올레산 및 중간 쇄 길이 트리글리세리드 기재의 저점도 고인화점 유전 유체

올레산 및 중간 쇄 길이 트리글리세리드 기재의 저점도 고인화점 유전 유체 {OLEIC AND MEDIUM CHAIN LENGTH TRIGLYCERIDE BASED, LOW VISCOSITY, HIGH FLASH POINT DIELECTRIC FLUIDS}

1. 발명의 분야

본 발명은 유전 유체에 관한 것이다. 한 측면에서 본 발명은 C8 및/또는 C10 지방산의 트리글리세리드를 포함하는 유전 유체에 관한 것이며, 또 다른 측면에서 본 발명은 C18:1 지방산 및 다중불포화 지방산과 조합된 C8 및 C10 지방산의 트리글리세리드를 포함하는 유전 유체에 관한 것이다.

2. 관련 기술의 설명

식물성 오일 (VO)계 유전 유체, 예를 들어 변압기액은 발전 산업에서 그의 환경 친화성 및 고인화점 때문에 미네랄 오일 (MO)계 유전 유체를 대체하여 변압기 작동의 안전성을 개선하기 위해 점증적으로 사용되어 왔다. 그러나, VO계 유전 유체는 MO계 유전 유체보다 현저하게 보다 높은 점도를 가지며, 이는 VO계 유전 유체를 사용하는 열 전달 작업을 보다 열악하게 한다. 따라서, 저융점과 조합된 고인화점 및 트리글리세리드 중 다중불포화 지방산의 낮은 양의 이익을 보유하면서, 변압기에서의 열 전달 효율을 개선하기 위한 감소된 점도의 VO계 유전 유체가 시장에서 요구되고 있다. 하기 표 1에는 천연 공급원으로부터 입수가능한 다양한 오일의 미충족 특성의 비교가 제공되어 있다. 특히, 옥수수 오일, 목화씨 오일, 아마인 오일, 카놀라 오일, 홍화 오일, 해바라기 오일 및 대두 오일은 트리글리세리드 중 높은 함량의 다중불포화 지방 > 15%를 가지며, 피마자, 크람베, 레스퀘렐라 및 올리브는 보다 높은 점도 > 33cP를 갖고, 코코넛 오일 및 팜 오일은 높은 융점을 갖는다.

<표 1>

천연 공급원으로부터 입수가능한 다양한 오일의 특성의 비교

이러한 문제 및 그와 연관된 단점을 다루기 위한 통상의 접근법의 일부는 하기를 포함한다:

1. VO계 유전 유체를 보다 저점도의 유체, 예컨대 폴리알파올레핀, 합성 폴리올 에스테르 및 폴리글리세롤 지방산 에스테르와 블렌딩함으로써 VO계 유전 유체의 점도를 저하시키는 것. 그러나, 이들 접근법은 인화점의 저하 또는 비-천연계 공급원으로의 대체를 초래할 수 있음;

2. VO계 유전 유체를 희석제, 예컨대 지방산 알킬 에스테르와 혼합하는 것, 그러나 이는 카놀라 오일의 점도를 33 센티포아즈 (cP) 미만으로 감소시키기 위해 10 중량 퍼센트 (중량%)를 초과하는 희석제를 필요로 함. 그러나, 이는 또한 인화점의 저하를 유발함;

3. VO계 유전 유체 중 불포화물의 양을 증가시키는 것은 유체의 점도를 저하시키지만, 이는 또한 유체의 산화 안정성을 저하시킴 (USP 6,117,827 참조); 또한

4. VO계 유전체 중 포화 C12-C16 트리글리세리드의 양을 증가시키는 것, 그러나 이는 또한 유체의 융점을 증가시킴.

특성들의 목적하는 균형, 구체적으로 저점도 (40℃에서 ≤33 cP, 10℃에서 ≤120 cP), 고인화점 (≥260℃, 바람직하게는 ≥270℃) 및 저융점 (-8℃ 이하)의 조합을 보유하는 유전 유체는 계속적인 관심대상이다.

한 실시양태에서 본 발명은 트리글리세리드의 조성물의 중량을 기준으로 한 중량 퍼센트 단위로

A. 30 내지 70%의 C18:1 지방산;

B. C8 및 C10 지방산의 혼합물의 중량을 기준으로 하여 50 내지 70 중량%의 C8 지방산을 포함하는, 10 내지 55%의 C8 및 C10 지방산의 혼합물;

C. 13% 이하의 다중불포화 지방산; 및

D. 각각 12개 이상의 탄소 원자를 함유하는, 7% 이하의 포화 지방산

을 포함하는 트리글리세리드의 조성물이다.

트리글리세리드는 글리세롤과, C18:1, C8, C10, 다중불포화 및 포화 C12:0 또는 그 초과의 지방산의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 지방산은 글리세롤 분자에 임의의 순서로 부착될 수 있으며, 예를 들어 임의의 지방산은 글리세롤 분자의 임의의 히드록실 기와 반응하여 에스테르 연결을 형성할 수 있다. 본 발명의 조성물은 유전 유체로서 유용하며, (i) 40℃에서의 점도 33 cP 이하 (≤33 cP) 및 10℃에서의 점도 ≤120 cP; (ii) 인화점 260℃ 이상 (≥260℃), 바람직하게는 ≥270℃, 및 (iii) 융점 -8℃ 이하를 나타낸다.

정의

달리 언급되거나, 문맥으로부터 함축되거나, 또는 관련 기술분야에서 통상적이지 않는 한, 모든 부 및 퍼센트는 중량을 기준으로 하며, 모든 시험 방법은 본 개시내용의 출원일 이래로 통용되는 것이다. 미국 특허 실무의 목적상, 임의의 인용된 특허, 특허 출원 또는 간행물의 내용은, 특히 정의의 개시내용 (본 개시내용에 구체적으로 제공된 임의의 정의와 모순되지 않는 범위로) 및 관련 기술분야의 일반 지식에 대해 그 전문이 참조로 포함된다 (또는 그의 등가 미국 버젼이 마찬가지로 참조로 포함됨).

본 개시내용의 수치 범위는 대략적이며, 따라서 달리 나타내지 않는 한, 그 범위 밖의 값을 포함할 수 있다. 수치 범위는 보다 낮은 값 및 보다 높은 값을 비롯한 그들로부터의 모든 값을 한 단위의 증가분으로 포함하며, 단 임의의 보다 낮은 값과 임의의 보다 높은 값 사이에는 두 단위 이상의 차이가 있다. 예로서, 조성적, 물리적 또는 다른 특성, 예컨대 예를 들어 온도가 100 내지 1,000인 경우에, 모든 개별 값, 예컨대 100, 101, 102 등, 및 하위 범위, 예컨대 100 내지 144, 155 내지 170, 197 내지 200 등이 명백히 열거된 것이다. 1 미만이거나 또는 1 초과의 분수를 함유하는 값 (예를 들어, 1.1, 1.5 등)을 함유하는 범위에 대해, 한 단위는 적절한 경우에 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1인 것으로 간주된다. 10 미만의 한 자리수를 함유하는 범위 (예를 들어, 1 내지 5)에 대해, 한 단위는 전형적으로 0.1인 것으로 간주되어야 한다. 이들은 구체적으로 의도된 것의 단지 예일 뿐이며, 최저값과 최고값 사이의 수치의 모든 가능한 조합이 본 개시내용에 명백하게 언급된 것으로 간주된다. 수치 범위는 본 개시내용 내에서, 특히 점도, 온도, 및 조성물 중 개별 성분의 상대량에 대해 제공되어 있다.

"포함하는", "비롯한", "갖는" 및 유사 용어는 조성물, 공정 등이 개시된 성분, 단계 등에 제한되지는 않으며, 오히려 다른 개시되지 않은 성분, 단계 등을 포함할 수도 있다는 것을 의미한다. 반대로, 용어 "~로 본질적으로 이루어진"은 임의의 조성물, 공정 등의 범주로부터, 조성물, 공정 등의 성능, 가동성 등에 필수적이지 않은 것을 제외한 임의의 성분, 단계 등을 배제한다. 용어 "~로 이루어진"은 조성물, 공정 등으로부터, 구체적으로 개시되지 않은 임의의 성분, 단계 등을 배제한다. 용어 "또는"은 달리 언급되지 않는 한, 개시된 구성원을 개별적으로 뿐만 아니라 임의로 조합으로 지칭한다.

"유전 유체" 및 유사 용어는 정상적인 환경 하에 전류를 전도하지 않거나, 또는 매우 낮은 수준으로 전도하는 유체, 전형적으로 액체를 의미한다. 식물성 오일은 우수한 유전 특성을 고유하게 보유한다. 다수의 식물성 오일에 대해 유전 상수는 4.5 미만이다 (US 2006/0030499).

"점도" 및 유사 용어는 전단 응력 또는 인장 응력에 의해 변형되는 것에 대한 유체의 저항성을 의미한다. 본 명세서의 목적상, 점도는 ASTM D-445에 의해 측정되는 바와 같이 40℃ 및 10℃에서 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용하여 측정된다.

"인화점" 및 유사 용어는 휘발성 액체가 공기 중에서 발화성 혼합물을 형성하도록 기화할 수 있지만, 계속 연소하지는 않을 (연소점과 대비) 최저 온도를 의미한다. 본 명세서의 목적상, 인화점은 ASTM D-3278의 방법에 의해 측정된다.

"연소점" 및 유사 용어는 휘발성 액체가 공기 중에서 발화성 혼합물을 형성하도록 기화할 수 있고, 점화 후에 계속 연소할 최저 온도를 의미한다. 본 명세서의 목적상, 연소점은 ASTM D92-12의 방법에 의해 측정된다. 연소점은 전형적으로 인화점보다 25-30℃ 높다.

"유동점" 및 유사 용어는 액체가 반고체가 되고 그의 유동 특성을 손실하는 최저 온도, 또는 다시 말하면 액체가 유동할 최소 온도를 의미한다. 본 명세서의 목적상, 유동점은 ASTM D-97에 의해 측정된다.

"융점" 및 유사 용어는 물질이 고체로부터 액체로 상태 변화하는 온도를 의미한다. 본 명세서의 목적상, 융점은 시차 주사 열량계 (DSC) 및 하기 프로토콜을 사용하여 측정된다:

1. 90.00℃에서 평형화,

2. -90.00℃까지 경사 2.00℃/분,

3. 사이클 1의 종료,

4. 90.00℃까지 경사 2.00℃/분,

5. 사이클 2의 종료,

6. -90.00℃까지 경사 2.00℃/분,

7. 사이클 3의 종료, 및

8. 방법의 종료.

사이클 1 및 사이클 3의 평균 피크 온도가 조성물에 대한 융점으로서 보고된다. 융점은 유동점과 상당히 매우 상관관계가 있다.

"트리글리세리드" 및 유사 용어는 글리세롤과 3개의 지방산으로부터 유도된 에스테르를 의미한다. 본 명세서에서 트리글리세리드를 기재하는데 사용된 표기법은 하기에서 지방산을 기재하는데 사용된 표기법과 동일하다. 트리글리세리드는 글리세롤과, C18:1, C14:1, C16:1, 다중불포화 및 포화 C12:0 또는 그 초과의 지방산의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 지방산은 글리세롤 분자에 임의의 순서로 부착될 수 있으며, 예를 들어 임의의 지방산은 글리세롤 분자의 임의의 히드록실 기와 반응하여 에스테르 연결을 형성할 수 있다. C18:1의 트리글리세리드는 단순히 트리글리세리드의 지방산 성분이 C18:1 지방산으로부터 유도되거나 또는 그를 기재로 하는 것을 의미한다. 즉, C18:1 트리글리세리드는 글리세롤과, 각각 18개의 탄소 원자를 갖고 각 지방산이 1개의 이중 결합을 갖는 3개의 지방산의 에스테르를 의미한다. 유사하게, C8:0 트리글리세리드는 글리세롤과, 각각 8개의 탄소 원자를 갖는 3개의 지방산의 에스테르이다. 마찬가지로, C10:0 트리글리세리드는 글리세롤과, 각각 10개의 탄소 원자를 갖는 3개의 지방산의 에스테르이다. C8:0 및 C10:0 지방산과 조합된 C18:1 지방산의 트리글리세리드는 (a) C18:1 트리글리세리드가 C8:0 트리글리세리드 및 C10:0 트리글리세리드와 혼합된 것, 또는 (b) 트리글리세리드의 지방산 성분 중 적어도 1개가 C18:1 지방산으로부터 유도되거나 또는 그를 기재로 하며, 다른 2개가 C8:0 지방산 및 C10:0 지방산으로부터 유도되거나 또는 그를 기재로 하는 것을 의미한다.

"지방산" 및 유사 용어는 포화 또는 불포화인 긴 지방족 꼬리를 갖는 카르복실산을 의미한다. 불포화 지방산은 탄소 원자들 사이에 1개 이상의 이중 결합을 갖는다. 포화 지방산은 어떠한 이중 결합도 함유하지 않는다. 본 명세서에서 지방산을 기재하는데 사용된 표기법은 탄소 원자에 대한 대문자 "C", 이어서 지방산 중 탄소 원자의 수를 기재하는 숫자, 이어서 콜론 및 지방산 중 이중 결합의 수에 대한 또 다른 숫자를 포함한다. 예를 들어, C16:1은 16개의 탄소 원자와 1개의 이중 결합을 갖는 지방산, 예를 들어 팔미톨레산을 나타낸다. 이러한 표기법에서 콜론 뒤의 숫자는 지방산 중 이중 결합(들)의 배치를 지정하지도 않고, 이중 결합의 탄소 원자에 결합된 수소 원자가 서로 시스인지의 여부를 지정하지도 않는다. 이러한 표기법의 다른 예는 C18:0 (스테아르산), C18:1 (올레산), C18:2 (리놀레산), C18:3 (α-리놀렌산) 및 C20:4 (아라키돈산)를 포함한다.

조성물

본 발명의 트리글리세리드 조성물의 제1 지방산 성분은 C18:1이며, 즉 이는 18개의 탄소 원자를 함유하고, 1개의 이중 결합을 갖는다. 대표적인 C18:1 지방산은 올레산 및 바센산을 포함하며, 올레산이 바람직하다. C18:1 트리글리세리드는 글리세롤과, 3개의 C18:1 지방산의 임의의 조합, 예를 들어 3개의 올레산, 또는 3개의 바센산, 또는 2개의 올레산과 바센산, 또는 1개의 올레산과 2개의 바센산을 포함할 수 있다. 3개의 C18:1 지방산은 글리세롤 분자에 임의의 순서로 부착될 수 있으며, 예를 들어 임의의 C18:1 지방산은 글리세롤 분자의 임의의 히드록실 기와 반응하여 에스테르 연결을 형성할 수 있다. 전형적으로, 트리글리세리드의 C18:1 지방산은 올레산이다. C18:1 트리글리세리드는 조성물 중 30 내지 70 중량%, 전형적으로 40 내지 65 중량%, 보다 전형적으로 50 내지 60 중량%를 차지한다.

본 발명의 트리글리세리드 조성물의 제2 지방산 성분은 C8 및 C10 지방산의 1종 이상의 혼합물이다. C8 트리글리세리드는 글리세롤과, 각각 8개의 탄소 원자를 갖는 3개의 지방산의 에스테르이다. C8 트리글리세리드는 포화 또는 불포화일 수 있으며, 불포화인 경우에는 1개 초과의 이중 결합을 함유할 수 있다. C8 지방산의 대표예는 포화 지방산 (C8:0)인 카프릴산이다. C18:1 트리글리세리드와 같이, C8 트리글리세리드는 글리세롤과, 3개의 C8 지방산의 임의의 조합을 포함할 수 있으며, C8 지방산은 글리세롤 분자에 임의의 순서로 부착될 수 있다. 전형적으로, C8 지방산은 카프릴산이다.

C10 트리글리세리드는 글리세롤과, 각각 10개의 탄소 원자를 갖는 3개의 지방산의 에스테르이다. C10 트리글리세리드는 포화 또는 불포화일 수 있으며, 불포화인 경우에는 1개 초과의 이중 결합을 함유할 수 있다. C10 지방산의 대표예는 포화 지방산 (C10:0)인 카프르산이다. C18:1 트리글리세리드와 같이, C10 트리글리세리드는 글리세롤과, 3개의 C10 지방산의 임의의 조합을 포함할 수 있으며, C10 지방산은 글리세롤 분자에 임의의 순서로 부착될 수 있다. 전형적으로, C10 지방산은 카프르산이다.

조성물의 제2 지방산 성분은 50-70 중량%의 C8을 갖는 C8 및 C10의 혼합물을 포함할 수 있다. 제2 성분은 조성물 중 10 내지 55 중량%, 전형적으로 15 내지 50 중량%, 보다 전형적으로 25 내지 40 중량%를 차지한다.

본 발명의 트리글리세리드 조성물의 제3 지방산 성분은 임의적이지만, 존재하는 경우에는 다중불포화물, 즉 임의의 탄소 원자 길이, 전형적으로 각각 12개 이상의 탄소 원자 길이를 갖고 각 지방산이 1개 초과의 이중 결합을 갖는 지방산이다. C18:1 트리글리세리드와 같이, 다중불포화 트리글리세리드는 글리세롤과, 각각 16개 이상의 탄소 원자 길이를 갖는 3개의 다중불포화 지방산의 임의의 조합을 포함할 수 있으며, 다중불포화 지방산은 글리세롤 분자에 임의의 순서로 부착될 수 있다. 다중불포화 트리글리세리드를 이루는 대표적인 다중불포화 지방산은 리놀레산 (C18:2), α-리놀렌산 (C18:3), γ-리놀렌산 (C18:3), 에이코사디엔산 (C20:2), 디호모-γ-리놀렌산 (C20:3), 아라키돈산 (C22:4), 도코사펜타엔산 (C22:5), 헥사데카트리엔산 (C16:3), 헨에이코사펜타엔산 (C21:5), 루멘산 (C18:2), α-칼렌드산 (C18:3), β-칼렌드산 (C18:3), α-파리나르산 (C18:4), β-파리나르산, 피놀렌산 (C18:3), 포도카르프산 (C20:3) 등을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 제3 지방산 성분은 조성물 중 전형적으로 13 중량% 이하, 보다 전형적으로 12 중량% 이하, 보다 더 전형적으로 10 중량% 이하이다.

본 발명의 트리글리세리드 조성물의 제4 지방산 성분은 임의적이지만, 존재하는 경우에는 포화물, 즉 글리세롤과, 각각 12개 이상의 탄소 원자를 함유하고 각 지방산이 어떠한 이중 결합도 함유하지 않는 3개의 지방산의 에스테르이다. C18:1 트리글리세리드와 같이, 포화 트리글리세리드는 글리세롤과, 3개의 포화 지방산의 임의의 조합을 포함할 수 있으며, 포화 지방산은 글리세롤 분자에 임의의 순서로 부착될 수 있다. 포화 트리글리세리드를 이루는 대표적인 포화 지방산은 라우르산 (C12:0), 미리스트산 (C14:0), 팔미트산 (C16:0) 및 스테아르산 (C18:0)을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 한 실시양태에서 본 발명의 조성물은 어떠한 포화 지방산도 함유하지 않거나 또는 없다. 한 실시양태에서 본 발명의 조성물은 7 중량% 이하, 전형적으로 5 중량% 이하, 보다 전형적으로 3 중량% 이하의 포화 지방산을 함유하며, 여기서 지방산 성분은 길이가 12개 이상의 탄소 원자이다.

한 실시양태에서 본 발명의 조성물은 1종 이상의 첨가제, 예컨대 1종 이상의 항산화제, 금속 탈활성화제, 유동점 강하제, UV-안정화제, 물 스캐빈저, 안료, 염료 등을 포함할 수 있다. 유전 유체에 유용한 첨가제는 관련 기술분야에 널리 공지되어 있으며, 이들 첨가제는 사용된다면, 공지된 방식으로 및 공지된 양으로 사용된다. 응집체 중 첨가제는 조성물 중 전형적으로 3 중량% 이하, 보다 전형적으로 2 중량% 이하, 보다 더 전형적으로 1 중량% 이하이다.

한 실시양태에서 본 발명은

A. 30 내지 70%의 C18:1 지방산;

B. C8 및 C10 지방산의 혼합물의 중량을 기준으로 하여 50 내지 70 중량%의 C8 지방산을 포함하는, 10 내지 55%의 C8 및 C10 지방산의 혼합물;

C. 13% 이하의 다중불포화 지방산; 및

D. 각각 12개 이상의 탄소 원자를 함유하는, 7% 이하의 포화 지방산

으로 본질적으로 이루어진 트리글리세리드의 조성물이다.

이러한 실시양태는 1종 이상의 첨가제, 예를 들어 항산화제, 금속 탈활성화제, 유동점 강하제, 안료 등을 함유할 수 있지만, 확인된 것 또는 비결정적인 양으로, 예를 들어 조성물의 중량을 기준으로 하여 10 중량% 미만으로 존재하는 것과는 다른 임의의 지방산은 명시적으로 배제한다. 이들 "다른" 지방산은 존재하는 경우에 전형적으로, 목적하는 지방산, 예를 들어 C18:1을 천연 공급원 오일, 예를 들어 옥수수 오일, 대두 오일 등으로부터 추출한 후에 남아있는 부산물 또는 오염물이다. 다른 경우에, "다른" 지방산은 공급원 오일 중에 자연적으로 존재할 수 있다.

한 실시양태에서 본 발명은

A. 30 내지 70%의 C18:1 지방산;

B. C8 및 C10 지방산의 혼합물의 중량을 기준으로 하여 50 내지 70 중량%의 C8 지방산을 포함하는, 10 내지 55%의 C8 및 C10 지방산의 혼합물;

C. 13% 이하의 다중불포화 지방산

으로 본질적으로 이루어진 트리글리세리드의 조성물이다.

이러한 실시양태는 1종 이상의 첨가제, 예를 들어 항산화제, 금속 탈활성화제, 유동점 강하제, 안료 등을 함유할 수 있지만, 확인된 것 또는 비결정적인 양으로, 예를 들어 조성물의 중량을 기준으로 하여 10 중량% 미만으로 존재하는 것과는 다른 임의의 지방산은 명시적으로 배제한다. 이들 "다른" 지방산은 존재하는 경우에 전형적으로, 목적하는 지방산, 예를 들어 C18:1 지방산을 천연 공급원 오일, 예를 들어 옥수수 오일, 대두 오일 등으로부터 추출한 후에 남아있는 부산물 또는 오염물이다. 다른 경우에, "다른" 지방산은 공급원 오일 중에 자연적으로 존재할 수 있다.

본 발명의 트리글리세리드는 식물성 및 비-식물성 공급원으로부터 수득될 수 있다. 본 발명의 실시에 사용되는 트리글리세리드는 전형적으로 천연 공급원 오일, 예를 들어 식물성 오일, 조류 오일, 미생물 오일 등으로부터 유도되며, 식물성 오일 및 조류 오일이 바람직한 천연 공급원 오일이다. 이들 천연 오일은 WO 2011/090685 및 PCT/US2012/043973에 기재된 것을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 이들 오일은 전형적으로 1종 이상의 특정한 트리글리세리드가 풍부하며, 이러한 특정한 트리글리세리드는 특정한 식물성 오일 또는 조류 오일에 따라 달라진다. 예를 들어, 옥수수 및 대두 오일은 전형적으로 지방산 성분이 올레산으로부터 유도된 것인 트리글리세리드가 풍부하다. 본 발명의 실시에 사용되는 트리글리세리드는 식물성 또는 다른 천연 공급원 오일로부터 다수의 공지된 방법, 예를 들어 용매 추출, 기계적 추출 등 중 어느 하나에 의해 추출될 수 있다. 다른 경우에, 공급원 오일 (예를 들어, 조류 오일)은 추가로 단리 또는 추출할 필요 없이 그 전체가 본 발명의 트리글리세리드의 조성물을 구성할 수 있다.

본 발명의 조성물은 다양한 전기 장비에서의 유전 유체로서, 예를 들어 변압기에서의 절연유로서 특히 유용하다. 본 발명의 조성물은 환경 친화적, 예를 들어 생분해성이며, 특성들의 고유한 균형, 구체적으로 점도, 인화점 및 융점의 고유한 균형을 보유한다.

본 발명의 조성물은 다양한 전기 장비에서의 유전 유체로서, 예를 들어 변압기에서의 절연유로서 특히 유용하다. 본 발명의 조성물은 환경 친화적, 예를 들어 생분해성이며, 특성들의 고유한 균형, 구체적으로 점도, 인화점 및 융점의 고유한 균형을 보유한다.

구체적 실시양태

순수한 트리글리세리드의 동적 점도는 또한 하기 인자를 기반으로 한 수학적 모델을 사용하여 얻을 수 있다:

1. 트리글리세리드 분자를 구성하는 지방산의 메틸 에스테르 (FAME)의 동적 점도.

2. FAME의 지방산 쇄 내의 탄소 원자의 수.

여기서,

η _TAG = cP 단위의 트리글리세리드의 점도

η _FAME 1 = cP 단위의 말단 위치 1의 트리글리세리드에 존재하는 FAME의 점도

η _FAME 2 = cP 단위의 중심 위치 2의 트리글리세리드에 존재하는 FAME의 점도

η _FAME 3 = cP 단위의 말단 위치 3의 트리글리세리드에 존재하는 FAME의 점도

nCF ₁ = 말단 위치 1의 FAME의 지방산 쇄 내의 탄소 원자의 수

nCF ₂ = 중심 위치 2의 FAME의 지방산 쇄 내의 탄소 원자의 수

nCF ₃ = 말단 위치 3의 FAME의 지방산 쇄 내의 탄소 원자의 수

트리글리세리드 혼합물의 점도는 하기와 같이 추정될 수 있다:

η _mix = cP 단위의 트리글리세리드 혼합물의 점도.

w _i = 트리글리세리드 혼합물 중 트리글리세리드 'i'의 중량 분율.

η _i = cP 단위의 혼합물 중 트리글리세리드 i의 점도.

순수한 트리글리세리드의 융점은 또한 하기 인자를 기반으로 한 수학적 모델을 사용하여 얻을 수 있다:

1. 트리글리세리드 분자를 구성하는 FAME의 융점

2. FAME의 지방산 쇄 내의 탄소 원자의 수.

3. 말단 지방산 쇄들 사이의 유사성을 설명하기 위한 설명자 (말단 _동등 ).

여기서,

MP _FAME 1 = K 단위의 말단 위치 1의 트리글리세리드에 존재하는 FAME의 융점

MP _FAME 2 = K 단위의 중심 위치 2의 트리글리세리드에 존재하는 FAME의 융점

MP _FAME 3 = K 단위의 말단 위치 3의 트리글리세리드에 존재하는 FAME의 융점

nCF ₁ = 말단 위치 1의 FAME의 지방산 쇄 내의 탄소 원자의 수

nCF ₂ = 중심 위치 2의 FAME의 지방산 쇄 내의 탄소 원자의 수

nCF ₃ = 말단 위치 3의 FAME의 지방산 쇄 내의 탄소 원자의 수.

말단 _동등 = 2개의 말단 지방산 단편이 동일한 경우에는 1이거나, 또는 그들이 상이한 경우에는 0.

트리글리세리드 혼합물의 중량 평균 융점은 하기와 같이 추정될 수 있다:

MP _mix = K 단위의 트리글리세리드 혼합물의 융점.

w _i = 트리글리세리드 혼합물 중 트리글리세리드 'i'의 중량 분율.

MP _i = K 단위의 트리글리세리드 혼합물 중 트리글리세리드 'i'의 융점.

모든 경우에, 추정 (또는 예측) 중량 평균 융점은 DSC 측정에 의해 결정된 것과 동일하거나, 또는 많아야 10℃ 높다.

평균 융점 모델에 대한 추가의 수정은 동형도 (ε)를 포함시킴으로써 이루어졌다. 동형도는, 융점의 저하를 유발할 수 있는 트리글리세리드 혼합물에 존재하는 구조적 비유사성을 설명한다. ε의 계산 절차는 문헌 [Wesdorp, LH Liquid-multiple solid-phase equilibria in fats. Ph.D. Thesis, University Delft, The Netherlands, 1990]에 기재되어 있다. 시스-불포화 지방산 단편에 대해, 중첩 부피는 직쇄 포화 단편 상에서의 시스-불포화 단편의 투영 길이에 의해 결정하였다.

다양한 트리글리세리드 쌍 사이의 ε을 계산하고, ε의 최저치인 min(ε)을 모델 설명자로서 사용하였다. min(ε)은 트리글리세리드 혼합물에 존재하는 최대 비유사성의 지표이다. 융점 예측을 위한 엡실론 모델은 하기와 같이 주어진다:

모든 경우에, 추정 (또는 예측) 엡실론 융점은 DSC 측정에 의해 결정된 것과 동일하거나, 또는 많아야 10℃ 높다.

트리글리세리드 또는 트리글리세리드 혼합물의 인화점은 또한 각각 순수한 트리글리세리드 또는 트리글리세리드 혼합물의 증발열을 기반으로 한 수학적 모델을 사용하여 얻을 수 있다.

여기서,

인화점 = K 단위의 트리글리세리드의 인화점

ΔH ^vap = kJ/mol 단위의 순수한 트리글리세리드 또는 트리글리세리드 혼합물의 증발열

순수한 트리글리세리드의 증발열을 예측하기 위한 대표적인 방법 중 하나는 문헌 [Chen et. al., Fragment-Based Approach for Estimating Thermophysical Properties of Fats and Vegetable Oils for Modeling Biodiesel Production Processes", Ind. Eng. Chem. Res. Vol.49, Pg. 876-886 (2010)]에 제시되어 있다.

트리글리세리드 혼합물의 증발열은 하기 관계식을 사용하여 결정될 수 있다:

여기서,

ΔH _mix ^vap = kJ/mol 단위의 트리글리세리드 혼합물의 증발열

N _i = 트리글리세리드 혼합물 중 트리글리세리드 i의 몰 분율.

ΔH _i ^vap = kJ/mol 단위의 트리글리세리드 'i'의 증발열

실시예 1-6

하기 표 2에 보고된 조성물은 트리글리세리드 및 트리글리세리드 혼합물의 점도, 인화점 및 융점 특성을 예측하기 위해 구축된 모델을 기준으로 하였다. 모든 실시예는 40℃에서의 점도 ≤33 cP 및 10℃에서의 점도 ≤120 cP, 인화점 ≥260℃ 및 융점 -8℃ 이하의 목적하는 균형을 나타내었다. 예측 융점 범위는 혼합물의 융점의 상한치 및 하한치를 제공한다. 이는 조성물의 개별 성분의 최고 및 최저 예측 융점을 기준으로 한다. 혼합물의 융점을 상기 기재된 방법에 의해 결정하였다. 트리글리세리드 혼합물은 고도로 상호작용하며; 따라서 중량 평균은 조성물의 융점의 대략적인 값이다. 실시예에 대한 데이터는 예측 융점이 DSC에 의해 실험적으로 결정된 것에 근접함을 나타내었다. 유사하게, 실시예에 대한 데이터는 40℃에서의 예측 점도가 실험적으로 결정된 것에 근접함을 나타내었다. 게다가, 측정 융점은 실험적으로 결정된 유동점과 상당히 매우 상관관계가 있었다. 최종적으로, 인화점의 예측치와 측정치 사이에 우수한 합치도가 있었다.

<표 2>

실시예 1 내지 6

<표 2> (계속)

실시예 1 내지 6

본 발명의 실시예는 모두 변압기액에 유용한, 하기 특성들의 목적하는 조합을 나타내었다: 40℃에서의 점도 ≤ 33 cP, 10℃에서의 점도 ≤ 120 cP, 인화점 ≥ 260℃, 연소점 ≥ 290℃, 유동점 ≤ -15℃ 및/또는 융점 ≤ -8℃.

한 시나리오에서, 본 발명은 HOCO와 55 중량% 이하의 C8 및 C10 지방산의 트리글리세리드를 블렌딩하여 40℃에서의 점도 ≤ 33 cP, 10℃에서의 점도 ≤ 120 cP, 인화점 ≥ 260℃, 연소점 ≥ 290℃, 유동점 ≤ -15℃ 및 융점 ≤ -8℃이도록 하는 특성들의 균형을 제공함으로써 예증되었다.

비교 실시예 1-15

하기 표 3에는 다양한 네오비 오일의 조성이 보고되어 있다. 하기 표 4에서 비교 샘플 (CS) 1 내지 CS8은 고 올레산 카놀라 오일 (HOCO)에 첨가된 다양한 양의 희석제를 포함하는 트리글리세리드 조성물이다. HOCO의 조성은 하기와 같다:

1. C18 단일불포화 지방산을 함유하는 트리글리세리드 = 74%

2. C18 이중불포화 지방산을 함유하는 트리글리세리드 = 14.5%

3. C18 삼중불포화 지방산을 함유하는 트리글리세리드 = 4.5%

4. C18 포화 지방산을 함유하는 트리글리세리드 = 4%

5. C16 포화 지방산을 함유하는 트리글리세리드 = 3%

표 4에는 HOCO와, 다양한 양의 희석제를 포함하는 트리글리세리드 조성물인 CS1-CS8이 보고되어 있다. SE 1185D는 대두 지방산 메틸 에스테르 (FAME)이고, 니코베이스(NYCOBASE) SEH는 디옥틸 세바케이트이고, PAO 2.5는 폴리알파올레핀이다. 한 시나리오에서, 상기 지방산 조성을 갖는 비교 샘플은 특성들의 목적하는 조합을 산출하지 않았다. 특히, CS2 (HOCO: C18:1을 갖는 트리글리세리드 > 70%, C18:2를 갖는 트리글리세리드 > 14%, C18:3을 갖는 트리글리세리드 < 3%)는 40℃에서의 점도 > 33 cP (또한 인화점 > 300 deg C)를 가졌다. 희석제와 HOCO의 어떠한 이들 조합도 특성들의 목적하는 조합을 산출하지 않았다.

네오비 1053의 동결점 (표 3에서)은 그의 융점 (표 4에서)과 유사하다는 것에 주목한다. 게다가, 표 3에서, 네오비 1095 및 네오비 895 둘 다는 0℃ 초과의 동결점 (융점과 유사)을 가졌지만, 56/40 중량%의 C8:0/C10:0 (네오비 1053) 및 68/30/2 중량%의 C8:0/C10:0/C12:0을 갖는 다른 두 생성물은 -5℃의 상승작용적으로 감소된 동결점을 가졌다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 따라서, HOCO와 네오비 1053의 특정 혼합물 (실시예 1-4)은 본 발명의 특성들의 목적하는 균형에 전달할 수 있으며, 나머지 (CS1-3)는 그렇지 않다.

하기 표 5에서, CS9-CS15는 목적하는 범위의 융점을 제공하지 않는 공지된 트리글리세리드 조성물이다. 특히 C8 또는 C10 ≥ 60%를 갖는 CS12 및 CS13은 낮은 인화점을 가졌다. CS14 및 CS15는 높은 양의 포화물 > 7%를 함유하는 조성물로 보고되었으며, 따라서 점도 및 융점을 비롯한 특성들의 목적하는 균형를 제공하지 않았다.

<표 3>

다양한 네오비 오일의 조성

<표 4>

비교 실시예 1-8

<표 4> (계속)

<표 5>

비교 실시예 9-15

본 발명은 바람직한 실시양태의 상기 설명을 통해 특정 세부사항으로 기재되어 있지만, 이러한 세부사항은 주로 예시의 목적을 위한 것이다. 다수의 변경 및 변형이 하기 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않으면서 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있다.