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뉴스/신기술 동향

산요매거진 No.525(PAG계 윤활유기제)

2021-05-18

윤활성과 저기포성이 양립하는 수용성 금속 가공유용PAG계 윤활유기제의 개발

 

 

「금속가공유」는 자동차 공업이나 기계제조공업 등의 금속 부품가공에는 빼놓을 수 없는 제품이다.

가공물의 정밀도 향상이나 공구의 파손 저감, 생산성 향상등을 위해 옛날부터 사용 되어 산업 발전에 큰 역할을 해왔다.

요구성능의 고도화나 환경 대응의 필요성이 두각되며 고성능・고부가가치의 제품이 요구 되고있다.
본고에서는 금속가공이나 금속가공유에 대한 개요와 함께 당사의 기존 제품군과 신규 개발한 윤활성과 저기포성이 양립하는

수용성의 폴리아킬렌글리콜(PAG)계 윤활유기제『ユーティリオール GA-15P』를 소개한다. 

 

금속가공과 금속가공유

1-1 금속가공에 중요한 윤활기능


금속 가공이란, 금속재료를 요구되는 형태로 만드는 기술을 말한다.

금속 가공은 크게 「절삭가공」,「연삭가공」,「소성가공」이 있다. 금속 가공 시에는 금속과 공구 등의 접촉에 의해 강한 마찰이 발생하여 발열이나 손상의 원인이 된다.
이러한 마찰을 줄이는 기능의 하나가 윤활기능(윤활성)이다.
윤활성을 부여하는 것으로 발열을 억제하는 한편, 공구의 손상을 방지하는 것으로 수명 연장이나 제품의 불량률을 줄이는 메리트가 있어

자동차나 기계 등의 부재・부품을 제조하는 금속가공에는 빼 놓을 수 없는 기능이다.
금속가공유에는 이 외에도 냉각성, 침투성, 방청성, 내열화성 , 유화・분산성, 점도지수 향상성 등 요구에 맞춘 다양한 기능이 부여되어 있으며

가공 된 금속의 종류나 금속가곡 방법에 따라 분류되고 있다.

1-2 금속가공유의 종류와 특장


금속가공유는 크게 나눠 광물유 등의 기유를 주성분으로 한 불수용성인 것과 물에 윤활유기제를 배합한 수용성인 것이 있으며,

일반적으로 불수용성인 것은 윤활성에, 수용성인 것은 냉각성이 뛰어나다. 불수용성 가공유의 8할 정도를 점하는「기유」자체의 윤활 성능은

PAG계의 윤활유기제와 비교해 부족해,「극압첨가제」나「마찰저감제」등을 배합하는 것으로 윤활성능을 향상시킨다.

수용성 가공유는 윤활기능을 가진「윤활유기제」와「물」, 분해성 이나 가용화성 등의 기능을 발현 시키기 위해「계면활성제」나 방청제 등의 「첨가제」로 구성되어 있어

이 원액을 금속가공 메이커서 10~50배 정도의 물로 희석하여 사용 되고 있다.
산요화성은 불수용성 및 수용성 금속 가공유용에 다양한 PAG계 윤활유기제나 첨가제를 제공하고 있다.

그 대표적인 예가[표1],[표2]이다. 

 

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1-3 금속가공유의 동향


금속가공에는 옛부터 불수용성 가공유가 사용되어 왔으나 최근에는 환경대응이나 오일미스트 발생 등에 의한 작업환경 개선 외에

고속가공에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각함으로써 가공정밀도 확보, 가공 후 세척공정 효율화 등 다양한 배경에서 비철금속이나 강철 등의

일반절삭을 중심으로 수용성 가공유가 널리 사용되게 되었다.그 중에서도 「솔루션 타입」은 기유를 전혀 포함하지 않는 투명한 가공유이기 때문에

환경 고려에 더해, 가공부를 눈으로 확인하기 쉽다는 점 등에서 시장 요구가 높아지고 있다.  

 

 

금속가공유에 사용할 수 있는 PAG

2-1 PAG와 그 용도


PAG는 저급 알코올 등의 활성수소를 가진 화합물(이하 출발물질)에 산화에틸렌옥사이드나 프로필렌옥사이드 등의 알킬렌옥사이드(AO)를 부가 중합시킨 화합물이다.
PAG는 출발물질의 구조와 부가할 AO의 종류, 부가중합도, 2종 이상의 AO를 부가할 경우에는 그 비율과 부가 방법을 바꿈으로써 용도에 따른 여러 가지 성능을 가진 것을 합성할 수 있다.
PAG는 윤활성이 우수해 윤활유기제로 사용되며 계면활성제로서 유화, 가용화, 침투 등의 기능을 부여할 수 있어 금속가공유 첨가제로도 쓰인다.
그리고 그 특징을 살려 금속 가공 용도 외에도 폭넓은 윤활 용도로 사용되고 있다[표 3].  

 

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2-2 PAG계 윤활유기제


수용성 금속가공유로의 전환이 진행되는 가운데 이 수용성 금속가공유에서 빼놓을 수 없는 것이 윤활제가 되는 윤활유기제로 그 대표적인 예가 'PAG계 윤활유기제'이다.
그 특징은 ①뛰어난 윤활성 ②점도 특성(고점도 지수, 분자량 제어가 용이함) ③물에 대한 용해성 컨트롤(친수 소수 비율 조정) 가능 ④저온 유동성이 우수함 등을 들 수 있다.
한편, 결점으로서는 ①광물유 등의 탄화수소에 대한 용해성이 나쁘다 ②산화안정성이나 열안정성에 뒤떨어진다 ③흡습성
④도료 등이 벗겨지는 원인이 될 가능성(계면활성능, 침투성) 등이 있으며

이러한 점을 감안하여 필요한 대책을 강구하여 사용할 필요가 있다.  

 

 

윤활성과 저기포성이 양립하는 숙용성PAF계 윤활유기제

3-1 신규개발 컨셉


수용성 금속가공유는 화재위험이 낮고 냉각성이 뛰어나 작업환경 개선 및 환경부하 저감 등의 관점에서 수요가 높아지고 있다.

금속가공 기술의 진화에 따라 고속가공 및 고정밀 가공이 가능해져 공구의 수명 연장이 요구되어, 수용성 금속가공유도 보다 높은 윤활성이 요구되고 있다.

또한 가공대상 금속은 철계뿐만 아니라 가공이 어려운 고경도재나 연성이 큰 소재도 포함되어 이러한 난절삭재를 고정밀로 생산성 좋게 가공하기 위해서도 윤활성 향상은 필수적이다.

한편 기존의 PAG계 윤활유기제를 이용한 가공유는 윤활성을 향상시키면 기포가 발생하기 쉬워지는 경향이 있어

고속운동하는 가공부에서의 냉각성, 윤활성 저하 그리고 순환식 탱크에서의 오버플로 등의 결함이 우려된다. 즉, 저기포성도 중요한 구비 항목으로 여겨지고 있다.


그래서 우리는 일반적으로 구 조설계상 트레이드오프 관계에 있는 '윤활성'과 '저기포성'의 양립을 도모할 수 있도록 당사가 보유한 계면 제어 기술과

PAG의 분자설계 및 제조 기술을 구사하여 'ユーティリオール GA-15P '를 개발하였다.

개발품은 물에 녹기 쉽고 높은 흐림점을 보임으로써 물로 희석한 가공유의 투명성이 높아 저성일 뿐만 아니라 뛰어난 윤활성을 발휘한다.

「ユーティリオール GA-15P 」는 솔루션 타입이면서, 향후의 시장 성장이 크게 전망되는 경량인 금속 「알루미늄」의 가공이 가능하며

다양한 금속류나 가공 방법에도 공헌할 수 있을 것으로 기대하고 있다[표 4].

 

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3-2 내소부하중과 파포속도

『ユーティリオール GA-15P』의 특장은「윤활성」과「저기포성」의 양립에 있다.

심플한 가공유의 모델 조성물을 이용해 평가한 각각의 기능 발현 결과를 아래에 기술한다.
금속가공유의 윤활성 평가방법은 다양한 보고예가 있는데, 우리는 진동마찰마모시험기(Optimol Instruments Prueftechnik 사제)를 이용하여

진폭하는 시험강구간의 하중을 서서히 올려갔을 때의 내소부하중을 측정했다.값이 클수록 윤활성이 뛰어난 것을 의미한다.

『ユーティリオール GA-15P 』가 당사 종래품에 비해 윤활성이 뛰어나다는 것, 그리고 농도가 높을수록 윤활성이 향상되는 농도 효과도 인정되었다는 점에서

가공 정밀도 등에 맞추어 배합량을 조정하는 허용폭이 넓은 것을 알 수 있었다[그림 1]. 

또한, 마찰계수에서는 기존 제품과 유의한 차이가 확인되지 않았다.

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한편 금속가공유의 저기포성 평가 방법도 다양한 보고예가 있지만 우리는 바이오믹서의 난류에 의해 발생시킨 초기의 기포성과 그 후의 정치시간(경시)에 따른 소포성을 기존 제품과 비교했다.
초기 거품 높이와 경시에 의한 거품 높이가 낮은 점, 이를 그래프화했을 때 기울기가 큰 점을 저기포성과 파포성의 착안점으로 삼았다.

토탈 성능이 높은 <ユーティリオール GA-15P >는 기존 제품과 같은 정도의 저기포성을 나타내면서 그것들보다 양호한 파포 속도가 확인되었다[그림 2].
상기로부터 'ユーティリオール GA-15P’ 는 윤활성(내소착하중)과 저기포성(저기포성 및 파포성)이 양립할 수 있었음을 나타냈다. 

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3-3 개발품의 새로운 비약


개발품 'ユーティリオールGA-15P'는 절삭이나 연삭과 같은 윤활성과 저기포성을 필요로 하는 금속가공유 용도의 윤활유기제 외에 계면활성제로서의 분산, 가용화 등의 기능도 기대할 수 있으며,

또한 PAG로서의 저슬러리성 등의 특징도 가지고 있어 다양한 분야로의 전개도 상정된다.

미래에 전 세계에서 널리 활약하는 퍼포먼스 케미컬이 되길 바란다.

또한, 우리는 세상의 요구에 응해 보다 좋은 사회의 건설에 일조 할 수 있도록, 새로운 고기능의 퍼포먼스·케미컬의 개발을 진행해 나갈 것이다.