KR20070019389A - 윤활기유 및 이를 이용한 고성능 자동변속기유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료유 수소화 분해 공정에서 부산되는 미전환유를 이용하여 제조된 저점도 윤활기유, 그리고 이를 함유하는 윤활기유 조성물 및 자동변속기유에 관한 것으로, 상기 윤활기유는 약 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도, 약 -42℃ 이하의 유동점, 90 이상의 점도 지수, 및 156℃ 이상의 인화점을 갖는다. 상기 저점도 윤활기유는 자동변속기유의 제조시 다른 고점도의 윤활기유와 블렌딩하여 원하는 점도 수준에 맞출 경우, 자동변속기유 분야에서 특히 요구되는 저온에서의 점도 특성 면에서 현저한 효과를 달성할 수 있으며, 동시에 경제성을 제고할 수 있다.

윤활기유, 자동변속기유, 저점도, 미전환유, 왁스

Description

윤활기유 및 이를 이용한 고성능 자동변속기유{Lube Base Oil and High-performance Automatic Transmission Fluids Using the Same}

도 1은 연료유 수소화 분해 공정에서 부산되는 미전환유를 이용하여 본 발명에 따른 윤활기유를 제조하는 공정의 일 구체예를 도시하는 도면이고,

도 2는 연료유 수소화 분해 공정에서 부산되는 미전환유를 이용하여 본 발명에 따른 윤활기유를 제조하는 공정의 다른 구체예를 도시하는 도면이고,

도 3은 비교유-1, 비교유-2, 자동변속기유-1, 및 자동변속기유-2의 고무 적합성을 평가한 결과를 도시하는 도면이며,

도 4는 비교유-1, 비교유-2, 자동변속기유-1, 및 자동변속기유-2에 대한 산화안정성을 평가한 결과를 도시하는 도면이고, 그리고

도 5는 비교유-1, 비교유-2, 자동변속기유-1, 및 자동변속기유-2에 대한 마찰 특성을 평가한 결과를 도시하는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

AR: 상압잔사유 VGO: 감압가스유

VR: 감압잔사유 UCO: 미전환유

LSFO: 저유황/저유동점 중질유 V1: 상압잔사유 감압증류공정

V2: UCO 감압증류공정 V3: LSFO 감압증류공정

R1: VGO 수소화처리 반응공정 R2: VGO 수소화분해 반응공정

Fs1: 제1 분별증류공정 Fs2: 제2 분별증류공정

Fs3: 제3 분별증류공정 CDW: 촉매탈랍공정

HF: 수소화마무리공정

본 발명은 연료유 수소화 분해 공정에서 부산되는 미전환유를 이용하여 제조된 윤활기유, 그리고 이를 함유하는 윤활기유 조성물 및 자동변속기유에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연료유의 수소화 분해 공정에서 부산되는 미전환유(선택적으로 왁스 성분이 첨가됨)로부터 촉매 탈랍(catalytic de-waxing; CDW) 및 수소화 마무리(hydrofinishing; HF) 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 얻어지는 저점도 윤활기유, 상기 저점도 윤활기유와 상대적으로 고점도 윤활기유로 이루어지는 윤활기유 조성물, 그리고 이러한 윤활기유 조성물을 함유하는 고성능의 차량용 자동변속기유(Automatic Transmission Fluid; ATF)에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, "미전환유"는 연료유 수소화 분해공정에서 연료유로 전환되지 않고 남은 중질유분을 의미하고, "경질연료유분"은 미전환유를 재처리하여 얻은 납사, 등유, 경유 등과 같은 탄화수소 혼합물을 의미한다. 또한, "윤활기유"는 미전환유의 재처리시 경질연료유 외에 남은 잔사유를 적정 점도로 분리·처리한 것으로 윤활유의 베이스 오일로 사용되는 것을 의미한다.

일반적으로 우수한 윤활기유는 높은 점도지수를 지니며, 산화안정성이 우수하고, 그리고 휘발성이 적은 특성을 갖는다. 높은 점도지수를 갖기 위하여는 낮은 점도지수를 갖는 방향족화합물 및 다환 나프텐 화합물을 적게 함유해야 하는 한편, 우수한 산화안정성을 갖기 위하여는 방향족 화합물, 다환 나프텐 화합물 및 헤테로 화합물을 적게 함유해야 한다.

연료유 수소화 분해공정의 부산물인 미전환유는 이러한 목적에 부합되도록 수첨분해 반응과정을 통하여 적은 함량의 방향족화합물 및 헤테로 화합물을 갖고 있어, 각종 윤활유용 기유 제조를 위한 원료(feedstock)로 사용된 바 있다. 예를 들면, 본 출원인에 의한 미국특허번호 제5,580,442호는 일방향 모드(once-through mode) 또는 리사이클 모드(recycle mode)에 의하여 연료유 수소화 분해 공정의 미전환유를 사용하여 고품질의 윤활기유(100℃에서 5.5∼6.0 cSt의 동점도를 나타냄; 150 Neutral) 제조용 원료를 제조하는 공정 및 이를 탈랍하고 안정화(stabilization) 처리하여 윤활기유를 제조하는 공정을 개시하고 있다.

본 출원인에 의한 국내특허공개번호 제97-74902호(출원번호 제96-18495호)는 리사이클 모드의 연료유 수소화 분해 공정 또는 일방향 모드 연료유 수소화 분해공정에서 부산되는 미전환유를 공급원료로 하여 유동성이 우수하고 황, 질소 등의 불순물을 적은 함량으로 함유하는 경질 연료 유분 및 고점도 지수, 저휘발성 및 우수한 산화안정성을 갖는 고급 윤활기유를 제조하는 공정을 개시하고 있다. 상기 선행문헌의 경우, 100℃에서 3 cSt 이상의 점도 특성을 갖는 고점도의 윤활기유의 제조를 목적으로 하고 있다.

한편, 차량용 변속기 디자인의 최근 추세는 에너지 절감 및 용이한 운전에 초점이 맞춰지고 있으며, 이에 따라 새로운 고성능의 자동변속기유가 요구되고 있다. 이러한 자동변속기유는 일반적으로 윤활기유뿐만 아니라 다양한 첨가 성분(예를 들면, 성능 첨가제, 점도지수 향상제, 유동점 강하제 등)으로 이루어져 있다. 특히, 윤활 기유는 자동변속기유의 조성에 가장 많은 부분을 차지하고 있으며 점도 특성, 산화안정성 등의 측면에서 매우 중요한 역할을 하고 있음이 보고되고 있다. 저온 유동성은 자동변속기가 저온에서 용이한 운전을 할 수 있도록 하는 매우 중요한 품질 요소이며, 저온에서 자동변속기의 원만한 운전을 위하여는 저점도 특성을 나타내는 자동변속기유를 사용하여야 한다. 이때, 윤활기유에 포함되어 있는 왁스 함량을 적게 하는 것이 매우 중요하기 때문에 왁스 함량이 낮은 나프텐 기유가 많이 사용되어 왔다. 그러나, 나프텐 기유는 저온에서 유동특성이 우수한 반면, 산화안정성이 좋지 못하다는 단점이 있다. 이러한 나프텐 기유의 단점을 보완하기 위하여 저점도의 파라핀기유가 사용되는데 이 경우 윤활기유에 존재하는 노말-파라핀 성분이 저온에서 왁스화되어 저온특성이 저하된다. 또한, 저온 성능 개선을 위하여 저점도 윤활기유를 사용할 경우에는 증발량이 증가하여 사용이 제한적인 실정이다.

특히, 최근의 자동변속기유 규격은 점도, 산화안정성, 증발감량 면에서 계속 강화되어 종래에 알려진 윤활기유의 적용은 한계가 있다. 또한, 폴리알파올레핀과 같은 종래에 알려진 윤활기유의 경우, 성능은 우수하나 범용 목적으로 사용하기에는 지나치게 고가이므로 적용에 큰 어려움이 존재한다.

이에 본 발명자들은 종래의 미전환유를 이용한 윤활기유의 제조 공정에 근거하면서 점차 강화되는 자동변속기유와 관련한 규격을 충족하기 위한 효과적인 방법을 지속적으로 연구를 수행한 결과, 종래의 윤활유 제조에 있어서 고려된 바 없는 저점도 특성의 윤활기유(즉, 100℃에서 약 2.0∼2.5 cSt)가 자동변속기유의 제조에 사용될 경우, 현재 허용되는 증발 수준의 범위를 만족하면서도 우수한 점도지수 및 낮은 저온 점도 특성을 만족하는 등의 개선 효과를 나타내고 경제성을 제공할 수 있음을 발견하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 저온 특성을 갖는 자동변속기유(ATF)의 윤활기유 성분을 구성하는데 적합하고 저렴하게 제조할 수 있는 저점도의 윤활기유를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 저점도의 윤활기유에 기초하여 자동변속기유의 윤활기유 성분으로 적합한 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 윤활기유 조성물을 사용하여 제조되는 자동변속기유를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 면에 따라 제공되는 자동변속기유 제조용 저점도 윤활기유는 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 약 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도(kinematic viscosity), 약 -42℃ 이하의 유동점(pour point), 90 이상의 점도 지수(viscosity index), 및 156℃ 이상의 인화점(flash point)을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 면에 따라 제공되는 자동변속기유 제조용 윤활기유 조성물은 (ⅰ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 약 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도, 약 -42℃ 이하의 유동점, 90 이상의 점도 지수, 및 156℃ 이상의 인화점을 갖는 저점도 윤활기유 5∼50 중량%; 및 (ⅱ) 2.5 cSt보다 크고 8 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 50∼95 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3 면에 따라 제공되는 자동변속기유 제조용 윤활기유 조성물은 (ⅰ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 약 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도, 약 -42℃ 이하의 유동점, 90 이상의 점도 지수, 및 156℃ 이상의 인화점을 갖는 저점도 윤활기유 5∼50 중량%; (ⅱ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 5 cSt보다 크고 8 cSt 이하(100℃)의 점도 및 120 이상의 점도지수를 갖는 윤활기유 10∼60 중량%; 및 (ⅲ) 2.5 cSt보다 크고 5 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 0∼80 중량%를 포함한다.

본 발명의 제4 면에 따라 제공되는 자동변속기유 제조용 윤활기유 조성물은 (ⅰ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 약 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도, 약 -42℃ 이하의 유동점, 90 이상의 점도 지수, 및 156℃ 이상의 인화점을 갖는 저점도 윤활 기유 5∼50 중량%; (ⅱ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 6.7 cSt(100℃)보다 큰 점도 및 120 이상의 점도지수를 갖는 윤활기유 20∼60 중량%; 및 (ⅲ) 2.5 cSt보다 크고 6.7 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 0∼70 중량%를 포함한다.

본 발명의 제5 면에 따라 제공되는 자동변속기유는 전술한 제2 면 내지 제4 면에 따라 제공되는 윤활기유 조성물 80∼93 중량% 및 자동변속기유 첨가제 7∼20 중량%를 포함한다.

이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제공되는 윤활기유는 미전환유를 함유하는 공급원료를 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되는 다양한 점도 등급의 윤활기유 중 특정 물성 요건을 만족하는 것이다. 이러한 윤활기유는 점도 지수가 높고 방향족 화합물이 적어 산화안정성이 우수하며, 그리고 증발 성상 면에서 우수하다. 또한, 촉매 탈랍 단계에서 잔존하는 왁스의 함량을 조절할 수 있기 때문에 필요에 따라 저온 유동점이 우수한 특성을 갖는다.

본 발명에 따르면, 중금속을 포함하고 있지 않은 왁스 역시 방향족 화합물 및 나프텐 화합물이 적고 파라핀 성분이 많아 높은 점도 지수를 나타내므로 미전환유와 동일한 목적으로 사용될 수 있는 바, 공급원료로서 미전환유와 함께 사용될 수 있다. 이와 같이 미전환유 또는 미전환유와 왁스의 혼합물을 함유하는 공급원 료를 사용하여 얻어진 파라핀계 윤활기유는 점도 지수가 높고, 다른 동일 점도의 윤활기유에 비하여 상대적으로 낮은 증발특성을 나타낸다.

상술한 윤활기유를 제공하는 공정의 기본적인 구성은 국내특허출원번호 제96-18495호에 개시되어 있는 바, 상기 선행문헌은 본 발명의 참고자료로 포함된다.

도 1은 연료유 수소화 분해 공정에서 부산되는 미전환유를 이용하여 본 발명에 따른 윤활기유를 제조하는 공정의 일 구체예를 도시하는 도면이다.

일반적으로 연료유 수소화 분해공정(fuel hydrocracker)은 상압잔사유, 즉 중질 탄화수소 혼합물을 감압증류하는 공정(V1)을 통하여 얻은 감압가스유(VGO)를 수첨분해하는 공정으로서 주반응 공정인 수소화분해 반응공정(R2)의 촉매를 보호하기 위하여 먼저 감압가스유에 포함된 불순물인 황, 질소, 산소 등이 함유된 헤테로화합물 및 금속 성분을 제거하는 전처리 공정인 수소화처리 반응공정(R1)을 거치게 된다. 그 다음 주반응 공정인 수소화분해 반응공정(R2)을 거치는데 감압가스유 중의 방향족 화합물이나 올레핀화합물과 같은 불포화탄화수소는 수소가 첨가되어 포화탄화수소인 나프텐화합물이나 파라핀화합물로 전환되며 고리형 포화 탄화수소인 나프텐화합물의 일부는 고리가 열려 직쇄형 탄화수소인 파라핀 화합물로 전환되기도 한다. 또한, 이들 화합물들은 보다 작은 화합물로 분해되기도 하는데 이러한 일련의 과정을 수첨분해반응(hydro-cracking)이라고 하며 수첨분해반응을 통해 경질탄화수소 혼합물, 즉 경질연료유분으로 전환된다.

상기 2 단계의 반응공정을 거친 오일 및 수소는 분리기를 거쳐 수소를 제거하여 재순환시키고 제1 분별증류 공정(Fs1)을 통하여 전환된 각종 경질연료유분 및 가스를 분리하여 제품화한다. 이때, 중질유분인 감압가스오일이 경질연료유분으로 전환되는 전환율은 일반적으로 패스당 반응전환율(reactor per pass)로 50∼90% 정도로 설계되며, 패스당 전환율을 100%로 운전하는 것은 현실적으로 불가능하므로 마지막 분별증류 단계에서는 항상 미전환유(unconverted oil; UCO)가 생성된다. 미전환유는 그대로 탱크로 이송하는 일방향 모드(once-through mode) 또는 수소화분해 반응공정으로 재순환시켜 총괄전환율을 높이기 위한 리사이클 모드(recycle mode)에 의하여 처리된다. 이때, 수소화처리 및 수첨분해 반응은 전형적으로 높은 온도 및 수소 분압 하에서 촉매가 충진된 고정층 반응기 내에서 수행된다. 따라서, 공급원료인 감압가스유에 함유된 대부분의 방향족 화합물과 황, 질소, 산소 원소를 포함하는 헤테로 고리화합물들이 수소에 의하여 포화되어 결과적으로 방향족 및 황, 질소, 산소화합물 함량이 매우 적어지게 된다. 수첨분해반응 과정에서 경질연료 유분으로 전환되지 않은 미전환유는 윤활기유에 바람직하지 않은 성분인 방향족 및 헤테로 화합물이 적은 것은 물론, 윤활기유로서 적합한 점도를 갖는 유분이므로 이러한 미전환유에 적절한 유동성 및 안정성을 부여하면 품질이 우수한 윤활기유를 제조할 수 있다. 이러한 미전환유의 대표적인 성상은 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

상술한 바에 따라 얻어진 미전환유는 의도하는 점도 특성을 갖는 윤활기유 제조용 원료를 제조하기 위하여 미전환유 감압증류 공정(V2)을 거치게 된다. 그 다음, 촉매탈랍공정(CDW) 및 수소화 마무리 공정(HF)을 거친 후에 제2 분별 증류 공정(Fs2)을 통하여 경질유분을 분리하여 원하는 특성을 갖는 윤활기유를 얻는다. 이때, 본 발명에 따르면, 촉매탈랍공정에 있어서, 선택적으로 왁스 성분을 상기 미전환유와 함께 원료로서 사용할 수 있으며, 바람직하게는 원료 중 왁스 성분은 미전환유의 중량을 기준으로 30 중량%까지 추가할 수 있다(일반적으로, 미전환유는 약 20% 정도의 왁스 성분을 함유하고 있으므로 상기와 같이 왁스 성분을 추가할 경우에는 원료 내에 왁스 성분의 함량을 상당한 정도로 높일 수 있음). 상기 왁스 성분은 전형적으로는 정유 공정에서 부산물로 생성되는 바, 용제 탈랍(solvent de-waxing) 과정에서 부산물로 얻어지는 조왁스(slack wax)가 이의 대표적인 예이다. 상기 촉매탈랍공정의 경우, 촉매는 등유, 경유 등의 유분의 유동점 강하를 목적으로 사용되며, 전형적으로 주기율표상의 제6족 및 제8족 금속 원소, 및 이들의 산화물 또는 황화물로부터 선택되고, 지지체로서 주기율표상의 제3족 내지 제5족의 금 속원소 및 이들의 산화물 또는 황화물로부터 선택되는 것이 일반적이다. 상기 도 1에 도시된 공정은 주로 윤활기유를 제조하기 위한 구성으로 볼 수 있다.

도 2는 연료유 수소화 분해 공정에서 부산되는 미전환유를 이용하여 본 발명에 따른 윤활기유를 제조하는 공정의 다른 구체예를 도시하는 도면이다.

상기 구체예에서 미전환유를 제조하는 단계는 전술한 도 1에 도시된 구체예와 동일하다. 상기 미전환유(또는 미전환유와 왁스)는 촉매탈랍공정(CDW) 및 수소화 마무리(HF) 공정을 거친 후에 제3 분별 증류 공정(Fs3)에서 메탄, 프로판, 부탄 등의 가스류 및 납사, 등유, 경유 등의 경질연료유를 분리하고, 상기 제3 분별 증류 공정의 잔사유인 저유황 저유동점의 중질유분(low sulfur fuel oil; LSFO)은 감압증류 공정을 통하여 소정의 점도등급별로 분리하여 윤활기유를 얻는다. 상기 도 2에 도시된 공정은 경질연료유분과 함께 윤활기유를 함께 제조하기 위한 구성으로 볼 수 있다.

상술한 공정 구성은 이미 당업계에서 알려져 있으며, 본 발명의 저점도 윤활기유가 미전환유를 촉매탈랍공정 및 수소화 마무리 공정을 포함하는 일련의 처리 공정을 통하여 제조되고, 후술하는 물성 요건을 충족하는 한, 특별히 한정되는 것은 아님을 주목해야 한다. 다만, 본 발명에서 특별히 제공되는 저점도 윤활기유는 종래의 기술 수준을 고려하면 별도의 용도가 발견되지 않아 다양한 공급원료에 혼합될 뿐이었으나, 본 발명에서 비로소 자동변속기유의 제조에 사용되는 윤활기유 조성물을 구성하는 필수 성분으로 사용되었다.

따라서, 상기 저점도 윤활기유가 약 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도, 약 -42℃ 이하의 유동점, 90 이상의 점도 지수, 및 156℃ 이상의 인화점을 갖는 것이 중요하며, 이러한 물성 요건을 달성하기 위하여 전술한 공정의 조건들을 설정하거나 조절할 수 있다. 본 발명에 따른 저점도 윤활기유가 사용되는 자동변속기유의 저온 점도 특성은 주로 -40℃에서 측정되기 때문에, 비록 유동점 강하제가 투여된다 하더라도 윤활기유 자체의 유동점이 상기 온도 이하가 되는 것이 중요하다. 또한, 저유동점을 얻기 위하여 촉매 탈랍 공정의 가혹도를 높일 경우, 윤활기유의 점도지수 감소 현상이 발생하며, 점도 지수 감소가 심하면 고점도 기유와 블렌딩한 경우에도 일정 수준 이상의 점도 지수를 얻을 수 없다. 따라서, 비록 저점도를 나타낸다 하더라도 90 이상의 점도 지수를 나타내는 것이 중요하다. 또한, 본 발명에 따른 윤활기유를 적용한 자동변속기유의 인화점에 따라 소방법에 따른 법률적 규제를 받게되므로 일정 수준 이상의 인화점을 갖는 것이 중요하다. 특히, 인화점은 윤활기유의 증발 특성을 간편하게 평가할 수 있는 척도이므로, 156℃ 이상의 값을 나타내는 것이 관련 규격(예를 들면, Ford사 규격)을 충족시키는데 유리하다.

본 발명에 따르면, 전술한 저점도 윤활기유는 이보다 고점도 특성을 나타내는 다양한 윤활기유와 함께 블렌딩되어 사용되는 것이 바람직하다. 즉, 기존에 알려진 다양한 윤활기유를 일부 대체하여 상기 저점도 윤활기유를 사용함으로써 저온 점도특성을 효과적으로 개선할 수 있다. 또한, 상기 저점도 윤활기유의 제조 공정에서 함께 생성되어 분리된 고점도 윤활기유와 블렌딩하여 사용함으로써 고점도 기유를 적용할 경우의 장점과 저점도 기유에 의한 점도 특성 개선을 동시에 달성할 수 있다. 예를 들면, 자동변속기유 제조에 사용되는 윤활기유의 원하는 점도가 약 4㎟/s(100℃)인 경우, 전술한 공정으로부터 100N에 해당되는 윤활기유를 단독으로 사용하는 것에 비하여 상술한 저점도 윤활기유를 기초로 하여 고점도 윤활기유를 블렌딩하여 100N을 맞출 경우, 우수한 저온 점도 특성을 나타내어 자동변속기유 분야에서 증대되는 요구 조건을 충족시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 윤활기유 조성물은 (ⅰ) 상기 저점도 윤활기유 5∼50 중량%(바람직하게는 약 10∼45 중량%); 및 (ⅱ) 2.5 cSt보다 크고 8 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 50∼95 중량%(바람직하게는 약 55∼90 중량%)를 포함한다. 이때, 상기 성분 (ⅱ)는 전술한 공정에 따라 성분 (ⅰ)과 함께 얻어지는 다른 고점도의 윤활기유 중 하나일 수 있다.

상기 조성물은 최종 자동변속기유 제품에 요구되는 성상에 따라 다양한 방식으로 배합될 수 있는 바, 일 태양은 (ⅰ) 상기 저점도 윤활기유 5∼50 중량%; (ⅱ) 전술한 공정을 통하여 제조되며, 5 cSt보다 크고 8 cSt 이하(100℃)의 점도 및 120 이상의 점도지수를 갖는 윤활기유 10∼60 중량%; 및 (ⅲ) 2.5 cSt보다 크고 5 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 0∼80 중량%를 포함한다. 다른 태양은 (ⅰ) 상기 저점도 윤활기유 5∼50 중량%; (ⅱ) 미전환유를 함유하는 공급원료를 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 6.7 cSt(100℃)보다 큰 점도 및 120 이상의 점도지수를 갖는 윤활기유 20∼60 중량%; 및 (ⅲ) 2.5 cSt보다 크고 6.7 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 0∼70 중량%를 포함한다. 상기 태양에서, 성분 (ⅲ)은 전술한 공정에 따라 성분 (ⅰ) 및 (ⅱ)와 함께 얻어지는 다른 점도 등급의 윤활기유 중 하나일 수 있다. 상기 2가지 태양은 자동변속기의 목표 성능에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 자동변속기는 각 자동차 제조사마다 고유의 설계가 있으므로 이에 적합한 윤활기유가 필요하다. 특히, 고점도 윤활기유의 중량 비율이 증가함에 따라 자동변속기유의 피로마모성능이 개선되는 한편, 저점도 윤활기유의 사용량이 증가함에 따라 증발 감량이 증가하므로 사용되는 변속기에 따라 적합한 윤활기유의 조합을 선택할 필요성이 있다. 또한, 상기 태양에서 고점도 윤활기유, 즉 100℃에서의 점도가 5cSt 이상인 윤활기유의 점도지수가 120 이상인 것은 통상적으로 이러한 제품들이 증발감량이 적고 산화안정성이 매우 우수하기 때문이다. 이와 관련하여, 점도 지수가 120 이하인 경우에는 합성유라는 명칭을 사용할 수 없음을 참고할 필요가 있다. 또한, 도 1의 공정에 따라 생산되는 윤활기유의 최고 점도는 통상적으로 7.6cSt(100℃) 수준이므로, 본 발명에 있어서 상기 도 1에서 생산되는 제품의 최고 점도 등급 윤활기유를 사용할 수 있는 것이다.

본 발명에 따르면, 상술한 윤활기유 조성물을 당업계에서 알려진 다양한 첨가제 성분, 예를 들면 첨가제 성분과 함께 사용하여 자동변속기유를 제조할 수 있다. 본 발명의 바람직한 태양에 따르면, 자동변속기유는 상술한 윤활기유 조성물 약 80∼93 중량%(바람직하게는, 84∼92 중량%) 및 자동변속기유 첨가제 약 7∼20 중량%(바람직하게는, 8∼16 중량%)를 포함한다. 이때, 첨가제 성분은 자동변속기유에 적용가능하면 특별한 제한 없이 당업계에서 알려진 종류를 사용할 수 있다. 대표적인 자동변속기유용 첨가제 성분은 미국특허번호 제5,750,476호, 제5,942,472호, 제6,225,266호 등에서 개시된 다양한 성분들이며, 단독으로 또는 조합하여 사 용할 수 있다. 상기 선행문헌은 본 발명에 있어서 참고자료로 포함된다. 보다 구체적으로, 상기 첨가제 성분으로서 산화방지제, 내마모제, 분산제, 청정제, 마찰 조정제, 점도 지수 향상제, 유동점 강하제 등이 알려져 있다. 예를 들면, 유기 포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 티오알킬 포스페이트, C18-숙신이미드, 티오비스 에탄올의 C18-숙신산 에스테르, 디에폭실레이티트 n-부틸아민, Ca-설포네이트 등의 내마모제 및 마찰 조정제, 그리고 폴리에타크릴레이트 타입의 점도지수 향상제 및 유동점 강하제 등이 사용 가능하다.

상기 첨가제 성분들은 개별적으로 도입할 수도 있으나, 첨가제 농축물 또는 패키지 형태로 도입하는 것이 일반적이다. 그 이유는 상기와 같이 농축물 형태로 사용할 경우에는 블렌딩 작업을 간단하게 수행할 수 있고, 블렌딩 과정에서 오류를 낮출 수 있는 등의 장점을 갖기 때문이다. 이와 관련하여, 상기 농축물은 개별 첨가제를 윤활기유 또는 적절한 용매(예를 들면, 후술하는 실시예에 있어서의 70N 또는 상업적으로 판매되는 100N 점도 등급 기유)에 용해시켜 사용될 수 있다. 특히, 전술한 첨가제 성분을 조합한 2 이상의 농축물 형태로 사용할 수 있으며, 경우에 따라서는 하나의 농축물 형태로 사용할 수도 있다. 상기 농축물 내에서의 첨가제 성분의 농도는 바람직하게는 약 1∼90 중량%, 보다 바람직하게는 약 20∼80 중량%, 그리고 가장 바람직하게는 약 30∼60 중량%이다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

윤활기유의 제조

상기 도 1에 도시된 공정에 따라 6가지의 윤활기유를 제조하였으며, 이의 물리·화학적 특성을 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2]

1) 비중은 KS M 2002에 준하여 실시하였다.

2) 점도는 KS M 2014에 준하여 실시하였다.

3) 인화점은 KS M 2056 에 준하여 실시하였다.

4) 유동점은 KS M 2016 에 준하여 실시하였다.

5) 황함량 및 질소함량은 LECO와 ANTEC 장비를 이용하여 KS M 2027 및 KS M 2112에 따라 실시하였다.

6) 아닐린점은 석유류제품의 방향족성을 측정하는 것으로 KS M 2053에 따라 실시하였다.

7) API(American Petroleum Institute) 기유구분은 API 1509에 따른 구분기준이다.

8) 55N, 70N, 100N, 150N 및 250N은 윤활기유를 점도에 따라 구분하는 통상 적인 방법에 따라 기유를 구분한 것이다.

상기 표 1에 기재된 윤활기유의 성상은 일반적인 윤활기유(용제추출법 또는 수첨 개질법에 의하여 생산된 윤활기유)에 비하여 우수한 점도 특성 및 높은 인화점을 나타낸다. 또한, 촉매 탈랍 공정의 가혹도를 조정하여 다양한 유동점의 제품을 제조할 수 있는 바, 특히 도 1에 나타낸 공정의 경우 감압 증류 후 촉매 탈랍 공정을 수행함으로써 저유동점이 필요하지 않은 다른 점도 등급의 제품을 제조할 수 있다. 상기 표 1에 나타낸 2종류의 70N 제품이 대표적인 예라 할 수 있다.

도 1에 도시된 촉매 탈랍 공정은 점도 지수가 높은 노말 파라핀을 이소 파라핀으로 전환시키는 공정이므로 촉매 탈랍 공정의 가혹도가 높아질수록 점도지수가 낮아지게 된다. 또한, 도 1에 따라 윤활기유 제품을 생산할 경우 각각의 점도 등급에 대하여 유동점을 일정하게 제어/유지 할 수 있는 장점이 있다. 상기 표 1에 나타낸 2종류의 70N 제품의 경우, 저유동점 제품의 점도지수가 상대적으로 낮게 나타나고 있다. 비록, 저유동점 제품의 점도지수는 낮으나 왁스 함량이 매우 낮으므로 -40℃에서와 같은 낮은 온도에서는 상대적으로 낮은 점도를 나타내게 되어 자동변속기유 제조에 유리하게 된다.

한편, 도 2에 도시된 공정은 촉매 탈랍 공정 후 감압 증류에 의한 점도 구분이 이루어지므로 단일 점도 등급의 유동점만을 변경할 수는 없으며 전체 제품군의 유동점을 변경시키면 점도 지수를 포함한 물성 전반에 영향을 주게 된다. 도 2에 따른 일반적인 촉매 탈랍 공정의 경우, 생산된 중질 윤활기유의 유동점을 -12℃ 수준이 되도록 생산하기 때문에 경질 윤활기유 자체의 유동점만 일정하게 생산할 수 있는 것은 아니다. 그 결과, 경질 윤활기유 유동점의 변화 폭이 상대적으로 크다. 또한, 유동점을 낮추는 것은 공정의 수율 감소를 의미하므로 도 2에 따라 생산된 윤활기유에 있어서 전체적으로 유동점을 낮추는 것은 많은 수율 감소를 의미한다. 반면, 상기 도 1에 따라 생산되는 저유동점 제품의 수율 감소는 매우 제한적이다.

도 1 또는 도 2에 따라 제조되는 경우, 수소화 분해 반응 미전환유(미전환유와 왁스의 혼합물)를 윤활기유 제조를 위한 원료로 사용하므로 파라핀 성분이 매우 높게 되어, 비록 촉매 탈랍 과정에서 일부 점도지수 감소가 일어나더라도 여전히 높은 점도지수의 윤활기유를 제조할 수 있게 된다.

자동변속기유는 저온에서의 점도가 매우 중요한 바, 이는 윤활기유의 유동점과 밀접한 관련이 있다. 따라서, 자동변속기유에 적용하기 위하여는 저유동점, 고점도지수 및 고인화점의 윤활기유를 제조하는 것이 매우 중요하다.

하기의 실시예에서 주로 사용된 윤활기유는 표 1에 나타낸 55N, 70N, 150N, 250N 점도 등급이고, 100N 점도 등급의 기유를 기준유로 사용하였다. 따라서, 이로부터 상대적으로 저유동점을 나타내는 55N(55N과 70N), 그리고 상대적으로 높은 점도 및 높은 점도지수의 150N 및 250N의 윤활기유의 특징을 활용한 고성능 자동변속기유를 조합하여 설계하였다.

비교예 1

도 1에 따른 공정에 따라 제조한 저점도 윤활기유(55N)의 성상 및 종래에 상업적으로 생산되고 있는 저점도 비교기유의 성상을 하기 표 3에 나타내었다. 상기 55N 윤활기유는 실시예 1에서 제조된 것이다.

[표 3]

1) 비교기유 1은 수첨 개질 및 용제탈랍 공정에 의하여 제조된 윤활기유이다.

2) 비교기유 2는 수첨 개질 및 촉매탈랍 공정에 의하여 제조된 윤활기유이다.

3) 비교기유 3은 나프텐 원유로부터 용제추출 및 촉매 탈랍 공정에 의하여 제조된 기유이다.

4) 비교기유 4는 폴리알파올레핀(PAO)이다.

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 저점도 윤활기유는 그 제조 공정의 특징으로 인하여 비교기유 1∼3에 비하여 점도 지수가 높고, 유동점이 낮으며, 인화점이 높을 뿐만 아니라 낮은 증발감량을 갖는 등, 전체적으로 자동변속기유 제조용 저점도 윤활기유로서 적합한 성상을 나타내고 있음을 알 수 있다. 55N와 같은 윤활기유를 적용할 경우, 저온에서의 점도를 효과적으로 조정할 수 있을 뿐 아니라, 저증발 특성으로 인하여 250N과 같은 고점도 기유의 사용을 증가시킬 수 있어 자동변속기유의 성능을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 윤활기유가 이러한 우수한 특성을 나타내는 것은 촉매 탈랍 공정의 원재료인 미전환유(또는 미전환유와 왁스의 혼합물)가 매우 높은 점도지수(즉, 높은 파라핀 함량)를 갖기 때문이다. 따라서, 비록 촉매 탈랍 공정에서 점도지수 감소가 일어난다해도 높은 점도지수를 유지하게 되고, 동일한 점도에서도 높은 인화점을 나타낸다. 특히, 방향족 성분을 거의 포함하지 않기 때문에 산화안정성 측면에서도 우수한 성능을 나타낸다.

반면, 종래에 알려진 비교기유 1∼3은 미전환유(또는 미전환유와 왁스의 혼합물)를 원료로 사용하여 탈랍 처리하지 않았기 때문에 자동변속기유의 윤활기유로 갖추어야 할 조건을 동시에 만족시키기 어렵다. 결국, 본 발명에 따른 윤활기유는 비교기유 1∼3에 비하여 낮은 유동점 및 높은 점도지수를 나타낼 뿐만 아니라 증발량도 적게 된다.

한편, 비교기유 4는 상업적으로 판매되는 합성기유로 제일 우수한 성능을 나타내나 매우 비싸다는 단점이 있어 자동변속기유의 기유로 사용하는데 큰 제한이 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 윤활기유는 성능이 우수하면서 비교적 저가로 제조할 수 있고, 이러한 저점도 윤활기유를 적용함으로써 동일한 점도를 얻기 위하여 사용할 수 있는 고점도 기유의 점도 및 사용량을 증가시킬 수 있다.

실시예 2

윤활기유 조성물의 제조

상기 표 2에서 기재된 윤활기유를 다양하게 조합하여 제조한 윤활기유 조성물의 조성 및 물리·화학적 특성을 하기 표 4에 나타내었다.

[표 4]

윤활기유 조성물의 제조

상기 표 4에 따르면, 윤활기유 조성물-1 및 윤활기유 조성물-2는 비교기유-1과 동일한 100℃에서의 점도를 얻기 위하여 점도가 낮은 기유와 점도가 높은 기유를 블렌딩하여 제조한 윤활기유이다. 상기 표 4로부터 알 수 있듯이, 상기 2가지 윤활기유 조성물은 저점도 및 저유동점 기유의 사용량이 증가하고 고점도 기유의 사용량이 증가할수록 점도지수가 높아지고, 동시에 저점도 기유의 사용 가능량도 많아지므로 유동점이 낮아진다. 이는 증발감량 규격을 만족시킨다면 자동변속기유 제조시 적합한 윤활기유가 됨을 의미한다.

한편, 상기 표 4에 기재된 조성 비율에 따라 제조된 윤활기유를 첨가제 성분과 배합하여 자동변속기유를 제조한 결과를 나타내었다(윤활기유 80 중량% 및 첨가제 성분 20 중량%). 이에 대한 조성 및 물리·화학적 특성을 하기 표 5에 나타내었다.

[표 5]

1)첨가제는 상업용 첨가제로서 기준 윤활기유에 적용시 Diamond SP-Ⅲ의 자동변속기유 규격을 만족시킬 수 있는 Infineum사의 T4265 패키지 첨가제를 사용하였다.

2) 브룩필드 점도는 ASTM D 2983에 준하여 측정하였다.

상기 표 5에 따르면, 본 발명에 따른 자동변속기유-1 및 자동변속기유-2는 비교유-1 및 비교유-2에 비하여 우수한 점도지수 및 낮은 저온점도특성을 나타내고 있으며, 특히 저온 점도인 브룩필드 점도에 있어서 현저한 개선이 관찰되었다. 자동변속기유에서 브룩필드 점도는 매우 중요한 시험 항목으로서 파라핀 기유를 적용할 때 많은 제한 사항으로 작용하여 왔다. 그러나, 본 발명에서와 같이 저유동점 및 저점도 윤활기유를 함유한 윤활기유 조성물을 사용하여 제조된 자동변속기유의 경우, 이의 개선이 가능하였다. 종래에 사용되어왔던 나프텐 기유(표 3의 비교기유 3)의 경우, 저온 점도 규격은 만족시킬 수 있었으나 산화안정성 및 증발 감량 측면에서 바람직하지 않다.

한편, 저점도 윤활기유를 자동변속기유에 적용하는 경우에 있어서, 증발에 의한 성능 저하가 항상 우려의 대상이었다. 본 발명에 따른 자동변속기유의 증발 특성을 증명하기 위하여 상기 표 5에 나타낸 자동변속기유를 Ford사의 자동변속기유 규격(Mercon V)에 제시된 증발 감량 시험법으로 시험한 후의 성상을 표 6에 나타내었다.

[표 6]

상기 표 6에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 저점도 윤활기유는 저증발 감량의 특성을 나타내기 때문에 저점도 윤활기유를 다량 사용한 자동변속기유-2의 경우에도 규격을 만족시킨다. 비록, 저점도 기유 사용으로 인하여 브룩필드점도 변화가 비교유-1 및 비교유-2에 비하여 저하된 결과를 나타내고 있으나, 여전히 규격을 만족하고 있으며, 브룩필드 점도 자체의 값은 여전히 비교유에 비하여 우수하였다.

상기 실시예에서 비록 1 종류의 첨가제 시스템에 대하여 테스트를 수행하였으나, 자동변속기유에서 윤활기유가 자동변속기유의 저온 점도에 중대한 영향을 미 치므로 실시예에 사용된 첨가제 시스템에서만 본 발명이 적용되는 것은 아니다. 특히, 최근 규격 변동으로 자동변속기유에 요구되는 윤활기유의 점도가 다양화하고 있으나, 본 발명과 같이 저유동점 및 저점도 윤활기유와 고점도 윤활기유의 블렌딩으로 저온성능이 개선되는 기본적인 특징은 변화하지 않음을 주목할 필요가 있다.

한편, 본 발명에 따른 저점도 윤활기유가 저온에서의 점도 특성을 개선하는 점이외에 다른 자동변속기유의 요구 특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 대표적인 고무적합성(seal compatibility), 산화안정성(oxidation stability), 및 마찰 특성(frictional characteristics)을 평가하였다.

비교유-1, 비교유-2, 자동변속기유-1, 및 자동변속기유-2의 고무 적합성을 평가한 결과를 도 3에 도시하였다. 이때, 고무 (가) 내지 (바)는 미국 제너럴모터사의 자동변속기유 규격에서 정한 고무이며, 시험조건은 150℃에서 70 시간 후의 변화를 측정한 것이다. 상기 도면에 따르면, 시료 간의 차이는 관찰되지 않았다.

비교유-1, 비교유-2와 자동변속기유-1, 및 자동변속기유-2에 대하여, 시험온도 155℃에서 구리, 철 촉매를 사용한 후 및 공기를 시간당 10리터씩 공급하면서 점도를 측정하여 산화안정성을 평가하였다. 참고적으로, 자동변속기유가 산화될 경우 점도가 증가하게 된다. 상기 시험 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 저점도 윤활기유를 사용한 경우에는 산화안정도에는 큰 차이를 나타내지 않았다.

한편, 자동변속기유에서는 마찰 특성이 매우 중요하며 이는 주로 윤활유에 적용된 첨가제에 영향을 받는다. 그러나, 사용된 윤활기유에 따라 영향을 받을 수 있기 때문에, SAE#2 시험기를 사용하여 평가하여 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 바와 같이 비교유-1, 비교유-2, 자동변속기유-1 및 자동변속기유-2 모두 비슷한 성능을 나타내었다.

상술한 결과로부터, 본 발명에 따른 저점도 윤활기유가 고무적합성, 산화안정성 및 마찰 특성에 있어서 미치는 영향이 매우 작음을 알 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 윤활기유는 미전환유를 함유하는 공급원료를 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되는 다양한 점도 등급의 윤활기유 중 특정 물성을 만족하는 저점도 특성의 윤활기유로서 종래 기술에 비추어 윤활유 분야에 적용이 전혀 고려되지 않았다. 그러나, 자동변속기유의 제조시 다른 고점도의 윤활기유와 블렌딩하여 원하는 점도 수준에 맞출 경우, 자동변속기유 분야에서 특히 요구되는 저온에서의 점도 특성 면에서 현저한 효과를 달성할 수 있으며, 다른 윤활기유의 적용에 비하여 저렴한 만큼 경제성을 제고할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (7)

1. 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도(kinematic viscosity), -42℃ 이하의 유동점(pour point), 90 이상의 점도 지수(viscosity index), 및 156℃ 이상의 인화점(flash point)을 갖는 것을 특징으로 하는 자동변속기유 제조용 저점도 윤활기유.
2. 제1항에 있어서, 상기 공급원료는 미전환유의 중량을 기준으로 30 중량%까지의 왁스를 더 포함한 것임을 특징으로 하는 자동변속기유 제조용 저점도 윤활기유.
3. (ⅰ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도, -42℃ 이하의 유동점, 90 이상의 점도 지수, 및 156℃ 이상의 인화점을 갖는 저점도 윤활기유 5∼50 중량%; 및 (ⅱ) 2.5 cSt보다 크고 8 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 50∼95 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동변속기유 제조용 윤활기유 조성물.
4. 제3항에 있어서, 상기 공급원료는 미전환유의 중량을 기준으로 30 중량%까지의 왁스를 더 포함한 것임을 특징으로 하는 자동변속기유 제조용 윤활기유 조성물.
5. (ⅰ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도, -42℃ 이하의 유동점, 90 이상의 점도 지수, 및 156℃ 이상의 인화점을 갖는 저점도 윤활기유 5∼50 중량%; (ⅱ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 5 cSt보다 크고 8 cSt 이하(100℃)의 점도 및 120 이상의 점도지수를 갖는 윤활기유 10∼60 중량%; 및 (ⅲ) 2.5 cSt보다 크고 5 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 0∼80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동변속기유 제조용 윤활기유 조성물.
6. (ⅰ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 2.0∼2.5 cSt(100℃)의 점도, -42℃ 이하의 유동점, 90 이상의 점도 지수, 및 156℃ 이상의 인화점을 갖는 저점도 윤활기유 5∼50 중량%; (ⅱ) 미전환유를 함유하는 공급원료로부터 촉매 탈랍 및 수소화 마무리 단계를 포함하는 처리 공정을 통하여 제조되며, 6.7 cSt(100℃)보다 큰 점도 및 120 이상의 점도지수를 갖는 윤활기유 20∼60 중량%; 및 (ⅲ) 2.5 cSt보다 크고 6.7 cSt 이하(100℃)의 점도를 갖는 윤활기유 0∼70 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동변속기유 제조용 윤활기유 조성물.
7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 윤활기유 조성물 80∼93 중량% 및 자동변속기유 첨가제 7∼20 중량%를 포함하는 자동변속기유.

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