KR20150043166A

KR20150043166A - 생분해성 유압유

Info

Publication number: KR20150043166A
Application number: KR20130122275A
Authority: KR
Inventors: 염경만
Original assignee: 주식회사 오션에코
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2015-04-22

Abstract

본 발명은 열안정성 및 내마모성을 가짐과 함께 미생물에 의해 분해가능한 친환경 생분해성 유압유에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 생분해성 유압유는 펜타에리쓰리톨-테트라 카르복실레이트(PE-tetra Carboxylate;n-C7,8,10 mixed Carboxylate) 또는 트리메틸올프로판-트리 올레이트(TMP-tri Oleate)로 이루어지는 기유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

생분해성 유압유 {bio-degradable hydraulic oil}

본 발명은 생분해성 유압유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동식 건설장비에 있어서 누유된 작동유가 그대로 자연에 배출되는 경우에도 미생물에 의해 쉽게 분해되어 환경오염을 예방할 수 있는 생분해성 유압유에 관한 것이다.

유압유(hydraulic oil)는 산업체의 각종 장비 및 건설기계 등에서 사용되는 유압작동장치(hydraulic system)의 동력 전달 매개체이다. 일반적으로 산업용 장비 및 건설기계에는 '광물성 유압유'가 널리 사용되고 있는데, 이러한 광물성 유압유는 유동성이 뛰어나고 온도 변화에 따라 점도 변화가 적을 뿐 아니라 오랜 기간 사용하여도 화학적, 물리적 변화가 적은 장점이 있다. 그러나, 광물상 유압유는 사용 중 누유 및 교체시 하천, 해양 및 지하수에 대한 오염을 유발시키며, 특히 식료수를 취급하는 하천 및 지하수의 오염이 심각한 것으로 알려져 있다.

또한, 공장내에서 사용되어지는 정치식 유압설비는 공장 내에 폐유 처리시설이 있기 때문에 누유된 유압작동유가 회수될 수 있으나, 이동식 건설장비는 자체 폐유처리 장치가 없기 때문에 누유된 작동유가 그대로 자연에 직접 배출되어 환경오염의 직접적인 원인으로 지목되고 있다.

게다가, 유럽의 경우 식료수 중에 광유계오일이 검출되는 사례가 있었고, 식료수를 취급하는 하천근처의 공사장 건설기계에는 미생물에 의해 분해될 수 있는 생분해성 유압작동유의 사용이 의무시되고 있으며 국내 수출용 중장비에 대하여도 유압 시스템에 생분해성 유압작동유를 적용시킬 것을 요청하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 기존의 광물성 유압유와 같이 뛰어난 열안정성 및 내마모성을 가짐과 함께 미생물에 의해 분해가능한 친환경 생분해성 유압유를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생분해성 유압유는 직선형 탄소사슬을 가진 폴리올 에스테르

또는

로 구성되는 기유(Base oil)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 생분해성 유압유는 기존의 광물성 유압유가 20-40%의 생분해도를 가지는 것과 비교하여, 60% 이상의 생분해도(OECD 301B방법으로 측정)를 나타내어 자연 상태에서도 쉽게 분해되므로 환경오염을 예방하는 데 탁월한 효능을 가지고 있다.

도 1 은 상기 화학식 1의 화합물을 기유로 하는 생분해성 유압유의 생분해도를 나타낸 것 그래프.
도 2 및 도3 은 상기 화학식 2의 화합물를 기유로 하는 생분해성 유압유의 생분해도를 나타낸 그래프.

본 발명에 따른 생분해성 유압유의 기유(Base oil)는 폴리올에스테르계 합성유인 하기 화학식 1 또는 2의 화합물로 구성된다.

상기 폴리올에스테르를 기유로 사용하는 생분해성 유압유에 있어서 에스테르 그룹(-COO-)은 미생물의 첫 번째 공격점이 되기 때문에 기존의 광유구조에 비해 생분해되는 속도가 빠르다. 또한 구조상 상기 화학식1 또는 2와 같은 직선형의 탄소사슬 구조는 분지형의 탄소사슬 구조에 비해 생분해 속도가 빠르다. 이는 미생물의 대사과정(Metabolism)에서 직선형을 먹이로 용이하게 분해하기 때문이다.

다만, 상기 화학식 1의 화합물은 포화지방산인 n-C7,8,10의 혼합산을 이용하므로 열안정성 및 산화안정성이 높은 특성을 나타내고, 상기 화학식 2위 화합물은 불포화지방산인 올레인산을 사용하므로 열안정성 및 산화안정성이 다소 떨어지는 특성이 있다.

상기 생분해성 유압유에는 첨가제가 포함될 수 있는데, 건설장비(굴삭기 등)에 사용되는 유압유의 경우는 비교적 운전조건이 부드러운 산업용정치식 유압시스템과 달리 실린더이음관련 마찰특성, 극압성, 재료 적합성, 고온 열 및 산화안정성에도 민감하여 이를 개선하기 위해 첨가제의 선정이 매우 중요하다.

상기 첨가제는 유압유가 접촉하게 되는 금속면이 마모되는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 수용성 유압유의 내마모성 첨가제 함량이 5 wt% 이하인 경우에는 금속면의 내마모특성이 저하되며 내마모성 첨가제 함량이 10 wt% 이상인 경우에는 수용성 유압유의 점도 특성이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 상기 생분해성 유압유에는 마찰조정제(Friction Assistance)가 포함될 수 있는데, 실린더에서 생분해성 유압유 적용시 이음이 발생되었을 경우에는 마찰개선제를 소량 첨가하면 이음 감소의 효과를 기대할 수 있다.

상기 마찰조정제는 기존 제품에 비해 열에 의한 오일의 변색, 저온성능이 강화된 마찰조정제로서 상기 생분해성 유압유를 기준으로 0.7 wt%를 첨가하는 경우 이음 소멸의 효과가 발생한다.

생분해도를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있는데 생분해되지 않고 남아있는 양을 직접 측정하는 방법, 용존 유기탄소(DOC)를 측정하는 방법, 미생물에 의해 분해되어 생성된 이산화탄소를 측정하는 방법, 미생물이 분해하는데 필요한 산소량을 측정하는 방법 등 여러가지가 있다. 이 중 오일의 생분해성을 측정하는 데는 비수용성 물질의 생분해성을 측정할 수 있는 CFC 방법과 OECD 301B 방법이 가장 널리 사용되며 이 중 OECD 301B방법은 규정된 환경조건 하에서 일정 시간 경과 후 오일의 성분(Hydrocarbon)이 분해되어 생성되는 이산화탄소(Organic Carbon(CO₂))발생량을 측정하여 생분해능을 측정하는 방법이다. 이번 생분해성 분석을 위해서 벨기에 BFB 연구소에 시료를 송부하여 OECD 301B 방법에 의한 시험결과를 얻었다.

위 실험에서 기준물질은 나트륨벤조산 3 g/l이고, 시험온도는 23.4 -24.1℃, 시험기간은 28일, PH 7.2-7.0의 조건에서 실험하였다.

도 1 은 위 실험에 따른 상기 화학식 1의 화합물을 기유로 하는 생분해성 유압유 A의 생분해도를 나타낸 것이고, 도 2 및 도 3은 상기 화학식 2의 화합물을 기유로 하는 생분해성 유압유 B, C 의 생분해도를 나타낸 것이며, 상기 실험 결과를 종합하면 다음과 같다.

시험항목	시험방법	화학식 1		화학식 2
생분해성 21-22℃ 28days	OECD 301B	A	A-1(A의 개량품)	B	C
생분해성 21-22℃ 28days	OECD 301B	67%	74.5%	63.6%	74.9%

상기 화학식 1의 화합물을 기유로 하는 A-1은 A의 개량품이고, 상기 화학식 2의 화합물을 기유로 하는 C는 굴삭기 및 지게차 등의 이동식 건설장비에 적용 가능하게 개발된 생분해성 유압유이다.

일반적으로 OECD 301B Test 후 60% 이상 분해되는 오일에 대하여 생분해성오일로 인정하는데, 생분해성 유압유 2종 모두 약 70% 수준의 분해성을 보여 생분해도는 양호한 것으로 판단된다.

상기 생분해성 유압유의 경우 기존 광물성 유압유와 비교하여 동등한 물성을 가지면서도 생분해성을 갖는 것을 특징으로 하므로, 기존의 광물성 유압유와 시중에 출시되어 있는 생분해성 유압유의 물성을 하기의 표2 에서 비교 분석해 보았다.

시험 항목			시험 방법	Customer Requirement	시험 결과
					기존 양산품	생분해성 유압유
					기존의 광물성 유압유	기존의 생분해성 유압유	본 발명 C
밀도 15/4℃			ASTM D 4052	reference	0.866	0.915	0.909
색(ASTM)			ASTM D 1500	-	L1.0	L1.5	L1.5
점도(cSt)		40℃	ASTM D 445	43.7 - 48.3	45.50	47.0	46.7
점도(cSt)		100℃	ASTM D 445	min. 6.1	8.30	9.30	9.24
점도지수			ASTM D 2270	min.160	160	185	185
인화점,℃			ASTM D 92	min. 200	210	242	234
유동점,℃			ASTM D 97	max. -36.0	-42.5	-42.0	-40.0
전산가(mgKOH/g)			ASTM D 974	reference	0.73	0.58	0.60
수분함량 (ppm)			ASTM D 1744	reference	210	311	294
기포도(ml)	Seq(Ⅰ)		ASTM D 892	10/0	0/0	20/0	30/5
	Seq(Ⅱ)			20/0	10/0	10/0	10/0
	Seq(Ⅲ)			10/0	0/0	30/0	20/0
첨가제 성분	Zn		ICP	-	594.4	15.9	10.5
	P			-	475.0	910	1150
	Ca			-	108.7	22.3	31.0
동판 부식, 100℃x3Hrs			ASTM D 130	max. 1-b	1-a	1-b	1-b
항유화성, 54℃(분)			ASTM D 1401	max 20	10	25	20
녹방지성			ASTM D 665	-	합격	합격	합격
내마모성(4-Ball Wear) (mm)			ASTM D 4172	max 0.58	0.52	0.38	0.51
극압성(FZG)			ASTM D 5182	-	12	12	12
가수분해 안정성		전산가 변화,mgKOH/g	ASTM D 2619	-	0.32	1.0	0.8
가수분해 안정성		점도변화(40℃),%	ASTM D 2619	-	0.25	0.03	-0.44
열안정성(CM법)		외양 Cu/Fe	ASTM D 2070	검붉은 변색/약간 없음	약간 변색/변색 무	변색 무	변색 무
		손실량 Cu/Fe(mg)		max 2.5/0.5	1.3/0.3	0.2/0.1	0.2/0.1
		Total sludge(mg/100ml)		max 5	2.85	0.75	1.25
		동점도증가(40℃)		max 5	1.41	0.22	0.15
		전산가 증가(%)		max 5	0.5	0.4	0.5
생분해성, 21-22℃, 28 days			OECD 301B	min. 60%	-	69.2%	69.2%
마찰 테스트			SAE No.2 Test	No peak	No peak	peak 발생	No peak

상기 표 2 에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 생분해성 유압유는 기존 광물성 유압유 및 기존 생분해성 유압유와 비교하여 주요 물성이 동등하고, 특히 열안정성, 내마모성이 우수한 특성을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 유압유 C를 실제 산업용 지게차에 적용하여 내구시험을 실시하였는데, 시간대별로 시료를 채취하여 물성의 변화를 관찰하면서 현재 사용 중인 광물성 유압유와 비교하였다. 위 시험결과는 다음 표 3과 같다.

시험항목		Unit	기존 광물성 유압유의 사용한계		생분해성 유압유 분석
시험항목		Unit	경고수준	한계수준	1000시간	2000시간	2500시간	3000시간 이후
점도	40℃	㎟/s	±10%	±15%	±5%	±5%	±5%	±5% (증가경향)
점도	100℃	㎟/s	±10%	±15%	±5%	±5%	±5%	±8% (증가경향)
점도지수		-	±10%	±15%	±8%	±8%	±8%	±8%
전산가		mgKOH/g	+0.8	+1.0	+0.5	+0.6	+0.8	+0.8이상
화분 함량		Wt%	+0.25	+0.5	+0.02	+0.05	+0.06	+0.06
수분 함량		Wt%	+0.1	+0.2	0.0003%(300ppm)유지
마모분	Fe	ppm	20	30	15	18	20	25
마모분	Cu		20	30	10	15	15	20
오염원소	Si		15	30	5	10	10	15

위 시험결과에 따르면, 본 발명에 따른 생분해성 유압유는 현재 사용 중인 광물성 유압유와 비교하여 점도지수 특성은 유리하나 산화·마모에 대한 특성은 다소 상대적으로 불리한 것으로 사료된다. 이러한 물성 저하 이유는 환경친화적인 특성을 확보하기 위해 내마모성 첨가제 등이 적게 포함되기 때문이다.

그럼에도 불구하고, 상기 생분해성 유압유는 현재 사용 중인 광물성 유압유의 교환주기인 2500시간 까지는 사용이 가능하여 실제 산업용 지게차에 사용이 가능한 것으로 평가된다. 그러나 2500시간 이후에는 전산가(오일 산화), 마모분(철 마모) 등의 물성이 사용유의 경고 수준을 넘어가게 되므로 사용에 주의하여야 한다.

또한, 본 발명에 따른 생분해성 유압유 C는 상기 화학식 2와 같은 불포화계 에스테르 화합물을 포함하고 있으므로, 포화계 에스테르 화합물을 포함하고 있는 유압유와는 혼용할 수 없으나, 현재 사용 중인 광물성 유압유와 혼용하여 사용하는 데에는 문제가 없다.

Claims

하기 화학식 1 또는 2의 폴리올에스테르계 기유를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 유압유.
<화학식 1>

<화학식 2>
청구항 1에 있어서, 상기 생분해성 유압유는 생분해도가 60% 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 유압유.
청구항 1에 있어서, 상기 생분해성 유압유에는 첨가제가 더 함유되는 것을 특징으로 하는 생분해성 유압유.
청구항 3에 있어서, 상기 생분해성 유압유에는 상기 생분해성 유압유 100 중량부 대비 첨가제 5 내지 10 중량부가 더 함유되는 것을 특징으로 하는 생분해성 유압유.
청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 첨가제는 내마모성 첨가제인 것을 특징으로 하는 생분해성 유압유.
청구항 1에 있어서, 상기 생분해성 유압유에는 생분해성 유압유 100 중량부 대비 마찰조정제 0.5 내지 1 중량부가 더 함유되는 것을 특징으로 하는 생분해성 유압유.