NGUYỄN MẠNH DƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH : CƠNG NGHỆ HỐ HỌC

CƠNG NGHỆ HỐ HỌC

TẠO LẬP TỔ HỢP CHẤT TẠO NHŨ PHA CHẾ
CHẤT LỎNG GIA CÔNG KIM LOẠI
HỆ NHŨ THUẬN

NGUYỄN MẠNH DƯƠNG
2007 - 2009
Hà Nội
2009

HÀ NỘI 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TẠO LẬP TỔ HỢP CHẤT TẠO NHŨ PHA CHẾ CHẤT
LỎNG GIA CÔNG KIM LOẠI

HỆ NHŨ THUẬN
NGÀNH : CƠNG NGHỆ HỐ HỌC
MÃ SỐ:23.04.3898
NGUYỄN MẠNH DƯƠNG

Người hướng dẫn khoa học : TS. LÊ KIM DIÊN

HÀ NỘI 2009


Lời cảm ơn
Luận văn này được hoàn thành tại Bộ mơn Cơng nghệ hữu cơ-hố
dầu và khí trường Đại học Bách khoa Hà nội, Phịng thí nghiệm trọng điểm
quốc gia cơng nghệ Lọc và hố dầu-Viện Hố học Cơng nghiệp Việt nam.

Tôi xin chân thành cám ơn Tiến sĩ Lê Kim Diên đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt thời gian thực hiện Luận văn này.

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô trong Bộ môn Cơng nghệ Hố
dầu và khí-Khoa Cơng nghệ Hố học-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
các cán bộ nghiên cứu tại phịng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia cơng
nghệ lọc và hố dầu-Viện Hố học Cơng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ
tơi trong suốt q trình thực hiện thực nghiệm.

Cuối cùng, tơi xin cám ơn gia đình, bạn bè và đơng nghiệp đã động
viên giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Hà nội, ngày 11 tháng 11 năm 2009

Nguyễn Mạnh Dương



Danh mục các chữ viết tắt
DNKL

:

Dầu nhũ cắt gọt kim loại

NCG

:

Nhũ cắt gọt kim loại

HLB

:

Hằng số cân bằng ưa nước ưa dầu

CNH

:

Chất nhũ hóa

CTN

:


Chất trợ nhũ

PGTN

:

Phụ gia tính năng

MeOH

:

Metanol

MEA

:

Mono Etanol Amin

DEA

:

Di Etanol Amin

TEA

:


Tri Etanol Amin

T-80

:

Tween-80

DTV

:

Dầu thực vật

CSA

:

Chỉ số axít

S

:

Chỉ số xà phịng hóa

HĐBM

:


Hoạt động bề mặt

COC

:

Nhiệt độ chớp cháy cốc hở

IP

:

Viện dầu mỏ (Anh)

ASTM

:

Hiệp hội thử nghiệm vật liệu (Mỹ)


Luận văn thạc sỹ

Trường ĐHBKHN

1

Lời cảm ơn
Luận văn này được hồn thành tại Bộ mơn Cơng nghệ hữu cơ-hố dầu
và khí trường Đại học Bách khoa Hà nội, Phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc

gia cơng nghệ Lọc và hố dầu - Viện Hố học Cơng nghiệp Việt nam.

Tơi xin chân thành cám ơn Tiến sĩ Lê Kim Diên đã tận tình hướng dẫn
và giúp đỡ tơi trong suốt thời gian thực hiện Luận văn này.

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cơ trong Bộ mơn Cơng nghệ Hố
dầu và khí-Khoa Cơng nghệ Hố học-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các
cán bộ nghiên cứu tại phịng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia cơng nghệ lọc
và hố dầu-Viện Hố học Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt
q trình thực hiện thực nghiệm.

Cuối cùng, tơi xin cám ơn gia đình, bạn bè và đơng nghiệp đã động viên
giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Hà nội, ngày 11 tháng 11 năm 2009

Nguyễn Mạnh Dương

Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

2

Trường ĐHBKHN

MỤC LỤC
Lời cảm ơn.............................................................................................1
MỤC LỤC ............................................................................................ 2
MỞ ĐẦU .............................................................................................. 5

PHẦN 1 : TỔNG QUAN..................................................................... 6
1.1. Sơ lược về q trình gia cơng kim loại ....................................... 6
1.2. Chất lỏng gia công kim loại ......................................................... 8
1.2.1. Định nghĩa .................................................................................. 8
1.2.2. Phân loại chất lỏng gia công kim loại[1,2] ............................... 8
1.2.3. Nhũ cắt gọt kim loại[1,2] ........................................................... 8
1.2.4. Các thành phần của dầu nhũ cắt gọt kim loại[1,2] ................. 9
1.2.4.1. Dầu gốc khoáng[1,2] ............................................................... 9
1.2.4.2. Chất tạo nhũ[4,6,7] .............................................................. 11
1.2.4.3. Phụ gia tính năng[1,2] ......................................................... 13
1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền, sự ổn định của nhũ tương15
1.2.5.1. Các chất có hoạt tính bề mặt hỗn hợp[4,6,7] ....................... 15
1.2.5.2. Vai trị của tính hấp phụ của mặt phân cách[4,6,7]............ 15
1.2.6. Hằng số cân bằng giữa tính ưa nước và ưa dầu HLB của chất nhũ
hóa [3,4,5,6] ........................................................................................ 16
1.2.7. Các phương pháp đánh giá[1,2,3,4,6,7] .................................. 21
1.2.7.1. Tính chất của dầu nhũ gia cơng kim loại ............................ 21
1.2.7.2. Tính chất của dung dịch dầu nhũ gia công kim loại trong nước
............................................................................................................. 22
1.2.8. Các đặc tính cơ bản cần thiết để xác định tính chất hóa lý và tính
năng của dầu nhũ gia công kim loại. [1,2,4,6,7] .............................. 23
1.2.8.1. Tỷ trọng .................................................................................. 23
1.2.8.2. Độ nhớt .................................................................................. 23
Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

3


Trường ĐHBKHN

1.2.8.3. Độ ổn định cơ học ................................................................. 24
1.2.8.4. Tính chống tạo bọt ................................................................ 24
1.2.8.5. Tính ổn định nhũ .................................................................. 24
1.2.8.6. Tính bơi trơn, chống ăn mịn và khả năng làm mát............ 24
1.2.8.7. Trị số axit ............................................................................... 26
1.2.8.8. Độ bền oxy hóa ...................................................................... 26
1.2.8.9. Điểm Anilin ........................................................................... 26
1.3. Phương pháp amit hóa điều chế chất tạo nhũ nhũ gia công kim loại
............................................................................................................. 27
PHẦN 2: THỰC NGHIỆM .............................................................. 29
2.1. Phương pháp thực nghiệm ........................................................ 29
2.2.1. Yêu cầu về nguyên liệu ............................................................ 31
2.2.2. Cách tiến hành quá trình tổng hợp amit ................................ 31
2.3. Các phương pháp đánh giá sản phẩm amit ............................. 32
2.3.1. Phương pháp phổ hấp phụ hồng ngoại .................................. 32
2.3.2. Phương pháp khối phổ............................................................. 33
2.4. Lựa chọn chất đồng tạo nhũ để tạo tổ hợp .............................. 34
2.5. Quá trình điều chế nhũ cắt gọt kim loại .................................. 34
2.5.1.Nguyên liệu ................................................................................ 34
2.5.2. Các bước tiến hành .................................................................. 34
2.6. Xác định các chỉ tiêu tính năng của nhũ .................................. 35
2.6.1. Xác định chỉ số axit (TCVN 6127,1996) ................................. 35
2.6.2. Xác định độ nhớt động học (TCVN 3171- 1995, ASTM- D445)36
2.6.3. Độ ăn mòn tấm đồng (TCVN 2694- 1995, ASTM- D130-94 ) 37
2.6.4. Độ ăn mòn tấm gang [IP 125/82] ............................................ 37
2.6.5. Độ bền nhũ [IP 263/70 (94)] .................................................... 38
PHẦN 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................... 40


Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

4

Trường ĐHBKHN

3.1.1. Khảo sát, phân tích đánh giá, lựa chọn dầu gốc khoáng ...... 40
3.1.2.1. Xác định tính chất hóa lý và thành phần axit béo.............. 44
3.1.2.2. Độ bền oxy hóa ...................................................................... 46
3.2. Các phản ứng tổng hợp.............................................................. 47
3.2.1. Tổng hợp metyl este.................................................................. 47
3.2.2.1. Phản ứng dùng xúc tác KOH tan trong MEA ..................... 48
3.2.2.2. Phản ứng dùng xúc tác hồ tan trong dung mơi ................ 51
3.2.2.3. Xúc tác ancolat (CH3O- ) ....................................................... 54
3.3. Phân tích sản phẩm Amit ........................................................... 58
3.3.1. Phổ hồng ngoại ........................................................................ 58
3.3.2. Phân tích phổ khối (GC) .......................................................... 59
3.4. Nghiên cứu tổng hợp điều chế nhũ gia công kim loại ............. 61
3.4.1. Xác định HLB của sản phẩm amit .......................................... 61
3.4.2. Xác định nồng độ tối ưu của chất nhũ hóa hỗn hợp (Ami/TWEEN80)
............................................................................................................. 63
3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền nhũ ............................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................ 69
PHỤ LỤC ........................................................................................... 73

Nguyễn Mạnh Dương



Luận văn thạc sỹ

5

Trường ĐHBKHN

MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới, việc sử dụng chất lỏng gia công kim loại ngày
càng trở nên phổ biến. Tổng sản lượng tiêu thụ trên thế giới hiện nay ước tính
khoảng 2 triệu kilo lít. Các nước châu Mỹ là nơi tiêu thụ nhiều nhất, chiếm
khoảng 36% tổng sản lượng của thế giới. Tiếp theo là châu Á chiếm khoảng
30%, các nước châu Âu 28%, còn lại là các nước châu Phi, Úc.
Ở Việt Nam các sản phẩm chất lỏng gia công kim loại được cung cấp
từ hai nguồn chính là nhập khẩu với giá bán cao từ nước ngoài và từ các cơ sở
sản xuất trong nước có chất lượng khơng ổn định. Chính vì vậy việc nghiên
cứu và sản xuất được sản phẩm có chất lượng đảm bảo, giá cả hợp lý là rất
cần thiết.
Mặt khác vấn đề sử dụng các dạng năng lượng cũng như các sản phẩm
có nguồn gốc thực vật, thân thiện với mơi trường đang được khuyến khích
hơn bao giờ hết. Do đó việc nghiên cứu sử dụng khả năng biến tính dầu thực
vật trong chất lỏng gia cơng kim loại có một ý nghĩa quan trọng trong việc
chủ động nguồn nguyên liệu, hạ giá thành sản phẩm và tăng khả năng thân
thiện với môi trường.
Trong khuôn khổ đề tài chúng tôi nghiên cứu Tạo lập tổ hợp chất tạo
nhũ pha chế chất lỏng gia công kim loại hệ nhũ thuận, góp phần vào việc
tăng hiệu quả trong sản xuất kinh doanh và bảo vệ môi trường.

Nguyễn Mạnh Dương



Luận văn thạc sỹ

6

Trường ĐHBKHN

PHẦN 1 : TỔNG QUAN
1.1. Sơ lược về q trình gia cơng kim loại
Mục đích của q trình gia cơng kim loại là tạo ra một hình dạng mới cho
kim loại. Việc tạo hình dạng mới bằng q trình gia cơng kim loại ln kèm
theo sự tiếp xúc giữa hai vật rắn với nhau, đó là dụng cụ gia công và vật gia
công. Sự tiếp xúc này gắn với sự biến dạng dẻo của kim loại trong quá trình
biến hình kim loại, hoặc tạo ra hình dạng mới bằng cách cắt gọt theo ý muốn.
Các quá trình biến hình kim loại như: cán, đùn, vuốt,… với các nguyên
công thường được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ mơi trường và nhiệt độ cao,
có thể được xếp vào dạng gia cơng nguội hoặc gia cơng nóng. Các q trình
gia cơng nóng thường gồm các q trình làm biến dạng cả khối vật liệu, còn
được gọi là các q trình gia cơng loại một. Các q trình gia công loại hai
bao gồm các nguyên công nguội. Thông thường trong gia công kim loại, hệ số
ma sát càng thấp thì mức độ tiêu hao lực và cơng suất càng giảm. Tuy nhiên
hệ số ma sát trong các quá trình này không được quá cao cũng như không quá
thấp. Chẳng hạn trong nguyên công Cán, hệ số ma sát giữa trục lăn và phôi
cán thấp sẽ làm giảm tiêu hao năng lượng, giảm nhiệt độ sinh ra, giảm mài
mòn trục lăn. Tuy nhiên, nếu ma sát quá thấp lại gây hiện tượng trượt mà có
thể làm hỏng bề mặt phơi cán và ảnh hưởng xấu đến quá trình biến hình.
Trong quá trình cắt gọt kim loại: kim loại ở ngay trước mũi dao bị nén ở
áp suất cực kỳ lớn. Sự nén này sinh ra nhiệt độ cao đủ để gây biến dạng dẻo
tại vùng cắt.


Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

7

Trường ĐHBKHN

Hình 1.1. Mơ phỏng q trình gia cơng kim loại
Q trình cắt bao gồm hai phân đoạn:
- Sự tạo phoi từ phôi nhờ dụng cụ cắt
- Sự chuyển động của phoi dọc theo bề mặt dụng cụ cắt
Cả hai việc này dẫn đến việc phát sinh nhiệt độ cao tại dụng cụ cắt và chi
tiết gia cơng. Như trên hình vẽ (hình 1.1) thì nhiệt độ cao được sinh ra ở đầu
dụng cụ cắt gọt. Tuy nhiên nhiệt độ cao này không chỉ tập trung ở đầu dao cắt
mà phân bố dọc theo bề mặt dao, nơi có sự tiếp xúc và xảy ra ma sát giữa dao
cắt và phôi. Khoảng 15% nhiệt phát sinh trong q trình cắt gọt truyền qua
dụng cụ cắt, phần cịn lại được phân bố ở chi tiết gia công và phoi.
Nhiệt độ cao phát sinh trong quá trình cắt gọt chỉ đem lại một lợi ích duy
nhất là làm cho quá trình cắt gọt kim loại được dễ dàng hơn, cịn nhược điểm
của chúng thì rất nhiều, bao gồm:
- Giảm tuổi thọ dao cắt
- Chất lượng bề mặt gia công kém
- Giảm tốc độ cắt gọt
- Tăng sự mài mòn dao cắt
Tóm lại, các q trình gia cơng kim loại luôn kèm theo má sát lớn, nhiệt
độ phát sinh cao, và sự mài mài dụng cụ gia công. Nhược điểm trên có thể
khắc phục, giảm bớt bằng cách sử dụng chất lỏng gia công kim loại.


Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

8

Trường ĐHBKHN

1.2. Chất lỏng gia công kim loại
1.2.1. Định nghĩa
Chất lỏng gia công kim loại là chất lỏng dùng để bơi trơn và làm mát trong
q trình gia công kim loại.[2]
1.2.2. Phân loại chất lỏng gia công kim loại[1,2]
Trong q trình gia cơng kim loại, tùy thuộc vào điều kiện làm việc của
từng q trình gia cơng cụ thể, các chất lỏng gia công kim loại được chia
thành một số dạng chính như sau:
- Chất lỏng gia cơng gốc dầu khống gồm dầu khống và một số phụ gia
đặc biệt như phụ gia chống kẹt xước, cực áp…
- Chất lỏng gia công gốc nước: dầu nhũ cắt gọt kim loại, dung dịch nước
của các polyme và các phụ gia đặc biệt
- Chất lỏng gia công tổng hợp bao gồm các hợp chất hữu cơ tổng hợp
như este phốt phát, polyglycol, polyxyloxan…
Trong tất cả các loại chất lỏng gia cơng kim loại trên thì dầu nhũ cắt
gọt kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trên thực tế.
1.2.3. Nhũ cắt gọt kim loại[1,2]
Dầu có thể hồ tan với nước mang lại sự làm mát và bôi trơn cần thiết
cho gia công cắt gọt kim loại.
Trước đây, các loại dầu này nói chung được xem là “các dầu hồ tan” và
chúng về cơ bản là dầu khống có chứa chất nhũ hoá cho phép chúng trộn

chung với nước.
Ngày nay, dầu có thể hồ tan được trong nước được chia làm ba nhóm cơ
bản:
- Soluble oil: chứa 50 ÷ 85% dầu khoáng với chất nhũ hoá. Chúng tạo
thành các nhũ tương màu sữa lớn.

Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

Trường ĐHBKHN

9

- Chất tổng hợp: Chúng hoàn tồn khơng có dầu khống và tạo thành
các dung dịch trong suốt với nước.
- Chất bán tổng hợp: Chứa 5 ÷ 50% dầu khoáng với các chất nhũ hoá,
tuy nhiên dầu pha là loại dầu pha nước. Chúng tạo thành nhũ vi mô. Các chất
bán tổng hợp là dầu cắt gọt tuyệt hảo.
1.2.4. Các thành phần của dầu nhũ cắt gọt kim loại[1,2]
Dầu nhũ cắt gọt kim loại bao gồm dầu gốc khoáng, hệ chất tạo nhũ và các phụ gia
tính năng khác.

1.2.4.1. Dầu gốc khống[1,2]
Dầu gốc khống được sản xuất bằng phương pháp chưng cất chân
không, phần cặn chưng cất khí quyển dầu thơ (dầu mỏ).
Phân loại dầu mỏ dựa vào bản chất hố học có nghĩa là dựa vào thành
phần của các loại hydrocacbon có trong dầu. Nếu trong dầu, họ hydrocacbon
nào chiếm phần chủ yếu thì dầu mỏ sẽ mang tên loại đó. Phân loại theo thành

phần hydrocacbon được thể hiện qua bảng 1.1.
Bảng 1.1 Đặc tính vật lý hóa học của các loại dầu khống khác nhau
Tính chất
Độ nhớt ở 400C, mm2/s
Độ nhớt ở 1000C, mm2/s
Chỉ số độ nhớt
Tỉ trọng d 420
Nhiệt độ chớp cháy,0C
Điểm anilin, 0C
Nhiệt độ đơng đặc,0C
Phân tử lượng
Chỉ số khúc xạ
Phân tích qua đất sét
%Hợp chất phân cực
%Hợp chất thơm
%Thành phần no
Nguyễn Mạnh Dương

Thành phần hóa học
Dầu
Dầu parafin
Dầu aromat
naphten
40
40
36
6,2
5,0
4,0
100

0
185
0,8628
0,9194
0,9826
229
174
160
107
73
17
-15
-30
-24
440
330
246
1,4755
1,5068
1.5503
0,2
8,5
91,3

3,0
43
54

6,0
80

14


Luận văn thạc sỹ

Loại ngun tử cacbon
(Phân tích cấu trúc
nhóm)
%CA
%CN
%CP

Trường ĐHBKHN

10

2
32
66

19
37
44

41
36
23

Các parafin mạch thẳng, dài là loại sáp rắn nên hàm lượng của chúng
trong dầu bôi trơn phải giảm tới mức nhỏ nhất, đặc biệt đối với dầu bôi trơn

sử dụng ở nhiệt độ thấp.
Mặt khác, đối với iso-parafin là thành phần rất tốt trong dầu bơi trơn vì
chúng có độ ổn định và tính nhiệt nhớt tốt. Mạch nhánh iso-parafin càng dài
thì đặc tính này càng thể hiện rõ ràng hơn. Tương tự như vậy đối với
hydrocacbon vòng no và vòng thơm.
Số vòng ngưng tụ càng nhiều mà mạch nhánh parafin càng ngắn thì tính chất
nhiệt nhớt của hydrocacbon càng kém và càng khơng thích hợp để làm dầu
bơi trơn.
Trong thực tế, dầu gốc khoáng là hỗn hợp của các phân tử đa vịng có
đính nhánh parafin, naphten hoặc aromat tuỳ thuộc vào loại hydrocacbon nào
chiếm ưu thế. Dầu aromat không được dùng làm dầu bôi trơn.
Việc lựa chọn dầu gốc để pha chế chất bôi trơn phụ thuộc vào độ nhớt, mức
độ tinh chế, độ ổn định nhiệt độ và khả năng tương hợp với các chất phụ gia khác
hoặc vật liệu mà dầu bôi trơn sẽ tiếp xúc trong quá trình sử dụng.
Dầu với hàm lượng parafin cao và hợp chất vịng thơm thấp sẽ thích hợp
hơn trong việc sử dụng để pha trộn dầu cắt gọt vì chúng:
+ Có tính chống oxy hố tự nhiên tốt hơn.
+ Có tính ổn định độ nhớt tốt hơn khi nhiệt độ thay đổi.
+ Ít gây hại cho da

Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

11

Trường ĐHBKHN

+ Ít gây những sự cố làm phòng hoặc phá huỷ chi tiết bằng cao su xung

quanh máy cơng cụ.
+ Màu nhạt tăng tính hấp dẫn của sản phẩm.
Dầu có độ nhớt cao sẽ gia tăng khả năng bơi trơn và chịu tải, tuy nhiên
nó có khuynh hướng làm kết dính với mạt kim loại nhiều hơn và có vấn đề
dầu bị kéo ra ngồi.
Dầu có độ nhớt thấp có thể làm thốt phoi nhanh, nhiều hơn ở vùng cắt,
dụng cụ cắt. Việc này đặc biệt trong khoan lỗ sâu và gia cơng chuốt. Chúng
có thể tiến sâu và làm ướt bề mặt kim loại nhanh hơn, và có thể mang phụ gia
vào vùng cắt nhanh hơn.
Để dầu nhũ gia công kim loại hoạt động tốt, dầu gốc khống phải có độ
nhớt phù hợp, khơng q cao cũng khơng q thấp. Vì nếu độ nhớt q thấp
sẽ làm cho dầu nhũ gia công kim loại chảy qua chi tiết quá nhanh, làm cho sự
tiếp xúc với các chi tiết gia công không đủ lâu để truyền nhiệt ra ngồi với số
lượng phù hợp và thốt phoi hợp lý.
Trong gia công kim loại dầu gốc phù hợp cho pha chế dầu nhũ gia cơng
kim loại có độ nhớt ở 400C nằm trong khoảng 7÷30 cSt để đảm bảo tính năng
bơi trơn và làm mát tốt.
Dựa trên nguồn nguyên liệu trên thị trường và nguồn nguyên liệu có sẵn
trên thị trường. Chúng tôi lựa chọn dầu biến thế. Dầu này có độ nhớt động
học ở 400C vào khoảng 10,2 cSt.
1.2.4.2. Chất tạo nhũ[4,6,7]
Chất tạo nhũ là những chất hoạt động bề mặt, thơng thường có trọng
lượng phân tử nằm trong khoảng 200 ÷ 600. Trong phân tử chất hoạt động bề
mặt có hai nhóm với bản chất trái ngược nhau trong phân tử, nhóm dễ tan
trong nước (nhóm ái nước) và nhóm kia dễ tan trong dầu (nhóm kỵ nước hay
nhóm ái dầu). Do đó khi có mặt chất hoạt động bề mặt trong một hệ nhũ
Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ


Trường ĐHBKHN

12

tương dầu/nước, thì tại bề mặt phân chia pha phân tử chất hoạt động bề mặt
được sắp xếp theo một trình tự nhất định: nhóm kỵ nước quay vào pha dầu,
nhóm ưa nước quay vào pha nước. Vì thế, các chất hoạt động bề mặt có tính
chất hoạt động hấp phụ cao hơn so với những chất khơng có nhóm kỵ nước.
Sự hấp phụ đó làm cho pha dầu/nước dường như liên kết lại với nhau, sự khác
biệt giữa chúng ít đi, sức căng bề mặt giữa chúng trở nên nhỏ hơn. Sự giảm
sức căng bề mặt bởi sự hấp phụ của chất nhũ hóa là điều kiện cần của sự tồn
tại nhũ tương. Đóng vai trò chất bị hấp phụ, lượng chất tạo nhũ cần thiết để
làm bền nhũ thường không cần nhiều.

a. Giọt nhũ nghịch (nước trong dầu )

b. Giọt nhũ thuận (dầu trong nước)

Hình 1.2. Cấu trúc giọt nhũ thuận và nghịch
Các chất hoạt động bề mặt có tác dụng gây nhũ bao gồm:
- Các ankenyl suxinimit, amit
- Các muối sunfonat
- Các axit béo và muối của axit béo
- Các este của axit béo
- Các polyankel glylcol
- Cá phenol và phenol este
- Các etanol amin
Nguyễn Mạnh Dương



Luận văn thạc sỹ

13

Trường ĐHBKHN

- Các amin của dầu tallo
Thông thường trong nhũ tương, nồng độ cân bằng của các chất hoạt
động bề mặt trên mặt phân cách dầu-nước cao hơn trong thể tích pha.
1.2.4.3. Phụ gia tính năng[1,2]
Phụ gia tính năng là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vơ cơ, thậm chí
chỉ là những ngun tố, được đưa vào chất lỏng gia công kim loại nhằm tạo
cho chất lỏng gia cơng có các tính năng bổ sung đối với từng quá trình cụ thể.
Các chất phụ gia thường được thêm vào trong chất lỏng gia công kim
loại gồm: phụ gia chống tạo bọt, phụ gia chống ăn mòn, phụ gia chống kẹt
xước, phụ gia diệt khuẩn, phụ gia chống oxi hoá ...
a. Phụ gia chống tạo bọt
Sự tạo bọt gây ra nhiều phiền phức trong quá trình vận hành máy gia
công kim loại, để giảm hoặc tránh sự tạo bọt người ta dùng phụ gia chống tạo
bọt.
Cơ chế của quá trình phá bọt là các phụ gia chống tạo bọt bám vào các
bọt khí làm giảm sức căng bề mặt của chúng. Các bọt khí nhỏ vì thế tụ lại với
nhau thành bọt khí lớn hơn, nổi lên bề mặt lớp bọt, vỡ ra làm thốt khí ra
ngoài. Khả năng chống lại sự tạo bọt của chất lỏng gia công kim loại là khác
nhau tuỳ thuộc vào thành phần của chất lỏng gia công kim loại. Khả năng này
có thể khống chế được bằng cách bổ sung một lượng nhỏ chất chống tạo bọt
vào chất lỏng gia cơng kim loại.
Silicon lỏng, đặc biệt là polymetylxyloxan có cấu trúc phân tử: là các
chất chống tạo bọt có hiệu quả nhất với nồng độ 1÷20 (phần triệu) ppm.

b. Phụ gia diệt khuẩn
Được dùng để ngăn ngừa hoặc làm giảm sự phát triển của vi sinh vật
như: vi khuẩn, nấm, mốc ... kéo dài tuổi thọ của dầu nhũ.
Các chất diệt khuẩn quan trọng thuộc các nhóm hợp chất sau:

Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

14

Trường ĐHBKHN

- Phenol
- Hợp chất chứa clo
- Etanolamin
- Formandehyd và các hợp chất giải phóng ra formandehyd
- Hợp chất dạng morfin
Các chất chelat như là tetranatri etylendiamintetraxetat khi được bổ
xung vào hệ chứa phụ gia diệt khuẩn thích hợp có thể làm tăng hoạt tính một
cách đáng kể.
Có một điều quan trọng cần chú ý ở đây là nhiều phụ gia diệt khuẩn
dùng cho chất lỏng gia cơng kim loại bị giảm hoạt tính đi khá nhanh. Hơn nữa
do thành phần của các chất lỏng gia công kim loại q khác nhau nên khơng
có một phụ gia diệt khuẩn nào có hiệu quả cho tất cả các loại chất lỏng cắt
gọt. Đối với từng loại chất lỏng gia công kim loại gốc nước cần được nghiên
cứu cụ thể xem chất diệt khuẩn nào thích hợp nhất.
Chú ý có nhiều phụ gia diệt khuẩn gây độc hại cho người.
c. Phụ gia chống ăn mòn kim loại

Phụ gia chống ăn mòn tạo thành lớp bảo vệ trên bề mặt kim loại, ngăn
cách sự tiếp xúc giữa các tác nhân ăn mòn như axit và một số chất khác với
kim loại nền. Màng bảo vệ cũng giảm tối thiểu tác dụng xúc tác oxi hóa của
các kim loại.
Các chất ức chế ăn mòn được sử dụng rộng rãi nhất: Muối của axit
cacboxylic, amit, amin, sulfonat
d. Phụ gia cực áp (phụ gia chống kẹt xước)
Phụ gia này ngăn ngừa sự kẹt xước và hàn dính giữa các bề mặt kim
loại đang hoạt động dưới áp suất cực lớn.

Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

15

Trường ĐHBKHN

Phụ gia cực áp tác dụng với bề mặt ma sát tạo các hợp chất mới có ứng
suất cắt thấp hơn kim loại gốc nên lớp phủ hình thành chịu trượt cắt trước tiên
và nhiều hơn.
Các phụ gia cực áp được sử dụng rộng rãi nhất là các loại dầu béo được
sulfua hoá, các este và hydrocacbon, như polybuten, hydrocacbon được clo
hoá, các hợp chất chứa lưu huỳnh – clo, các disunfua thơm và mạnh thẳng
(thường là dibenzyl disunfua, dibutyl disunfua, clobenzyl disunfua), photphit
hữu cơ, dầu béo photpho hoá và nhiều chất khác.
1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền, sự ổn định của nhũ tương
1.2.5.1. Các chất có hoạt tính bề mặt hỗn hợp[4,6,7]
Nhiều ví dụ đã được đưa ra về các hợp phần thứ yếu, các chất khác có

sẵn hay thêm vào, có hiệu ứng lớn trên lực căng bề mặt của các dung dịch.
Chẳng hạn, các axit mạch dài, rượu…tạo ra các chỗ uốn của muối của parafin
mạch dài không tinh khiết (Lauryl Alconhon trong Natri Lauryl Sulphat).
Thực tế, chất không phân ly ion được tan ra bởi đơn lớp ion bởi vì dãy kỵ
nước có thể kết hợp chuỗi của chất có hoạt tính bề mặt gốc đã định hướng
trong bề mặt.
Vì thế sự hiện diện của chất có hoạt tính bề mặt chính làm cho chất
hoạt động bề mặt mạnh hơn và làm giảm lực căng bề mặt lớn hơn sức căng bề
mặt được tạo ra bởi hai dung dịch riêng rẽ.
Thuyết này được thử nghiệm đối với hệ laurate natri/axit lauric. Kết
quả cho thấy sự có mặt của các ion laurat làm axít lauric có hoạt động bề mặt
cao lên rất nhiều, các nồng độ tính được cho một nửa lượng bề mặt là 1÷3.10
mol/l cho laurat và 4,8.10 mol/l axit lauric [7]
1.2.5.2. Vai trị của tính hấp phụ của mặt phân cách[4,6,7]
Có nhiều ví dụ về các lớp chất hấp phụ ở các mặt phân cách khí/nước
và thường kết hợp với tính co dãn bề mặt cao và do đó co dãn Marangoni –
Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

16

Trường ĐHBKHN

Gibbs mạnh và dường như là không thể tạo ra khả năng hấp phụ mà không co
dãn.
Đối với thể nhũ tương có hai lý do khác giảm khả năng hấp phụ của mặt
phân cách làm ảnh hưởng đến độ ổn định. Khả năng hấp thụ cao của mặt phân
cách hiếm khi bắt gặp (ngoại trừ trường hợp các chất cao phân tử).

Nguyên nhân sự ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến khả năng
hấp phụ của mặt phân cách là lớp hấp phụ được giữ cố định trên bề mặt, các
giọt nhỏ đến nỗi mọi ứng suất tiếp tuyến chung mà các giọt này đều có thể
ảnh hưởng ngay lập tức tới chúng chịu tác động ngược lại bởi các gradient lực
căng bề mặt. Đã biết rằng các giọt bằng nhau với độ lớn đường kính khoảng
1μm có bề mặt khơng thay đổi khi chuyển động qua nước chứa một lượng
nhỏ tạp chất hoạt động bề mặt, chúng tuân theo quy luật của Stokes hơn là
quy luật của Hadaman’s[4].
Nhận xét :
- Khi các giọt thể nhũ tương tiến gần đến nhau dưới tác động của lực
hấp dẫn, chuyển động Brown, hoặc thông qua tác động của lực thủy động
học, sự phá vỡ của màng chất lỏng xen giữa bị chống lại bởi hiệu ứng
Marangoni – Gibbs, chúng làm giảm sự bóp méo cục bộ và dẫn đến làm mỏng
đều lớp bề mặt.
- Các giọt nhũ trong hệ nếu bị chuyển động cưỡng bức có thể va chạm,
có thể kết dính, phá vỡ màng tùy theo chế độ thủy động và sự tham gia của
các chất có hoạt tính bề mặt.
- Các hiệu ứng này xảy ra tương ứng với các màng dày, thậm chí vượt
qua tầm tác động của lực phân cách, nhưng lực phân cách này cần phải được
giải thích sự chuyển hóa cơ bản.
1.2.6. Hằng số cân bằng giữa tính ưa nước và ưa dầu HLB của chất nhũ
hóa [3,4,5,6]

Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

17


Trường ĐHBKHN

* Định nghĩa HLB
Hằng số cân bằng giữa tính ưa nước và ưa dầu HLB (Hydrophile
Lipophile Balance), còn được gọi là hằng số ưa nước - kỵ nước, được định
nghĩa là: một hàm số của phần trăm trọng lượng nhóm ái nước của các chất
hoạt động bề mặt (HĐBM) không ion.
Cân bằng ưa nước- ưa dầu là một trong số những đặc tính quan trọng
nhất của chất nhũ hoá, biểu thị mối tương quan về ái lực hút chất nhũ hoá
đồng thời giữa pha nước và pha dầu, giá trị HLB (hay giá trị cân bằng nước
dầu) thể hiện tỷ lệ của đặc tính này. Cân bằng này được xác định bởi thành
phần hoá học và khả năng bị ion hố trong mơi trường nước của một chất tạo
nhũ ... Vì vậy, các phân tử có thể tan hay có ái lực với pha dầu có giá trị HLB
thấp (propylenglycolstearat tinh khiết có HLB thấp – ưa dầu mạnh), và các
chất HĐBM có thể tan hay có ái lực với pha nước có giá trị HLB cao
(polyoxyetylenstearat có chuỗi polyoxyetylen dài có HLB cao). Các chất tạo
nhũ có khả năng ion hố thì chỉ số HLB cịn cao hơn nữa. Như vậy có thể
thấy các tác nhân nhũ hoá tạo nhũ tương nước trong dầu (pha liên tục là pha
nước, pha phân tán là pha dầu) có trị số HLB trung bình các phụ gia tăng tính
tan sẽ có trị số HLB cao nhất.
Giá trị HLB đối với phần lớn các chất tạo nhũ không ion có thể được
tính tốn từ thành phần hố học theo lý thuyết hoặc bằng các dữ liệu phân tích
theo các phương pháp thực nghiệm. Các tính tốn từ thành phần hoá học
thường dẫn đến các sai số đáng kể bởi vì nhiều chất HĐBM được biết ở dạng
thương phẩm có tên gọi thường không phản ánh thành phần thực chất của nó.
Vì vậy, các số liệu thu được từ sự phân tích các chất tạo nhũ mới là cơ sở tốt
nhất cho việc xác định giá trị HLB. Điều này đặc biệt đúng với các chất
HĐBM không ion.
* Xác định giá trị HLB


Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

Trường ĐHBKHN

18

Đối với nhiều chất tạo nhũ khơng ion, giá trị HLB có thể tính theo
các phương pháp sau:
HLB được tính theo cơng thức:
HLB = E/5

(*)

Trong đó: - E: Hàm lượng (%) của nhóm polyoxyetylen
Ví dụ: Trong polyoxystearat, hàm lượng các nhóm oxyetylen được xác
định là 85%, giá trị HLB = 85/5 = 17
Nếu một chất tạo nhũ là 100% ưa nước (tất nhiên không tồn tại), nó
sẽ chỉ được đặt cho một giá HLB = 20, yếu tố thu gọn chỉ số bằng 1/5 này là
do sự thuận tiện khi sử dụng các chỉ số nhỏ hơn. Đối với các chất tạo nhũ ion,
thường không thể xác định chỉ số HLB qua phần trăm khối lượng nhóm ưa
nước trong phần tử chất nhũ hố.
* Cơng thức tính HLB qua chỉ số xà phịng hố lượng axit tự do
HLB = 20.(1-S/A) (*)
Trong đó: S: Là chỉ số xà phịng hố tính bằng số mg KOH dùng để xà phịng
hố 1g chất béo
A: Tính bằng số mg KOH dùng để trung hoà 1g các axit béo (số
axit) được thu hồi sau khi đã thuỷ phân từ chính chất HĐBM đó.

Ví dụ:

Các glixerin monostearat cơng nghiệp (hỗn hợp mono và

diglixerit) có chỉ số xà phịng hố được xác định là 175 và lượng axit thu hồi
cho số axit là 200, chất tạo nhũ có chỉ số HLB = 20. (1-175/200) = 2,5. Cũng
với cách tính tốn trên, sorbitolmonolaurat có chỉ số xà phịng hố là 164 và
số axit là 290 sẽ có giá trị HLB = 20.(1-164/290) = 8,7
Mặc dầu các công thức đưa ra ở trên thoả mãn rất nhiều việc đánh giá
tính chất của chất tạo nhũ khơng ion, tuy nhiên cịn có một số các chất tạo nhũ
không ion mà cấu trúc không cho phép xác định bằng cách tính như trên, ví

Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

19

Trường ĐHBKHN

dụ các chất tạo nhũ trên cơ sở propylenoxit hoặc butylenoxit hoặc những chất
có chứa nitơ sunfua. Mặt khác các dạng chất HĐBM ion không thoả mãn yêu
cầu về thành phần khối lượng, vì thực tế, các nhóm ưa nước này có khối
lượng rất nhỏ nhưng sự ion hố có ảnh hưởng rất đặc biệt đến tính ưa nước
của một chất tạo nhũ. Vì vậy, các giá trị HLB của một số chất nhũ hố khơng
ion đặc biệt này và tất cả các chất nhũ hoá ion phải được xác định bằng
phương pháp thực nghiệm, còn thang HLB ở trên (HLB = 1÷20) chỉ thích hợp
với chất HĐBM không ion. Đối với các chất HĐBM ion người ta đã xây dựng
một số giá trị quy ước trong đó HLB có thể có giá trị từ 1 đến 40. Ví dụ, bằng

nhiều phương pháp thực nghiệm, người ta đã xác định được giá trị HLB của
Kali laurat tinh khiết là 40, điều đó khơng có nghĩa là chất này có 200% ưa
nước, mà nó chỉ thể hiện một giá trị HLB hiệu dụng khi sử dụng kết hợp với
một chất tạo nhũ khác.
* Phương pháp đánh giá sơ bộ
Giá trị HLB cũng có thể xác định thơ bằng quan sát độ tan của tác nhân
tạo nhũ trong pha nước và xác định giá trị HLB tương đối của chúng.
Bảng 1.2. Các thông số đánh giá theo phương pháp
Quan sát

Thang HLB

Không phân tán trong nước

1–4

Phân tán kém trong nước

3–6

Phân tán dạng sữa sau khi lắc mạnh

6–8

Phân tán dạng sữa bền

8 – 10

Phân tán dạng trong hay sáng xanh


10 – 13

Dung dịch trong

lớn hơn 13

* Xác định giá trị HLB qua chỉ số nước

Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

20

Trường ĐHBKHN

Greenwald đã xây dựng một phương pháp chuẩn độ qua đó gián
tiếp đánh giá cân bằng phân tán của chất tạo nhũ trong pha nước. Quy trình
được tiến hành với một gam chất tạo nhũ được hồ tan trong 30 ml hỗn hợp
hai dung mơi 4% benzen và 96% dioxan. Dung dịch này được tiến hành
chuẩn độ bằng nước cất cho tới khi xuất hiện các vết đục bền vững. Hỗn hợp
dung môi đặc biệt này được chọn vì nó cho điểm tương đương rõ nét và độ
lặp lại cao đặc biệt đối với các chất tạo nhũ ion. Số ml nước cất sử dụng trong
quá trình chuẩn độ được gọi là chỉ số nước. Lượng nước chứa trong dioxan và
benzen có thể ảnh hưởng đến kết quả của phương pháp. Nhiệt độ mơi trường
cũng có ảnh hưởng khá lớn đến kết quả chuẩn độ. Trung bình chỉ số nước
thay đổi là 0,08ml/0C. Bản chất của q trình xuất hiện tính đục là do xuất
hiện sự đảo nhũ tương, tại điểm này kích thước hạt pha phân tán trở nên nhỏ
hơn.

Việc xác định giá trị HLB theo phương pháp này có nhiều ưu điểm, áp
dụng được với chất HĐBM không ion và ion, điều kiện thực hiện đơn giản và
cho độ tin cậy tốt.
* HLB của hỗn hơp chất tạo nhũ A và B:
(*)

HLB =

(wA .HLB A ) + (wB .HLBB )
wA + wB

Trong đó : HLBA , HLBB :
w A , wB

Chỉ số HLB của A và B.

: Tỷ số trọng lượng của A và B.

Nếu một dầu với một chỉ số HLB cần thiết được thiết lập để tạo nhũ thì
một chất nhũ hố có cùng HLB như dầu sẽ được lựa chọn. Độ bền của nhũ
được nghiên cứu trên cơ sở cấu trúc hoá học của chất hoạt động bề mặt
* Giá trị HLB u cầu (RHLB):
Trong các cơng trình nghiên cứu về các chất tạo nhũ và hệ nhũ tương,
Griffin cũng đưa ra khái niệm Giá trị HLB yêu cầu. Giá trị này có nghĩa với
Nguyễn Mạnh Dương


Luận văn thạc sỹ

Trường ĐHBKHN


21

mỗi một loại dầu, dùng làm pha dầu trong nhũ tương, chất tạo nhũ được chọn
cho nó cần phải có một giá trị HLB nhất định. Cũng như vậy, pha dầu có thể
sử dụng dầu khống hay dầu thực vật mà mỗi loại dầu cần có một giá trị HLB
của chất tạo nhũ thích hợp. Ví dụ, ta có RHLB của nhũ tương lỏng dầu – nước
của parafin là 10. Điều này có nghĩa là một chất tạo nhũ hoặc một hỗn hợp
chất tạo nhũ có giá trị HLB = 10 sẽ tạo được một nhũ tương dầu nước của
parafin bền hơn rất nhiều so với bất kỳ các nhũ tương có chất tạo nhũ mang
chỉ số HLB nào khác. Tuy nhiên, điều này khơng có nghĩa là một hệ chất tạo
nhũ mang chỉ số HLB nào khác. Tuy nhiên, điều này khơng có nghĩa là một
hệ chất tạo nhũ có chỉ số HLB = 10 có khả năng đáp ứng các địi hỏi về chức
năng và đặc tính của nhũ tương phải tạo ra. Trong từng điều kiện cụ thể, ta có
thể chọn lựa các hệ chất tạo nhũ có chỉ số HLB = 10 để thoả mãn các đòi hỏi
đặc biệt về chức năng mà sản phẩm nhũ tương cần phải có.
Bảng 1.3. Chỉ số cân bằng HLB đối với một số pha dầu khác nhau
Chỉ số HLB cần thiết
Pha dầu

Kiểu nhũ tương nghịch

Kiểu nhũ tương thuận

Nước trong dầu (W/O)

Dầu trong nước (O/W)

6–9


(12,5)

Dầu cọc sợi

–

12 – 14

Dầu máy

–

10 – 13

6–9

–

–

7,5

Dầu hoả

Parafin lỏng
Dầu bông

1.2.7. Các phương pháp đánh giá[1,2,3,4,6,7]
1.2.7.1. Tính chất của dầu nhũ gia công kim loại
- Dầu nhũ gia công kim loại là chất lỏng trong suốt, đồng nhất trong mọi

điều kiện thời tiết.

Nguyễn Mạnh Dương