1. 폴리알킬렌글리콜(PAG)계 합성윤활유
폴리알킬렌은 자동차용 유압 브레이크액으로의 윤활제로서 castor oil에 대한 우수한 대체물질을 얻기 위해 처음 합성되었다. 1942년초 자동차용으로의 모든 브레이크액은 PAG에 기초하여 클라이슬러사에서 제조되었다. 1945년 PAG는 유니온 카바이드사에 의해 소개 되었다.
1)화학적인 구조
분자구조는 반복되는 옥시알킬렌 단위체들로 결합된 선형 사슬로 이루어져 있다. 영국석유(BP)화학사는 'BREOX R' 이란 상품명으로 세 가지의 주된 유형으로 폴리알킬렌클리콜을 시판하고 있다.
①폴리프로필렌 글리콜이 단일 에테르들
②옥시 알킬렌 부분이 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 혼합물로 형성된 포리옥시 알킬렌 글리콜의 단일 에테르들
③옥시 알킬렌 부분이 에틸렌 옥사이드와 프로필렌 옥사이드의 혼합물로 형성된 홀리옥시 알킬렌 글리콜(디올)들
(1)고분자의 사슬 길이
폴리알킬렌 그리콜 액체의 점도는 고분자 사슬 길이 혹은 분자량에 의해 영향을 받는 기초적인 성질 들이다. 폴리알킬렌 글리콜 윤활제는 40℃에서 3cSt 정도로 낮은 범위의 점도들로 제조된다. 휘발성, 인화점, 용해도, 용매성질(용해력), 유동점, 고무팽윤성 등과 같은 특성들은 분자량에 의해 역시 영향을 받게 된다.
(2)옥사이드 혹으 옥사이드 비율
가장 광범위하게 사용되고 있는 옥사이드 혼합물은 프로필렌 옥사이드 혹은 프로필렌 옥사이드와 에틸렌 옥사이드이 혼합물이다. 비록 성질들에 있어서의 적지 않은 변화가 에틸렌-프로필렌 옥사이드 비율을 변화시킴으로써 이루어지지만 이에 영향을 받는 가장 현저한 특징은 물에 대한 용해도이다. 고분자 사슬에서 옥시 에틸렌 군이 증가함에 따라 물에 대한 용해도는 증가한다.
(3)말단기
상업적으로 가능한 BREOX R 윤활제는 부톡시 혹은 디올 말단기를 갖는 단일 에스테르이다. 이들 구조에서의 다른 변화는 개선된 탄화수소 용해도, 방향족성, 반응성, 열안정도 그리고 점도지수를 주기 위해 가능하다.
2) 물리적 성질
옥사이드 혼합 PAG에 대한 의존은 전체적인 불용해성에 대해서 완전한 몰에 대한 용해도를 주기 위해 이루어진다. 폴리알킬렌 글리콜(점도지수 160~280)은 온도변화에 따른 점도 변화가 석유계(광유계) 기유(점도지수 90~105)나 폴리알파올레핀(점도지수 150~169)과 같은 많은 합성기유들보다 훨씬 좋다. 유동점은 전형적으로 -35℃~-60℃의 범위로서 매우 균일한 값을 나타내고 있다. 인화점과 발화점은 동일한 점도를 갖는 광유계와 비교되거나 더 높다. 전형적으로 인화점(astm D-92, IP 36)은 180~250℃범위이다.
PAGs의 독특한 비슬럿지성과 비 탄소분 형성 성질들은 이들의 화학적인 구조가 전통적인 석유이 그것과는 매우 다르다는 사실과 관련된다. 비록 PAGs이 산화 안정도가 탄화수소의 그것과 현저히 다르지는 않다 할지라도 산화조건 아래에서 PAGs는 슬럿지 혹은 바니쉬보다는 오히려 휘발성이거나 용해되는 산화 생성물을 형성하는 경향이 있다. 대부분의 고온 사용에서 탄소나 코오크스의 형성은 없다.
적절히 억제된 PAGs 윤활제는 산화에 대한 노출이 최소로 잡힐 수 있는 260℃이상의 온도에서 만족스럽게 사용될 수 있다. 이 온도에서 산화에 대한 노출 정도를 최소화 할 수 있다. 윤할제의 만족스러운 성능과 수명을 각 단계들에서의 충분한 회전 사용, 윤활제-금속 계면에서의 온도 변화를 최소화할 수 있느 닫힌계와 굴곡이진 시스템들에서 실현될 수 있다.
260℃이상에서 PAGs 액제는 빠른 열적, 산화 분해를 할 수 있다. PAGs는 전단 안정도가 좋으며 높은 전단율을 받을 때 부서지지 않는다. 즉 큰 변화를 일으키지 않는다. PAGs는 가수분해에 역시 안정하며 산성, 중성 혹은 염기성 수용액의 존재시 기수분해하지 않는다. PAGs 윤활제는 광유계와 비교하여 현저한 종합적 하중 운반 능력과 막강도 그리고 내마모 성질들을 갖는다. 이들의 다른 화학적 구조 때문에 이들의 기본적인 윤활특성은 직쇄형 탄화수소유(광유계)의 윤활 특성과는 현저히 다르다. PAGs윤활제는 이드르이 슬럿지 형성에 대한 훌륭한 저항(즉 비 슬럿지 형성)과 함께 고유의 좋은 윤활성으로 기어나 베어링 그리고 다른 중요한 기계 부품들에서 윤활제의 긴 수명이 필수적인 산업적 응용 분야에서의 사용을 점하게 된다. 이들 색다른 독특한 성질들은 예를 들면 청동-스틸 베어링 표면의 경우에 명백히 뚜렷하게 나타낸다. 가혹한 하중 조건의 기어의 수명은 종종 PAGs 윤활제의 사용을 통해서 부서짐, 마모변형 등을 크게 감소시키거나 제거함으로써 확장될는지도 모른다. PAGs 윤활제가 사용되면 기어나 베어링 시스템은 정상적으로 더 낮은 온도에서 가돌될 것임이 타당하다.
경계윤활 조건들이 존재한는 장소에서는 내하중성 첨가제가 요구되는 성질을 제공하기 위하여 첨가된다. 보편적인 사용 조건 아래에서는 PAGs 윤활제들은 철, 강철, 구리, 놋쇠, 청동, 알미늄 그리고 베어링 합금과 같은 일반적인 금속들에서는 비부식성을 나타낸다. PAGs 윤활제들은 실제적으로 어떠 기계적이거나 유압 시스템에 사용된다. 만약 수용액 상태의 오염물이 문제가 된다면 억제제를 부식에 대해 대상물을 보호하기 위해 윤활제에 혼합할 수 있다. PAGs는 천연 그리고 합성 고무 화합물뿐만 아니라 보편적인 개스킷(고무패킹) 물질에 효과가 매우 적거나 없다. 이러한 성질 때문에 PAGs 윤활제는 고무 관련 공정 가동시 광범위하게 사용될 뿐만 아니라 고무 조성을 갖는 최저용매 효과와 늘어남 효과를 요구하는 다른 응용 분야에도 사용된다.
3)독성
PAGs는 산업적 이용시 정상적 사용조건 아래에서 어떤 적절한 유해성도 나타내지 않는다. 사실상 FDA는 수많은 최종 사용처에 대해 PAGs의 안전성을 인정하고 있다.
4) 응용분야
PAGs는 광유에 비해서 현저히 더 비싸기 때문에 PAGs는 이들의 훌륭한 성질들로 인해서 전화비용 효과를 보이는 영역에 대해서만 사용된다. 이들의 응용 가능한 영역은 아래에 잘 정리해 놓았다.
물에 대한 용해도가 요구되는 곳에서의 윤활(절삭, 난연성 유압작동유, 고분자 냉각 이완제)
250℃이상의 상승온도에서의 윤활(광내는 로울러 윤활, 열매체유)
저온윤활(극지방에서의 혹한조건 윤활, NH3용 컴프레서 장착 냉동시스템 윤활등)
증대되고 있는 건강과 안전윤활(식품가공 제조용 공정윤활, 양조공정윤활 등)
광유와 비교하여 비록 비싸다 할지라도 PAGs는 아직까지 가장 값싼 합성윤활제들 중 하나이다. PAGs의 주된 한계점 및 제한성은 다음과 같다.
최대 가동 온도 250℃
강한 산화조건 아래에서의 파괴성
수용액으로서 사용되지 않는다면 비 난연성
몇 가지 페인트에 대한 유연성
PAGs의 독특한 사용면은 다음과 같이 정리 할 수 있다.
유압작동유
고무팽윤제
기어/베어링 윤활유
모형 비행기 윤활제
컴프레서유
브레이크 액
열매체유
그리스
방직, 직물 윤활제
절삭유제, 금속가공 윤활제
냉각 이완 윤활제
(1)유압작동유
유압작동유 시장은 단연 PAGs의 가장 큰 사용 소비를 대변한다. 이 부분에서는 주로 다섯 가지의 다른 응용 분야가 있다. 난연성 유압작동유, 환경 친화적 윤활제, FDA공인청정 윤활제, 고온 사용 윤활제 그리고 브레이크액이다.
①난연성 윤활제
난연성 유압작동유는 특히 고압의 유압라인으로부터 우발적인 새는 곳이 있는 곳에 그리고 열원과 접촉하여 화재나 폭발을 할 수 있는 곳에서의 사용을 위해 요구된다. PAGs는 HFC-fluids나 혹은 water fluids로 불리어 사용된다. 이들의 작용은 윤활제를 두껍게 강화시키는 것으로 전형적으로 ISO 46점도 등급으로서 물, 글리콜 그리고 소량의 퍼센트의 첨가제로 구성된다. PAGs로 제조된 난연성 윤활제의 전형적인 이용은 자동차 산업, 제철공장, 그리고 석탄광산 등이다. 유럽에서 난연성 윤활제의 가장 많은 사용은 석탄광산 산업이다. 지하에서 사용되는 윤활제는 광산 및 추출산업을 위한 E.E.C.위원회에서 제정된 제5차 룩셈부르크 보고서의 엄격한 요구 사항을 만족시켜야 한다. 후보 윤활제는 화염에 의한 연소, 인화성, 성능과 독성시험을 통과해야 한다. 선택, 추천된 윤활제(영국을 제외한)는 HFC- types이다. 널리 사용되고 있는 난연성 작동유의 세 가지 다른 부류가 있는데 그것은 H fluids(+90% 물), HFB(invert emulsion of mineral oil and water) 그리고 HFD fluids(인산에스테르계)이다. 난연성 유압작동유 시장에서의 장래 동향은 HFC 윤활제가 성장을 계속할 것으로 생각된다. 이유는 HFB(열등한 난연성과 안정도)의 가격과 HFD(독성과 원가) 의 역시 가격면 등에서의 문제점 때문이다. 더 오랜 기간 후의 일이지만 비록 변화가 매우 서서히 진행될 것으로 믿어지지만 HFC윤활제 시장은 점차 다시 HFA윤활제로 바뀔 것으로 앞서 추정된다.
②환경 친화적 윤할제
적절히 억제된 PAGs는 윤활제가 수중 시스템에 피할 수 없이 들어가야 할 준설과물 관련 작업에서와 같은 응용분야에서 환경적으로 수용할 수 있는 환경 친화적 유압작동유로서 광범위하게 사용된다. 비록 생분해성이 늦다 하더라도 박테리아 억제시험(IC 50>1,000mg/l)에서 PAGs는 박테리아 등과 같은 생균에 가리워져 있지 않고 생물학적인 식품과의 접촉이 일어나는 장소에 대한 응용을 위해서 특별한 윤활제들도 개발되어 있는데 이들은 모두 FDA규정 178,3570을 만족시킨다. 이들 윤활제는 모두 전형적인 광유계 이상의 성능 특성들을 보유하고 있다.
③브레이크 액
PAGs는 윤활성이 있으면서 점도를 조절하고 고무 팽윤성이 있는 브레이크약으로 사용된다. 유럽에서는 브레이크액 배합 기술자들은 더 값비싼 에틸렌/프로필렌 옥사이드 공중합체보다는 오히려 저분자량의 폴리에틸렌글리콜을 사용하는 경향이 있다. DOT-3와 DOT-4 요구조건과 결합된 브레이크액 배합에서 물배출과 관련한 더 높은 점도는 액에 사용되는 PAGs의 퍼센트를 감소시키는 경향이 있다. 앞으로의 장래 브레이크액 시장 동향은 DOT-4요구가 DOT-3를 승계하게 될지의 여부가 더 많은 토론의 대상이다. PAG사용이 브레이크액 시장에서 쇠퇴할 것이라는 점은 아마도 올바른 가정 일런지도 모른다.
(2) 컴프레서유
PAGs는 컴프레서, 동력 재생엔진 그리고 진공펌프와 같은 탄소 슬럿지와 바니쉬 형성에 대한 PAGs의 저항성이 유익한 이점으로 작용할 수 있는 곳에 광범위하게 사용된다. PAGs의 수용할 만한 용해도, 훌륭한 윤활성, 고온에서 잘 견디는 능력 그리고 매우 추운 기온에서의 쉬운 시동을 가능케 하는 점 등은 컴프레서 윤활에서 부딪히는 많은 문제점들을 푸는 데 도움이 된다.
①저밀도 몰리에틸렌 컴프레서 (LDPE compressors)
PAGs의 가장 큰 규모의 컴프레서 윤활에의 응용은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 제조를 위해 사용되는 고속의 reciprocating 컴프레서(HYER COMPRESSORS)의 윤활에 있다. 중합과정 동안 윤활제는 폴리에틸렌과 접촉할 수 있으며 선택된 어떤 제품은 독성적으로 충족되어야 한다. 이러한 이유 때문에 광유계는 규정에 따라 제외된다. 사용되는 전통적인 전례의 제품은 White oil이었지만 좋지 못한 윤활제로서 막음과 프런저 부분 그리고 밸브 부분의 마모는 항상 문제점으로 남아 있다. 이들 결함을 부분적으로 극복하기 위한 시도로서 폴리부텐을 white oil에 첨가하였다. 그러나 PAGs는 다음과 같은 이유 때문에 컴프레서 제조자들에 의해서 적절한 좋은 윤활제로서 존재하고 있다.
PAGs는 가장 좋은 압력-점도 특성을 나타내며 그러므로 고압의 라이들에서 더 쉽게 흐른다
·에틸렌은 PAGs에 가장 적게 용해하며, 그러므로 프런저 가동 지역으로부터 가장 적게 제거되는 것 같다.
PAGs의 소비는 white oil 그리고 white oil/pib혼합물과 비교해서 보편적으로 절반밖에 안된다.
PAGs는 가장 좋은 하중 전달성과 이러한 윤활성능을 갖느다. 그래서 프런저와 막음 부분에서의 마모를 최소화한다.
LDPE 시장은 현재 성장하고 있으며 새로운 공정은 대부분 선형 저밀도일 쪽으로 기울고 있으며 PAGs의 고도의 성능을 요구치 않는 저압의 공정이다. 그러므로 PAGs에 대한 이러한 시장분야는 쇠퇴할 것으로 보인다.
②탄화수소와 화학 가스 컴프레서
어떤 reciprocating 컴프레서들에서 가스는 크랭크케이스 그리고 베어링 부분으로 들어간다. 이들 조건들에서 가스는 쉽게 광유계 윤활제에 용해되며 이러한 가스에 의한 묽힘으로 점도와 윤활성능에서의 현저한 저감을 보인다.PAGs는 이들의 감소된 용해성 때문에 추천되며 마모 보호성능을 개선시키고, 윤활제 수명을 확장 시키고 컴프레서 효율을 개선시키며 거품을 감소시키는 데 선도적인 역할을 한다. 몇몇의 PAG 윤활제들은 multigas 서비스에 적절하다. 부타디엔과 염화비닐은 이합체화 없이 다루어질 수 있다.
③다방면에 걸친 응용
PAGs는 헬륨, 질소 그리고 암모니아 스크류 타입 컴프레서에 대해서 좋은 윤활제로서 지적된다. 여기서 가스 품질요구는 대체로 고순도이다. 광유와 비교하여 PAGs의 낮은 연무효과의 감소된 기체 용해도는 매우 바람직하다. PAG 윤활제로부터 기체의 더 쉬운 제거는 더 값싼 기화기 설계를 가능케 한다.
(3) 기어와 베어링 윤활제
PAGs는 성능 좋은 기어/베어링유로서 오랜 기간 사용되어 왔으며 그들의 사용은 지속적으로 증가하고 있다. PAGs의 이점은 다음과 같이 정리된다.
고온에서의 좋은 산화 안정도에 의한 더 긴 수명
더 좋은 열 전도도와 낮은 마찰계수로 인한 감소된 가동온도
높은 점도지수와 낮은 마찰계수로 인한 더 짧은 시동준비 시간과 쉬운 시동성
더 빠른 시동 준비시간과 낮은 마찰계수 그리고 수력학적 조건 때문에 더 낮은 동력의 소모
고온에서의 수력학적 조건으로 인한 감소된 기어 마모
산화방지 성능의 PAGsdlm 가장 초기의 그리고 가장 인기 있는 분야에서의 응용 중 하나는 나사기어와 드라이브에서 찾을 수 있다. 나사기어는 청동기어와 접촉하여 가동되는 강한 강철 나사로 이루어져 있다. 나사와 기어 사이에 높은 페센트의 슬라이딩 작용 때문에 낮은 마모를 보증하기 위한 적절한 윤활제 선택은 매우 중요하다.
역시 마찰열은 흩어져 사라지도록 기어 케이스로 윤활제를 통해서 투과되어야 한다. PAGs윤활제는 탄화수소계 윤활제(즉 기존 광유계)의 빠른 변질이 발생되고 더 좋은 점도지수가 요구되는 나사 드라이브에 적합한 것으로 받아들여지고 있다.
다른 주된 응용 영역은 대규모 공장에 있으며 고무, 방직, 제지 및 플라스틱 산업에의 활용이다. 이러한 공장들에서는 커다란 구경의 저널 베어링, 내마찰 베어링 그리고 여러 가지 다른 유형의 기어들이 사용되고 있다. 이러한 타입의 기기들은 150℃ 이상에서 광유계로 만족스럽게 가동되고 있다. 이 온도 이상에서는 보통 PGA계 합성윤활제가 추천되고 있다.
(4) 금속 가공유
PAGs의 수용액들은 단독으로 혹은 아민 비누, 아미드 혹은 인산 에스테르와 같은 다른 물에 용해되는 제품들과 상호 의존적인 상승작용을 위해 서로 혼합된 형태의 효과적인 윤활제이다. 많은 PAGs는 차가운 물에 비해서 뜨거운 물에 덜 용해한다. 작업 작용지점에서 발생되는 열은 (절삭가공 등) 윤활제가 순수한 윤활제를 공급하기 위해 수용액 밖으로 유리되어 나오도록 한다. 냉각제가 순환하고 있기 때문에 온도는 감소하게 되고 윤활제는 다시 용해된다. 원래의 참용액으로부터 유리된 PAGs는 이들이 광유계 에멀젼과 관련한 고유의 안정도 문제점들과 같은 것을 나타내고 있지 않기 때문에 PAGs는 광유계 에멀젼보다는 미생물에 의한 공격에 훨씬 더 저항성을 나타내는 경향을 보인다. 절삭유에 있어서의 소비성장은 페인트 유연화, 슬라이드웨이 그리고 베어리 탈그리이스화 등의 기계나 기기 등에 있어서의 나쁜 영향 때문에 멈칫하고 제지되고 있다. 기계. 기기설계에 있어서의 발전, 향상은 현재 PAGs계 절삭유에서의 성장을 선도하고 있다. 더 나아가서 이러한 성장은 캔 도형절삭 분야에서도 경험되고 있는 사실이며 이들 캔제조 분야에서는 알루미늄캔의 도형절삭과 벽면 용접 등은 매우 좋으 윤활성이 요구된다.
(5) 방직용 윤활제
PAGs와 이들의 에스테르들은 이들의 이상적인 마찰 성질, 훌륭한 열적성질, 빛에 대한 안정성 그리고 좋은 세척력 때문에 방직용 윤활제들로서 광범위하게 이용된다. 이들의 낮은 휘발성, 높은 smoke point, 정전 방지성능 그리고 높은 온도의 철판 위에서의 최소한의 잔류물 축적(즉, 잔류탄소난 바니쉬 형성)과 같은 성질들은 이들 PAGs계 윤활제들을 폴리에스테르나 폴리아미드 섬유의 방직에 대한 이상적인 윤활제로서 사용되게 한다.
(6) 고분자용 냉각 이완제
'polymer puenchant'란 말은 오일과 물 사이의 냉각특성 범위를 나타내기 위한 능력을 갖는 많은 수용성 냉각 이완제품을 기술하기 위해 금속산업계 내부에서 일반적으로 포괄적이고 총칙적인 현상으로서 나타내져 왔다. 미국/유럽에서는 네 가지 부류의 제품들이 상업적인 상태로 시판되어 오고 있다.
①폴리비닐 알코올 : PVA
PVA는 유도된 강도의 기계에 사용하기 위해 일차적으로 1950년대 중반에 수용성 puenchant로서 소개되었다. 기기와 부속품들에서의 저착성 잔류물위 형성으로 야기된 주된 농도 조절 문제점들로 인하여 이들의 사용이 중단되었다. 이런 문제점들로 인해서 동시에 많은 기기들이 손도 대지도 못한 채 그대로 남아 있게 되었다.
②폴리알킬렌 글리콜 : PAG
이러한 종류의 제품에 대한 상업적인 소개는 1960년대 중반 미국에서 이루어졌다. 폴리글리콜 제품들은 현재 이들이 적은 가동상의 문제점들을 보유하는 성능적 성질들의 필수적인 균형을 나타내기 때문에 polymer quenchant 시장에서 주된 부분을 차지하고 있다. 이런 유형의 제품의 주된 단점은 마텐자이트 변태 온도범위에서 이들의 빠른 quenching 속도 때문에 야기된다. 결과적으로 더 늦은 quenching 속도의 전통적인 quenching유들을 이런 유형의 제품들로써 대체한다는 것은 현재로선 불가능하다.
③폴리비닐 피롤리돈 : PVP
물에 있어서의 PVP 용액은 1975년 미국에서 상업적인 quenchants로서 처음으로 소개되었다. 이런 유형의 몇 가지 quenchants에 대해서 'oil-like' 행동이라는 근거 없는 주장이 있다. 산업적인 채택은 한계가 있으며 유럽에서는 이들 유형의 제품이 시장성 요인으로 작용하지는 못한다.
④sodium polyacrylate : SPA
1978년에 금속철의 가공에 대하여 특허화된 이런 유형의 제품은 선택된 bath 조건들에 의존하여 마텐자이트와 비마텐자이트의 조절된 형성을 가능케 하는 냉각 특성에 있어서 충분히 느리기 때문에 수용성 quenchant 기술에서의 새로운 발전을 이룩하였다. 열분해로 인한 점도 변화로부터 야기된 농도조절 문제점들은 제품의 시장에 대한 강점을 제한하는 것으로 보고되고 있다. 제 2세대의 acrylate 제품이 이미 발매되고 있다.
⑤장래의 개발, 발전방향
철금속에 대한 열처리는, polymer quench 기술을 심층적인 부분으로 확장하기 위해서 현재의 더 빠른 속도의 quenchants의 사용을 별도의 문제로 하더라도 알루미늄 분야는 이미 충분히 해결하고 있기 때문에, 대부분의 개발이 집중될 시장 분야이다.
(7)열매체유
PAGs는 이들의 훌륭한 열전달 특성, 최소한의 잔류물 형성, 높은 인화점 그리고 물에 대한 용해성 때문에 열매체유로서 사용되는 것으로 알려지고 있다. 열매체유 시장에서 PAGs는 전형적으로 사출성형기로 플라스틱을 제작하는 산업과 같은 분야에서 특히 인기가 높다. 덧붙여 PAGs는 플라스틱과 윤활제의 적합성이 필수적이고 세척력이 요구되는 플라스틱 필름, 실이나 방직분야의 열처리를 위해서 독특한 응용성을 나타내고 있다. PAGs의 하나의 가장 커다란 제약점은 이들의 최고 가동온도가 단지 250℃라는 점이다. 이 점이 다른 합성유의 사용을 희생시키면서까지 지속되는 PAGs계 열매체유의 사용 성장을 계속적으로 제지하게 하는 사항이다.
①장래의 동향
PGA계 윤활제에 대한 중기적인 짤막한 전망은 매년 3~55범위의 좋은 연간 성장률을 나타낼 것으로 보인다. 성장을 나타내게 하는 주된 분야는 아마도 금속 가공유, 방직용 윤활유 그리고 기어유에 있다. 현재 유럽에는 시장 요구를 초과하는 전체 총합 용량을 갖는 8개의 주된 PAGs 생산업체가 있다. 이것은 분명히 소비자들에게 많은 이점을 주며 계속적으로 PAG계 윤활유를 가장 저렴한 합성유들 중 하나로 만드는 점이 된다.
2. 폴리부덴(PB)계 합성윤활유
폴리부덴은 나프타 분해공정으로부터 생성되는 이소부텐과 노말부텐을 포함하는 기체상태의 라피네이트 유출물의 중합반응에 의하여 생산된다. 중합반응 온도에 따라 여러 가지 다른 분자량과 점도의 광범위한 폴리부덴이 생산 가능하다. 폴리부덴은 접착제, 막음제 그리고 오일 첨가제 산업에서 잘 알려진 제품이여 합성윤활유 혹은 반합성윤활유로서 사용이 증가하고 있다. 수년 동안 폴리부덴은 점도지수 향상제로서 사용되어 왔으며 이들의 청정 연소, 무녹성 그리고 윤활제로서 무독성의 장점들은 자동차와 다른 산업부야에서 이용, 개발되고 있다.
1)시장정보
(1)생산공급
이론적으로 북미(amoco, exxon, lubzizol)와 서유럽(bp,amoco, exxon, lubrizol)에서 충분한 생산용량이 있다. 실제로 생산용량은 생산되는 점도등급의 범위, 원료물질의 유용가치에 크게 의존하며 amoco, 미국의 경우 이중 목적의 mtbe/pib공장이 가동되고 있다. mtbe, butyl rubber그리고 다른 올리고머들의 생산을 위한 공정들은 이소부텐 원료에 대하여 폴리부텐과 경쟁하고 있다. 비록 현재는 수요를 만족시킬 만한 충분한 양이 있다 하더라도 미래의 계획들을 고려해 보면 공급 결핍이 일어날 것으로 보인다. 이러한 부족 현상은 최대 생산기간 동안 주로 일어날 것이며 증가하고 있는 mtbe생산용량에 기인하여 특히 부족할 것으로 생각된다. 자체 원료물질 조달이 가능한 BP화학사와 같은 회사들은 수요동향 변화에 크게 영향을 받지 않는다.
(2)폴리부텐 사용
생산되는 모든 폴리부텐의 약 60~705는 crankcase oil에서의 분산/청정 첨가제 제조에 사용된다. sg급 규격은 분산제 사용증가를 주도하고 있다. 윤활유 첨가제 생산자들은 역시 가솔린 첨가제의 공급자들이다. 다시 말해서 이것은 나쁜 품질의 연료와 무연가솔린 수요에 기인한 현저한 성장을 보이는 분야이다. 폴리부텐계 가솔린 첨가제는 이러한 수요를 만족시키기 위해 대체, 사용될 것이다. 주된 폴리부텐 생산자들 중 lubrizol사는 모든 그들의 폴리부텐 생산제품을 첨가제 제조를 위해 사용하며 exxon사는 생산제품의 대부분을 자체 소비하며 일부 제한된 등급범위를 시장에 판매한다. bp화학사와 amoco사는 광범위한 점도등급에 걸친 제품을 모두 시장에 판매하고 있다. 첨가제 시장 이외에 서유럽에서는 다른 산업적 응용을 하고 있다. 폴리부텐 사용의 전통적인 분야는 점착체, 막음제 그리고 오일 강화제 분야이다. 시장동향과 압력은 2기통 엔진오일 그리고 플라스틱 산업에의 응용에서의 성장을 예시하고 있다. 비록 고용량 케이블에서의 폴리부텐 함유지에 대한 수요 감소가 예측되지만 전달매체에 대한 새로운 기회로서 cross-linked polyethylene(xlpe) 케이블 그리고 광섬유 케이블은 이들 감소를 능가하고 있다. 다른 윤활제 분야에서 폴리부텐은 금속가공유 혹은 에너지 효율성을 보이는 다급 점도의 기어오일과 같은 분야에 적은 양이기는 하지만 수요가 기대된다.
2)전합성 및 부분 합성 윤활제에서의 폴리부텐
(1)제약성
전통적인 광유계 윤활유에 대한 합성윤활유의 강한 장점은 유동점 강하, 휘발성 저하, 독성과 침적물감소 그리고 산화 안정성의 향사, 점도지수(vi)의 향상, 분산력 향상, 윤활성 그리고 난연성의 증가 등이다. 폴리알파올레핀과 디에스테르계 합성윤활유들은 이들 장점들을 보이며 폴리부텐은 이들이 더 휘발성이며, 산화 안정성이 떨어지고 광유계 윤활유의 점도지수의 개선은 단지 점도가 높고 높은 유동점 등급의 폴리부텐에 의해 이루어지므로 동일한 합성 윤활기유 시장에서 경쟁할 수 없다. 전합성 폴리부텐계 윤활유들은 2 사이클 엔진오일 혹은 고압의 에틸렌 컴프레서 그리고 낮은 침적물 형성이 되며 위의 제약점들이 극복되는 금속가공과 같은 분야에 응용 가능하다. 몇 가지 특수한 그리스 배합기술에는 kiln 베어링 등에서의 MoS2 혹은 그래파이트의 무독성, 탈중합반응 운반체(유도제) 로서 폴리부텐을 사용한다. 폴리부텐은 15w와 20w 모터오일과 다급 기어오일에서 전단안정 점도지수향상제(vii)로 사용된다.
(2) 2사이클 엔진오일
합성윤활제는 향상된 성능향상 요구(연료비율, 배기가스의 조절)를 만족시킨다. 이런 특별한 응용에서 폴리부텐은 가격과 성능면에서 성공적으로 에스테르와 경쟁한다. 단지 오일의 생분해성이 풀수적으로 문제가 될 때 폴리부텐은 떨어진다. 폴리부텐은 열적으로 분해되며 광유가 탄소 잔류물을 남기는데 반하여 고온에서 깨끗하게 증발된다. 그래서 광유계를 폴리부텐으로 대체함으로써 연소기관 내부의 퇴적물, port blocking, plug fouling 그리고 오일의 배출과 같은 공통적인 문제점들을 와해 시키는 것이 가능하다. 게다가 두 개 논문에서의 시험결과들(g.j.souillard, f.van quaethoven and r.b. dyer, sae paper 710730, 1971, k.sugiura and m. kagaya, sae paper 770623, 1977)은 광유계 윤활유와 비교하여 폴리부텐계는 2사이클 엔진에서 부식, scoring 그리고 마모를 감소시킬 수 있음을 보였다.
(3)컴프레서용 윤활제
저밀도 폴리에틸렌은 고압 반응기(1,800~2,000bar) 혹은 관 모양의 반응기(2,700~3,200 bar)에서 고압공정에 의해서 제조된다. 2차 에틸렌 컴프레서 윤활제는 마모, 온도, 퇴적물, 요구 조건 아랭서 에너지 소모를 감소시키는 작용을 하여야 한다. 폴리알킬렌그리콜(PAG)과 폴리부텐는 이러한 응용분야에 대해 동등한 응용분야를 보인다. 폴리알킬렌글리콜은 폴리부텐보다 더 좋은 윤활제이며 매우 높은 압력 하에서 점도가 적게 증가한다. 그러나 PAG는 만약 그것이 전기적 응용분야에 사용되어지거나 카드 위에 코팅된다면 폴리에틸렌에 해로운 영향을 끼칠 수 있으므로 폴리부텐는 ethylene- vinylacetate 공중합체 제조에 tkdydehlse. 지방산과 같은 산화방지제와 계면 첨가제가 소비자 요구조건으로서의 성능을 항샹시키기 위해 폴리부텐에 첨가되기도 한다.
(4)금속가공유
폴리부텐은 깨끗이 연소 증발하고 식혀서 강하게 만드는 작업에서 녹방지 성능이 필수적일 때 비철금속 가공분야에 사용된다. copper tube drawing 그리고 cold aluminium rolling 에서의 경우 leak대문에 폴리부텐는 베어링과 유압 시스템에 윤활제로 사용된다. 스테인리스 스틸 파넬을 용접한다면 폴리부텐는 적당한 압연 윤활제이다. 절삭과 같은 고온에서의 응용에 대해서는 폴리부텐의 안정한 에멀젼이 쉽게 만들어진다.
(5)그리스
폴리부텐는 그리스 제조에서 목절 달성을 위한 몇 가지 물리적인 성질들을 나타내고 있다. 그것은 가동온도 범위를 확장하고 저항전단응력에 대한 저항력, 흔들려서 떨어지는 점이나 물에 의해 씻겨 나가는 점 등에 대해서 견딜 수 있는 능력을 가지고 있다. 이들의 소수성 그리고 비투과적인 성질들은 자동차 산업분야에 대해서 합성 그리스로의 확장 가능성에 대해서 내 부식성 처리와 봉합재로서의 광범위한 응용을 달성할 수 있었다. 100℃이상의 고온에서 산화안정제의 사용이 요구된다. 폴리부텐은 실제로 무독성이고 식품사용 등급의 그리스에서 기유로서 사용 승인되었다.
(6)기어유
폴리부텐은 자동차와 산업용 응용분야에서 sae 80w/140 그리고 75w/90 다급 극압성 기어오일에서 점도지수 향상제로서 사용된다. 다급 점도유는 저온성능, 극지방에서의 시종성 그리고 연비향상을 위해 단일 점도유를 대체하고 있다. 취급을 손쉽게 하도록 오일에 이미 묽혀진 상태로 보통 공급된다. 폴리부텐의 처리 비율은 점도지수와 전단응력 안정도 사이의 관계와 상관하여 고려되어야 한다. 자동차용을 위한 sae 75w/90 점도규격은 폴리부텐, 폴리알파올레핀 그리고 광유의 배합으로 이루어질 수 있다. 이들의 배합에서 PAO%를 낮추기 위해서는 지점도, 저유동점의 나프텐 기유와 폴리부텐으로 대체될 수 있다.
(7)강선 와이어 로프용 윤활제
강선 와이어 로프는 유연하게 움직일 때 와이어와 외가닥 사이의 마모를 감소시키기 위한 윤활제를 필요로 한다. 폴리부텐은 와이어 로프 윤활제의 기본적인 기술적 요구 사항들, 즉 비활성, 접착성, 부식방지 그리고 윤활성 등을 만족시킬수 있다. 알맞은 점도등급의 선택과 왁스로 적절한 혼합을 통하여 점도와 다른 주안점들은 각 응용면에 대하여 적절히 맞춰 줄 수 있다. 합성 윤활제들은 다리건축과 해상로프로서의 고성능의 목적을 위해 보관 사용될 수있다. 폴리부텐계 윤활제 화합물은 부식성과 피로약화 수명시험에서 전통적인 석유계 젤리보다 우수한 성능을 보인다. 폴리부텐의 관심 있는 특징은 그들이 모든 석유계 제품들에 비해서 고유의 높은 마찰계수를 보인다는 점이다. 이것은 마찰운전로프에 대한 중요한 이점이며 다른 윤활제 응용분야에서 광유계를 대체시킬 수 있다.
3) 특수작용 윤활제로서의 폴리부텐
(1) 와이어와 케이플용 윤활제
일정한 규격화된 전기적 성질을 띠는 폴리부텐는 전력 케이블과 전화 케이블 변압기에서 기유의 종류에 따라 품질이 변화하는 광유와 수지를 대체하여 사용코자 왁스와 합성 고분자와 함께 겔화 될 수 있다. 이들은 역시 절연케이블과 변압기에서 절연지에 대한 함침용으로 사용된다. 혹은 전화 케이블에서 석유 젤리를 대체한 막음재로서 사용될 수 있다. 통신분야에서 광섬유 케이블의 사용증가와 함께 폴리부텐/왁스 혼합물은 충진 화합물로서 그 사용이 증가하고 있다. 만약 더 정확한 성질들이 충족될 수 있다면 새로운 응용분야가 개척될 수 있을 것이다.
4)결 론
폴리부텐는 엔진오일이나 항공기용 윤활제를 위한 폴리알파올레핀 혹은 디에스테르의 전통적인 관정메서는 합성기유가 아니다. 그러나 그러한 응용들은 2기통 엔진오일, 가솔린 첨가제 중간체, 컴프레서유, 금속가공유 혹은 산화안정성, 분산서 그리고 휘발성이 뛰어난 그리스에 있다. 폴리부텐의 품질과 성능 예들은 작은 시장수요이긴 하지만 전문가들에게는 매우 알맞고 요긴하게 사용됨이 발견된 응용분들이다. 엔진오일들에서는 폴리부텐은 낮은 전단안정성을 갖지만 더 낮은 처리속도를 요구하는 polymethacrylates(PMA) 와 olefin copolymer(올레핀 공중합체, OCP)와 같은 다른 점도지수 향상제들과 강하게 경쟁하고 있음이 경험되고 있다. 그러나 만약 전단 안정성이 기어오일에서와 같이 주된 첫 번째 관점이라면 폴리부텐은 점도 지수 향상제로서 중요한 이점을 갖는다. 특수작용 윤활제로서 폴리부텐은 와어와 케이블에 대한 주입물로서 널리 쓰이고 있다. 그 주된 이유는 물리적이고 전기적인 성질들에 있어서 균일하고 일정한 제품이 가능하고 점도에 대한 모든 소비자 욕구를 만족시킬 수 있는 능력이 있기 때문이다.
-(주)이득-
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