KR20030068586A - 개선된 열 안정성을 갖는 엔진 냉각수/부동액용 화학기제 - Google Patents
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Abstract
97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 95 내지 97 중량%; 아질산염 0.5 내지 1.5 중량%; 질산염 0.30 내지 1.5 중량%; 붕산염 0.25 내지 1.25 중량%; 메르캅토벤조티아졸 0.25 내지 1.0 중량%; 톨릴트리아졸 0.30 내지 1.1 중량%; 벤질트리아졸 0.00 내지 1.0 중량%; 규산염 0.25 내지 3.0 중량%; 소포제 0.05 내지 0.3 중량%; 규산염 안정화제 0.10 내지 1.9 중량%; 및 염료 0.00 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수. 97 내지 99 부피%인 1,3-프로판디올 95 내지 97 중량%; 아질산염 0.5 내지 1.50 중량%; 질산염 0.30 내지 1.50 중량%; 인산염 0.50 내지 1.60 중량%; 메르캅토벤조티아졸 0.25 내지 1.00 중량%; 톨릴트리아졸 0.30 내지 1.10 중량%; 벤질트리아졸 0.00 내지 1.00 중량%; 규산염 0.25 내지 3.00 중량%; 몰리브덴산염 0.50 내지 1.30 중량%; 소포제 0.05 내지 0.10 중량%, 및 염료 0.00 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수. PDO 93 내지 95 중량%, 2-에틸헥산산 4.0 내지 6.0 중량%, 세바신산 0 내지 1.5 중량%, 톨릴트리아졸 나트륨 0.3 내지 1.1 중량%, 소포제 0.05 내지 0.3 중량% 및 염료 0 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수. PDO 93 내지 95 중량%, 아질산 나트륨 0.5 내지 1.5 중량%, 2-에틸헥산산 4.0 내지 6.0 중량%, 세바신산 0 내지 1.5 중량%, 톨릴트리아졸 나트륨 0.3 내지 1.0 중량%, 소포제 0.05 내지 0.3 중량% 및 염료 0 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수. 1,3-프로판디올을 포함하는 연료 전지 차량용 부동액/냉각수.
Description
국제적 엔진 배출물질 감소에 대한 증가된 논의는 거의 1세기 동안 엔진 부동액 제제의 버팀목이었던 통상의 에틸렌 글리콜 및/또는 프로필렌 글리콜 기제의 교체를 촉발할 수 있는 엔진 배출물질 기술 상의 일부 진전을 가져왔다. 새로운 엔진 부품, 구체적으로 배기가스 재순환(EGR) 장치는 엔진 냉각수에 훨씬 많은 열응력을 가한다. 이는 에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜의 산화를 극적으로 가속화시켜 겨우 몇달 정도의 연속 사용에도 부적합한 냉각수를 초래할 수 있다. 산업계는 5년 정도로 연장되는 일부 사용 권장기간에 따라, 엔진 냉각수 사용 간격을 연장하려고 노력해왔다. 그러므로, 4개월 내지 6개월 간격의 냉각수 교체 요구(가속화된 산화 및 노후로 인한 것)가 차량 운전자들에게 용인될 수 없는 것은 당연할 것이다. 유사한 문제점을 갖는, 배출물질 감소를 위한 EGR 외 타 기술도 있다. 본 발명은 또한 이들 타 배출물질 감소 기술에서도 유리하다.
냉각수는 일반적으로 일련의 물리적 성질 시험 및 성능 시험을 거친 뒤 ASTM에 의해 발행된 명세서와 데이터를 비교함으로써 평가 및 판단된다. 본 발명은 본원에서 쉘(Shell)에 의해 1,3-프로판디올로 공지된 새로운 냉각수 기제 화학물질에 관한 것으로, 이것은 ASTM D3306 저부하 및 중부하(자동차용)와 D6210/6211 "완전히 제형된 엔진 냉각수"의 물리적 시험 및 성능 시험 프로토콜에 따라 시험된다. 이들 프로토콜은 습윤 투관 실린더 라이너와 함께 또는 이것 없이 조작되는 사실상 모든 엔진, 가솔린(휘발유), 디젤, 및 천연가스의 냉각 시스템에 사용할 수 있는 엔진 냉각수의 자격을 부여한다.
디젤 엔진 주문자 상표부착 생산자들(OEMs)은 21세기의 첫 10년 내에 북미 및 유럽 규제기관의 배출물 관련 요구사항을 충족시킬 저배출 디젤연료 엔진을 제조하기 위해 활발하게 노력하고 있다. 여러가지의 가능한 설계 개선에 대한 광범위한 투자 및 연구는 앞서 언급한 배기가스 재순환 장치(EGRs)와 같은 일부 효과적인 기술을 만들어냈다. 이름이 의미하는 바대로, EGR 장치는 배기가스의 일부분을 연소실로 돌려보내 엔진의 연소 효율을 증가시키고, 이로써 목표 배출물질을 감소시킨다. 배기가스, 특히 디젤 엔진에 의한 배기가스는 일반적인 흡입 공기보다 훨씬 뜨겁다. 그러므로, EGR 가스는 연소실에 도달하기 전에 기존 엔진 냉각 시스템에 의해 냉각되어야 한다.
원형 EGR 장착 엔진의 고하중 디젤용으로 에틸렌 글리콜(EG)을 블렌딩한 냉각수는 종종 변색되거나 빠르게 산화될 수 있다. 산화 반응은 아질산염(NO2)에서 질산염(NO3)으로 및 에틸렌 글리콜(HO-CH2-CH2-OH)에서 포름산(CH3-OOH)과 글리콜산(HO-CH2-CH2-OOH)으로의 산화를 포함한다. EGR 존재 하에서는, EG 산화가 매우 가속화된다. 이러한 산화는 엔진 부품을 부식시켜 때이른 고장을 야기시키는 부식성을 증가시킨다. 프로필렌 글리콜(PG) 냉각수를 EGR 장치에서 시험한 적은 없지만, PG는 일반적으로 EG보다 열 안정성이 훨씬 떨어질 것으로 여겨진다.
2002년형 고하중 디젤 엔진에 대한 디젤 엔진 배출물 요구조건은 배기가스 재순환 장치를 가지고 실험하게 했다. EGRs 장착 디젤 엔진이 다양한 환경에 맞춰 개발되고 시험되었다. 일부 시험에서, 엔진 냉각수는 검게 변하고 강한 악취를 생성했다. 사용된 냉각수의 화학 분석에서는 매우 높은 농도의 포름산염 및 글리콜산염이 나타났다. 또한, 아질산염 농도는 규산염과 마찬가지로, 질산염으로의 산화에 의해 때이르게 고갈되었다. 냉각수의 pH는 단지 몇달 사용으로 10.2에서 8.3으로 떨어졌다. 종합적으로, 이러한 변화는 냉각 시스템 부품을 부식시켜 때이른 고장을 야기시키는 부식된 냉각수를 초래한다.
에틸렌 글리콜(1,2-에탄디올) 및 프로필렌 글리콜(1,2-프로판디올)은 수십년동안 엔진 부동액/냉각수용 최저가 화학 기제를 제공해 왔다. EG 기제의 엔진 냉각수에 대한 현 ASTM 명세서는 ASTM D3306(자동차 및 저부하) 및 D6210(완전히 제형된 고부하)이다. 만약 EG 및 PG가 EGR 장착 디젤 엔진에서 사용할 수 없는 것으로 밝혀진다면, 1,3-프로판디올이 보다 안정되고 수명이 긴 대체물을 제공할 것이다.
발명의 요약
본 발명은 97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올(PDO) 95 내지 97 중량%; 아질산염 0.50 내지 1.5 중량%; 질산염 0.30 내지 1.5 중량%; 붕산염 0.25 내지 1.25 중량%; 메르캅토벤조티아졸 0.25 내지 1.0 중량%; 톨릴트리아졸 0.30 내지 1.1 중량%; 벤질트리아졸 0.00 내지 1.0 중량%; 규산염 0.25 내지 3.0 중량%; 소포제 0.05 내지 0.3 중량%; 규산염 안정화제 0.10 내지 1.9 중량%; 및 염료 0.00 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수를 포함하는, 내연기관에 사용하는 부동액/냉각수 조성물에 관한 것이다.
또다른 구체예에서, 본 발명은 97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 95 내지 97 중량%; 아질산염 0.50 내지 1.50 중량%; 질산염 0.30 내지 1.50 중량%; 인산염 0.50 내지 1.60 중량%; 메르캅토벤조티아졸 0.25 내지 1.00 중량%; 톨릴트리아졸 0.30 내지 1.10 중량%; 벤질트리아졸 0.00 내지 1.00 중량%; 규산염 0.25 내지 3.00 중량%; 몰리브덴산염 0.50 내지 1.30 중량%; 소포제 0.05 내지 0.10 중량%, 및 염료 0.00 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수를 포함하는, 내연기관에 사용하는 상이한 부동액/냉각수 조성물에 관한 것이다.
또다른 구체예에서, PDO는 93 내지 95 중량%이고, 2-에틸헥산산은 4.0 내지 6.0 중량%이며, 세바신산은 0 내지 1.5 중량%이며, 톨릴트리아졸 나트륨은 0.3 내지 1.1 중량%이며, 소포제는 0.05 내지 0.3 중량%이며 염료는 0 내지 0.02 중량%이다. 또다른 구체예에서, PDO는 93 내지 95 중량%이고, 아질산 나트륨은 0.5 내지 1.5 중량%이며, 2-에틸헥산산은 4.0 내지 6.0 중량%이며, 세바신산은 0 내지 1.5중량%이며, 톨릴트리아졸 나트륨은 0.3 내지 1.1 중량%이며, 소포제는 0.05 내지 0.3 중량%이며 염료는 0 내지 0.02 중량%이다.
한층 다른 구체예에서, PDO는 연료 전지 차량용 냉각수로 사용되는데, 즉 1,3-프로판디올을 포함하는 연료 전지 차량용 부동액/냉각수가 제공된다. 이것은 높은 전기저항, 통상적 부식 억제제 없이 나타나는 부식 방지, 적어도 -44℃까지의 동결 방지, 사용가능한 부품에 강한 전기장을 전도시키지 않는 개선된 작동 안전성을 제공하고, 경제성 향상을 위해 탈이온수로 60 중량%까지 희석하는 선택적 구체예를 제공한다.
본 발명에 따라 또한 연료 전지에서 부동액/냉각수로 1,3-프로판디올을 사용하는 것을 포함하는, 연료 전지 차량에 사용하는 연료 전지의 온도 보안 방법이 제공된다.
본 발명에 따라 추가로 97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 95 내지 97 중량%; 아질산염 0.50 내지 1.50 중량%; 질산염 0.30 내지 1.50 중량%; 인산염 0.50 내지 1.60 중량%; 메르캅토벤조티아졸 0.25 내지 1.00 중량%; 톨릴트리아졸 0.30 내지 1.10 중량%; 벤질트리아졸 0.00 내지 1.00 중량%; 규산염 0.25 내지 3.00 중량%; 몰리브덴산염 0.50 내지 1.30 중량%; 소포제 0.05 내지 0.10 중량%, 및 염료 0.00 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관 및 연료 전지 엔진용 부동액/냉각수 조성물의 제조방법이 제공되는데, 이 제조방법은 먼저 아질산염, 질산염, 인산염, 메르캅토벤조티아졸, 톨릴트리아졸, 벤질트리아졸, 규산염, 몰리브덴산염, 소포제, 및 선택적 염료를 수중에서 블렌딩한 다음 이어서 블렌드에 1,3-프로판디올을 첨가하는 과정을 포함한다.
본 발명은 내연기관 및 연료 전지에 사용할 수 있는 부동액/냉각수에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 주 부동액/냉각수로 1,3-프로판디올을 주로 함유하고 특정 용도에 요구되는 타 성분 또한 함유할 수 있는 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 이제 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명될 것이다.
도 1은 1,3-프로판디올 및 GM 6043 억제 화학물질(EG) 수용액의 어는점 특성을 도해한 것이다.
도 2는 타입 'A' 냉각수에 존재하는 음이온을 나타낸 것이다.
도 3은 타입 'B' 냉각수에 존재하는 음이온을 나타낸 것이다.
쉘 케미컬 컴퍼니(Shell Chemical Company)에서 제조하는 1,3-프로판디올은 일반적으로 US-A-5304691 및 여기에 기술된 문헌에 설명된 바와 같이 제조된다. 이는 PDO 및 HPA(3-하이드록시프로판알, 3-하이드록시알데하이드)의 제조방법이다. 이러한 특정 특허에서, PDO 및 HPA는 하이드로포밀화 반응 조건으로 불활성 반응 용매에서 옥시란(에틸렌 옥사이드, 이하 'EO'), 디터셔리 포스핀-변형 코발트 카르보닐 촉매, 루테늄 촉매 촉진제, 및 합성가스(일산화탄소 및 수소)를 균질하게 접촉시킴으로써 제조된다. PDO 수율은 두자리 리간드인 1,2-비스(9-포스퍼바이사이클로노닐)에탄과 결합된 코발트, 및 공촉매인 트리루테늄(0) 도데카르보닐이나 비스[루테늄 트리카르보닐 디클로라이드]를 포함하는 촉매를 사용하여 86 내지 87 몰%까지로 기록된다. PDO를 제조하는 타 방법도 알려져 있다.
본 발명은 물과 블렌딩되어 내연기관, 특히 디젤 엔진의 냉각 시스템에서 열교환 매개체로 사용되는 PDO 기제의 부동액/냉각수 조성물이다. 이것은 또한 타 내연기관의 냉각 시스템에도 사용될 수 있다. PDO는 기본 재료이며 조성물은 이를 95 내지 97 중량% 포함한다. 그러나, 조성물은 또한 억제제 패키지도 함유해야 한다. 기본적으로 적어도 4가지 타입의 억제제 패키지가 있다. 그중 하나인 타입 A는 붕사(붕산 나트륨)와 같은 붕산염 화합물을 함유한다. 억제제 패키지의 또다른 타입인 타입 B는 대신 인산 나트륨과 같은 인산염, 및 몰리브덴산 나트륨과 같은 몰리브덴산염을 함유한다. 또한, 유기산 억제제 패키지 및 고부하 유기산 억제제 패키지가 있다. 이들을 일반적으로 및 구체적으로 하기 표에 기재했다.
화학물질 | % |
97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 | 95 내지 97 중량% |
아질산 나트륨 | 0.50 내지 1.5 중량% |
질산 나트륨 | 0.30 내지 1.5 중량% |
붕사 | 0.25 내지 1.25 중량% |
메르캅토벤조티아졸 나트륨 | 0.25 내지 1.0 중량% |
톨릴트리아졸 나트륨 | 0.30 내지 1.1 중량% |
벤질트리아졸 나트륨 | 0.00 내지 1.0 중량% |
규산 나트륨 | 0.25 내지 3.0 중량% |
소포제 | 0.05 내지 0.3 중량% |
규산염 안정화제 | 0.10 내지 1.9 중량% |
염료 | 0.00 내지 0.02 중량% |
화학물질 | % |
97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 | 95 내지 97 중량% |
아질산 나트륨 | 0.50 내지 1.50 중량% |
질산 나트륨 | 0.30 내지 1.50 중량% |
인산 나트륨 | 0.50 내지 1.60 중량% |
메르캅토벤조티아졸 나트륨 | 0.25 내지 1.00 중량% |
톨릴트리아졸 나트륨 | 0.30 내지 1.10 중량% |
벤질트리아졸 나트륨 | 0.00 내지 1.00 중량% |
규산 나트륨 | 0.25 내지 3.00 중량% |
몰리브덴산 나트륨 | 0.50 내지 1.30 중량% |
소포제 | 0.05 내지 0.10 중량% |
염료 | 0.00 내지 0.02 중량% |
두 조성물 모두 아질산 나트륨과 같은 아질산염 0.5 내지 1.5 중량%, 질산 나트륨과 같은 질산염 0.3 내지 1.5 중량%를 함유한다. 질산염 이온은 움푹 들어가고 갈라지는 부식에 대한 보호작용을 한다.
두 조성물 모두 규산 나트륨과 같은 규산염 0.25 내지 3.0 중량%를 함유해야 한다. 규산염은 임의의 다양한 형태로 존재할 수 있다. 규산염의 목적은 조성물 중 하나에 속해 있는 인산염 이온의 부식성을 상쇄시키고 또한 엔진 상부 및 라디에이터를 포함하는 알루미늄 방열기 표면에 부식 방지를 제공하는 것이다.
두 조성물 모두 지정된 양의 메르캅토벤조티아졸, 톨릴트리아졸, 및 벤질트리아졸을 함유해야 한다. 이들 아졸은 금속 상의 구리와 함께 비투과성 필름을 형성함으로써 부식으로부터 구리 및 구리 합금을 보호한다.
조성물에 함유되는 붕산염으로 붕사와 같은 붕산염이 0.25 내지 1.25 중량% 함유되어야 한다. 붕산염은 임의의 다양한 형태로 존재할 수 있다. 붕산염은 우수한 pH 완충제이다. 이것은 엔진으로부터 배출된 산성 배기가스가 조성물에 들어갈 때 조성물의 pH가 감소하는 경향을 상쇄시키는 데 사용된다.
임의의 타 조성물로 인산 나트륨과 같은 인산염 0.5 내지 1.6 중량%가 존재해야 한다. 이는 공동화 부식으로부터 금속 표면을 보호하는 데 중요하고 또한 철금속 성분에 대한 부식 방지를 제공한다.
부동액/냉각수 조성물 내에 소포성 조성물의 유효량이 포함되는 것이 바람직하다. 이러한 조성물은 잘 공지되어 있다. 폴리글리콜형 소포제가 사용될 수 있다. 붕산염 조성물에서 소포제의 양은 0.05 내지 0.3 중량% 범위이고, 인산염 조성물에서는 소포제를 조성물의 0.05 내지 0.10 중량%로 포함할 수 있다.
화학물질 | % |
97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 | 93 내지 95 중량% |
2-에틸헥산산 | 4.0 내지 6.0 중량% |
세바신산 | 0.0 내지 1.5 중량% |
톨릴트리아졸 나트륨 | 0.30 내지 1.1 중량% |
소포제 | 0.05 내지 0.3 중량% |
염료 | 0.00 내지 0.02 중량% |
화학물질 | % |
97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 | 93 내지 95 중량% |
아질산 나트륨 | 0.50 내지 1.50 중량% |
2-에틸헥산산 | 4.0 내지 6.0 중량% |
세바신산 | 0.0 내지 1.5 중량% |
톨릴트리아졸 나트륨 | 0.30 내지 1.10 중량% |
몰리브덴산 나트륨 | 0.50 내지 1.30 중량% |
소포제 | 0.05 내지 0.10 중량% |
염료 | 0.00 내지 0.02 중량% |
유기산 억제제 패키지 또한 PDO 부동액/냉각수 조성물에 효과적임을 발견했다. 상기 유기산 표에 이러한 조성물을 기재했다. 상기 고부하 유기산 표에 PDO를 함유하는 또다른 부동액/냉각수 조성물을 기재했다.
PDO의 사용은 또한 유럽에서 사용이 용인될 수 없는 아질산염의 필요성이 없는, 환경친화적 첨가제가 들어간 부동액/냉각수의 제형을 가능하게 한다.
연료 전지 차량의 PDO 냉각수는 250 kOhm-cm을 넘는 전기 저항성, 90℃를 넘는 비등점, -40℃ 미만의 어는점, 0.4 W/m-k를 넘는 열 전도성, 80℃에서 1 mPa.s(1 cPs) 미만이고 0℃에서 6 mPa.s(6 cPs) 미만인 점성, 3 kJ/kg-K를 넘는 열용량, 5000 작동시간(총 3년)을 넘는 내구성, 현 자동차 냉각 시스템 재료를 부식시키거나 침식시키지 않는 재료적 융화성을 가지고, 운반시 비독성으로 분류되는 독성을 가지며, 현 자동차 냉각수와 가격 경쟁이 가능할 것으로 사료된다.
PDO 제형은 EG 또는 PG보다 본질적으로 우수한 공동화 대비 보호작용을 부여한다.
이러한 이점의 일부 또는 전체가 EO 및 PO에 대한 PDO의 상대적 킬레이트화 능력에 기초한다는 이론이 있다. 전자는 용액에서 이온을 쉽게 킬레이트화할 수 있다. EO 및 PO와의 킬레이트는 상대적으로 쉽게 형성되는 5-원자 링일 것이다. PDO는 형성되기 매우 힘든 6-원자 링을 형성해야 하기 때문에 용액에서 이온을 잘 킬레이트화할 수 없다.
새로운 화학물질이 EG 기제의 엔진 냉각수와 비교해서 이익을 제공하는지 알아보기 위해, ASTM D3306/D6210형 시험 프로토콜 3세트를 주문했다. 이들 시험은 시험 온도를 각 성능 시험 장치의 최대 안전 작동 온도까지 증가시키는 것을 제외하고는, ASTM 프로토콜을 따랐다. 이러한 변용은 시험의 엄격성을 증가시키고, EGR 장착 디젤 엔진에 의해 가해진 증가된 열응력을 모의실험하며, 새로운 화학물질이 때이른 노후에 대해서 EG보다 우수한 저항성을 보이는지 알아보기 위해 설계된 것이다. 각 시험쌍은 적절한 ASTM 표준 시험 방법으로 제조된 EG 및 1,3-프로판디올 유체를 포함했다. 3쌍은 각각 하나의 억제제 화학물질을 대표했다.
자동차용(저부하)
시험의 제1 라운드에서는 GM 6043 부동액 제형/설명서에 기재된 억제제 패키지로 억제시킨 1,3-프로판디올을 평가했다. EG 내의 이 억제제 패키지는 1994년까지 모든 북미 GM 자동차에 대한 엔진오일을 대표했다. 이것의 성질이 잘 공지되어 있으며 이 화학물질은 ASTM 실험실 시험을 사용해서 1,3-프로판디올의 예상 성능을 평가하는 데 좋은 기회를 제공했다.
GM 6043 화학물질으로 억제시킨 1,3-프로판디올은 변형된 ASTM형 시험에서 EG보다 다소 우수하게 작용했다. 도 1은 1,3-프로판디올 및 GM 6043 (EG) 수용액의 어는점 특성을 도해한 것이다. ASTM D1177 시험 방법으로 측정했을 때 동결 보호작용이 약간 저하되는 것으로 나타났으나, 1,3-프로판디올은 보고된 어는점에서 부드럽고 질퍽했다. 이는 딱딱하고 해로운 동결에 대한 실제의 보호작용이 실질적으로 보다 우수하며 EG 기제 산물의 효과적인 보호점에 접근하고 있음을 시사할 수 있다. D1177 시험이 또한 수중 55% 및 60% 1,3-프로판디올로 실시되었고, 여기서 시험 방법에 의해 55% 농도의 산물이 50% EG와 동등한 방지를 제공함이 밝혀졌다. 60% 1,3-프로판디올에서도 동결 방지의 향상은 계속되었다. 이로써 이 화학물질의 부동액 성질이 용인될 수 있다고 사료된다. 실제로 50% 용액은 대부분의 배열에서 동결에 대한 적절한 보호작용을 했다.
ASTM D1120에 의한 50% 용액의 비등점은 106℃로, 107℃인 50% EG보다 1도 낮다.
1,3-프로판디올은 ASTM D1122 방법으로 측정했을 때, EG보다 약간 낮은 비중(SG)을 갖는다. EG 기제의 부동액은 1.129의 비중을 갖는 것으로 밝혀진 반면 1,3-프로판디올의 비중은 1.070으로 측정되었다. 냉각수는 자동차 최종 평가 상의 효과(ASTM D1882) 측정 시 어떤 효과도 나타내지 않았다. 실제로, 아래에 제시된 바와 같이, 두 냉각수의 많은 물리적 성질은 매우 유사하다. 이러한 유사성은 유리한데, 이는 새로운 냉각수가 시간이 갈수록 EG 및/또는 PG 기제의 냉각수로 오염될 것이 거의 확실하기 때문이다. 오염이 일어날 때는, 시스템 결과에 아무런 피해를 주지 않는 것이 바람직하다. 아마도 단지 약간의 항산화 이익이 손실될 것이다.
부동액의 물 함량은 억제 기술에 의해 공급되기 때문에, 두 기제 대체물에 차이가 없다. 이와 유사하게, pH, 염화물 및 회분 특성도 동등하다. 1,3-프로판디올의 기포성은 약간 높지만, ASTM D3306 제한 안에서 유지된다(표 5, 6, 및 7).
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6043 | GM 6043 (EG) |
D1122 비중 | 1.070 | 1.129 |
D1177 어는점수중 50 부피% | -28℃(-18℉) | -38℃(-36℉) |
D1120 비등점수중 50 부피% | 106℃(222℉) | 107℃(226℉) |
D1882 자동차 최종 효과 | 없음 | 없음 |
D1119 회분 함량 | 0.81% | 0.87% |
D1287 pH:탈이온수중 50 부피% | 9.8 | 8.67 |
D3634 염화물 | 16 | 11 |
D1123 물, 질량% | 4.1% | 4.0% |
D1121 예비 알칼리도 | 9.8 | 9.3 |
D1881 기포성 | 113ml 부피에서 3.6초만에 없어짐 | 50ml 부피에서 1.6초만에 없어짐 |
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6043 | GM 6043 (EG) |
D4340 알루미늄 열 방출 표면의 부식 | 0.27 mg/㎠/주 | 0.12 mg/㎠/주 |
D1384 유리부품 내 부식 | 구리 3 mg땜납 1 mg놋쇠 2 mg강철 1 mg주조 철 2 mg주조 알루미늄 0 mg | 3 mg1 mg2 mg1 mg1 mg0 mg |
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6043 | GM 6043 (EG) |
D2570 사용 모의실험 | 구리 3 mg땜납 0 mg놋쇠 7 mg강철 1 mg주조 철 0 mg주조 알루미늄 4 mg | 5 mg4 mg0 mg3 mg3 mg1 mg |
D2809 수중펌프 공동화-침식 | 8 | 8 |
여기에 기록된 데이터는 1,3-프로판디올이 엔진 냉각수로서 가능성이 있는지 알아보기 위해 나타낸 것이다. 이러한 데이터는 새로운 화학물질의 성질이 유리하고, 추가 연구에 적합함을 증명한다. 연구의 다음 단계는 시판용 전차량 엔진을 대상으로 했다.
완전히 제형된 것(고부하)
시험의 제2 라운드는 고부하 또는 '보편적인' 전차량 대상의 냉각수로서 1,3-프로판디올을 평가했다. 원형 EGR 장치를 장착한 고부하 디젤 트럭의 EG 기제 냉각수가 3개월/50,000km가 되기 전에 검게 변하고 부식되었다는 보고 때문에 이러한 과정의 시험이 부과되었다. 1,3-프로판디올의 고부하 냉각수로서의 가능성을 측정하기 위해, 이를 ASTM D6210 타입 'A' 및 타입 'B' 억제제 화학물질 둘다로 제조했다. 이들 화학물질은 자동차 및 경트럭에 대한 성능 규격치를 충족시키는 요구조건에 추가하여, 공동화-침식에 대해 습윤 투관 라이너를 보호하기 위한 화학물질을 함유해야 한다. 시험은 EG 대조군에 대해 실시했다. 냉각수 샘플은 두곳의 주요 억제제 생산자에 의해 제공된 동일한 억제제를 사용하여 모두 실험실에서 제조했다.
타입 'A' 및 타입 'B' 억제제 패키지를 상기한 표 1 및 2와 같이 준비했다.
1,3-프로판디올은 흥미로운 이점을 제공하는 것으로 나타났다. 표 8 내지 10에 기록한 데이터는 감소된 산화(노후)에 대한 잠재적 이점과 부식 방지, 구체적으로는 납땜 괴철에 대한 방지의 이점을 드러낸다. 이들 시험은 ASTM D6210에 의해 기입된 것보다 가능하면 높은 온도에서 실시되었기 때문에, 데이터는 표준에 의한 '적합' 또는 '부적합'이 아닌 연구 실험으로 간주되어야 한다.
표 9에 기록된 승온 알루미늄 열 방출 시험 D4340에서, 냉각수는 150℃에서 168시간 동안 작동했다. 표준 방법에는 135℃에서 168시간으로 기입되어 있다. 이와 유사하게, D1384 및 D2570에서 온도를 장치 내 최대 유지 온도까지 올렸다. 작동 온도 변형을 하기 데이터 표에 기재했다.
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6210 'A' | 대조군 EG 6210 'A' |
D1122 비중 | 1.067 | 1.127 |
D1177 어는점수중 50 부피% | -30℃(-21℉) | -38℃(-36℉) |
D1120 비등점수중 50 부피% | 107℃(226℉) | 107℃(226℉) |
D1882 자동차 최종 효과 | 없음 | 없음 |
D1119 회분 함량 | 0.55% | 0.80% |
D1287 pH:탈이온수중 50 부피% | 11.25 | 11.0 |
D3634 염화물 | 24 | 25 |
D1123 물, 질량% | <3.0% | <3.0% |
D1121 예비 알칼리도 | 6.8 | 8.8 |
D1881 기포성 | 65ml 부피에서 3.3초만에 없어짐 | 55ml 부피에서 2.1초만에 없어짐 |
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6210 'A' | 대조군 EG 6210 'A' |
D4340 150℃에서의 알루미늄열 방출 표면의 부식시험 전 & 후의 pH | 0.28 mg/㎠/주11.3 & 8.6 | 0.20 mg/㎠/주11.0 & 8.2 |
D1384 150℃에서의 유리부품내 부식 | 구리 3 mg땜납 2 mg놋쇠 2 mg강철 1 mg주조 철 0 mg주조 알루미늄 4 mg | 4 mg26 mg2 mg1 mg0 mg0 mg |
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6210 'A' | 대조군 EG 6210 'A' |
D2570 87℃에서의 사용 모의실험 | 구리 12 mg땜납 11 mg놋쇠 4 mg강철 3 mg주조 철 0 mg주조 알루미늄 0 mg | 8 mg56 mg1 mg1 mg1 mg0 mg |
D2809 수중펌프 공동화-침식 | 8 | 3 |
상기 데이터는 이 시험 세트에서 "타입 A" 제형의 불필요한 2가지 경향이 1,3-프로판디올에 의해 확실하게 줄어든다는 점에서 흥미롭다. 즉, 상기 결과에 기록된 바와 같은 D1384 및 D2570의 땜납 부식과 D2809에서 종종 나타나는 수중펌프 부식이 그것이다. 완결까지 약 10주가 소요되는 사용 모의실험 시험의 냉각수를 시험 후 분석하여 산화에 대한 임의의 저항성이 기록될 수 있는지 알아보았다.
이러한 데이터는 D1384 및 D2570 데이터에 의해 증명되는 약간 더 우수한 부식 방지의 등가물을 제공함과 동시에, EG와 비교할 때 산화에도 저항성을 가질 수 있어서 1,3-프로판디올의 고온 특성이 보다 우수할 수 있음을 시사했다. 구체적으로, 냉각수의 화학 분석이 산화물의 농도에 의해 증명된 바와 같은 냉각수의 산화정도를 계량하고 비교하기 위해 실시되었다. 사용하는 냉각수가 오래되었을 때, 글리콜의 일부가 산화된다. 에틸렌 글리콜은 포름산(CH3-COOH) 또는 글리콜산(OH-CH2-COOH)이나 옥살산(HOOC-CH2-CH2-COOH)과 같은 두 C2분자 중 하나의 형태가 될 수 있다. 1,3-프로판디올은 이 화학물질의 산화로 보다 큰 카르복시화물이 산출되는 경우, 이를 위해 또한 재검토되었다(도 2).
"완전히 제형된 타입 'A' 억제제 패키지" 로 억제시킨 1,3-프로판디올은 매우 긍정적인 데이터를 산출해냈다. 고온 시험에서, 데이터는 EG와 동등하거나 그보다 우수했다. 땜납 성능, 알루미늄 수중펌프 침식/부식 및 냉각수 화학 기제의 산화에서 유의적인 개선이 기록되었다.
유리부품 내 부식인 ASTM D1384 방법은 6개의 금속 샘플 표준 세트로 수행되었다. 6개의 금속 각각의 데이터를 표 9에 기록하였다. 표준 시험은 88℃에서 336시간 동안의 노출을 필요로 했다. 이 시험은 물 대신 프로필렌 글리콜액을 사용하여 150℃에서 336시간 동안 실시되었다. 이와 유사하게, D4340 장치에서 냉각수 온도를 증가시켰다.
사용 모의실험 장비의 최대 안전 작동 온도는 일반 작동 온도인 88℃보다 5도 높은 93℃인 것으로 간주되었다. 일반적으로, 사용 모의실험의 데이터는 유리부품 내 부식 시험의 데이터와 유사했다.
끝으로, 두 냉각수를 고온 표면 관석 시험에서 평가했다. 현재 이 방법으로 초래된 관석(scale) 형성을 제한하는 ASTM 요구조건이나 제안사항은 없다. 이 방법은 부식성 센물에 혼합된 8 부피%의 샘플로 구성된 유체를 시험 장치에 도입하는 단계를 수반한다. 장치를 100시간 동안 작동시키면서, 샘플을 고온 강철 표면에 노출시켜 화학물질이 관석 형성을 막을 수 있는지 알아보았다. 대조군 '타입 A'가 새로운 '타입 A'보다 다소 우수하게 수행되었지만, 둘다 잘 수행되었다. 대조군은 1.6 mg의 관석을 생성했고 새로운 화학물질은 2.3 mg 생성했다. 억제되지 않은 에틸렌 글리콜과 센물은 전형적으로 약 5 mg을 축적했다. 이러한 데이터는 에틸렌 글리콜 기제의 냉각수 내 '타입 A' 제형으로 얻은 명확한 전차량 경험에서 확인된 예상대로, 두 화학물질 모두 사용 시에 심각한 관석 형성을 막을 수 있음을 시사했다.
다음 연구는 "완전히 제형된 타입 'B' 억제제"를 사용하여 시험을 반복하는 것이다. 새로운 화학물질은 '타입 B' 제형을 블렌딩하는 과정에서 예기치 않은 반응, 즉 응고화를 나타내 연구자들을 놀라게 했다. 가장 흥미로운 사건이지만 이러한 반응은 엔진 냉각수로서 산물을 평가하는 데는 유용하지 않았다. 결국 실험은 수중에서 '타입 B' 억제제를 블렌딩한 다음 부동액 화학물질을 첨가하여 원형 산물을 성공적으로 산출하는 방법으로 성공했다. 시판된다면, 이 변형물은 단지 "바로 쓸 수 있는" 냉각수로서 이용될 수 있다. 물론, 추가 제형으로 이 가장 독특한 성질을 극복하는 방법을 찾아낼 수 있다.
'타입 B' 화학물질은 붕산염 대신 인산염을 포함하고 몰리브덴산염 및 습윤 투관을 댄 디젤 엔진을 위한 추가의 공동화 방지 억제제를 첨가한다는 점에서 '타입 A'와 상이하다. 본원에서 평가되는 고부하 냉각수 중 두개의 타입은 북미 전차량에서 거의 동등하게 나타난다. 타입 'B'가 세계 시장에서 약간 더 대중적일 수 있다. 아마도 두 변형물의 최종 제형은 1,3-프로판디올에 최적화될 것이다. 둘은 각각 흥미로운 데이터를 생성해냈으며, 각각 서로에 대한 이점 및 단점을 가진다.
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6210 'B' | 대조군 EG 6210 'B' |
D1122 비중 | 1.062 | 1.135 |
D1177 어는점수중 50 부피% | -30℃(-21℉) | -38℃(-36℉) |
D1120 비등점수중 50 부피% | 107℃(226℉) | 108℃(228℉) |
D1882 자동차 최종 효과 | 없음 | 없음 |
D1119 회분 함량 | 1.58% | 1.76% |
D1287 pH:탈이온수중 50 부피% | 10.6 | 10.5 |
D3634 염화물 | 10 | 10 |
D1123 물, 질량% | <3.0% | <3.0% |
D1121 50%에서의 예비알칼리도 | 11.4 | 10.8 |
D1881 기포성 | 215ml 부피에서 4.2초만에 없어짐 | 85ml 부피에서 2.2초만에 없어짐 |
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6210 'B' | 대조군 EG 6210 'B' |
D4340 150℃에서의 알루미늄열 방출 표면의 부식시험 전 & 후의 pH | 0.32 mg/㎠/주8.3 & 8.3 | 9.0 mg/㎠/주8.9 & 10.0 |
D1384 150℃에서의 유리부품내 부식 | 구리 2 mg땜납 2 mg놋쇠 1 mg강철 2 mg주조 철 0 mg주조 알루미늄 0 mg | 1 mg2 mg2 mg5 mg7 mg0 mg |
시험 번호 & 설명 | 1,3-프로판디올 6210 'B' | 대조군 EG 6210 'B' |
D2570 87℃에서의 사용 모의실험 | 구리 3 mg땜납 1 mg놋쇠 8 mg강철 2 mg주조 철 0 mg주조 알루미늄 1 mg | 1 mg58 mg1 mg0 mg0 mg8 mg |
D2809 수중펌프 공동화-침식 | 9 | 8 |
1,3-프로판디올에서, 최적화된 화학물질은 긴 사용 간격 및 뛰어난 부식 방지 제공하는 우수한 성능의 산물을 제공한다. 타입 'B' 제형에 대한 데이터는 상기 표 11, 12 및 13에 제시되어 있다.
고온 관석 시험을 1,3-프로판디올 타입 'B' 상에서 또한 실시했다. 고온 표면 상에 관석이 형성되지 않았다(0.0 mg). 시험 장소를 조사하여, 시험의 정확성을 입증했다. EG 대조군 실험에서는 관석이 1.75 mg 생성되었다.
타입 'B' 실험의 데이터는 타입 'A'의 데이터와 유사하다. 냉각수의 산화가 1,3-프로판디올에서보다 EG에서 더 빠르다는 증거가 존재한다. 이 증거는 포름산염 및 글리콜산염이 EG 기제 냉각수에서보다 1,3-프로판디올 기제 냉각수에서 유의적으로 낮다는 것이다. 일반적으로 메르캅토벤조티아졸(MBT)의 산화물로서 존재하는 황산염에서도 동일한 결과가 관찰될 수 있다. 흥미롭게도, 아질산염의 농도는 1,3-프로판디올의 타입 'A' 및 타입 'B' 냉각수 둘다에서 낮았다.
예상되는 새로운 기제 화학물질은 산화에 저항성을 갖는 것으로 밝혀졌는데 이는 에틸렌 글리콜보다 우수한 열응력 때문이다. 화학물질 1,3-프로판디올은 통상의 저하중 및 완전히 제형된 엔진 냉각수 억제 기술에 의해 성공적으로 억제될 수 있다. 냉각수 기제는 승온에서 모든 표준 ASTM 시험을 통과함으로써, 엄격한 작동 환경에서의 그 성능을 증명했다.
본원에 기재되고 청구된 화학물질은 ASTM 엔진 냉각수 성능 표준을 충족시킨다.
Claims (7)
- 97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 95 내지 97 중량%; 아질산염 0.50 내지 1.5 중량%; 질산염 0.30 내지 1.5 중량%; 붕산염 0.25 내지 1.25 중량%; 메르캅토벤조티아졸 0.25 내지 1.0 중량%; 톨릴트리아졸 0.30 내지 1.1 중량%; 벤질트리아졸 0.00 내지 1.0 중량%; 규산염 0.25 내지 3.0 중량%; 소포제 0.05 내지 0.3 중량%; 규산염 안정화제 0.10 내지 1.9 중량%; 및 염료 0.00 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수.
- 97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 95 내지 97 중량%; 아질산염 0.50 내지 1.50 중량%; 질산염 0.30 내지 1.50 중량%; 인산염 0.50 내지 1.60 중량%; 메르캅토벤조티아졸 0.25 내지 1.00 중량%; 톨릴트리아졸 0.30 내지 1.10 중량%; 벤질트리아졸 0.00 내지 1.00 중량%; 규산염 0.25 내지 3.00 중량%; 몰리브덴산염 0.50 내지 1.30 중량%; 소포제 0.05 내지 0.10 중량%, 및 염료 0.00 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수.
- 1,3-프로판디올 93 내지 95 중량%, 2-에틸헥산산 4.0 내지 6.0 중량%, 세바신산 0 내지 1.5 중량%, 톨릴트리아졸 나트륨 0.3 내지 1.1 중량%, 소포제 0.05 내지 0.3 중량% 및 염료 0 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수.
- 1,3-프로판디올 93 내지 95 중량%, 아질산 나트륨 0.5 내지 1.5 중량%, 2-에틸헥산산 4.0 내지 6.0 중량%, 세바신산 0 내지 1.5 중량%, 톨릴트리아졸 나트륨 0.3 내지 1.1 중량%, 소포제 0.05 내지 0.3 중량% 및 염료 0 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관용 부동액/냉각수.
- 1,3-프로판디올을 포함하는 연료 전지 차량용 부동액/냉각수.
- 부동액/냉각수로서 연료 전지에 1,3-프로판디올을 사용하는 것을 포함하는, 연료 전지 차량에서 사용되는 연료 전지의 온도 보안 방법.
- 97 내지 98 부피%인 1,3-프로판디올 95 내지 97 중량%; 아질산염 0.50 내지 1.50 중량%; 질산염 0.30 내지 1.50 중량%; 인산염 0.50 내지 1.60 중량%; 메르캅토벤조티아졸 0.25 내지 1.00 중량%; 톨릴트리아졸 0.30 내지 1.10 중량%; 벤질트리아졸 0.00 내지 1.00 중량%; 규산염 0.25 내지 3.00 중량%; 몰리브덴산염 0.50 내지 1.30 중량%; 소포제 0.05 내지 0.10 중량%, 및 염료 0.00 내지 0.02 중량%를 포함하는 내연기관 및 연료 전지 기관용 부동액/냉각수 조성물의 제조방법으로서, 먼저 아질산염, 질산염, 인산염, 메르캅토벤조티아졸, 톨릴트리아졸, 벤질트리아졸, 규산염, 몰리브덴산염, 소포제, 및 선택적 염료를 수중에서 블렌딩한 다음 이어서 블렌드에 1,3-프로판디올을 첨가하는 과정을 포함하는 제조방법.
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