KR102565958B1 - 윤활유 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 윤활유 조성물에 관한 것으로, 소수성 표면처리된 나노다이아몬드가 베이스 오일에 분산된 윤활유 첨가제 및 윤활유를 포함하는 윤활유 조성물을 제공한다. 상기 윤활유 조성물은 장기적으로 분산성이 유지되어, 저장 안정성을 확보할 수 있다. 상기 윤활유 조성물이 적용된 기계 장치는, 내마모성이 향상될 뿐 아니라, 연비향상 및 소음 억제 효과를 얻으며, 윤활유 조성물의 높은 열전도도로 인하여 냉각효율이 상승하고 장치의 수명이 연장될 수 있다.

Description

윤활유 조성물 {lubricating oil composition}
본 발명은 윤활유 조성물에 관한 것이다.
최근 각종 회전기기 등의 소형-경량화 및 고속화에 수반하여, 윤활유는 고온, 고하중, 고속의 가혹 조건에서의 사용이 증대되고 있으며, 이에 따라 열산화 안정성, 내마모성 등이 향상된 고성능 윤활유의 개발이 요구되고 있다. 이러한 윤활유의 성능 향상을 위하여 종래에 윤활유 첨가제로서 사용되는 이황화몰리브덴(MoS2), 그라파이트(Graphite), 탄소나노튜브(CNT), 테프론(PTFE) 등이 있으나, 이들은 고온, 다습한 환경에서 산화가 발생하여 윤활 기능이 소실되는 결함이 발견되었다.
최근 나노 기술의 비약적인 발전과 함께 다이아몬드의 특성을 효과적으로 응용하기 위한 다이아몬드 분말이 제조되어, 특히 나노다이아몬드가 윤활유 분야의 핵심 소재로 대두되고 있다.
다이아몬드는 높은 경도, 화학적 안정성(내부식성, 내산, 내염기성), 높은 광 투과성, 높은 열전도도, 낮은 열팽창성, 전기적 절연성, 인체와 생물의 무독성 및 비발암성 등의 장점을 가지므로, 전자 산업이나 화학 산업을 포함한 거의 모든 산업 분야에 활용 가능한 소재이다. 또한, 나노다이아몬드는 부가적으로 금속 표면에서 마모된 부위를 복구하는 복원치료 효과를 가져, 기계수명을 연장시키고, 연비향상, 소음억제, 배기가스로 인한 환경오염을 감소시키는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.
그러나 나노다이아몬드는 입자 중 표면 원자의 비율이 높아, 인접하는 입자들의 표면 원자 사이에서 작용하는 반데르발스 힘의 총합이 크므로 응집되기 쉽고, 친수성 물질로 극성 용액에 비하여 오일과 같은 소수성 용액에서는 분산이 매우 어렵다. 이 때문에, 나노다이아몬드가 분산성 및 소수성을 갖도록 입자 표면을 개질하는 방법에 대한 연구가 계속되고 있다.
본 발명의 실시예들은 소수성으로 표면처리된 나노다이아몬드를 포함하여, 분산안정성, 열전도도, 내마모성 등의 성능이 향상된 윤활유 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따라, 코어와 상기 코어를 감싸는 쉘을 포함하는 나노 입자가 베이스 오일에 분산된 윤활유 첨가제 및 상기 윤활유 첨가제가 분산된 윤활유를 포함하고, 상기 코어는 나노다이아몬드를 포함하고, 상기 쉘은 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물을 포함하는 윤활유 조성물을 제공한다.
또한, 상기 쉘은 상기 코어를 감싸는 세라믹층을 더 포함하고, 상기 세라믹층은 상기 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물에 의해 표면처리될 수 있다.
상기 세라믹층은 표면에 카르복실기, 하이드록실기, 아미노기로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 작용기를 가지고, 상기 아미노기가 상기 불포화 지방산과 공유결합을 형성할 수 있다.
또한, 상기 세라믹층은 복수의 세라믹 입자들에 의해 형성되며, 상기 세라믹 입자들은 1nm이상 40nm 이하의 평균입경을 가질 수 있다.
또한, 상기 나노 입자는 상기 코어의 열전도율이 상기 쉘의 열전도율보다 크고, 상기 쉘의 열전도율이 상기 윤활유의 열전도율보다 클 수 있다.
또한, 상기 나노 입자는 응집 및 침전이 일어나지 않으며, 상기 윤활유 내에 균일하게 분산될 수 있다.
또한, 상기 불포화 지방산은 탄소수 10~25의 불포화 지방산으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 아민계 화합물은 탄소수 5~18의 1차 지방족 아민 및 탄소수 2~6의 지방족 디아민으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나가 선택될 수 있다.
또한, 상기 베이스 오일은 광유(mineral oil) 또는 합성유(synthetic oil) 중에서 선택될 수 있다.
또한, 상기 나노다이아몬드 대 상기 불포화 지방산은 1:0.01 ~ 1:1의 중량% 비율로 혼합될 수 있다.
또한, 상기 나노다이아몬드 대 상기 아민계 화합물은 1:0.01 ~ 1:1의 중량% 비율로 혼합될 수 있다.
또한, 상기 나노 입자는 상기 윤활유에 대하여 0.001~1.00 중량% 농도 범위로 포함될 수 있다.
또한, 상기 윤활유 조성물은 산화방지제, 청정분산제, 점도지수향상제, 유동점강하제, 유성향상제 및 기포방지제 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 소수성 표면처리된 나노다이아몬드가 포함된 윤활유 첨가제를 윤활유에 혼합 및 분산시킨 윤활유 조성물이 제공된다. 이러한 윤활유 조성물은 상술한 나노다이아몬드 입자가 고르게 분산되되, 분산 상태를 장기적으로 유지하여, 윤활유의 분산안정성 및 저장안정성이 향상되고, 나노다이아몬드의 우수한 내마모성으로 인해, 특히 회전 운동하는 기계 장치에서의 윤활 성능이 증진되고, 기계의 수명을 연장시키는 한편, 냉각효율의 향상, 연비향상, 소음억제, 배기가스로 인한 환경오염을 감소시키는 부가적인 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 나노다이아몬드를 첨가한 윤활유와 본 발명의 일 실시예에 따른 윤활유 조성물을 간략하게 나타낸 도면이다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 윤활유 조성물의 입자 크기 분석기(particle size analyzer)로 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 윤활유 조성물의 장기 분산안정성 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 나노 유체의 열전도도 향상 경향을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 윤활유 조성물의 열전도도 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 윤활유 조성물의 온도별 터비스캔(Turbiscan) 시험 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예가 첨부 도면에 도시되었다. 그러나 본 창의적 사상은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 이루어질 수 있도록 제공되며, 기술분야에서 통상의 지식을 가진 이들에게 본 창의적 사상의 범위를 충분히 전달할 것이다. 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정한 실시예만을 설명하기 위한 것이며 본 창의적 사상을 제한하려는 것은 아니다. 본원에서 사용된 단수 형태는 내용이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 "적어도 하나"를 포함하는 복수 형태를 포함하고자 한다. "적어도 하나"는 단수로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "및/또는"의 용어는 목록 항목 중 하나 이상의 임의의 모든 조합을 포함한다. 상세한 설명에서 사용된 "포함한다" 및/또는 "포함하는"의 용어는 명시된 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성 요소 및/또는 성분의 존재를 특정하며, 하나 이상의 다른 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 구성 요소, 성분 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학 용어 포함)는 본 개시가 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 이에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 바와 같은 용어는 관련 기술 및 본 개시 내용의 문맥 내의 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 함이 또한 이해될 것이다.
특정한 실시예가 기술되었지만, 현재 예상되지 않거나 예상할 수 없는 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 균등물이 출원인 또는 당업자에게 발생할 수 있다. 따라서 출원되고 수정될 수 있는 첨부된 청구범위는 그러한 모든 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적 균등물을 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 윤활유 조성물은 윤활유 첨가제 및 윤활유를 포함한다.
상기 윤활유 첨가제는 코어와 셀로 구비된 나노 입자를 베이스 오일에 분산시킨 것일 수 있다.
상기 나노 입자는 나노다이아몬드를 포함하고, 상기 나노다이아몬드는 표면처리 물질을 사용하여, 표면이 소수성으로 표면처리될 수 있다.
상기 베이스 오일은 광유(mineral oil) 또는 합성유(synthetic oil) 중에서 선택될 수 있다.
상기 베이스 오일은 1종 이상의 광유계 베이스 오일 또는 1종 이상의 합성 베이스 오일로 구비될 수 있다.
상기 베이스 오일은 상기 광유계 베이스 오일과 상기 합성 베이스 오일 중에서 선택된 2종 이상이 혼합된 오일로 구비될 수 있다.
베이스 오일은 윤활유(Lubricants)를 구성하는 오일로, 제품마다 차이가 있지만 완제품에서 큰 비중을 차지한다. 당해 산업분야에서 베이스 오일로 많이 사용되는 것은 광유계 베이스 오일(mineral base oil)이다. 광유는 원유를 상압증류한 후에 남은 물질을 감압증류하고 정제한 오일이며, 합성유는 일반적인 원유의 정제과정과 별개로 생산된 베이스 오일을 통칭한다. 일반적으로 베이스 오일은 포화도가 높기 때문에 점도가 낮고, 고온-고압에서의 안정성이 우수하도록 제조되며, 끓는점이 매우 높다.
나노다이아몬드는 미세한 나노 크기의 입경을 갖는 다이아몬드를 말한다. 나노다이아몬드는 수nm 크기의 단일 입자를 갖지만 나노다이아몬드 입자의 구조적, 화학적 특징에 의해 응집되는 경향이 있어, 단일 입자로 존재하기보다는 100~1000nm 크기의 응집체로 존재한다.
나노다이아몬드는 중심부가 sp3 혼성괘도함수로 구성되는 결정 구조이나, 표면이 sp2 오비탈 구조이므로, 입자의 중심부에서는 다이아몬드의 특성을 그대로 유지하지만, 표면에서는 단글링 본드(Dangling bond)에 의해 다양한 원소 및 분자가 결합된다.
또한, 나노다이아몬드는 입자 중 표면 원자의 비율이 높아 인접하는 입자들 사이에 작용하는 반데르발스 힘이 크고, 동일하게 대전된 입자 사이의 Coulombic 반발력이 생성되며, 용매화(Solvantion)나 흡착층에서 비롯된 Steric 반발력이 작용할 수 있다. 뿐만 아니라 나노다이아몬드의 표면 활성화기의 수소결합력이 작용할 수 있다. 이러한 힘의 영향으로 나노다이아몬드는 응집되는 경향을 보인다.
따라서, 나노다이아몬드를 윤활유의 재료로 활용하려면, 먼저 나노다이아몬드의 응집을 해소할 필요가 있다.
상기 나노다이아몬드는 입자의 표면에 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH) 및 아미노기(-NH2) 중 적어도 하나의 작용기를 포함할 수 있다.
나노다이아몬드를 FT-IR로 분석하여, 일반적으로 나노다이아몬드의 표면에 카르복실기, 하이드록실기 및 아미노기 등의 작용기가 존재하는 것을 확인하였다. 나노다이아몬드는 표면의 산소 포함 작용기로 인해 친수성 용매에 잘 혼합되는 반면, 오일과의 상용성이 낮을 수 있다.
상기 나노다이아몬드는 표면에 있는 상기 작용기에 의해, 소수성 물질을 화학적으로 결합시킬 수 있다.
상기 소수성 물질은 상기 나노다이아몬드의 전체 표면적을 덮도록 결합되고, 상기 쉘(shell)이 형성될 수 있다.
따라서, 상기 나노 입자는 상기 코어가 상기 나노다이아몬드로 구비되고, 상기 쉘이 상기 소수성 물질로 구비될 수 있다. 일 예로, 쉘은 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물을 포함할 수 있다. 다른 예로, 상기 쉘은 상기 코어를 감싸는 세라믹층을 더 포함하고, 상기 세라믹층은 상기 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물에 의해 표면처리될 수 있다.
상기 나노다이아몬드로 구비된 코어는 상기 소수성 물질로 구비된 상기 쉘에 의해 표면이 완전히 덮여 있기 때문에, 입자 표면에서의 응집이 해소되고, 오일 내에서 미소입자로 분산될 수 있다.
유체 속에 포함된 미소입자는 별도의 에너지를 제공하지 않아도 불규칙하게 운동하려는 '브라운 운동'이 발생한다. 이에 따라, 상기 나노다이아몬드는 오일 내에서 전체적으로 골고루 분포하게 되고, 이러한 분산 상태를 자연적으로 유지할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 나노다이아몬드가 첨가된 윤활유와 본 발명의 일 실시예에 따른 윤활유 조성물을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 1의 (A)는 일반적인 나노다이아몬드를 윤활유에 넣은 경우의 분산 상태를 도시한 것이고, (B)는 상기 나노 입자를 포함하는 상기 윤활유 첨가제를 윤활유에 넣은 경우의 분산 상태를 도시한 것이다.
도 1의 (A)에 따르면, 종래의 나노다이아몬드는 개개의 입자로 분산되기 보다는, 나노다이아몬드가 응집하여 응집체를 형성하는 경향이 있다. 상기 응집체로 인해, 상기 나노다이아몬드는 분산이 저하되고, 용액의 상부보다는 하부로 갈수록 입자의 개수가 많아지며, 침전이 일어날 수 있다.
반면, 도 1의 (B)에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 윤활유 조성물은 나노다이아몬드가 그 표면에 소수성의 쉘이 구비된 나노 입자로써 분산되기 때문에, 상기 나노 입자의 응집 및 침전이 일어나지 않고, 상기 나노 입자들이 브라운 운동이 일어나, 상기 윤활유 내에 균일하게 분산될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노 입자는 상기 코어가 상기 나노다이아몬드로 구비되고, 상기 쉘은 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물을 포함할 수 있다.
상기 나노다이아몬드는 상술한 바와 같이, 그 표면에 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH) 및 아미노기(-NH2) 등의 작용기를 포함한다. 이에 따라, 상기 나노다이아몬드는 그 표면에 상기 불포화 지방산이나 상기 아민계 화합물이 직접적으로 화학 결합될 수 있다.
상기 나노다이아몬드 표면의 작용기들 중 아미노기가 반응성이 가장 우수하며, 상기 아미노기는 상기 불포화 지방산의 카르복실기와 반응하여 공유 결합을 형성할 수 있다.
상기 아민계 화합물은, 상기의 불포화 지방산으로 표면처리된 상기 나노다이아몬드가 오일 내에서 분산성을 유지하도록 보조적으로 첨가된 것일 수 있다. 상기 아민계 화합물은 상기 나노다이아몬드와 상기 불포화 지방산이 더 빠르고 안정적으로 결합을 형성하도록 돕는 촉매 역할을 할 수 있다.
상기 아민계 화합물은 수소를 포함하여, 상기 나노다이아몬드 표면의 카르복실기와 공유 결합을 형성할 수 있다.
상기 불포화 지방산 및 상기 아민계 화합물은, 그 종류에 따라서, 상기 나노다이아몬드 표면에서 상기 카르복실기 및 상기 하이드록실기의 산소와 수소결합을 형성할 수 있다.
상기 불포화 지방산은 탄소수 10~25의 불포화 지방산일 수 있다. 바람직하게는, 탄소수 15~22인 불포화 지방산 일 수 있다.
불포화 지방산은 R-COOH형태로 한 개의 카르복실기를 가지고, 지방족 사슬에 적어도 하나의 이중결합을 갖는 지방산을 말한다. 일반적으로 지방족 화합물은 사슬 길이(chain length)가 길수록, 즉 탄소수가 많을수록 더욱 강한 소수성을 나타낸다.
상기 불포화 지방산은 오메가-3 지방산, 오메가-6 지방산, 오메가-7 지방산, 및 오메가-9 지방산 중에서 적어도 하나 이상이 선택될 수 있다.
상기 불포화 지방산은 α-리놀렌산(ALA), 스테아리돈산(SDA), 에이코사트라이엔산(ETE), 에이코사테트라엔산(ETA), 에이코사펜타엔산(EPA), 헨에이코사펜타엔산(HPA), 도코사펜타엔산(DPA), 도코사헥사엔산(DHA), 리놀레산(LA), γ-리놀렌산(GLA), 칼렌드산(calendic acid), 에이코사다이엔산(eicosadienoic acid), 다이호모-γ-리놀렌산(DGLA), 아라키돈산(arachidonic acid), 도코사다이엔산(docosadienoic acid), 아드렌산(adrenic acid), 오스본드산(osbond acid), 테트라코사테트라엔산(tetracosatetraenoic acid), 팔미톨레산(palmitoleic acid), 박센산(vaccenic acid), 루멘산(rumenic acid), 파울린산(paullinic acid), 올레산(oleic acid), 엘라이드산(elaidic acid), 곤도산(gondoic acid), 미드산(mead acid) 중에서 적어도 하나 이상이 선택될 수 있다.
그러나 상기 불포화 지방산은 상술한 지방산의 종류에 한정되는 것이 아니라라, 적어도 하나의 이중결합을 가지고, 긴 지방족 사슬을 갖는 지방산이라면 모두 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노다이아몬드 대 상기 불포화 지방산은 1:0.01 ~ 1:1의 중량% 비율로 혼합된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 분산성이 가장 우수한 나노다이아몬드 대 불포화 지방산의 적정 비율은 나노다이아몬드 및 오일의 종류에 따라 각각 상이할 수 있다.
상기 아민계 화합물은 탄소수 5~20의 1차 지방족 아민 또는 탄소수 2~6의 지방족 디아민 중에서 선택될 수 있다.
구체적으로, 상기 아민계 화합물은 헥사데실아민(hexadecylamine), 헵타데실아민(heptadecylamine), 옥타데실아민 (octadecylamine), 노나데실아민(nonadecylamine) 및 도데실아민(dodecylamine), 메틸렌디아민(methylenediamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 프로판-1,3-디아민(propane-1,3-diamine) 부탄-1,4-디아민(butane-1,4-diamine), 펜탄-1,5-디아민(pentane-1,5-diamine) 헥산-1,6-디아민(hexane-1,6-diamin) 중에서 적어도 하나 이상이 선택될 수 있다.
상기 불포화 지방산과 마찬가지로, 상기 아민계 화합물은 지방족 사슬 길이가 길수록 더욱 강한 소수성을 나타내므로, 긴 사슬 갖는 1차 아민이나 디아민이라면 모두 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노다이아몬드 대 상기 아민계 화합물은 1:0.01 ~ 1:1의 중량% 비율로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다른 실시예로, 상기 쉘은 상기 코어를 감싸는 세라믹층을 더 포함하고, 상기 세라믹층은 상기 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물에 의해 표면처리될 수 있다.
상기 세라믹층은 표면에 카르복실기, 하이드록실기, 아미노기로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 작용기를 갖도록 구비될 수 있다.
상기 세라믹층 층은 복수의 세라믹 입자들에 의해 형성되며, 상기 세라믹 입자들은 1nm 이상 40nm 이하의 평균입경(D50)을 가질 수 있다. 따라서, 세라믹은 상기 나노다이아몬드의 표면에 밀집하여 결합될 수 있고, 상기 세라믹으로 구비된 상기 쉘이 안정적으로 형성될 수 있다.
상기 나노 입자는 상기 나노다이아몬드와 상기 세라믹층 사이를 연결할 수 있는 중개 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 중개 물질은 지방족 디아민일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 중개 물질은 탄소수 2~6의 지방족 디아민으로 구비될 수 있다.
상기 중개 물질은 양단에 작용기를 가지는 지방족 화합물이고, 상기 작용기가 카르복실기, 하이드록실기, 아미노기 중에서 적어도 하나의 작용기와의 결합이 가능하도록 구비된다면 모두 사용될 수 있다.
이하에서는, 상기 나노 입자의 코어-쉘 구조 형성 메커니즘을 설명하기 위하여, 상기 중개 물질이 지방족 디아민인 경우를 기준으로 한다.
상기 지방족 디아민은 사슬 형상의 화합물이고, 양단에 아미노기를 가진다.
상기 양단의 아미노기 중에서, 하나의 아미노기는 상기 나노다이아몬드 표면의 카르복실기와 화학적으로 결합되고, 타단의 아미노기는 상기 세라믹층 표면의 카르복실기와 화학적으로 결합될 수 있다.
상기 세라믹층은 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물에 의해 소수성으로 표면처리될 수 있다. 상기 세라믹층의 표면에 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물이 화학 결합되어, 상기 나노다이아몬드는 표면이 소수성으로 표면처리될 수 있다.
상기 쉘을 구성하기 위하여, 상기 나노다이아몬드 또는 상기 세라믹층은 표면에 표면처리 물질이 결합될 수 있다.
상기 표면처리 물질은 상기 불포화 지방산이나 상기 아민계 화합물에 한정되지 않으며, 상기 세라믹층 표면의 작용기 또는 상기 나노다이아몬드 표면의 작용기와 화학 결합을 형성하고, 소수성을 갖는 물질이라면 모두 사용될 수 있다.
상기 표면처리 물질은 알콕시 실란, 에폭시 실란을 포함하는 알킬 실란 화합물일 수 있다.
상기 표면처리 물질은 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 케톤(-CO-) 등 산소 포함 작용기, 아미노기 및 싸이올기를 갖는 유기 화합물일 수 있다.
상기 표면처리 물질은 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 등의 공중합체나 폴리비닐알코올(PVA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등을 포함하는 선형 중합체일 수 있다.
상기 표면처리 물질은 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole) 등을 포함하는 고리 선형 중합체일 수 있다.
상기 나노 입자는 베이스 오일에 분산된 윤활유 첨가제의 형태로 제공되는데, 상기 윤활유 첨가제를 윤활유에 혼합하면 상기 나노 입자가 상기 윤활유에 균일하게 분산된 윤활유 조성물을 얻을 수 있다.
상기 나노 입자가 코어-쉘 구조를 갖기 때문에, 상기 나노 입자는 상기 베이스 오일에 분산된 윤활유 첨가제에서 분산성을 가지고, 상기 윤활유 첨가제가 이종의 윤활유에 혼합되더라도 상기 나노 입자의 분산성을 안정적으로 유지할 수 있다.
상기 윤활유는 자동차용 오일, 풍력발전용 오일, 절연유 및 기타 산업전반에 사용되는 윤활유로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 윤활유 조성물은, 목적에 따라 기타 첨가제가 더 포함될 수 있다. 상기 기타 첨가제로는 산화방지제, 청정분산제, 점도지수향상제, 유동점강하제, 유성향상제 및 기포방지제 등이 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 성능 시험을 바탕으로 하여, 구체적으로 설명하기로 한다.
윤활유의 성능 시험에서, 시험액은 일 실시예에 따른 윤활유 조성물이고, 대조액은 통상의 윤활유로, 상기 윤활유 첨가제를 넣지 않은 윤활유이다.
상기 시험액의 농도는 상기 나노다이아몬드가 윤활유에 대해 0.03중량%로 포함되게 하였다. 필요에 따라, 상기 시험액과 상기 대조액의 시험 결과를 비교 및 대조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 윤활유 조성물의 입자 크기 분석기(particle size analyzer)로 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 2에 따르면, 상기 시험액은 평균 입자크기가 약 40nm로 측정되고, 입자 분포는 15~110nm로 매우 좁게 형성되었음을 확인하였다.
따라서, 일 실시예에 따른 윤활유 조성물에서, 상기 나노 입자는 윤활유 내에서 응집체를 형성하지 않고, 작은 크기의 입자들로 분산되어 있음을 확인할 수 있다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 윤활유 조성물에 대한 장기 분산안정성 시험 결과를 나타내는 도면이다.
상기 장기 분산안정성 시험에는 분산안정성 분석 장비인 LUMiSizer Dispersion analyzer를 사용하였고, 온도 25℃, 습도 50% 환경에서 분석을 수행되었다.
LUMiSizer은 NIR 광원과 원심분리 장치를 포함한다. 샘플을 채운 셀(cell)을 빠른 속도로 회전시켜 분산된 입자의 침강 속도를 가속시키는데, 이와 동시에 셀 전체에 NIR 광을 조사하면, 일부는 샘플에 흡수되고 나머지가 투과된다. 이러한 투과광을 NIR 센서로 연속 측정하면 투과 프로파일(transmission profile)을 얻을 수 있다. 상기 투과 프로파일을 통해, 입자 침강에 따른 용액의 투과도 변화를 알 수 있다. 투과 프로파일의 파입자가 셀의 하부로 침강함에 따라, 셀의 상부에 존재하는 입자의 수가 줄어들기 때문에 점점 투과도가 높게 측정된다.
하나의 투과 프로파일(one line graph)은 투과도를 일정한 시간마다 측정하여 나타낸 것이므로, 프로파일 사이의 간격은 일정 시간 동안 입자의 이동 거리를 의미한다. 그러므로 프로파일 간 간격을 측정 시간 간격으로 나누면 입자의 이동 속도 (μm/s)를 계산할 수 있다.
도 3은 상기 대조액의 투과 프로파일이고, 도 4는 상기 시험액의 투과 프로파일이다. 각 샘플들의 침강 속도 및 분산안정성은 샘플을 2000rpm을 회전시킨 경우의 투과 프로파일과 4000rpm으로 회전할 시킨 경우의 투과 프로파일에서, 각각의 투과 프로파일이 이동한 거리를 비교하여 알 수 있다.
도 3과 도 4를 비교하면, 도 3에 비해 도 4의 투과 프로파일의 이동거리가 작다는 것을 알 수 있다. 이는 상기 나노 입자가 윤활유 내에서 입자 침강이 거의 일어나지 않아, 장기간동안 분산성이 유지된다는 것을 의미한다.
도 5는 나노 유체의 열전도도 향상 경향을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하여, 나노 유체에서의 열전달 메커니즘을 설명하고자 한다. 나노 입자를 분산시킨 유체의 열전도도 향상 경향은 1995년 미국 아르곤 연구소에 의해 보고되었으며, 이러한 유체를 '나노 유체'라 한다.
일반적인 현상으로, 열은 고온부에서 저온부로 전달된다. 기계 장치에서는 고온부가 회전에 의한 마찰이 발생하는 부분일 수 있고, 저온부는 그 주변부일 수 있다.
도 5는 고온부와 저온부 사이에서의 유체 온도를 나타낸 것으로, 일반 유체를 사용하는 경우와 나노 유체를 사용하는 경우를 함께 도시하였다. 상기 나노 유체는 본 발명의 일 실시예에 따라 표면처리된 나노다이아몬드의 코어-쉘 입자를 분산시킨 오일을 뜻한다. Th는 고온부 온도이고, Tn L은 나노 유체를 통해 열이 전달된 경우의 저온부 온도이며, Tf L은 일반 유체를 통해 열이 전달된 경우의 저온부 온도이다. 그래프의 기울기가 작을수록, 고온부와 저온부 사이의 온도차가 작은 것이며, 이때 열전달 속도가 빠르다고 할 수 있다.
도 5에 따르면, 일반 유체의 온도 변화(Th→Tf L)는 거의 직선적으로 하강하는 데에 비하여, 나노 유체의 온도 변화(Th→Tn L)는 나노 분말이 존재하는 부분에서 기울기 변화가 있다. 더 구체적으로, 나노 유체 내에서, 나노 분말의 코어 부분(나노다이아몬드)은 열전도율이 거의 수평이 되고, 쉘 부분(표면처리 물질)은 소정의 온도구배가 있는 것을 확인할 수 있다. 이때, 쉘 부분에서의 온도구배의 기울기는 외부의 온도구배의 기울기에 비하여 낮은 기울기를 갖는다.
따라서, 일반 유체에 비하여 나노 유체의 열전도 속도가 빠르다는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 나노다이아몬드가 유체보다 열전도도가 우수한 물질이기 때문에, 유체에서의 열전달 속도보다 나노다이아몬드 입자 내에서의 열전달 속도가 크게 증가하여, 유체의 전체적인 열전달 성능이 향상되기 때문이다.
이하에서는, 상술한 나노 유체에서의 열전도도 향상 경향을 바탕으로, 도 6의 열전도도 시험 결과를 분석하고자 한다.
도 6은 일 실시예에 따른 윤활유 조성물의 열전도도 시험 결과를 나타내는 도면이다. 이때, 열전도도는 5회 시험한 값의 평균이다.
도 6에 따르면, 일반 윤활유의 열전도도가 0.3058이다. 이에 비해, 상기 나노다이아몬드의 표면에 상기 불포화 지방산 및 상기 아민계 화합물이 결합된 나노 입자를 포함하는 윤활유 조성물은 열전도도가 0.3830이고, 상기나노 다이아몬드의 표면에 상기 표면처리된 세라믹층이 형성된 나노 입자를 포함하는 윤활유 조성물은 열전도도가 0.3863이다. 따라서, 통상의 윤활유에 비하여, 본 발명에 따른 윤활유 조성물은 열전도도가 향상된 것을 알 수 있다. 이는 상술한 나노 유체의 열전도도 향상 경향에 따른 결과이다.
따라서, 본 발명에 따른 윤활유 조성물은 열전도도가 우수하여, 기계 장치에 대한 냉각 효과를 가지며, 윤활유가 빠르게 냉각되기 때문에 윤활유의 열 산화를 지연시킬 수 있다. 이에 따라 윤활유의 수명도 연장될 수 있다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 윤활유 조성물의 온도별 터비스캔(Turbiscan) 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 상기 시험액을 -30℃에서 측정한 결과이고, 도 8은 상기 시험액을 25℃에서 측정한 결과이다. X축은 시료의 높이, Y축은 Transmission flux(%)를 의미하며, 3시간마다 scan 후 시료 전체 높이에 대해 flux(%) 변화를 나타낸 것이다.
터비스캔(Turbiscan)은 다중광산란법(Multiple Light Scattering)을 이용한 분산안정성 분석 장치로, NIR 광원과 투과광 검출부(Transmission detector), 후방산란광 검출부(Backscattering Detector)로 구성된다.
분산액으로 채운 셀(Cell)을 아래에서 위로 스캐닝 하여, 각 분산 상태에 따라 투과(Transmission) 및 후방산란(Backscattering)된 빛의 양을 동시에 측정한다. 분산된 입자의 크기와 농도 간의 함수 관계를 통해, 분산된 입자의 크기가 증가하거나 분산 용액 내부의 위쪽과 아래쪽의 농도 차이가 생기면 Transmission 및 Backscattering Flux(%)가 달라지므로 분산 안정성의 변화를 측정할 수 있다.
도 7 및 도 8에 따르면, 상기 시험액은 시간이 점차적으로 지나도 시료의 위쪽이나 아래쪽의 변화 없이 투과율 프로파일들이 서로 겹쳐지므로, 이는 윤활유 내에 분산된 상기 나노 입자가 응집되지 않고, 분산성을 유지하는 것을 의미한다.
또한, 저온에서의 분산성(도 7)과 상온에서의 분산성(도 8)에 큰 차이를 보이지 않으므로, 상기 윤활유 조성물은 저온에서도 성능 저하가 일어나지 않음을 알 수 있다.
본 발명은 일 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 코어와 상기 코어를 감싸는 쉘을 포함하는 나노 입자가 베이스 오일에 분산된 윤활유 첨가제; 및
    상기 윤활유 첨가제가 분산된 윤활유;를 포함하고,
    상기 코어는 나노다이아몬드를 포함하고,
    상기 쉘은 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물을 포함하며,
    상기 코어의 열전도율은 상기 쉘의 열전도율보다 크고, 상기 쉘의 열전도율은 상기 윤활유의 열전도율보다 큰, 윤활유 조성물.
  2. 나노 입자가 베이스 오일에 분산된 윤활유 첨가제; 및
    상기 윤활유 첨가제가 분산된 윤활유;를 포함하고,
    상기 나노 입자는,
    나노다이아몬드를 포함하는 코어;
    상기 코어를 감싸는 쉘; 및
    상기 코어와 상기 쉘 사이에서 상기 코어를 감싸는 세라믹층;을 포함하고,
    상기 쉘은 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물을 포함하며,
    상기 세라믹층은 상기 불포화 지방산 및/또는 아민계 화합물에 의해 표면처리된, 윤활유 조성물.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 세라믹층은,
    표면에 카르복실기, 하이드록실기, 아미노기로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 작용기를 가지고,
    상기 아미노기가 상기 불포화 지방산과 공유결합을 형성하는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 세라믹층은 복수의 세라믹 입자들에 의해 형성되고, 상기 세라믹 입자들은 1nm이상 40nm 이하의 평균입경을 가지는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
  5. 삭제
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 나노 입자는,
    상기 윤활유 내에 균일하게 분산된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 불포화 지방산은,
    탄소수 10~25의 불포화 지방산으로 구비되는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
  8. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 아민계 화합물은,
    탄소수 5~18의 1차 지방족 아민 및 탄소수 2~6의 지방족 디아민으로 이루어진 그룹에서 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
  9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 베이스 오일은,
    광유(mineral oil) 또는 합성유(synthetic oil) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
  10. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 나노다이아몬드 대 상기 불포화 지방산은 1:0.01 ~ 1:1의 중량% 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
  11. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 나노다이아몬드 대 상기 아민계 화합물은 1:0.01 ~ 1:1의 중량% 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
  12. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 나노 입자는,
    상기 윤활유에 대하여 0.001~1.00 중량% 농도 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물
  13. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    산화방지제, 청정분산제, 점도지수향상제, 유동점강하제, 유성향상제 및 기포방지제 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 윤활유 조성물.
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