KR20120027498A - 수-기재 윤활제 - Google Patents

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클뢰버 루브리케이션 뮌헨 케이지이
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Abstract

본 발명은 수-기재(water-based) 윤활제에 관한 것이다. 특히 본 발명은 구동 부재 내의 마찰 부품들의 윤활을 위한 수-기재 윤활제의 사용 뿐만 아니라 이들의 용도에 관한 것이다.

Description

수-기재 윤활제 {Water-Based Lubricants}
본 발명은 수-기재(water-based) 윤활제에 관한 것이다. 특히 본 발명은 구동 부재 내의 마찰 부품들의 윤활을 위한 수-기재 윤활제의 사용 뿐만 아니라 이들의 용도에 관한 것이다.
신규의 윤활제 개발은 장차 일반적인 과학기술 발전과 함께 나아가야 하며, 이는 신규 윤활제의 조성에 새롭고 좀더 엄격한 요구조건을 필요로 하고, 특히 환경 보호 및 이산화탄소 배출과도 관련된다. 잘 알려진 미네랄 오일 및 합성 오일을 기반으로 한 윤활제는 더 이상 이런 요구조건에 부합하지 않는다.
윤활제는 예를 들어, 특히 체인, 기어, 롤러 베어링, 및 평 베어링과 같은 구동 부재 또는 회전축 상의 밀봉(seal)에 사용된다. 이러한 윤활제는 미네랄 오일 또는 합성의 탄화수소를 기반으로 한다. 특히 롤러 베어링 및 평 베어링 내에서, 상기 윤활제는 서로 미끄러지고 회전하는 부분 사이에 구축되는, 분리하는 하중-전달 윤활막을 제공한다. 따라서 상기 금속 표면이 접촉하지 않고 이로 인한 어떤 마찰도 발생하지 않게 된다. 따라서 상기 윤활 수단은 하기와 관련하여 까다로운 요구조건을 만족해야 한다:
- 마찰 부위의 냉각,
- 매우 높은 및 매우 낮은 속도와 같은 극단적인 작동 조건,
- 높은 속도 및 부하에 의해 야기되고 내부 또는 외부의 가열과 관련된 고온,
- 추운 환경에서의 극저온,
- 작동 특징(예, 낮은 마찰, 소음 감소)과 관련하여 특별한 사용자 요구조건,
- 중간에 재윤활을 하지 않고 매우 오랜 시간의 작동,
- 생분해성.
즉시 사용할 수 있는 기어, 이러한 기어용 작동 유체, 및 이것의 시동 방법은 국제공개특허 제2007/098523 A2에 공개되었다. 상기 작동 유체는 물 및 지방족 탄화수소의 혼합물로 이루어져 있으며, 상기 혼합물 내의 흑연 입자는 고체 윤활제로서 부유한다. 상기 고체 윤활제는 솜뭉치 같은 흑연 입자의 형태로, 50um 미만의 입자 크기를 가진다. 이러한 윤활 및 냉각 방법의 다른 성분은 첨가제, 포말 억제제, 및 부식 억제제를 분산한다. 상기 흑연 입자는 이러한 작동 유체 내에 고체 또는 응집 형태로 존재하는 한편, 상기 부유물 밖에 존재하기 때문에 윤활시 상기 작동 부품에 접촉할 수 있다는 결점이 있다. 또 다른 단점은 흑연을 함유하고 있는 윤활제와 접촉하는 성분의 지속적인 부착이다. 작동 중에 상기 윤활 오일의 여과가 필요한 경우, 상기 흑연은 필터 구멍을 막을 수 있다. 게다가, 상기 작동 유체는 매우 낮은 점성을 가지기 때문에, 높은 부하가 걸리는 경우에는 윤활막이 생기지 않을 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기에 언급된 요구조건에 부합하고, 특히 생분해성이며, 이산화탄소 생성을 상당히 감소시킬 수 있는 수-기재 윤활제를 제조하는 것이다.
본 발명에 따라서, 상기 문제는 윤활제에 통상적으로 사용되는 물, 수용성 폴리알킬렌 글리콜(polyalkylene glycol), 수용성 유화제, 및 첨가제로 이루어진 윤활제의 사용으로 인해 발생한다. 상기 수용성 폴리알킬렌 글리콜은 하나 이상의 수산 말단기를 가지고 통계적으로 분포된 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene) 유닛(units) 및 폴리옥시프로필렌(polyoxypropylene) 유닛 및/또는 기타 폴리옥시알킬렌(polyoxyalkylene) 성분으로 이루어진 군, 및 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene) 유닛 및/또는 폴리옥시프로필렌 유닛, 및/또는 기타 폴리옥시알킬렌 성분으로 이루어진 블록(block) 중합체로부터 선택된다. 유화제로서, 음이온 계면 활성제(예, 술폰산), 비-이온 계면 활성제(예, 지방 알콜 에톡실레이트(ethoxylate), 또는 NPE), 또는 양이온 계면 활성제(예, 사차 암모늄 화합물), 또는 수용성 또는 수-유화성 카르복실산 에스터(carboxylic acid ester)가 사용된다.
특정 수-기재 배합은(물의 함유량>10%) 종래 윤활제의 윤활 산출량을 초과하고 마찰 계수를 상당히 감소시킨다는 것이 발견되었다. 이러한 것과 상기의 우수한 내장 냉각 작동으로 인하여, 저온 현상이 트리보(tribo) 시스템에서 발생한다. 이러한 수-기재 윤활제는 용이하게 생분해되고 수중 환경 친화적이다. 게다가 이들은 고무-탄성 재료와 우수한 호환성을 가진다는 특징을 갖는다.
상기 적용에 따라, 예를 들어, 수-기재 윤활제의 상기 저온 작용은 방빙(防氷)성(anti-icing) 첨가제(예, 낮은 분자의 글리콜(glycol), 글리세롤, 염, 또는 이온 액체)를 첨가함으로서 상당히 개선될 수 있다.
게다가, 첨가제는 원하는 방식으로 상기 윤활제의 속성에 영향을 끼치기 위해 추가될 수 있다. 후자는 용해, 또는 분산, 콜로이드(colloidal) 또는 나노스케일 형태로 존재할 수 있다.
필요한 경우, 수-기재 윤활제는 포말 방식으로도 제조될 수 있다. 스프레이 형태로 상기 응용을 연결함으로써, 상기 윤활제의 적용을 시각적으로 모니터링하는 것이 가능하기 때문에, 상기 스프레이 형태는 특별히 흥미롭다. 직물 또는 기계의 부품이 수-기재 윤활 유체로 오염되는 경우, 상기 수-기재 윤활제는 용이하게 세척될 수 있다.
미네랄 오일 또는 합성 오일을 기반으로 한 윤활제를 염색하기 위하여, 대부분의 경우에서 유해하거나/또는 환경 독성이 있는 염료가 필요하다. 수-기재 윤활제의 경우, 독물학상으로 무해한 수-기재 염료에서 식용 색소에 이르기까지 많은 염료가 사용될 수 있다.
본 발명에 따라서, 상기 "기반 오일"은 비누 또는 요소 분말, 시트(sheet) 규산염, 또는 기타 유통되는 윤활유 증점제(增粘劑)를 혼합함으로써 변형되어 윤활 유지(lubrication fat) 또는 윤활 페이스트(lubrication paste)를 형성한다.
본 발명에 따른 상기 수-기재 윤활제의 바람직한 구체예는 하기와 같다:
통계적으로 분포된 폴리옥시에틸렌 유닛; 및/또는 폴리옥시프로필렌 유닛; 및/또는 기타 폴리옥시알킬렌 성분; 및 폴리옥시에틸렌 유닛 및/또는 폴리프로필렌 유닛 및/또는 기타 폴리옥시알킬렌 성분으로 이루어진 블록 중합체;로 이루어진 군으로부터 선택된 수용성의 폴리알킬렌 글리콜 5 내지 80 중량%,
음이온 계면활성제(예, 술폰산), 비-이온 계면 활성제(예, 지방 알콜 에톡실레이트, 또는 그 외의 NPE) 또는 양이온 계면 활성제(예, 사차 암모늄 화합물), 또는 수용성 또는 수-유화성 카르복실산 에스터의 부류 유래의 포말 또는 비-포말 유화제 0.5 내지 20 중량%,
알킬렌 글리콜, 글리세롤, 염 또는 이온성 액체로 이루어진 군으로부터 선택된 방빙성 첨가제 0.5 내지 50 중량%,
알칸올아민(alkanolamine), 붕산 또는 카르복실산 유도체 같은 부식성 첨가제 0.05 내지 10 중량%,
포말 형성을 방지하는 첨가제(예, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 또는 아크릴레이트(acrylate) 중합체) 0.001 내지 1 중량%, 및
감마제 0.05 내지 5 중량%를 포함하고,
100% 중량비를 구성하기 위해 물을 첨가한다.
게다가, 상기 윤활제 구성은 하기 성분을 포함할 수 있다:
살충제(예, 소르빈산(sorbic acid)) 0.001 내지 0.5 중량% 및/또는
나노입자 0.05 내지 5 중량%.
게다가, 상기 윤활제 구성은 하기 성분을 포함할 수 있다:
모노카르복실산(monocarboxylic acid) 및/또는 다이카르복실산(dicarboxylic acid), 요소, 시트 규산염, 고체 윤활제, 및 에어로질(aerosil)로 구성되는 금속 비누로 이루어진 군으로부터 선택된 윤활유 증점제 0.5 내지 40 중량%.
[실시예]
실시예 1
기어 오일을 제조하기 위하여, 하기 성분을 혼합한다:
증류수 중량비의 45.0%
프로필렌 글리콜 중량비의 20.0%
고-분자의 폴리에틸렌 글리콜 중량비의 25.0%
알콜 폴리글리콜 에테르 중량비의 5.0%
알카놀아민(alkanolamine) 및 붕산 유도체 중량비의 2.0%
황화 지방산 중량비의 3.0%
상기 기어 오일은 거의 무색이며, 포말을 형성하는 경향이 거의 없는 ISO VG 32의 투명한 액체이다. 상기 윤활제는 -35 온도까지 액체 상태로 존재한다.
종래의 윤활제와 비교하여 크게 감소된 마찰 수준으로 인하여 에너지 효율성이 상당히 향상되며 소음 수준이 낮아지고 뿐만 아니라 구동 동안에 서비스 수명이 연장된다. 미네랄 오일 또는 기반 오일을 물로 교체가능하다는 장점은 상기 윤활제의 내구성의 원인이 되기도 한다.
특히 상기 고체 윤활제가 없는 디자인으로 인하여, 이러한 합성 윤활제가 지속적으로 여과되어야 하는 곳(예, 풍력 발전소의 기어)에서의 적용에 적합하다.
표 1에서, 샘플 배합 1의 특성은 미네랄 오일을 기반으로 하는 산물과 비교하여 설명하였다.
예 1 미네랄 오일 산물
40℃에서 점성이 있는 상태 ISO VG 32 ISO VG 32
유동점 -35 ℃ -10 ℃
마찰 계수, SRV 시험 0.058 0.100
하젠(Hazen) 칼라 유닛 35 140
실시예 2
내구성이 강한 기어 오일을 제조하기 위하여, 하기 성분을 서로 혼합한다:
증류수 중량비의 38.0%
프로필렌 글리콜 중량비의 20.0%
고-분자의 폴리에틸렌 글리콜 중량비의 24.644%
알콜 폴리글리콜 에테르 중량비의 5.0%
카르복실산 유도체 M-528, Cortec 중량비의 10.0%
황화 지방산 중량비의 2.3%
산화세륨 나노입자 중량비의 0.05%
소르빈산 중량비의 0.003%
아크릴 공중합체 중량비의 0.003%
실시예 1에서 이미 설명된 상기 윤활제의 장점은 여기에서도 존재한다. 나노 입자의 첨가로 인하여, 마모에 대하여 더 향상된 보호가 확실시 된다.
표 2에서, 샘플 배합 2의 특성이 미네랄 오일을 기반으로 한 산물과 비교하여 설명된다. 상당히 낮은 점성에도 불구하고, 라이헤르트(Reichert)에 따른 마모에 대하여 상당히 향상된 보호(더 강한 표면 압착을 견뎌낼 수 있는)를 나타낸다.
예 2 미네랄 오일 산물
40 ℃에서 점성이 있는 상태 110 mm2/s 460 mm2/s
유동점 -35 ℃ -10 ℃
라이헤르트 마모 스케일(Reichert wear scale)에 따라서 누르는 표면
[VKIS[Industrial Lubricants Users group] 작업표에 따라서] 		3,500 N/cm2 2,800 N/cm2
하젠 칼라 유닛 130 230
실시예 3
하기로 이루어진 오일 포말:
증류수 중량비의 50.0%
프로필렌 글리콜 중량비의 15.0%
고-분자의 폴리에틸렌 글리콜 중량비의 25.0%
포말성 지방 알콜 에톡시레이트(ethoxylate) 중량비의 5.0%
알카놀아민 및 붕산 유도체 중량비의 2.0%
황화 지방산 중량비의 3.0%
실시예 1에서 이미 설명된 상기 윤활제의 장점은 여기에서도 존재한다; 상기 배합의 유동점은 약 -20이다.
상기 조성은 높은 포말 형성을 가지고 있어서, 스프레이/펌프 스프레이 방법에 의해 포말로 상기 적용을 가능하게 한다.
이러한 적용은 상기 표면상에 윤활제를 적용한 직후에 적은 양의 윤활제도(예, 품질 보증에 초점을 맞추어) 시각적으로 용이하게 감지될 수 있다는 장점이 있다. 포말로 상기 적용을 하는데 있어서의 또 다른 장점은 트리보 시스템의 전체 표면의 습윤(濕潤)성을 향상시킨다는 것이며, 이는 흡기 시간(intake time)을 단축시키고 흡기 거동(intake behavior)을 향상시킨다.
도 1은 작동 시간의 첫 120분 내에 포말된(수-기재가 아닌) 윤활제로 공급되는 롤러 베어링의 상당히 낮은 토크를 보여준다.
도 1: 윤활제 A로 윤활된 롤러 베어링의 유통되는 연돌(煙突)
회색 곡선: 표준으로 적용
흑색 곡선: 포말로 적용
실시예 4
하기 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온에 적합한 수-기재 유지(fat)의 제조:
증류수 중량비의 32.0%
프로필렌 글리콜 중량비의 15.0%
고-분자의 폴리에틸렌 글리콜 중량비의 15.0%
리튬 하이드록시시스테아레이트(Li-Hydroxystearate ) 중량비의 35.0%
소듐 세바케이트(Na-Sebacate) 중량비의 3.0%
표 3에서, 샘플 배합 4의 특성이 설명된다:
혼화 조도(混和稠度) DIN ISO 2137 NLGI2
베이스 오일 점도, DIN 51562 90 cst
-30℃에서 유동 압력, DIN 51805 < 1,400 mbar
실시예 5
하기 성분으로 이루어진 윤활제:
증류수 중량비의 27.5%
고-분자의 폴리알킬렌 글리콜 중량비의 50.0%
알킬렌 글리콜 중량비의 10.0%
카르복실산 유도체 M-528, Cortec 중량비의 2.0%
수-기재 카르복실산 에스터 중량비의 10.0%
아크릴 공중합체 중량비의 0.5%
상기 윤활제는 회전축 상의 시일(seals)의 윤활에 적합하며, 미네랄 오일 또는 합성 탄화수소로 이루어진 잘 알려진 윤활제와는 달리, 용이하게 생분해되므로 환경 친화적인 방법으로 폐기될 수 있다. 상기 윤활제는 적은 마찰, 우수한 냉각 작용, 고무-탄성 재료와의 우수한 호환성을 가진다는 특징이 있으며, 또한 수질 오염 가능성이 낮다.
물로 적절하게 희석할 경우, 점도를 약간만 변경할 수 있으며, 따라서 활발한 윤활막 형성을 가능케 한다.
본 발명에 따른 상기 수-기재 윤활제는 체인, 기어, 롤러 베어링 및 평 베어링 내의 구동 부재의 윤활 또는 포말, 스프레이 또는 유제의 형태로 회전축 상의 시일(seals)의 윤활을 위해 사용될 수 있으며, 상기 수-기재 윤활제는 더 우수한 표면 습윤 및 얇은 윤활막 형성을 위하여 스프레이 또는 펌프 스프레이 방법으로 적용된다.

Claims (5)

  1. 하기 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 수-기재 윤활제:
    통계적으로 분포된 폴리옥시에틸렌 유닛; 및/또는 폴리옥시프로필렌 유닛; 및/또는 기타 폴리옥시알킬렌 성분; 폴리옥시에틸렌 유닛 및/또는 폴리옥시프로필렌 유닛 및/또는 기타 폴리옥시알킬렌 성분으로 이루어진 블록(block) 중합체;로 이루어진 군으로부터 선택된 수-기재의 폴리알킬렌 글리콜 5 내지 80 중량%,
    음이온, 비-이온, 또는 양이온 계면 활성제, 수용성 또는 수-유화성 카르복실산 에스터 족 유래의 발포 또는 비-발포 유화제 0.5 내지 20 중량%,
    알킬렌 글리콜, 글리세롤, 염 또는 이온성 액체로 이루어진 군으로부터 선택된 방빙성 첨가제 0.5 내지 50 중량%,
    부식성 첨가제 0.05 내지 10 중량%,
    포말 형성을 방지하는 첨가제 0.001 내지 1 중량%, 및
    감마제 0.05 내지 5 중량%를 포함하고,
    100% 중량비를 구성하기 위해 물을 첨가함.
  2. 제1항에 있어서, 하기 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수-기재 윤활제:
    살충제 0.001 내지 0.5 중량%, 및/또는
    나노입자 0.05 내지 5 중량%.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하기 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수-기재 윤활제:
    모노카르복실산 및/또는 다이카르복실산, 요소, 시트 규산염, 고체 윤활제, 및 에어로질로 구성되는 금속 비누로 이루어진 군으로부터 선택된 윤활유 증점제 0.5 내지 40 중량%.
  4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 체인, 기어, 롤러 베어링 및 평 베어링내의 구동 부재의 윤활 또는 회전축 상의 시일(seals)의 윤활을 위한 상기 수-기재 윤활제의 용도.
  5. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 더 우수한 표면 습윤 및 얇은 윤활막 형성을 위하여 스프레이 또는 펌프 스프레이 수단에 의하여 포말, 스프레이 또는 유제의 형태로 적용되는 상기 수-기재 윤활제의 용도.
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