NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br />
<br />
<br />
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG PEG-200<br />
ĐẾN GIẢM MA SÁT VÀ TỰ PHỤC HỒI MÒN CỦA<br />
NANO TiO2 TRONG DẦU BÔI TRƠN CF4-15W40<br />
RESEARCH ON THE INFLUENCE OF PEG-200 TO FRICTION<br />
REDUCTION AND ABRASION SELF-RECOVERING<br />
OF NANO TiO2 IN LUBRICANT CF4-15W40<br />
Nguyễn Đình Cương, Trần Quang Thắng<br />
Email: nguyencuong1111980@gmail.com<br />
Trường Đại học Sao Đỏ<br />
Ngày nhận bài: 9/5/2017<br />
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 11/9/2017<br />
Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017<br />
Tóm tắt<br />
<br />
Ma sát và mài mòn dẫn đến giảm hiệu suất của chi tiết máy. Chất phụ gia nano trong dầu bôi trơn có<br />
khả năng làm giảm ma sát và tự hồi phục bề mặt mài mòn. Sử dụng thiết bị ma sát 4 bi (MRS-10A) thí<br />
nghiệm với phụ gia nano TiO2 hàm lượng 0,5% và các hàm lượng chất phân tán (PEG-200) bổ sung<br />
vào dầu bôi trơn để đánh giá mức độ giảm ma sát. Dùng thiết bị đo đường kính vết mòn của bi, kính<br />
hiển vi điện tử quét (SEM) và máy phổ tán sắc năng lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học bề<br />
mặt vết mòn, từ đó phân tích khả năng tự hồi phục mài mòn của phụ gia nano TiO2. Kết quả thí nghiệm<br />
thấy rằng, khi bổ sung hàm lượng phụ gia 0,5% nano TiO2 và 1,0% PEG-200 vào dầu bôi đã đạt được<br />
hiệu quả giảm ma sát và hồi phục bề mặt mài mòn tốt nhất trong điều kiện vật lý tiến hành thực nghiệm.<br />
Từ khóa: Ma sát mài mòn; tự hồi phục; chất phụ gia nano TiO2; polyethylene glycol (PEG).<br />
Abstract<br />
<br />
Friction and abrasion are the reasons leading to the efficiency reduction of machine part. The nano<br />
additives in lubricant are capable of reducing friction and self-recovering abrasive surfaces. The article<br />
utilized four-ball friction device (MRS-10A) experimented with 0.5% of TiO2 nano additive and dispersant<br />
content (PEG-200) added to the lubricant to assess the level of friction reduction. Ball wear diameter-<br />
measurement device, Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray spectroscopy<br />
(EDX) are used to analyze the chemical elements of wear surface and the ability of abrasive self-<br />
recovering of TiO2 nano additive. The experiment results showed that the addition of 0.5% nano TiO2<br />
and 1.0% PEG-200 additive to the lubricant had the best effect on friction reduction and surface abrasion<br />
under physical condition to conduct experiments.<br />
Keywords: Friction brasion; self-recovering; TiO2 nano additive; polyethylene glycol (PEG).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ nên chống được mài mòn. Nhóm tác giả Nga, G.V.<br />
Vinogradov [2] nghiên cứu chất phụ gia nano lưu<br />
Trên thế giới, các quốc gia phát triển đặc biệt quan<br />
tâm hướng nghiên cứu về chất phụ gia nano trong huỳnh trong dầu bôi trơn, thí nghiệm trên máy 4<br />
dầu bôi trơn. Ở Mỹ, Christopher DellaCorte [1] bi, kết quả thí nghiệm thấy rằng, vết mòn trên bề<br />
nghiên cứu hỗn hợp phụ gia nano Ag/BaF2-CaF2 mặt của bi nhỏ. Tác giả A. Neville [3] (Vương quốc<br />
tự hồi phục mòn bề mặt ma sát. Nghiên cứu phát Anh) nghiên cứu, khi bổ sung hàm lượng chất phụ<br />
hiện ra rằng, chất phụ gia nano này không những gia tối ưu trong dầu bôi trơn sẽ làm giảm hệ số<br />
đã tự hồi phục mài mòn của cặp chi tiết ma sát mà ma sát, mài mòn của cặp chi tiết ma sát. Thông<br />
còn hình thành lớp kim loại bảo vệ bề mặt ma sát qua các kết quả nghiên cứu, sự phân tán đều và<br />
<br />
<br />
52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017<br />
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br />
<br />
ổn định trong thời gian dài của của phụ gia nano 2.3. Thiết bị thí nghiệm<br />
trong dầu bôi trơn là yếu tố quyết định đến giảm<br />
ma sát và mài mòn của chi tiết [4].<br />
<br />
TiO2 là hợp chất có các tính chất: độ nóng chảy<br />
cao, ít chịu bị ăn mòn hóa học, dễ khuếch tán<br />
vào bề mặt kim loại, chịu mài mòn, độ cứng lớn<br />
nhưng vẫn giữ độ dẻo [5]. PEG-200 là chất phân<br />
tán, ở thể lỏng không màu trong suốt và là chất<br />
hoạt động bề mặt. Trong điều kiện môi trường<br />
chất lỏng thích hợp, PEG-200 sẽ bao quanh hạt<br />
nano, ngăn cản các hạt nano tự liên kết với nhau<br />
[6-7]. Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu<br />
hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma sát và<br />
tự hồi phục mài mòn của nano TiO2 trong dầu bôi<br />
trơn CF4-15W/40.<br />
<br />
2. VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM<br />
Hình 2. Nguyên lý của ma sát 4 viên bi<br />
2.1. Vật liệu thí nghiệm<br />
1-Viên bi đỉnh; 2-Ba viên bi phía dưới; 3-Mối<br />
Lựa chọn nano TiO2 là 10 nm (Công ty TNHH Vật ghép kẹp 3 viên bi; 4-Kẹp bi; 5-Đai ốc ren ngoài.<br />
liệu nano kim loại Thượng Hải, Trung Quốc); chất<br />
Sử dụng thiết bị ma sát 4 bi MRS-10A để thí<br />
phân tán polyethylene glycol, trọng lượng phân tử<br />
nghiệm với dầu bôi trơn có phụ gia nano. Khi thí<br />
PEG-200 (Công ty TNHH Hóa chất Quảng Đông,<br />
nghiệm, nhập các thông số đầu vào: Tải trọng (N),<br />
Trung Quốc); Dầu bôi trơn CF4-15W/40. Viên bi<br />
tốc độ (vg/ph), nhiệt độ (oC), thời gian thí nghiệm<br />
tiêu chuẩn, vật liệu GCr l5, đường kính 12,7 mm,<br />
(phút) và khoảng cách thời gian ‘‘ghi nhớ’’ thông<br />
độ cứng HRC 64-66. số. Kết thúc thí nghiệm sẽ xuất ra bảng thông số<br />
2.2. Pha chế phụ gia đầu ra: Thời gian, mômen xoắn, tải trọng, tốc độ,<br />
hệ số ma sát, nhiệt độ, tốc độ. Nguyên lý làm việc<br />
Chất phụ gia được pha chế bằng cách: Trộn phụ của máy bốn bi theo hình 2. Viên bi phía trên được<br />
gia nano TiO2 với PEG-200, sau đó đổ vào cốc kẹp chặt bởi kẹp bi (4) và có chuyển động quay.<br />
dầu bôi trơn CF4-15W/40, trước tiên dùng đũa Ba viên bi ở dưới được cố định bởi mối ghép<br />
thủy tinh khuấy đều, sau đó đặt cốc dầu bôi có phụ đai ốc ren ngoài (5). Khi viên bi (1) quay sẽ tiếp<br />
gia vào máy phát sóng siêu âm KH3200E (hình 1), xúc ma sát với ba viên bi cố định phía dưới. Khi<br />
trong thời gian 30 phút [8]. chuyển động, 3 viên bi phía dưới bị mài mòn biên<br />
dạng (vết mòn) là hình tròn.<br />
<br />
2.4. Thông số thí nghiệm và phương pháp<br />
phân tích<br />
<br />
Dựa theo tiêu chuẩn SH-T0762-2005 (tiêu chuẩn<br />
4 bi-Trung Quốc) [9], thử nghiệm trên thiết bị ma<br />
sát 4 bi MRS-10A do Trung Quốc sản xuất. Thí<br />
nghiệm với phụ gia nano trong dầu bôi trơn đã<br />
pha chế như mục 2.2. Điều kiện thí nghiệm liệt<br />
kê theo bảng 1. Dùng máy đo biên dạng mài mòn<br />
của 3 viên bi cố định phía dưới, sau đó tính trung<br />
bình đường kính vết mài mòn để đánh giá độ mòn<br />
Hình 1. Phân tán chất phụ gia nano trong quá trình ma sát. Sử dụng kính hiển vi điện<br />
trong dầu bôi trơn tử quét (SEM) và máy phổ tán sắc năng lượng<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 53<br />
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br />
<br />
(EDX) quan sát vết mòn và phân tích thành phần Bảng 2. Mẫu thí nghiệm của các hàm lượng chất<br />
hóa học trên vết mài mòn của viên bi. Kết quả phân tán<br />
quan sát vết cầy xước bề mặt ma sát và phân tích Mẫu TN O0 O1 O2 O3 O4<br />
thành phần hóa học của bề mặt viên bi bị mài mòn<br />
Hàm<br />
sẽ đánh giá được khả năng tự hồi phục mòn của 0 0,25 0,5 1,0 1,5<br />
lượng/%<br />
phụ gia nano TiO2.<br />
Từ hình 3 quan sát thấy hàm lượng chất phân tán<br />
Bảng 1. Bảng thông số thí nghiệm với các hàm ảnh hưởng đến sự lắng đọng của phụ gia nano<br />
lượng PEG-200<br />
TiO2, khi hàm lượng chất phân tán là 0% (O0) và<br />
Lần Hàm PEG- Tải Tốc Nhiệt Thời<br />
hàm lượng chất phân tán 1,5% (O4) dễ dàng quan<br />
TN lượng 200 trọng độ độ gian<br />
nano (%) (N) (vg/ (OC) TN sát thấy ở đáy ống nghiệm và thành ống có một lớp<br />
TiO2 ph) (phút) chất phụ gia nano TiO2 màu trắng đục lắng đóng ở<br />
(%)<br />
đáy và một phần bám vào thành ống nghiệm. Với<br />
1 0,5 0,00 392 600 75 60<br />
hàm lượng PEG tăng từ 0,25 đến 1,0% (mẫu O1,<br />
2 0,5 0,25 392 600 75 60 O2, O3), sự lắng đọng chất phụ gia càng ít dần. Khi<br />
3 0,5 0,50 392 600 75 60 hàm lượng PEG-200 là 1,0% quan sát (mẫu O3),<br />
4 0,5 1,00 392 600 75 60 tại đáy và thành ống nghiệm hầu như không có sự<br />
lắng đọng. Có thể khẳng định rằng, sự phân tán<br />
5 0,5 1,50 392 600 75 60<br />
của nano TiO2 trong dầu bôi trơn là tốt nhất.<br />
3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ<br />
<br />
3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200 đến<br />
sự lắng đọng của nano TiO2<br />
<br />
Hạt nano kim loại thường có độ hạt vài đến vài<br />
chục nanomét, các hạt nano này trong môi trường<br />
dầu bôi trơn có tính năng tự liên kết với nhau tạo<br />
thành các hạt lớn hơn. Nếu đơn thuần cho các hạt<br />
nano vào trong dầu bôi trơn, không những chất<br />
phụ gia nano không thể giảm ma sát mòn mà còn<br />
có thể sinh kết quả không như mong muốn. Giả<br />
sử các hạt nano tự liên kết cục bộ trong dầu bôi<br />
trơn sẽ biến thành tạp chất ảnh hưởng đến tính<br />
chất bôi trơn. Do vậy, thành phần phụ gia trong Hình 3. Sự lắng đọng của phụ gia với hàm lượng<br />
dầu bôi trơn nhất thiết phải gồm vật liệu nano và chất phân tán khác nhau (sau 30 ngày)<br />
chất phân tán [10]. Có nhiều yếu tố để nano phân 3.2. Hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma<br />
tán đều trong dầu bôi như: chủng loại, phân tử sát mài mòn<br />
lượng, hàm lượng của chất phân tán; lựa chọn<br />
Thí nghiệm với 5 mẫu thí nghiệm (bảng 2) để<br />
các thông số của máy phân tán [11]. Chất phân<br />
tán phải đảm bảo hai điều kiện là: chất phụ gia đánh giá mức độ giảm ma sát, mài mòn. Từ hình<br />
nano không những phân tán đều trong dầu bôi 4 thấy rằng, hệ số ma sát và vết mòn của chi tiết<br />
trơn mà còn duy trì trong thời gian dài và không ma sát bị ảnh hưởng bởi hàm lượng PEG-200.<br />
bị lắng đọng. Khi dầu bôi trơn chỉ có phụ gia nano TiO2 (0%<br />
hàm lượng PEG-200), hệ số ma sát trung bình là<br />
Sau khi pha chế chế phụ gia (mục 2.2), hàm lượng<br />
0,0886 và đường kính vết mòn trung bình là 0,91<br />
0,5% nano TiO2 pha với 5 hàm lượng chất phân<br />
mm. Nhưng hàm lượng chất phân tán là 0,25%;<br />
tán PEG-200 (bảng 2). Sau đó lần lượt rót dầu bôi<br />
0,50%; 1,0% và 1,5% thì hệ số ma sát giảm lần<br />
trơn có pha phụ gia vào các ống nghiệm. Trong<br />
lượt là: 11,2%; 13,6%; 20,6% và 7,3%, vết mòn<br />
điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí tiêu<br />
chuẩn, sau 30 ngày quan sát sự lắng đọng của của chi tiết ma sát cũng giảm lần lượt là: 8,7%;<br />
chất phụ gia (hình 3). 10,9%; 24,1% và 5,4%.<br />
<br />
<br />
54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017<br />
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br />
<br />
<br />
0.100 1.00 TiO2 là lượng vừa đủ để chất phụ gia phân tán đều<br />
0.095 HÖ sè ma s¸t 0.95 và treo lơ lửng trong dầu bôi trơn.<br />
§ường kÝnh vÕt mßn<br />
0.090 0.90 3.3. Tự hồi phục mài mòn<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
§ưêng kÝnh vÕt mßn (mm)<br />
0.85<br />
0.085 3.3.1. Chất phụ gia có hàm lượng 0,0% PEG-200<br />
HÖ sè ma s¸t (f )<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.80<br />
0.080<br />
0.75 Từ hình 6 có thể quan sát thấy, khi sử dụng dầu<br />
0.075 bôi trơn chỉ có phụ gia hàm lượng 0,5% nano TiO2<br />
0.70<br />
0.070 0.65 trong dầu bôi trơn, vết mòn có nhiều nhấp nhô<br />
0.065 0.60 cao, độ sâu cầy xước rất rõ nét trên bề mặt ma<br />
0.060 0.55<br />
sát, có nhiều vết cầy xước rất rõ nét và trên toàn<br />
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 bộ bề mặt mòn (hình 6a). Dùng máy phổ tán sắc<br />
Hµm lượng PEG(%) năng lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học<br />
Hình 4. Ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200 trên bề mặt ma sát (hình 6b), thấy tồn tại chủ yếu<br />
thành phần các nguyên tố hóa học của viên bi là<br />
đến hệ số ma sát và đường kính vết mòn<br />
Fe, Cr, Mn. Trên bề mặt vết mòn không tồn tại chất<br />
phụ gia nano TiO2.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Dùng SEM quan sát vết mài mòn<br />
<br />
a) Hàm lượng 0,0% PEG; b) Hàm lượng 0,25%<br />
PEG; c) Hàm lượng 0,5% PEG; d) Hàm lượng<br />
1,0% PEG; e) Hàm lượng 1,5% PEG<br />
Khi bổ sung chất phụ gia nano kim loại và chất<br />
phân tán PEG-200 (chất hoạt động bề mặt) hợp lý Hình 6. Phân tích thành phần hóa học (EDX)<br />
vào trong dầu bôi trơn thì các phần tử PEG-200 sẽ trên vết mòn với hàm lượng 0% PEG<br />
bám xung quanh các hạt nano (trạng thái no) làm<br />
3.3.2. Chất phụ gia có hàm lượng 1,0% PEG-200<br />
cho giảm lực Van der Waals (lực phân tử), lực tĩnh<br />
điện [12-13]. Nếu hàm lượng PEG-200 ít sẽ không Với hàm lượng 1,0% chất phân tán PEG và hàm<br />
đủ để bám đều xung quanh các hạt nano sẽ dẫn lượng 0,5% nano TiO2 trong dầu bôi trơn, quan sát<br />
đến các hạt nano TiO2 liên kết với nhau thành các bề mặt vết mòn (SEM) và phân tích thành phần<br />
hạt lớn do các lực hút phân tử và tĩnh điện. Nhưng hóa học (EDX) trên vết mòn (hình 7). Từ hình 7 có<br />
nếu hàm lượng PEG-200 nhiều quá thì các các<br />
thể quan sát thấy, bề mặt vết mòn ở hàm lượng<br />
hạt nano TiO2 lại sinh ra hiện tượng dính vào nhau<br />
0,5% của chất phụ gia nano TiO2 và 1,0% PEG-<br />
và phân bố cục bộ tại khu vực nhất định. Với hàm<br />
200 (hình 7a) trong dầu bôi trơn so với chất phụ<br />
lượng 1,0% của chất phân tán PEG và 0,5% nano<br />
gia không hàm lượng phân tán PEG-200 có rất ít<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 55<br />
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br />
<br />
vết cầy xước, vết cầy xước không rõ nét, bề mặt TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
tương đối nhẵn bóng. Dùng EDX phân tích thành<br />
[1]. Christopher DellaCorte (1996). The effect of<br />
phần hóa học trên bề mặt vết mòn có tồn tại các<br />
counterface on the tribological erformance of a<br />
nguyên tố hóa học Ti, C, Cr và Fe (hình 7b). Trong high temperature solid lubricant composite from<br />
đó, nguyên tố Cr, C và Fe là thành phần hóa học 25 to 65oC. Surface and Coatings Technology,<br />
của chi tiết ma sát (viên bi), nguyên tố Ti là từ chất Vol. 2. pp. 486-492.<br />
phụ gia nano TiO2 trong dầu bôi trơn. Nguyên tố Ti [2]. G.V. Vinogradov, O.E. Morozova (1960). A study<br />
tồn tại trên bề mặt vết mòn có trị số là 1,35%. Do of the wear of steel under heavy loads with<br />
vậy có thể kết luận rằng, chất phụ gia nano TiO2 lubricants containing sulphur-based additives.<br />
Wear, Vol.3, pp. 297-308.<br />
trong dầu bôi trơn đã bổ sung, khuếch tán vào vết<br />
[3]. A. Neville, A. Morina, T. Haque, etc (2007).<br />
mòn nên bề mặt chi tiết ma sát nhẵn bóng.<br />
CoMPatibility between tribological urfaces and<br />
lubricant additives-How friction and wear reduction<br />
can be controlled by surface/lube synergies.<br />
Tribology International, Vol 40, pp. 1680-1695.<br />
[4]. Eui Jung Kim, Sung Hong Hahn (2001).<br />
Mierostrueture and photoaetiviy of titania<br />
nanopartieles prepared in nonionic W/O<br />
mieroemulsions. Materials and Engineering, Part<br />
A, Vol. 303, pp. 24-29.<br />
[5]. Yin Hong-xi, Zhang Wan-zhong, Gao En-jun<br />
(2007). The Study on the Absorption of Cadmium<br />
Ion by Nano-titanium Dioxide. Contemporary<br />
Chemical Industry, Vol 36, No.5, pp. 842-845.<br />
[6]. Effects of polyethylene G lycol on stability of nano<br />
Silica in aqueous suspension. Journal of Academy<br />
of Armored Force Engineering, Vol. 21, No.3, pp.<br />
73-77, 2007.<br />
[7]. Zhang Juan Juan, Chen Xiaofeng (2010).<br />
Preraration of Nanoscale Bioactive glasses by<br />
Addition of PEG as surface Disersion Agent.<br />
Bulletin of the Chinese Ceramic Society, Vol.29,<br />
No 2, pp. 257-261.<br />
[8]. Zhuo Hong, WangWenjian, Liu Qiyue (2007).<br />
An Investigation on Self-repairing Properties of<br />
GCr15/45 Steel under. Different Nano-particle<br />
Additives. Lubricatton Engineering Vol.32, No 8,<br />
pp. 46-51.<br />
Hình 7. Phân tích thành phần hóa học (EDX)<br />
[9]. SH/T 0762-2005-The test method for determination<br />
trên vết mòn với hàm lượng 1,0% PEG<br />
of the coeffcient of friction of lubricants using the<br />
four - ball wear test machine.<br />
4. KẾT LUẬN<br />
[10]. Zhuo Hong(2007). Research on the self-<br />
Thông qua thí nghiệm phụ gia với hàm lượng repairing technology of metal wear. Southwest<br />
0,5% nano TiO2 và 1,0% hàm lượng chất phân tán Jiaotong University Master Degree Thesis.<br />
(PEG-200), khi quan thấy sự lắng đọng của phụ [11]. Ou zhongwen (2002). In-situ synthesis and<br />
tribological characteristic of nanoparticles<br />
gia rất ít. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, sự có<br />
possessing the particularity of ultradispersion<br />
mặt của chất phụ gia PEG-200 trong dầu bôi trơn and stabilization. College of Material Science and<br />
dẫn đến hệ số ma sát giảm 20,6% và mài mòn Engineering, Chongqing University, pp. 56-60.<br />
giảm 24,1% so với dầu bôi trơn không chứa phụ [12]. Liu jingfu, Chen Hailong, Xia Zhenbin (2010).<br />
Advance on the Nano - particles, Dispersion<br />
gia này. Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM)<br />
mechanism, Methods and Application. Synthetic<br />
và máy phổ tán sắc năng lượng (EDX) phân tích Meterials Aging and Application, Vol.39, pp. 36-40.<br />
thành phần hóa học trên vết mài mòn viên bi, hàm [13]. Li Chao, Du Jianhua, Han Wenzheng (2007).<br />
lượng 0,5% chất phụ gia nano TiO2 và 1,0% PEG- Effects of polyethylene glycol on stability of nano<br />
200 trong dầu bôi trơn có khả năng tự hồi phục Silica in aqueous suspension [J]. Journal of<br />
Academy of Armored Force Engineering, Vol. 21,<br />
mài mòn chi tiết. No. 3, pp. 74-77.<br />
<br />
<br />
56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017<br />