparticles in a volume ratio of 1: 1, mixed, and physically stirred (3 hours), followed by sonication (1 hour) to sufficiently disperse the particles. To the suspension in which the alumina particles were dispersed, 3-aminopropyl triethoxy silane (APTES) 33.75 mM (7.47 g) was added dropwise for 10 minutes using a syringe. After refluxing at 80 ° C. and stirring for 3 hours, the mixture is further stirred at room temperature for 12 hours. The colloid containing alumina nanoparticles is washed three times with ethanol using a centrifuge (5000 rpm, 50 minutes). The nanoparticles recovered by centrifugation were dried in a vacuum oven at room temperature and 60 ° C. for 12 hours to obtain surface-treated alumina nanoparticles (APTES-NP).

<실시예 2> 나노유체 윤활유의 제조<Example 2> Preparation of nanofluid lubricant

실시예 1에서 제조한 나노입를 이용하여 나노유체 윤활유를 제조하기 위해, 철도차량 기어박스용 윤활유(Spirax EP 80W, Shell)를 기유(base-oil)로 선정하였다. 나노유체 윤활유 제조를 위해 실시예 1의 나노입자를 각각 0.1, 0.3, 0.5vol% 넣고 초음파처리(1시간)후 나노입자가 분산될 수 있도록 5시간 이상 충분히 교반 하여 나노유체 윤활유를 제조하였다.In order to manufacture a nanofluid lubricant using the nanoparticles prepared in Example 1, a lubricant for a gearbox of a railway vehicle (Spirax EP 80W, Shell) was selected as a base oil. For the preparation of the nanofluid lubricant, the nanoparticles of Example 1 were added with 0.1, 0.3, and 0.5 vol%, respectively, and after ultrasonic treatment (1 hour), the nanoparticles were sufficiently stirred for 5 hours or more so that the nanoparticles could be dispersed.

<비교예 1> <Comparative Example 1>

비교실험을 위해, 표면처리 되지 않은 알루미나 나노입자(Pristine-NP)를 준비하였다.For comparative experiments, alumina nanoparticles (Pristine-NP) that were not surface-treated were prepared.

<비교예 2> <Comparative Example 2>

비교 실험을 위해, 실시예 1의 나노입자 대신 비교예 1의 나노입자를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조성을 가지는 나노유체 윤활유를 제조하였다. For comparative experiments, a nanofluid lubricant having the same composition as Example 2 was prepared, except that the nanoparticles of Comparative Example 1 were used instead of the nanoparticles of Example 1.

<실험예 1> 나노입자의 중량 및 표면 분석<Experimental Example 1> Nanoparticle weight and surface analysis

알루미나 나노입자의 표면처리 여부는 열적중량분석(thermal gravimetric analysis, TGA)과 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 분석을 통해 확인할 수 있다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.The surface treatment of alumina nanoparticles can be confirmed by thermal gravimetric analysis (TGA) and transmission electron microscopy (TEM) analysis. The results are shown in FIG. 2.

도 2(a)에 나타난바와 같이, 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 나노입자의 표면 처리된 APTES의 함량을 정량적으로 분석하였다. 알루미나 나노입자는 1000 ℃ 이상의 내열성을 갖는 반면, 표면에 처리된 APTES는 유기물이기 때문에 일반적으로 500 ℃ 이하의 내열성을 갖는다. 질소 분위기에서 700 ℃까지 승온하면서 (승온속도 10 ℃/min) 발생하는 중량변화를 관찰하였다. 비교예 1은 중량감소가 거의 일어나지 않는 반면에, 실시예 1의 경우 350℃ 지점에서 중량감소가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 비교예 1 대비 0.68%의 중량감소가 추가적으로 일어났으며, 이는 실시예 1 시료에 존재하는 APTES 함량을 의미한다. 하지만 이러한 결과가 APTES가 알루미나 나노입자 표면에 존재하는 것을 의미하는 것은 아니다.As shown in Figure 2 (a), the content of the surface-treated APTES of the nanoparticles prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was quantitatively analyzed. Alumina nanoparticles have a heat resistance of 1000 ° C or higher, whereas APTES treated on the surface is generally organic and has a heat resistance of 500 ° C or lower. The temperature change was observed while heating up to 700 ° C in a nitrogen atmosphere (heating rate of 10 ° C / min). In Comparative Example 1, the weight loss hardly occurs, whereas in Example 1, it can be confirmed that the weight loss occurs at a 350 ° C point. Weight loss of 0.68% compared to Comparative Example 1 occurred additionally, which means the APTES content present in the Example 1 sample. However, these results do not mean that APTES is present on the surface of alumina nanoparticles.

표면처리 여부를 직접적으로 확인하기 위해, 실시예 1을 TEM을 통해 관찰하였다. 도 2(b)에서 보는 바와 같이, 고해상도 TEM 분석을 통해 알루미나 입자 표면에 존재하는 APTES 박막을 직접적으로 관찰한 결과, 알루미나 입자 표면에 APTES가 약 1 nm 두께로 막을 형성하고 있는 것을 확인하였다.In order to directly check the surface treatment, Example 1 was observed through TEM. 2 (b), as a result of directly observing the APTES thin film present on the alumina particle surface through high-resolution TEM analysis, it was confirmed that APTES formed a film with a thickness of about 1 nm on the alumina particle surface.

또한, 에너지 분산 스펙트럼(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)기법을 이용한 원소분석을 통해 APTES 표면처리 여부를 좀 더 명확하게 확인할 수 있었다. 도 2(c)에서 보는 바와 같이 APTES-NP 시료로부터 Al, O, Si, C에 대한 원소분석을 진행하였다. 알루미나 입자이기 때문에 당연히 Al, O 원소에 대한 이미지를 확인할 수 있다. 그리고 APTES 분자에 존재하는 Si과 C 원소들이 알루미나 입자 표면을 따라 고르게 분포되어 있다. 이를 통해, APTES가 알루미나 표면에 잘 처리되었음을 확인하였다.In addition, through the elemental analysis using the Energy Dispersive Spectrometer (EDS) technique, the APTES surface treatment can be more clearly confirmed. 2 (c), elemental analysis of Al, O, Si, and C was performed from the APTES-NP sample. Since it is an alumina particle, it is of course possible to confirm the image of the Al and O elements. In addition, Si and C elements present in the APTES molecule are evenly distributed along the alumina particle surface. Through this, it was confirmed that APTES was well treated on the alumina surface.

<실험예 2> 나노유체 윤활유의 분산 안정성 평가<Experimental Example 2> Evaluation of dispersion stability of nanofluid lubricant

2.1. 분산 안정성 평가 - 12.1. Dispersion stability evaluation-1

실시예 2에서 나노유체 윤활유의 분산 안정성을 평가하기 위하여, 실시예 2 및 비교예 2의 농도별 나노유체의 분산 안정성을 제조 직후부터 8 일까지의 시간 변화에 따라 사진을 찍어 관찰하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. 총 7 개의 시료 중 첫 번째 시료는 Spirax EP 80W기유이며, 2 ~ 4번째의 시료는 비교예 2를 각각 0.1, 0.3, 0.5vol% 농도별로 넣은 것이고, 5 ~ 7번째 시료는 실시예 2를 0.1, 0.3, 0.5vol% 농도별로 넣은 나노유체이다.In order to evaluate the dispersion stability of the nanofluid lubricating oil in Example 2, the dispersion stability of the nanofluids according to the concentrations of Example 2 and Comparative Example 2 was observed by taking pictures according to the time change from immediately after manufacture to 8 days. The results are shown in FIG. 3. The first of the 7 samples is Spirax EP 80W base oil, and the 2nd to 4th samples were put in Comparative Examples 2 by 0.1, 0.3, and 0.5 vol% concentrations, respectively, and the 5th to 7th samples were Examples 2 and 0.1. , 0.3, 0.5vol% Nanofluid added by concentration.

육안 상으로 제조 직후에는 큰 변화가 없지만, 시간이 지남에 따라 나노입자의 표면처리 여부에 따라 분산성에 큰 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다. 특히 1-2일째 결과를 보면, 동일한 함량을 넣었음에도 불구하고, 비교예 2에서 발생하는 침전량이 실시예 2보다 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향성은 모든 조성에서 유사하게 관찰된다.Visually, there is no significant change immediately after preparation, but it can be seen that a large difference in dispersibility appears depending on whether the nanoparticles are surface-treated over time. In particular, when looking at the results of Day 1-2, it can be seen that despite the same amount, the precipitation amount generated in Comparative Example 2 appears larger than in Example 2. This tendency is similarly observed for all compositions.

따라서, 실시예 2에서 제조한 나노유체 윤활유는 비교예 2의 나노유체 윤활유보다 좋은 분산 안정성을 보이며, 특히 제조한 6개의 나노유체 중에서는 실시예 2의 농도가 0.1vol%일 때 가장 좋은 분산안정성을 보이는 것을 확인하였다. 나머지 나노유체의 경우 침전현상이 발생하여 투명한 상층부와 침전이 일어난 바닥층이 뚜렷하게 분리되는 것을 관찰하였다. 또한 0.5vol%의 나노입자가 포함될 경우 표면처리 여부에 상관없이 침전량이 매우 많은 것을 알 수 있었다.Therefore, the nanofluid lubricating oil prepared in Example 2 shows better dispersion stability than the nanofluid lubricating oil of Comparative Example 2, and among the six nanofluids prepared in particular, the best dispersion stability when the concentration of Example 2 is 0.1 vol%. It was confirmed to show. In the case of the rest of the nanofluids, it was observed that a sedimentation phenomenon occurred, and the transparent upper layer part and the sedimented bottom layer were clearly separated. Also, when 0.5 vol% of nanoparticles were included, it was found that the amount of precipitation was very high regardless of the surface treatment.

2.2. 분산 안정성 평가 - 22.2. Dispersion stability evaluation-2

다양한 구동 및 회전기기에 사용되는 윤활유의 특성상 운전상태뿐만 아니라 회전기기가 운전하지 않는 시간에도 안정적인 분산성을 유지하고 있어야 한다. 특히 기유에 화학적으로 용해되어 있는 첨가제와 달리 물리적으로 분산되어 있는 나노유체 기반의 윤활유의 장기 분산안정성은 더욱 중요하다.Due to the characteristics of the lubricant used in various driving and rotating equipment, it must maintain stable dispersion in the operation state as well as in times when the rotating equipment is not operating. In particular, the long-term dispersion stability of nanofluid-based lubricating oil that is physically dispersed is more important, unlike additives that are chemically dissolved in base oil.

실시예 2.2의 나노유체 윤활유의 분산성을 정량적으로 측정하기 위해, Turbiscan AGS (Formulaction사) 장비를 이용하였다. Turbiscan은 시료를 통과하는 다중 광산란 방식을 통해 복합적인 투과도 (Back Scattering Trasnmittance, BST)를 측정하여 분산특성을 정량화 할 수 있다. 일정 시간이 지난 뒤 측정한 투과도 변화 (Delta BST)를 계산함으로써, 유체 내 입자들의 분산안정도 (Stability Index)를 정량적으로 구할 수 있다. 실험예 2.2에서 사용한 Turbiscan AGS 장비의 실제 이미지와 투과 및 산란도 측정 개념도를 도 4에 나타내었다.To quantitatively measure the dispersibility of the nanofluid lubricant of Example 2.2, a Turbiscan AGS (Formulaction) equipment was used. Turbiscan can quantify the dispersion characteristics by measuring complex transmittance (Back Scattering Trasnmittance, BST) through multiple light scattering methods through a sample. By calculating the change in permeability (Delta BST) measured after a certain period of time, the stability index of particles in the fluid can be quantitatively determined. The actual image of the Turbiscan AGS equipment used in Experimental Example 2.2 and the conceptual diagram of transmission and scattering measurement are shown in FIG. 4.

전용 용기에 분산액을 담아 측정함으로써 용기의 하층부부터 상층부까지 촘촘히 스캐닝 함으로써, 거품화, 침전, 상분리, 응집, 거품화 등을 구별할 수 있기 때문에 분산 저해 메커니즘 연구를 할 수 있다. 또한, 로봇팔을 이용하여 정해진 시간마다 최대 54개의 시료를 동시에 측정가능하기 때문에 다양한 종류 및 조성을 가지는 시료들에 대한 장기 분산안정성 분석을 안정적으로 할 수 있다.By measuring the dispersion in a dedicated container and scanning closely from the lower part to the upper part of the container, foaming, sedimentation, phase separation, agglomeration, foaming, etc. can be distinguished. In addition, since up to 54 samples can be simultaneously measured at a given time using a robot arm, long-term dispersion stability analysis of samples having various types and compositions can be stably performed.

도 5는 상온에서 제조한 실시예 2 및 비교예 2의 나노유체 윤활유를 매 2시간 간격으로 6일 동안 스캐닝 하여 분산안정성의 변화를 측정한 결과이다. 시료의 높이(X축)에 대해 각 스캔 시간에 따른 투과도의 변화(△T)와 후방 산란(Back-scattering)의 변화(△BS)를 Y축에 나타내었다. 도 5(a) 내지 도 5(c)는 0.1, 0.3, 0.5 vol% 농도의 비교예 2의 결과이고, 도 5(d) 내지 도 5(f)는 0.1, 0.3, 0.5 vol% 농도의 실시예 2의 결과를 보여준다.5 is a result of measuring the change in dispersion stability by scanning the nanofluid lubricants of Example 2 and Comparative Example 2 prepared at room temperature for 6 days every 2 hours. The change in transmittance (ΔT) and change in back-scattering (ΔBS) with respect to the height of the sample (X-axis) with each scan time are shown on the Y-axis. 5 (a) to 5 (c) are the results of Comparative Example 2 at concentrations of 0.1, 0.3, and 0.5 vol%, and FIGS. 5 (d) to 5 (f) are conducted at concentrations of 0.1, 0.3 and 0.5 vol%. The results of Example 2 are shown.

시간에 따른 투과도와 산란도의 변화가 작을수록 장기분산안정성이 높으며, 변화량과 변화속도가 클수록 분산성이 낮음을 의미한다. 일반적으로 나노유체 윤활유의 경우, 세라믹 또는 금속 나노입자의 밀도가 기유에 비해 현저히 높기 때문에 교반 없이 장기 보관할 경우, 초기 분산특성이 좋더라도 시간이 지남에 따라 침전현상에 의한 분산성의 저하가 예상된다. 실험예 2.2에서 사용한 알루미나 나노입자의 밀도는 3.60 cm3/mL이며, 기유인 Spirax EP 80W의 밀도는 0.89 cm3/mL로서 역시 침전이 발생할 가능성이 매우 높다.The smaller the change in permeability and scattering degree over time, the higher the long-term dispersion stability, and the larger the amount of change and the rate of change, the lower the dispersibility. In general, in the case of nano-fluid lubricants, since the density of ceramic or metal nanoparticles is significantly higher than that of base oils, when stored for a long period of time without agitation, even if the initial dispersion characteristics are good, the dispersibility due to precipitation phenomenon is expected to decrease over time. The density of the alumina nanoparticles used in Experimental Example 2.2 is 3.60 cm 3 / mL, and the density of Spirax EP 80W, the base oil, is 0.89 cm 3 / mL, which is very likely to cause precipitation.

Turbiscan 결과를 보면 실시예 2 0.1vol% (도 5(d)) 시료를 제외한 모든 시료의 하층부에서 △BS의 값이 크게 증가하는 것을 볼 수 있으며, 예상한 바와 같이 전형적인 침전현상에 의해 투과도의 변화를 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 침전현상은 첫 24시간 이내에 빠르게 진행되었으며, 그 이후에는 침전현상이 안정화 되었다. 하지만 실시예 2 0.1vol% 시료의 경우, 침전현상이 나타나기는 하지만 다른 시료에 비해 현저히 낮을 뿐만 아니라, 분산특성을 측정한 6일에 걸쳐 균일한 속도로 매우 천천히 침전이 되는 것을 볼 수 있다. 이는 분산안정성이 충분히 확보되어 있고, 중력에 의해서 무거운 입자들이 서서히 가라앉기 때문이다. 또한, 시료들의 중간층의 △BS를 살펴보면, 비교예 2의 경우, 시료의 높이에 따라 투과도가 불균일하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 분산특성이 좋지 않는 나노입자들이 서로 응집 되어 입자의 크기가 커질 뿐만 아니라 상층부와 하층부 사이에 상분리가 발생하는 것을 의미하며, 분산특성이 좋지 않을 때 나타나는 전형적인 모습이다. 하지만, 실시예 2의 경우에는 0.5vol%의 고농도의 나노입자가 경우를 제외하고는, 시료 높이에 따른 △T와 △BS가 균일하게 변화하는 것을 볼 수 있다(도 5 (d) 및 도 5(e)). 표면이 APTES로 처리되었기 때문에 기유와의 계면특성이 향상되어, 입자간 응집현상이 크게 발생하지 않음을 의미한다.Looking at the Turbiscan results, it can be seen that the value of ΔBS is significantly increased in the lower part of all samples except for the 0.1 vol% sample (FIG. 5 (d)), and the permeability is changed by the typical precipitation phenomenon as expected. It can be seen that appears. The precipitation phenomenon quickly progressed within the first 24 hours, after which the precipitation phenomenon stabilized. However, in the case of the 0.1 vol% sample of Example 2, although the precipitation phenomenon was observed, it was found to be not only significantly lower than other samples, but also to precipitate very slowly at a uniform rate over 6 days of measuring the dispersion properties. This is because dispersion stability is sufficiently secured and heavy particles gradually sink due to gravity. In addition, when looking at ΔBS of the middle layer of the samples, it can be seen that in the case of Comparative Example 2, the transmittance was uneven depending on the height of the sample. These results indicate that nanoparticles having poor dispersion characteristics are aggregated with each other to increase the size of the particles, and that phase separation occurs between the upper and lower layers, and is a typical appearance when the dispersion characteristics are not good. However, in the case of Example 2, it can be seen that ΔT and ΔBS according to the sample height change uniformly, except for the case where the high concentration of nanoparticles of 0.5 vol% is used (FIG. 5 (d) and FIG. 5). (e)). Since the surface is treated with APTES, the interfacial properties with the base oil are improved, which means that the agglomeration between particles does not occur significantly.

전체적인 분산안정성의 차이를 Turbiscan 안정도 지수(TSI) 값을 구함으로써 정량적으로 비교할 수 있다. TSI는 하기 수학식 1과 같이 지정한 시료 높이(H)에서 시간에 따라 측정된 각 프로파일(profile)간의 거리(di)값이며 시간에 따른 분산안정성의 변화로 인한 각 프로파일간의 면적을 적분하여 누적시킨 것을 말한다.The overall dispersion stability difference can be quantitatively compared by obtaining the Turbiscan Stability Index (TSI) value. TSI is the distance (d i ) between each profile measured over time at the specified sample height (H) as shown in Equation 1 below, and is accumulated by integrating the area between each profile due to changes in dispersion stability over time. Say what you ordered.

[수학식 1][Equation 1]

di = {∑h|scani(h) - scani-1(h)|} / Hd i = {∑ h | scan i (h)-scan i-1 (h) |} / H

도 6에 제조된 6 종류의 나노유체 윤활유의 TSI 값을 (Y축) 나타내었으며, X축은 보관시간을 의미한다. 이러한 그래프를 통해 나노유체 윤활유의 안전성을 판단할 수 있다. TSI 값이 클수록 분산안정성이 더 나쁘다는 것을 의미한다.6 shows the TSI values (Y-axis) of the six types of nanofluid lubricants prepared in FIG. 6, and the X-axis represents storage time. The safety of the nanofluid lubricant can be determined through these graphs. The larger the TSI value, the worse the dispersion stability.

도 6에 나타난 바와 같이, 0.1vol% 농도의 실시예 2가 가장 좋은 장기 분산안정성을 나타내는 것을 확인하였다. 일반적으로 TSI 값이 20 이하의 경우 분산안정성이 유지되는 것을 의미한다. 나노입자 함량이 0.1vol% 이하일 경우에는 표면처리 여부와 상관없이 분산안정성이 어느 정도 유지되는 것을 볼 수 있다. 분산안정성이 가장 좋은 실시예 2 0.1vol% 경우, 36시간 이후 응집 및 침전 현상에 의해 TSI 값이 상승하지만 그 이후에는 TSI 상승폭이 매우 작다. 하지만, 비교예 2 0.1vol% 시료의 경우, 초기에는 실시예 2 0.1vol% 시료와 유사한 거동을 보이지만, 시간이 지남에 따라 TSI값이 지속적으로 증가하여 20 이상의 값을 보였다. 이는 초기 중력에 의한 입자 침전뿐만 아니라, 나노입자 간의 응집이 지속적으로 발생하고 있음을 의미한다.As shown in Figure 6, it was confirmed that Example 2 at a concentration of 0.1 vol% shows the best long-term dispersion stability. Generally, when the TSI value is 20 or less, it means that dispersion stability is maintained. When the nanoparticle content is 0.1 vol% or less, it can be seen that the dispersion stability is maintained to some extent regardless of whether the surface is treated. Example 2 with the best dispersion stability When 0.1 vol%, the TSI value is increased by aggregation and sedimentation after 36 hours, but after that, the TSI rise is very small. However, in the case of the 0.1 vol% sample of Comparative Example 2, initially, the behavior was similar to that of the 0.1 vol% sample of Example 2, but the TSI value continuously increased over time to show a value of 20 or more. This means that agglomeration between nanoparticles is continuously occurring, as well as particle precipitation due to initial gravity.

나노입자 함량이 0.3vol% 이상이 되면 표면처리 여부와 상관없이 0.1vol% 시료보다 더 높은 TSI 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이는 밀도가 높은 알루미나 입자들의 많이 포함되어 있어 침전현상이 빠르게 발생하기 때문인 것으로 이해된다. 또한, 입자함량이 0.3vol% 이상이 되는 시료들에서는 표면처리 여부가 분산성에 훨씬 더 많은 영향을 미쳤다. 비교예 2 0.3vol%와 0.5vol% 시료의 경우, 분산 후 2일 만에 40 이상의 TSI 값이 측정되었으며, 6일 후에는 50을 넘는 매우 높은 값을 나타내었다. 이는 분산성이 매우 악화되었음을 의미한다. 입자의 함량도 높고 표면처리가 되지 않았기 때문에, 응집 현상이 발생하여 입자크기가 커지고 침전이 빠르고 많이 발생한다. 반면에 실시예 2의 경우, 입자 함량이 0.3vol%이상이 되어도 TSI 값은 6일 이후에도 30 이하에서 안정화되는 것을 확인할 수 있다. 입자 함량이 높아서 침전이 발생하지만, 표면처리 덕분에 입자간 응집현상을 막기 때문이다. 일반적으로 용액의 TSI 값이 20 이하이면 분산안정성이 유지되는 것으로 판단할 수 있다. 이런 기준으로 볼 때, 실시예 2 0.1vol%만이 7일 이상의 장기분산안정성을 확보한다고 볼 수 있다. 이러한 결과는 육안으로 분산성을 관찰한 결과(도 3) 및 Turbiscan 투과도 변화(도 5)를 통해 얻은 결과와도 일치한다. 이를 통해 나노입자의 함량과 표면처리 여부가 나노유체 윤활유 장기분산안정성에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.When the nanoparticle content is 0.3 vol% or more, it can be seen that it has a higher TSI value than the 0.1 vol% sample regardless of whether or not it is surface treated. It is understood that this is due to the fact that a large amount of dense alumina particles is contained, and thus precipitation occurs rapidly. In addition, in samples having a particle content of 0.3 vol% or more, surface treatment had a much greater effect on dispersibility. Comparative Example 2 In the case of 0.3 vol% and 0.5 vol% samples, a TSI value of 40 or more was measured in 2 days after dispersion, and after 6 days, it showed a very high value of more than 50. This means that the dispersibility was very deteriorated. Since the content of the particles is also high and the surface treatment is not performed, agglomeration occurs, resulting in a large particle size and rapid precipitation. On the other hand, in the case of Example 2, it can be seen that even if the particle content is 0.3 vol% or more, the TSI value is stabilized at 30 or less even after 6 days. This is because precipitation occurs due to the high particle content, but it prevents aggregation between particles due to surface treatment. In general, when the TSI value of the solution is 20 or less, it can be determined that dispersion stability is maintained. Based on these criteria, it can be seen that only 0.1 vol% of Example 2 secures long-term dispersion stability of 7 days or longer. These results are consistent with the results obtained through observation of dispersibility with the naked eye (FIG. 3) and Turbiscan permeability changes (FIG. 5). Through this, it can be seen that the content and surface treatment of the nanoparticles greatly influence the long-term dispersion stability of the nanofluid lubricant.

2.3. 점도 평가2.3. Viscosity evaluation

0.1vol%, 0.3vol% 농도의 실시예 2 및 비교예 2 4종에 대한 동점도 (Kinematic Viscosity) 결과를 표 1에 나타내었다. 분산성이 떨어지는 나노입자 0.5vol% 포함하는 나노유체 윤활유는 점도 측정을 하지 않았다. 동점도는 HVM 472 (HERZOG) 점도측정기로 ASTM D445 규격에 맞춰 측정한 결과이다. Spirax EP 윤활유의의 동점도는 40 ℃와 100 ℃ 에서 각각 71.07(73.4)cSt와 9.323(9.2)cSt로 측정되었으며 점도지수 (Viscosity Index)는 108이다. 이는 Spirax EP 80W 제조사에서 제공하는 물성표의 결과와 매우 유사한 결과이며, 제조사의 결과는 괄호 안에 표기하였다. 실시예 2 및 비교예 2의 동점도 및 점도지수 결과를 보면, 나노입자가 0.1 vol%, 0.3 vol% 포함되더라도 동점도와 점도지수 특성에는 크게 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 나노입자의 표면처리 여부에 따른 점도 특성 변화에도 큰 차이는 나타나지 않았다. Table 1 shows the results of Kinematic Viscosity for Example 2 and Comparative Example 2 4 of 0.1 vol% and 0.3 vol% concentration. Nanofluid lubricant containing 0.5 vol% of nanoparticles with poor dispersibility was not measured for viscosity. Kinematic viscosity is the result of HVM 472 (HERZOG) viscosity measurement according to ASTM D445 standard. The kinematic viscosity of Spirax EP lubricants was measured to be 71.07 (73.4) cSt and 9.323 (9.2) cSt at 40 ° C and 100 ° C, respectively, and the viscosity index was 108. This is a result very similar to the result of the property table provided by the Spirax EP 80W manufacturer, and the manufacturer's results are indicated in parentheses. Looking at the results of the kinematic viscosity and viscosity index of Example 2 and Comparative Example 2, it can be seen that even if the nanoparticles are included in 0.1 vol% and 0.3 vol%, the kinematic viscosity and viscosity index properties are not significantly affected. In addition, there was no significant difference in the change in viscosity characteristics depending on whether the nanoparticles were surface treated.

<실험예 3> 나노유체 윤활유의 마모 특성 평가<Experiment 3> Evaluation of wear properties of nanofluid lubricant

실시예 2 및 비교예 2의 윤활특성을 분석하기 위해 4구 시험(4-ball test)을 진행하였다. 4구 시험은 ASTM D4172 규격에 따라, 금속 공 4개를 윤활유 내부에서 회전시키고 각 공 간의 접촉점에서 마모된 부분의 직경(scar diameter)을 측정하는 방식으로 윤활 및 마모특성을 평가하였다. 실험은 75 ℃의 온도에서 40±0.2 kgf의 하중을 인가하였으며 1200 ± 50 rpm의 회전속도로 60분간 진행되었다. 회전실험이 끝나고 회수한 금속 공 표면에 묻은 윤활유를 제거한 뒤, 광학현미경을 이용하여 마모된 부분을 관찰하고 직경을 측정하였다. 각 시료에 대해 동일 조건으로 3회씩 반복 실험하였으며, 마모된 부분의 직경은 샘플당 각각 6회씩 측정하여 평균값을 사용하였다.In order to analyze the lubricating properties of Example 2 and Comparative Example 2, a 4-ball test was performed. The four-ball test evaluated lubrication and wear characteristics by rotating four metal balls inside the lubricant according to ASTM D4172 standard and measuring the diameter of the worn part at the contact point between each ball. The experiment applied a load of 40 ± 0.2 kgf at a temperature of 75 ° C. and proceeded for 60 minutes at a rotation speed of 1200 ± 50 rpm. After the rotation experiment was finished, the lubricant on the surface of the recovered metal ball was removed, and the worn part was observed using an optical microscope and the diameter was measured. Each sample was repeatedly tested three times under the same conditions, and the diameter of the worn part was measured six times per sample, and an average value was used.

각각 0.1vol%와 0.3vol%의 실시예 2 및 비교예 2를 이용하였을 때, 금속 공 표면에 발생한 마모된 부분의 광학현미경 이미지를 도 7(a)~(d)에 나타내었다. 또한, 각 시료에 대해 3회씩 실시한 결과로부터 얻은 직경의 평균값을 도 7(e)에 나타내었다. 실시예 2의 경우 0.1vol%와 0.3vol% 시료에서 직경이 각각 0.597±0.038 m와 0.633±0.027 m의 마모가 발생하였다. 비교예 2의 경우에는 이보다 11-13%이상 큰 0.678±0.045 m와 0.707±0.069 m의 마모가 발생하였다.When using Example 2 and Comparative Example 2 of 0.1 vol% and 0.3 vol%, respectively, the optical microscope images of the worn parts generated on the surface of the metal ball are shown in FIGS. 7 (a) to 7 (d). In addition, the average value of the diameter obtained from the results of three times for each sample is shown in Fig. 7 (e). In the case of Example 2, wear of 0.597 ± 0.038 m and 0.633 ± 0.027 m in diameters occurred in the 0.1 vol% and 0.3 vol% samples, respectively. In the case of Comparative Example 2, wear of 0.678 ± 0.045 m and 0.707 ± 0.069 m, which is more than 11-13% larger than this, occurred.

이러한 마모특성의 차이는 나노입자의 분산특성에서 찾을 수 있다. 도 4 및도 5에서 서술한 바와 같이 실시예 2 0.1vol%의 나노유체 윤활유는 입자의 응집이 거의 일어나지 않고 고르게 분산되어 있으나, 표면처리가 되지 않은 입자를 사용하거나 입자 함유량이 증가할 경우, 입자간 응집 및 침전현상이 발생하여 나노입자의 크기가 커지는 현상이 나타났다. 응집된 나노입자들이 많아질 경우, 나노입자의 윤활특성은 감소하고 표면을 마모시키는 연마제의 역할을 하게 된다. 그 결과 분산성이 낮을수록 훨씬 큰 마모가 발생하는 것을 알 수 있었다.This difference in wear properties can be found in the dispersion properties of nanoparticles. As described in FIGS. 4 and 5, the nanofluid lubricant of 0.1 vol% in Example 2 is dispersed evenly without almost any aggregation of particles, but when particles that are not surface-treated are used or the particle content increases, the particles Liver aggregation and sedimentation occurred, and the size of the nanoparticles increased. When the number of agglomerated nanoparticles increases, the lubricating properties of the nanoparticles decrease and act as an abrasive that wears the surface. As a result, it was found that the lower the dispersibility, the more wear occurred.

이상, 본 발명을 바람직한 제조예, 실시예 및 실험예를 통해 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특성 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As described above, the present invention has been described in detail through preferred manufacturing examples, examples, and experimental examples, but the scope of the present invention is not limited to characteristic examples, and should be interpreted by the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

Claims (10)

자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리된 알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유에 있어서,
상기 자기조립단일막은,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는,
회전기기용 나노유체 윤활유:
[화학식 1]
Si(OR1)3R2
(상기 화학식 1에서,
R1은 C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고; 및
R2는 C1-8의 직쇄 또는 분지쇄 아미노알킬이다).
In the nano-fluid lubricant for a rotating device comprising alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles surface-treated with a self-assembled monolayer (SAM),
The self-assembled single film,
Characterized in that the compound represented by the formula (1),
Nanofluid lubricant for rotating equipment:
[Formula 1]
Si (OR 1 ) 3 R 2
(In the formula 1,
R 1 is C 1-5 straight or branched chain alkyl; And
R 2 is C 1-8 straight or branched chain aminoalkyl).
제1항에 있어서,
상기 알루미나 나노입자는,
20 nm 내지 100 nm의 직경을 가지는 구형의 알루미나 나노입자인 것을 특징으로 하는,
회전기기용 나노유체 윤활유.
According to claim 1,
The alumina nanoparticles,
Characterized in that the spherical alumina nanoparticles having a diameter of 20 nm to 100 nm,
Nano fluid lubricant for rotating equipment.
제1항에 있어서,
상기 회전기기는 철도차량 회전기기인 것을 특징으로 하는,
회전기기용 나노유체 윤활유.
According to claim 1,
The rotating device is characterized in that it is a rolling stock rolling machine,
Nano fluid lubricant for rotating equipment.
알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 용액에 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)을 첨가하여 제1 혼합물을 형성하는 단계;
상기 제1 혼합물을 원심분리하여 표면 처리된 알루미나 나노입자를 회수하는 단계;
기유(base oil)에 상기 표면 처리된 알루미나 나노입자를 첨가하여 제2 혼합물을 형성하는 단계; 및
상기 제2 혼합물을 초음파 처리하는 단계;를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법으로서, 상기 표면 처리된 알루미나 나노입자는 상기 알루미나 나노입자가 상기 자기조립단일막으로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법.
Forming a first mixture by adding a self-assembled monolayer (SAM) to a solution containing alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles;
Centrifuging the first mixture to recover surface-treated alumina nanoparticles;
Forming a second mixture by adding the surface-treated alumina nanoparticles to a base oil; And
A method of manufacturing a nanofluid lubricant for a rotating device, comprising the step of ultrasonically treating the second mixture, wherein the surface-treated alumina nanoparticles are characterized in that the alumina nanoparticles are surface treated with the self-assembled single film. Manufacturing method of nano fluid for base oil.
제4항에 있어서,
상기 자기조립단일막은,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는,
회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법:
[화학식 1]
Si(OR1)3R2
(상기 화학식 1에서,
R1은 C1-5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬이고; 및
R2는 C1-8의 직쇄 또는 분지쇄 아미노알킬이다).
The method of claim 4,
The self-assembled single film,
Characterized in that the compound represented by the formula (1),
Manufacturing method of nanofluid lubricant for rotating equipment:
[Formula 1]
Si (OR 1 ) 3 R 2
(In the formula 1,
R 1 is C 1-5 straight or branched chain alkyl; And
R 2 is C 1-8 straight or branched chain aminoalkyl).
제4항에 있어서,
상기 자기조립단일막은,
3-아미노프로필 트리에톡시 실레인(3-aminopropyl triethoxy silane, APTES)인 것을 특징으로하는,
회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법.
The method of claim 4,
The self-assembled single film,
Characterized in that 3-aminopropyl triethoxy silane (APTES),
Method for manufacturing nanofluid lubricant for rotating equipment.
제4항에 있어서,
상기 제2 혼합물은,
표면 처리된 알루미나 나노입자의 농도가 0.05vol% 내지 0.45vol%인 것을 특징으로 하는,
회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법.
The method of claim 4,
The second mixture,
Characterized in that the concentration of the surface-treated alumina nanoparticles is 0.05vol% to 0.45vol%,
Method for manufacturing nanofluid lubricant for rotating equipment.
제4항에 있어서,
상기 회전기기는 철도차량 회전기기인 것을 특징으로 하는,
회전기기용 나노유체 윤활유의 제조방법.
The method of claim 4,
The rotating device is characterized in that it is a rolling stock rolling machine,
Method for manufacturing nanofluid lubricant for rotating equipment.
알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체 윤활유의 분산성을 향상시키는 방법에 있어서, 상기 알루미나 나노입자를 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리하여 회전기기용 나노유체 윤활유의 분산성을 향상시키는 방법.
In a method for improving the dispersibility of a nanofluid lubricant for a rotating device comprising alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles, the alumina nanoparticles are surface treated with a self-assembled monolayer (SAM) for rotating devices Method for improving dispersibility of nanofluid lubricant.
알루미나(Al2O3) 나노입자를 포함하는 회전기기용 나노유체를 사용하여 회전기기의 마모를 감소시키는 방법에 있어서, 상기 알루미나 나노입자를 자기조립단일막(self-assembled monolayer, SAM)으로 표면 처리하여 회전기기의 마모를 감소시키는 방법.In a method of reducing abrasion of a rotating device using a nanofluid for a rotating device comprising alumina (Al 2 O 3 ) nanoparticles, the alumina nanoparticles are surface treated with a self-assembled monolayer (SAM) To reduce the wear of rotating equipment.
KR1020190048057A 2019-04-24 2019-04-24 Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles KR102115607B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190048057A KR102115607B1 (en) 2019-04-24 2019-04-24 Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190048057A KR102115607B1 (en) 2019-04-24 2019-04-24 Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102115607B1 true KR102115607B1 (en) 2020-05-27

Family

ID=70910950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190048057A KR102115607B1 (en) 2019-04-24 2019-04-24 Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102115607B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000204387A (en) * 1999-01-12 2000-07-25 Seiko Instruments Inc Lubricating oil, its production, hydrodynamic lubrication bearing, spindle motor and rotor apparatus
KR20110108081A (en) * 2010-03-26 2011-10-05 에스케이루브리컨츠 주식회사 Lubricating oil for reduced friction by the use of nano porous materials
US9484062B1 (en) * 2015-07-28 2016-11-01 Seagate Technology Llc Media cleaning with self-assembled monolayer material
KR20190041582A (en) * 2017-10-13 2019-04-23 한국세라믹기술원 Nanofluid and manufacturing method of the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000204387A (en) * 1999-01-12 2000-07-25 Seiko Instruments Inc Lubricating oil, its production, hydrodynamic lubrication bearing, spindle motor and rotor apparatus
KR20110108081A (en) * 2010-03-26 2011-10-05 에스케이루브리컨츠 주식회사 Lubricating oil for reduced friction by the use of nano porous materials
US9484062B1 (en) * 2015-07-28 2016-11-01 Seagate Technology Llc Media cleaning with self-assembled monolayer material
KR20190041582A (en) * 2017-10-13 2019-04-23 한국세라믹기술원 Nanofluid and manufacturing method of the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ali et al. Advances in carbon nanomaterials as lubricants modifiers
Spikes Friction modifier additives
Jatti et al. Copper oxide nano-particles as friction-reduction and anti-wear additives in lubricating oil
JP6016897B2 (en) Hybrid nano lubricant
Thottackkad et al. Experimental evaluation on the tribological properties of coconut oil by the addition of CuO nanoparticles
Zhang et al. Preparation and tribological properties of surface-capped copper nanoparticle as a water-based lubricant additive
Guo et al. Solvent-free ionic silica nanofluids: Smart lubrication materials exhibiting remarkable responsiveness to weak electrical stimuli
Peng et al. Tribological properties of diamond and SiO2 nanoparticles added in paraffin
Sahoo et al. Effect of layered MoS 2 nanoparticles on the frictional behavior and microstructure of lubricating greases
Beheshti et al. Improving tribological properties of oil-based lubricants using hybrid colloidal additives
Zin et al. Influence of Cu, TiO2 nanoparticles and carbon nano-horns on tribological properties of engine oil
KR101594771B1 (en) A composition for preventing symptoms of fatigue in the surface-closed structure of drive elements
Pownraj et al. Effect of dispersing single and hybrid nanoparticles on tribological, thermo-physical, and stability characteristics of lubricants: a review
Kolodziejczyk et al. Surface-modified Pd nanoparticles as a superior additive for lubrication
Saini et al. Interfacial interaction of PTFE sub-micron particles in oil with steel surfaces as excellent extreme-pressure additive
Maurya et al. Ionic liquid-nanoparticle-based hybrid-nanolubricant additives for potential enhancement of tribological properties of lubricants and their comparative study with ZDDP
Mariño et al. Chemically modified nanomaterials as lubricant additive: Time stability, friction, and wear
Haldar et al. Enhancing the tribological properties of hydraulic oil-based nanolubricants using MWCNT-SiO2 hybrid nanoparticles
Hao et al. Investigation on the tribological performance of functionalized nanoscale silica as an amphiphilic lubricant additive
Duan et al. Tribological properties and lubrication mechanism of manganese phosphate trihydrate as lubricant additives
Saini et al. Unexplored solid lubricity of Titanium nanoparticles in oil to modify the metallic interfaces
del Río et al. Experimental investigation of tribological and rheological behaviour of hybrid nanolubricants for applications in internal combustion engines
KR102115607B1 (en) Nanofluid lubricant for rotating machines using surface-treated alumina nanoparticles
Raina et al. Lubrication characteristics of oils containing nanoadditives: influencing parameters, market scenario and advancements
Vats et al. Evaluation of tribological properties of graphene oxide dispersed paraffin oil

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant