KR20150125446A - Preparation method of Trimethylol propane ester for vegetable insulating oil - Google Patents
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Abstract
본 발명은 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 촉매 지지체로서 수산화인회석(HAP)에 KF가 담지된 KF/HAP 촉매를 제조하는 제1단계; 및 트리메틸올 프로판(TMP)을 상기 KF/HAP 촉매 존재 하에서 올레익산과 에스테르화 반응시켜 트리메틸올 프로판 에스터(TMP-ester)를 제조하는 제2단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법을 개시한다.
상기 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법은 KF/HAP 촉매를 이용함으로써 다른 촉매와는 달리 트리메틸올 프로판 에스터 합성 후 올레이트(oleate) 등의 부산물을 형성하지 않으므로 반응 안정성을 높이며, 불균일 촉매를 사용하여 촉매 회수가 용이하고, 공정이 단순하여 대량생산이 용이하다.
또한, 제조된 트리메틸올 프로판 에스터는 식물성 성분이므로 자연상태에서 자연계에 존재하는 미생물에 의하여 용이하게 분해될 수 있으므로 누출 또는 폐기시 미생물에 의한 분해가 용이하고, 인화점 및 유동점 특성이 각각 268℃와 -37.5 ℃로서 둘 다 비교적 높은 성능을 나타내므로, 변압기 등에서 식물성 전기절연유로서 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a process for producing trimethylolpropane ester, and more particularly, to a process for producing trimethylolpropane ester, which comprises: a first step of preparing a KF / HAP catalyst carrying KF on a hydroxyapatite (HAP) as a catalyst support; And a second step of esterifying trimethylol propane (TMP) with oleic acid in the presence of the KF / HAP catalyst to produce trimethylolpropane ester (TMP-ester). A process for preparing a useful trimethylolpropane ester is disclosed.
Unlike other catalysts, the trimethylolpropane ester does not form by-products such as oleate after the synthesis of trimethylolpropane ester by using a KF / HAP catalyst, thereby enhancing the reaction stability, It is easy to recover, and the process is simple, so mass production is easy.
Since the trimethylolpropane ester produced is a vegetable component, it can be easily decomposed by microorganisms existing in nature in a natural state. Therefore, it is easy to decompose by microorganisms at the time of leakage or disposal, and the flash point and pour point characteristics are 268 & 37.5 캜, both of which show relatively high performance, and thus can be usefully used as a vegetable electric insulating oil in a transformer or the like.
Description
본 발명은 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 KF/HAP 촉매를 이용한 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for preparing a trimethylolpropane ester useful as a vegetable electric insulating material, and more particularly, to a method for producing a trimethylolpropane ester using a KF / HAP catalyst.
20세기 이래 세계적으로 큰 화두 중의 하나가 환경문제를 포함한 에너지 문제이다. 에너지는 생명의 원천일 뿐만 아니라 수송, 냉난방, 공산품의 생산 및 사용 등 인간 생활의 질에 결정적 영향을 준다. 인구가 증가하고 생활수준이 향상될수록 에너지에 대한 수요는 더욱 늘어나고 있으며, 에너지의 해외 의존도가 97%에 가까운 우리나라의 경우 에너지의 안정적 확보가 중요한 문제가 되었다. 서남아시아의 산유국이나 북해유전을 소유한 영국, 노르웨이, 덴마크의 경우 에너지 자립률이 비교적 높은 편이지만 이들 국가의 에너지는 한 번 사용하면 고갈되는 화석연료를 바탕으로 한 것이며, 국가 간 에너지 수요 공급의 불균형은 국제 정치 경제의 안정에도 영향을 미치고 있다.One of the biggest issues in the world since the 20th century is energy issues, including environmental issues. Energy is not only a source of life, but also has a decisive influence on the quality of human life, such as transportation, heating and cooling, and the production and use of industrial products. As the population increases and the standard of living improves, the demand for energy is increasing. In the case of Korea, where energy dependence of foreign countries is close to 97%, securing of energy is an important issue. In the case of oil-producing countries in the south-west Asia and the UK, Norway and Denmark, which possess the North Sea oilfield, the energy independence rate is relatively high. However, the energy of these countries is based on depleted fossil fuels. The imbalance also affects the stability of the international political economy.
그럼에도 우리나라 에너지 사용량은 1인당 GDP 대비로 일본이 1.31, 독일이 1.56, 미국이 2.45인 반면 우리나라는 5.22(TOE/인)로 매우 높은 것으로 나타났으며(2004년 기준), 앞으로도 에너지 사용량이 크게 증가할 것으로 전망하였다. 이러한 에너지 문제는 비단 우리나라만의 문제가 아니라 전 세계적으로 집중 조명되고 있는 문제이며, 따라서 재생 가능한 대체 에너지의 개발에 관심이 증가하고 있다. 또한, 기후변화협약에 의하여 에너지뿐만 아니라 환경 문제까지 연계되어 생각되고 있다.Nevertheless, Korea's energy use per capita is very high at 5.22 (TOE / person), compared with 1.31 for Japan, 1.56 for Germany and 2.45 for the US, . This energy problem is not a problem only in Korea, but a problem that is being highlighted all over the world. Therefore, interest in the development of renewable alternative energy is increasing. In addition, climate change conventions have been linked to environmental issues as well as energy.
이러한 신재생에너지 중 풍력 발전은 태양에너지와 함께 현재 가장 많이 사용되고 있다. 풍력발전은 기술의 수준 및 경제성이 가장 높은 것으로 나타나 많은 국가에서 경쟁적으로 투자하고 있다. 풍력발전은 육상풍력발전에 대한 연구가 먼저 시작되었지만, 설치 공간 부족, 소음 등의 단점으로 인하여, 이러한 단점들을 극복하기 위한 해상풍력발전으로 이동해가고 있는 추세이다. 해상풍력발전의 경우, 육상풍력발전에 비해 풍부한 해상의 바람 자원 및 넓은 부지를 얼마든지 사용하여 원하는 만큼 충분한 에너지를 얻을 수 있다는 장점이 있다.Among these renewable energies, wind power generation is now the most used with solar energy. Wind power has been shown to be the most technologically advanced and economical, making it a competitive investment in many countries. Although wind turbine research has been started on land wind power generation, it is moving toward offshore wind power generation to overcome these shortcomings due to lack of installation space and noise. In the case of offshore wind power generation, there is an advantage in that a sufficient amount of energy can be obtained by using abundant offshore wind resources and a large site compared to onshore wind power generation.
풍력발전기의 나셀(Nacelle)의 내부에는 동력을 전달하기 위한 기어박스(gear box), 동력을 전달받아 발전을 일으키는 제너레이터(generator), 직류 전력을 교류전력으로 변화하여 주는 인버터(inverter), 교류 전압의 크기를 조절하여 주는 변압기(transformer) 등으로 구성되어 있다. 풍력발전이 육상에서 해상으로 확대되면서 구성 부품에 대하여도 지리적 설치조건에 맞는 성능을 요구하고 있다. 그 중 변압기는 육상풍력발전기에서는 나셀의 외부에 위치하였으나, 해상풍력발전기의 경우 지리적 제약으로 인하여 나셀의 내부에 위치하여야 한다. 변압기의 경우, 내부에 전기절연유가 들어가게 되는데 기존에 사용하던 광유(mineral oil)를 원료로 한 전기절연유는 누출 시 해양오염에 대한 위험과 육상에서와는 다르게 극심한 온도변화 때문에 해상용으로는 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 따라서 해상풍력발전기에 사용될 수 있는 변압기의 전기절연유 개발이 이루어져야 지속적인 해상풍력발전 개발이 이루어질 수 있을 것이다.
Inside the Nacelle of the wind turbine is a gear box for transmitting power, a generator for generating power by receiving the power, an inverter for changing the DC power to AC power, And a transformer for adjusting the size of the transformer. As wind power has expanded from land to sea, components are demanding performance that meets geographical installation conditions. Among them, the transformer is located outside the nacelle in the offshore wind turbine, but on the inside of the nacelle due to the geographical constraint in the offshore wind turbine. In the case of a transformer, the electric insulating oil is contained in the inside of the transformer. The electric insulating oil using the mineral oil as the raw material is not suitable for the marine environment due to the risk of marine pollution when leaking and the extreme temperature change It is known. Therefore, the development of electric insulation oil for transformers that can be used for offshore wind power generators should be able to develop sustainable offshore wind power generation.
전기절연유는 각종 전기기기가 고전압화 및 대용량화하는 경향에 따라 그에 상응하는 성능이 요구되어 왔고, 그 요구에 따라 주로 광유를 기본으로 하여 각종의 첨가물들이 첨가되어 그 요구조건에 부응하는 절연유로서 개발 사용되어 왔다.Electrical insulating oil has been required to have a performance corresponding to the tendency of various electric devices to be higher in voltage and capacity, and according to the demand, various additives are added mainly based on mineral oil and developed and used as an insulating oil satisfying the requirements Has come.
그 예로서 대한민국 특허공보 공고번호 특1994-0003803호는 광유계 절연유에 이중결합을 갖는 직쇄상 탄화수소화합물, 채종유, 에스테르화합물 중에서 선택된 화합물을 첨가하여 절연파괴 전압특성이 우수한 절연유를 공개하고 있으며, 일본국 특공소 63-4286호에서는 광유계 절연유에 불소계 유기화합물 를 첨가하여 절연파괴전압특성을 향상시키고자 하는 기술을 공개하고 있고, 동 특개소 69-84714호에서는 광유에 인산에스테르의 계면활성제를 첨가하는 기술을 공개하고 있다.As an example thereof, Korean Patent Publication No. 1994-0003803 discloses an insulating oil excellent in dielectric breakdown voltage characteristics by adding a compound selected from a linear hydrocarbon compound having a double bond to a mineral oil insulating oil, a seed oil, and an ester compound, Korean Patent Publication No. 63-4286 discloses a technique for improving the dielectric breakdown voltage characteristic by adding a fluorine-based organic compound to a mineral oil-based insulating oil, and in JP-A-69-84714, a surfactant of phosphoric acid ester is added to mineral oil Technology.
상기에서와 같이 광유를 주원료로 하여 각종의 첨가제를 첨가하여 절연파괴전압 특성 등을 향상시키는 기술의 개발에 의하여 광유계 전기절연유의 전기적 특성에 많은 발전이 이루어 전기절연유의 수명연장 등에 많은 기여가 있었으나, 전기절연유의 경우 충분한 사용 후에는 변압기 등으로부터 열화된 전기절연유를 회수하고 회수된 오일을 정제 및 재생처리를 하여 새로운 절연유와 혼용하여 사용하거나 폐기하여야 한다.As described above, the development of the technology for improving the dielectric breakdown voltage characteristics by adding various additives with the mineral oil as the main raw material has led to much improvement in the electrical characteristics of the mineral oil electric insulating oil, which contributed to the extension of the life of the electric insulating oil In the case of electric insulating oil, the electric insulating oil deteriorated from the transformer or the like should be recovered after sufficient use, and the recovered oil should be used or dismantled in combination with new insulating oil.
재생이 불가능하여 용도가 폐기되는 전기절연유의 경우 첨가제로서 첨가되는 항산화제 등으로 인하여 쉽게 연소되지 않고 또 연소시키는 경우 다이옥신 등의 공해물질이 발생되는 환경오염을 일으키는 문제가 있다.In the case of electric insulating oil which can not be regenerated and is discarded due to its use, it is not easily burned due to an antioxidant added as an additive, etc., and there is a problem that pollution such as dioxin is generated when environmental pollution occurs.
따라서, 근자에는 친환경적인 전기절연유의 개발이 요구되고 있는 실정이며, 그와 같은 요구에 따라, 미합중국 특허 제5,958,851호에서는 올레인산을 함유하는 대두유를 주원료로 하여 이를 수소화 또는 메틸에스테르화하고 산화방지제를 첨가하여 트랜스유로 사용하고자 하는 기술을 공개하고 있다.Accordingly, in recent years, there has been a demand for development of environmentally friendly electric insulating oil. According to such a request, US Pat. No. 5,958,851 discloses a process for hydrogenating or methyl esterifying soybean oil containing oleic acid as its main raw material, And the technology to use the trans-shafts is disclosed.
또한, 미합중국 특허 제5,949,017호에서는 75%이상의 올레인산트리글리세라이드와 탄소수 16 내지 22의 불포화지방산, 탄소수 16 내지 22의 포화지방산 및 항산화제로 구성되는 식물성 오일을 광유 등과 혼합하여 트랜스유로 사용함을 공개하고 있으며, 이와 같은 올레인산의 함량을 갖는 식물성 오일로서 해바라기 기름, 올리브유, 홍화유 등을 예로 들고 있다.In addition, US Pat. No. 5,949,017 discloses the use of a trans-oil by mixing 75% or more of oleic acid triglyceride, vegetable oil composed of unsaturated fatty acids having 16 to 22 carbon atoms, saturated fatty acids having 16 to 22 carbon atoms and an antioxidant, Examples of vegetable oils having such an oleic acid content include sunflower oil, olive oil, safflower oil, and the like.
상기 미국특허 제5,949,017호로부터 공지된 절연유는 올레인산 트리글리세라이드와 같은 에스테르화합물을 함유하고 있어 고온에서 물과 접촉이 되는 경우에는 가수분해에 대한 안정성이 떨어지는 문제점을 내포하고 있으며, 가격이 비싸다고 하는 문제가 있기는 하나, 식물성 오일을 광유등과 혼합하여 생분해성을 향상시킨 효과가 있다.The insulating oil known from the above-mentioned U.S. Patent No. 5,949,017 contains an ester compound such as oleic acid triglyceride, and when it comes into contact with water at a high temperature, the stability against hydrolysis is low. However, it has an effect of improving the biodegradability by mixing vegetable oil with mineral oil and the like.
그러나 고전압의 전기절연유로 사용하는데는 아직 식물성 오일만으로 사용이 되고 있지 않은 것이 현실이며, 식물성 오일이 전기절연유로서 고압에 견디기 위하여는 높은 인화점과 낮은 유동점이 확보될 필요가 있다.
However, it is a fact that it is not used only as vegetable oil for high voltage electrical insulation oil. In order to withstand high pressure as a vegetable oil as electric insulating oil, it is necessary to secure a high flash point and a low pour point.
한편, 폴리올 에스터의 에스터기(-COO-)는 폴리올 에스터 오일이 외부로 특히 해양으로 누출되었을 때, 미생물의 첫 번째 공격점이 되기 때문에 기존의 광유구조에 비해 생분해되는 속도가 빠르다. 또한 구조상 직선형의 탄소사슬 구조라면 분지형의 탄소 사슬구조에 비해 생분해 속도가 더 빠르다. 이는 미생물의 대사과정 (Metabolism)에서 직선형을 먹이로 용이하게 분해하기 때문이다. 따라서 합성 반응 후에 직선형의 폴리올 에스터가 된다면, 누출에 대한 위험을 줄일 수 있을 것으로 보여진다.
On the other hand, the ester group (-COO-) of the polyol ester has a faster rate of biodegradation than the conventional mineral oil structure because the polyol ester oil leaks to the outside, especially to the ocean, as the first attack point of the microorganism. In addition, if the structure has a linear carbon chain structure, the biodegradation rate is faster than that of the branched carbon chain structure. This is because the metabolism of microorganisms is easily decomposed into linear and prey. Therefore, if the polyol ester is a linear polyol ester after the synthesis reaction, the risk of leaking can be reduced.
이에, 본 발명자들은 이러한 점에 착안하여 식물성 전기절연유로서 사용하기 위한 폴리올 에스터를 제조하고자 노력한 결과, 지방산으로는 올레익 산, 폴리올으로는 트리메틸올 프로판(TMP)을 선정하고, 촉매로서 KF/HAP 촉매를 이용하여 인화점과 유동점 특징을 동시에 높일 수 있는 트리메틸올 프로판 에스터의 제조를 완성하게 되었다.
The present inventors have made efforts to produce a polyol ester for use as a vegetable electric insulating oil. As a result, oleic acid as a fatty acid and trimethylolpropane (TMP) as a polyol were selected, and KF / HAP The preparation of trimethylolpropane ester, which can simultaneously enhance the flash point and pour point characteristics, has been completed using a catalyst.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 KF/HAP 촉매를 이용한 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다. In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a process for producing trimethylolpropane ester using a KF / HAP catalyst.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 의해 제조된 트리메틸올 프로판 에스터를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
The present invention also provides a trimethylolpropane ester prepared by the above process.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 양태로서, In order to solve the above problems, the present invention provides, as one aspect,
촉매 지지체로서 수산화인회석(HAP)에 KF가 담지된 KF/HAP 촉매를 제조하는 제1단계; 및 트리메틸올 프로판(TMP)을 상기 KF/HAP 촉매 존재 하에서 올레익산과 에스테르화 반응시켜 트리메틸올 프로판 에스터(TMP-ester)를 제조하는 제2단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법을 제공한다.A first step of preparing a KF / HAP catalyst carrying KF on hydroxyapatite (HAP) as a catalyst support; And a second step of esterifying trimethylol propane (TMP) with oleic acid in the presence of the KF / HAP catalyst to produce trimethylolpropane ester (TMP-ester). And a process for producing the useful trimethylolpropane ester.
또한 바람직하게는, 상기 KF/HAP 촉매는 HAP에 KF가 30-40 중량% 담지된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the KF / HAP catalyst is characterized in that 30-40 wt% of KF is supported on the HAP.
또한 바람직하게는, 트리메틸올 프로판과 올레익산의 반응 몰비는 1:3인 것을 특징으로 한다.Preferably, the reaction molar ratio of trimethylolpropane to oleic acid is 1: 3.
또한 바람직하게는, KF/HAP 촉매의 첨가량은 올레익산 기준으로 2~10 중량%인 것을 특징으로 한다.Preferably, the amount of the KF / HAP catalyst added is 2 to 10% by weight based on oleic acid.
또한 바람직하게는, 트리메틸올 프로판과 올레익산의 에스테르화 반응 온도는 200-300 ℃인 것을 특징으로 한다.Preferably, the esterification reaction temperature of trimethylolpropane and oleic acid is 200-300 占 폚.
또한 바람직하게는, 트리메틸올 프로판과 올레익산의 에스테르화 반응 시간은 3-5시간인 것을 특징으로 한다.
Further, the esterification reaction time of trimethylolpropane and oleic acid is preferably 3-5 hours.
상기 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다른 양태로서,According to another aspect of the present invention,
촉매 지지체로서 수산화인회석(HAP)에 KF가 담지된 KF/HAP 촉매를 제조하는 제1단계; 및 트리메틸올 프로판(TMP)을 상기 KF/HAP 촉매 존재 하에서 올레익산과 에스테르화 반응시켜 트리메틸올 프로판 에스터(TMP-ester)를 제조하는 제2단계;를 포함하여 이루어지는 제조 방법에 의해 제조된, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터를 제공한다.
A first step of preparing a KF / HAP catalyst carrying KF on hydroxyapatite (HAP) as a catalyst support; And a second step of esterifying trimethylolpropane (TMP) with oleic acid in the presence of the KF / HAP catalyst to produce trimethylolpropane ester (TMP-ester). An electrically insulating useful trimethylol propane ester is provided.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법은 KF/HAP 촉매를 이용함으로써 다른 촉매와는 달리 트리메틸올 프로판 에스터 합성 후 올레이트(oleate) 등의 부산물을 형성하지 않으므로 반응 안정성을 높이며, 불균일 촉매를 사용하여 촉매 회수가 용이하고, 공정이 단순하여 대량생산이 용이하다.As described above, the method of producing trimethylolpropane ester according to the present invention does not form by-products such as oleate after the synthesis of trimethylolpropane ester by using a KF / HAP catalyst, thereby improving the reaction stability , Catalyst recovery is easy by using a heterogeneous catalyst, and the process is simple and mass production is easy.
또한, 제조된 트리메틸올 프로판 에스터는 식물성 성분이므로 자연상태에서 자연계에 존재하는 미생물에 의하여 용이하게 분해될 수 있으므로 누출 또는 폐기시 미생물에 의한 분해가 용이하고, 인화점 및 유동점 특성이 각각 268 ℃와 -37.5 ℃로서 둘 다 비교적 높은 성능을 나타내므로, 변압기 등에서 식물성 전기절연유로서 유용하게 사용될 수 있다.
Since the trimethylolpropane ester produced is a vegetable component, it can be easily decomposed by microorganisms existing in nature in a natural state. Therefore, it is easy to decompose by microorganisms at the time of leakage or disposal, and the flash point and pour point characteristics are 268 & 37.5 캜, both of which show relatively high performance, and thus can be usefully used as a vegetable electric insulating oil in a transformer or the like.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 KF/HAP 촉매의 FE-SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 KF/HAP 촉매의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 KF/HAP 촉매의 KF 피크(2θ=33.6ㅀ)를 부근의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 비교예에 따라 촉매로서 ZnO을 사용하여 제조된 트리메틸올 프로판 에스터의 Zn-oleate를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 비교예에 따라 다원계 촉매를 사용하여 제조된 트리메틸올 프로판 에스터를 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 KF 담지율의 변화에 대하여 제조된 TMP 에스터의 인화점의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 KF 담지율의 변화에 대하여 제조된 TMP 에스터의 유동점의 변화를 나타내는 그래프이다.1 is an FE-SEM image of a KF / HAP catalyst prepared according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the XRD pattern of a KF / HAP catalyst prepared according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the XRD pattern near the KF peak (2? = 33.6 ㅀ) of the KF / HAP catalyst prepared according to one embodiment of the present invention.
4 is a photograph showing Zn-oleate of trimethylolpropane ester prepared by using ZnO as a catalyst according to a comparative example of the present invention.
FIG. 5 is a photograph showing trimethylolpropane ester prepared using a multi-component catalyst according to a comparative example of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a graph showing the change of the flash point of the TMP ester prepared with respect to the change of the KF supporting ratio according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a graph showing the change of the pour point of the TMP ester prepared for the change of the KF supporting ratio according to an embodiment of the present invention. FIG.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법은The process for producing trimethylolpropane ester according to the present invention comprises
(a) 촉매 지지체로서 수산화인회석(HAP)에 KF가 담지된 KF/HAP 촉매를 제조하는 제1단계; 및 (a) a first step of preparing a KF / HAP catalyst carrying KF on hydroxyapatite (HAP) as a catalyst support; And
(b) 트리메틸올 프로판(TMP)을 상기 KF/HAP 촉매 존재 하에서 올레익산과 에스테르화 반응시켜 트리메틸올 프로판 에스터(TMP-ester)를 제조하는 제2단계;를 포함한다.
(b) a step of esterifying trimethylol propane (TMP) with oleic acid in the presence of the KF / HAP catalyst to produce trimethylolpropane ester (TMP-ester).
본 발명에 따른 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법에 있어서, 제1단계는 KF/HAP 촉매를 제조하는 단계이다.In the method for producing trimethylolpropane ester according to the present invention, the first step is a step of preparing a KF / HAP catalyst.
통상적으로 에스테르화 반응을 시킴에 있어서는 황산, 염산 등의 산촉매 또는 수산화나트륨, 나트륨메톡사이드, 수산화칼륨 등의 알칼리촉매가 많이 사용되고 있으나, 산촉매의 경우에 있어서는 층분리 현상을 일으키게 되어 계면에서 반응이 일어나게 되므로 반응속도가 늦고 반응을 촉진시키기 위하여는 격렬한 교반과 계외로 물을 제거해야하는 번거로움이 따르게 되고, 알칼리촉매를 사용하는 경우에는 비교적 높은 수율로 얻을 수 있고 안정하게 반응을 진행시킬 수 있는 점은 있으나, 식물유의 알칼리에 의한 검화로 인하여 주의를 기울이지 않으면 수율이 낮아진다고 하는 문제가 있다.Generally, in the esterification reaction, an acid catalyst such as sulfuric acid, hydrochloric acid, or an alkali catalyst such as sodium hydroxide, sodium methoxide, or potassium hydroxide is widely used. In the case of an acid catalyst, however, a layer separation phenomenon occurs, The reaction rate is slow, and in order to accelerate the reaction, it is necessary to vigorously stir and to remove the water outside the system, and in the case of using the alkali catalyst, the reaction can be obtained at a relatively high yield and the reaction can be stably carried out However, there is a problem that the yield is lowered if attention is not paid due to the saponification of the vegetable oil by the alkali.
또한, 종래의 문헌 상에서 에스테르화 반응에 사용될 때 반응성이 좋다는 산화금속 촉매를 이용하는 경우에는 이후 트리메틸올 프로판 에스터 제조시 올레이트(oleate) 등의 부산물을 형성하는 문제가 있다.Further, in the case of using a metal oxide catalyst, which is excellent in reactivity when used in the esterification reaction in the conventional literature, there is a problem of forming by-products such as oleate in the production of trimethylolpropane ester thereafter.
그러나, 본 발명에 따른 KF/HAP 촉매의 경우, 합성 반응에 안정한 HAP를 지지체로 하여 활성 촉매인 KF를 담지하여 촉매를 제조함으로써, 트리메틸올 프로판 에스터 제조시 부산물을 형성하지 않아 안정적으로 트리메틸올 프로판 에스터를 제조할 수 있음을 발견하였다(실험예 1 참조).However, in the case of the KF / HAP catalyst according to the present invention, by using a HAP which is stable in the synthesis reaction as a support, KF as an active catalyst is supported to produce a catalyst. Byproducts are not formed during the production of trimethylolpropane ester, Ester (see Experimental Example 1).
이때, 상기 KF/HAP 촉매는 HAP에 KF가 35-45 중량% 담지된 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 상기 KF 함량에서 촉매의 기공 크기가 가장 크고, 올레익산의 전환율 또한 90% 이상으로 높게 나타났기 때문이다(실험예 3 참조).At this time, it is preferable to use the KF / HAP catalyst having 35-45 wt% of KF supported on HAP, which has the largest pore size of the catalyst in the KF content and the conversion rate of oleic acid is more than 90% (See Experimental Example 3).
또한, KF/HAP 촉매 제조시 촉매 지지체로서 수산화인회석(HAP)에 KF를 담지하는 방법에 있어서, 단순 침적법과 과잉 용액 침적법을 모두 사용할 수 있으나, 두 방법이 반응성에서 많은 차이를 보이지 않기 때문에, 대량 생산시에는 공정의 단순함과 경제성을 고려하여 과잉 용액 함침법으로 KF를 담지하는 것이 바람직하다(실험예 5 참조).
In addition, in the method of supporting KF on hydroxyapatite (HAP) as a catalyst support in the production of the KF / HAP catalyst, both the simple deposition method and the excess solution deposition method can be used. However, since the two methods do not show much difference in reactivity, In mass production, it is preferable to carry out KF by an excess solution impregnation method considering the simplicity of the process and economical efficiency (see Experiment Example 5).
다음으로, 제2단계는 상기 제1단계에서 제조된 KF/HAP 촉매를 이용하여 트리메틸올 프로판(TMP)을 올레익산과 에스테르화 반응시켜 트리메틸올 프로판 에스터(TMP-ester)를 제조하는 단계이다.Next, in the second step, trimethylol propane (TMP) is esterified with oleic acid using the KF / HAP catalyst prepared in the first step to prepare trimethylolpropane ester (TMP-ester).
상기 단계에서 트리메틸올 프로판과 올레익산의 반응 몰비는 1:3의 정량비를 사용하는 것이 바람직한데, 만일 상기 범위를 벗어나 올레익산을 과량으로 사용할 경우에는 올레익산의 입체효과로 인해 반응성이 저하되는 문제가 있다.In the above step, the reaction molar ratio of trimethylolpropane to oleic acid is preferably 1: 3. If oleic acid is used in excess, the reactivity is lowered due to the steric effect of oleic acid. there is a problem.
또한, KF/HAP 촉매의 첨가량은 올레익산 기준으로 2~10 중량%인 것이 바람직한데, 만일 KF/HAP 촉매의 첨가량을 2 중량% 미만으로 사용하는 경우에는 에스테르화 반응 자체가 잘 일어나지 않는 문제가 있고, 10 중량%를 초과하는 경우에는 촉매의 증가에 대하여 반응성이 증가하지 않아 촉매가 낭비되는 문제가 있다.The addition amount of the KF / HAP catalyst is preferably 2 to 10% by weight based on the oleic acid. If the amount of the KF / HAP catalyst is less than 2% by weight, the esterification reaction itself does not occur If it is more than 10% by weight, the reactivity does not increase with the increase of the catalyst, and the catalyst is wasted.
나아가, 트리메틸올 프로판과 올레익산의 에스테르화 반응 온도는 200-300 ℃인 것이 바람직하며, 반응 시간은 3-5시간인 것이 바람직하다.Furthermore, the esterification reaction temperature of trimethylolpropane and oleic acid is preferably 200-300 ° C, and the reaction time is preferably 3-5 hours.
트리메틸올 프로판과 올레익산의 에스테르화 반응에서 반응 온도를 200℃ 이하로 진행하는 경우에는 에스테르화 반응이 완전하게 이루어지지 않아 잔류 지방산과 폴리올이 혼합이 된 상태로 존재하게 되는 문제가 발생이 되고, 지방산인 올레익산(oleic acid)의 끓는점(boiling point)이 360 ℃인 것을 생각하였을 때, 지방산의 증발을 막기 위해 최대 반응 온도는 300 ℃이하로 설정해주어야 할 것이다.In the esterification reaction of trimethylolpropane and oleic acid, when the reaction temperature is lowered to 200 ° C or less, the esterification reaction is not completely carried out, so that the residual fatty acid and the polyol are present in a mixed state, Considering that the boiling point of fatty acid oleic acid is 360 ° C, the maximum reaction temperature should be set to 300 ° C or less in order to prevent evaporation of fatty acid.
또한, 이와 같은 온도조건 하에서 반응시간을 3시간 미만으로 종료하는 경우에는 낮은 에스테르화에 의하여 반응이 완전히 이루어지지 않아 인화점 및 유동점에 문제가 있고 5시간을 초과하여 반응을 시키게 되면 장시간의 고온반응으로 인한 색상 및 제조물의 성상 저하를 일으키며, 원가 상승의 한 요인으로 작용하게 되므로 3시간 내지 5시간의 범위 내에서 반응을 종료시키는 것이 바람직하다.
When the reaction time is less than 3 hours under such a temperature condition, the reaction is not completely carried out due to the low esterification and there is a problem in the flash point and the pour point. If the reaction is carried out for more than 5 hours, It is preferable to terminate the reaction within the range of 3 hours to 5 hours, since it causes deterioration in the color and properties of the product caused by the coloring and acts as a factor of cost increase.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 의해 제조된, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터를 제공한다.In addition, the present invention provides a vegetable electrically insulating useful trimethylolpropane ester prepared by the above production method.
상기 트리메틸올 프로판 에스터는 본 발명에 따른 KF/HAP 촉매를 이용하여 제조함에 특징이 있으며, 양 발명의 공통된 내용은 반복 기재에 따른 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
The trimethylolpropane ester is characterized in that it is prepared using the KF / HAP catalyst according to the invention, and the common description of both inventions is omitted in order to avoid the excessive complexity of the specification according to the repetitive description.
본 발명에 따른 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법은 KF/HAP 촉매를 이용함으로써 다른 촉매와는 달리 트리메틸올 프로판 에스터 합성 후 올레이트(oleate) 등의 부산물을 형성하지 않으므로(실험예 1, 도 4 및 도 5 참조), 반응 안정성을 높이며, 불균일 촉매를 사용하여 촉매 회수가 용이하고, 공정이 단순하여 대량생산이 용이하다.Since the trimethylolpropane ester according to the present invention does not form by-products such as oleate after the synthesis of the trimethylolpropane ester by using the KF / HAP catalyst, unlike the other catalysts (Experimental Example 1, See FIG. 5), the reaction stability is enhanced, catalyst recovery using a heterogeneous catalyst is easy, and the process is simple, thereby facilitating mass production.
또한, 제조된 트리메틸올 프로판 에스터는 식물성 성분이므로 자연상태에서 자연계에 존재하는 미생물에 의하여 용이하게 분해될 수 있으므로 누출 또는 폐기시 미생물에 의한 분해가 용이하고, 인화점 및 유동점 특성이 각각 268 ℃와 -37.5 ℃로서 둘 다 비교적 높은 성능을 나타내므로, 변압기 등에서 식물성 전기절연유로서 유용하게 사용될 수 있다.
Since the trimethylolpropane ester produced is a vegetable component, it can be easily decomposed by microorganisms existing in nature in a natural state. Therefore, it is easy to decompose by microorganisms at the time of leakage or disposal, and the flash point and pour point characteristics are 268 & 37.5 캜, both of which show relatively high performance, and thus can be usefully used as a vegetable electric insulating oil in a transformer or the like.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하기로 하나, 이러한 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but these examples should not be construed as limiting the scope of the present invention.
<실시예> KF/HAP 촉매를 이용한 트리메틸올 프로판(TMP) 에스터의 제조EXAMPLES Preparation of trimethylolpropane (TMP) ester using KF / HAP catalyst
1. KF/HAP 촉매 제조1. Preparation of KF / HAP catalyst
<1-1> 촉매 지지체 제조<1-1> Preparation of Catalyst Support
상기 촉매 지지체로서 수산화인회석(Hydroxyapatite; HAP)을 침전법(precipitation method)을 이용하여 합성하였다. 구체적으로, Ca(NO3)2·4H2O 0.2 mol/L 용액에 (NH4)2HPO4 0.2 mol/L 용액을 2 mL/min의 속도로 적가(drop-wise)하여 반응시켰다. 반응 중의 교반속도는 200 rpm, 온도는 70 ℃를 유지하였다. 적가가 완료된 후에는 암모니아수를 투입시켜 혼합물의 pH를 10.5로 조절하였다. 반응은 70 ℃에서 2시간 동안 진행하였으며, 반응 완료 후 24시간 동안 상온에서 숙성(aging)시켰다. 여과 후 증류수(distilled water)를 이용하여 세척하였으며, 세척된 샘플은 110 ℃에서 12시간 동안 건조시킨 후, 900 ℃에서 4시간 동안 소성시켜 HAP를 제조하였다.
Hydroxyapatite (HAP) was synthesized by the precipitation method as the catalyst support. Specifically, a 0.2 mol / L solution of (NH 4 ) 2 HPO 4 was dropwise added at a rate of 2 mL / min to a 0.2 mol / L solution of Ca (NO 3 ) 2 .4H 2 O and reacted. The stirring speed during the reaction was 200 rpm and the temperature was maintained at 70 캜. After the addition was completed, the pH of the mixture was adjusted to 10.5 by adding ammonia water. The reaction was carried out at 70 DEG C for 2 hours and aged at room temperature for 24 hours after completion of the reaction. After filtration, the sample was washed with distilled water. The washed sample was dried at 110 ° C. for 12 hours and then calcined at 900 ° C. for 4 hours to prepare HAP.
<1-2> HAP 지지체에 KF 담지≪ 1-2 > Carrying KF on HAP support
활성촉매를 지지체에 담지하는 방법으로 단순 침적법(wet impregnation method)과 과잉 용액 함침법(excess wet impregnation method)의 두 가지를 사용하여 제조하였다.The active catalyst was supported on a support using two methods, a wet impregnation method and an excess wet impregnation method.
본 발명에서 사용된 단순침적법의 제조방법은 다음과 같다. HAP의 제조가 완료된 후 각각의 KF 10 중량%, KF 20 중량%, KF 30 중량%, 40 중량% 수용액을 이용하여 소성 완료된 HAP의 세공에 흡수될 수 있는 양 만큼만 가하여 금속염(KF)을 HAP에 담지시켰다. 이를 촉매로서 사용하기 위해서 110 ℃에서 12시간 건조시킨 후, 400 ℃, 4시간 동안 소성시켜 사용하였다. 제조한 촉매는 KF의 담지 비율에 따라 S-KF(10%)/HAP, S-KF(20%)/HAP, S-KF(30%)/HAP, S-KF(40%)/HAP라고 명명하였다.The method of producing the simple deposition method used in the present invention is as follows. After the preparation of the HAP was completed, the metal salt (KF) was added to the HAP in an amount sufficient to be absorbed into the pores of the fired HAP by using each of
본 발명에서 사용된 과잉 용액 함침법의 제조방법은 다음과 같다. 우선 HAP의 질량기준으로 KF의 담지량을 계산하여 그 양만큼의 KF를 과량의 증류수에 용해시킨다. HAP를 KF 수용액에 투입한 후 진공상태에서 서서히 승온하여 수용액이 넘치지 않을 정도의 온도에서 약 4시간 동안 가열하여 수분을 완전히 증발시킨다. 제조한 촉매를 105 ℃의 오븐에서 12시간 정도 건조시킨 후, 400 ℃, 4시간 동안 소성시켜 사용하였다. 제조된 촉매는 KF의 담지 비율에 따라 E-KF(10%)/HAP, E-KF(20%)/HAP, E-KF(30%)/HAP, E-KF(40%)/HAP라고 명명하였다.
The method of preparing the excess solution impregnation method used in the present invention is as follows. First, the loading amount of KF is calculated based on the mass of HAP, and the amount of KF is dissolved in the excess amount of distilled water. HAP is added to KF aqueous solution, and the temperature is gradually raised in a vacuum state, and the mixture is heated at a temperature at which the aqueous solution does not overflow for about 4 hours to completely evaporate the water. The prepared catalyst was dried in an oven at 105 DEG C for about 12 hours, and then calcined at 400 DEG C for 4 hours. HAP, E-KF (20%) / HAP, E-KF (30%) / HAP and E-KF (40%) / HAP depending on the loading ratio of KF Respectively.
2. TMP 에스터 합성2. TMP ester synthesis
유리로 된 2 L 둥근바닥 플라스크에 트리메틸올 프로판(TMP, 97%, sigma-aldrich) 0.59몰과 올레익산(>90%, sigma-aldrich) 1.77몰을 넣고, 일정 속도로 교반시키면서 반응 온도를 200 ℃로 하여 가열한 후, 앞에서 제조한 KF/HAP 촉매를 올레익산 기준으로 2 중량%를 투입하였다. 반응물인 올레익산과 트리메틸올 프로판의 비율은 3 : 1 (정량)의 몰비로 투입하여 반응을 진행하였다. 반응 온도 및 교반속도는 일정하게 하였으며, 반응시간을 3-5시간에 걸쳐 합성 실험을 진행하였다. 합성 종료 후 감압필터를 통하여 촉매를 분리하여 지방산의 함량을 계산하여 전환율을 확인하였다.
0.59 mol of trimethylol propane (TMP, 97%, sigma-aldrich) and 1.77 mol of oleic acid (> 90%, sigma-aldrich) were placed in a glass 2 L round bottom flask and the reaction temperature was adjusted to 200 Deg.] C, and then 2 wt% of the KF / HAP catalyst prepared above was added thereto based on oleic acid. The reaction was carried out at a molar ratio of 3: 1 (quantitative) of the reaction mixture, oleic acid and trimethylol propane. The reaction temperature and stirring speed were kept constant and the reaction time was 3-5 hours. After completion of the synthesis, the catalyst was separated through a pressure - reducing filter to calculate the conversion of fatty acids.
<촉매 분석><Catalytic Analysis>
A. 전계 방출형 주사 전자현미경 (FE-SEM) 분석A. Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) analysis
제조된 촉매의 입자 형태 및 원소 분포상태를 살펴보기 위하여 원소분석기(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)가 장착된 전계 방출형 주사 전자현미경 (Field Emission Scanning Electron Microscope, SU8020, Hitachi, Japan)을 사용하여 측정한, 후 그 이미지를 도 1에 나타내었다.The particle shape and the element distribution state of the prepared catalyst were measured using a Field Emission Scanning Electron Microscope (SU8020, Hitachi, Japan) equipped with an element analyzer (Energy Dispersive Spectroscopy, EDS) , And the resulting image is shown in Fig.
도 1에 있어서, (a)는 소성 과정 이전의 HAP를 나타낸 것이고, (b)는 소성 과정 후의 HAP를 나타낸다. (c)는 E-KF(10%)/HAP, (d)는 E-KF(20%)/HAP, (e)는 E-KF(30%)/HAP, (f)는 E-KF(40%)/HAP, 그리고, (g)는 E-KF(50%)/HAP를 나타낸다.In FIG. 1, (a) shows the HAP before the firing process, and (b) shows the HAP after the firing process. (c) is E-KF (10%) / HAP, (d) is E-KF (20%) / HAP, 40%) / HAP, and (g) E-KF (50%) / HAP.
도 1에 나타낸 바와 같이, HAP는 소성 전에는 양끝이 뾰족한 기둥형에서 소성 후 양끝이 둥글고 넙적한 기둥형으로 변형됨을 관찰하였다. 이는 소성이 진행됨에 따라 입자의 소결현상에 의해 그레인(grain)이 형성되어지면서 나타나는 현상으로 유추된다. 이 때 형성된 HAP입자의 크기는 가로 약 300 nm, 높이 약 200 nm로 확인되었다. 또한, KF의 담지량이 증가할수록 입자의 형상은 육각기둥모양에서 원형모양으로 변형되는 것을 전자현미경 이미지에서 확인할 수 있었다. 이는 KF 담지량이 증가할수록 KF가 HAP의 표면에 고르게 분포함으로써 나타나는 결과로 보여진다.As shown in FIG. 1, the HAP was observed to be deformed into a columnar shape with both ends being sharp before firing, and a columnar shape with both ends rounded and flared after firing. This is inferred from the fact that as the sintering progresses, grains are formed by sintering of the particles. The size of the HAP particles formed was about 300 nm in width and 200 nm in height. Also, as the amount of KF was increased, the shape of the particles was changed from a hexagonal columnar shape to a circular shape. This is because KF is distributed evenly on the surface of HAP as KF loading increases.
또한, 전자현미경 이미지에서는 KF에 대한 어떤 형태의 입자도 발견되지 않았으므로 HAP 지지체에 KF가 잘 담지되어 있다고 할 수 있다. 이 때 제조된 KF 담지 HAP 촉매의 입자 크기는 평균 172 nm로 분포되어 있었다.
In addition, KF was well supported on the HAP scaffold since no particle of KF was found in the electron microscope image. The average particle size of the KF supported HAP catalyst was 172 nm.
B. XRD(X-ray Diffraction) 분석B. X-ray Diffraction (XRD) analysis
제조된 촉매의 결정모양 및 크기를 확인하기 위하여 X선 회절 분석기(X-ray, diffraction analysis, XRD, D/MAC 2500-V/PC, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석을 행하였으며, 40 kV, 30 mA에서 Cu-Kα(λ=1.5405Å)을 사용하여 스캔속도를 5 ℃/min으로 2θ값을 20 - 90ㅀ범위에서 측정하였다. XRD 분석결과 중 촉매의 주피크 반폭치 (FWHM)를 측정하였고, 하기 수학식 1의 Scherrer 방정식을 통해 촉매의 입자 크기를 확인하였다.Analysis was performed using an X-ray diffractometer (XRD, D / MAC 2500-V / PC, Rigaku, Japan) to determine the crystal shape and size of the prepared catalyst. At 20 mA, Cu-Kα (λ = 1.5405 Å) was used to measure the scan speed at 5 ° C / min and the 2θ value in the range of 20-90 ㅀ. The main peak half width (FWHM) of the catalyst in the result of XRD analysis was measured, and the particle size of the catalyst was confirmed by the Scherrer equation of the following equation (1).
여기서 L은 결정크기, λ는 X-방사선의 파장, θ는 브래그 각(Bragg angle), B는 반가폭(FWHM, radian)이다.Where L is the crystal size, λ is the wavelength of the X-radiation, θ is the Bragg angle, and B is the half-width (FWHM, radian).
그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.The results are shown in Fig. 2 and Fig.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, KF 담지량이 증가할수록 결정성이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞서 전자현미경(FE-SEM) 이미지에서도 확인한 것과 같이, 촉매의 결정성이 감소하는 것은 촉매의 형상이 육각기둥모양에서 원형모양으로 변형되는 결과와 일치한다.As shown in FIG. 2 and FIG. 3, it was confirmed that the crystallinity decreases as the amount of KF supported increases. The decrease in the crystallinity of the catalyst is consistent with the result that the shape of the catalyst is deformed from a hexagonal columnar shape to a circular shape as previously confirmed in an electron microscope (FE-SEM) image.
제조된 지지체인 HAP의 XRD 피크는 대부분 2θ = 20-60ㅀ사이에서 나타났으며, JCPDS 9-0432의 hydroxyapatite 스펙트럼으로 확인하였다. 이를 KF가 담지된 촉매와 비교하여 보면 피크의 차이가 없었으며, KF의 특성피크(2θ=33.6ㅀ)는 관찰되지 않았다. 이는 KF가 잘 분산되어 있어서 커다란 클러스터를 형성하지 않는다는 것을 의미한다. KF가 담지된 촉매의 XRD 패턴은 각각의 촉매가 단일상의 결정을 가지고 있음을 나타내었다.
The XRD peak of HAP prepared was mostly between 2θ = 20-60 으며 and confirmed by the hydroxyapatite spectrum of JCPDS 9-0432. Compared with the KF-supported catalyst, there was no difference in peak, and the characteristic peak of KF (2θ = 33.6 ㅀ) was not observed. This means that KF is well dispersed and does not form large clusters. The XRD patterns of KF-loaded catalysts indicated that each catalyst had a single phase crystal.
C. 산-염기 특성 및 기공 부피/직경 분석C. Acid-base characterization and pore volume / diameter analysis
암모니아 승온탈착법(NH3-Temperature Programmed Desorption, NH3-TPD, Autochem II 2920, Micromeritics, USA)과 이산화탄소 승온탈착법(CO2-Temperature Programmed Desorption, CO2-TPD, Autochem II 2920, Micromeritics, USA)를 이용하여 촉매의 산-염기 특성을 분석하였다. 암모니아 TPD의 측정 방법은 다음과 같다. 시료를 U자 모양의 석영 고정층 반응기에 정량하여 투입하여 준다. 순수한 헬륨 가스 (He gas)를 10 mL/min의 속도로 불어 넣어주면서 200 ℃까지 약 10 ℃/min의 속도로 승온하여 1시간 동안 유지시켜 전처리하였다. 전처리 후 온도를 50 ℃까지 냉각시켜 10분 동안 유지시켜 주었다. 이후 순수한 암모니아 가스(NH3 gas)로 50 mL/min의 속도로 다시 1시간 흘러 보내 촉매에 흡착을 시켰다. 흡착이 끝난 뒤 헬륨을 흘려주는 가운데 100 ℃에서 1시간 동안 물리 흡착된 암모니아를 제거하였다. 이후 30 ℃까지 냉각시킨 뒤 10 ℃/min의 속도로 800 ℃까지 승온시켜 탈착되어지는 암모니아양을 측정하여 촉매의 산 특성을 분석하였다. 이산화탄소 TPD의 측정도 동일한 조건에서 진행하였으며 탈착되어지는 이산화탄소양을 측정하여 촉매의 염기 특성을 분석하였다.
Ammonia temperature programmed desorption method (NH 3 -Temperature Programmed Desorption, NH 3 -TPD, Autochem II 2920, Micromeritics, USA) and carbon dioxide temperature programmed desorption method (CO 2 -Temperature Programmed Desorption, CO 2 -TPD, Autochem II 2920, Micromeritics, USA ) Was used to analyze the acid-base characteristics of the catalyst. The measurement method of ammonia TPD is as follows. The sample is injected into a U-shaped quartz fixed bed reactor. Pure helium gas (He gas) was blown at a rate of 10 mL / min while being heated to 200 ° C at a rate of about 10 ° C / min and maintained for 1 hour for pretreatment. After the pretreatment, the temperature was cooled to 50 DEG C and maintained for 10 minutes. Thereafter, pure ammonia gas (NH 3 gas) was flowed again at a rate of 50 mL / min for 1 hour to adsorb the catalyst. At the end of the adsorption, the heavily adsorbed ammonia was removed at 100 ° C for 1 hour while flowing helium. After cooling to 30 ° C, the temperature of the catalyst was elevated to 800 ° C at a rate of 10 ° C / min, and the amount of ammonia desorbed was measured to analyze the acid characteristics of the catalyst. The carbon dioxide TPD was also measured under the same conditions and the amount of carbon dioxide removed was analyzed to analyze the base characteristics of the catalyst.
또한, 제조된 촉매의 기공 부피와 직경을 측정하기 위하여 질소 흡·탈착 등온선 분석(surface area analyzer, ASAP2020, Micromeritics Instruments Corp., USA)을 수행하였다. 구체적으로, 시료를 1.0 g 이하로 취하여 질소분위기에서 승온속도를 10 ℃/min로 하여 250 ℃의 온도에서 4시간 동안 전처리하여 상온으로 냉각하였다. 전처리된 시료는 100 ℃에서 12시간 열처리 후, 77 K에서의 질소 흡착-탈착을 진행하여 흡착 등온선을 얻었다. 총 기공 부피와 직경은 P/Pㅀ= 0.05-0.2 범위 내에서 측정한 값으로 총 기공 부피와 기공 크기는 P/Pㅀ= 0.995에서의 흡착량으로 계산하였다.Nitrogen adsorption / desorption isotherm analysis (surface area analyzer, ASAP2020, Micromeritics Instruments Corp., USA) was performed to measure the pore volume and diameter of the prepared catalyst. Specifically, the sample was taken to be 1.0 g or less and pre-treated at a temperature raising rate of 10 캜 / min at a temperature of 250 캜 for 4 hours in a nitrogen atmosphere, and then cooled to room temperature. The pretreated specimens were annealed at 100 ℃ for 12 hours, and adsorption isotherms were obtained by proceeding nitrogen adsorption - desorption at 77 K. Total pore volume and diameter were measured in the range of P / P ㅀ = 0.05-0.2. Total pore volume and pore size were calculated as adsorption amount at P / P ㅀ = 0.995.
분석 결과는 하기 표 1에 나타내었다.The results of the analysis are shown in Table 1 below.
(m(m
22
/g)/ g)
(cm(cm
33
/g)/ g)
(nm)(nm)
(mmol/g)(mmol / g)
(mmol/g)(mmol / g)
(산점/염기점)(Acid / base point)
B:CO2의 TPD에 의해A: TPD by NH 3
B: by the TPD of CO 2
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 KF/HAP 촉매에 있어서, 촉매의 염기점보다 산점이 비교적 더 크게 측정되었으며 산점/염기점의 비율을 비교해 보았을 때, KF(40%)/HAP 촉매가 산점이 높아 그 비율이 가장 높게 나타났다.As shown in Table 1, in the case of the KF / HAP catalyst prepared according to the present invention, the acid point was measured to be larger than the base point of the catalyst and the ratio of the acid point / base point was found to be KF (40%) / HAP The ratio of catalyst was the highest because of the high acidity.
또한, 기공 부피와 기공 직경에 있어서, KF 담지량이 증가할수록 기공의 크기는 유사하였으나, 기공 크기는 KF의 담지량이 40 중량%에서 최대치로 확인되었다.As the pore volume and pore diameter increased, the pore size was similar with increasing KF loading, but the pore size was found to be the maximum at 40 wt% loading of KF.
위의 두 가지 실험 결과를 종합하여 볼 때 KF를 담지함에 따라 산점/염기점 비율이 증가하는 것을 알 수 있다.
Based on the results of the above two experiments, it can be seen that the ratio of acid / base point increases with the addition of KF.
<비교예 1-9> 다른 촉매를 이용한 TMP 에스터의 제조≪ Comparative Example 1-9 > Preparation of TMP ester using other catalyst
촉매로서 KF/HAP 촉매 대신, 에스테르화 반응에 사용될 때 반응성이 좋다는 산화금속촉매 ZnO, MgO, Al2O3, W/인산, Li/CaO, Mg/Ca/Y, Zn(7)/Al(3), Zn(3)/Al(1)/La(1), 또는 Zn(7)/La(3)를 사용하고, 반응시간 3시간, 반응 온도 160 ℃, TMP 대비 지방산 몰비 1:6, 지방산 대비 촉매 투여량 2중량%로 하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 수행하여 TMP 에스터를 제조하였다.
MgO, Al2O3, W / phosphoric acid, Li / CaO, Mg / Ca / Y, Zn (7) / Al (3), which are good in reactivity when used in the esterification reaction instead of KF / The reaction time was 3 hours, the reaction temperature was 160 ° C, the molar ratio of fatty acid to TMP was 1: 6, the ratio of fatty acid to the catalyst was 1: TMP ester was prepared in the same manner as in Example except that the dose was 2 wt%.
<실험예 1> TMP 에스터 합성시 촉매에 따른 영향Experimental Example 1 Effect of Catalyst on TMP Ester Synthesis
TMP 에스터 합성시 촉매가 미치는 영향을 알아보기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to investigate the effect of catalyst on TMP ester synthesis, the following experiment was conducted.
본 발명의 실시예를 따라 KF(20%)/HAP을 촉매로 사용한 경우, 또는 비교예의 촉매를 사용한 경우의 지방산의 에스터 전환율을 측정하고 제조된 TMP 에스터의 상태를 관찰하여 그 결과를 하기 표 2 및 도 4-5에 나타내었다.The ester conversion of fatty acid was measured in the case of using KF (20%) / HAP as a catalyst or in the case of using a catalyst of Comparative Example according to an embodiment of the present invention, and the state of the prepared TMP ester was observed. And Figs. 4-5.
(mgKOH/g)(mgKOH / g)
(%)(%)
표 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 촉매를 이용했을 때의 올레익산의 전환율을 비교해보면, ZnO는 82.93%, MgO는 59.98%, Al2O3는 20.11%로 ZnO를 사용했을 때 올레익산의 전환율이 가장 높게 측정되었다. 그러나 ZnO와 올레익산이 반응하여 도 4와 같이 Zinc-oleate라는 왁스 형태의 물질이 합성됨을 확인하였다. 또한 나머지 산화금속촉매를 이용했을 때도 ZnO와 마찬가지로 왁스 형태의 물질이 합성되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 산화금속촉매는 올레익산과 반응하여 왁스 형태의 물질을 합성하기 때문에, TMP 에스터 합성 반응에는 적절하지 않은 것으로 판단된다.As shown in Table 2, conversion of oleic acid by using each catalyst was as follows: ZnO was 82.93%, MgO was 59.98%, Al 2 O 3 was 20.11%, and the conversion rate of oleic acid Was the highest. However, it was confirmed that ZnO and oleic acid reacted to form a wax-like substance called Zinc-oleate as shown in FIG. Also, it was confirmed that wax-like substances were synthesized in the same manner as ZnO even when the remaining metal oxide catalysts were used. Therefore, it is considered that the metal oxide catalyst is not suitable for the TMP ester synthesis reaction because it reacts with oleic acid to synthesize a wax-like substance.
그 외에도 이원계 및 삼원계로 이루어진 다원계 촉매를 이용하여 TMP 에스터 합성 반응을 실시한 결과, 표 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 촉매에 대한 올레익산의 전환율은 W/인산 50.89%, Li/CaO 47.54%, Zn(7)/La(3) 57.15%, Zn(7)/Al(3) 51.11%, Zn(3)/Al(1)/La(1) 47.07%, Mg/Ca/Y 45.01%로 측정되었다. 하지만 도 5에 나타낸 바와 같이, 반응 후 합성물의 색상이 검은색을 띠고 있는 것으로 보아, 이원계 촉매를 이용했을 때에 올레익산의 산화가 빠르게 진행되는 것으로 보인다. 단순히 다원계 촉매를 이용했을 때에는 이 다원계 촉매들이 원료물질인 올레익산과 반응하여 각각 magnesium oleate, lanthanum oleate, alumium oleate, potassium oleate 등을 생성하게 된다. 따라서 위와 같은 다원계 촉매는 에스테르화 반응에 있어서 적합하지 않다고 예상할 수 있었다.As shown in Table 2, conversion of oleic acid to each catalyst was 50.89% for W / phosphoric acid, 47.54% for Li / CaO, (47.15%) of Zn (7) / La (3), 51.11% of Zn (7) / Al (3), 47.07% of Zn . However, as shown in FIG. 5, since the color of the compound after the reaction is black, oxidation of oleic acid seems to be accelerated when a binary catalyst is used. When using a multi-component catalyst, the multi-component catalyst reacts with oleic acid, which is a raw material, to produce magnesium oleate, lanthanum oleate, alumium oleate, and potassium oleate, respectively. Therefore, it was expected that the above-mentioned multi-component catalyst would not be suitable for the esterification reaction.
반면에, 본 발명에 따른 KF/HAP 촉매를 사용할 경우에는 다른 촉매들과는 달리 oleate를 형성하지 않았다. 따라서, 본 발명에 따른 KF/HAP 촉매를 사용할 경우 TMP 에스터 합성 반응에 있어서 안정성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
On the other hand, when using the KF / HAP catalyst according to the present invention, oleate was not formed unlike the other catalysts. Therefore, it can be seen that the stability of the TMP ester synthesis reaction can be secured by using the KF / HAP catalyst according to the present invention.
<실험예 2> TMP 에스터 합성시 지방산에 따른 영향<Experimental Example 2> Effect of fatty acids on the synthesis of TMP ester
TMP 에스터 합성시 지방산의 양이 미치는 영향을 알아보기 위하여, 지방산 (fatty acid)을 TMP 대비 정량 및 과량으로 투입하여 실험을 진행하여 지방산의 입체효과에 따른 반응성을 확인하였다. 반응 중 부생성물로 생성되는 물(H2O)의 양을 측정해본 결과, 지방산을 정량으로 반응하였을 때 12 mL 발생하였으며, 과잉으로 반응하였을 때, 9 mL 발생하였다. 지방산을 정량으로 하여 반응하였을 때가 지방산을 과량으로 하여 반응하였을 때보다 약 3 mL 정도 더 많이 생성되는 것을 확인할 수 있었다. In order to investigate the effect of the amount of fatty acid in the synthesis of TMP ester, fatty acid was injected in a fixed amount and excess amount with respect to TMP to confirm the reactivity according to the steric effect of the fatty acid. As a result of measuring the amount of water (H 2 O) generated as byproducts during the reaction, 12 mL was generated when the fatty acid was reacted in a quantitative manner, and 9 mL was generated when the reaction was excessive. It was confirmed that when the fatty acid was reacted in a quantitative manner, about 3 mL more was produced than when the fatty acid was reacted in excess.
또한, 반응 종료 후, 산가를 측정하여 반응성을 정량적으로 확인해 본 결과 지방산을 정량으로 하여 반응하였을 때가 74.164 mgKOH/g으로 과잉으로 하여 반응하였을 때 120.738 mgKOH/g 보다 낮은 것으로 측정되었다. 이를 근거로 각 반응에 대한 전환율을 계산하면 지방산 정량으로 반응한 것이 60.92%로 지방산 과량으로 반응한 36.38 %보다 약 2배 정도 높은 전환율을 얻을 수 있었다. After the completion of the reaction, the acid value was measured and the reactivity was quantitatively confirmed to be lower than 120.738 mgKOH / g when the fatty acid was reacted with the quantitative amount of 74.164 mgKOH / g. Based on these results, the conversion rate for each reaction was 60.92% for fatty acid, and about twice as high as 36.38% for fatty acid.
따라서, TMP 에스터 합성시 지방산의 양은 정량으로 넣어 반응시키는 것이 바람직함을 알 수 있다.
Therefore, it is preferable that the amount of the fatty acid is adjusted by adding the fatty acid in the TMP ester synthesis.
<실험예 3> TMP 에스터 합성시 촉매 내의 KF 담지율에 따른 영향≪ Experimental Example 3 > Effect of KF loading rate in the catalyst during TMP ester synthesis
TMP 에스터 합성시 촉매 내의 KF 담지율에 따른 영향을 알아보기 위하여, 활성촉매인 KF의 담지율을 10 중량%에서 20 중량%, 30 중량%, 40 중량%로 증가하면서 실험을 진행하여 반응 후 생성물의 산가 및 전환율을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.In order to investigate the effect of KF support ratio in the catalyst during TMP ester synthesis, experiments were carried out while increasing the loading ratio of the active catalyst KF from 10 wt% to 20 wt%, 30 wt% and 40 wt% And the conversion ratios were measured and shown in Table 3 below.
(중량%)(weight%)
(mgKOH/g)(mgKOH / g)
(%)(%)
표 3에 나타낸 바와 같이, 각각의 촉매에 따른 반응성을 생성물의 산가 측정으로 확인한 결과, KF의 담지량이 10 중량% 일 때 23.92 mgKOH/g, KF 20 중량% 일 때 23.93 mgKOH/g, KF 30중량% 일때 21.70 mgKOH/g, KF 40중량% 일 때 18.62mgKOH/g, KF 50중량% 담지되었을 때 19.23 mgKOH/g으로 측정되었다. KF의 담지율이 증가할수록 산가가 감소하여 전환율이 각각 87.39 %, 87.39 %, 88.57 %, 90.19 %, 89.87 %로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 KF 40 중량%일 때 전환율이 상대적으로 가장 높게 측정되었다.As shown in Table 3, the reactivity of each catalyst was 23.92 mgKOH / g when the amount of supported KF was 10% by weight, 23.93 mgKOH / g when KF was 20% %, 18.62 mg KOH / g when KF was 40% by weight, and 19.23 mgKOH / g when KF was 50% by weight. As the KF loading ratio increased, the acidity decreased and the conversion rates increased to 87.39%, 87.39%, 88.57%, 90.19% and 89.87%, respectively. In particular, when
KF 40 중량%를 담지시킨 E-KF/HAP 촉매는 기공의 직경이 다른 촉매에 비해 상대적으로 가장 컸으며, 촉매의 활성점을 비교하였을 때, 산점과 염기점의 비율이 가장 높게 나타났다. 따라서 산점과 염기점의 비율이 높을수록 올레익산의 전환율이 증가한다는 것을 확인하였다.
The E-KF / HAP catalyst loaded with
<실험예 4> TMP 에스터 합성시 반응 온도에 따른 영향Experimental Example 4 Effect of Reaction Temperature on TMP Ester Synthesis
TMP 에스터 합성시 반응 온도에 따른 영향을 알아보기 위해, 앞 실험에서 전환율이 가장 높은 결과를 보인 KF가 40 중량% 담지된 KF/HAP 촉매를 이용하여 반응 온도에 따른 전환율을 비교하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.In order to investigate the effect of the reaction temperature on the TMP ester synthesis, the KF / HAP catalyst supporting 40 wt% of KF having the highest conversion rate in the previous experiment was used to compare the conversion rates according to the reaction temperature. Table 4 shows the results.
(℃)(° C)
(mgKOH/g)(mgKOH / g)
(%)(%)
표 4에 나타낸 바와 같이, 반응 온도가 150 ℃, 200 ℃, 250 ℃, 300 ℃, 350 ℃로 증가할수록 산가는 88.327 mgKOH/g, 26.365 mgKOH/g, 9.535 mgKOH/g, 7.483 mgKOH/g, 2.402 mgKOH/g로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 각각의 전환율은 53.46 %, 86.11 %, 94.98 %, 96.06 %, 98.73 %로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 에스테르화 반응은 흡열반응이므로 반응 온도가 증가함에 따라 반응성이 증가한다. 또한, 반응 진행시 생성되는 부생성물인 물의 제거를 원활히 해주었을때 높은 반응성을 가진다. 본 결과에서 확인할 수 있듯이, 반응 온도가 높을수록 흡열반응이 잘 이루어져 반응성이 증가하였으며, 반응 온도가 높아 반응시 생성되는 수분의 제거가 잘 이루어져 반응 온도에 따라 높은 반응성을 가짐을 확인할 수 있었다. 그러나 사용된 지방산인 올레익산(oleic acid)의 끓는점(boiling point)이 360 ℃인 것을 생각하였을 때, 지방산의 증발을 막기 위해 최대 반응 온도는 300 ℃이하로 설정해주어야 할 것이다.
As shown in Table 4, the acid value was 88.327 mgKOH / g, 26.365 mgKOH / g, 9.535 mgKOH / g, 7.483 mgKOH / g, and 2.402 g as the reaction temperature was increased to 150 ° C., 200 ° C., 250 ° C., 300 ° C. and 350 ° C. mgKOH / g. < tb >< TABLE > Also, it was confirmed that the conversion ratios of the respective compounds increased to 53.46%, 86.11%, 94.98%, 96.06%, and 98.73%, respectively. Since the esterification reaction is an endothermic reaction, the reactivity increases as the reaction temperature increases. Also, it has a high reactivity when the removal of water, which is a byproduct produced during the reaction, is facilitated. As can be seen from the results, the higher the reaction temperature, the better the endothermic reaction and the higher the reaction temperature, and the higher the reaction temperature, the better the removal of water produced during the reaction, and the higher the reaction temperature, the higher the reactivity. However, considering that the boiling point of oleic acid used is 360 ° C, the maximum reaction temperature should be set to 300 ° C or less in order to prevent evaporation of the fatty acid.
<실험예 5> TMP 에스터 합성시 KF 담지 방법에 따른 영향≪ Experimental Example 5 > Effect of KF deposition method on TMP ester synthesis
TMP 에스터 합성시 KF 담지 방법에 따른 영향을 알아보기 위하여 지지체인 HAP에 활성촉매인 KF를 담지하는 방법을 단순 침적법(wet impregnation method)과 과잉 용액 함침법(excess wet impregnation method)을 사용하여 수행한 후, 담지율에 대한 올레익산의 전환율을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다.To investigate the effect of KF deposition method on TMP ester synthesis After carrying out the method of supporting the active catalyst KF on the support chain HAP using the wet impregnation method and the excess wet impregnation method, the conversion ratio of oleic acid to the supported ratio was measured The results are shown in Table 5 below.
표 5에 나타낸 바와 같이, 단순 침적법과 과잉 용액 함침법에 의해 각각 KF를 담지했을 경우, 담지율에 따라 올레익산의 전환율이 증가하는 경향을 보였다. 특히, 단순 침적법에 의해 KF를 담지한 촉매를 이용한 TMP 에스터 합성에서는 KF를 30 중량%를 담지했을 경우 가장 높은 올레익산의 전환율 92.03%를 나타냈고, 과잉 용액 함침법에 의해 KF를 담지한 촉매를 이용한 TMP 에스터 합성에서는 KF를 40 중량% 담지했을 경우 가장 높은 올레익산의 전환율 90.19%를 나타냈다.As shown in Table 5, when KF was loaded by the simple immersion method and the excess solution impregnation method, the conversion rate of oleic acid was increased with the loading ratio. Especially, TMP ester synthesis using KF supported catalyst by simple deposition method showed the highest conversion rate of oleic acid to be 92.03% when 30% by weight of KF was supported, and the catalyst supporting KF by excess solution impregnation method , The highest conversion of oleic acid was found to be 90.19% when 40 wt% of KF was supported.
실험 결과를 비교해 볼 때, 과잉 용액 함침법을 이용하여 제조된 촉매의 활성이 전반적으로 높은 결과를 나타내었으나, 최고의 전환율을 보이는 지점은 각각의 방법에서 다르게 나타났으며, 최고점에서의 전환율은 오히려 단순 침적법으로 제조된 촉매가 더 좋음을 확인할 수 있었다.The experimental results show that the catalytic activity of the catalyst prepared by using the excess solution impregnation method is generally high, but the points showing the highest conversion rates are different in each method, and the conversion rate at the peak is rather simple It was confirmed that the catalyst prepared by the immersion method was better.
그러나, 단순침적법과 과잉 용액 침적법 모두 지방산의 전환율이 오차범위 이내이며, 이에 따라 KF 담지량에 따른 정확도는 유사하다고 할 수 있다. 그러나, 최고점에 대한 전환율의 차이는 KF의 담지량에 따라 다르게 나타났으며, 이는 촉매의 제조 후 기공의 크기에 따른 결과로 보인다. 왜냐하면 단순침적법으로 제조된 촉매는 KF의 담지량이 30 중량%에서 최대의 기공 크기를 가지며, 과잉 용액 침적법으로 제조된 촉매는 KF의 담지량이 40 중량%에서 최대의 기공 크기를 가지기 때문이다.However, the conversion rate of fatty acids is within the error range in both the simple immersion method and the excess solution immersion method, and accordingly, the accuracy according to the KF loading amount is similar. However, the difference in the conversion ratio to the peak was different depending on the loading amount of KF, which appears to be a result of the size of the pores after the catalyst production. This is because the catalyst prepared by the simple deposition method has a maximum pore size at 30% by weight of KF and the maximum pore size at 40% by weight of the catalyst prepared by the excess solution deposition method.
해상풍력발전기의 변압기용 전기절연유로서 사용되기 위한 TMP 에스터 합성에 있어서 대량 생산이 필요한 공정 측면을 생각해 볼 때, 공정의 단순함과 경제성을 고려한다면 반응성에서 많은 차이를 보이지 않는 한 과잉 용액 함침법으로 KF를 담지하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
Considering the simplicity and economy of the process, considering the process aspect that requires mass production in synthesis of TMP ester for use as an electric insulating oil for a transformer of offshore wind turbine generator, KF It is preferable to carry the support.
<실험예 6> 올레익산 투입량에 따른 절연 특성≪ Experimental Example 6 > Insulation characteristics according to input amount of oleic acid
올레익산 투입량에 따라 제조된 TMP 에스터의 전기절연유 특성을 다음과 같은 방법으로 측정하였다.The electrical insulating oil properties of the TMP ester prepared according to the amount of oleic acid were measured by the following method.
상기 TMP 에스터의 인화점은 ASTM D 92에 따라 측정하였으며, 기체 또는 휘발성 액체에서 발생하는 증기가 공기와 섞여서 가연성 또는 혼합기체를 형성하고, 여기에 불꽃을 가까이 댔을 때 순간적으로 섬광을 내면서 연소하는, 즉 인화되는 최저의 온도를 측정하였다. The flash point of the TMP ester was measured in accordance with ASTM D 92. The vapor generated from a gas or a volatile liquid is mixed with air to form a flammable or mixed gas, That is, the lowest temperature to be printed was measured.
상기 TMP 에스터의 유동점은 ASTM D 97에 따라 측정하였다. 절연유를 사용하는 기기들이 한냉지방이나 동절에 절연유가 굳어 부동물질이 됨으로써 절연유의 고유 기능인 냉각기능을 상실하게 되는 것을 방지해야 하므로 유동점은 낮을수록 좋다. The pour point of the TMP ester was measured according to ASTM D 97. It is necessary to prevent lowering of the cooling function, which is the inherent function of the insulating oil, by lowering the pour point because the insulating oil is hardened by the hardening of the insulating oil in the cold oil or the winter season.
측정 결과를 하기 표 6에 나타내었다.The measurement results are shown in Table 6 below.
(mgKOH/g)(mgKOH / g)
(%)(%)
(℃)(° C)
(℃)(° C)
표 6에 나타낸 바와 같이, 지방산인 올레익산을 정량으로 투입하여 반응하였을 때 인화점이 232 ℃의 결과를 보였으며, 이는 과량으로 투입했을 때의 인화점 220 ℃ 보다 약 10 ℃ 높게 측정되었다. 유동점 측정 결과도 지방산을 정량으로 투입하여 반응하였을 때 -2.5 ℃, 지방산을 과량으로 투입했을 때 5 ℃로 인화점 결과와 동일하게 지방산을 정량투입하여 반응한 것이 전기절연유 특성이 더 좋은 결과가 나타났다. 이는 정량투입하여 진행하는 합성이 반응성이 더 우수하다는 의미이며, 지방산을 과량 투입하여 합성 반응 진행시 과량 투입된 지방산과 TMP 에스터의 입체적 구조효과에 의해 반응물들의 반응성이 감소된다고 사료된다.
As shown in Table 6, when the oleic acid, which is a fatty acid, was added and reacted in a fixed amount, the result showed a flash point of 232 ° C, which was measured to be about 10 ° C higher than the flash point 220 ° C when an excessive amount of the acid was added. The results of the pour point measurement showed that the characteristics of the electric insulating oil were better when the fatty acid was added at a fixed rate of -2.5 ° C when the fatty acid was added and the fatty acid was added at the same temperature as the flash point at 5 ° C. This means that the reaction proceeded by the addition of a fixed amount means that the reactivity of the reactants is better than that of the fatty acids and TMP esters in the excess of the fatty acid.
<실험예 7> KF 담지율에 따른 절연 특성<Experimental Example 7> Insulation characteristics according to KF loading ratio
KF/HAP 촉매에 있어서, KF 담지율에 따라 제조된 TMP 에스터의 전기절연유 특성을 측정하고, 그 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.In the KF / HAP catalyst, the electric insulating oil characteristics of the TMP ester prepared according to the KF supported ratio were measured, and the results are shown in FIG. 6 and FIG.
도 6은 KF 담지율의 변화에 대하여 제조된 TMP 에스터의 인화점의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7은 KF 담지율의 변화에 대하여 제조된 TMP 에스터의 유동점의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the change of the flash point of the TMP ester produced with respect to the change of the KF supporting ratio, and FIG. 7 is a graph showing the change of the pour point of the TMP ester prepared with respect to the change of the KF supporting ratio.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, KF 담지율이 증가할수록 인화점과 유동점의 특성은 향상되어 전기절연특성이 강화되는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로, KF 담지량이 40 중량%일 때 인화점이 268 ℃로 가장 높게 나타났으며, 유동점은 -27.5 ℃로 가장 낮은 결과를 얻었다. 앞서 확인한 반응성 결과에서도 KF 담지량이 40 중량%일 때 가장 높았던 것과 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 이처럼 반응성이 높을수록 절연 특성도 동일하게 강화된다고 사료된다.As shown in FIGS. 6 and 7, it was confirmed that the characteristics of the flash point and the pour point were improved as the KF loading ratio was increased, thereby enhancing the electrical insulation characteristics. Specifically, when the amount of KF was 40 wt%, the flash point was the highest at 268 ° C and the pour point was the lowest at -27.5 ° C. As a result of the above-mentioned reactivity, the same results as those obtained when the KF loading was 40 wt% were obtained. It is considered that the higher the reactivity is, the more the insulating properties are strengthened as well.
따라서, TMP 에스터는 KF 담지량이 40 중량%인 KF/HAP 촉매를 이용하여 제조시, 식물성 절연유 기준치인 인화점 300 ℃이상, 유동점 -20 ℃이하에 근접한 우수한 성능을 확보하고 있으므로, 전기절연유에 유용하게 이용될 수 있다.
Therefore, the TMP ester has excellent performance near the flash point of 300 DEG C or higher and the pour point of -20 DEG C or less, which is the vegetable oil-insensitive oil standard value when manufactured using the KF / HAP catalyst having a KF loading of 40 wt% Can be used.
<실험예 8> 반응 온도에 따른 절연 특성<Experimental Example 8> Insulation characteristics according to reaction temperature
TMP 에스터 합성시 반응 온도에 따른 절연 특성의 영향을 알아보기 위해, 앞 실험에서 전환율이 가장 높은 결과를 보인 KF가 40 중량% 담지된 KF/HAP 촉매를 이용하여 반응 온도에 따른 전기절연유 특성을 비교하여 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.In order to investigate the effect of insulation characteristics according to the reaction temperature in the TMP ester synthesis, the KF / HAP catalyst supporting 40 wt% of KF showed the highest conversion rate in the previous experiment. And the results are shown in Table 7 below.
(℃)(° C)
(℃)(° C)
(℃)(° C)
표 7에 나타낸 바와 같이, 반응 온도가 150 ℃에서 350 ℃로 증가할수록 인화점이 242 ℃에서 262 ℃로 증가했으며, 유동점은 0 ℃에서 -30.0 ℃로 감소하여 절연 특성이 강화되는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 7, it was confirmed that the flash point increased from 242 ° C to 262 ° C as the reaction temperature increased from 150 ° C to 350 ° C, and the pour point decreased from 0 ° C to -30.0 ° C to enhance the insulation characteristics.
인화점은 반응 온도가 300 ℃일 때 268 ℃로 가장 높게 나타났으며, 유동점은 반응 온도가 250 ℃와 300 ℃일 때 -37.5 ℃로 가장 낮게 측정되었다. 따라서 올레익산의 끓는점 360 ℃인 것을 고려하였을 때, 반응 온도는 300 ℃ 이하로 설정하여 올레익산의 기화를 방지하는 것이 좋을 것으로 사료된다.
The flash point was the highest at 268 ℃ when the reaction temperature was 300 ℃ and the lowest was found at -37.5 ℃ when the reaction temperature was 250 ℃ and 300 ℃. Therefore, when considering that the boiling point of oleic acid is 360 ° C, it is preferable to set the reaction temperature to 300 ° C or less to prevent vaporization of oleic acid.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.
Claims (7)
트리메틸올 프로판(TMP)을 상기 KF/HAP 촉매 존재 하에서 올레익산과 에스테르화 반응시켜 트리메틸올 프로판 에스터(TMP-ester)를 제조하는 제2단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법.A first step of preparing a KF / HAP catalyst carrying KF on hydroxyapatite (HAP) as a catalyst support; And
And a second step of esterifying trimethylolpropane (TMP) with oleic acid in the presence of the KF / HAP catalyst to produce trimethylolpropane ester (TMP-ester). A process for producing trimethylolpropane ester.
상기 KF/HAP 촉매는 HAP에 KF가 30-40 중량% 담지된 것을 특징으로 하는, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the KF / HAP catalyst is characterized in that 30-40 wt% of KF is supported on the HAP.
트리메틸올 프로판과 올레익산의 반응 몰비는 1:3인 것을 특징으로 하는, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the reaction molar ratio of trimethylolpropane to oleic acid is 1: 3.
KF/HAP 촉매의 첨가량은 올레익산 기준으로 2~10 중량%인 것을 특징으로 하는, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the addition amount of the KF / HAP catalyst is 2 to 10% by weight based on the weight of the oleic acid.
트리메틸올 프로판과 올레익산의 에스테르화 반응 온도는 200-300 ℃인 것을 특징으로 하는, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the esterification reaction temperature of trimethylolpropane and oleic acid is 200-300 占 폚.
트리메틸올 프로판과 올레익산의 에스테르화 반응 시간은 3-5시간인 것을 특징으로 하는, 식물성 전기절연유용 트리메틸올 프로판 에스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the esterification reaction time of trimethylolpropane and oleic acid is 3-5 hours. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
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