KR100444649B1 - 4급화된이미다졸의비철금속부식억제제로서의용도,상기부식억제제를함유한농축부동액및냉각제조성물 - Google Patents
4급화된이미다졸의비철금속부식억제제로서의용도,상기부식억제제를함유한농축부동액및냉각제조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 비칠 금속의 부식 방지용, 특히 자동차 라디에이터 보호용 부식 억제제로서 유용한 하기 화학식 1의 4급화된 이미다졸에 관한 것이다.
화학식 1
상기 식 중,
R1및 R3는 각각 독립적으로 산소 작용기로 치환되거나 또는 비인접 산소원자에 의해 차단될 수 있는 C1∼C12의 포화 또는 불포화 탄화수소기이고,
R2, R4및 R5는 각각 독립적으로 수소이거나, 또는 산소 작용기로 치환되거나 또는 비인접 산소 원자에 의해 차단될 수 있는 C1∼C12의 포화 또는 불포화 탄화수소기이고, 이 중 R4및 R5는 상응하는 이미다졸 탄소 원자와 함께 5원 또는 6원의 고리를 형성할 수 있으며,
X-는 음이온이다.
Description
자동차 등의 내연 기관의 냉각 순환용 부동액은 통상 알킬렌 글리콜, 특히 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜을 주성분으로 함유한다. 이들 부동액을 냉각시스템에 사용할 경우에는, 물로 희석하고, 결빙(frosting)을 방지하는 동시에 양호한 열 배출 작용을 제공하기 위해 사용된다. 그러나, 알킬렌 글리콜과 물의 혼합물은 내연 기관의 작동 온도에서 부식성이 상당히 높기 때문에, 냉각 시스템 중에 존재하는 각종 금속 및 이들의 합금이 다양한 유형으로 부식(예, 함몰, 균열성 부식, 침식 또는 공동 형성)되지 않도록 충분한 예방 조치를 해줘야 한다. 종래 기술에서는 이미 그러한 냉각 시스템 중에 다수 종의 개별 화학 물질을 부식 억제제로서 사용하여 왔다.
전열면에 가해지는 온도, 압력, 유속 및 적당한 재료의 선택 등과 관련된 근래의 내연 기관 작동 조건에는, 냉각제의 부식 억제능이 종래보다 훨씬 더 많이 요구되고 있다. 또한, 공지된 재료[예, 구리, 황동, 연성 땜납, 강철 및 회색 주철(鑄鐵)] 이외에 알루미늄 합금의 사용이 점점 늘고 있다. 따라서, 종래 공지된 활성 물질들의 특이적 조합물을 기재한 특허 문헌이 점점 증가하고 있으며, 이들 활성 물질들은 각각 자체의 특이적 작용 범위를 갖는 것으로 청구되어 있다.
예를 들어, 유럽 특허 제B229 440(1)호에는, 알루미늄 합금이 함몰(pitting)되는 것을 방지하기 위한 알콜계 빙점 강하액 중의 효과적인 억제제로서, C3∼C16의지방족 1가 산의 염, C5∼C16의 2가 탄화수소산의 염과 탄화수소-트리아졸염의 조합물이 기재되어 있다. 다른 통상의 억제제(예, 알칼리 금속 붕산염, 알칼리 금속 규산염, 알칼리 금속 벤조산염, 알칼리 금속 질산염, 알칼리 금속 아질산염 또는 알칼리 금속 몰리브덴산염, 및/또는 히드로카르바졸)를 사용할 수도 있다.
유럽 특허 제A 564 721(2)호에는, 알콜계 빙점 강하액 중의 효과적인 억제제로서 C5∼C16의 지방족 1가 산의 염, 탄화수소-트리아졸과 이미다졸의 조합물을 함유하는, 특히 자동차 라디에이터 보호용 부동액 조성물이 개시되어 있다. 상기 이미다졸로는 비치환 이미다졸, 알킬 치환 이미다졸 및 아릴 치환 이미다졸이 있다.
그러나, 이러한 공지된 억제제 조합물은 고온에서 비철 금속에 흠집을 낸다는 단점이 있다. 예를 들어, 이러한 용도로 주로 사용되는 탄화수소-트리아졸(예, 벤조트리아졸 및 톨루오트리아졸)은 약 130℃ 이상에서는 그 효력을 상실한다.
따라서, 본 발명의 목적은 통상의 억제제계에 의해 비철 금속에 제공되는 고온 보호 효과를 상승시키면서 기타 금속, 특히 알루미늄 합금에 대한 보호 기능은 저하시키지 않는 물질을 찾아내는 것이다.
본 발명자들은, 통상의 억제제계 중의 탄화수소-트리아졸(예, 벤조트리아졸 또는 톨루오트리아졸) 대신 4급화된 이미다졸을 사용하므로써 고온 하에서의 비철금속(특히, 구리, 황동 및 청동)의 보호도를 상당히 향상시키면 상기 목적이 달성될 수 있음을 발견하였다.
본 발명은, 비철 금속의 부식을 방지하기 위한 부식 억제제로서 특정의 4급화된 이미다졸의 용도에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 4급화된 이미다졸을 함유한 농축 부동액(不凍液)과 즉시 사용 가능한(ready-to-use) 수성 냉각제 조성물, 및 이들 수용액을 상기 4급화된 이미다졸로 처리하여 비철 금속의 부식을 감소시키는 방법에 관한 것이기도 하다,
본 발명자들은, 하기 화학식 1의 4급화된 이미다졸이 통상 비철 금속(특히, 구리, 황등 및 청동)의 부식 억제와 관련하여 부식 억제제로서 적합하다는 것을 발견하였다.
상기 식 중,
R1및 R3은 각각 산소 작용기로 치환되거나 또는 비인접 산소 원자에 의해 차단될 수 있는 C1∼C12의 포화 또는 불포화 탄화수소기이고,
R2, R4및 R5는 각각 수소이거나, 또는 산소 작용기로 치환되거나 또는 비인접 산소 원자에 의해 차단될 수 있는 C1∼C12의 포화 또는 불포화 탄화수소기이고, 이 중 R4및 R5는 상응하는 이미다졸 탄소 원자와 함께 5원 또는 6원의 고리를 형성할 수 있으며,
X-는 음이온이다.
R1내지 R5에 특히 적합한 산소 작용기는 히드록실, 카르보닐, 카르복실 및 C1∼C4의 알콕시카르보닐이다. R1내지 R5는, 그 크기에 따라 전술된 상기 작용기를 각각 1 내지 6개, 특히 1 내지 3개 포함할 수 있다. 또한, 라디칼 1개 당 에테르 산소 원자를 1 내지 6 개, 특히 1 내지 3개 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 화학식 1의 4급화된 이미다졸은,
R1이 C1∼C4알킬, C2∼C4알케닐, C2∼C4히드록시알킬, 페닐 C1∼C4알킬, 페닐 또는 톨릴이고, R2가 수소 또는 C1∼C4알킬이고, R3은 C1∼C4알킬 또는 벤질이고, R4및 R5는 수소 또는 C1∼C4알킬이거나, 또는 함께 벤조 융합 고리를 형성하며, X-는 단일 C1∼C4알킬 황산염 음이온, 화학량론적 양의 절반양의 황산염 또는 인산수소(HPO4 2-), 인산 이수소(H2PO4 -), 화학량론적 양의 1/3배량의 인산염(PO4 3-),또는 질산염, 염화물 또는 브롬화물인 것이 바람직하다.
특히 바람직한 화학식 1의 4급화된 이미다졸은, 벤질 클로라이드, 벤질 브로마이드, 메틸 클로라이드, 메틸 브로마이드, 에틸 클로라이드, 에틸 브로마이드, 디에틸 황산염, 특히 디메틸 황산염에 의해 각각 4급화된, 1-메틸이미다졸, 1-에틸이미다졸, 1-(β-히드록시에틸)이미다졸, 1,2-디메틸이미다졸, 1-페닐이미다졸, 벤즈이미다졸, 및 특히 N-비닐이미다졸이다.
상기 언급된 음이온은, 이것이 4급화제에 의해 형성된 것이 아닌 경우에는, 4급화계에 통상의 음이온 교환법을 사용하여 형성시킬 수도 있다. 디알킬 황산염으로 4급화시킨 경우에는, 1개 또는 2개의 알킬기가 전이되어 음이온 R3OSO3 -또는 SO4 2-(화학량론적 양의 절반)이 형성될 수 있다.
본 발명에서는 디메틸 황산염에 의해 4급화된 N-비닐이미다졸이 특히 적합하다.
또한, 본 발명은 알킬렌 글리콜 또는 이것의 유도체를 주성분으로 함유하고, 상기 언급된 화학식 1의 4급화된 이미다졸 1종 이상이 농축액 총량을 기준으로 0.0005 중량% 내지 2 중량%, 바람직하게는 0.01 중량% 내지 1 중량%, 특히 0.05 중량% 내지 0.5 중량% 더 함유된 농축 부동액에 관한 것이다.
상기 부동액 조성물 중에 통상 존재하는 성분으로서 바람직하지 않은 온도 안정성을 가진 탄화수소-트리아졸(예, 벤조트리아졸 또는 톨루오트리아졸)은 상기화학식 1의 4급화된 이미다졸로써 상당 부분 또는 완전히 치환될 수 있다. 그러나, 특정 환경 하에서는 소량의 탄화수소-트리아졸과 화학식 1의 4급화된 이미다졸간의 상승 효과로 인해 탄화수소-트리아졸이 비철 금속의 보호 작용에 유리하게 작용할 수 있으므로, 본 발명의 바람직한 실시 형태는, 탄화수소-트리아졸 및/또는 탄화수소-티아졸 1 종 이상을 최대 0.3 중량%(농축액의 총량 기준), 구체적으로 0.001 중량% 내지 0.1 중량%, 특히 0.005 중량% 내지 0.05 중량% 더 함유하는 신규한 농축 부동액에 관한 것이다.
일부 경우에는 화학식 1의 4급화된 이미다졸과 상기 (2)에 기재된 비4급화 된 이미다졸 간의 상승 효과도 나타날 수 있기 때문에, 본 발명의 또다른 바람직한 실시 형태는, 비4급화된 알킬 치환 이미다졸 또는 비4급화된 아릴 치환 이미다졸[예, 1-(C1∼C4알킬)이미다졸 또는 1-페닐이미다졸] 중 1 종 이상 및/또는 비4급화된 이미다졸을 0.001 중량% 내지 5 중량%(농축액의 총량 기준), 구체적으로 0.01 중량% 내지 2 중량%, 특히 0.05 중량% 내지 1 중량% 더 함유하는 신규한 농축 부동액에 관한 것이다.
또한, 상기 신규한 농축 부동액은 부동액용의 다른 모든 통상의 억제제 성분, 구체적인 예를 들면
알칼리 금속 붕산염[예, 사붕산나트륨(보락스)] 및/또는 알칼리 금속 인산염 (예, 인산수소나트륨 또는 인산삼나트륨) 최대 5 중량%(농축액의 총량 기준), 특히 0.05 중량% 내지 3 중량%,
C4∼C16, 특히 C8∼C12의 지방족 또는 방향족 디카르복실산 중 1 종 이상의 알칼리 금속염, 암모늄 염 또는 아민염(예, 수베린산, 아젤란산, 세바크산, 운데칸디온산, 도데칸디온산, 디시클로펜타디엔디카르복실산, 프탈산 또는 테레프탈산의 이나트륨염 또는 이칼륨염) 최대 5 중량%(농축액의 총량 기준), 특히 0.05 중량% 내지 4 중량%,
C3∼C16, 특히 C5∼C12의 지방족 또는 방향족 모노카르복실산 1 종 이상 (방향족 모노카르복실산의 최소 탄소원자 수는 7개임)의 알칼리 금속염, 암모늄 염 또는 아민염(예, 펜탄산, 헥산산, 옥탄산, 2-에틸헥산산, 노난산, 데칸산, 운데칸산, 도데칸산, 벤조산 또는 메틸벤조산의 나트륨염 또는 칼륨염) 최대 5 중량%(농축액의 총량 기준), 특히 0.05 중량% 내지 4 중량%,
알칼리 금속 규산염, 몰리브덴산염, 아질산염, 질산염, 및 질산 마그네슘[예, 메타규산나트륨, 아질산나트륨, 질산나트륨 및 몰리브덴산나트륨]으로 구성된 군 중에서 선택된 1 종 이상의 부식 억제제 최대 1 중량%(농축액의 총량 기준), 특히 0.05 중량% 내지 0.8 중량%
를 함유할 수도 있다.
알칼리 금속 규산염을 사용할 경우에는, 통상의 유기 실리코포스포네이트 또는 유기 실리코설포네이트를 통상적인 양으로 사용하여 상기 규산염을 안정화시키는 것이 유리하다.
상기 언급된 억제제 성분 이외에도 히드로카르바졸을 통상의 양으로 사용할수도 있다.
부식 억제제 성분의 총량은, 농축액의 총량을 기준으로 하여 최대 15 중량%, 특히 최대 10 중량%일 수 있으며, 이들 억제제 성분 각각의 농도는 최대 5 중량% 일 수 있다.
신규한 농축 부동액은, 폴리아크릴산, 폴리말레산, 아크릴산-말레산 공중합체, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐이미다졸, 비닐피롤리돈-비닐이미다졸 공중합체 및/또는 불포화 카르복실산과 올레핀의 공중합체를 주성분으로 하는 경수 안정화제를 최대 1 중량%(농축액의 총량 기준), 특히 0.01 중량% 내지 0.5 중량% 더 함유할 수도 있다.
신규한 농축 부동액의 pH는 통상 6 내지 11, 바람직하게는 7 내지 9, 특히 7.1 내지 7.3이며, 통상 알칼리 금속 수산화물, 암모니아 또는 아민을 첨가하여 pH를 원하는 수준으로 맞춘다. 이러한 용도에는 고형 수산화나트륨과 고형 수산화 칼륨, 및 이들의 수용액을 사용하는 것이 특히 적합하다. 사용되는 지방족 또는 방향족 모노카르복실산 및/또는 디카르복실산은 상응하는 알칼리 금속염 형태로 직접 첨가하여 pH를 원하는 범위로 자동 조절하는 것이 유리하긴 하나, 이들 카르복실산을 유리 산 형태로 첨가한 후, 알칼리 금속 수산화물, 암모니아 또는 아민으로 중화시켜 원하는 pH 범위를 설정할 수도 있다.
대개 신규한 농축 부동액의 주성분을 이루는 적당한 알콜계 빙점 강하액(통상 80 중량% 이상, 특히 90 중량% 이상)은 알킬렌 글리콜 또는 이것의 유도체이고, 이중에서도 특히 프로필렌 글리콜이 적당하며, 에틸렌 글리콜이 더욱 적당하다. 그러나, 고급 글리콜 및 글리콜 에테르, 예를 들어 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜 및 글리콜의 모노에테르[예, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에티렌 글리콜 및 디프로필렌 글리콜의 메틸, 에틸, 프로필 및 부틸 에테르]도 역시 적당하다. 상기 글리콜과 글리콜 에테르의 혼합물도 역시 사용할 수 있다.
본 발명은, 전술한 신규 농축 부동액 10 중량% 내지 90 중량%, 바람직하게는 20 중량% 내지 60 중량%와 물을 함유하며 빙점이 강하된, 특히 자동차 라디에이터 보호용으로서 즉시 사용 가능한 수성 냉각제 조성물 제품에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 알킬렌 글리콜 또는 이들의 유도체를 주성분으로 하는 수용성 빙점 강하제를 함유한 수용액을 화학식 1의 4급화된 이미다졸 1 종 이상의 유효량과 혼합하여 상기 수용액을 처리하므로써. 상기 수용액과 접하는 비철 금속의 부식을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 상기 화학식 1의 4급화된 이미다졸의 부식 억제량은 대개 빙점 강하제, 배합된 모든 부식 억제제와 기타 첨가제의 합계량을 기준으로 하여 0.0005 중량% 내지 2 중량%, 바람직하게는 0.01 중량% 내지 1 중량%, 특히 0.05 중량% 내지 0.5 중량%이다.
이하에서는, 본 발명과 관련된 실시예 A, B, D 및 G와 비교예 C, E, F 및 X를 통해 본 발명을 설명하고자 한다. 표 1a 및 표 1b는, 본 발명을 예시하는 데 사용되는 에틸렌 글리콜 중의 억제제 혼합물 조성물을 제시한 것이다. 이들 농축 부동액은 물로 희석한 상태로 표준 부식 시험에 사용하였다.
ASTM D 1384부식 시험에서 산출된 결과(표 2)는 무엇보다도 이미다졸의 4급화된 구조가 신규한 비철 금속 보호제의 작용 원리라는 것을 말해준다. 실시예 C 및 D는 1-메틸이미다졸과 디메틸 황산염(DMS)에 의해 4급화된 1-메틸이미다졸을 직접 비교하여 설명한 것이며, 이들은 구리 및 황동의 손실량에 상당한 차이가 있었다.
또한, 실시예 B 및 G는 4급화된 구조의 보호 효과가, 비교예 X에 제시된 벤조트리아졸(탄화수소-트리아졸이 통상 사용됨)에 의한 효과와 동일하거나 우수하다는 것을 명백히 말해준다. 또한, 4급화된 이미다졸은 다른 금속(이 경우, 연성 땜납, 강철, 회색 주철 및 주조 알루미늄)에 대한 보호 효과 면에서도 벤조트리아졸과 동등하거나 또는 이보다 우수하다.
통용되는 탄화수소-트리아졸과 비교했을 때, 본 발명에 따라 사용된 화학식 1의 4급화된 이미다졸의 비철 금속에 대한 우수한 보호 효과는 고온 하에서 시험한 경우에 더욱 뚜렷하게 나타났다(표 3). 이 시험은 MTU(독일 엔진 및 터빈 유니온) 고온 챔버 부식 시험으로서, 대개 알루미늄 합금 표본을 사용하여 실시한다. 실시예 A 및 B는 비교예 X에 비해 우수한 보호 효과를 갖는 것으로 입증되었으며, 또한 화학식 1의 4급화된 이미다졸과 소량의 탄화수소-트리아졸 간의 상승 효과도 나타나는 것으로 입증되었는데, 이 결과는 ASTM D 1384부식 시험에서는 그다지 현저하게 나타나지 않았다. 또한, 실시예 A 및 B를 실시예 C 및 E와 비교한 결과 4급화에 따른 효과도 밝혀졌다.
실시예에 명시된 변수 및 조건은 본 발명을 설명하기 위해 제시한 것으로서, 이들에 본 발명을 국한시키고자 하는 것은 아니다.
Claims (15)
- 하기 화학식 1의 4급화된 이미다졸을 포함하는 비철 금속의 부식 억제제:화학식 1상기 식 중,R1및 R3는 각각 산소 작용기로 치환되거나 또는 비인접 산소 원자에 의해 차단될 수 있는 C1∼C12의 포화 또는 불포화 탄화수소기이고,R2, R4및 R5는 각각 수소이거나, 또는 산소 작용기로 치환되거나 또는 비인접 산소 원자에 의해 차단될 수 있는 C1∼C12의 포화 또는 불포화 탄화수소기이고, 이 중 R4및 R5는 상응하는 이미다졸 탄소 원자와 함께 5원 또는 6원의 고리를 형성할 수 있으며,X-는 음이온이다.
- 제1항에 있어서, R1이 C1∼C4알킬, C2∼C4알케닐, C2∼C4히드록시알킬, 페닐 C1∼C4알킬, 페닐 또는 톨릴이고; R2가 수소 또는 C1∼C4알킬이고; R3은 C1∼C4알킬 또는 벤질이고; R4및 R5는 수소 또는 C1∼C4알킬이거나, 또는 함께 벤조융합 고리를 형성하며; X-는 단일 C1∼C4알킬 황산염 음이온, 화학량론적 양의 절반양의 황산염 또는 인산 수소, 인산 이수소, 화학량론적 양의 1/3배량의 인산염, 또는 질산염, 염화물 또는 브롬화물인 것인 부식 억제제.
- 제1항에 있어서, 디메틸 황산염에 의해 4급화된 N-비닐이미다졸을 포함하는 것인 부식 억제제.
- 알킬렌 글리콜 또는 이것의 유도체를 주성분으로 함유하는 농축 부동액으로서, 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항의 화학식 1의 4급화된 이미다졸 1 종 이상을 상기 농축액의 총량을 기준으로 0.0005 중량% 내지 2 중량% 함유하는 것인 농축 부동액.
- 제4항에 있어서, 1종 이상의 탄화수소-트리아졸, 탄화수소-티아졸 또는 이들의 혼합물을 0.3 중량% 이하(농축액의 총량 기준) 더 함유하는 것인 농축 부동액.
- 제4항에 있어서, 비4급화된 이미다졸, 1 종 이상의 비4급화된 알킬 치환 이미다를 또는 비4급화된 아릴 치환 이미다졸 또는 이들의 혼합물을 0.001 중량% 내지 5 중량%(농축액의 총량 기준) 더 함유하는 것인 농축 부동액.
- 제4항에 있어서, 알칼리 금속 붕산염, 알칼리 금속 인산염 또는 이들의 혼합물을 5 중량% 이하(농축액의 총량 기준) 더 함유하는 것인 농축 부동액,
- 제4항에 있어서, 1종 이상의 C4∼C16의 지방족 또는 방향족 디카르복실산의 알칼리 금속염, 암모늄염 또는 아민염을 5 중량% 이하(농축액의 총량 기준) 더 함유하는 것인 농축 부동액.
- 제4항에 있어서, 1종 이상의 C3∼C16의 지방족 또는 방향족 모노카르복실산의 알칼리 금속염, 암모늄염 또는 아민염을 5 중량% 이하(농축액의 총량 기준) 더 함유하는 것인 농축 부동액.
- 제4항에 있어서, 알칼리 금속 규산염, 몰리브덴산염, 아질산염, 질산염 및 질산 마그네슘으로 구성된 군 중에서 선택된 1 종 이상의 추가의 부식 억제제를 각각 1 중량% 이하(농축액의 총량 기준) 함유하는 것인 농축 부동액.
- 제4항에 있어서, 폴리아크릴산, 폴리말레산, 아크릴산-말레산 공중합체, 폴리비닐피를리돈, 폴리비닐이미다졸, 비닐피롤리돈-비닐이미다졸 공중합체, 불포화 카르복실산과 을레핀의 공중합체 또는 이들의 혼합물을 주성분으로 함유하는 경수 안정화제를 1 중량% 이하(농축액의 총량 기준) 더 함유하는 것인 농축 부동액.
- 제4항에 있어서, pH가 6 내지 11인 것인 농축 부동액.
- 제4항에 있어서, 에틸렌 글리콜을 주성분으로 함유하는 것인 농축 부동액.
- 제4항에 기재된 농축 부동액 10 중량% 내지 90 중량%와 물을 함유하는, 즉시 사용 가능한(ready-to-use) 빙점 강하된 수성 냉각제 조성물.
- 알킬렌 글리콜 또는 이것의 유도체를 주성분으로 함유하는 수용성 빙점 강하제를 포함하는 수성액에 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 기재된 1 종 이상의 화학식 1의 4급화된 이미다졸을 유효량 혼합함으로써 상기 수성액을 처리하여 상기 수성액과 접하는 비철 금속의 부식을 감소시키는 방법.
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