Khảo sát tính bôi trơn hấp phụ của hỗn hợp mỡ dẻo sản xuất từ dầu gốc cá ba sa cho cặp ma sát trục thép – bạc đồng

Từ những luận điểm trên mà chúng tôi đề xuất đề tài “Khảo sát tính bôi trơn hấp phụ của hỗn hợp mỡ dẻo sản xuất từ dầu gốc cá ba sa cho cặp ma sát Trục thép – Bạc đồng” Đề tài sẽ góp phầ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan lu ận văn tốt nghiệp n ày là công trình nghiên c ứu củariêng tôi

Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực, những kết luận trong luậnvăn chưa từng được công bố ở bất k ỳ tài liệu nào

Nha Trang, tháng 09 năm 2011

Học viên cao học

Nguyễn Văn Tâm

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt thời gian thực hiện đề t ài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình

và hết sức quý báu từ phía l ãnh đạo Khoa Kỹ thuật Tàu thủy – Đại học Nha Trang,

sự đóng góp chân tình của đồng nghiệp cũng như sự quan tâm tạo điều kiện giúp đỡcủa Bộ môn Động lực – Khoa Kỹ thuật Tàu thủy, Xưởng Cơ khí – Khoa Cơ khí –Đại học Nha Trang về trang thiết bị để phục vụ cho thí nghiệm của đề t ài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Quách Đ ình Liên đã tận tìnhgiúp đỡ và hướng dẫn về mặt chuyên môn trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Gia Thái, Th.S Nguyễn Thái Vũ, Th.SHuỳnh Văn Nhu, Th.S Phan Quang Nhữ đã quan tâm giúp đỡ hỗ trợ và đóng gópnhiều ý kiến quý báu

Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo đã trực tiếp giảngdạy trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Học viên

Nguyễn Văn Tâm

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ASTM: Hội thử nghiệm vật liệu Mỹ ( American Society for testing and Material )DCBS: Dầu tinh chế từ mỡ cá ba sa

MBTBS: Mỡ bôi trơn sản xuất từ dầu tinh chế từ mỡ cá ba sa

MBT PHSH : Mỡ bôi trơn phân hủy sinh học

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm tạ ii

Danh mục các chữ viết tắt iii

Mục lục iv

Danh mục các hình vẽ sử dụng trong luận văn vi

Danh mục các bảng biểu sử dụng trong luận văn viii

Đặt vấn đề 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỠ BÔI TRƠN 4

1.1 Lịch sử phát triển của mỡ bôi trơn 4

1.2 Khái quát về mỡ bôi trơn 6

1.2.1 Thành phần và cấu trúc của mỡ bôi trơn 7

1.2.2 Đặc điểm và tính chất mỡ bôi trơn 9

1.2.3 Phân loại mỡ bôi trơn 14

1.2.4 Phạm vi sử dụng của mỡ bôi trơn 15

1.3 Mỡ bôi trơn với chất làm đặc là xà phòng liti 16

1.3.1 Dầu gốc 16

1.3.2 Chất làm đặc 18

1.3.3 Công nghệ sản xuất mỡ phân hủy sinh học gốc liti 20

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LỰA CHỌN DẦU CÁ BA SA LÀM DẦU GỐC ĐỂ SẢN XUẤT MỠ BÔI TRƠN VỚI CHẤT LÀM ĐẶC LÀ XÀ PHÒNG LITI DÙNG BÔI TRƠN CHO CẶP MA SÁT TRỤC THÉP – BẠC ĐỒNG 23

2.1 Đặc điểm bôi trơn hấp phụ 23

2.1.1 Bôi trơn hấp phụ và phân loại 23

2.1.2 Ảnh hưởng cấu trúc phân tử của chất bôi trơn đến bôi trơn hấp phụ 30

2.2 Khả năng bôi trơn hấp phụ mỡ dẻo trên cặp ma sát trục thép – bạc đồng 33

2.2.1 Tổng quan về cặp ma sát Trục thép - Bạc đồng 33

2.2.2 Đặc điểm bôi trơn bằng mỡ dẻo đối với cặp ma sát trục thép bạc đồng 37

2.3 Cơ sở lựa chọn dầu cá ba sa làm dầu gốc sản xuất mỡ bôi trơn với chất làm đặc là xà phòng liti dùng bôi tr ơn cho cặp ma sát trục thép – bạc đồng 39

2.3.1 Cơ sở kỹ thuật 39

2.3.2 Ý nghĩa thực tiễn của việc sử dụng mỡ có nguồn gốc từ dầu cá ba sa 40

2.3.3 Tính chất, cấu trúc và thành phần của dầu cá ba sa 41

2.3.4 Chất làm đặc sử dụng sản xuất mỡ bôi trơn dầu cá ba sa 48

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 50

3.1 Thực nghiệm sản xuất thử mỡ bôi trơn dầu cá ba sa 50

3.1.1 Lựa chọn phương pháp sản xuất thử mỡ bôi trơn dầu cá ba sa 50

3.1.2 Trang thiết bị và nguyên liệu sản xuất thử mỡ bôi trơn dầu cá ba sa 53

3.1.3 Phân tích đánh giá tính ch ất hóa lý của mẫu mỡ bôi trơn dầu cá ba sa 57

3.2 Thử nghiệm khả năng bôi trơn của mỡ bôi trơn từ dầu cá ba sa trên cặp ma sát trục thép - bạc đồng 62

3.2.1 Mục đích thử nghiệm 62

3.2.2 Phương pháp khảo nghiệm 63

3.2.3 Thiết bị khảo nghiệm hệ số ma sát 64

3.2.4 Tiến hành khảo nghiệm 67

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 79

4.1 Những kết quả đã đạt được 79

4.2 Đề xuất ý kiến 79

Tài liệu tham khảo 81

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của vật liệu bôi tr ơn 4

Hình 1.2 Thành phần mỡ bôi trơn 7

Hình 1.3 Cấu trúc mỡ bôi trơn 8

Hinh 1.4 Sơ đồ của bộ phận xác định độ xuy ên kim 10

Hình 1.5 Dụng cụ đo nhiệt độ nhỏ giọt của mỡ 12

Hình 1.6 Sơ đồ nhiệt trong công nghệ tổng hợp MBT dầu khoáng 20

Hình 1.7 Sơ đồ nhiệt trong công nghệ tổng hợ p MBT dầu DTV 20

Hình 2.1 Ảnh hưởng giữa các thông số p, v, η đến độ dày lớp dầu bôi trơn, chế độ bôi trơn, hệ số ma sát 24

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số ma sát của bề mặt 27

Hình 2.3 Liên kết giữa các phân tử axit béo đảm bảo độ bền cho lớp đ ơn phân tử hấp phụ 30

Hình 2.4 Sự biến đổi nồng độ axit stearic v à isostearic đến hệ số ma sát 31

Hình 2.5 Sự phá huỷ màng hấp phụ do sự phân nhánh của phân tử 31

Hình 2.6 Cấu trúc của lớp hấp phụ của hỗn hợp silanes 32

Hình 2.7 Sơ đồ sự bám hút của axit béo (a) v à sự trùng hợp ngược (b) 33

Hình 2.8 Một số loại bạc lót ổ trượt 33

Hình 2.9 Bạc lót hợp kim nhôm ổ tr ượt 33

Hình 2.10 Bạc lót ổ đỡ 35

Hình 2.11 Bạc lót ổ đỡ chặn 35

Hình 2.12 Một số kết cấu ổ trượt 36

Hình 2.13 Cấu trúc phân tử chung của các axit triglyxerit 43

Hình 2.14 Cấu trúc phân tử một số axit trong dầu cá ba sa 43

Hình 2.15 Ảnh hưởng của nồng độ axit béo đến giá trị của hệ số ma sát 46

Hình 2.16 Sự hấp phụ lại sau khi ma sát phá hỏng m àng hấp phụ 46

Hình 2.17 Cấu tạo Axit 12 – hydroxystearic 48

Hình 3.1 Sơ đồ tiến trình nấu thử MBTBS 52

Hình 3.2 Thiết bị tổng hợp MBTBS 53

Hình 3.3 Nồi nấu MBTBS 54

Hình 3.4 Thiết bị khuấy MBTBS 54

Hình 3.5 Thiết bị điểu khiển nhiệt độ 55

Hình 3.6 Thiết bị nạp dung dịch LiOH 56

Hình 3.7 Thiết bị đồng thể hóa 56

Hình 3.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ 12-StOLi đến độ xuyên kim 58

Hình 3.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ 12-StOLi đến ổn định keo 59

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ 12-StOLi đến nhiệt độ nhỏ giọt 59

Hình 3.11 Các thông số đặc trưng cho tính bôi trơn 63

Hình 3.12 Máy khảo nghiệm ma sát 65

Hình 3.13 Sơ đồ cấu tạo máy khảo nghiệm ma sát 65

Hình 3.14 Cặp ma sát thử nghiệm bôi tr ơn bằng MBTBS 66

Hình 3.15 Sơ đồ khảo nghiệm 67

Hình 3.16 Mẫu khảo nghiệm ma sát 68

Hình 3.17 Hệ số ma sát của cặp ma sát thép đồng đ ược bôi trơn bằng MBTBS 76

Hình 3.18 Hệ số ma sát của cặp ma sát thép đồng đ ược bôi trơn bằng Castrol-spheerol AP3 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các thành phần chính để sản xuất mỡ [3] 8

Bảng 1.2 Các loại MBT PHSH v à đặc tính kỹ thuật của chúng [4] 10

Bảng 1.3 Phân loại mỡ theo độ xuy ên kim [4] 15

Bảng 1.4 So sánh các chất bôi tr ơn sử dụng dầu gốc khác nhau 17

Bảng 1.5 Các tính chất của mỡ t ương ứng với chất làm đặc khác nhau [11] 19

Bảng 1.6 Công nghệ sản xuất mỡ Liti tr ên nền dầu khoáng và dầu thực vật [7] 20

Bảng 2.1 Hệ số ma sát của một số vật liệu khi đ ược bôi trơn bằng axit lauric [2].28 Bảng 2.2 Dải áp lực và tốc độ làm việc cho phép của một số loại vật liệu l àm bạc lót [5] 34

Bảng 2.3 Tốc độ trượt tương đối giữa trục và bạc lót của một số thiết bị [5] 38

Bảng 2.4 Tính chất hóa lý của dầu cá ba sa 41

Bảng 2.5 Thành phần các axit béo của một số loại dầu mỡ động vật [6] 42

Bảng 2.6 Thành phần axit béo của Dầu cá ba sa [6] 43

Bảng 2.7 Thành phần axit béo của một số dầu thực vật [11] 44

Bảng 2.8 Chỉ tiêu kỹ thuật của Axit 12 – hydroxystearic 48

Bảng 2.9 Chỉ tiêu kỹ thuật của liti hydroxyt thương ph ẩm 48

Bảng 3.1 Tỷ lệ % chất l àm đặc cho từng mẻ với khối l ượng 500g 57

Bảng 3.2 Tính chất hóa lý của MBTB S 58

Bảng 3.3 Thành phần nguyên liệu để tổng hợp 500g MBTBS cho cặp ma sát thép – đồng 60

Bảng 3.4 Kết quả phân tích MBTBS cho cặp ma sát thép - đồng 61

Bảng 3.5 So sánh MBTBS với một số MBT t ương ứng 61

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật Castrol -Spheerol AP3 64

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của máy khảo nghiệm ma sát 64

Bảng 3.10 Các đại lượng đặc trưng ứng với v = 0,5 m/s 72

Bảng 3.12 Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 1,0 m/s 72

Bảng 3.13 Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 1,5 m/s 72

Bảng 3.14 Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 2,0 m/s 73

Bảng 3.16 Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 3,0 m/s 73

Bảng 3.17 Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 0,5 m/s 73

Bảng 3.18 Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 1,0 m/s 74

Bảng 3.19 Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 1,5 m/s 74

Bảng 3.20 Các đại lượng đặc trưng ứng với v= 2,0 m/s 74

Bảng 3.21 Các đại lượng đặc trưng ứng với v=2,5 m/s 75

Bảng 3.22 Các đại lượng đặc trưng ứng với v=3,0 m/s 75

Bảng 3.23 Kết quả đo hệ số ma sát khi đ ược bôi trơn bằng MBTBS 76 Bảng 3.24 Kết quả đo hệ số ma sát khi đ ược bôi trơn bằng Castrol-spheerol AP3 76

ĐẶT VẤN ĐỀ

I CƠ SỞ HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI

Hàng năm, trên thế giới lượng vật liệu bôi trơn sử dụng vào khoảng 40 triệutấn trong đó mỡ bôi trơn (MBT) chiếm khoảng từ 2 – 5% Trong đó khoảng từ 4đến 12 triệu tấn bị thải ra môi tr ường gây ô nhiễm môi tr ường rất lớn [7,10,11].Ngoài ra, nguồn nguyên liệu gốc khoáng không phải l à vô tận Vì vậy, xu hướngchung của thế giới hiện nay l à chế tạo các loại vật liệu an to àn cho môi trường,trong đó có các vật liệu có khả năng phân hủy sinh học đi từ các nguy ên liệu có thểtái tạo được Trước tình hình đó, một số nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứunhững sản phẩm như MBT cao cấp phân hủy sinh học từ dầu gốc l à dầu thực vật,xuất nhiên liệu sạch như biodiesle từ thực vật như dầu dừa, dầu cọ, mỡ động vật, giasúc, gia cầm, v.v Cụ thể là tại Công ty cổ phân phát triển phụ gia APP đ ã thànhcông và đưa vào sử dụng rất hiệu quả mỡ bôi trơn phân hủy sinh học (MBT PHSH)

có nguồn gốc từ dầu thực vật

Với mục đích mở rộng phạm vi sử dụng của các loại vật liệu có thể tái tạođược, tại An Giang một số nhà nghiên cứu đã chế tạo và sản xuất thành công dầubiodiesel từ dầu mỡ cá ba sa, cá tra

Trong thực tế, quá trình chế biến cá ba sa, cá tra d ùng trong thực phẩm phục

vụ cho con người vẫn có một lượng lớn mỡ được thải ra ngoài môi trường màkhông được tận dụng một cách triệt để v à hậu quả đã gây ô nhiễm môi trường nặngtại một số khu vực có các nhà máy chế biến thủy sản đóng tr ên địa bàn Về mặt lýthuyết các loại mỡ này có thể sử dụng để chế biến thức ăn cho gia súc, sản xuất cácchế phẩm công nghiệp như sản xuất sản phẩm biodiesel , v.v Mỡ bôi trơn cónguồn gốc từ mỡ cá, mỡ thải đ ã qua sử dụng có thể dễ dàng bị phân hủy do tác độngcủa vi sinh vật ít gây ô nhiễm môi tr ường Hơn nữa nó không gây nhiễm độc thựcphẩm khi sử dụng bôi tr ơn trong các máy móc chê biến thực phẩm mà có sự rò rỉ

Vì thế việc nghiên cứu nhằm sử dụng một cách hợp lý nguồn phế liệu mỡ cá n ày là

hết sức cần thiết Với ph ương châm “Tăng cường chế biến sản phẩm tinh chế và sản

xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng ” từ nguyên liệu kém giá trị kinh tế hay phế

liệu thủy sản Việc nghiên cứu chế biến và khảo nghiệm các tính năng mỡ cá Ba sa

và cá Tra thành thực phẩm hay dầu mỡ bôi tr ơn trong công nghiệp nhằm nâng caogiá trị thương phẩm cho cá Ba sa và cá Tra sẽ góp phần sử dụng một cách có hiệuquả nguồn phế liệu mỡ cá vốn rất sẵn có đồng thời góp phần cải thiện môi tr ường

Từ những luận điểm trên mà chúng tôi đề xuất đề tài “Khảo sát tính bôi trơn hấp phụ của hỗn hợp mỡ dẻo sản xuất từ dầu gốc cá ba sa cho cặp ma sát Trục thép – Bạc đồng”

Đề tài sẽ góp phần giải quyết các vấn đề li ên quan trong lĩnh vực nghiên cứuvật liệu bôi trơn thay thế nguồn nguyên liệu gốc dầu mỏ và giảm thiểu tác động đếnmôi trường và vấn đề nhiễm độc thực phẩm

Mục tiêu của đề tài là khảo sát tính bôi trơn hấp phụ của hỗn hợp mỡ dẻo bôitrơn với chất làm đặc là xà phòng gốc liti trên nền dầu cá ba sa (DCBS) cho cặp masát trục thép – bạc đồng Từ yêu cầu đó mục tiêu của đề tài được cụ thể hóa nhưsau:

1, Sản xuất thử mỡ bôi trơn từ dầu cá ba (MBTBS),

2, Thử nghiệm MBTBS với các chỉ tiêu sau:

- Các chỉ tiêu kỹ thuật như tính chất hóa lý của MBTBS,

- Khảo sát khả năng bôi tr ơn hấp phụ của MBT với chất làm đặc là xàphòng gốc liti trên nền dầu cá ba sa để bôi trơn cho cặp ma sát Trục thép – Bạcđồng

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Tính bôi trơn hấp phụ của mỡ bôi trơn sản xuất từ dầu cá ba sa

IV PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Sản xuất thử MBT với chất làm đặc là xà phòng gốc liti trên nền dầu cá ba sa,

Các tính chất hóa lý của MBTBS,

Đặc tính bôi trơn hấp phụ của MBTBS với chất làm đặc là xà phòng gốc liticho cặp ma sát Trục thép – Bạc đồng Cụ thể ở đây l à khảo sát hệ số ma sát của cặp

ma sát thép - đồng được bôi trơn bằng MBTBS

- Bước đầu sản xuất thử nghiệm vật liệu bôi trơn mới,

- Giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nhiễm độc thực phẩm,

- Cơ sở cho việc nghiên cứu tiếp theo sâu hơn về MBTBS

VI BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI

Với những mục tiêu của nghiên cứu nói trên, ngoài phần đặt vấn đề, mục lục

và tài liệu tham khảo, bố cục của đề tài bao gồm 4 chương với các nội dung sau:Chương 1: Tổng quan về mỡ bôi tr ơn

Chương 2: Cơ sở lựa chọn dầu cá ba sa l àm dầu gốc sản xuất mỡ bôi trơn vớichất làm đặc là xà phòng liti dùng bôi trơn cho cặp ma sát Trục thép – Bạc đồng.Chương 3: Thực nghiệm

Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỠ BÔI TR ƠN1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MỠ BÔI TR ƠN

Lịch sử phát triển của các sản phẩm MBT đ ược trình bày trên sơ đồ 1.1 Từkhoảng những năm 1750 khi công nghiệp bắt đầu phát triển người ta đã sử dụng dầu

mỡ động, thực vật để bôi trơn cho máy móc, trong đó MBT s ử dụng chủ yếu là mỡ

bò, mỡ cá voi Khi các vật liệu này chưa được chú ý về vấn đề môi tr ường và sựphân hủy sinh học

Hình 1.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của vật liệu bôi tr ơn

Đến năm 1789, khi bắt đầu c ó nền công nghiệp khai thác dầu mỏ, các sảnphẩm bôi trơn bằng mỡ gốc động, thực vật đ ược thay thế bằng MBT gốc dầukhoáng do giá thành rẻ và độ bền cao [23]

Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai, do thiếu dầu mỏ n ên đã có nhữngnghiên cứu MBT gốc dầu thực vật Đến khoảng những năm 1970, khi ý thức đ ược

vấn đề bảo vệ môi trường và do nhu cầu bảo vệ an toàn thực phẩm cho một sốngành công nghiệp chế biến thực phẩm, bắt đầu có những nghi ên cứu đầu tiên vềchế tạo MBT PHSH đầu tiên là MBT có dầu gốc là hỗn hợp dầu paraphin và dầuthực vật.

Cuối những năm 1980 các h ãng sản xuất MBT lớn đã có các sản phẩm MBTPHSH thương mại, do phải cạnh tranh với các mỡ có độ bền cao, các sản phẩmMBT PHSH dạng thương phẩm đều được chế tạo trên cơ sở tổng hợp dầu mỏ hoặcdầu tổng hợp gốc dầu thực vật [ 22]

Một số được chế tạo hỗn hợp giữa dầu khoáng paraphin v à dầu tổng hợp hoặchoàn toàn bằng dầu tổng hợp Các mỡ n ày, có nhiều tính chất hơn hẳn MBT gốcdầu khoáng về tính chất nhiệt độ thấp, tính bền nhiệt nh ưng giá thành cao và khảnăng phân hủy sinh học không cao [ 10]

Đến những năm 1990, bắt đầu có các nghiên cứu MBT PHSH có dầu gốchoàn toàn bằng dầu gốc động, thực vật Để đáp ứng nhu cầu an to àn về thực phẩm,sức khỏe và bảo vệ môi trường và cũng là một trong những giải p háp thay thế sảnphẩm dầu mỏ ngày càng cạn kiệt

Do nhu cầu về số lượng cũng như chất lượng của MBT ngày càng cao, các mỡPHSH thương phẩm gốc dầu thực vật bắt đầu đ ược phát triển vào những năm 1999– 2000 chủ yếu là ở Mỹ, Nhật Bản Một số nước ở Châu Âu đã phát triển mạnhMBT PHSH được sử dụng để bôi trơn cho máy móc, thiết bị làm việc ở những nơi

có khả năng rơi vãi ra ngoài môi trường, máy chế biến thực phẩm, v.v

Ở Việt nam, đi sau các nước tiên tiến trong việc phát triển MBT PHSH nhưngcũng đã đạt được những thành tựu bước đầu trong việc nghi ên cứu chế biến dầuthực vật, dầu động vật th ành MBT PHSH Những năm gần đây, nước ta đã cóchuyển biến mạnh mẽ trong chính sách quốc gia tạo điều kiện cho các nh à khoa họcquan tâm nghiên cứu sản xuất và sử dụng nguồn dầu động vật, thực vật v ào nghiêncứu và phát triển MBT PHSH Đặc biệt, tại Công ty Phát triển Phụ gia - Sản phẩmDầu mỏ năm 2005 và đứng đầu là PGS.TS Đỗ Huy Định đã nghiên cứu sản xuất

thành công MBT PHSH cao c ấp trên cơ sở biến tính dầu thực vật (t ừ các loại dầuđậu tương, dầu sở, dầu ve).

Trường Đại học Cần Thơ có nhóm tác giả nghiên cứu như (Lưu Kiều Oanh,Trần Thanh Thảo) năm 2010 cũng đã ứng dụng thành công dầu mỡ cá trong việctổng hợp mỡ bôi trơn sinh học Nguyễn Thị Mỹ Trang, trường đại học Nha Trang,nghiên cứu tinh chế dầu mỡ cá tra v à basa dùng làm nguyên li ệu sản xuất mỡ bôitrơn cho máy chế biến thuỷ sản Bộ môn hóa Đại học Bách khoa TPHCM cũng đãứng dụng thành công mỡ thải làm vật liệu bôi trơn Tại trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội, GS Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Hữu Trịnh tập trung v ào xúc tác dị thể, kiềm…

để điều chế BDF từ mỡ cá, dầu n ành, dầu thực vật [8, 9]

1.2 KHÁI QUÁT VỀ MỠ BÔI TRƠN

MBT là các chất bôi trơn dạng bán rắn với thành phần chủ yếu là một chấtlỏng (dầu gốc hay còn gọi là dầu nền) trộn với một chất làm đặc, ngoài ra còn chứamột số thành phần khác (phụ gia) nhằm cải thiện hoặc thay đổi một số tính chấtriêng biệt của từng loại mỡ

Xét về bản chất hóa keo, MBT l à một hệ đa phân tán keo gồm ít nhất haithành phần: dầu nền và chất làm đặc

Xét về đặc tính lưu biến MBT là loại vật liệu bôi trơn thể hiện tính chất vậtliệu rắn khi chịu tác động của tải trọng nhỏ trong điều kiện nhiệt độ th ường và bắtđầu bị biến dạng dẻo, thể hiện tính chất vật liệu lỏng khi tải trọng đạt tới giá t rị tớihạn, khi không còn chịu lực tác động thì lại phục hồi tính chất vật liệu rắn

Chất bôi trơn dẻo còn được gọi là hỗn hợp keo, trong đó các phân tử dầu bôitrơn được sắp xếp treo trên mạng lưới của các phân tử các chất l àm đặc, đường kínhcủa mỗi giọt dầu không vượt quá 1 micromet H ình dáng của chúng phụ thuộc vàođặc tính của chất làm đặc cũng như phương pháp tạo thành chất bôi trơn dẻo, cácyếu tố chính là tốc độ làm nguội trong quá trình chế biến

Chất dẻo bôi trơn là chất lỏng phi Newton Sự khác biệt giữa chất lỏngNewton và chất lỏng phi Newton là ở chỗ, độ nhớt của chất bôi tr ơn dẻo không chỉ

phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất mà nó còn phụ thuộc vào gradient của tốc độtrượt (cắt) giữa các lớp chất lỏng Độ nhớt nh ư thế được gọi là độ nhớt cấu trúc.Tính chất này làm cơ sở để chế tạo các dụng cụ chuy ên dùng cho bôi trơn và cáccặp ma sát khi được bôi trơn bằng vật liệu dẻo So với các chất lỏng, chất bôi tr ơndẻo có các tính chất đặc tr ưng, là nguyên nhân khi ến nó được dùng ngày càng phổbiến.

1.2.1 Thành phần và cấu trúc của mỡ bôi trơn

1.2.1.1 Thành phần của mỡ bôi trơn

MBT được cấu tạo gồm hai th ành phần chính là chất làm đặc có tỷ lệ từ 5đến 25 % trong mỡ và thường là những xà phòng kim loại như liti, natri, canxi haymột số loại bentonite đ ược phân tán trong dầu gốc (dầu khoáng, dầu động thực vậthay dầu tổng hợp) chiếm từ 75 đến 95% trong mỡ Ngo ài ra, trong MBT còn có h ệphụ gia để tăng cường tính năng cho mỡ khi sử dụng m à trong dầu không có hoặcmột số tính chất còn bị hạn chế như tính chịu áp, khả năng chống oxy hóa, tính bền

cơ học Các phụ gia dù ít hay nhiều đều có thể làm thay đổi cấu trúc của mỡ và ảnhhưởng đến tính chất lý hóa của mỡ nh ư nhiệt độ nhỏ giọt, độ xuyên kim, độ ổn địnhthể keo và hệ phụ gia thường chiếm từ 0,5 đến 10% trong mỡ Các thành phần cụthể được minh họa trong hình vẽ 1.2 và bảng 1.1

Hình 1.2 Thành phần mỡ bôi trơn

PTFEPolyethyleneChất màu indanthreneChất màu phthalocyanine

Ức chế ô xy hóaPhụ gia chống mòn (AW)Phụ gia EP

Ức chế ăn mònMolybdenum disulphidePhụ gia biến đổi ma sátChất khử kích hoạt kim loại(metal deactivators)

Phụ gia cải thiện chỉ số nhớtChất ức chế điểm chảyPhụ gia dính

Phụ gia không thấm nướcCác loại thuốc nhuộm màuPhụ gia biến đổi cấu trúc

1.2.1.2 Cấu trúc mỡ

Mỡ có cấu trúc mạng được tạo bởi các hạt rắn của chất l àm đặc, dầu được giữ lạitrong mạng lưới này nhờ lực tương tác Van der Waals Mỡ nhờn gốc xà phòng có cấutrúc dạng sợi, đối với từng loại mỡ nhờn kích th ước, hình dạng, sự phân bố và địnhhướng không gian của các sợi xà phòng rất khác nhau Chúng có thể có dạng dải băng,dạng lá, dạng đũa, dạng kim (hình 1.3)

Hình 1.3 Cấu trúc mỡ bôi trơn

A- Chất bôi trơn cấu tạo dạng matit, B- Cấu tạo dạng lưới.

1-dầu, 2-chất làm đặc, 3- chất phụ gia tham gia vào thành phần chất

làm đặc, 4- chất phụ gia tham gia vào thành phần của dầu

1.2.2 Đặc điểm và tính chất mỡ bôi trơn

1.2.2.1 Đặc điểm

Cũng như dầu bôi trơn, MBT có công dụng tạo ra sự bôi trơn toàn bộ bề mặt

để giảm sự ma sát chống đ ược tác hại do mài mòn của cặp ma sát Với trạng tháiđặc, tính bám dính, ổn định tốt v à ít bị chảy trôi mà mỡ dùng để bôi trơn cho cặp masát làm việc ở tốc độ thấp và chịu áp lực cao như chốt nhíp, trục xe, bộ truyền độngxích, các loại ổ bi và các loại máy tời làm việc ở tốc độ thấp chịu tải nặng Đồngthời, mỡ còn có tác dụng ngăn cách những chỗ dễ bị bẩn hoặc bị nước tác động đến.Ngoài ra, mỡ có tính năng bảo vệ, chống sự xâm nhập, ăn mòn của môi trường đến

bề mặt của chi tiết, dụng cụ v à thiết bị cơ khí

Ngoài ra, nhờ có độ nhớt cao, tính bám dính tốt mà mỡ còn được dùng làmkín các mối lắp ráp như các mối ráp có vòng đệm mềm, có mối ren, các mặt bíchống, trong các ổ đỡ, ổ bi… Do vậy tùy vào môi trường mỡ sẽ tiếp xúc mà chọn loại

mỡ cho phù hợp

Tuy nhiên, mỡ không thể thay thế đ ược hoàn toàn cho dầu vì mỡ ở trạng tháiđặc, độ nhớt rất lớn, trở lực ma sát lớn, không thể l ưu thông được nên không thểlàm mát khu vực bôi trơn Trong trường hợp như vậy nếu dùng MBT sẽ tốn nhiềunăng lượng của động cơ khi máy móc làm việc

1.2.2.2 Một số tính chất của mỡ bôi tr ơn

Tính chất của MBT phụ thuộc rất lớn v ào dầu gốc, thông thường MBT gồmhai loại là MBT đa dụng và MBT chuyên dụng, trong đó MBT chuy ên dụng đượcchế tạo dựa trên cơ sở các xà phòng chuyên dụng như xà phòng liti thì chỉ gồm mỡchịu tải và mỡ chịu nước, với xà phòng natri thì mỡ chịu nước Các tính chất củaMBT được thể hiện dưới bảng 1.2

Bảng 1.2 Các loại MBT PHSH và đặc tính kỹ thuật của chúng [4]

Tính chất MBT đa dụng

MBT chuyên dụng Chịu tải Chịu nhiệt Siêu chịu nhiệt

Độ xuyên kim ở 25oC

(0,1mm)

NLGI 1:310-340 NLGI 2:256-295 NLGI 3:220-250

NLGI 1:310-340 NLGI 2:256-295 NLGI 3:220-250

NLGI 1:310-340 NLGI 2:256-295

NLGI 1:310-340 NLGI 2:256-295

Nhiệt độ làm việcoC -20 ÷ +120 -20 ÷ +120 -20 ÷ +150 -20 ÷ +180

Độ ổn định keo (%)

NLGI 1:15Max NLGI 2:15Max NLGI 3:12Max

NLGI 1:15Max NLGI 2:15Max NLGI 3:12Max

NLGI 1:15Max NLGI 2:15Max

NLGI 1:15Max NLGI 2:15Max

Nhiệt độ nhỏ giọt (oC) 175 min 175 min 230min Không có Tải trọng hàn dính (N) 1300 min 2500 min 2500 min Không quy định

 Độ đặc của mỡ

Độ đặc chỉ trạng thái cứng, mềm của mỡ Qua độ đặc có thể chọn đ ược loại mỡthích hợp cho các bề mặt ma sát d ưới áp lực khác nhau, sơ đồ bộ phận xác định độxuyên kim xem hình 1.4

Hinh 1.4 Sơ đồ của bộ phận xác định độ xuyên kim

Độ đặc của mỡ được đặc trưng bởi độ xuyên kim, là chiêu sâu của một cônkim loại tiêu chuẩn xuyên vào mỡ (tính bằng 10-1mm) ở một điều kiện tiêu chuẩn vềkhối lượng, thời gian và nhiệt độ Độ xuyên kim được xác định theo tiêu chuẩn

A – Vị trí ban đầu,

B – Vị trí sau 5 giây

1 – bình đựng mỡ, 2 mỡ khảo nghiệm ,

3 kim hính nón.

ASTM D – 217 hay ASTM D – 1403 và được phân loại bởi viện dầu mỡ quốc giaHoa Kỳ.

Độ xuyên kim phụ thuộc vào độ nhớt của dầu nhờn, tỉ lệ chất l àm đặc, loại xàphòng và độ no của chất béo xà phòng hóa

Mỡ được sản xuất từ chất béo no có độ kim xuy ên nhỏ hơn từ cùng loại vớichất béo không no Nếu tỉ lệ chất l àm đặc càng lớn, độ kim xuyên càng nhỏ Nếu

mỡ được chế từ xà phòng cùng loại, dầu có độ nhớt khác nhau thì độ kim xuyêncũng khác nhau Nếu độ nhớt lớn th ì độ kim xuyên nhỏ Độ kim xuyên được coi làmột trong những đặc tính chính của mỡ

 Nhiệt độ nhỏ giọt

Độ nhỏ giọt là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó mỡ nóng chảy nhỏ xuống giọt đầutiên hay sợi mỡ chảy xuống chạm đáy ống nghiệm trong dụng cụ đo độ nhỏ giọt Độnhỏ giọt cho biết nhiệt độ cao nhất m à mỡ còn sử dụng được Thông thường nhiệt

độ sử dụng cao nhất thấp h ơn nhiệt độ nhỏ giọt khoảng 10 đến 20oC Tuy nhiên xét

về kết cấu thì mỡ là một hệ thể keo có kết cấu phức tạp do đó độ nhỏ giọt không đặctrưng hoàn toàn cho tính nóng ch ảy của mỡ Nhiều loại mỡ có độ nhỏ giọt gầngiống nhau, những mức độ nóng chảy không giống nhau, nh ư vậy tính ổn định nhiệtcủa mỗi loại mỡ cũng khác nhau

Loại xà phòng và độ no của xà phòng khác nhau thì độ nhỏ giọt của mỡ khácnhau

Nhiệt độ nhỏ giọt được xác định theo ASTM D – 566 (với mỡ có nhiệt độ nhỏ giọt không vượt quá 288 o C) hoặc D – 2265 (với mỡ có nhiệt độ nhỏ giọt lớn h ơn

288 o C).

Nhiệt độ nhỏ giọt không có tác dụng nhiều trong việc dự đoán các điều kiệnlàm việc của mỡ, nó cho phép phỏng đoán giới hạn nhiệt độ cao khi l àm việc vớiMBT

Hình 1.5 Dụng cụ đo nhiệt độ nhỏ giọt của mỡ

 Độ nhớt hiệu dụng

Độ nhớt hiệu dụng của MBT đ ược xác định theo ASTM D – 1092 được tínhbằng poises tại nhiệt độ và tốc độ trượt nhất định Nó được đo bằng tỷ lệ giữa ứngsuất trượt và tốc độ trượt của mỡ khi mỡ đi qua một ống mao quản

Độ nhớt hiệu dụng cho phép dự đoán khả năng l àm việc của mỡ trong ổ trục, xuhướng rò rỉ của mỡ, khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp, khả năng bơm của dầu

 Độ bền cơ học

Là khả năng mỡ nhờn chống lại sự biến dạng của cấu trúc d ưới tác động của cáclực cơ học Đây là một tính chất quan trọng do mỡ quá mềm d ưới tác động của điềukiện làm việc sẽ dẫn đến sự dò rỉ làm hỏng các chi tiết máy, mỡ quá cứng d ưới tácđộng trượt cắt sẽ không thể đến được các vùng cần bôi trơn

Tính chất cơ học của mỡ được xác định theo ASTM D – 1831 Người ta đo sựthay đổi độ xuyên kim của mỡ trước và sau khi chịu tác động cơ học trong một thiết

bị chuyên dụng

 Độ bền chống oxy hóa

Độ bền chống oxy hóa l à khả năng của mỡ chống lại sự oxy hóa trong điềukiện tồn chứa và làm việc, đặc biệt ở điều kiện nhiệt độ cao Có nhiều ph ương phápxác định độ bền oxy hóa như ASTM D – 942, GOST 7534

A –vỏ bọc nhiệt kế cùng mẫu mỡ khảo nghiệm,

B – sơ đồ dụng cụ đo 1 – nhiệt kế, 2 – vỏ bọc nhiệt kế, 3 – hõm chứa mỡ, 4 – mỡ khảo nghiệm, 5 – ống nghiệm , 6 –bình cung cấp nhiệt.

 Độ ổn định keo

Tính ổn định keo là khả năng giữ vững kết cấu của mỡ d ưới tác động của nhiệt

độ và áp lực Tính chất này được đánh giá bằng tỉ lệ phần trăm trọng l ượng dầu bịtách ra trong điều kiện thí nghiệm Để đánh giá tính ổn định th ường dùng thínghiệm tách dầu dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và áp lực Mỡ được khuấy kỹ rồi đổvào phễu có giấy lọc, giữ ở một nhiệt độ nhất định trong 24 giờ Cân l ượng dầu bịtách ra, tính tỉ lệ phần trăm trên lượng mỡ thí nghiệm

Lượng dầu tách ra càng nhiều, mỡ càng không ổn định Độ nhớt của dầucàng nhỏ, lượng dầu tách ra càng nhiều Cùng với thí nghiệm tăng nhiệt tách dầucòn có thí nghiệm tăng áp tách dầu Trong thực tế bảo quản, chứa đựng do tính chấtnày mỡ thường được chứa vào những thùng không quá lớn, quá cao, vì những lớp

mỡ dưới sẽ chịu một áp lực lớn do những lớp mỡ tr ên đè xuống, dầu sẽ bị tách ra,kết cấu mỡ bị phá vỡ

Tính ổn định ở thể keo của mỡ phụ thuộc v ào độ dính của dầu, chất l àm đặc

và kỹ thuật chế biến mỡ Độ dính của dầu tăng, chất l àm đặc có khả năng làm đặctốt sẽ làm tăng tính ổn định thể keo mỡ

Lượng dầu tách ra càng nhiều thì độ ổn định keo càng kém và ngược lại Độ

ổn định keo có thể được xác định theo GOST 7142 – 74

 Tính chất chịu nước

Là khả năng giữ vững tính chất của mỡ nhờn trong điều kiện l àm việc có độ

ẩm cao hoặc tiếp xúc với n ước Đây là một tính chất rất quan trọng đối với mỡ bảo

vệ và mỡ chống ma sát

Tính chất chịu nước của mỡ được đặc trưng bởi độ rửa trôi Độ rửa trôi của mỡđược xác định theo ASTM D – 1264 được tính bằng lượng mỡ trong một vòng bi tiêuchuẩn bị rửa trôi dưới tác động của nước trong điều kiện thử nghiệm

 Khả năng chống ăn mòn

Là tính chất MBT không gây ra các tác động ăn m òn bề mặt kim loại trongquá trình mỡ tiếp xúc với các chi tiết máy ma sát Khả năng chống ăn m òn được xácđịnh theo ASTM D – 4048; một tấm đồng được nhúng ngập vào mỡ sau đó đượcgia nhiệt đến 100oC trong 24h sau đó lấy ra so sánh với tấm đồng ti êu chuẩn

 Khả năng bôi trơn

Để đáp ứng yêu cầu bôi trơn nhiều loại máy móc khác nhau, các chất bôi tr ơnkhông những cần có phổ rộng về thuộc tính vật lý v à hóa học, mà còn phải có khảnăng bôi trơn Tính bôi trơn đánh giá tính năng c ủa chất bôi trơn mới hay một đơnpha chế mới được sử dụng trong sản xuất chất bôi tr ơn Người ta thường sử dụngcác phương pháp thử nghiệm tính bôi trơn của vật liệu bôi trơn như ASTM D1947,ASTM D2670, ASTM D2783

1.2.3 Phân loại mỡ bôi trơn

Trên thị trường hiện nay, mỡ bôi tr ơn rất đa dạng và phong phú Do những yêucầu phát triển của các lĩnh vực khoa học khác nhau, các chủng loại m ỡ không ngừng

mở rộng, đổi mới Do vậy m à có rất nhiều cách phân loại mỡ khác nhau:

- Theo phạm vi sử dụng, có hai nhóm: mỡ công nghiệp v à mỡ động cơ,

- Theo nhiệt độ làm việc: mỡ làm việc ở nhiệt độ cao, nhiệt độ th ường và nhiệt

độ thấp,

- Theo tính năng sử dụng: mỡ thông dụng, mỡ đa dụng v à mỡ đặc dụng,

- Theo tính chất của chất làm đặc: mỡ xà phòng và mỡ không xà phòng,

- Theo khả năng chịu tải: mỡ chịu tải th ường, mỡ chịu tải và chịu áp suất rất cao,

- Phân loại theo các tổ chức ti êu chuẩn hóa Đây là cách phân loại tiện dụng,hiệu quả cho các nhà máy chế tạo và người sử dụng,

- Theo dầu gốc: MBT có nguồn gốc từ dầu mỏ, MBT có nguồn gốc từ dầu gốcđộng vật, MBT có nguồn gốc từ dầu thực vật Theo cách phân loại n ày thì hỗn hợp

mỡ dẻo sản xuất từ dầu gốc cá ba sa (MBTB S) là MBT có nguồn gốc dầu động vật.Ngoài ra cũng có thể phân loại MBT dựa tr ên độ xuyên kim của mỡ theo NLGI(National Lubricating Grease Institue) bằng phương pháp ASTM D217 như bảng 1.3

Bảng 1.3 Phân loại mỡ theo độ xuyên kim [4]

lý và khả năng ứng dụng của mỡ bôi tr ơn Hiện nay, chất lượng của mỡ được đánhgiá theo tiêu chuẩn như ISO 6743-9 hoặc DIN 51825

1.2.4 Phạm vi sử dụng của mỡ bôi trơn

Với vai trò của mỡ bôi trơn có tác dụng bôi trơn phụ trợ cho dầu nhờn, đặcbiệt với đặc điểm của mỡ l à trạng thái đặc sệt, tính bám dính, ổn định tốt, ít bị chảytrôi nhờ vậy mà mỡ có thể làm việc ở những chỗ yêu cầu tính năng khốc liệt mà dầunhờn không thể làm được

Mỡ bôi trơn thường dùng thay thế chủ yếu cho dầu bôi tr ơn ở những nơi đòihỏi chất bôi trơn phải giữ nguyên được trạng thái cấu trúc ban đầu của nó; đặc biệt

là những nơi có điều kiện bôi trơn thường xuyên bị hạn chế

Do tính chất đặc và dẻo, tính lưu động kém của nó cho n ên MBT thường ứngdụng để bôi trơn cho các cặp ma sát chịu tải nặng v à làm việc ở tốc độ thấp

Mỡ bôi trơn sử dụng để bôi trơn phổ biến nhất là ở các ổ bi cầu và các con lăncủa các máy công cụ, mô t ơ điện và nhiều loại ổ trục khác nhau Để có đ ược đặctính thích hợp và nhiệt độ nhỏ giọt cao, ng ười ta thường sử dụng mỡ xà phòng Liti,Natri hoặc mỡ phức canxi-natri.

1.3 MỠ BÔI TRƠN VỚI CHẤT LÀM ĐẶC LÀ XÀ PHÒNG LITI

1.3.1 Dầu gốc

Dầu gốc là thành phần chủ yếu đảm nhiệm chức năng bô i trơn, vì thế phẩmchất của mỡ phụ thuộc rất nhiều v ào phẩm chất của dầu gốc hợp phần Dầu gốc cóthể là dầu gốc khoáng, dầu gốc tổng hợp hay dầu gốc động thực vật

Dầu gốc khoáng là dầu chủ yếu để sản xuất mỡ bôi tr ơn hiện nay do giá thànhthấp và tạo ra được mỡ phù hợp với phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp ,trong các loại dầu gốc khoáng thì dầu naphten được ưa chuộng dùng để chế tạo mỡbôi trơn hơn cả

Tùy thuộc vào chất làm đặc, dầu nhờn có thể thay đổi trong khoảng từ 70 – 95

% Nếu chất làm đặc là xà phòng thì dầu chiếm khoảng 80 -90% Nếu chất làm đặc

là cácbuahidrô rắn (sáp) thì dầu chiếm khoảng 70%

Dầu nhớt có trong mỡ bôi trơn thường có tính chi phối đến các tính chất:

và khả năng làm nhờn tốt, phải có độ nhớt thích hợp v à chỉ số độ nhớt cao, không

có tính ăn mòn kim loại

Nếu mỡ nhờn được dùng vào máy làm việc ở nhiệt độ thấp, phụ tải nhỏ, tốc độquay nhanh thì phải chọn dầu có điểm đông đặc thấp, độ nhớt nhỏ, chỉ số độ nhớtcao

Nếu mỡ được dùng vào máy làm việc ở nhiệt độ cao, tốc độ chậm, phụ tải lớnthì phải pha dầu có độ nhớt lớn

Khi mỡ bôi trơn cần làm việc ở các điều kiện khắc nghiệt ng ười ta thường sửdụng dầu gốc là dầu tổng hợp với các tính chất h ơn hẳn so với dầu khoáng (tínhchất nhớt nhiệt, tính chất nhiệt độ thấp tốt, độ bền nhiệt, độ bền chống oxy hóa cao,khoảng nhiệt độ làm việc rộng) Dầu tổng hợp bao gồm các hydrocacbon tổng hợp,các dieste, polyalphaolefin (PAOs), silicon …, m ột số tính chất của dầu gốc để tổnghợp mỡ bôi trơn được so sánh trong bảng 1.4

Bảng 1.4 So sánh các chất bôi trơn sử dụng dầu gốc khác nhau

Tính chất Dầu động

vật

Dầu thực vật

Dầu khoáng PAOs

Các dieste

từ dầu mỏ đang dần cạn kiệt ng ày càng trở nên cấp thiết.

1.3.2 Chất làm đặc

Các chất làm đăc không chỉ có tác dụng làm đặc, làm hạn chế sự linh động củadầu mà nó còn có tác dụng làm thay đổi tính chất của chất bôi, r ất nhiều tính chấtcủa MBT được xác định dựa vào chất làm đặc Nếu chất làm đặc chịu nhiệt, mỡ cóthể làm việc ở nhiệt độ cao, nếu chất l àm đặc không bị ảnh hưởng bởi nước, mỡcũng sẽ có tính chất như vậy

Chất làm đặc là phần “khung” của mỡ, nhờ có chất l àm đặc mà dầu nhờn bámvào đó và tồn tại ở dạng hỗn hợp dẻo, mềm Nếu không có chất l àm đặc thì khôngthể hình thành mỡ được

Chất làm đặc cho MBT gốc liti chủ yếu là xà phòng ltit của 12-StOH do đó sovới xà phòng liti của axit béo khác, 12-StLi cho mỡ có độ bền cao hơn [7] Để tăng

độ bền cơ học và tính chịu nhiệt cao người ta sử dụng xà phòng phức liti (xà phòng12-StOLi tạo phức với xà phòng liti của một ddiaxxit – thường là axit azelaic bảng1.5 mô tả các tính chất của mỡ t ương ứng với các chất làm đặc khác nhau

Bảng 1.5 Các tính chất của mỡ tương ứng với chất làm đặc khác nhau [11]

Đặc tính

Đang tăng Không nhiều Giảm

1.3.3 Công nghệ sản xuất mỡ phân hủy sinh học gốc liti

Mỡ bôi trơn được tổng hợp dựa trên nhiều phương pháp và tùy thuộc vào tính

chất dầu gốc, chất làm đặc hay từng loại công dụng của mỡ để lựa chọn ph ương

pháp tổng hợp cho hợp lý Mỡ bôi tr ơn phân hủy sinh học cũng dựa tr ên các phương

pháp thông dụng và phổ biến được diễn ra các giai đoạn nh ư trong bảng 1.6

Bảng 1.6 Công nghệ sản xuất mỡ Liti trên nền dầu khoáng và dầu thực vật [7]

STT Công nghệ sản xuất mỡ liti trên

nền dầu khoáng

Công nghệ sản xuất mỡ liti trên nền dầu

thực vật

1 Nạp hỗn hợp và axit béo vào nồi

phản ứng Nạp hỗn hợp, axit béo (v à phụ gia)

2 Trung hòa axit béo và xà phòng

hóa trigyxerid có trong axit béo

Trung hòa axit béo và xà phòng hóa

trigyxerid

3 Xử lý nhiệt ở 220oC Xử lý nhiệt ở 190oC ÷ 220oC

Sơ đồ của quá trình sản xuất mỡ được trình bày trên hình 1.6, 1.7

Hình 1.6 Sơ đồ nhiệt trong công nghệ tổng hợp

MBT dầu khoáng

Hình 1.7 Sơ đồ nhiệt trong công nghệ tổng hợp

MBT dầu DTV

Phương pháp sản xuất MBT có nguồn gốc từ dầu động thực vật tr ên cơ sở xàphòng liti cũng được thực hiện giống nh ư các phương pháp s ản xuất MBT nguồngốc dầu khoáng và cũng được tiến hành theo các bước như sau:

Phương pháp sản xuất MBT dầu gốc l à dầu thực vật trên nền xà phòng Liti[7]

Bước 1: Cho Axit 12 – hydroxystearic và dầu thực vật với tỷ lệ là 17% so vớitổng lượng dầu vào nồi phản ứng và nâng nhiệt độ lên 70 – 80oC

Bước 2: Nạp dung dịnh LiOH 9 – 10% (nhiệt độ dung dịnh 60 -70oC) thànhdòng nhỏ vào nồi phản ứng chứa hỗn hợp Axit 12 – hydroxystearic và dầu thực vật,Bước 3: Duy trì hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ 95 – 100oC đủ để trung hòalượng axit đã nạp và xà phòng hóa hết lượng trilyerit có trong 12 -StOH

Bước 4: Đuổi nước 100 – 120oC Kiểm soát phản ứng bằng chỉ số kiềm d ư vàchỉ số axit

Bước 5: Nâng nhiệt độ lên 190 - 200oC để tạo cấu trúc mỡ

Bước 6: Tắt gia nhiệt và nạp dầu còn lại vào nồi nấu để nhiệt độ mỡ xuốngđến 80oC

Bước 7: Tiếp tục làm nguội tự nhiên đến 100oC và nạp phụ gia sau đó giữnhiệt độ trong khoảng 30 phút

Bước 8: Cho hỗn hợp qua máy đồng thể hóa

Trong suốt quá trình tổng hợp mỡ phải duy tr ì khuấy

 Trên cơ sở tổng quan về mỡ bôi tr ơn, các vấn đề được rút ra như

sau:

-Mỡ được đặc trưng bởi các tính chất hóa lý v à các tính chất sử dụng Việc xác định các tính chất n ày không những cho phép đánh giá đúng chất l ượng, giá trị sử

dụng của mỡ nhờn mà còn đặt ra được chế độ bảo quản, chế độ làm việc phù hợp với từng loại mỡ.

- Từ những đặc điểm, tính chất của MBT có thể xác định được những yêu cầu cần phải có của dầu gốc sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất mỡ bôi tr ơn.

- Xác định tích chất hóa lý, khả năng đáp ứng của dầu gốc d ùng làm nguyên liệu sản xuất MBT.

 Những vấn đề mà đề tài cần phải đạt được

- Xác định được tính chất hóa lý, khả năng đáp ứng của dầu gốc sử dụng l àm nguyên liệu để sản xuất MBT,

- Sản xuất thử MBT với những y êu cầu đã nêu, có khả năng bôi trơn cho cặp

ma sát,

- Khảo sát khả năng bôi tr ơn của MBT được sản xuất từ dầu gốc đ ã lựa chọn bôi trơn cho cặp ma sát thép đồng.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LỰA CHỌN DẦU CÁ BA SA LÀM DẦU GỐC ĐỂ

SẢN XUẤT MỠ BÔI TRƠN VỚI CHẤT LÀM ĐẶC LÀ XÀ PHÒNG LITI DÙNG BÔI TRƠN CHO CẶP MA SÁT TRỤC THÉP – BẠC ĐỒNG

2.1 ĐẶC ĐIỂM BÔI TRƠN HẤP PHỤ

Nhiều ứng dụng trong thực tế có những tr ường hợp không thể hình thành cácdạng bôi trơn thủy động hoặc thủy động đ àn hồi và thậm chí cũng khó để tiến h ànhbôi trơn thủy tĩnh, dạng bôi trơn này được gọi là bôi trơn giới hạn[2] Trong đó, bôitrơn hấp phụ được hiểu như là một đặc thù của dạng của bôi trơn giới hạn, nó đượchình thành khi có sự biến đổi độ nhớt cục bộ tr ên bề mặt ma sát hoặc tạo ra m àngmỏng làm phân cách sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt ma sát

Có thể nói bôi trơn hấp phụ là một dạng của bôi trơn giới hạn mà tồn tạitrong trường hợp vận tốc trượt thấp hoặc vừa phải với áp lực lớn nh ưng nhiệt độlàm việc không cao, tại chế độ l àm việc kiểu này thì không thể hình thành các dạngbôi trơn thuỷ động hoặc thủy động đ àn hồi hay bôi trơn thủy tĩnh mà thay vào đó là

sự hấp phụ lớp đơn phân tử trên bề mặt vật rắn (do tính hấp phụ của vật liệu bôitrơn lên bề mặt của cặp ma sát), lớp đ ơn phân tử này tạo thành lớp màng mỏng dínhbám trên bề mặt tiếp xúc của cặp ma sát, nó có bề d ày mỏng đến mức làm cho cơchế tiếp xúc giữa các mấp mô giống nh ư sự tiếp xúc trực tiếp giữa các bề mặt masát, nhờ đó mà giảm được ma sát và hao mòn khi hai b ề mặt ma sát trượt tương đốivới nhau

2.1.1 Bôi trơn hấp phụ và phân loại

Như đã trình bày ở trên, bôi trơn hấp phụ là một đặc thù của bôi trơn giới hạn

và nó được hình thành trong trường hợp không thể hình thành các dạng bôi trơnthủy động hoặc thủy động đ àn hồi và thậm chí cũng khó để tiến h ành bôi trơn thủytĩnh Trên hình 2.1 giải thích về điều kiện h ình thành dạng bôi trơn này và ảnhhưởng của các yếu tố như áp lực, vận tốc, v.v đến sự h ình thành cơ chế bôi trơn

Hình 2.1 Ảnh hưởng giữa các thông số p, v, η đến độ dày lớp dầu bôi trơn, chế độ bôi trơn,

hệ số ma sát.

Trên giản đồ trạng thái bôi tr ơn (hình 2-1), bôi trơn giới hạn tồn tại giữa

trạng thái bôi trơn nửa ướt (hỗn hợp) và trạng thái ma sát khô, khi đó

P

v

H e 

cógiá trị rất nhỏ có thể do hình dáng bề mặt hoặc do biến dạng m à hai bề mặt tiếp xúcsong song với nhau không thể tạo ta m àng bôi trơn thủy động, thủy động đàn hồihoặc vi thủy động đàn hồi và có thể xảy ra một trong bốn tr ường hợp sau đây:

a) Tốc độ trượt quá thấp không hình thành được áp suất thủy động, nh ưng áplực không lớn, nhiệt độ v ùng tiếp xúc tăng không nhiều n ên có thể duy trì đượcmàng dầu mỏng giữa hai bề mặt tiếp xúc Độ nhớt của dầu th ường được nâng lên,

có thể bao phủ được bề mặt bôi trơn, không yêu cầu dầu có tính chất đặc biệt như

a) quan hệ giữa chế độ ma sát, giá trị hệ số ma sát với trị số;

b) quan hệ độ dày lớp dầu với

P

v

H e 

.

tính chất chịu nhiệt, khả năng bám dính đặc biệt, phản ứng hóa học tạo lớp mànghấp phụ đối với bề mặt vật liệu ma sát.

b) Tốc độ thấp hoặc vừa phải, áp lực lớn nhưng nhiệt độ vẫn thấp, cần phải

có tính chất đặc biệt mới duy tr ì được màng dầu bôi trơn mỏng hai bề mặt tiếp xúc

Ma sát được giảm thiểu nhờ bề mặt tiếp đ ược bao phủ bởi lớp phân tử hấp phụ củadầu bôi trơn

c) Tốc độ lớn áp lực vừa phải, nh ưng nhiệt độ vùng tiếp xúc cao là do nănglượng ma sát hoặc làm việc ở môi trường nhiệt độ cao Có sự t ương tác hóa họcgiữa dầu bôi trơn và bề mặt tiếp xúc, nên phải chủ động hướng các tương tác này cólợi cho ma sát và hao mòn qua các phụ gia có trong dầu bôi tr ơn Cơ chế tương tácnày thường đưa về các dạng:

+ Hình thành các lớp xà phòng không thuận nghịch và các vật liệu nhớt kháctrên bề mặt ma sát bởi các phản ứng hoá học giữa các phụ gia của d ầu bôi trơn vớikim loại bề mặt,

+ Nhờ các tính chất của phụ gia pha trong dầu, độ nhớt của dầu đ ược nânglên ở gần bề mặt tiếp xúc làm giảm mức độ bôi trơn giới hạn, làm tăng mức độ bôitrơn thủy động, nhờ đó mà làm giảm tổn thất ma sát Một số tính chất của phụ gia

có trong dầu làm tăng độ bền của màng dầu do khả năng hấp phụ của dầ u trên bềmặt,

+ Hình thành các lớp cấu trúc vô định h ình, có cấu trúc mịn do phản ứnggiữa phụ gia của dầu bôi tr ơn và vật liệu bề mặt vật rắn

d, Áp lực tiếp xúc lớn, do những nguy ên nhân khác nhau nhi ệt độ tại vùngtiếp xúc tăng cao, có khi đến v ài trăm độ Tính hấp phụ và các phản ứng kiểu xàphòng không tồn tại, phải có cơ chế tác động khác giữa dầu bôi tr ơn và bề mặt tiếpxúc Phụ gia trong dầu đóng vai tr ò hết sức quan trọng trong điều kiện tiếp xúc n ày,

nó phải chủ động tạo ra được:

+ Phản ứng giữa các phụ gia của d ầu bôi trơn với kim loại bề mặt,

+ Hình thành màng vật liệu vô cơ có khả năng chịu mòn trên bề mặt ma sátngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại v à ngăn cản dạng mòn mãnh liệt(severe).

Giảm ma sát và hao mòn trong bôi tr ơn giới hạn là nhờ sự hình thành lên lớpđơn phân tử hấp phụ lên về mặt ma sát và được tạo bởi một trong hai cơ chế đó làhấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ là quá trình diễn ra ở ranh giới của các pha, m à ở đó các thành phầncủa một pha có số lượng ở lớp bề mặt lớn h ơn so với trong lòng của pha đó Sự hấpphụ có thể là một chất khí hay chất lỏng tr ên bề mặt vật rắn là một, trên các bề mặtcủa vật rắn tồn tại các tr ường lực phụ thuộc v ào cấu trúc hoá học của nó Do sự tácđộng tương hỗ giữa các phần tử của chất lỏng hay chất khí l ên bề mặt vật rắn tạo lên

sự hút dính vào bề mặt vật rắn Sự không dịch chuyển các phân tử các phân tử tr ênmặt do lực hút phân tử (Van – Der – Waals) được gọi là hấp phụ vật lý, còn có sựliên kết hoá học của các phân tử với bề mặt vật rắn gọi l à hấp phụ hoá học

Việc lựa chọn chủng loại vật liệu để bôi tr ơn phù hợp cho chế độ làm việc củatừng mục đính sử dụng, từ đó vật liệu bôi tr ơn cũng cần có những tính chất theo y êucầu dẫn đến việc lựa chọn ph ương án hay cách thức, chất liệu để tổng hợp n ên vậtliệu bôi trơn

Đối với các loại trục chịu tải nặng làm việc ở tốc độ chậm như cặp ma sát trụcthép bạc đồng được bôi trơn bằng mỡ dẻo thì việc bôi trơn không thể hình thành cácdạng bôi trơn như bôi trơn thủy động hoặc thủy động đ àn hồi và thậm chí cũng khó

để tiến hành bôi trơn thủy tĩnh Trong trường hợp này thì cơ chế bôi trơn chỉ có thể

là bôi trơn giới hạn dựa trên cơ sở hình thành lớp màng mỏng không ổn định phâncách giữa hai bề mặt ma sát Do tính chất hấp phụ của vật liệu bôi tr ơn lên bề mặtcủa cặp ma sát Cơ chế bôi trơn dạng này có hiệu quả khá tốt đối vớp áp lực ri êngtrên bề mặt có giá trị tới 1[GPa], ứng với nhiệt độ từ 100 đến 150oC [2]

ma sát miễn là nhiệt độ không tăng cao h ơn quá lớn so với nhiệt độ môi tr ường Sựảnh hưởng tổng hợp của nhiệt độ và bề mặt bôi trơn đến khả năng tạo màng hấp phụvật lý được thể hiện ở hình 2.2 khi so sánh hệ số ma sát của một số bề mặt vật l iệukhác nhau Đối với bề mặt bạch kim được phủ bởi lớp parffin thể rắn (docosane)(đồ thị A) hay trên nền bạch kim được bôi trơn bằng axit stearic (đồ thị B) th ì hệ số

ma sát tăng đột biến khi nhiệt độ chỉ v ào khoảng dưới 50oC trong khi đó đồnglaurate, hay bề mặt đồng được phủ bởi hỗn hợp 1% axit lauric pha trong parafin thìnhiệt độ làm việc tăng lên đáng kể tới 100oC Từ đó có thể khẳng định rằng đặc tínhbôi trơn giới hạn phụ thuộc vào bề mặt kim loại mà chúng được bôi trơn

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số ma sát của bề mặt

A- trên nền bạch kim bôi trơn parafin ; B- trên nền bạch kim bôi trơn axit stearic

C- trên nền bạch kim bôi trơn đồng laurate; D - trên nền đồng bôi trơn 1% axit lauric trong parafin

Nhìn chung với đa số kim loại có tính hoạt động mạnh, dạng hấp thụ n ày rất

có ý nghĩa trong thực tế kỹ thu ật Lực liên kết hoá học giữa chất bị hấp phụ v à bềmặt vật rắn có ảnh hưởng đến nhiệt độ biến đổi trạng thái ma sát v à thường phụthuộc vào hoạt tính của chất tạo bề mặt vật rắn, trong bảng 2.1 l à số liệu về hệ số

ma sát của một số vật liệu khi được bôi trơn bằng axit lauric

Bảng 2.1 Hệ số ma sát của một số vật liệu khi được bôi trơn bằng axit lauric [2]

sát ở 20 o C

Nhiệt độ chuyển tiếp

đọc được ở 20 o C

Sự khác nhau giữa hấp phụ hoá học v à hấp phụ vật lý là những lớp màng củachất hấp phụ hoá học trong danh giới giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn Thậm chíkhi rửa bằng các chất dung môi cũng chỉ có thể tẩy rửa đ ược các lớp chất hấp phụvật lý mà không tẩy rửa được lớp hấp phụ hoá học Hiện t ượng trên đã được xácđịnh qua thí nghiệm, đối với axit stearic khi rửa bằng dung môi vẫn c òn lại tối thiểutới 38% lớp các phân tử hấp phụ hoá học xếp khít tr ên bề mặt kim loại Tuy nhi ênkhông phải là các chất hấp phụ có phản ứng hoá học đầy đủ để h ình thành hấp phụhoá học Loại rượu cồn có phân tử cấu trúc mạch d ài không duy trì được bất kỳ lớpphân tử hấp phụ nào thậm chí trên kim loại thường, trong khi đó axit stearic lại duytrì được lâu dài các lớp phân tử hấp phụ tr ên kim loại thường như Kẽm và Cadiminhưng đối với kim loại kém hoạt động như Bạch kim và Vàng các lớp phân từ hấpphụ này lại bị ngắt đoạn không đều đặn.

Mặc dù hấp phụ hóa học có những đặc tr ưng của phản ứng không thuậnnghịch, nhưng nói chung nó không phát tri ển đến giai đoạn phân tử nguy ên bản bịphá huỷ Tuy nhiên trong vài môi trường như chân không sự phá huỷ hoàn toàn cácphân tử nguyên bản có thể xảy ra

2.1.2 Ảnh hưởng cấu trúc phân tử của chất bôi tr ơn đến bôi trơn hấp phụ

Cấu trúc hoặc hình dạng phân tử của chất hấp phụ có ảnh h ưởng rất mạnh đếnhiệu quả bôi trơn [1] Yêu cầu cơ bản để tạo ra sự hút bám là tính phân cực củaphân tử, các nhóm đuôi của các axit béo không no hấp phụ tr ên bề mặt kim loại.Hình dạng của các phân tử có ảnh h ưởng lớn đến sự sắp xếp các nhóm phân tửxít nhau trên bề mặt kim loại Các phân tử có cấu trúc phân tử mạnh thẳng có thểđáp ứng được sự hấp phụ tương đối tốt lên bề mặt kim loại và số mắt xích phảitương đối dài thì mới có hiệu quả trong bôi tr ơn hấp phụ Khi nhóm mắt xích đ ượcnâng lên từ 9 đến 18 thì nhiệt độ chuyển trạng thái ma sát tăng l ên khoảng 40oC vàđối với các phân tử có số mắt xích n<8 th ì không thể xuất hiện các thuộc tính bôitrơn hấp phụ [4]

Hiệu ứng của chiều d ài phân tử (số mắt xích) đến tính hấp phụ được giảithích dưới dạng liên kết bên cạnh tương đối yếu giữa các nhóm − CH2− của cácphân tử axit béo, sự so sánh li ên kết của các phân tử cấu trúc lên màng bôi trơn trên

bề mặt kim loại được mô tả trên hình 2.3 Ta có thể thấy rằng khi tăng các liên kếtđôi − CH2−, sẽ tăng được lực liên kết cạnh, tạo lên độ vững chắc cho lớp phân tửhấp phụ

Hình 2.3 Liên kết giữa các phân tử axit béo đảm bảo độ bền cho lớp đ ơn phân tử hấp phụ

Số lượng mắt xích có ảnh h ưởng rất lớn đến hệ số ma sát ví dụ nh ư các rượucồn có n=18 thì hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều so với các axit béo có n=12 mặc d ù axitbéo có lực hấp dẫn với bề mặt của kim loại l ơn hơn rất nhiều

Sự sai lệch hình dạng thẳng của phân tử có thể l àm giảm mãnh liệt thuộc tínhbôi trơn của chất hấp phụ Điều này được khẳng định bằng một thử nghiệm khi chomặt bi cầu bằng thép tôi, tr ượt trên đĩa chế tạo bằng vật liệu thép, đ ược bôi trơn bởihỗn hợp giữa axit stearic v à axit isostearic trong d ầu parafin với nồng độ thay đổi.

Sự khác nhau giữa hình dạng phân tử của axit stearic v à isostearic là trong nó có 17nguyên tử cac bon trong mạch chính với một rẽ nhánh với cấu trục mạch chính 18nguyên tử cacbon, sự khác biệt giữa hệ số ma sát khi sử dụng vật liệu bôi tr ơn cóchứa thành phần axit stearic và isostearic trên hình 2.4

Hình 2.4 Sự biến đổi nồng độ axit stearic v à isostearic đến hệ số ma sát

Sự khác biệt về sự hấp phụ của phân tử đ ược thể hiện rõ nét ở dạng đồng phânnhánh của cấu trúc phân tử được minh họa trong hình 2.5

Hình 2.5 Sự phá huỷ màng hấp phụ do sự phân nhánh của phân tử