Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo mỡ bảo quản chịu mặn trên cơ sở chất làm đặc xà phòng nhôm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài “Nghiên cứu chế tạo mỡ bảo quản chịu mặn trên cơ sở chất làm đặc xà phòng nhôm” nhằm thay thế mỡ biển AMC-3 của LB Nga, với chất lượng đạt theo tiêu chuẩn kỹ thuật GOST 2712-75 của Nga và đáp ứng cho việc bảo quản VKTBKT ở vùng biển Nhiệt đới Việt Nam, giúp cho việc chống xuống cấp và giữ gìn được VKTBKT từ nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo mỡ bảo quản chịu mặn trên cơ sở chất làm đặc xà phòng nhôm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- VŨ THẾ HÙNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỠ BẢO QUẢN CHỊU MẶN TRÊN CƠ SỞ CHẤT LÀM ĐẶC XÀ PHÒNG NHÔM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM DUY NAM Hà Nội - 2017
LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận văn này, không chỉ nhờ vào sự nỗ lực của bản thân tôi mà còn nhờ vào sự hướng dẫn, giúp đỡ, động viên của thầy giáo hướng dẫn, đồng nghiệp, người thân và gia đình. Do đó: Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS. Phạm Duy Nam, Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga, TS. Trần Vĩnh Hoàng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn tận tình, đã đọc bản thảo và góp nhiều ý kiến quý báu cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo thuộc Bộ môn Công nghệ tổng hợp Hữu cơ - Hóa dầu, Bộ môn Hóa hữu cơ, Bộ môn Hóa phân tích, Viện Kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Đồng thời, tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo đã dạy dỗ tôi trong thời gian tôi học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành được luận văn này. Sau cùng, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn bên cạnh, cổ vũ, động viên, là chỗ dựa tinh thần vững chắc để con hoàn thành đồ án này trong suốt thời gian qua. Hà Nội, 29 tháng 3 năm 2017 Học viên Vũ Thế Hùng 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc _______________ BẢN CAM ĐOAN Tên tôi là: Vũ Thế Hùng Đơn vị công tác: Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga Vừa qua tôi có thực hiện luận văn với đề tài khoa học: "Nghiên cứu chế tạo mỡ bảo quản chịu mặn trên cơ sở chất làm đặc xà phòng nhôm". Hiện tôi đã hoàn thành đề tài trên. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu và kết quả được đưa ra trong luận văn là trung thực, được các đồng giả cho phép sử dụng. Nếu sai tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Khoa học nhà trường. Hà Nội, ngày 29 tháng 03 năm 2017 Học viên Vũ Thế Hùng 2
MỞ ĐẦU Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới, nhiệt độ và độ ẩm cao, biên độ dao động nhiệt trong ngày và giữa các vùng miền lớn. Bên cạnh đó với đường bờ biển dài, đặc trưng khí hậu biển chứa nhiều tác nhân gây ăn mòn thì vấn đề bảo quản khí tài, trang bị kỹ thuật tại vùng biển đảo là rất quan trọng. Bảo quản tốt các vũ khí trang bị kỹ thuật (VKTBKT) ngoài việc giảm tác hại về mặt kinh tế còn đảm bảo khả năng sẵn sàng chiến đấu, duy trì và nâng cao sức mạnh của quân đội. Một trong những sản phẩm bảo quản quan trọng tại vùng biển đảo mà chúng ta vẫn đang phải nhập khẩu của LB Nga là mỡ biển AMC-3. Loại mỡ này dùng để bảo quản niêm cất các chi tiết bằng kim loại của VKTBKT khỏi ăn mòn trong vùng khí hậu biển, đảo hoặc tiếp xúc trực tiếp với nước biển. Mỡ AMC-3 của Nga được chế tạo từ dầu khoáng là dầu xylanh 52 và chất làm đặc là xà phòng nhôm của axít béo tổng hợp từ stearic và oleic. Mỡ AMC-3 có độ bám dính cao, kháng nước tốt, khả năng bị rửa trôi thấp, nhiệt độ làm việc từ -15oC đến +70oC. Chính những tính chất bảo vệ tuyệt vời cũng như nhiệt độ làm việc phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam mà mỡ AMC-3 được lựa chọn để sử dụng trong bảo quản trang bị, khí tài tại vùng biển, đảo của Việt Nam. Hiện nay ngoài mỡ AMC-3 của LB Nga, trên thị trường còn có một số loại mỡ khác như: mỡ đa dụng Litol-24RK, mỡ MC-70, MYC-3a, … cũng có thể được dùng để bảo quản vũ khí, trang thiết bị trong vùng biển như. Tuy nhiên, những loại mỡ này cũng chỉ dùng để thay thế ở những vị trí có nhiệt độ nhỏ hơn -15oC hay lớn hơn +70oC, do chi phí cao hoặc hiệu quả bảo vệ của những loại mỡ này không cao bằng AMC-3. Nhằm giảm giá thành, tự chủ công nghệ về sản xuất loại mỡ biển phù hợp với điều kiện khí hậu ở Việt Nam, chúng tôi đặt vấn đề “Nghiên cứu chế tạo mỡ bảo quản chịu mặn trên cơ sở chất làm đặc xà phòng nhôm” nhằm thay thế mỡ biển AMC-3 của LB Nga, với chất lượng đạt theo tiêu chuẩn kỹ thuật GOST 2712-75 của Nga và đáp ứng cho việc bảo quản VKTBKT ở vùng biển Nhiệt đới Việt Nam, giúp cho việc chống xuống cấp và giữ gìn được VKTBKT từ nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước. 3
CÁC TỪ VIẾT TẮT ASTM Tiêu chuẩn quốc gia Mĩ (American Society for Testing and Materials) VKTBKT Vũ khí trang bị kỹ thuật AP Ankyl phenol DAP Diphenylamin TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam GOST Tiêu chuẩn Liên bang Nga NLGI Viện Mỡ bôi trơn quốc gia Mĩ (National Lubricating Grease Isntitute) IS Indian standard 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại mỡ dựa theo độ xuyên kim theo tiêu chuẩn ASTM ........................... 14 Bảng 1.2 Đặc tính của một số loại mỡ với chất làm đặc khác nhau................................. 17 Bảng 1.3 Các loại phụ gia được sử dụng trong mỡ bôi trơn ............................................. 18 Bảng 1.4 Thành phần của mỡ biển AMC của Nga............................................................ 21 Bảng 1.5 Tính chất các mỡ gốc canxi, mỡ đa dụng gốc lithium và mỡ gốc nhôm ........... 22 Bảng 1.6 Tiêu chuẩn kỹ thuật của xà phòng nhôm ........................................................... 24 Bảng 2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật dầu gốc khoáng (dầu BS 150) ................................................ 25 Bảng 2.2 Chỉ tiêu kỹ thuật dầu Xilanh GC ........................................................................ 26 Bảng 2.3 Các loại hóa chất sử dụng trong nghiên cứu ...................................................... 26 Bảng 2.4 Chỉ tiêu kỹ thuật mỡ lithium ............................................................................. 27 Bảng 2.5 Chỉ tiêu kỹ thuật mỡ Canxi ................................................................................ 27 Bảng 2.6 Chỉ tiêu kỹ thuật mỡ AMC-3 của Nga (GOST 2712-75) .................................. 27 Bảng 2.7 Thành phần dung dịch điện ly ............................................................................ 36 Bảng 3.1 Chỉ tiêu kỹ thuật các muối nhôm distearate khi thay đổi tỷ lệ mol ................... 39 Bảng 3.2 Chỉ tiêu kỹ thuật các muối nhôm tristearate khi thay đổi tỷ lệ mol ................... 40 Bảng 3.3 Chỉ tiêu kỹ thuật các muối nhôm oleate khi thay đổi tỷ lệ mol ......................... 41 Bảng 3.4 Đơn phối liệu môi trường phân tán .................................................................... 41 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của môi trường phân tán đến chất lượng mỡ biển .......................... 42 Bảng 3.6 Chỉ tiêu kỹ thuật môi trường phân tán (BS150:GC là 75:25) ............................ 42 Bảng 3.7 Khảo sát tỷ lệ các chất làm đặc và môi trường phân tán ................................... 43 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của chất làm đặc đến chất lượng của mỡ ........................................ 43 Bảng 3.9 Chỉ tiêu kỹ thuật các mẫu mỡ khi thêm phụ gia ................................................ 44 Bảng 3.10 Kết quả thử nghiệm ngâm mẫu trong nước biển nhân tạo sau 90 ngày........... 47 Bảng 3.11 Kết quả thử nghiệm khả năng chịu nước theo ASTM D1264-03 .................... 48 Bảng 3.12 Kết quả thử nghiệm khả năng bôi trơn theo ASTM D2266-01 ....................... 49 Bảng 3.13 Đơn phối liệu của mỡ chịu mặn ...................................................................... 49 Bảng 3.14 Kết quả nghiên cứu xà phòng distearat nhôm [C17H35COO]2AlOH ................ 50 Bảng 3.15 Hàm lượng các nguyên tử trong muối distearat nhôm ..................................... 51 Bảng 3.16 Kết quả nghiên cứu xà phòng tristearat nhôm [C17H35COO]3Al ..................... 51 Bảng 3.17 Hàm lượng các nguyên tử trong muối tristearat nhôm .................................... 52 Bảng 3.18 Kết quả nghiên cứu xà phòng oleate nhôm [C17H35COO]3Al ......................... 53 Bảng 3.19 Kết quả phân tích chỉ tiêu kỹ thuật mỡ chịu mặn ............................................ 53 Bảng 3.20 Chỉ tiêu kỹ thuật cho mỡ chịu mặn VN.AMC-3 .............................................. 56 5
DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Thiết bị phổ tán sắc năng lượng EDX ................................................................ 34 Hình 2.2 Máy Koler model K19200 .................................................................................. 36 Hình 3.1 Hình ảnh các mẫu mỡ trước và sau khi thử nghiệm ........................................... 45 Hình 3.2 Phổ tán sắc năng lượng tia X của muối distearate nhôm ................................... 50 Hình 3.3 Phổ tán sắc năng lượng tia X của muối distearate nhôm ................................... 52 Hình 3.4 Sơ đồ công nghệ chế tạo mỡ chịu mặn trên cơ sở hỗn hợp xà phòng nhôm ..... 54 6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MỠ 1.1 Khái niệm Mỡ là một hệ keo đa phân tán gồm hai thành phần chính: chất làm đặc hay còn gọi là pha phân tán (chiếm từ 10 ÷ 30% trong mỡ) phân tán trong môi trường phân tán là dầu khoáng, dầu tổng hợp hoặc dầu thực vật (chiếm từ 70 ÷ 90% trong mỡ). Hệ keo đa phân tán có cấu trúc khung mạng do chất làm đặc tạo nên. Môi trường phân tán được giữ trong khung mạng cấu trúc đó nhờ các lực liên kết hoá lý. Ngoài 2 thành phần chính trên, mỡ còn được bổ sung các loại phụ gia. Các phụ gia thường dùng trong mỡ bôi trơn là phụ gia chống oxi hóa (alkyl diphenylamin, hỗn hợp alkyl phenol và diphenylamin, các dẫn xuất khác có chứa nhóm amin và phenol...); phụ gia thụ động hóa bề mặt kim loại chống ăn mòn đồng (imidazolin, benzotriazol, thiadiazol ...); phụ gia bám dính tăng cường khả năng chống rửa trôi (copolymer của isobutylen và propylen ...) và đối với mỡ bôi trơn chịu tải thì cần thêm phụ gia tăng cường khả năng bôi trơn (chất béo, các dẫn xuất chứa lưu huỳnh, photpho và nitơ). [1, 2, 12] 1.2 Công dụng của mỡ Mỡ chiếm tỷ trọng khiêm tốn trong khối lượng vật liệu bôi trơn nói chung. Hàng năm, khối lượng mỡ sản xuất chiếm dưới 10% vật liệu bôi trơn, nhưng do sự khác nhau về thành phần, kết cấu nên lĩnh vực sử dụng rộng rãi và đa dạng. Chúng được sử dụng trong hầu hết các loại máy móc và các trang bị kỹ thuật khác nhau. So với dầu nhờn, mỡ có 3 công dụng chính sau [4,5,11,17]: 1.2.1 Bôi trơn bề mặt chi tiết Cũng như dầu nhờn, mỡ tạo ra giữa các bề mặt làm việc một lớp màng ngăn cách sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt làm việc, nhờ đó mà giảm được hệ số ma sát, giảm khả năng ăn mòn cũng như sự mài mòn. Do có tính bám dính tốt, nên mỡ chủ yếu được sử dụng để bôi trơn ở các bề mặt làm việc với phụ tải lớn, nhiệt độ cao, ở những nơi tốc độ dịch chuyển giữa các bề mặt thấp, hoặc ở những nơi làm việc sử dụng dầu nhờn không đảm bảo: bề mặt hở, những vị trí khó tiếp xúc … 7
Như vậy, tuy cũng là công dụng bôi trơn, làm nhờn song mỡ bôi trơn lại không trùng lặp với công dụng bôi trơn, làm nhờn của dầu mà là sự bổ sung cho công dụng bôi trơn, làm nhờn của dầu nhờn. 1.2.2 Bảo vệ bề mặt chi tiết Khi bôi lớp mỡ lên bề mặt các dụng cụ, khí tài, máy móc được chế tạo bằng kim loại, lớp màng mỡ có tác dụng chống lại sự xâm nhập, ăn mòn của môi trường xung quanh như hơi nước, axit - kiềm, bụi bẩn ... có thể gây nên sự han rỉ, phá hoại bề mặt kim loại. So với dầu nhờn, mỡ có tác dụng bảo vệ tốt hơn vì chúng ở trạng thái đặc sệt, không bị chảy trôi, có tính bám dính và ổn định cao. 1.2.3 Làm kín các mối lắp ghép Mỡ được dùng để bịt kín trong các trường hợp cần lắp các ống dẫn thể lỏng hay khí. Mỡ được bôi vào các ren nối hoặc các khớp nối đường ống, các đệm nắp máy, các khe hở giữa các bộ phận... Mỡ có tác dụng bịt kín tốt hơn nhiều so với dầu vì mỡ ở thể đặc sệt và bám dính lên bề mặt kim loại tốt hơn. Do vậy, mỡ tránh được sự rò rỉ và chảy giọt. Tuy nhiên, mỡ khác với dầu nhờn ở chỗ nó không có vai trò làm nguội và làm sạch vì tính lưu thông của mỡ kém. 1.3 Phạm vi sử dụng của mỡ Mỡ bôi trơn thường dùng thay thế chủ yếu cho dầu bôi trơn ở những nơi đòi hỏi chất bôi trơn phải giữ nguyên được trạng thái cấu trúc ban đầu của nó, đặc biệt là ở những nơi điều kiện để bổ sung hoặc thay thế chất bôi trơn thường xuyên bị hạn chế hay về mặt kinh tế là khó để chấp nhận. Mỡ được sử dụng để bôi trơn phổ biến nhất là ở các ổ bi cầu và các ổ con lăn của các máy công cụ, mô tơ điện và nhiều loại ổ trục khác nhau. Để có được đặc tính thích hợp và nhiệt độ nhỏ giọt cao, người ta thường sử dụng mỡ xà phòng liti, natri hoặc mỡ phức canxi-natri. Để làm việc lâu dài, mỡ phải chịu được tác dụng của hơi ẩm cao, chịu được tác dụng xúc tác của kim loại và có độ ổn định oxy hoá tốt. Mỡ được dùng bôi trơn ở những nơi mà dầu không thể thực hiện được vì thể lỏng dễ bị trôi đi như ở các trục đứng, trục ngang. Điều quan trọng là mỡ phải bảo vệ được các ổ trục khỏi bị tác dụng của môi trường bằng cách ngăn không để cho hơi ẩm hoặc các chất bẩn xâm nhập vào ổ trục. 8
1.4 Tính chất của mỡ Mỡ được đặc trưng bởi các tính chất hóa lý như: độ đặc (độ xuyên kim, độ lún kim), độ ổn định keo, nhiệt độ nhỏ giọt, độ ổn định cơ học (độ bền cơ học)... Một số tính chất hóa lý quan trọng của mỡ là: - Độ xuyên kim của mỡ được xác định bằng phương pháp GOST 5346-78 [29] hoặc ASTM D 217 [23]. Với cùng một hàm lượng chất làm đặc, nếu mỡ có độ cứng cao hơn (độ xuyên kim nhỏ hơn) trong khi vẫn đảm bảo độ bền cơ học thì người ta nói mỡ đó đạt hiệu suất lớn hơn. - Độ ổn định keo là một trong những tính chất quan trọng của mỡ. Độ ổn định keo của mỡ được xác định bởi phương pháp GOST 7142-74 [30], thể hiện qua việc đánh giá lượng dầu tách ra khỏi mỡ trong điều kiện thử nghiệm. Lượng dầu này càng nhỏ thì độ ổn định keo của mỡ càng cao. Tuy nhiên cũng phải nhớ rằng nếu dầu tiết ra từ mỡ quá ít (độ ổn định keo cao) tức là bản thân mỡ quá khô cũng ảnh hưởng xấu tới khả năng bôi trơn của nó. Mỡ kiểu như vậy sẽ khó bôi trơn được và chi tiết máy sẽ bị mài mòn trước hạn định (hiện tượng “đào rãnh” trong hốc chứa mỡ). Vì thế mỡ phải có độ ổn định keo phù hợp. - Nhiệt độ nhỏ giọt của mỡ (xác định theo phương pháp ASTM D 566 [24], cũng phản ánh sự thay đổi cấu trúc mỡ. Nhiệt độ nhỏ giọt được gọi là nhiệt độ lớn nhất mà tại đó, với điều kiện chuẩn theo quy định ASTM D566 hoặc GOST 6793 [31], giọt mỡ đầu tiên từ lỗ ở đầu nhiệt kế đo Ubelope rơi xuống. - Độ bền cơ học của mỡ được đánh giá bằng sự thay đổi các tính chất lưu biến của mỡ trước và sau khi mỡ chịu tác động cơ học. Phương pháp phổ biến nhất là xác định độ bền cơ học qua sự biến đổi độ xuyên kim của mỡ dưới tác động cơ học (giã 100 000 lần hoặc dưới tác dụng của máy Shell Roll) [28]. Sự chênh lệch càng nhỏ thì mỡ càng có độ bền cơ học lớn. Các tính chất hóa lý của mỡ vừa trình bày ở trên đặc biệt quan trọng ảnh hưởng đến tính bôi trơn của mỡ trong các cơ cấu bôi trơn. Ngoài ra, mỡ bôi trơn còn được đặc trưng bởi các tính chất liên quan đến tính năng sử dụng như: độ bền chống oxi hóa, khả năng chống ăn mòn, độ bền chống rửa trôi, khả năng bôi trơn... - Độ bền chống oxi hóa của mỡ chủ yếu quyết định bởi thành phần dầu gốc có 9
trong mỡ và được cải thiện bằng phụ gia chống oxi hóa. Độ bền chống oxi hóa ít chịu ảnh hưởng của chế độ công nghệ. Độ bền chống oxi hóa của mỡ được xác định qua sự giảm áp suất oxi khi thực hiện oxi hóa mỡ trong autoclav ở 100 oC trong 100 h (ASTM D 942) [25] hoặc qua sự chênh lệch chỉ số axit của mỡ trước và sau khi thực hiện oxi hóa lớp mỡ mỏng trên tấm đồng ở 120 oC sau một khoảng thời gian nhất định (GOST 5734-76) [30]. - Độ bền chống rửa trôi đặc trưng cho khả năng của mỡ không bị tan trong nước, không bị nước cuốn trôi khỏi bề mặt được bôi trơn, tính chất ít bị biến đổi khi một lượng nước nhỏ lẫn vào, không hút hơi ẩm. Độ bền chống rửa trôi được xác định theo phương pháp ASTM D 1264 [26] qua lượng mỡ bị mất mát trong điều kiện thử nghiệm ở 80 oC trong 1 h. - Khả năng chống ăn mòn của mỡ bôi trơn được đánh giá qua sự ảnh hưởng đến tấm đồng của mỡ trong điều kiện thử nghiệm ở 100 oC trong 24 h theo phương pháp GOST 9080-77 [33]. - Khả năng bôi trơn của mỡ đặc trưng cho khả năng chịu tải trọng, khả năng phòng chống cho chi tiết kim loại được bôi trơn khỏi bị mài mòn trong quá trình sử dụng. Khả năng bôi trơn của mỡ được đánh giá qua giá trị tải trọng hàn dính (theo ASTM D 2596) [27] và đường kính vết mòn tại một tải trọng nhất định (theo ASTM D2266-02 [28]. Phụ gia trong mỡ với vai trò tăng cường các tính năng làm việc của mỡ. Các chất phụ gia được cho thêm vào có tác dụng làm cho cấu trúc của mỡ tốt hơn, tăng cường một cách chọn lọc những tính chất quan trọng của mỡ như: tăng tính chất ổn định nhiệt, ổn định hóa học, ổn định cơ học, chịu áp suất … 1.5 Phân loại mỡ [4,11,13,17] Mỡ bôi trơn rất đa dạng. Do những yêu cầu phát triển của các ngành chế tạo máy và các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau, các chủng loại mỡ không ngừng được mở rộng, đổi mới. Chính vì vậy có nhiều cách phân loại mỡ khác nhau như sau: - Phân loại theo chất làm đặc - Phân loại theo phạm vi sử dụng - Phân loại theo công dụng chính của mỡ - Phân loại theo độ xuyên kim (NLGI) 10
1.5.1 Phân loại theo chất làm đặc Theo cách này có 4 nhóm mỡ: a. Mỡ gốc xà phòng Là loại mỡ phổ biến nhất hiện nay, phụ thuộc vào bản chất của các cation kim loại người ta phân biệt các loại sau: - Mỡ xà phòng của kim loại kiềm: liti, kali, natri... phổ biến nhất là xà phòng liti, ít dùng nhất là xà phòng kali. - Mỡ xà phòng của kim loại kiềm thổ: Ca, Ba. - Xà phòng của kim loại nhôm (Al) và kẽm (Zn). - Xà phòng hỗn hợp của hai kim loại như: mỡ gốc xà phòng Ca-Na, Ca-Li b. Mỡ gốc sáp (hydrocacbon) Nhóm mỡ có chất làm đặc là các hydrocacbon rắn như parafin, xerezin, các loại sáp tự nhiên hoặc sáp tổng hợp khác nhau. c. Mỡ gốc vô cơ Nhóm này có chất làm đặc là các chất vô cơ có độ phân tán cao như silicagel, disunfit molipden, than graphit, cao lanh … d. Mỡ gốc hữu cơ Nhóm này có các chất làm đặc là các hợp chất hữu cơ của flo, clo, các loại polymer, dẫn xuất ure, thông thường là các chất bôi trơn có gốc polymer. 1.5.2 Phân loại theo phạm vi sử dụng Dựa vào khả năng sử dụng của các loại mỡ có thể phân biệt chúng thành 2 nhóm: a. Mỡ thông dụng Là loại mỡ dùng ở hầu hết các loại máy với nhiệt độ sử dụng khoảng 50-200oC, chúng được phân biệt theo nhiệt độ nóng chảy gồm 3 nhóm sau: - Mỡ làm việc ở nhiệt độ thấp: Các mỡ này có nhiệt độ nhỏ giọt từ 40-70oC, sử dụng cho các máy làm việc ở nhiệt độ thấp. Thuộc nhóm này là các loại mỡ bảo quản mà thành phần là dầu nhờn có độ nhớt thấp, chất làm đặc là các loại sáp. 11
- Mỡ làm việc ở nhiệt độ trung bình: Nhóm này có nhiệt độ nhỏ giọt từ 65-100oC, có thể dùng khi nhiệt độ làm việc khoảng 80oC, thành phần gồm dầu nhờn và xà phòng canxi, liti,… - Mỡ làm việc ở nhiệt độ cao: Mỡ này có nhiệt độ nhỏ giọt trên 100oC. b. Mỡ chuyên dụng Là loại mỡ chuyên dụng cho các bộ phận máy móc theo quy định của nhà thiết kế chế tạo mà không được thay thế tùy tiện bằng các loại mỡ khác ví dụ như mỡ đồng hồ, mỡ hàng hải, mỡ đường sắt, mỡ chuyên dùng cho oto xe máy… 1.5.3 Phân loại theo công dụng chính của mỡ Căn cứ vào công dụng chính của mỡ người ta phân biệt thành những loại sau: a. Mỡ bảo quản Mỡ bảo quản được tổng hợp và sử dụng nhằm bảo vệ hay ngăn ngừa sự ăn mòn bề mặt các chi tiết kim loại và máy móc khi vận chuyển, bảo quản, vận hành... Các loại mỡ bảo quản cần phải có khả năng bám dính trên bề mặt tốt vì vậy chúng thường là các loại mỡ hydrocarbon, mỡ xà phòng có nhiệt độ nhỏ giọt ≥ 60 oC. Chúng có độ ổn định keo và độ ổn định hoá học cao, độ bay hơi thấp, chịu nước tốt. Cơ chế tác dụng của mỡ bảo quản: Theo lý thuyết điện hóa ăn mòn kim loại thì tốc độ ăn mòn, tức là cường độ dòng ăn mòn I tỷ lệ thuận với thế xuất hiện E và tỷ lệ nghịch với tổng điện trở R và điện trở phân cực theo công thức: E I = ---------------------- Rk + R a + R Trong đó: R: điện trở trong của mạch Rk, Ra: điện trở phân cực của catot và anot Vậy ta có thể giảm tốc độ I ăn mòn bằng cách: Làm giảm thế xuất hiện E càng bé càng tốt, tức là kim loại càng đồng nhất về cấu trúc, kim loại có độ tinh khiết cao hoặc tăng tổng điện trở Rk + Ra + R của mẫu số bằng cách sử dụng màng bảo vệ như dầu mỡ, sơn phủ, mạ…. 12
Màng mỡ bảo quản có tác dụng làm chậm sự phát triển của các quá trình điện hóa ăn mòn do phân cực catot hay anot. Màng dầu mỡ bảo vệ cho kim loại khỏi ăn mòn nhờ sự hình thành các lớp hấp phụ và hấp phụ hóa học của các chất ức chế ăn mòn tan trong dầu, màng này không bị nước phá hủy. Theo L. I. Rozenfeld thì cơ chế tác dụng của màng dầu mỡ bảo quản là nhờ tác dụng đẩy nước do hình thành trên bề mặt kim loại màng hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý của các chất ức chế ăn mòn, các chất hoạt động bề mặt trong thành phần mỡ. Sự hình thành lớp màng bảo vệ dưới ảnh hưởng của lực hấp phụ và bám dính. Tác dụng bảo vệ của lớp màng này là ở sự cách li bề mặt kim loại về cơ học với môi trường ăn mòn. Sự phân cực anot hoặc catot được tạo ra bởi lớp hấp phụ, hấp phụ hóa học của chất ức chế ăn mòn trên kim loại. b. Mỡ làm kín Mỡ làm kín có vai trò lấp kín các khe hở, mối nối ren, mối nối tĩnh cũng như mối nối động. Mỡ làm kín được chia làm 3 loại sau: - Mỡ van: Mỡ van được sử dụng làm kín đối với hệ van, vòng đệm của các máy bơm, van chắn cửa đường ống, đặc biệt là các van chắn làm việc trong điều kiện áp suất cao và van thiết bị cấp phát. Các loại mỡ này cần chịu nước tốt, độ bám dính cũng như độ ổn định keo cao và tương đối cứng. - Mỡ ren: Mỡ ren được sử dụng để làm kín và bôi trơn trong các thiết bị khoan, ống dẫn dầu và khí… Trong mỡ ren thường chứa nhiều bột kim loại hoặc oxit kim loại nên khá độc hại. Các loại mỡ này đòi hỏi phải có khả năng chịu nước tốt, độ bám dính cao. - Mỡ chân không: Đây là các loại mỡ được sản xuất bằng cách làm đặc dầu gốc parafin bằng xerezin, thường chứa cao su tự nhiên và có độ nhớt cao, nhiệt độ nhỏ giọt ≥50oC. Vì vậy, các loại mỡ này khá giống cao su tự nhiên, khả năng bám dính tốt. Mỡ chân không được sử dụng làm kín các mối nối động của hệ thống chân không; khe hở của các thiết bị để ngăn bụi và hơi ẩm khi bao gói, bảo quản thiết bị trong thời gian dài. c. Mỡ chống ma sát Mỡ chống ma sát được sử dụng để giảm lực ma sát và sự mài mòn trên bề mặt tiếp xúc của các chi tiết máy móc, thiết bị, động cơ. Mỡ chống ma sát thường là mỡ loại 13
1,2 và 3 theo phân loại của NLGI. Trong quá trình làm việc, mỡ chống ma sát phải chịu các tác động cơ học, nhiệt độ và hoá học, có thể gây ảnh hưởng đến cấu trúc mỡ. Một vấn đề nữa đó là sự thất thoát của thành phần lỏng trong mỡ do nhiệt độ cao. Khi lượng lỏng mất mát đến 50% thì cần phải thay mỡ mới. 1.5.4 Phân loại mỡ theo NLGI [4] Viện mỡ bôi trơn quốc gia Mỹ (NLGI – National Lubricating Grease Isntitute) đưa ra phân loại mỡ dựa theo độ xuyên kim, theo tiêu chuẩn ASTM. Bảng 1.1 Phân loại mỡ dựa theo độ xuyên kim theo tiêu chuẩn ASTM TT Cấp NLGI Độ xuyên kim Dạng ngoài 1 000 445÷457 Nửa lỏng 2 00 400÷430 Cực mền 3 0 355÷385 Rất mền 4 1 310÷340 Mền 5 2 265÷295 Mền vừa 6 3 220÷250 Rắn vừa 7 4 175÷205 Rắn 8 5 130÷160 Rất rắn 9 6 85÷115 Cực rắn 1.6 Thành phần của mỡ Mỡ có các thành phần chủ yếu sau: Thể lỏng làm nhờn, chất làm đặc và chất phụ gia. [11,16,18,19,20,21] 1.6.1 Thể lỏng làm nhờn Thể lỏng làm nhờn hay còn gọi là pha lỏng là thành phần chủ yếu của mỡ (70÷90%), nó có ảnh hưởng quyết định đến tính chất bôi trơn, làm nhờn của mỡ. Đa số các loại mỡ có pha lỏng là dầu nhờn gốc dầu mỏ. Tuy vậy, trong một số trường hợp với mục đích nâng cao chất lượng mỡ, người ta sử dụng các loại dầu tổng hợp để chế tạo mỡ. Các loại dầu nhờn gốc dầu mỏ thường được sử dụng để sản xuất các mỡ thông thường. Dầu nhờn có độ nhớt nhỏ được dùng để sản xuất mỡ cho các chi tiết ma sát làm việc ở nhiệt độ thấp, vòng quay lớn, tải trọng nhỏ. Trong trường hợp ngược lại, người ta dùng dầu nhờn có độ nhớt cao. Dầu nhờn có độ nhớt trung bình được dùng để sản xuất mỡ thông dụng và được sử dụng phổ biến nhất. Những loại mỡ dùng ở các vị trí có nhiệt độ 14
cao trên 200oC chỉ có thể sản xuất được khi dùng dầu nhờn tổng hợp. Trong thực tế, công nghiệp hóa dầu không sản xuất dầu nhờn chuyên dùng cho mục đích sản xuất mỡ. Vì thế, khi sản xuất mỡ, người ta thường sử dụng dầu nhờn thông dụng như: dầu biến thế, dầu công nghiệp, dầu truyền động ... Khi cần sản xuất một số loại mỡ có tính trơ khi tiếp xúc với các sản phẩm từ dầu mỏ như xăng, nhiên liệu diezel, nhiên liệu phản lực, các loại dầu nhờn... người ta phải dùng dầu nhờn có nguồn gốc động vật, thực vật để làm pha lỏng như: dầu bông, dầu thầu dầu, dầu hướng dương, dầu lanh, dầu trẩu, dầu dừa hoặc dầu tổng hợp.... Loại mỡ này không hòa tan vào các dung môi hydrocacbon nên còn có tên chung là mỡ chịu xăng. Khi sản xuất các loại mỡ trơ với môi trường có tính hóa học cao, ăn mòn hoặc phá hủy mạnh như axit, kiềm, muối vô cơ... phải dùng các hợp chất cơ flo, cơ clo dạng lỏng vì chúng có tính bền hóa học rất cao. Thành phần, tính chất và chất lượng của dầu nhờn dùng để sản xuất mỡ phải đáp ứng đủ các yêu cầu đề ra cho loại dầu nhờn cùng công dụng khi chúng được sử dụng trực tiếp trên máy móc và thiết bị kỹ thuật. 1.6.2 Chất làm đặc Chất làm đặc hay còn gọi là pha rắn, pha phân tán, chiếm hàm lượng từ 10%-30% khối lượng mỡ. Chất làm đặc ở trong mỡ tạo thành khung cấu trúc không gian. Khung này được thấm ướt bởi pha lỏng là dầu nhờn và chính nó làm nên tính dẻo của mỡ. Dầu nhờn lấp đầy các khoang rỗng, khe hở hoặc lỗ trống trong khung cấu trúc không gian của chất làm đặc và bị giữ lại tại đó bởi lực mao dẫn. Cấu trúc của mỡ có 2 loại: cấu trúc tinh và cấu trúc thô. Mỡ có cấu trúc xuyên suốt toàn bộ độ dày của mỡ. Cấu trúc này chính là cấu trúc của các phân tử nhỏ nhất của chất làm đặc tạo nên. Khi có tác động cơ học từ bên ngoài như lọc, khử bọt, khuấy trộn... làm cho thể khối của mỡ bị phá vỡ, tạo ra cấu trúc thô. Các hạt đơn lẻ hay các sợi mỡ trong cấu trúc thô có thể nhìn thấy bằng mắt thường hay khi được phóng đại lên một chút. Chính vì thế cấu trúc thô của mỡ tạo ra hình dáng bên ngoài của mỡ. Cấu trúc thô của mỡ có ba dạng: dạng hạt, dạng xơ và dạng trơn. Cấu trúc của mỡ phụ thuộc vào thành phần, công nghệ sản xuất và gia công cơ học của mỡ. Bản chất tự nhiên của chất làm đặc đóng 15
vai trò chính trong quá trình hình thành cấu trúc mỡ. Tuy vậy, không thể bỏ qua vai trò của thành phần hóa học và các tính chất của dầu nhờn. Căn cứ vào chất làm đặc, người ta phân ra các loại mỡ sau: mỡ xà phòng, mỡ hydrocacbon, mỡ vô cơ và mỡ hữu cơ. Phần lớn mỡ sử dụng hiện nay là mỡ xà phòng (chiếm khoảng 80-90% tổng khối lượng). Loại mỡ này dùng các loại muối của axit béo bậc cao với các kim loại để làm đặc dầu nhờn. Để sản xuất xà phòng người ta lấy axit béo của mỡ tự nhiên, axit tổng hợp, các axit béo đơn lẻ đã được làm sạch, có từ 10-20 nguyên tử cacbon. Axit thích hợp nhất là mỗi phân tử có chứa từ 16-18 nguyên tử cacbon. Xà phòng là sản phẩm của phản ứng hóa học giữa hydroxit kim loại với axit béo (thường ở dạng glyxerit của mỡ động, thực vật). nRCOOH + Me(OH)n → Me(RCOO)n+ nH2O Trong đó: R - Gốc hydrocacbon Me - Cation kim loại Nếu mỡ dùng xà phòng được sản xuất từ dầu mỡ tự nhiên thì được gọi là mỡ béo, nếu dùng xà phòng sản xuất từ dầu mỡ tổng hợp thì gọi là mỡ tổng hợp. Nguyên tử kim loại trong phân tử xà phòng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của xà phòng và tính chất của mỡ, nên người ta gọi tên mỡ theo tên kim loại có trong xà phòng. Thường gặp nhất là mỡ canxi, liti, natri, canxi-natri; mỡ bari, nhôm có mức độ phổ biến ít hơn; còn mỡ chì, kẽm, bạc thì tương đối hiếm gặp. Ngày nay người ta còn dùng xà phòng phức để làm đặc dầu nhờn. Xà phòng dùng sản xuất mỡ phần lớn được điều chế từ axit béo tổng hợp. Đó là sản phẩm của quá trình oxy hóa hydrocacbon thuộc dãy đồng đẳng ankan (parafin). Dùng axit béo tổng hợp để sản xuất mỡ sẽ giảm được việc sử dụng các loại dầu thực vật, mỡ động vật có giá thành cao hơn. Dầu tự nhiên thường được dùng để sản xuất mỡ là dầu bông, dầu thầu dầu, dầu lanh. Để sản xuất những loại mỡ chất lượng cao (chiếm khoảng 1,5% tổng khối lượng mỡ được sản xuất) người ta dùng xà phòng của axit stearic (C17H35COOH), axit oleic (C17H33COOH) và axit ricinoleic (HOC17H32COOH)… Xà phòng là hợp chất tan không tốt trong dầu khoáng. Ở điều kiện bình thường hoặc nhiệt độ cao hơn, một phần lớn xà phòng trong mỡ đều ở dạng keo hoặc dạng phân 16
tán thô. Do đó chỉ với hàm lượng xà phòng không nhiều (khoảng 10%) đã có thể tạo ra mỡ có các tính chất điển hình của chất dẻo. Bảng 1.2 Đặc tính của một số loại mỡ với chất làm đặc khác nhau Nhiệt độ, 0C Nồng độ chất làm TT Loại mỡ Nhiệt độ đặc, % khối lượng Sử dụng nhỏ giọt 1 Mỡ nhờn gốc xà phòng canxi - Loại thường 12-18 75-100 60-80 - Loại phức hợp 7-12 200-250 150-200 2 Mỡ nhờn gốc xà phòng natri - Loại thường 15-30 120-250 110-130 - Loại phức hợp 15-25 200-250 150-200 3 Mỡ nhờn gốc xà phòng liti - Loại stearat 8-12 200-210 100-120 - Loại oxit stearat 8-12 200-210 100-140 4 Mỡ nhờn gốc xà phòng bari - Loại thường 20-40 90-120 80-100 - Loại phức hợp 20-30 120-190 120-150 5 Mỡ nhờn gốc xà phòng nhôm - Loại thường 10-20 70-100 60-80 - Loại phức hợp 6-10 250-300 200-220 6 Mỡ nhờn gốc sáp 15-30 50-70 40-60 7 Mỡ nhờn gốc pigment 20-50 - 200-250 8 Mỡ nhờn gốc polymer 10-25 - 60-100 Mỡ nhờn gốc ureat 8-25 -- 150-200 9 Mỡ nhờn gốc silicagel 6-10 - 150-250 1.6.3 Chất phụ gia [11] Mỡ với hai thành phần chính: Chất làm đặc và dầu nhờn chưa thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về tính chất sử dụng, nên ngoài hai thành phần này người ta cho thêm vào mỡ các phụ gia có tính chất đặc biệt khác. Lượng các chất phụ gia được sử dụng rất khác nhau, có trường hợp chiếm tới 15% khối lượng của mỡ. Các chất phụ gia có tác dụng làm cho cấu trúc của mỡ tốt hơn, làm tăng cường một cách chọn lọc những tính chất sử dụng quan trọng của mỡ như: tăng tính chất ổn định nhiệt, ổn định hóa học, ổn định cơ học, tăng khả năng bịt kín, chịu áp… 17
Bảng 1.3 Các loại phụ gia được sử dụng trong mỡ bôi trơn TT Loại phụ gia Loại hóa chất Ví dụ điển hình Tỷ lệ(%) 1 Chống oxi hóa hay Amin Phenylalphanapthylamin, 0,1-1 ức chế oxi hóa Phenol Di tertbutyl-para-cresol, 0,05-1 Lưu huỳnh Kẽm dibutyl dithiocacbonat, 0,1-1 Các hợp chất selen Di-lauryl selenua 2-5 2 Các chất ức chế ăn Sulfonat Natri sulfonat, 0,2-0,3 mòn Sorbital este Sorbitan monooleat 1 3 Các chất làm bền Tương tự với các Các hydroquinon thế 0,01-0,1 màu chất chống oxi hóa Fufural azine 0,01-0,1 4 Các chất màu Các chất màu Các chất màu đỏ hoặc màu 0,01-0,03 anilin tan trong dầu xanh 5 EP (Phụ gia chịu Cl2, P hoặc các hợp Parafin clo hóa, 5-15 áp) hoặc các tác chất của S Kẽm dithiophosphat, nhân làm tăng độ Dibenzyldisulfua bền của màng 6 Phụ gia khử hoạt Các hợp chất của S Mercaptobenzothiazole 0,01-0,05 tính kim loại hoặc phosphor 7 Các chất ức chế rỉ Tương tự các chất Amin của axit béo, mỡ bò 0,01-6 ức chế ăn mòn Butyl stearat amin hoặc các phân đoạn dầu mỏ được oxi hóa 8 Các phụ gia mạch Polymer polyisobutylen 0,02-1 dài 9 Hệ thay đổi cấu Glycol, các alcol Propylenglycol, glycerol, 0,1-1 trúc hoặc hệ xà chứa nhiều nhóm glycerol monooleate phòng - dầu OH, monoglycerid a. Phụ gia chống oxy hóa Phản ứng oxy hóa là phản ứng oxy kết hợp với chất khác. Hầu hết các phân tử của mỡ bôi trơn có thể tác dụng nhanh hay chậm với oxy. Khả năng oxy hóa có thể xếp thứ tự như sau: Hydrocacbon không no > hợp chất dị nguyên tố > hydrocacbon thơm > naphten > parafin Vì mỡ làm việc trong điều kiện thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với không khí nên chúng có thể tác dụng dần với oxy trong không khí. Tốc độ oxy hóa mỡ phụ thuộc vào 18
bản chất của mỡ và nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, bản chất chi tiết máy, dụng cụ sử dụng mỡ. Nhiệt độ tăng, tốc độ oxy hóa tăng. Vật liệu của chi tiết máy, dụng cụ đặc biệt là đồng, sắt và các tiểu phân bị mài mòn của chúng cũng có thể tác dụng như chất xúc tác của quá trình oxy hóa. Quá trình oxy hóa làm biến chất mỡ, làm cho các tính chất của mỡ không còn đảm bảo, chính vì vậy phụ gia chống oxy hóa được đưa vào để tăng độ bền, ổn định trong quá trình sử dụng. Các chất oxy hóa trong mỡ là các hợp chất có chứa nhóm phenol, amin, lưu huỳnh, photpho, cũng có thể chứa đồng thời hai nhóm như các phenol chứa nitro và lưu huỳnh. Chúng được sử dụng với hàm lượng thấp, chỉ khoảng 0,05÷5%. b. Phụ gia ức chế ăn mòn Các chất ức chế ăn mòn là các phụ gia có tác dụng bằng cách tạo màng trên bề mặt kim loại. Nói chung, một màng bảo vệ được hấp phụ trên bề mặt kim loại làm giảm sự tiếp xúc giữa môi trường và kim loại. Điển hình của phụ gia loại này là: - Dithiophotphat kim loại, đặc biệt là kẽm. - Diankyldithiophotphat. - Các anken sunfua hóa. - Các terpen sunfua hóa như limonene sunfua. - Benzotriazol và các dẫn xuất của chúng. - Sunfonat kim loại. c. Phụ gia khử hoạt tính kim loại Các phụ gia làm cản trở hoặc làm chậm tác động xúc tác được gọi là các chất khử hoạt tính kim loại hoặc thụ động hóa kim loại. Các chất khử hoạt tính kim loại chung nhất là các dẫn xuất etylendiamin và propylenediamin của disalixyliden. Các chất này khử hoạt tính của kim loại do hình thành các phức chất chelat. d. Phụ gia ức chế rỉ Rỉ là sự hình thành sắt hydroxyt, là một dạng đặc biệt quan trọng của ăn mòn bề mặt. Thuật ngữ ức chế rỉ dùng cho các chất bảo vệ kim loại đen chống rỉ. Rỉ thường liên quan đến sự tạo thành Fe(OH)2. 19