Synthesis of Lubricant Additives from Polyisobutylene Reclaimed from Inner Tube Waste: Characterization and Application in Automotive Engines
본 연구는 폐기된 폐타이어 고무로부터 폴리이소부틸렌 숙신이미드 윤활제 첨가제를 성공적으로 합성 및 특성화하였음을 입증하며, 2% 농도가 자동차 엔진 오일의 산화 안정성, 분산성 및 점도 지수를 유의미하게 향상시킨다는 것을 보여준다.
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자동차 엔진이 작동할 때마다, 엔진은 움직이는 부품들이 서로 맞물려 갈리는 것을 방지하기 위해 얇은 오일 막에 의존합니다. 이 오일은 단순한 윤활제가 아닙니다. 극심한 열을 견디고, 부식성 산을 중화하며, 미세한 먼지와 그을음 입자들이 기계를 막지 않도록 부유 상태로 유지하도록 정교하게 설계된 혼합물입니다. 이러한 과업을 수행하기 위해 제조업체들은 기초 오일에 특수한 화학 화합물을 첨가합니다. 이 첨가제들은 세정제이자 보호제 역할을 하지만, 대개 새로운 석유 기반 화학 물질로 만들어집니다. 동시에, 세계는 특히 타이어에 사용되는 오래된 내부 튜브에서 발생하는 폐고무의 막대한 축적 문제로 고군분斗하고 있습니다. 이 튜브들은 쉽게 부패하거나 분해되지 않는 내구성이 강한 재료로 만들어져, 종종 매립지에 버려져 수십 년 동안 방치되곤 합니다. 과학자들의 과제는 이 완고한 폐기물을 더 많은 오염을 일으키지 않으면서 어떻게 유용한 것으로 바꿀 것인가였습니다.
이라크 모술 대학교의 연구팀은 폐내부 튜브를 고성능 엔진 첨가제로 변환함으로써 이 문제를 해결했습니다. 그들의 연구는 부틸 고무 튜브의 주성분인 폴리이소부틸렌이라는 특정 유형의 고무에 초점을 맞추고 있습니다. 연구팀은 폐기물을 태우거나 묻는 대신, 흔한 연료 용매인 등유를 사용하여 고무를 폐스크랩에서 녹여내는 방법을 개발했습니다. 혼합물을 가열하고 원치 않는 카본 블랙과 기타 잔해들을 걸러냄으로써, 그들은 순수한 고분자 사슬을 회수할 수 있었습니다. 일단 회수된 이 재료는 화학적으로 변형되었습니다. 먼저, 이 재료를 무수 말레인산(maleic anhydride)과 반응시켜 중간 물질을 만들었습니다. 그 후, 이 중간 물질을 디에틸렌 트리아민(diethylene triamine)이라는 화학 물질과 혼합했습니다. 이 최종 반응은 석유 산업에서 엔진을 깨끗하게 유지하는 능력으로 널리 알려진 화합물인 폴리이소부틸렌 숙시니마이드(polyisobutylene succinimide)를 생성했습니다.
연구원들은 단순히 화학 물질을 만드는 데 그치지 않고, 이것이 상용 첨가제만큼 혹은 그보다 더 잘 작동한다는 것을 증명해야 했습니다. 그들은 새로 합성한 첨가제를 표준 윤활유에 각각 1%, 1.5%, 2%의 세 가지 비율로 혼합했습니다. 이 혼합물을 테스트하기 위해, 그들은 실제 주행 중인 엔진 내부를 모사하는 가혹한 조건에 오일을 노출시켰습니다. 그들은 일반적인 주행 중에 발생하는 산화 및 산 형성을 시뮬레이션하기 위해 금속 스트립이 있는 상태에서 72시간 동안 오일을 가열했습니다. 그런 다음 그들은 오일이 산을 중화하는 능력, 즉 전염기 수(total base number)를 측정했습니다. 결과는 명확한 경향을 보였습니다: 첨가제가 없는 오일은 산과 싸우는 능력을 거의 즉시 상실하여 3일 후 매우 낮은 수준으로 떨어졌습니다. 그러나 2%의 첨가제가 들어간 오일은 훨씬 높은 수준의 보호력을 유지하여, 재활용된 재료가 연소 부산물을 효과적으로 중화한다는 것을 입증했습니다.
산과 싸우는 것 외에도, 연구팀은 첨가제가 오일의 물리적 거동에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 그들은 저온과 고온 모두에서 오일의 두께, 즉 점도를 측정했습니다. 좋은 엔진 오일은 엔진이 차가울 때 부품을 보호할 만큼 충분히 두꺼워야 하지만, 엔진이 뜨거울 때 흐름이 나빠질 정도로 너무 두꺼워져서도 안 됩니다. 테스트 결과, 2%의 새 첨가제가 혼합된 오일은 다른 샘플들보다 넓은 온도 범위에서 두께를 더 잘 유지했습니다. 또한 더 높은 점도 지수를 나타냈는데, 이는 온도가 변함에 따라 흐름이 더 안정적으로 유지됨을 의미합니다. 나아가, 이 첨가제는 고체 오염 물질을 부유시키는 오일의 능력을 향상시켰습니다. 종이 위에 오일 한 방울을 떨어뜨리는 간단한 테스트에서, 2% 첨가제가 들어간 오일은 더 고르게 퍼졌으며, 이는 오일이 찌꺼기(sludge)로 가라앉는 대신 먼지 입자들을 성공적으로 붙잡고 있음을 나타냅니다.
연구는 안전성과 운전 한계도 살펴보았습니다. 연구원들은 오일이 흐름을 멈추는 온도인 유동점(pour point)과 오일 증기가 점화될 수 있는 온도인 인화점(flash point)을 측정했습니다. 재활용 첨가제의 농도가 가장 높았던 혼합물은 유동점이 가장 낮아 추운 날씨에도 유동성을 유지할 수 있었고, 인화점은 가장 높아 높은 작동 온도에서도 더 안전하고 안정적이었습니다. 오일의 밀도 또한 새 화합물의 첨가로 인해 약간 증가했는데, 이는 첨가제가 혼합물에 성공적으로 통합되었음을 확인시켜 줍니다. 연구진은 폴리이소부틸렌을 폐내부 튜브에서 회수하여 윤활 첨가제로 변환하는 것이 실행 가능한 과정이라고 결론지었습니다. 최종 제품은 2%의 농도로 첨가되었을 때, 처리되지 않은 오일보다 산에 더 잘 저항하고, 고온에서 더 안정적이며, 엔진을 더 깨끗하게 유지하는 엔진 오일을 만들어냈습니다. 이 접근 방식은 우리 자동차를 움직이게 하는 유체의 성능을 개선하는 동시에 산업 폐기물을 줄이는 실질적인 경로를 제공합니다.
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