KR102624723B1 - 유압작동유 및 이의 제조방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압작동유 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 유압작동유는 트리메틸올프로판(trimethylol propane, TMP) 10 내지 20 중량부, 올레산(oleic acid) 75 내지 85 중량부 및 다이머산(dimer acid) 1 내지 5 중량부로 이루어지는 폴리올 에스테르계 유압작동유이며, 종래의 광유계 유압작동유뿐만 아니라 폴리올 에스테르계 유압작동유에 비해서도 전단 안정성(shear stability)이 개선되어 유압시스템의 수명을 연장사키는 효과를 나타낸다.

Description

유압작동유 및 이의 제조방법.{HYDRAULIC OIL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 각종 유압장치에 사용할 수 있는 유압작동유 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 환경부담이 적은 성분으로 이루어지면서도 유압장치의 신뢰성을 형상시킬 수 있도록 한 폴리올 에스테르계 유압작동유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

유압작동유는 유압장치를 포함하는 유압시스템의 동력 전달, 힘의 제어, 완충 등의 기능을 수행하는 동력 전달 유체이다. 최근 개발되는 유압시스템은 고성능화되어 고속으로 정밀한 제어를 하기 위한 스풀 밸브(spool valve) 등을 포함하여 유압시스템의 유량, 방향 등을 제어하는 시스템이나 서보 밸브(servo valve)를 장착하는 시스템이 개발되고 있다. 이를 위하여 상기 유압작동유는 우수한 마찰 특성과 동시에 슬러지의 생성을 억제할 수 있는 내슬러지성이 특성이 요구되고 있다.

유압작동유 중 폴리올 에스테르계 유압작동유를 사용할 때 이러한 특성을 얻을 수 있다. 특히, 폴리올 에스테르계 유압작동유는 열 및 산화안정성이 우수하며 광유계 유압작동유에 비해 수명이 10배 이상 길며, 내마모성 및 윤활성이 우수하고, 온도 특성, 전단 안정성이 우수하고 인화점 및 연소점이 높아 고온 설비에서도 탄소 생성 및 증발 감량이 적은 장점이 있다. 또한, 생분해성이 우수하고 독성이 없어 친환경적인 소재이다.

종래기술에서는 유압작동유의 특성을 향상시키기 위하여 다양한 형태의 조성물로 사용하고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-0425616호에서는 아민계 및 페놀계 산화방지제, 인산 에스테르, 지방산 아미드 및/또는 다가 알코올 에스테르로 이루어진 기본오일을 배합물 형태로 포함하는 유압작동유가 개시되고 있으며, 대한민국 등록특허공보 10-1412266호에서는 기유와 점도 지수 향상제, 산인산 아미드 화합물, 아인산에스테르계 화합물, 다가 알코올 에스테르, 산성 인산에스테르계 화합물, 인산 트리에스테르계 화합물로 이루어지는 유압작동유 조성물이 개시되고 있다.

대한민국 등록특허공보 10-0425616호 대한민국 등록특허공보 10-1412266호 대한민국 등록특허공보 10-2361416호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 폴리올 에스테르계 유압작동유의 성분 및 제조방법을 최적화함으로써 유압작동유의 양호한 특성을 나타내면서 전단 안정성(shear stability)이 향상된 폴리올에스테르계 유압작동유 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유압작동유는 트리메틸올프로판(trimethylol propane, TMP) 10 내지 20 중량부, 올레산(oleic acid) 75 내지 85 중량부 및 다이머산(dimer acid) 1 내지 5 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 유압작동유의 제조방법은 반응기에 올레산, 다이머산 및 트리메틸올프로판을 순차적으로 투입하고 60 내지 70℃에서 교반하여 혼합물을 제조하는 단계, 상기 반응기에 질소 가스를 충진시킨 후 1차 감압하는 단계, 상기 반응기를 200 내지 250℃로 가열하고 반응시키면서 유리지방산(free fatty acid, FAA) 함량을 측정하는 반응 단계, 상기 FAA 함량이 1 중량% 이하일 때 상기 반응기를 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 반응 단계에서 상기 유리지방산 함량이 5 중량% 이하일 때 2차 감압을 수행하는 단계를 추가적으로 수행할 수 있다.

본 발명의 유압작동유는 유압작동유로서의 양호한 특성을 나타내면서 전단 안정성이 향상됨으로써 비교적 단순한 성분 및 제조방법에 의해 고품질의 유압작동유를 제조할 수 있는 효과를 나타낸다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 유압작동유는 폴리올 에스테르계 유압작동유로서, 트리메틸올프로판, 올레산(oleic acid) 및 다이머산의 3가지 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 트리메틸올프로판과 올레산이 반응하면 아래 반응식 1과 같이 폴리올 에스테르계 유압작동유를 형성하게 된다.

[반응식 1]

이러한 폴리올 에스테르계 유압작동유는 열 및 산화 안정성이 우수하여, 사용수명이 일반적으로 사용되는 광유에 비해 10배 이상까지 증가되게 된다. 즉, 윤활시스템이 작동하는 고온 환경에서 상기 에스테르 화합물은 에스테르기의 β 탄소 위치의 수소가 열분해에 의해 절단되면서 모노에스테르 화합물을 형성할 수 있다. 따라서 광유에 비해서는 수명이 증가되기는 하나 윤활시스템의 운전시간에 따라 열화되는 문제점을 피할 수는 없다.

본 발명에서는 상기 폴리올 에스테르계 유압작동유를 구성하는 트리메틸올프로판과 올레산에 적정양의 다이머산을 부가함으로써 유압작동유의 전단 안정성을 향상시켜 열 및 산화 안정성을 더욱 향상시키고 있다.

다이머산은 디카르복시산으로서 상기 반응식 1에서 트리메틸올프로판과 올레산이 반응할 때 소량의 다이머산이 부가되면 에스테르 화합물 간의 가교결합을 통해 일부 분자의 분자량이 증가되면서 점도 변화를 억제하기 때문에 유압작동유의 전단 안정성이 향상되는 것으로 나타났다.

예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-2361416호에서는 윤활유 조성물을 구성하는 성분 중 에스테르 화합물의 합성을 위하여 트리메틸올프로판 29.9 몰%, 올레산 2.0몰%, 다이머산 0.4 몰%를 질소 기류 하 240℃에서 반응시켜 수득된 에스테르 화합물(에스테르 화합물 VI)이 기재되어 있는데, 이 경우, 카프릴산, 카프르산, 아디프산 등의 지방산 대신 올레산과 다이머산을 조합하여 사용하고 있어 에스테르 화합물을 합성할 수는 있으나, 산화 안정성이 낮고, 녹 방제성이 낮은 것으로 보고되고 있다.

본 발명에서도 에스테르 화합물을 합성하기 위한 원료로 트리메틸올프로판, 올레산, 다이머산을 사용하고는 있으나, 이를 폴리올 에스테르계 유압작동유로 사용하기에 적합한 특성을 나타내도록 상기 3가지 성분의 함량을 최적화함으로써 수득되는 폴리올 에스테르계 유압작동유의 물성을 확보하고 있다.

즉, 본 발명의 유압작동유는 트리메틸올프로판 10 내지 20 중량부, 올레산 75 내지 85 중량부 및 다이머산 1 내지 5 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 반응식 1에서와 같이 1몰의 트리메틸올프로판과 3몰의 올레산이 반응할 수 있으므로, 이를 고려하여 트리메틸올프로판 10 내지 20 중량부과 올레산 75 내지 85 중량부가 되도록 배합하는 것이 바람직하다. 여기에 다이머산이 1 내지 5 중량부로 소량 함유되는데, 이를 통해 전술한 바와 같이 수득되는 폴리올 에스테르계 화합물의 안정성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.

상기 유압작동유는 상기 3가지 성분의 반응에 의해 형성되는데, 구체적으로는 반응기에 올레산, 다이머산 및 트리메틸올프로판을 순차적으로 투입하고 60 내지 70℃에서 교반하여 혼합물을 제조하는 단계, 상기 반응기에 질소 가스를 충진시킨 후 1차 감압하는 단계, 상기 반응기를 200 내지 250℃로 가열하고 반응시키면서 유리지방산(free fatty acid, FAA) 함량을 측정하는 반응 단계, 상기 유리지방산 함량이 1 중량% 이하일 때 상기 반응기를 냉각하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

상기 3가지 성분의 반응은 불활성 가스 분위기 하에서 수행하는데 감옵 조건 하에서 반응함으로써 에스테르화 반응이 진행될 수 있다. 올레산, 다이머산 및 트리메틸올프로판을 교반할 때 60 내지 70℃로 가온한 상태에서 교반하는데, 이는 트리메틸올프로판을 완전히 녹이기 위한 것이다. 상기 트리메틸올프로판이 완전히 녹아 혼합물이 형성된 후에는 30 내지 40℃로 냉각하고 다음 공정을 수행할 수 있으며, 연속 공정의 경우 냉각 단계를 거치지 않고 곧바로 반응을 수행할 수도 있다.

일단 혼합물을 형성한 후 질소 가스 및 감압 분위기 하에서 가열하여 반응을 일으키는데, 반응 과정에서 유리지방산(올레산)의 함량이 감소하게 된다. 따라서 반응기 내의 유리지방산 함량을 반응의 지표로 삼는 것이 바람직하다.

상기 혼합물에서 반응하기 전 측정된 유리지방산 함량은 83 내지 85 중량%인 것이 바람직하며, 이를 기준으로 유리지방산 함량의 감소를 측정하게 된다. 유리지방산의 함량이 1 중량% 이하가 되면 트리메틸올프로판과 올레산의 반응이 거의 완결된 것으로 볼 수 있다.

이때, 상기 반응 단계에서 상기 유리지방산 함량이 5 중량% 이하일 때 2차 감압을 수행하는 단계를 추가적으로 수행하면 미반응 화합물의 함량을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이는 단계적 감압을 통해 유리지방산의 잔여량에 따른 반응속도를 조절할 수 있기 때문이다.

이와 같이 제조된 유압작동유는 40℃에서의 동점도가 40 내지 60cSt, 전산가가 10㎎ KOH/g 이하, 수분 함량이 0.2 중량% 이하인 특성을 나타내어야 한다. 이러한 특성은 폴리올 에스테르계 유압작동유에서 요구되는 기본적인 물성이므로 이러한 물성을 충족시켜야만 유압작동유로 사용할 수 있다.

특히, 37.8℃에서의 압축율이 1.2 내지 1.6×10³㎠/㎏인 것이 바람직하다. 윤활시스템이 적용되는 장치에서 습동면 등에서 전단을 받으면 분자 결합이 끊어지면서 저분자화 되기 때문에 점도가 감소하여 전단 안정성이 저하되는데, 이러한 전단 안정성은 압축율에 의해 평가될 수 있다. 일반적으로 폴리올 에스테르 화합물에서 에스테르 결합은 전단 안정성이 우수하고 압력에 의한 점도 변화율이 적은 것으로 알려져 있는데, 본 발명에서는 상기 유압작동유의 성분으로 다이머산을 포함하여 전단 안정성이 더욱 높아지는 것으로 나타났다.

본 발명의 유압작동유의 특성을 평가하기 위하여 실시예 및 비교예를 통해 각각의 특성을 평가하였다.

[실시예]

올레산(CAS No. 112-80-1) 80.1 중량부, 다이머산(CAS No. 61788-89-4) 3 중량부 및 트리메틸올프로판(CAS No. 77-99-6) 16.9 중량부를 반응기에 순서대로 첨가하고, 70℃를 유지하여 트리메틸올프로판이 완전히 녹을 때까지 충분히 40분간 교반하였다. 얻어진 혼합물을 중간검사하였으며, FFA는 84±1 중량%로 나타났다. 중간검사를 마친 상기 혼합물을 40℃로 냉각하였다.

교반 중인 반응기에 질소 가스를 340ℓ/분의 유량으로 공급하고 5분간 560(-200)mmHg까지 감압하였다. 감압 후 반응기를 230℃까지 승온시키면서 반응시켰다. 이때, 질소 가스는 감압이 해제된 후 반응종료 시까지 동일한 유량으로 공급되었다.

230℃에 도달한 후부터 2시간 간격으로 FFA를 측정하였으며, FFA가 5 중량% 이하가 되면 460(-300)mmHg로 추가 감압하였다.

상기 온도와 압력을 유지하며 FFA가 1.0 중량% 이하가 될 때까지 반응을 수행한 후 FFA가 낮아진 시점에서 반응기를 냉각하였다. 또한, 수분이 완전히 제거되면 감압해제 후 66℃ 이하로 냉각하고 질소 가스의 공급을 중지하였다.

[비교예 1]

실시예와 동일한 공정으로 유압작동유를 제조하되, 원료물질로 올레산 83.1 중량부 및 트리메틸올프로판 16.9 중량부를 사용하였다.

[비교예 2]

비교 평가를 위하여 시판되는 광유계 유압작동유를 사용하였다.

실시예 및 비교예에 따른 유압작동유의 특성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

항목	실시예	비교예1	비교예2
동점도(cSt at 40℃)	50±3	50±3	-
전산가(㎎KOH/g)	<2.5	<2.5	<1.0
수분(ppm)	<700	<700	-
압축율(×103㎠/㎏ at 37.8℃)	1.25	1.40	1.76
마찰계수	0.13	0.13	0.27
내하중성능(㎏f/㎠)	14.6	13.2	6.8
전단안정성(P-SS/wt% at 100℃)	9/6.0	5/6.0	12/6.0

표 1에서 실시예와 비교예 1의 유압작동유는 인화점, 유동점, 점도, 전산가, 수분함량이 동일한 정도로 유압작동유로서 요구되는 특성을 충족하는 것으로 나타났으며, 비교예 2의 광유계 유압작동유에 비해서도 더 나은 특성을 나타내었다. 또한, 압축율 마찰계수, 내하중성능 등의 특성도 유압작동유에서 요구되는 물성을 모두 충족하는 것으로 나타났다.

또한, 실시예와 비교예 1 및 2를 비교해 볼 때 실시예의 유압작동유는 압축율이 더 낮고 내하중성능이 더 높은 것으로 평가되었다. 또한, ASTM D5621에 따른 소닉 테스트를 통해 전단 안정성을 평가한 결과에서 100℃에서 점도 변화율이 광유계 유압작동유의 경우 12%이며, 비교예 1의 유압작동유는 9%인 것으로 나타났으나, 실시예의 유압작동유는 점도 변화율이 5%에 불과한 것으로 나타났다. 소닉 전단 안정성 시험은 초음파 인가에 의한 전단 진동에 노출된 유체의 점도 변화를 평가하는 것으로서 점도 변화가 낮을수록 전단 안정성이 높은 것으로 볼 수 있다. 따라서 전단 안정성 시험 결과는 유압작동유에 다이머산이 부가됨으로써 전단 안정성이 향상되는 효과를 시사하는 것이다.

상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하며, 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (3)

1. 트리메틸올프로판(trimethylol propane, TMP) 16.9 중량부, 올레산(oleic acid) 80.1 중량부 및 다이머산(dimer acid) 3 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유압작동유.
   
2. 청구항 1에 따른 유압작동유의 제조방법으로서,
   반응기에 올레산, 다이머산 및 트리메틸올프로판을 순차적으로 투입하고 60 내지 70℃에서 교반하여 혼합물의 제조 단계;
   상기 반응기에 질소 가스를 충진시킨 후 1차 감압하는 단계;
   상기 반응기를 200 내지 250℃로 가열하고 반응시키면서 유리지방산(free fatty acid, FAA) 함량을 측정하는 반응 단계;
   상기 유리지방산 함량이 1 중량% 이하일 때 상기 반응기를 냉각하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압작동유의 제조방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 반응 단계에서 상기 유리지방산 함량이 5 중량% 이하일 때 2차 감압을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압작동유의 제조방법.