Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu sản xuất phụ gia biến ma sát (giảm ma sát) cho dầu bôi trơn động cơ từ nguyên liệu axit béo nguồn gốc parafin oxy hoá

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tạo ra phụ gia biến tính ma sát tương đương với phụ gia của nước ngoài qua các phép thử tính chất lý hóa cũng như so sánh tính năng giảm mài mòn, ma sát qua đó có thể thay thế phụ gia nhập khẩu với giá thành thấp; tổng hợp được phụ gia biến tính ma sát có chứa gốc amin dựa trên phản ứng amin hóa axit béo của quá trình oxy hóa parafin theo hai giai .

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu sản xuất phụ gia biến ma sát (giảm ma sát) cho dầu bôi trơn động cơ từ nguyên liệu axit béo nguồn gốc parafin oxy hoá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN CÔNG LONG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHỤ GIA BIẾN TÍNH MA SÁT (GIẢM MA SÁT) CHO DẦU BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ TỪ NGUYÊN LIỆU AXIT BÉO NGUỒN GỐC PARAFIN OXY HÓA LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC HÀ NỘI, 2009
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN CÔNG LONG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHỤ GIA BIẾN TÍNH MA SÁT (GIẢM MA SÁT) CHO DẦU BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ TỪ NGUYÊN LIỆU AXIT BÉO NGUỒN GỐC PARAFIN OXY HÓA CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HỮU CƠ – HÓA DẦU VÀ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HỮU TRỊNH HÀ NỘI, 2009
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: “ Nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát (giảm ma sát) cho dầu bôi trơn động cơ từ axit nguồn gốc parafin oxy hóa” chưa được công bố, mọi số liệu đều từ thực nghiệm, hoàn toàn chân thực. Hà nội, ngày 05 tháng 10 năm 2009. Nguyễn Công Long
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài làm việc nghiêm túc, luận văn thạc sỹ với đề tài “Nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát (giảm ma sát) cho dầu bôi trơn động cơ từ nguyên liệu axit béo nguồn gốc parafin oxy hóa” đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh. Tôi xin chân thành gửi lời cám ơn tới giáo viên hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh, người đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn tập thể các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến giá trị cho luận văn của tôi. Tôi cũng xin chân thành cám ơn Viện đào tạo sau Đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Ban giám đốc và nhân viên Trung tâm phụ gia dầu mỏ - Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự quan tâm, động viên của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian qua. Nhờ đó, tôi đã có đủ thời gian và nghị lực để hoàn thành bản luận văn này. HỌC VIÊN Nguyễn Công Long
MỤC LỤC Danh mục chữ viết tắt sử dụng trong luận văn 4 Danh mục bảng 5 Mở đầu 6 Chương 1: Tổng quan 8 1.1. Ma sát và nguyên lý bôi trơn 8 1.1.1. Sơ lược về ma sát 8 1.1.2. Sơ lược về nguyên lý bôi trơn 8 1.2. Tầm quan trọng của dầu bôi trơn 9 1.3. Phụ gia 10 1.3.1. Đặc tính của phụ gia 10 1.3.2. Các chủng loại phụ gia 12 1.3.3. Phụ gia TRIBOLOGY 13 1.3.3.1. Phụ gia chống mài mòn 14 1.3.3.2. Phụ gia cực áp 16 1.3.3.3. Phụ gia biến tính ma sát 17 1.3.3.4. Một số phụ gia TRIBOLOGY sử dụng trên thế giới 20 1.4. Dầu động cơ 20 1.4.1. Phân loại dầu bôi trơn động cơ 21 1.4.1.1. Phân loại theo tiêu chuẩn Nga 21 1.4.1.2. Phân loại theo cấp chất lượng API 21 1.4.1.3. Phân loại theo cấp độ nhớt SAE 22 1.4.1.4. Phân loại theo đặc chủng dầu động cơ 23 1.4.2. Dầu bôi trơn động cơ trên thế giới và Việt Nam hiện nay 24 1.5. Cơ sở quá trình oxy hóa 26 1.5.1. Cơ chế phản ứng oxy hóa 27 1.5.2. Động học phản ứng oxy hóa 30 1.5.3. Hóa học và cơ chế của quá trình oxy hóa các parafin để tạo ra axit béo và các hợp chất chứa oxy khác 31 1.5.4. Ảnh hưởng của các hợp chất hydrocacbon thơm đến tốc độ phản ứng oxy hóa parafin 34 1.5.5. Ảnh hưởng của độ dài mạch hydrocacbon của parafin 35 1.6. Cơ sở tổng hợp các hợp chất amít 36 1.7. Sơ lược tình hình sản xuất phụ gia biến tính ma sát trên thế giới và trong
nước 37 Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu 39 2.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp dẫn xuất amít 39 2.2. Nguyên liệu 39 2.2.1. Axit béo của quá trình oxy hóa parafin 39 2.2.2. Khí amoniac 40 2.3. Phương pháp tổng hợp amít đi từ axit béo của quá trình oxy hóa parafin và khí amoniac làm phụ gia biến tính ma sát 41 2.4. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp 42 2.4.1. Khảo sát nhiệt độ phản ứng của giai đoạn 1 42 2.4.2. Khảo sát tốc độ sục khí amoniac 42 2.4.3. Khảo sát thời gian sục khí amoniac 42 2.4.4. Khảo sát nhiệt độ tách nước 43 2.4.5. Khảo sát thời gian tách nước 43 2.5. Pha chế dầu động cơ bốn mùa 15W-40 có sử dụng phụ gia biến tính ma sát 44 2.6. Các phương pháp nghiên cứu 46 2.6.1. Xác định độ nhớt động học 46 2.6.2. Xác định trị số axit 48 2.6.3. Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc hở 49 2.6.4. Xác định hàm lượng nước 50 2.6.5. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát theo phương pháp mài mòn 4 bi 52 2.6.6. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát theo phương pháp mài mòn khối 53 2.6.7. Phổ IR nghiên cứu các nhóm chức của sản phẩm 53 2.6.8. Xác định hiệu suất của phản ứng 54 Chương 3: Kết quả và thảo luận 55 3.1. Kết quả nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp amít 55 3.1.1. Nhiệt độ của phản ứng 55 3.1.2. Tốc độ sục khí amoniac 56 3.1.3. Thời gian sục khí 57 3.1.4. Nhiệt độ tách nước 57 3.1.5. Thời gian tách nước 58 3.2. Đánh giá tính chất lý hóa của phụ gia điều chế được 59
3.2.1. Kết quả phổ hồng ngoại thu được 60 3.2.2. Kiểm tra tính chất lý hóa của sản phẩm 61 3.3. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát của phụ gia tạo ra 62 3.3.1. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát bằng phương pháp mài mòn 4 bi 62 3.3.2. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát bằng phương pháp mài 63 mòn khối 3.3.3. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát của dầu pha chế và dầu cùng cấp trên thị trường 64 3.4. Quy trình công nghệ sản xuất phụ gia biến tính ma sát 67 Kết luận 69 Tài liệu tham khảo 70 Phụ lục 1 73 Phụ lục 2 75 Phụ lục 3 76 Phụ lục 4 77
-4- DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN API: American Petroleum Institute ASTM: American Sociaty for Testing and Material AW: Anti Wear BS: Bright Stock COC: Cleveland opend cup EP: Extream Pressure FM: Friction Modify IR: Infrared Radial KF: Karl Fisher SAE: Society of Automotive Engineers SN: Sovent Neutral TAN: Total acid number TBN: Total base number Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-5- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Phân loại theo tiêu chuẩn của Nga 21 Bảng 1.2: Các nhóm dầu động cơ và phạm vi sử dụng 21 Bảng 1.3: Phân loại dầu động cơ theo tiêu chuẩn API 22 Bảng 1.4: Phân loại theo đặc chủng dầu động cơ 24 Bảng 2.1: Các đặc trưng lý hóa của axit béo quá trình oxy hóa parafin 40 Bảng 2.2: Các chỉ tiêu hóa lý của dầu SN500 và SN700 44 Bảng 2.3: Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt SAP 171 44 Bảng 2.4: Phụ gia tẩy rửa phân tán SAP 007 45 Bảng 2.5: Phụ gia đóng gói SAP 2090 45 Bảng 2.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng tạo amít 55 Bảng 2.7: Ảnh hưởng tốc độ sục khí amoniac đến hiệu suất phản ứng 56 Bảng 2.8: Ảnh hưởng thời gian sục khí amoniac 57 Bảng 2.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tách nước 57 Bảng 2.10: Ảnh hưởng của thời gian tách nước 58 Bảng 2.11: Tính chất lý hóa đặc trưng của sản phẩm tạo thành 61 Bảng 2.12: Kết quả thử nghiệm hàn dính theo phương pháp ASTM 4172 63 Bảng 2.13: Kết quả thử nghiệm sự mài mòn theo phương pháp ASTM 2714 64 Bảng 2.14: Tính chất hóa lý của dầu bốn mùa CF4 15W-40 pha chế được và dầu 15W-40 Mobil Delvac 1300 Super ngoài thị trường 65 Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-6- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Ngày nay, khi các động cơ hiện đại ngày càng tinh sảo và phức tạp thì chúng cũng đòi hỏi chất lượng của dầu bôi trơn cho động cơ phải có nhiều tính năng ưu việt hơn để có thể nâng cao tuổi thọ cũng như công suất của động cơ. Một trong những tính năng không thể thiếu đối với một dầu động cơ cao cấp hiện nay là khả năng giảm mài mòn ma sát, cấp dầu càng cao thì khả năng giảm mài mòn, ma sát càng lớn. Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều dầu bôi trơn cho động cơ được pha chế, sản xuất tại các công ty trong nước và nước ngoài trong lúc đó phụ gia biến tính ma sát dùng để pha chế vào các dầu động cơ này đều được nhập khẩu từ nước ngoài, trong nước chưa sản xuất được. Với suy nghĩ làm sao để tạo ra được phụ gia biến tính ma sát từ các nguồn nguyên liệu rẻ, sẵn có (Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam có dây chuyền oxy hóa parafin để sản xuất thuốc tuyển quặng apatit với công suất 500 tấn/năm, axit béo của quá trình oxy hóa nói trên có thể dùng làm nguyên liệu cho nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát) và quan trọng là có tính chất tương đương với phụ gia nhập khẩu nước ngoài, từ đó giảm được giá thành của phụ gia và sản phẩm dầu bôi trơn cho động cơ. Dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Hữu Trịnh, tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát (giảm ma sát) cho dầu bôi trơn động cơ từ nguyên liệu axit béo nguồn gốc parafin oxy hóa” nhằm tạo ra được một loại phụ gia như mong muốn. Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-7- Mục đích của đề tài: Tạo ra phụ gia biến tính ma sát tương đương với phụ gia của nước ngoài qua các phép thử tính chất lý hóa cũng như so sánh tính năng giảm mài mòn, ma sát qua đó có thể thay thế phụ gia nhập khẩu với giá thành thấp. Tổng hợp được phụ gia biến tính ma sát có chứa gốc amin dựa trên phản ứng amin hóa axit béo của quá trình oxy hóa parafin theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Phản ứng tạo muối amít CH3(CH2)n COOH + NH3 (k) → CH3(CH2)n CO - NH2. H20 ( 1) Giai đoạn 2: Tách nước CH3(CH2)n CO- NH2.H20 → to CH (CH ) CO - NH +H O ( n = 6 ÷ 16 ) (2) 3 2 n 2 2 Nội dung nghiên cứu: Khảo sát các điều kiện tối ưu cho các giai đoạn của phản ứng tạo phụ gia gốc amin qua việc đánh giá trị số axit, hàm lượng nước và độ hòa tan. Nghiên cứu tính chất của phụ gia được tạo ra: Độ nhớt, trị số axit, nhiệt độ chớp cháy hở, hàm lượng nước... Phụ gia được tạo ra được so sánh với phụ gia Sarkozyl (phụ gia có chứa gốc amin) của nước ngoài ở phổ hồng ngoại, phương pháp mài mòn 4 bi (ASTM D 4172) và phương pháp mài mòn khối (ASTM D 2714) khi pha tỷ lệ nhất định với dầu gốc. Pha chế dầu động cơ 4 mùa CF4 15W-40 có phụ gia biến tính ma sát mà đề tài tạo ra và thử nghiệm khả năng chịu mài mòn so với dầu động cơ CF4 15W-40 của hãng ExxonMobil ngoài thị trường. Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-8- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. MA SÁT VÀ NGUYÊN LÝ BÔI TRƠN Việc tìm hiểu về ma sát và nguyên lý bôi trơn là công việc đầu tiên cần thiết khi đi vào nghiên cứu dầu nhờn và chất lượng dầu nhờn. Nếu nắm vững được hai vấn đề này thì mới có thể dễ dàng tiếp cận và tìm hiểu ảnh hưởng của dầu nhờn đối với sự hoạt động của thiết bị máy móc. 1.1.1. Sơ lược về ma sát Khi một vật dịch chuyển trên bề mặt của vật khác thì sẽ xuất hiện một lực gọi là lực ma sát, lực đó đã cản trở chuyển động, gây ra sự mài mòn bề mặt tiếp xúc của chính các vật thể ấy và ma sát cũng có nhiều dạng [1]: - Ma sát trượt: Khi một vật rắn trượt lên một vật khác, bề mặt của chúng tiếp xúc với nhau thì sẽ sinh ra lực ma sát gọi là ma sát trượt. - Ma sát lăn: Khi một vật hình tròn hoặc hình cầu lăn trên bề mặt của vật khác và hai vật tiếp xúc với nhau tại một điểm hoặc một đường thì sinh ra lực ma sát gọi là ma sát lăn, ma sát trượt thường lớn gấp 10-100 lần ma sát lăn. Hiện tượng ma sát luôn kéo theo sự hao phí công suất để khắc phục ma sát, làm tỏa nhiệt và gây ra mài mòn các chi tiết làm việc . Khi hai bề mặt chuyển động lên nhau được ngăn cách bởi một lớp dầu thì sẽ xuất hiện ma sát lỏng, tức hiện tượng ma sát diễn ra trong bản thân lớp dầu, giữa các phân tử dầu, lượng tổn thất năng lượng trong ma sát lỏng so với ma sát khô thì nhỏ hơn rất nhiều. 1.1.2. Sơ lược về nguyên lý bôi trơn Để thực hiện bôi trơn lỏng ổ đỡ với lượng hao phí công suất do ma sát nhỏ nhất cần phải tính đến hàng loạt các yếu tố: độ nhớt của dầu, tải trọng trên ổ đỡ, tốc độ chuyển động của các chi tiết làm việc, diện tích các bề mặt Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-9- làm việc, khe hở giữa các chi tiết làm việc, tình trạng nhiệt độ của ổ đỡ. Các nguyên lý bôi trơn đều được biểu diễn bằng những công thức toán học. Các nhà thiết kế dựa vào chế tạo máy có thể dựa vào công thức để tính bề dầy lớp dầu giữa các chi tiết làm việc và tác dụng làm mát của dầu chảy qua ổ đỡ và điều chủ yếu nhất là có thể duy trì sự bôi trơn lỏng trong điều kiện nào và điều kiện nào gây ra sự phá hủy lớp dầu, xuất hiện ma sát khô, đe dọa máy móc, thiết bị. Trong thực tế nếu không đề cập tới tính toán chúng ta cũng có thể ứng dụng nguyên lý cơ bản rút ra từ lý thuyết bôi trơn thủy động như sau: - Trong trường hợp ma sát lỏng, nếu độ nhớt của dầu, tốc độ trượt của các chi tiết làm việc và bề mặt tiếp xúc của chúng tăng thi lượng tổn thất do ma sát sẽ tăng lên. - Độ nhớt của dầu tăng, tải trọng của các chi tiết làm việc giảm thì độ bền bôi trơn lỏng sẽ tăng lên. - Đối với các chi tiết làm việc chuyển động nhanh thì cần dầu có độ nhớt thấp và ngược lại. - Khe hở giữa các chi tiết làm việc càng lớn thì dầu bôi trơn cần độ nhớt cao. - Tải trọng trên các chi tiết làm việc càng lớn thì độ nhớt cần phải lớn. 1.2. TẦM QUAN TRỌNG CỦA DẦU BÔI TRƠN Bôi trơn là làm giảm ma sát, mài mòn đến mức thấp nhất bằng cách tạo ra giữa hai bề mặt chịu ma sát một lớp bôi trơn. Chất bôi trơn tạo ra sự ngăn cách bề mặt một cách nhanh chóng khi sử dụng hợp lý và chúng có khả năng làm mát tốt khi hồi lưu qua vùng cối đỡ. Các chất bôi trơn thường ở thể rắn, lỏng và khí, hầu hết các chất bôi trơn Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-10- là chất lỏng (85-90%). Do vậy chất bôi trơn lỏng (dầu bôi trơn) được biết đến nhiều nhất trong ứng dụng kỹ thuật bôi trơn. Dầu bôi trơn có các chức năng chủ yếu sau đây [1,12]: - Bôi trơn làm giảm ma sát và cường độ mài mòn, ăn mòn của các bề mặt tiếp xúc bảo đảm máy móc hoạt động có hiệu quả. - Làm sạch và bảo vệ động cơ (Bảo vệ chống ăn mòn, mài mòn ở các bộ phận có màng dầu rất mỏng, bảo vệ chống gỉ và chống ăn mòn ở những bộ phận bằng kim loại, bảo vệ lắng cặn trong hệ thống bôi trơn, bảo toàn khả năng làm việc trong một khoảng nhiệt độ, áp suất và tốc độ trượt rộng, lấp đầy các bề mặt mấp mô, bảo đảm bôi trơn với lượng dầu ít nhất). - Làm mát động cơ, thiết bị. - Làm kín, khít các chi tiết. Nguyên nhân gây ra hao mòn chi tiết máy chủ yếu là do hiện tượng mài mòn gây ra, không chỉ ở các nước phát triển mà ngay cả các nước công nghiệp phát triển, tổn thất mài mòn do ma sát khi sử dụng dầu bôi trơn và kỹ thuật bôi trơn chưa phù hợp đã chiếm tới vài phần trăm tổng thu nhập quốc dân. Ở nước ta theo đánh giá của các chuyên gia chế tạo động cơ thì thiệt hại mài mòn do ma sát và chi phí bảo dưỡng sửa chữa hàng năm tới vài triệu đô la Mỹ [1]. 1.3. PHỤ GIA 1.3.1. Đặc tính của phụ gia Phụ gia là những chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ, thậm chí là các nguyên tố, được thêm vào các chất bôi trơn. Thường mỗi loại phụ gia được dùng ở nồng độ từ 0,01 đến 5%. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp một phụ gia có thể được đưa vào ở khoảng nồng độ dao động từ vài phần triệu đến trên 10%. Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-11- Phần lớn các loại dầu nhờn cần nhiều loại phụ gia để thỏa mãn tất cả các yêu cầu tính năng. Trong một số trường hợp các phụ gia riêng biệt được pha thẳng vào dầu gốc. Trong những trường hợp khác, hỗn hợp các loại phụ gia được pha trộn thành phụ gia đóng gói, sau đó sẽ được đưa tiếp vào dầu. Một số phụ gia nâng cao những phẩm chất đã có sẵn của dầu, một số khác tạo cho dầu những tính chất mới cần thiết. Các loại phụ gia khác nhau có thể hỗ trợ lẫn nhau, gây hiệu ứng tương hỗ, hoặc chúng có thể dẫn đến hiệu ứng đối kháng. Trường hợp sau có thể làm giảm hiệu lực của phụ gia, tạo ra những sản phẩm phụ không tan hoặc những sản phẩm có hại khác. Những tương tác này là do hầu hết các phụ gia đều là các hóa chất hoạt động vì thế chúng tác dụng qua lại ngay trong phụ gia đóng gói hoặc trong dầu và tạo ra những chất mới. Như vậy việc tổ hợp phụ gia đòi hỏi sự khảo sát kỹ tác dụng tương hỗ qua lại giữa các phụ gia cũng như cơ chế hoạt động của từng loại phụ gia riêng và tính hòa tan của chúng. Những hiệu ứng phụ không mong muốn của phụ gia cần được khắc phục và việc tổ hợp các phụ gia phải được điều chỉnh để đạt được tính năng tối ưu của phụ gia trong dầu bôi trơn. Cần nhớ rằng một lượng nhỏ chất xúc tác thêm vào trong quá trình sản xuất phụ gia thường gây ra sự thay đổi lớn trong tác dụng tương hỗ của phụ gia. Những “ phụ gia của phụ gia ” này được các nhà sản xuất đánh giá rất cao[1]. Dầu gốc ảnh hưởng đến phụ gia qua hai tính năng chính: tính hòa tan và tính tương hợp. Chẳng hạn hydrocacbon tổng hợp ít hòa tan phụ gia (ngược lại với dầu khoáng), nhưng chúng có tính tương hợp phụ gia rất tốt. Do vậy hydrocacbon tổng hợp có thể pha lẫn với dầu khoáng để đạt được sự kết hợp tối ưu giữa tính hòa tan và tính tương hợp phụ gia. Tính tương hợp phụ gia phụ thuộc rất nhiều vào thành phần của dầu gốc. Tính hòa tan có thể giải thích Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-12- như sau: sự hình thành các chất phụ gia hoạt động bề mặt phụ thuộc nhiều vào khả năng của chúng hấp phụ trên bề mặt máy ở thời gian và vị trí nhất định. Dầu gốc có tính hòa tan cao có thể giữ phụ gia ở dạng hòa tan mà không cho phép chúng hấp phụ. Mặt khác dầu gốc có tính hòa tan kém có thể để phụ gia bị tách trước khi nó hoàn thành chức năng đã định. Vì có khả năng cải thiện tính năng của dầu bôi trơn và chất lỏng bôi trơn nên phụ gia tạo điều kiện rất tốt cho việc cải tiến các loại xe và máy móc công nghiệp. Ngày nay, thực tế hầu như các chủng loại dầu và chất lỏng bôi trơn đều chứa ít nhất một loại phụ gia, một số loại dầu như: dầu động cơ, dầu bánh răng thì có chứa nhiều loại phụ gia khác nhau. 1.3.2. Các chủng loại phụ gia Phụ gia chủ yếu được sử dụng để đảm nhiệm một chức năng nhất định, nhưng có nhiều loại là phụ gia đa chức. Những chức năng quan trọng của phụ gia là [1,18,24]: - Làm tăng độ bền oxy hóa (chất ức chế oxy hóa hoặc phụ gia chống oxy hóa) - Ngăn chặn hiệu ứng xúc tác của kim loại trong quá trình oxy hóa và ăn mòn (chất khử hoạt tính kim loại). - Chống ăn mòn (chất ức chế ăn mòn). - Chống gỉ (chất ức chế gỉ). - Chống sự tạo cặn bám và cặn bùn (phụ gia rửa). - Giữ các tạp chất ở dạng huyền phù (phụ gia phân tán). - Tăng chỉ số độ nhớt (phụ gia tăng chỉ số độ nhớt). - Giảm nhiệt độ đông đặc (phụ gia làm giảm nhiệt độ đông đặc). Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-13- - Làm dầu có thể trộn lẫn với nước (phụ gia tạo nhũ). - Chống tạo bọt (phụ gia chống tạo bọt). - Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật (phụ gia diệt khuẩn). - Làm cho dầu có khả năng bám dính tốt (tác nhân bám dính). - Tăng khả năng làm kín (tác nhân làm kín). - Làm giảm ma sát (phụ gia giảm ma sát). - Làm giảm và ngăn chặn sự mài mòn (phụ gia chống mài mòn). - Chống sự kẹt xước các bề mặt kim loại (phụ gia cực áp). 1.3.3. Phụ gia TRIBOLOGY Trong chế độ bôi trơn thủy động học, các bề mặt rắn không tiếp xúc trực tiếp với nhau. Độ dày của màng bôi trơn chịu tải trọng do độ nhớt của chất bôi trơn quyết định. Tuy nhiên, khi điều kiện làm việc trở nên khắc nghiệt hơn (tải trọng cao, tốc độ thấp, độ ráp bề mặt lớn) thì sẽ tới lúc màng lỏng không thể hoàn toàn chịu được tải trọng đè lên. Các điểm nhô lên trên bề mặt rắn sẽ cùng gánh tải trọng với màng chất lỏng. Chế độ bôi trơn chuyển sang bôi trơn màng mỏng hỗn hợp (còn gọi là bôi trơn nửa ướt) rồi sau đó sang chế độ bôi trơn giới hạn. Sự tiếp xúc giữa các bề mặt rắn sinh ra mài mòn, tăng ma sát và hiện tượng hàn dính các điểm mấp mô. Chính vì thế mà các phụ gia tribology được đề cập làm giảm ma sát, mài mòn và ngăn cản sự hư hại của bề mặt tiếp xúc. Phụ gia tribology là một nhóm các chất cực kỳ quan trọng được bổ sung vào rất nhiều loại dầu bôi trơn, đặc biệt là pha vào dầu bánh răng và dầu động cơ. Chúng còn được gọi là phụ gia giới hạn (bôi trơn giới hạn). Các phụ gia này bao gồm các hợp chất hữu cơ, cơ kim và các hợp chất vô cơ. Chúng có thể có chức năng như phụ gia biến tính ma sát (FM), phụ gia chống mài mòn Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-14- (AW) và phụ gia cực áp (EP). Phụ gia cực áp còn được gọi là phụ gia chịu tải trọng cao [1,16]. Tính năng sử dụng của các loại phụ gia này phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của phụ gia và thành phần của dầu gốc. Các thiết bị chuyên dụng được gọi là các thiết bị thử nghiệm tribology được dùng để nghiên cứu tính chống ma sát, tính chống mài mòn và chống kẹt xước của chất bôi trơn và phụ gia. Có nhiều loại thiết bị khác nhau được sử dụng tùy theo hình thể đa dạng của mẫu vật thử và điều kiện thử nghiệm khác nhau. Kết quả là một lượng đáng kể máy móc và quy trình được thiết lập để đánh giá tính năng tribology của dầu bôi trơn. Trong một số trường hợp cùng các máy như nhau được sử dụng để xác định cả tính năng chống mài mòn và chống kẹt xước mặc dù điều kiện hoạt động của máy có thể là khác nhau. Một số máy còn có khả năng đánh giá tính năng chống ma sát của dầu bôi trơn. 1.3.3.1. Phụ gia chống mài mòn (AW) Mài mòn là sự tổn thất kim loại giữa các bề mặt chuyển động tương đối với nhau. Yếu tố chủ yếu gây nên mài mòn bao gồm: tiếp xúc kim loại với kim loại (mài mòn dính); sự có mặt của hạt mài (mài mòn hạt); và sự tấn công của các chất gây ăn mòn (mài mòn do ăn mòn hay mài mòn hóa học). Sự mài mòn dính trong hệ thống bôi trơn xảy ra khi ở các điều kiện tải trọng, tốc độ và nhiệt độ, màng dầu bôi trơn trở nên mỏng đến mức các chỗ mấp mô trên bề mặt tiếp xúc với nhau. Do đó nó là mài mòn do vật liệu chuyển từ bề mặt tiếp xúc với nhau. Do đó nó là mài mòn do vật liệu chuyển từ bề mặt này sang bề mặt kia trong khi hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau dẫn tới quá trình hàn dính pha rắn. Sự tiếp xúc với kim loại có thể ngăn cản được khi cho hợp chất tạo màng vào dầu nhờn và nhờ có sự hấp phụ vật Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-15- lý hay phản ứng hóa học mà nó bảo vệ được bề mặt. Sự mài mòn cọ xát (mài mòn hạt) là do các hạt mài, các tạp chất từ bên ngoài đưa vào hoặc do các phần tử từ mài mòn dính gây ra. Cơ chế chủ yếu của sự mài mòn vật liệu là sự cắt vi mô của các hạt cứng. Mài mòn hạt có thể ngăn cản được nếu ta dùng biện pháp lọc để tách hạt mài cứng ra. Mài mòn do ăn mòn này sinh từ phản ứng hóa học trên bề mặt kim loại kết hợp với tác động cọ xát làm cho chỗ kim loại bị ăn mòn bị cắt tách ra. Ví dụ, mài mòn ăn mòn có thể xuất hiện ở thành xylanh và vòng găng pittông, đặc biệt ở động cơ diezel tốc độ thấp do sản phẩm có tính axit tạo ra trong quá trình cháy nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao gây nên. Các axit mạnh được tạo thành có thể tấn công vào bề mặt kim loại tạo ra các hợp chất mà chúng dễ bị bóc ra khi vòng găng chà xát vào thành xylanh. Dạng mài mòn này ta có thể kiềm chế được bằng cách sử dụng chất tẩy rửa kiềm cao có tác dụng trung hòa các sản phẩm mang tính axit của quá trình đốt cháy. Các phụ gia chống mài mòn bao gồm các phụ gia tribology có hiệu lực trong vùng bôi trơn hỗn hợp khi mặt thẩm thấu màng dầu bị các điểm nhấp nhô bề mặt làm gián đoạn. Tại các chỗ tiếp xúc kim loại cục bộ trên hai bề mặt ma sát các phụ gia này hấp phụ hóa học và phản ứng với kim loại tạo ra hợp chất bề mặt mà thường bị biến dạng do chảy dẻo dẫn tới sự phân bố tải trọng khác đi. Kết quả là sự mài mòn dính bị ngăn ngừa hay giảm đi. Phụ gia chống mài mòn bao gồm một loạt nhóm hóa chất. Có lẽ phụ gia chống mài mòn quan trọng nhất và hiệu quả nhất trong việc khống chế hoặc loại trừ mài mòn trong hệ thống trục khuỷu là kẽm diankyldithiophotphat. Phụ gia chống mài mòn quan trọng khác là các hợp chất có photpho, như tricresyl photphat và hợp chất chứa lưu huỳnh như sunfua, disunfua và dẫn xuất axit béo... Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí
-16- Các phụ gia chống mài mòn có nhiệm vụ tạo ra các hợp chất trung gian dạng phức, đặc biệt là từ các chất chứa lưu huỳnh, oxy và photpho, như kẽm diankyldithiophotphat. Các thành phần này tiếp theo đó lại trải qua các phản ứng sâu hơn nên có thể tạo ra lớp phủ chống mài mòn và ở một chừng mực nào đó ngăn ngừa kẹt xước trên bề mặt kim loại. Tuy nhiên, đối với nhiều hợp chất thì cơ chế chủ yếu của tác động chống mài mòn là do sự hấp phụ hóa học tạo ra [1,16]. Sự hấp phụ hóa học xảy ra khi hợp chất đã hấp phụ, phản ứng với bề mặt kim loại mà không kéo nguyên tử kim loại ra khỏi cấu trúc mạng lưới. Hấp phụ hóa học có thể được coi như là cầu nối giữa chức năng chống ma sát và chống mài mòn của một số chất, như axit béo, trong trường hợp axit béo thì màng hấp phụ vật lý có thể làm giảm ma sát và được chuyển hóa thành xà phòng kim loại bám vào bề mặt. Màng hấp phụ hóa học có sức chống lại lực cắt lớn hơn nhiều so với màng hấp phụ vật lý, do đó ngoài tính năng chống ma sát nó còn có khả năng chống mài mòn. 1.3.3.2 Phụ gia cực áp (EP) Phụ gia EP là các chất có tác dụng trong việc khống chế mài mòn và hư hỏng dưới điều kiện chịu tải trọng nặng do số lượng các chỗ tiếp xúc kim loại-kim loại tăng lên và hiện tượng kẹt xước xuất hiện. Nói một cách khác các phụ gia EP ngăn ngừa kẹt xước và hàn dính giữa các bề mặt kim loại đang hoạt động dưới áp suất cực lớn. Sự gia tăng khả năng chịu tải của các phụ gia này có thể liên quan tới sự gia tăng mài mòn. Điều đó liên quan với một thực tế là các phụ gia EP thường chỉ có hiệu lực khi có phản ứng hóa học. Do đó việc sử dụng phụ gia EP có thể làm nảy sinh vấn đề ăn mòn. Thông thường, khi khả năng phản ứng của phụ gia tăng thì sự mài mòn dính giảm và sự mài Nguyễn Công Long Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí