Nghiên cứu điều chế vật liệu graphit, mos2, fe2o3 có kích thước nano làm phụ gia cho các chất bôi trơn

Đinh Văn Kha và cộng sự

Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam,

Abstract

Nanoscale materials have been prepared from graphite, MoS2, Fe2O3. They are used as tribology additives in base oils (SN 500, polyethylene glycol-PEG). Their effect is evidently demonstrated through characteristic testings according to ASTM standards.

1. Mở đầu

Các vật liệu bôi trơn có kích thước nano là giải pháp cho vấn đề bôi trơn ở điều kiện cực áp, được ứng dụng trong công nghệ hàng không và tên lửa. Chất bôi trơn này có khoảng nhiệt độ làm việc rộng (-240oC÷900oC), có khả năng chống lại năng lượng bức xạ mạnh, khả năng bay hơi thấp trong chân không và chịu được oxy hóa, ăn mòn cao. Một số nghiên cứu gần đây đã ứng dụng công nghệ này để phục hồi các bề mặt bên trong của động cơ, các cặp tiếp xúc ma sát, những vùng chịu sự mài mòn lớn trong quá trình làm việc, cho phép động cơ hoạt động với công suất thiết kế và vì thế tuổi thọ của động cơ cũng được nâng cao.

2. Nội dung nghiên cứu

– Lựa chọn nguyên vật liệu làm đối tượng điều chế: graphít, MoS2, Fe2O3. Tiến hành tổng hợp phụ gia chống mài mòn có kích thước Nano, đo kích thước và một vài tính chất khác của phụ gia chế tạo;

– Pha chế thử nghiệm và đánh giá các tính chất của phụ gia tổng hợp sau khi phân tán trên chất mang, thử tính năng tác dụng của phụ gia tổng hợp trên các thiết bị chuyên dùng.

3. Kết quả đạt được

3.1 Tổng hợp phụ gia có kích thước nano

Vật liệu nano có thể được chế tạo bằng các phương pháp phổ biến: hóa ướt, cơ học, bốc bay, hình thành từ pha khí… Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng và chỉ có thể áp dụng với những loại vật liệu nhất định.

* Lựa chọn vật liệu

Quá trình nghiên cứu được tiến hành trên 03 loại nguyên liệu: graphit (GP), MoS(MS), Fe2O3 (FE). Graphit có cấu trúc mạng tinh thể lục giác, kích thước hạt 10¸25mm, có tính nghịch từ và tính dẫn điện dị hướng. MoS2 là chất bán dẫn điện, các tinh thể MoS2 cấu trúc dạng lá mỏng và dạng lục giác, kích thước hạt 10¸20mm. Fe2O3 có tinh thể lục giác dạng a, kích thước hạt 1÷3mm.

* Phương pháp chế tạo phụ gia

Phương pháp chế tạo phụ gia có kích thước nano áp dụng là phương pháp cơ học. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không phức tạp mà có thể chế tạo được lượng lớn vật liệu. Thiết bị chế tạo là máy nghiền bi ceramic đĩa đứng tốc độ có thể điều chỉnh từ 0¸5000 vòng/phút, kích thước bi là 0,6÷1,0 mm, dung môi sử dụng là xăng công nghiệp cất lấy phân đoạn 60–80oC. Qua khảo sát thực nghiệm lựa chọn được các thông số tối ưu cho quá trình chế tạo phụ gia có kích thước nano như sau:

* Ảnh SEM của 3 mẫu phụ gia chế tạo

Từ ảnh SEM nhận thấy các phụ gia chế tạo đều có kích thước trung bình trong khoảng 30.10-9m÷40.10-9m, nghĩa là có kích thước cỡ nanomét (nm).

3.2 Thử nghiệm tính năng tác dụng của phụ gia chế tạo

* Thử độ ăn mòn tấm đồng của các phụ gia

Thử độ ăn mòn đồng theo phương pháp ASTM D 130 cho các mẫu dầu SN 500 và dầu tổng hợp PEG có pha phụ gia nghiên cứu, hàm lượng 1÷3‰.

Bảng 1. Kết quả thử nghiệm ăn mòn đồng

TT

Phụ gia

Hàm lượng pha trong SN 500

Hàm lượng pha trong PEG

1‰

2‰

3‰

1‰

2‰

3‰

1

GP

1a

1a

1a

1a

1a

1a

2

MS

1b

2b

3b

1b

2b

2b

3

FE

1a

1a

1b

1a

1a

1b

Từ kết quả bảng 3 nhận thấy, phụ gia MS với hàm lượng > 2‰ gây ăn mòn đồng, mức độ ăn mòn tăng theo hàm lượng sử dụng (mức ăn mòn 2b, 3b tương ứng với hàm lượng 2‰, 3‰) do đó MS nên sử dụng giới hạn là 1‰. Phụ gia GP và FE có thể sử dụng tới 3‰ vì ở hàm lượng này chúng vẫn không gây ăn mòn đồng (mức 1a, 1b).

* Thử độ bền oxy hóa

Tiến hành thử nghiệm độ bền oxy hóa các mẫu dầu SN 500 và PEG pha các phụ gia với nồng độ 1‰ theo phương pháp tiêu chuẩn ASTM D 943. Cơ sở đánh giá là mẫu dầu pha 1‰ phụ gia LZ 817 – phụ gia Ionol của hãng Lubrizol có đặc tính chống oxy hóa tốt.

Bảng 2. Một số tính chất của mẫu dầu khoáng SN 500 và dầu SN 500 có chứa các phụ gia thử nghiệm trước và sau khi thử độ bền oxy hóa

TT

Chỉ tiêu

SN500

SN500+LZ817

SN500+GP

SN500+MS

SN500+FE

Trước

Sau

Trước

Sau

Trước

Sau

Trước

Sau

Trước

Sau

1

Màu Gardner

2,5

4,0

2,5

3,0

2,5

3,0

2,5

2,5

2,5

3,0

2

Độ nhớt ở 40oC, cSt

11,4

12,5

11,0

12,5

11,2

11,5

11,2

11,4

11,6

12,0

3

Cặn không tan, % kl

0

0,4

0

0,2

0

0,18

0

0,15

0

0,16

4

Trị số axit, mgKOH/g

0,02

0,26

0,03

0,14

0,02

0,12

0,02

0,08

0,02

0,12

Từ bảng trên nhận thấy các phụ gia khảo sát (LZ 817, GP, MS, FE) đều có khả năng cải thiện độ bền oxy hóa cho dầu gốc khoáng SN 500, cụ thể: màu dầu, độ tăng độ nhớt, lượng cặn không tan và trị số axit của các mẫu dầu chứa phụ gia sau oxy hóa được cải thiện hơn so với dầu gốc SN 500. Các phụ gia nghiên cứu GP, MS và FE cho hiệu quả ức chế oxy hóa tốt hơn phụ gia thương phẩm LZ 817 khi pha trong dầu gốc khoáng.

* Thử nghiệm khả năng chịu cực áp

Khả năng bôi trơn trong điều kiện cực áp của các phụ gia nghiên cứu được đánh giá bằng kết quả tải trọng hàn dính theo phương pháp ASTM D 4172. Cơ sở đối chứng là phụ gia cực áp dùng cho bánh răng, hộp số Anglamol-33 (pha 2%).

Bảng 3. Kết quả thử nghiệm tải trọng hàn dính

Phụ gia

GP

MS

FE

Anglamol-33

Dầu gốc

SN500

PEG

SN500

PEG

SN500

PEG

SN500

PEG

Hàm lượng phụ gia

1‰

2‰

3‰

2‰

1‰

2‰

1‰

1‰

2‰

3‰

2‰

2%

2%

Kết quả, N

6000

6500

7500

7500

7000

>8000

>8000

5500

6500

6500

7500

4700

5300

Từ các kết quả thu được thấy rằng: các mẫu dầu chứa phụ gia tổng hợp có tải trọng hàn dính rất lớn, và cao hơn nhiều so với trường hợp dung phụ gia thương phẩm Anglamol-33 mặc dù hàm lượng sử dụng rất thấp. Điều này chứng tỏ các phụ gia tổng hợp cải thiện rõ rệt hiệu quả bôi trơn trong điều kiện cực áp, tải trọng cao, rất thích hợp làm phụ gia cực áp.

* Thử nghiệm khả năng biến tính ma sát của phụ gia

Xác định đường kính vết mài mòn trên thiết bị T-05 theo phương pháp ASTM D 2714, hàm lượng các phụ gia GP, FE là 2‰, phụ gia MS là 1‰.

Bảng 4. Kết quả thử nghiệm độ mài mòn

SN500

PEG

SAE – 40HD

Phụ gia

GP

MS

FE

GP

MS

FE

GP

MS

FE

Đường kính trung bình vết mài mòn, mm

2,45

0,80

0,75

0,84

1,94

0,70

0,60

0,70

1,88

0,81

0,73

0,80

Sau khi pha các phụ gia tổng hợp vào dầu SN500 và PEG thấy rằng hiệu quả bôi trơn rất tốt nên đường kính vết mài mòn giảm đi đáng kể. Mẫu dầu SAE-40HD có đường kính vết mài mòn là 1,88 mm, sau khi pha phụ gia tổng hợp thì chỉ còn 0,73 ÷ 0,81 mm. Chứng tỏ các phụ gia nghiên cứu có tác dụng giảm ma sát đối cho dầu gốc khoáng, dầu tổng hợp và dầu động cơ.

* Thử nghiệm khả năng tăng công suất của động cơ

Bảng 5. Kết quả thử nghiệm xác định khả năng tăng công suất của động cơ

Dầu

SN500

PEG

SAE – 40HD

Phụ gia

GP

MS

FE

GP

MS

FE

GP

MS

FE

Hàm lượng phụ gia

2‰

1‰

2‰

2‰

1‰

2‰

2‰

1‰

2‰

Áp suất hơi (kg/cm2)

9,0

9,4

9,3

9,6

8,6

9,3

9,4

9,5

9,0

9,4

9,4

9,6

Các kết quả bảng trên cho thấy, các loại phụ gia nano chế tạo đều có tác dụng giảm ma sát, nâng cao hiệu quả bôi trơn. Khi được pha vào chất mang SN 500, PEG chúng thực sự phát huy tác dụng từ 1¸2‰. Từ các kết quả này cho phép mở rộng khả năng ứng dụng trong việc chế tạo các vật liệu bôi trơn làm việc trong điều kiện cực áp. Ngoài ra với khả năng cải thiện độ bền oxy hóa cho dầu gốc, tuổi thọ và công suất của động cơ sẽ được đảm bảo khi sử dụng dầu bôi trơn có pha các phụ gia tổng hợp.

4. Địa chỉ áp dụng

Cơ quan thực hiện chính: Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, Số 2 – Phạm Ngũ Lão – Hà Nội.

Cơ quan phối hợp: Viện Vật lý Kỹ thuật, Viện Khoa học Việt Nam.

5. Kết luận

Nhóm tác giả đã chế tạo thành công 03 loại phụ gia giảm ma sát mài mòn có kích thước nano, đó là phụ gia GP, MS và FE. Qua việc pha chế thử nghiệm, đánh giá các tính chất và tính năng sử dụng trên các thiết bị chuyên dụng nhận thấy các phụ gia này cho hiệu quả giảm ma sát, chống hao mòn thiết bị, tăng công suất, từ đó có thể nâng cao tuổi thọ của động cơ với hàm lượng 1÷3 ‰.