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

NGUYỄN CÔNG LONG

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHỤ GIA BIẾN TÍNH MA SÁT
(GIẢM MA SÁT) CHO DẦU BƠI TRƠN ĐỘNG CƠ
TỪ NGUYÊN LIỆU AXIT BÉO NGUỒN GỐC PARAFIN OXY HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC

HÀ NỘI, 2009


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

NGUYỄN CÔNG LONG

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHỤ GIA BIẾN TÍNH MA SÁT
(GIẢM MA SÁT) CHO DẦU BƠI TRƠN ĐỘNG CƠ
TỪ NGUYÊN LIỆU AXIT BÉO NGUỒN GỐC PARAFIN OXY HÓA

CHUYÊN NGÀNH: CƠNG NGHỆ HỮU CƠ – HĨA DẦU VÀ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. NGUYỄN HỮU TRỊNH

HÀ NỘI, 2009


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài: “ Nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát
(giảm ma sát) cho dầu bôi trơn động cơ từ axit nguồn gốc parafin oxy hóa”
chưa được cơng bố, mọi số liệu đều từ thực nghiệm, hoàn toàn chân thực.

Hà nội, ngày 05 tháng 10 năm 2009.
Nguyễn Công Long


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian dài làm việc nghiêm túc, luận văn thạc sỹ với đề tài
“Nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát (giảm ma sát) cho dầu bôi trơn động
cơ từ nguyên liệu axit béo nguồn gốc parafin oxy hóa” đã được hồn thành dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh.
Tôi xin chân thành gửi lời cám ơn tới giáo viên hướng dẫn khoa học PGS.TS
Nguyễn Hữu Trịnh, người đã tận tình chỉ bảo tơi trong suốt q trình làm luận văn.
Tơi xin chân thành cám ơn tập thể các thầy cô giáo trong Khoa Cơng nghệ
Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, đóng góp ý
kiến giá trị cho luận văn của tơi.
Tơi cũng xin chân thành cám ơn Viện đào tạo sau Đại học – Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội, Ban giám đốc và nhân viên Trung tâm phụ gia dầu mỏ - Viện
Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận
văn thạc sỹ này.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới sự quan tâm, động viên của
gia đình và bạn bè trong suốt thời gian qua. Nhờ đó, tơi đã có đủ thời gian và nghị

lực để hồn thành bản luận văn này.

HỌC VIÊN
Nguyễn Công Long


MỤC LỤC
Danh mục chữ viết tắt sử dụng trong luận văn
Danh mục bảng
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
1.1. Ma sát và nguyên lý bôi trơn
1.1.1. Sơ lược về ma sát
1.1.2. Sơ lược về nguyên lý bôi trơn
1.2. Tầm quan trọng của dầu bơi trơn
1.3. Phụ gia
1.3.1. Đặc tính của phụ gia
1.3.2. Các chủng loại phụ gia
1.3.3. Phụ gia TRIBOLOGY
1.3.3.1. Phụ gia chống mài mòn
1.3.3.2. Phụ gia cực áp
1.3.3.3. Phụ gia biến tính ma sát
1.3.3.4. Một số phụ gia TRIBOLOGY sử dụng trên thế giới
1.4. Dầu động cơ
1.4.1. Phân loại dầu bôi trơn động cơ
1.4.1.1. Phân loại theo tiêu chuẩn Nga
1.4.1.2. Phân loại theo cấp chất lượng API
1.4.1.3. Phân loại theo cấp độ nhớt SAE
1.4.1.4. Phân loại theo đặc chủng dầu động cơ
1.4.2. Dầu bôi trơn động cơ trên thế giới và Việt Nam hiện nay

1.5. Cơ sở q trình oxy hóa
1.5.1. Cơ chế phản ứng oxy hóa
1.5.2. Động học phản ứng oxy hóa
1.5.3. Hóa học và cơ chế của q trình oxy hóa các parafin để tạo ra axit
béo và các hợp chất chứa oxy khác
1.5.4. Ảnh hưởng của các hợp chất hydrocacbon thơm đến tốc độ phản ứng
oxy hóa parafin
1.5.5. Ảnh hưởng của độ dài mạch hydrocacbon của parafin
1.6. Cơ sở tổng hợp các hợp chất amít
1.7. Sơ lược tình hình sản xuất phụ gia biến tính ma sát trên thế giới và trong

4
5
6
8
8
8
8
9
10
10
12
13
14
16
17
20
20
21
21

21
22
23
24
26
27
30
31
34
35
36


nước

37

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
2.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp dẫn xuất amít
2.2. Nguyên liệu
2.2.1. Axit béo của q trình oxy hóa parafin
2.2.2. Khí amoniac
2.3. Phương pháp tổng hợp amít đi từ axit béo của q trình oxy hóa parafin
và khí amoniac làm phụ gia biến tính ma sát
2.4. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp
2.4.1. Khảo sát nhiệt độ phản ứng của giai đoạn 1
2.4.2. Khảo sát tốc độ sục khí amoniac
2.4.3. Khảo sát thời gian sục khí amoniac
2.4.4. Khảo sát nhiệt độ tách nước
2.4.5. Khảo sát thời gian tách nước

2.5. Pha chế dầu động cơ bốn mùa 15W-40 có sử dụng phụ gia biến tính ma
sát
2.6. Các phương pháp nghiên cứu
2.6.1. Xác định độ nhớt động học
2.6.2. Xác định trị số axit
2.6.3. Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc hở
2.6.4. Xác định hàm lượng nước
2.6.5. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát theo phương pháp mài
mòn 4 bi
2.6.6. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát theo phương pháp mài
mòn khối
2.6.7. Phổ IR nghiên cứu các nhóm chức của sản phẩm
2.6.8. Xác định hiệu suất của phản ứng

39
39
39
39
40

Chương 3: Kết quả và thảo luận
3.1. Kết quả nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp amít
3.1.1. Nhiệt độ của phản ứng
3.1.2. Tốc độ sục khí amoniac
3.1.3. Thời gian sục khí
3.1.4. Nhiệt độ tách nước
3.1.5. Thời gian tách nước
3.2. Đánh giá tính chất lý hóa của phụ gia điều chế được

55

55
55
56
57
57
58
59

41
42
42
42
42
43
43
44
46
46
48
49
50
52
53
53
54


3.2.1. Kết quả phổ hồng ngoại thu được
3.2.2. Kiểm tra tính chất lý hóa của sản phẩm
3.3. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát của phụ gia tạo ra

3.3.1. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát bằng phương pháp mài
mòn 4 bi
3.3.2. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát bằng phương pháp mài
mòn khối
3.3.3. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát của dầu pha chế và dầu
cùng cấp trên thị trường
3.4. Quy trình cơng nghệ sản xuất phụ gia biến tính ma sát

60
61
62

Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục 1
Phụ lục 2
Phụ lục 3
Phụ lục 4

69
70
73
75
76
77

62
63

64

67


-4-

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
API: American Petroleum Institute
ASTM: American Sociaty for Testing and Material
AW: Anti Wear
BS: Bright Stock
COC: Cleveland opend cup
EP: Extream Pressure
FM: Friction Modify
IR: Infrared Radial
KF: Karl Fisher
SAE: Society of Automotive Engineers
SN: Sovent Neutral
TAN: Total acid number
TBN: Total base number

Nguyễn Công Long

Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-5-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại theo tiêu chuẩn của Nga


21

Bảng 1.2: Các nhóm dầu động cơ và phạm vi sử dụng

21

Bảng 1.3: Phân loại dầu động cơ theo tiêu chuẩn API

22

Bảng 1.4: Phân loại theo đặc chủng dầu động cơ

24

Bảng 2.1: Các đặc trưng lý hóa của axit béo q trình oxy hóa parafin

40

Bảng 2.2: Các chỉ tiêu hóa lý của dầu SN500 và SN700

44

Bảng 2.3: Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt SAP 171

44

Bảng 2.4: Phụ gia tẩy rửa phân tán SAP 007

45


Bảng 2.5: Phụ gia đóng gói SAP 2090

45

Bảng 2.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng tạo amít

55

Bảng 2.7: Ảnh hưởng tốc độ sục khí amoniac đến hiệu suất phản ứng

56

Bảng 2.8: Ảnh hưởng thời gian sục khí amoniac

57

Bảng 2.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tách nước

57

Bảng 2.10: Ảnh hưởng của thời gian tách nước

58

Bảng 2.11: Tính chất lý hóa đặc trưng của sản phẩm tạo thành

61

Bảng 2.12: Kết quả thử nghiệm hàn dính theo phương pháp ASTM 4172


63

Bảng 2.13: Kết quả thử nghiệm sự mài mòn theo phương pháp ASTM 2714

64

Bảng 2.14: Tính chất hóa lý của dầu bốn mùa CF4 15W-40 pha chế được và
dầu 15W-40 Mobil Delvac 1300 Super ngồi thị trường

Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí

65


-6-

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Ngày nay, khi các động cơ hiện đại ngày càng tinh sảo và phức tạp thì
chúng cũng địi hỏi chất lượng của dầu bơi trơn cho động cơ phải có nhiều
tính năng ưu việt hơn để có thể nâng cao tuổi thọ cũng như cơng suất của
động cơ. Một trong những tính năng khơng thể thiếu đối với một dầu động cơ
cao cấp hiện nay là khả năng giảm mài mòn ma sát, cấp dầu càng cao thì khả
năng giảm mài mịn, ma sát càng lớn.
Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều dầu bôi trơn cho động cơ được pha
chế, sản xuất tại các cơng ty trong nước và nước ngồi trong lúc đó phụ gia
biến tính ma sát dùng để pha chế vào các dầu động cơ này đều được nhập

khẩu từ nước ngoài, trong nước chưa sản xuất được.
Với suy nghĩ làm sao để tạo ra được phụ gia biến tính ma sát từ các
nguồn nguyên liệu rẻ, sẵn có (Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam có dây
chuyền oxy hóa parafin để sản xuất thuốc tuyển quặng apatit với công suất
500 tấn/năm, axit béo của q trình oxy hóa nói trên có thể dùng làm nguyên
liệu cho nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát) và quan trọng là có tính
chất tương đương với phụ gia nhập khẩu nước ngồi, từ đó giảm được giá
thành của phụ gia và sản phẩm dầu bôi trơn cho động cơ. Dưới sự hướng dẫn
khoa học của PGS.TS. Nguyễn Hữu Trịnh, tôi đã tiến hành thực hiện đề tài:
“ Nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát (giảm ma sát) cho dầu bôi trơn
động cơ từ nguyên liệu axit béo nguồn gốc parafin oxy hóa” nhằm tạo ra được
một loại phụ gia như mong muốn.

Nguyễn Công Long

Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-7-

Mục đích của đề tài:
Tạo ra phụ gia biến tính ma sát tương đương với phụ gia của nước
ngoài qua các phép thử tính chất lý hóa cũng như so sánh tính năng giảm mài
mịn, ma sát qua đó có thể thay thế phụ gia nhập khẩu với giá thành thấp.
Tổng hợp được phụ gia biến tính ma sát có chứa gốc amin dựa trên
phản ứng amin hóa axit béo của q trình oxy hóa parafin theo hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: Phản ứng tạo muối amít
CH3(CH2)n COOH + NH3 (k) → CH3(CH2)n CO - NH2. H20

( 1)


Giai đoạn 2: Tách nước
to CH (CH ) CO - NH +H O ( n = 6 ÷ 16 ) (2)
CH3(CH2)n CO- NH2.H20 →
3
2 n
2
2
Nội dung nghiên cứu:
Khảo sát các điều kiện tối ưu cho các giai đoạn của phản ứng tạo phụ
gia gốc amin qua việc đánh giá trị số axit, hàm lượng nước và độ hịa tan.
Nghiên cứu tính chất của phụ gia được tạo ra: Độ nhớt, trị số axit, nhiệt
độ chớp cháy hở, hàm lượng nước...
Phụ gia được tạo ra được so sánh với phụ gia Sarkozyl (phụ gia có chứa
gốc amin) của nước ngồi ở phổ hồng ngoại, phương pháp mài mòn 4 bi
(ASTM D 4172) và phương pháp mài mòn khối (ASTM D 2714) khi pha tỷ lệ
nhất định với dầu gốc.
Pha chế dầu động cơ 4 mùa CF4 15W-40 có phụ gia biến tính ma sát
mà đề tài tạo ra và thử nghiệm khả năng chịu mài mòn so với dầu động cơ
CF4 15W-40 của hãng ExxonMobil ngồi thị trường.

Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-8-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. MA SÁT VÀ NGUYÊN LÝ BÔI TRƠN

Việc tìm hiểu về ma sát và ngun lý bơi trơn là công việc đầu tiên cần
thiết khi đi vào nghiên cứu dầu nhờn và chất lượng dầu nhờn. Nếu nắm vững
được hai vấn đề này thì mới có thể dễ dàng tiếp cận và tìm hiểu ảnh hưởng
của dầu nhờn đối với sự hoạt động của thiết bị máy móc.
1.1.1. Sơ lược về ma sát
Khi một vật dịch chuyển trên bề mặt của vật khác thì sẽ xuất hiện một
lực gọi là lực ma sát, lực đó đã cản trở chuyển động, gây ra sự mài mòn bề
mặt tiếp xúc của chính các vật thể ấy và ma sát cũng có nhiều dạng [1]:
- Ma sát trượt: Khi một vật rắn trượt lên một vật khác, bề mặt của chúng
tiếp xúc với nhau thì sẽ sinh ra lực ma sát gọi là ma sát trượt.
- Ma sát lăn: Khi một vật hình trịn hoặc hình cầu lăn trên bề mặt của vật
khác và hai vật tiếp xúc với nhau tại một điểm hoặc một đường thì sinh ra lực
ma sát gọi là ma sát lăn, ma sát trượt thường lớn gấp 10-100 lần ma sát lăn.
Hiện tượng ma sát ln kéo theo sự hao phí cơng suất để khắc phục ma sát,
làm tỏa nhiệt và gây ra mài mòn các chi tiết làm việc .
Khi hai bề mặt chuyển động lên nhau được ngăn cách bởi một lớp dầu thì
sẽ xuất hiện ma sát lỏng, tức hiện tượng ma sát diễn ra trong bản thân lớp dầu,
giữa các phân tử dầu, lượng tổn thất năng lượng trong ma sát lỏng so với ma
sát khơ thì nhỏ hơn rất nhiều.
1.1.2. Sơ lược về nguyên lý bôi trơn
Để thực hiện bôi trơn lỏng ổ đỡ với lượng hao phí cơng suất do ma sát
nhỏ nhất cần phải tính đến hàng loạt các yếu tố: độ nhớt của dầu, tải trọng
trên ổ đỡ, tốc độ chuyển động của các chi tiết làm việc, diện tích các bề mặt
Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-9-


làm việc, khe hở giữa các chi tiết làm việc, tình trạng nhiệt độ của ổ đỡ.
Các ngun lý bơi trơn đều được biểu diễn bằng những cơng thức tốn
học. Các nhà thiết kế dựa vào chế tạo máy có thể dựa vào cơng thức để tính
bề dầy lớp dầu giữa các chi tiết làm việc và tác dụng làm mát của dầu chảy
qua ổ đỡ và điều chủ yếu nhất là có thể duy trì sự bơi trơn lỏng trong điều
kiện nào và điều kiện nào gây ra sự phá hủy lớp dầu, xuất hiện ma sát khô, đe
dọa máy móc, thiết bị.
Trong thực tế nếu khơng đề cập tới tính tốn chúng ta cũng có thể ứng
dụng ngun lý cơ bản rút ra từ lý thuyết bôi trơn thủy động như sau:
- Trong trường hợp ma sát lỏng, nếu độ nhớt của dầu, tốc độ trượt của
các chi tiết làm việc và bề mặt tiếp xúc của chúng tăng thi lượng tổn thất do
ma sát sẽ tăng lên.
- Độ nhớt của dầu tăng, tải trọng của các chi tiết làm việc giảm thì độ
bền bơi trơn lỏng sẽ tăng lên.
- Đối với các chi tiết làm việc chuyển động nhanh thì cần dầu có độ nhớt
thấp và ngược lại.
- Khe hở giữa các chi tiết làm việc càng lớn thì dầu bơi trơn cần độ nhớt
cao.
- Tải trọng trên các chi tiết làm việc càng lớn thì độ nhớt cần phải lớn.
1.2. TẦM QUAN TRỌNG CỦA DẦU BÔI TRƠN
Bơi trơn là làm giảm ma sát, mài mịn đến mức thấp nhất bằng cách tạo
ra giữa hai bề mặt chịu ma sát một lớp bôi trơn. Chất bôi trơn tạo ra sự ngăn
cách bề mặt một cách nhanh chóng khi sử dụng hợp lý và chúng có khả năng
làm mát tốt khi hồi lưu qua vùng cối đỡ.
Các chất bơi trơn thường ở thể rắn, lỏng và khí, hầu hết các chất bôi trơn
Nguyễn Công Long

Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí



-10-

là chất lỏng (85-90%). Do vậy chất bôi trơn lỏng (dầu bôi trơn) được biết đến
nhiều nhất trong ứng dụng kỹ thuật bơi trơn. Dầu bơi trơn có các chức năng
chủ yếu sau đây [1,12]:
- Bôi trơn làm giảm ma sát và cường độ mài mòn, ăn mòn của các bề mặt
tiếp xúc bảo đảm máy móc hoạt động có hiệu quả.
- Làm sạch và bảo vệ động cơ (Bảo vệ chống ăn mịn, mài mịn ở các bộ
phận có màng dầu rất mỏng, bảo vệ chống gỉ và chống ăn mòn ở những bộ
phận bằng kim loại, bảo vệ lắng cặn trong hệ thống bơi trơn, bảo tồn khả
năng làm việc trong một khoảng nhiệt độ, áp suất và tốc độ trượt rộng, lấp
đầy các bề mặt mấp mô, bảo đảm bơi trơn với lượng dầu ít nhất).
- Làm mát động cơ, thiết bị.
- Làm kín, khít các chi tiết.
Nguyên nhân gây ra hao mòn chi tiết máy chủ yếu là do hiện tượng mài
mịn gây ra, khơng chỉ ở các nước phát triển mà ngay cả các nước cơng
nghiệp phát triển, tổn thất mài mịn do ma sát khi sử dụng dầu bôi trơn và kỹ
thuật bôi trơn chưa phù hợp đã chiếm tới vài phần trăm tổng thu nhập quốc
dân. Ở nước ta theo đánh giá của các chuyên gia chế tạo động cơ thì thiệt hại
mài mịn do ma sát và chi phí bảo dưỡng sửa chữa hàng năm tới vài triệu đô
la Mỹ [1].
1.3. PHỤ GIA
1.3.1. Đặc tính của phụ gia
Phụ gia là những chất hữu cơ, cơ kim và vơ cơ, thậm chí là các nguyên
tố, được thêm vào các chất bôi trơn. Thường mỗi loại phụ gia được dùng ở
nồng độ từ 0,01 đến 5%. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp một phụ gia có
thể được đưa vào ở khoảng nồng độ dao động từ vài phần triệu đến trên 10%.
Nguyễn Công Long

Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí



-11-

Phần lớn các loại dầu nhờn cần nhiều loại phụ gia để thỏa mãn tất cả các
yêu cầu tính năng. Trong một số trường hợp các phụ gia riêng biệt được pha
thẳng vào dầu gốc. Trong những trường hợp khác, hỗn hợp các loại phụ gia
được pha trộn thành phụ gia đóng gói, sau đó sẽ được đưa tiếp vào dầu. Một
số phụ gia nâng cao những phẩm chất đã có sẵn của dầu, một số khác tạo cho
dầu những tính chất mới cần thiết. Các loại phụ gia khác nhau có thể hỗ trợ
lẫn nhau, gây hiệu ứng tương hỗ, hoặc chúng có thể dẫn đến hiệu ứng đối
kháng. Trường hợp sau có thể làm giảm hiệu lực của phụ gia, tạo ra những
sản phẩm phụ không tan hoặc những sản phẩm có hại khác. Những tương tác
này là do hầu hết các phụ gia đều là các hóa chất hoạt động vì thế chúng tác
dụng qua lại ngay trong phụ gia đóng gói hoặc trong dầu và tạo ra những chất
mới.
Như vậy việc tổ hợp phụ gia đòi hỏi sự khảo sát kỹ tác dụng tương hỗ
qua lại giữa các phụ gia cũng như cơ chế hoạt động của từng loại phụ gia
riêng và tính hịa tan của chúng. Những hiệu ứng phụ không mong muốn của
phụ gia cần được khắc phục và việc tổ hợp các phụ gia phải được điều chỉnh
để đạt được tính năng tối ưu của phụ gia trong dầu bôi trơn. Cần nhớ rằng một
lượng nhỏ chất xúc tác thêm vào trong quá trình sản xuất phụ gia thường gây
ra sự thay đổi lớn trong tác dụng tương hỗ của phụ gia. Những “ phụ gia của
phụ gia ” này được các nhà sản xuất đánh giá rất cao[1].
Dầu gốc ảnh hưởng đến phụ gia qua hai tính năng chính: tính hịa tan và
tính tương hợp. Chẳng hạn hydrocacbon tổng hợp ít hịa tan phụ gia (ngược
lại với dầu khống), nhưng chúng có tính tương hợp phụ gia rất tốt. Do vậy
hydrocacbon tổng hợp có thể pha lẫn với dầu khống để đạt được sự kết hợp
tối ưu giữa tính hịa tan và tính tương hợp phụ gia. Tính tương hợp phụ gia
phụ thuộc rất nhiều vào thành phần của dầu gốc. Tính hịa tan có thể giải thích


Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-12-

như sau: sự hình thành các chất phụ gia hoạt động bề mặt phụ thuộc nhiều vào
khả năng của chúng hấp phụ trên bề mặt máy ở thời gian và vị trí nhất định.
Dầu gốc có tính hịa tan cao có thể giữ phụ gia ở dạng hịa tan mà khơng cho
phép chúng hấp phụ. Mặt khác dầu gốc có tính hịa tan kém có thể để phụ gia
bị tách trước khi nó hồn thành chức năng đã định.
Vì có khả năng cải thiện tính năng của dầu bơi trơn và chất lỏng bôi trơn
nên phụ gia tạo điều kiện rất tốt cho việc cải tiến các loại xe và máy móc cơng
nghiệp.
Ngày nay, thực tế hầu như các chủng loại dầu và chất lỏng bơi trơn đều
chứa ít nhất một loại phụ gia, một số loại dầu như: dầu động cơ, dầu bánh
răng thì có chứa nhiều loại phụ gia khác nhau.
1.3.2. Các chủng loại phụ gia
Phụ gia chủ yếu được sử dụng để đảm nhiệm một chức năng nhất định,
nhưng có nhiều loại là phụ gia đa chức. Những chức năng quan trọng của phụ
gia là [1,18,24]:
- Làm tăng độ bền oxy hóa (chất ức chế oxy hóa hoặc phụ gia chống oxy
hóa)
- Ngăn chặn hiệu ứng xúc tác của kim loại trong q trình oxy hóa và ăn
mịn (chất khử hoạt tính kim loại).
- Chống ăn mịn (chất ức chế ăn mòn).
- Chống gỉ (chất ức chế gỉ).
- Chống sự tạo cặn bám và cặn bùn (phụ gia rửa).

- Giữ các tạp chất ở dạng huyền phù (phụ gia phân tán).
- Tăng chỉ số độ nhớt (phụ gia tăng chỉ số độ nhớt).
- Giảm nhiệt độ đông đặc (phụ gia làm giảm nhiệt độ đông đặc).
Nguyễn Công Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-13-

- Làm dầu có thể trộn lẫn với nước (phụ gia tạo nhũ).
- Chống tạo bọt (phụ gia chống tạo bọt).
- Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật (phụ gia diệt khuẩn).
- Làm cho dầu có khả năng bám dính tốt (tác nhân bám dính).
- Tăng khả năng làm kín (tác nhân làm kín).
- Làm giảm ma sát (phụ gia giảm ma sát).
- Làm giảm và ngăn chặn sự mài mòn (phụ gia chống mài mòn).
- Chống sự kẹt xước các bề mặt kim loại (phụ gia cực áp).
1.3.3. Phụ gia TRIBOLOGY
Trong chế độ bôi trơn thủy động học, các bề mặt rắn không tiếp xúc trực
tiếp với nhau. Độ dày của màng bôi trơn chịu tải trọng do độ nhớt của chất
bôi trơn quyết định. Tuy nhiên, khi điều kiện làm việc trở nên khắc nghiệt hơn
(tải trọng cao, tốc độ thấp, độ ráp bề mặt lớn) thì sẽ tới lúc màng lỏng khơng
thể hồn tồn chịu được tải trọng đè lên. Các điểm nhô lên trên bề mặt rắn sẽ
cùng gánh tải trọng với màng chất lỏng. Chế độ bôi trơn chuyển sang bôi trơn
màng mỏng hỗn hợp (cịn gọi là bơi trơn nửa ướt) rồi sau đó sang chế độ bơi
trơn giới hạn.
Sự tiếp xúc giữa các bề mặt rắn sinh ra mài mòn, tăng ma sát và hiện
tượng hàn dính các điểm mấp mơ. Chính vì thế mà các phụ gia tribology được
đề cập làm giảm ma sát, mài mòn và ngăn cản sự hư hại của bề mặt tiếp xúc.

Phụ gia tribology là một nhóm các chất cực kỳ quan trọng được bổ sung
vào rất nhiều loại dầu bôi trơn, đặc biệt là pha vào dầu bánh răng và dầu động
cơ. Chúng còn được gọi là phụ gia giới hạn (bôi trơn giới hạn). Các phụ gia
này bao gồm các hợp chất hữu cơ, cơ kim và các hợp chất vô cơ. Chúng có
thể có chức năng như phụ gia biến tính ma sát (FM), phụ gia chống mài mịn
Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-14-

(AW) và phụ gia cực áp (EP). Phụ gia cực áp còn được gọi là phụ gia chịu tải
trọng cao [1,16].
Tính năng sử dụng của các loại phụ gia này phụ thuộc vào cấu trúc hóa
học của phụ gia và thành phần của dầu gốc. Các thiết bị chuyên dụng được
gọi là các thiết bị thử nghiệm tribology được dùng để nghiên cứu tính chống
ma sát, tính chống mài mịn và chống kẹt xước của chất bôi trơn và phụ gia.
Có nhiều loại thiết bị khác nhau được sử dụng tùy theo hình thể đa dạng của
mẫu vật thử và điều kiện thử nghiệm khác nhau. Kết quả là một lượng đáng
kể máy móc và quy trình được thiết lập để đánh giá tính năng tribology của
dầu bơi trơn. Trong một số trường hợp cùng các máy như nhau được sử dụng
để xác định cả tính năng chống mài mịn và chống kẹt xước mặc dù điều kiện
hoạt động của máy có thể là khác nhau. Một số máy cịn có khả năng đánh giá
tính năng chống ma sát của dầu bơi trơn.
1.3.3.1. Phụ gia chống mài mịn (AW)
Mài mịn là sự tổn thất kim loại giữa các bề mặt chuyển động tương đối
với nhau. Yếu tố chủ yếu gây nên mài mòn bao gồm: tiếp xúc kim loại với
kim loại (mài mịn dính); sự có mặt của hạt mài (mài mịn hạt); và sự tấn cơng
của các chất gây ăn mòn (mài mòn do ăn mòn hay mài mòn hóa học).

Sự mài mịn dính trong hệ thống bơi trơn xảy ra khi ở các điều kiện tải
trọng, tốc độ và nhiệt độ, màng dầu bôi trơn trở nên mỏng đến mức các chỗ
mấp mô trên bề mặt tiếp xúc với nhau. Do đó nó là mài mịn do vật liệu
chuyển từ bề mặt tiếp xúc với nhau. Do đó nó là mài mịn do vật liệu chuyển
từ bề mặt này sang bề mặt kia trong khi hai bề mặt chuyển động tương đối với
nhau dẫn tới quá trình hàn dính pha rắn. Sự tiếp xúc với kim loại có thể ngăn
cản được khi cho hợp chất tạo màng vào dầu nhờn và nhờ có sự hấp phụ vật

Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-15-

lý hay phản ứng hóa học mà nó bảo vệ được bề mặt.
Sự mài mòn cọ xát (mài mòn hạt) là do các hạt mài, các tạp chất từ bên
ngoài đưa vào hoặc do các phần tử từ mài mòn dính gây ra. Cơ chế chủ yếu
của sự mài mịn vật liệu là sự cắt vi mô của các hạt cứng. Mài mịn hạt có thể
ngăn cản được nếu ta dùng biện pháp lọc để tách hạt mài cứng ra.
Mài mịn do ăn mịn này sinh từ phản ứng hóa học trên bề mặt kim loại
kết hợp với tác động cọ xát làm cho chỗ kim loại bị ăn mòn bị cắt tách ra. Ví
dụ, mài mịn ăn mịn có thể xuất hiện ở thành xylanh và vịng găng pittơng,
đặc biệt ở động cơ diezel tốc độ thấp do sản phẩm có tính axit tạo ra trong q
trình cháy nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao gây nên. Các axit mạnh
được tạo thành có thể tấn cơng vào bề mặt kim loại tạo ra các hợp chất mà
chúng dễ bị bóc ra khi vịng găng chà xát vào thành xylanh. Dạng mài mịn
này ta có thể kiềm chế được bằng cách sử dụng chất tẩy rửa kiềm cao có tác
dụng trung hịa các sản phẩm mang tính axit của q trình đốt cháy.
Các phụ gia chống mài mịn bao gồm các phụ gia tribology có hiệu lực

trong vùng bơi trơn hỗn hợp khi mặt thẩm thấu màng dầu bị các điểm nhấp
nhô bề mặt làm gián đoạn. Tại các chỗ tiếp xúc kim loại cục bộ trên hai bề
mặt ma sát các phụ gia này hấp phụ hóa học và phản ứng với kim loại tạo ra
hợp chất bề mặt mà thường bị biến dạng do chảy dẻo dẫn tới sự phân bố tải
trọng khác đi. Kết quả là sự mài mịn dính bị ngăn ngừa hay giảm đi.
Phụ gia chống mài mịn bao gồm một loạt nhóm hóa chất. Có lẽ phụ gia
chống mài mịn quan trọng nhất và hiệu quả nhất trong việc khống chế hoặc
loại trừ mài mòn trong hệ thống trục khuỷu là kẽm diankyldithiophotphat.
Phụ gia chống mài mòn quan trọng khác là các hợp chất có photpho, như
tricresyl photphat và hợp chất chứa lưu huỳnh như sunfua, disunfua và dẫn
xuất axit béo...

Nguyễn Công Long

Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-16-

Các phụ gia chống mài mịn có nhiệm vụ tạo ra các hợp chất trung gian
dạng phức, đặc biệt là từ các chất chứa lưu huỳnh, oxy và photpho, như kẽm
diankyldithiophotphat. Các thành phần này tiếp theo đó lại trải qua các phản
ứng sâu hơn nên có thể tạo ra lớp phủ chống mài mòn và ở một chừng mực
nào đó ngăn ngừa kẹt xước trên bề mặt kim loại. Tuy nhiên, đối với nhiều hợp
chất thì cơ chế chủ yếu của tác động chống mài mòn là do sự hấp phụ hóa học
tạo ra [1,16].
Sự hấp phụ hóa học xảy ra khi hợp chất đã hấp phụ, phản ứng với bề mặt
kim loại mà không kéo nguyên tử kim loại ra khỏi cấu trúc mạng lưới. Hấp
phụ hóa học có thể được coi như là cầu nối giữa chức năng chống ma sát và
chống mài mòn của một số chất, như axit béo, trong trường hợp axit béo thì

màng hấp phụ vật lý có thể làm giảm ma sát và được chuyển hóa thành xà
phịng kim loại bám vào bề mặt. Màng hấp phụ hóa học có sức chống lại lực
cắt lớn hơn nhiều so với màng hấp phụ vật lý, do đó ngồi tính năng chống
ma sát nó cịn có khả năng chống mài mịn.
1.3.3.2 Phụ gia cực áp (EP)
Phụ gia EP là các chất có tác dụng trong việc khống chế mài mòn và hư
hỏng dưới điều kiện chịu tải trọng nặng do số lượng các chỗ tiếp xúc kim
loại-kim loại tăng lên và hiện tượng kẹt xước xuất hiện. Nói một cách khác
các phụ gia EP ngăn ngừa kẹt xước và hàn dính giữa các bề mặt kim loại đang
hoạt động dưới áp suất cực lớn. Sự gia tăng khả năng chịu tải của các phụ gia
này có thể liên quan tới sự gia tăng mài mịn. Điều đó liên quan với một thực
tế là các phụ gia EP thường chỉ có hiệu lực khi có phản ứng hóa học. Do đó
việc sử dụng phụ gia EP có thể làm nảy sinh vấn đề ăn mịn. Thông thường,
khi khả năng phản ứng của phụ gia tăng thì sự mài mịn dính giảm và sự mài

Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-17-

mịn do ăn mịn (hóa học) tăng lên. Các phụ gia EP được sử dụng rộng rãi
nhất là các loại dầu béo được sunfua hóa, các este và hydrocacbon như
polybuten, hydrocacbon được clo hóa, các hợp chất chứa lưu huỳnh-clo, các
disunfua thơm và mạch thẳng, photphit hữu cơ, dầu béo photpho hóa và nhiều
chất khác [1,16].
Phụ gia EP tác dụng với các bề mặt kim loại ma sát tạo ra các hợp chất
mới có ứng suất cắt thấp hơn kim loại gốc nên lớp phủ vừa mới hình thành
chịu trượt cắt trước tiên và nhiều hơn.

1.3.3.3. Phụ gia biến tính ma sát (FM)
Phụ gia biến tính ma sát (phụ gia FM) là chất làm giảm hệ số ma sát và
đạt được sự trượt phẳng nhẵn hoặc làm tăng hệ số ma sát để đạt được sự dừng
trượt. Thông thường phụ gia loại này làm tăng độ bền của màng dầu và nhờ
đó giữ cho bề mặt kim loại tách rời nhau và ngăn không cho lớp dầu bị phá
hủy. Phụ gia FM mà làm giảm hệ số ma sát thì sẽ bảo tồn được năng lượng,
chúng được sử dụng chủ yếu trong dầu động cơ và trong dầu bánh răng. Phụ
gia FM tiết kiệm được 2-3% nhiên liệu cho ôtô. Nói chung chúng được sử
dụng khi cần tạo ra chuyển động trượt êm khơng có rung động và khi cần có
hệ số ma sát nhỏ nhất.
Để có thể giảm được khả năng mài mịn, ma sát của động cơ thì nhất
thiết dầu bơi trơn phải có chứa phụ gia biến tính ma sát. Phụ gia biến tính ma
sát là một loại phụ gia có khả năng hấp phụ vật lý lên bề mặt kim loại của chi
tiết động cơ qua đó tạo một lớp màng mỏng giữa các bề mặt tiếp xúc kim loại
– kim loại, từ đó làm giảm đáng kể khả năng tiếp xúc trực tiếp giữa các bề
mặt kim loại với nhau dẫn đến giảm được khả năng ma sát cũng như mài mịn
động cơ.

Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-18-

Đồ thị sau mô tả hiệu quả của phụ gia FM đối với sự giảm ma sát trong
động cơ xăng. Trị số này cho thấy rõ là ở nhiệt độ cao thì độ nhớt dầu thấp

Tổn thất năng lượng của động cơ, kW


làm tăng tổn thất ma sát và phụ gia FM làm giảm tổn thất này đi đáng kể [1].

10
9
Khơng có phụ gia
biến tính ma

8
7

Có phụ gia
biến tính ma sát

6

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 130 140

Nhiệt độ cacte, oC

150

Tuy nhiên ở nhiệt độ cacte dầu thấp thì hiệu quả của phụ gia FM nhỏ vì
độ nhớt của chất bơi trơn cao hơn làm giảm mức độ bôi trơn giới hạn và làm
tăng mức độ bôi trơn thủy động lực học.
Phụ gia FM (làm giảm hệ số ma sát) bao gồm nhiều loại hợp chất chứa
oxy, nitơ, lưu huỳnh, molipđen, đồng và các nguyên tố khác. Các phụ gia này
làm tăng độ bền của màng dầu chủ yếu do hiện tượng hấp phụ vật lý nhờ đó
làm giảm ma sát.
Độ bền của màng dầu liên quan tới độ dài của mạch ankyl trong phân tử
phụ gia FM. Do đó các hợp chất phụ gia FM mạch dài như axit béo hoặc
amin, amit béo được sử dụng. Phụ gia FM còn bao gồm các hợp chất
molipđen sunfua và graphit. Phụ gia FM hấp phụ lên bề mặt kim loại và làm
tách bề mặt tiếp xúc với nhau. Thơng thường, chúng có hiệu quả khi tải trọng
Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-19-

không cao quá, khi màng dầu không bị sự nhấp nhô bề mặt làm hỏng một
cách đáng kể. Độ dày và hiệu quả của màng dầu hấp phụ là hàm số của các
biến số sau [1,16]:
- Độ dài của mạch: mạch càng dài thì màng dầu càng dày;
- Độ phân cực của nhóm chức: độ phân cực càng mạnh thì độ dày và độ
bám dính của màng dầu càng lớn. Dưới đây là thứ tự tăng sự ma sát tối thiểu
của một số phụ gia khác nhau (mạch gốc gồm 18 nguyên tử cacbon).

Axit stearic < - SH < - OH < - Br
Axit stearic < - NH < - CN < - CONH2
Axit stearic < - COOCH2CH3 < - COOCH3
- Cấu trúc: phân tử dạng thanh mảnh dễ bó chặt hơn là dạng phân tử
nhiều nhánh bên;
- Nồng độ: cho tới một nồng độ tới hạn thì việc tăng nồng độ của phụ gia
FM làm cho hiệu quả của nó tăng lên. Sau đó, việc gia tăng nồng độ có thể sẽ
khơng kinh tế hoặc làm suy thối hiệu ứng giảm ma sát;
- Dầu gốc: kể cả kích thước của phân tử dầu gốc lẫn sự có mặt của phân
tử phân cực có thể làm ảnh hưởng đến sự hình thành màng dầu;
- Kim loại học: nhiệt hấp phụ trên bề mặt kim loại càng cao thì màng dầu
càng bền vững. Lớp oxyt phủ bề mặt kim loại là một yếu tố hạn chế;
- Nhiệt độ: nếu nhiệt độ quá cao có thể tạo ra năng lượng đủ để giải hấp
phụ các phân tử và làm cho màng yếu đi;
Sơ lược về tác động của phụ gia giảm ma sát:
Phụ gia giảm ma sát
(mạch dài và phân cực cao)

Hấp phụ vật lý

Hấp phụ hóa học

Sự hình thành màng bền vững ngăn cách
bề mặt chất rắn

Nguyễn Công Long

Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí



-20-

1.3.3.4. Một số phụ gia TRIBOLOGY sử dụng trên thế giới
Các phụ gia này thường chứa các hợp chất của clo, lưu huỳnh, nitơ và
photpho, nó cũng gồm các hợp chất lưu huỳnh-photpho và lưu huỳnhphotpho-bo có phản ứng với kim loại ở điều kiện áp suất cao, chúng là:
Cloroankan, axit triclorometyl photphin, các este vô cơ của axit aaxetoxy-b,b,b-tricloroetyl photphonic, este triclorometyl của axit photphoric,
các dẫn xuất triclorometyl của lưu huỳnh, các hợp chất tricloroaxetoxy, este
hay muối amin của axit cloroendic, 1,2,3,4,7,7-hexacloro-5-dimetylbicyclo-2heptan, bis-(ankyl/diankyl/ankylaryldithiocacbamate), sunfua, disunfua và
dẫn xuất axit béo, ZnDDP... [24].
1.4. DẦU ĐỘNG CƠ
Dầu động cơ là nhóm dầu quan trọng nhất trong các loại dầu bơi trơn.
Tính trung bình, chúng chiếm khoảng 40% tổng các loại dầu bơi trơn sản xuất
trên toàn thế giới. Về chất lượng dầu bôi trơn động cơ ngày càng được cải tiến
và nâng cao nhằm đáp ứng điều kiện làm việc của các thế hệ động cơ đời mới
ngày càng tạo ra công suất và tốc độ cao hơn, với những điều kiện làm việc
khắc nghiệt hơn trước. Hầu hết những loại dầu bơi trơn hiện nay có pha lượng
phụ gia từ 5-25% tùy từng nhãn hiệu. Phẩm chất của các loại dầu bôi trơn
động cơ thế hệ mới biểu hiện chủ yếu ở các điểm sau:
- Có tính nhớt nhiệt tốt, ở nhiệt độ cao vẫn có tính bơi trơn tốt. Ở nhiệt
độ thấp vẫn đảm bảo dễ nổ máy.
- Có khả năng tẩy rửa, làm phân tán tốt các cặn bẩn, hạn chế tối đa tác
hại mài mịn máy.
- Có tính ổn định nhiệt - oxy hóa tốt trong phạm vi nhiệt độ làm việc của
động cơ 100-150oC (ở cacte) và 100-350oC (ở vùng đỉnh piston).
Nguyễn Công Long

Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí


-21-


- Có độ kiềm tổng đủ trung hịa lượng axit tạo thành khi nhiên liệu cháy,
bảo vệ bề mặt kim loại khỏi ăn mịn, gỉ sét.
1.4.1. Phân loại dầu bơi trơn động cơ
1.4.1.1. Phân loại theo tiêu chuẩn Nga:
Dầu động cơ của Nga và các nước Cộng hòa thuộc Liên Xô cũ được

phân loại theo Tiêu chuẩn гOCT 17476-76 và được thể hiện ở bảng 1.1 [6]:
Bảng 1.1: Các nhóm dầu động cơ và phạm vi sử dụng
Nhóm dầu

Phạm vi sử dụng

A

Động cơ diezel và động cơ cacbuarato cường hoá

ь1

Động cơ cacbuarato cường hố ít

ь2

Động cơ diezel cường hố ít

B1

Động cơ cacbuarato cường hố trung bình

B2


Động cơ diezel cường hố trung bình

г1

Động cơ cacbuarato cường hố cao

г2

Động cơ diezel cường hoá cao

д

Động cơ diezel cường hoá làm việc ở điều kiện nặng

E

Động cơ diezel tốc độ quay thấp có hệ thống bơi trơn làm việc
trong nhiên liệu nặng có hàm lượng lưu huỳnh dưới 3,5%

1.4.1.2. Phân loại theo cấp chất lượng API:
Viện dầu mỏ Mỹ (API) đã tiến hành phân loại theo nhóm động cơ (dựa
trên tính chất sử dụng của động cơ). Đây là cách phân loại khá hoàn chỉnh, là
hệ thống “ mở ” cho phép thêm vào các loại dầu mới mà không phải gạt bỏ
hay thay đổi những loại dầu nhờn động cơ đã và đang sử dụng [6,9,12].
Nguyễn Cơng Long

Cơng nghệ Hữu cơ – Hóa dầu và Khí