1.폴리알파올레핀
1)정의
합성윤활기유로 정상적으로 사용되는 '선형 알파 올레핀 올리고머'(linear alpha olefin oligomers)란 decene-1 올리고머의 수소화된 혼합물이다. 이들 올리고머들은 매우 적은 양의 hexamer와 가능한 heptamer를 포함하는trimer, tetramer 그리고 pentamer의 혼합물로 구성되어 있다. 매우 작은양(2wt% 이하)의 dimer가 보편적으로 이 속에 존재한다. octene-1 은 출발 monomer로서 더 적은 양으로 역시 사용된다.
2) 원료물질
윤활기유를 위한 올리고머 제조를 위해 사용되는 주된 원료물질은 ch₃(ch₂)7ch=ch2 decene-1 그리고 더 적은 양이긴 하나 ch3(ch2)5ch=ch2 octene-1이다. 이들 monomer들은 확연한 올레핀 냄새를 띠는 투명한 액체이다. 이들의 어는점은 -60℃이하, 끓는점은 115℃ 이상. 10개 이상의 탄소원자를 갖는 올레핀은 높은 점도를 갖는 올리고머를 만들어 내며, 그러한 올리고머는 더 높은 연료 소비와 더 나쁜 저온 시동성을 유발하기 때문에 엔진에서의 윤활제 사용을 위해 적절치 못하다. 8개 이하의 탄소원자를 갖는 올레핀은 엔진과 다른 기계의 가동에서 요구되는 온도에서 높은 휘발성을 갖는 올리고머를 형성한다. 즉 높은 휘발성은 가동조건 아래에서 여분의 과량의 윤활제 소모를 초래한다. 그러나 높은 점도와 낮은 점도 액체가 매우 적절하고 알맞은 응용분야가 있다. 이들 응용 분야로서는 기어오일, 유압작동유 그리고 전기절연유를 포함한다. decene-1 과 octene-1은 에틸렌의 올리고머화에 의해 상업적으로 만들어지며 여기서 짝수개의 탄소원자를 갖는 올리고머들이 생성된다.
3) 올리고머화 반응 :
올리고머화나 많은 monomer들만을 포함하는 고분자의 형성은 올레핀monomer의 이중결합에서 일어나며 하나의 이중결합을 포함하는 고분자를 생성하게 된다. 일반적인 올리고머화 반응은 다음과 같다
nCmH2m → CmnH2mn
(n=선형 알파 올레핀(lao)의 몰수,m=LAO에 있는 탄소원자들의 수=LAO에 있는 수소원자들의 수의 절반)
예를 들면, denece-1은 촉매 존재 하에서 dimer에서 heptamer 범위의 불포화 올리고머의 혼합물을 형성하기 위해 올리고머화한다. (구조식. 반응열 수식 생략)
decene-1의 올리고머화 반응열은 문헌에 표시되어 있지 않다. 그러므로 올리고머화 반응열은 decene-1 의 고분자화 반응열로부터 추정할 수 있다. 용융열에 의해서 보정되어진다. monomer 1 몰당 선형 알파 올레핀의 고분자화 반응열은 대략적으로 같다. 올리고머 각 1몰당 하나의 불포화 이중결합을 가지므로 a-1/a 보정인자에 의해서 고분자화 반응열을 보정할 필요가 있다. 촉매는 반응을 수행하기 위해 사용되어야 한다. 전형적인 촉매로서는 BF3, A1CL3, AIRALCL2 그리고 Ziegler 촉매들이다. 반응은 한 개 혹은 더 많은 여러 개의 촉매들이 사용된다.
4) 수소화 반응
불포화 올리고머들의 수소화 반응은 그들의 열 안정도를 향상시키기 위해 필요하며 그들을 산화, 분해로부터 보호하기 위해 필요하다. 수소화 반응 촉매는 반응을 수행하도록 요구된다. 이들 촉매들은 charcoal 위에 지지된 팔라듐과 charcoal에 지지된 니켈, chromite, 알루미나에 지지된 구리 그리고 팔라듐을 포함하고 있다. 하나의 독특한 수소화공정이 있는데 이 공정에서는 높은 가동온도에서 개선되 높은 점도지수와 낮은 휘발성을 제공하기 위하여 올리고머 분자의 구조적 재배열을 초래케한다. 개선사항은 약 25% 이상의 증가된 메틸과 에틸 가지화로부터 초래된다. 수소화된 선형 알파 올레핀 올리고머들의 높게 가지화된 축퇴된 구조는 매우 훌륭한 저온 성질을 갖고 높은 열적 분해온도를 갖는 매우 안정한 분자들로 된다.
5) 물리적인 성질들
decene-1의 올리고머화로부터 생성된 제품은 dimer, trimer, tetramer 그리고 pentamer 의 혼합물이며, 매우 적은 양의 더 높은 올리고머들이 가끔 존재한다. dimer는 휘발성을 증가시키고 제품 혼합물의 인화점을 낮출 때 일반적으로 제거된다. 그러므로 합성윤활제로서 사용하기 위한 올리고머 제품은 필수적으로 trimer, tetramer, 그리고 pentamer 의 혼합물이다. 다른 점도 규격들을 맞추기 위해 이들 세 가지 올리고머들의 상대적인 비율은 변화시켜야만 한다. pentamer의 양은 보편적으로 약 15% 이하이며 일반적으로 tetramer 의 비율은 점도규격의 지시계로서 사용된다.
2. 폴리알파올레핀의 윤활기유로서의 특성
폴리알파올레핀은 디에스테르와 비교하여 약간의 생산 원가의 불리한 점에도 불구하고 합성윤활기유로서 가장 좋은 물질로 알려지고 있다. 폴리알파올레핀(이하PAO로명기)은 대부분형태의 윤활제나 특수작용 윤활제를 제조하기 위해서 적절한 첨가제의 올바른 사용으로 배합될 수 있다.
1)저온 유동성
많이 가지화된 분자구조의 낮은 점도 영향에 기인한 PAO의 이러한 높은 유동성은 저온에서 엔진과 펌프를 더 쉽고 확실하게 시동될 수 있도록 배합된 윤활유들을 만들 수 있게 한다. 이와 동시에 PAO계 그리스와 기어오일은 극저온에서 좋은 탄력성을 유지한다.
2) 고 점도지수
고점도지수 성질은 광범위한 온도범위의 배합과 광유계보다 VI점도지수 향상제를 넣지 않거나 조금밖에 참가하지 않는 다급 점도 윤활유의 제조를 가능케 한다. PAO는 윤활유의 더 큰 점도 안정성과 점도지수 향상제의 분해로 인한 산화 및 분해 퇴적물의 감소라는 이점을 갖는다.
3) 저 휘발성
낮은 휘발성은 개방된 기어와 베어링 오일 시스템뿐만 아니라 봉합되거나 고정된 크랭크케이스 시스템에서 낮은 오일소모와 더 긴 오일수명에서 나타난다.
4) 높은 열 산화 안정도
PAO는 대기압 하에 있거나 공기와 접촉하지 않는 봉합된 시스템에서 열에 대한 더 큰 저항을 나타낸다. PAO계 합성윤활유는 적은 양의 산화 방지제를 적적히 배합할 때도 공기 중에서의 우수한 산화 안정성을 갖는다. 이러한 산화에 대한 더 큰 저항성은 낮은 점도 변화와 낮은 퇴적물 형성 경향을 의미하며 온도상승에 서의 더 긴 수명을 낳는다. 다른 열과 관련된 특징은 PAO분자들 내부에서의 낮은 내부 마찰에 기인한 베어링과 기어에서의 냉각 제어 작용(그리고 낮은 동력소비)할 수 있는 능력이다.
5) 가수분해 안정성과 적합성
PAO의 가수분해 안정성과 적합성은 광유와 비교될 수 있으며 유기에스테르나 인산계에스테르보다는 훨씬 더 좋다. PAO의 가수분해 대한 강한 저항성은 물 존재 하에서의 안정도를 보여준다. 이로 인한 소수성은 낮은 수분 친화력과 최소 유화작용을 보인다.
6) 무독성
PAO의 경구 무독성과 피부 및 눈에 대한 무자극성은 PAO의 또 다른 좋은 특징들이다. PAO에 앞서의 수소화 반응은 PAO를 technical white and white mineral oil 규격인 FDA 21CFR 178,3620(B)그리고 172,878, 각각에 적합 가능하도록 한다. 간접적인 식품 첨가제 규정(법규) 21인 CFR 178,3620 에 따르면 PAO-white oil는 냉동식품 공장기기설비, 제빵 오븐 그리고 식품제조 공정장치용 USDA 식품등급 트랜스미션 윤활유로 사용될 수 있다.
3. PAO 합성기유의 주된 윤활유로의 응용
1) 자동차용으로의 응용
현재 PAO 합성기유의 주된 판매량은 자동차 분야에 있다. 이것은 더 높은 엔진 오일성능에 대한(모터) 자동차 제조자 측의 계속된 요구가 있는 유럽에서 특히 집중되고 있다. 유럽에서 널리 쓰이고 있는 소형 가솔린 엔진들은 높은 R.P.M과 전동력 전달의 더 큰 퍼센트로 일반적으로 가동되고 있다. 역시 터보차지는 디젤과 가솔린 승용차 엔진 단위에서 매우 유행되어 왔다
엔진 윤활유통은 더 높은 필연적인 가동 온도를 중화시킬 만한 크기고 일반적으로 증가하지 않기 때문에 특별한 성질들이 윤활유들에서 요구된다. 추운 날씨의 온도에서의 엔진의 시동은 저점도유에 의해 개선된다. SAE 5W와10W 오일 쪽으로의 시장 이동이 계속될 것으로 예측된다. 엔진 윤활유에 대한 성능 요구사항은 계속적으로 변화하고 있다. 이들 자동차용 엔진윤활제에 대해서는 증가하는 엔진 성능과 더불어 연료 경제성(연비) 과 훌륭한 오일소비(오일소모저하)가 요구된다. Volkswagen사는 승용차에 더 좋은 윤활제와 터보차지 디젤 윤활제에 대하여 발전된 규격 가솔린들을 야기시켰다. 이러한 사실들을 PAO를 사용한 부분 혹은 전 합성윤활유에 대한 시장문을 더욱 넓게 열어 주었다. 현재 유럽의 합성윤활유 시장 상황은 다음의 주된 점들에 의해 지배된다.
고온/높은 전단변형 점도 요구
OEM 방식의 API SF-SG채택
우수한 저 휘발성
확장된 교환시기
연료 경제성(연비) 향상 요구
유럽의 OEM 승용차 상황은 Volkswagen과 daimler-benz사이에 의해 영향을 받는다. 이들 두 회사들은 이 사항들은 특히 PAO합성 기유의 사용을 이끌어 내고 있다. 주된 점은 VW사의 연비향상된 SAE 5W/10W급과 D-B사의 교환주기가 연장된 SAE 10W급 유에 대한 noak volatility 요구사항들이다. 상업적인 디젤엔진 제조사들은 역시 높은 열안정성과 확장된 교환주기를 갖는 개선된 경제적인 윤활유를 찾고 있다. 이러한 사실은 합성기유로 배합된 더 넓은 범위의 다급 윤활유를 낳았다. 현재 가솔린 승용차 윤활제에 대해서 요구되는 사항은 디젤 엔진에 대해서 요구되는 사항과 많은 부분 일치하므로 합성기유를 포함하는 범용의 승용차용 윤활유가 주된 윤활유로서 매우 유망하리라 본다.
2) 다급 기어유로의 응용
SAE 75W-90, 75W-140그리고 80W-140과 같은 다급 기어윤활유는 현재 모두 PAO에 근거하여 배합되고 있다. SAE 75W-140 기어유를 기유로서 100% PAO로서 제조하는 것은 가능하다. 이 윤활제들은 매우 춥거나, 더운 그리고 마모 조건들이 주된 문제가 되는 곳에 가장 효과적이다. 이들의 응용에는 수동 변속기, 건설 중장비의 동력 전달시스템, 트럭, 트랙터 그리고 중 트래일러르 견인하는 차량들이 포함된다. 주된 가동상의 이점들은 다음과 같다.
기어 수명연장(마모의 감소)
개선된 연비(연료 경제성)
4계절 윤활유(계절 변화에 따른 윤활유 교환을 하지 않는)
유지 보수의 절감
3) 그리스(grease)의 응용
PAO를 이용하여 제조된 그리스는 고온에서의 부식으로부터의 훌륭한 보호 성능을 나타낸다. 이들 특징들에 덧붙여 그리스의 저온에서의 이점들은 광유계의그리스로 쉽게 달성할 수 없었던 길고 만족스러운 교환 및 보충 수명을 제공한다. 고온에서의 매우 긴 수명, 개선된 마찰 산화 안정성(부식, 저항), 더 낮은 시동력, 더커진 내마모성, 그리고 dropping point 특징들에 있어서의 주목할 만한 우수한 성능이 밝혀졌다.
4)산업유의 응용
PAO의 주된 비자동차용 응용은 유압작동유, 강력한 트랜스미션유, 기어유, 베어링유 그리고 그리스 부분이다.
(1) 내마모성 유압작동유
PAO 계 내마모성 유압작동유는 많은 다양한 방면에서의 응용에서, 특히 고온과 고압 그리고 영도 이하의 조건 아래에서의 현저한 성능을 보인다. PAO합성기유는 대부분의 유압작동 시스템에 사용되는 기어, 밸브 그리고 피스톤 펌프들에 대해서도 추천된다. 전단 변형에 안정한 고점도 등급도 역시 PAO계로 혼합 제조될 수 있다. PAO계 내마모성 유압작동유는 매우 추운 기후 조건에서 사용된다. 가동 시작 시간이 더 짧고, 윤활유 소모가 더 적으며 씰 부분의 누출이 감소하며 파이프 파열이 역시 감소된다. 유압 작동유의 경우와는 정확히 같지는 않지만 PAO에 대한 비슷한 응용은 열매체유, 광섬유용 케이블 충진 절연유, 그리고 절연유로서 현재 개발중에 있다. 여기서 PAO-polybutene계 광케이블 충진용 절연유는 개발되어 대량 사용 중에 있다.
(2) 기어와 베어링 유
PAO 계 기어유와 베어링유는 여러 점도 등급으로 가능하다, 광범위한 온도범위의 기어유와 베어링유는 고온과 저온, 무거운 하중 다른 가혹한 조건들이 극복되어야 할 분야에 대한 적용에서 특히 효과적이다
(3) 콤프레셔유의 응용
PAO 혹은 에스테르와 PAO 합성기유로 제조된 콤프레셔유 곧 광유계 콤프레셔유에 비해 매우 중요한 점들을 보여준다.
(4) 산업용 PAO계 그리스의 응용
PAO-polyurea, bentone, aluminium 착화합물, 리튬계의 여러 가지 형태의 그리스의 많은 응용 분야가 있는데 이것은 우수한 안정도, 긴 수명 그리고 극한 온도, 하중충격, 가혹한 진동 그리고 높은 수분과의 접촉 조건 아래에서 매우 훌륭한 윤활 성능을 나타내기 때문이다.
- (주) 이득 -
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