선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구는 마찰, 마모를 방지하는 작용을 하는 대표적인 첨가제인 Zn-DTP를 이용하여 Polyol ester 합성기유의 종류 및 첨가량 변화에 따른 내마모, 내마찰성에 관하여 비교검토 하였다. 윤활유의 내마모성을 시험하기 위하여 4-Ball wear test를 사용하여 ASTM D2266 Method인 40 kg 하중, 1200 rpm 및 75℃에서 마모시험을 하였으며,[19∼20].
- 본 연구에서는 광유계 윤활유의 첨가제인 합성윤활기유를 폴리올류인 트리메틸올프로판 및 펜타에리트리톨에 고급지방산인 펠라곤산의 에스테르화로 얻어 이들 분석결과로 구조적 물성과 물리화학적 특성을 확인하고, 광유계 윤활유의 혼련(Formulation)기술을 토대로 윤활유로서 의 중요성능인 동점도성, 산화안정성, 열안정성, 내마모, 내마찰성 청정분산성 및 합성윤활유의 기본물성을 비교 검토하고자 한다.
제안 방법
- 우선 금속 표면을 깨끗이 그라인딩(grinding)한 알루미늄 판의 온도를 250～350℃로 유지하면서 측정하고자 하는 합성윤활기유를 15초간 스프래쉬(Splash) 시키고 45초간 정지시키는 방법으로 일정시간 동안 실시하였다. 그 후 알루미늄 판에 생성된 퇴적된 (Deposit)무게를 달아 증가여부를 측정하였다. 또한 알루미늄 판 표면의 Varnish 상태를 비교하였다.
- 이는 폴리올에스테르 오일의 점도지수가 150 이상으로 광유계 윤활기유에 비해 월등히 우수하여 다양한 다급점도 합성윤활유를 제조할 수 있다. 그리하여 점도지수 향상제를 첨가했을때 변화성을 살펴보았다. 점도지수 향상제의 종류 및 첨가량 변화에 따른 영향을 살펴보면 Fig.
- 냉각기가 부착된 Dean and Stark 분리관, 기계식 교반기, 및 300℃ 온도계를 부착시킨 500 ml용 3구 둥근바닥플라스크에 용매로 n-헥산과 폴리올류로 1,1,1-트리메틸올프로판과 펜타에리트리톨에 고급지방산인 펠라곤산을 각각 당량 반응시켰다. 이때 촉매로 p-TsOH를 넣고 교반하면서 반응 온도를 150～160℃ 유지하며 에스테르 반응시켰다.
- 동점도는 Köhler사의 K-234 Kinematic viscosity bare와 Cannon-Fensky capillary viscometer를 사용하여 점도지수 향상제 첨가량 변화 및 온도변화에 따른 동점도 변화성을 측정하였다.
- 005 mm까지 정확히 측정하고 세 개의 베어링에 대한 장경과 단경을 모두 측정한 후 평균값을 시험 윤활유의 마모직경(WSD : Wear Scar diameter)으로 비교하였으며 시험한 후 사용 오일은 Ferrography와 AES(Aromic Emission Spectroscopy)를 이용하여 마모입자 분석과 마모된 금속농도를 측정하였다. 또한 마모된 표면이나 채취된 마모입자는 SEM(Scanning Electron Microscope, Jeol JSM-840A)과 EDS(Electron Dispersive X-ray Spectrometry, Link System AN-10000/85S)를 이용하여 성분이나 조성들을 비교 검토하였다. 마찰계수의 측정은 Four ball wear 시험기에서 측정된 마찰력을 산정하여 비교하였으며, 또한 Four ball wear 시험기의 하중을 40 kg부터 매 분당 10 kg씩 증가시키면서 윤활기유의 하중부담능력을 시험하였다.
- 그 후 알루미늄 판에 생성된 퇴적된 (Deposit)무게를 달아 증가여부를 측정하였다. 또한 알루미늄 판 표면의 Varnish 상태를 비교하였다.
- 또한 마모된 표면이나 채취된 마모입자는 SEM(Scanning Electron Microscope, Jeol JSM-840A)과 EDS(Electron Dispersive X-ray Spectrometry, Link System AN-10000/85S)를 이용하여 성분이나 조성들을 비교 검토하였다. 마찰계수의 측정은 Four ball wear 시험기에서 측정된 마찰력을 산정하여 비교하였으며, 또한 Four ball wear 시험기의 하중을 40 kg부터 매 분당 10 kg씩 증가시키면서 윤활기유의 하중부담능력을 시험하였다.
- 시험기와 베어링의 세척은 n헥산으로 매 시험전후에 실시함으로서 전 시험 오일의 잔존물이나 외부오염을 제거하도록 하였다. 마찰시험은 ASTM D2266을 기준으로 표준온도 조건은 75, 120, 150℃로 임의 온도 변화에 회전속도 1200 rpm, 작용하중은 40 kg이고 마찰기간은 60 min으로 온도변화에 따른 마찰특성을 시험 관찰하였다. 마찰시험이 끝난 후 베어링에 나타난 마모의 직경의 크기를 광학현미경으로 ±0.
- 마찰시험이 끝난 후 베어링에 나타난 마모의 직경의 크기를 광학현미경으로 ±0.005 mm까지 정확히 측정하고 세 개의 베어링에 대한 장경과 단경을 모두 측정한 후 평균값을 시험 윤활유의 마모직경(WSD : Wear Scar diameter)으로 비교하였으며 시험한 후 사용 오일은 Ferrography와 AES(Aromic Emission Spectroscopy)를 이용하여 마모입자 분석과 마모된 금속농도를 측정하였다.
- 또한 점도지수 향상제는 polymetacrylate를 사용하였다. 물성평가는 윤활유의 점도 조절, oxidation stability test, hot tube test, panel coker test 그리고 Friction ware test등으로 Lab glassware test 및 Hardware test를 실시하였다.
- 본 연구에서 합성윤활기유는 polyol 에스테르류인 실험실에서 합성한 TETP 및 PETP을 사용하였으며, 청정제, 분산제, 산화방지제, 녹방지제 및 마찰완화제를 택하였다. 즉, overbased calcium sulfonate, neutral calcium sulfonate, overbased calcium phenate, Zn-DTPs, polyisobutenyl succinimide 등을 사용하여 DI package를 사용하였다.
- 본 연구에서의 폴리올에스테르 합성 윤활유산화 안정도 시험결과는 윤활유의 혼련에 있어서 Zn-DTP (Zinc-dialkyl dithio phosphate)의 Phosphorous의 함량이 0.02～0.12 wt% 정도가 되도록 함량비를 조절한 후 알킬기의 구조변화에 따라 윤활유를 혼련하여 표준합성윤활유와 기존의 광유계 윤활유와의 산화안정도를 비교 검토하였다. 폴리올에스테르류를 혼련하여 얻은 표준합성윤활유와 광유계 윤활유의 온도를 40 ℃범위를 유지시키며 시험시간을 매 24시간마다 시험오일을 취하여 동점도 및 TAN의 변화 정도를 관찰한 결과를 Fig.
- 일반적 윤활유의 마찰마모 특성을 살펴보기 위한 마찰 시험은 영국 Cameron plint사 제품인 Four-ball E·P test machine을 사용하였으며 테스트 볼은 SKF사의 제품으로서 1/2 인치 직경을 가진 AISI 52100계열의 표준시험 베어링을 사용하였다. 시험기와 베어링의 세척은 n헥산으로 매 시험전후에 실시함으로서 전 시험 오일의 잔존물이나 외부오염을 제거하도록 하였다. 마찰시험은 ASTM D2266을 기준으로 표준온도 조건은 75, 120, 150℃로 임의 온도 변화에 회전속도 1200 rpm, 작용하중은 40 kg이고 마찰기간은 60 min으로 온도변화에 따른 마찰특성을 시험 관찰하였다.
- 윤활유의 내마모성을 시험하기 위하여 4-Ball wear test를 사용하여 ASTM D2266 Method인 40 kg 하중, 1200 rpm 및 75℃에서 마모시험을 하였으며,[19∼20]. 온도변화에 따른 마모시험 경향을 보기위하여 시험온도를 75 ℃와 임의로 120 ℃, 150 ℃로 온도를 변화시키며 각 윤활유의 종류에 따라 마모, 마찰 성능을 시험하였다. 혼련된 윤활유의 마모시험에 앞서 윤활기유들의 마찰, 마모 성능을 조사하기 위하여 Polyol ester계 합성윤활기유인 TETP와 PETP 그리고 광유계 윤활기유인 150N에 대한 각각의 마모시험결과를 Fig.
- Panel coker test는 앞에서 언급한 hot tube test와 더불어 윤활유의 고온열안정성을 시험하는 방법으로 Mobil Method 894-85의 Panel coker test를 이용하여 고온에서 윤활유의 Coking tendency를 측정하였다. 우선 금속 표면을 깨끗이 그라인딩(grinding)한 알루미늄 판의 온도를 250～350℃로 유지하면서 측정하고자 하는 합성윤활기유를 15초간 스프래쉬(Splash) 시키고 45초간 정지시키는 방법으로 일정시간 동안 실시하였다. 그 후 알루미늄 판에 생성된 퇴적된 (Deposit)무게를 달아 증가여부를 측정하였다.
- 이 때 생성되는 물은 n-헥산과 공비점 혼합물을 형성하므로 Dean & stark 분리관을 이용하여 효과적으로 물을 제거하였다.
- 본 연구에서 합성윤활기유는 polyol 에스테르류인 실험실에서 합성한 TETP 및 PETP을 사용하였으며, 청정제, 분산제, 산화방지제, 녹방지제 및 마찰완화제를 택하였다. 즉, overbased calcium sulfonate, neutral calcium sulfonate, overbased calcium phenate, Zn-DTPs, polyisobutenyl succinimide 등을 사용하여 DI package를 사용하였다. 또한 점도지수 향상제는 polymetacrylate를 사용하였다.
- 첨가제로는 기존에 사용한 청정제, 분산제, 부식방지제, 산화방지제 및 내마모·마찰 방지제 등을 사용하여 Di package를 제조하고 점도지수 향상제를 사용하여 합성윤활유를 혼련하여 Lab glassware test 및 Hardware test로 광유계 윤활유와 비교 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 폴리올에스테르류 합성에 있어 벤젠과의 공비점 혼합물을 Dean and stack 분리관을 통하여 효율적으로 생성된 물을 분리함으로서 trimethylol propane tripelargonate(TETP)와 pentaerythrytol tetrapelargonate(PETP)를 98%이상 높은 수율로 얻었다.
- 합성 윤활기유의 산화 안정 성능을 측정하기 위하여 금속 촉매로써 Cu-Pb 합금 베어링(bearing)을 사용하였으며 합성 윤활기유 200～250 ml가 들어있는 500 ml용 실린더를 항온조에 넣고 합성 윤활기유에 공기를 0.1 L/min의 유속으로 블로잉(blowing) 하면서 산화시간 및 온도를 변화시키면서 40℃의 동점도와 전산값의 변화를 측정하였다.
- 합성결과를 확인하기 위해 FT-IR(Bruker IFS 66, Bruker, Germany), 1 H-NMR (Varian Unity Plus 300, Varian, USA) 을 측정하였다. Trimethylol propane tripelargonate (이하 TETP로 약함); 수득율 96% Pentaerythritol tetra pelargonate (이하 PETP로 약함); 수득율 98%.
- 항공 내연 기관용 일반 윤활유에 있어서 점도 및 점도지수(Viscosity index;Ⅵ)는 가장 기본적이며 윤활유의 물성 중 매우 중요한 것으로 합성 윤활유의 혼련과정에 있어 윤활기유로 사용된 폴리올에스테르오일과 기타 첨가제들이 점도에 미치는 효과에 대하여 비교 검토 하였다. 이는 폴리올에스테르 오일의 점도지수가 150 이상으로 광유계 윤활기유에 비해 월등히 우수하여 다양한 다급점도 합성윤활유를 제조할 수 있다.
대상 데이터
- 내연기관의 엔진오일로 폴리올에스테르인 트리메틸올프로판 트리펠라고네이트와 펜타에리트리톨 테트라펠라고네이트를 합성하여 합성폴리올 에스테르기유를 얻었다. 첨가제로는 기존에 사용한 청정제, 분산제, 부식방지제, 산화방지제 및 내마모·마찰 방지제 등을 사용하여 Di package를 제조하고 점도지수 향상제를 사용하여 합성윤활유를 혼련하여 Lab glassware test 및 Hardware test로 광유계 윤활유와 비교 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 즉, overbased calcium sulfonate, neutral calcium sulfonate, overbased calcium phenate, Zn-DTPs, polyisobutenyl succinimide 등을 사용하여 DI package를 사용하였다. 또한 점도지수 향상제는 polymetacrylate를 사용하였다. 물성평가는 윤활유의 점도 조절, oxidation stability test, hot tube test, panel coker test 그리고 Friction ware test등으로 Lab glassware test 및 Hardware test를 실시하였다.
- 일반적 윤활유의 마찰마모 특성을 살펴보기 위한 마찰 시험은 영국 Cameron plint사 제품인 Four-ball E·P test machine을 사용하였으며 테스트 볼은 SKF사의 제품으로서 1/2 인치 직경을 가진 AISI 52100계열의 표준시험 베어링을 사용하였다.
이론/모형
- 윤활유의 내마모성을 시험하기 위하여 4-Ball wear test를 사용하여 ASTM D2266 Method인 40 kg 하중, 1200 rpm 및 75℃에서 마모시험을 하였으며,[19∼20].
성능/효과
- 1. 윤활유의 기본물성인 점도조절에서 기유로 사용되어진 폴리올에스테르계 합성윤활기유가 135 이상으로 우수하고 저온유동성(Pour point ; -55 ℃)이 우수하여 고품질의 윤활유를 제조할 수 있고, 점도지수 향상제의 점도특성은 PMA가 OCP보다 우수하나, 전단 안정성은 OCP가 우수하므로 특성에 따라 적절히 혼련하는 것이 바람직하다.
- 2. 산화안정제 및 내마모·마찰 첨가제로 사용한 Zn-DTP는 기존 광유계 윤활유와 본 연구에서 혼련된 폴리올에스테르계 합성윤활유에 첨가량 증가에 따라 내마모·마찰성능이 향상되는 결과를 나타내는 반면, 일정온도 동일 첨가량인 경우 폴리올에스테르 합성윤활유의 내마모·마찰성이 우수하였다.
- 2에 나타내었다. Fig. 1과 2에서 보는 바와 같이 TETP는 1750 cm-1 에서, 그리고 PETP는 1755 cm-1에서 카르보닐기의 특성 피크가 강하게 나타났으며, 1160 cm-1 부근에서 C-O 피크가 나타나 에스테르화가 잘 이루어졌음을 알 수 있다. 그리고 이들 각각에 대한 구조를 확인하기 위하여 1 H-NMR 스펙트럼은 Fig.
- Fig. 3, 에서 보는 바와 같이 폴리올에스테르계 합성윤활유의 산화안정도가 기존의 광유계 윤활유와 비교시 72시간 후의 동점도의 변화가 폴리올에스테르계 합성윤활유는 15～20%인데 반해 광유계윤활유는 88 %가 증가했음을 볼 수 있으며 TAN의 증감정도 또한 합성윤활유는 50～75 % 증가한 반면 광유계 윤활유는 77.5 %로 증가했음을 볼 수 있다.
- 에 나타내었다. Fig. 5.에서 보는 바와 같이 혼련된 합성윤활유의 생성된 Deposit의 양은 70 mg, 50 mg 및 40 mg으로, 표준합성윤활유 Deposit의 양은 70 mg 및 40 mg 결과를 나타내었고 혼련된 합성윤활유의 고온 안정성능이 우수함을 알 수 있으며, 광유계 윤활유는 380 mg로 Polyol ester계 합성 윤활유가 보다 우수한 고온 열안정성을 나타냄을 알 수 있다.
- 8 에 나타내었다. 광유계 윤활기유는 Zn-DTP의 첨가량이 증가함에 따라 내마모성이 서서히 향상되어 첨가량이 0.3 wt%인 경우 마모직경이 0.400 mm로 최소의 마모직경을 나타내었고, 합성 윤활기유는 Zn-DTP가 첨가되지 않았을 경우 마모직경이 0.495 mm이나 Zn-DTP가 0.1 wt% 첨가 되면서 0.310 mm로 내마모성이 현저히 향상되고, 0.2, 0.3, 0.4 wt%로 증가됨에 따라서는 특별한 변화를 보이지 않다가, 0.6 wt%로 증가하면서 마모직경이 0.369 mm로 약간 증가하였다. 이 결과를 통하여 합성윤활유의 혼련과정에 있어서 내마모첨가제로 사용한 Zn-DTP의 첨가량이 광유계 윤활유에 비해 아주 소량을 첨가하고도 우수한 마모성을 가지나, 윤활유의 혼련에 있어서 내마모성 이외에도 산화안정성 및 고온 열 안정성 등을 고려하여 Zn-DTP첨가량이 적절히 배합되어야 함을 알 수 있다.
- 78 mm로 큰 차가 있음을 알 수 있다. 따라서 광유윤활기유에 사용된 오일은 고온에서 내마모성은 낮은 반면 윤활기유 자체마모성은 합성윤활기유가 우수한 것으로 나타났다. 다음은 이들 윤활기유들의 온도변화에 따른 마찰계수의 변화성은 Fig.
- 또한 3.30～4.28 ppm범위의 피크는 에스테르에 결합된 폴리올 골격탄소와 결합된 수소에 대한 피크로 목적한 폴리올에스테르 화합물이 얻어졌음을 확인하였다.
- 60 mm로 이는 내마모성이 우수하였다. 또한 시험온도를 120℃로 올렸을 때의 마모량의 변화는 합성윤활기유 오일은 각각 0.53 mm, 0.63 mm, 150℃에서 0.56 mm, 0.66 mm로 거의 변화가 없었으나 광유기유는 120℃에서는 1.72 mm 이고 150 ℃에서는 1.78 mm로 큰 차가 있음을 알 수 있다. 따라서 광유윤활기유에 사용된 오일은 고온에서 내마모성은 낮은 반면 윤활기유 자체마모성은 합성윤활기유가 우수한 것으로 나타났다.
- 369 mm로 약간 증가하였다. 이 결과를 통하여 합성윤활유의 혼련과정에 있어서 내마모첨가제로 사용한 Zn-DTP의 첨가량이 광유계 윤활유에 비해 아주 소량을 첨가하고도 우수한 마모성을 가지나, 윤활유의 혼련에 있어서 내마모성 이외에도 산화안정성 및 고온 열 안정성 등을 고려하여 Zn-DTP첨가량이 적절히 배합되어야 함을 알 수 있다. 다음은 75 ℃에서 혼련된 윤활유의 마찰계수 변화성 시험결과를 Fig.
- 그리하여 점도지수 향상제를 첨가했을때 변화성을 살펴보았다. 점도지수 향상제의 종류 및 첨가량 변화에 따른 영향을 살펴보면 Fig.3에서 보는 바와 같이 OCP-1(Olefin copolymer), OCP-2(Dispersive olefin copolymer) 및 PMA(Polymetacrylate) 등 모두가 첨가량이 증가할수록 점도와 점도지수가 보다 증가하는 경향을 나타내었고, 또한 Fig. 3에서 보는바와 같이 PMA가 OCP에 비해서 온도 변화에 따라 동점도의 변화폭이 적음을 알 수 있다. 이는 PMA의 점도지수가 170～180으로 OCP-1이 150～160, OCP-2가 155～165인데 비해서 점도지수가 매우 높아 엔진 내부에 있어서의 온도조건에서 적절한 점도를 유지하여 원활한 윤활 작용을 할 수 있으므로 높은 점도지수의 윤활유 혼련시에 유리한 것으로 판단되나 점도지수 향상제로서 갖추어야 할 중요한 성질 중의 하나는 전단안정성(Shear stability)은 OCP가 PMA에 비해 우수한 것으로 알려져 윤활유 용도 및 등급에 따라 적절히 조절하여 병행, 사용하는 것이 효과적이다.
후속연구
- 3. 폴리올에스테르계 합성윤활유가 광유계 윤활유에 비해 산화안정성, 고온 열안정성 및 내마모·마찰성능이 우수하여 윤활유의 교환주기 및 연비향상에 큰 효과를 나타낼 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.