An Important of Hydrogen Bonds in Metalworking Fluid Additive Selection - part I

Written by Steven Nguyen

Bring Colloid and Interface of Science to Life

 

1. What is hydrogen bond?

 

Hydrogen bonds (H-bonds) is a very basic knowledge of chemistry, and it is quite familiar to chemist. However, it could be a bit strange to somebody who did not study chemistry or not much interested in chemistry. So, I would like to have a quick mention of it.

Figure 1: Hydrogen bonds between water moluculars and acetic molecules. 

Image Source: Wikipedia.

H-bonds are an electrostatic interaction between H atom, which is attached to an electronegative atom (i.e., N or O) in a molecule and a lone pair of electrons on an electronegative atom (e.g., N, F, O) in another molecule.  H-bonds exist in a pure polar liquid such as water, alcohols, and carboxylic acid or in a polar solution such as a mixture of water and alcohols, water and amine or alkanolamines. 

 

2. What are the effects of H-bond and molecular weight to physical properties of compounds?

 

H-bonds are used to explain the different boiling point of many compounds. For a compound, which exists H-bond, it needs larger energy to break those H-bonds. Therefore, the molecules are freely evaporated from solution into gas phase. H-bonds are effective to distinguish the boiling point difference between polar and non-polar compounds. For instance, 

 

To explain the boiling points of isomers, molecular weight is a key factor. It is also used to explain the increase of boiling points with the rise of molecular weight (most of the cases). This is related to the knowledge of van der waals force, which is also the intermolecular force, but it is weaker than H-bond. For example, the boiling point of methyl diethanolamine (MDEA) is 247⁰C lower than that of n-butyl diethanolamine (279⁰C) because the molecular weight of MDEA is smaller.  

 

H-bonds and van der waals force are intermolecular force, so in case the intermolecular force is strong, the boiling point of the substance will be relatively high. For example, MEA has boiling point ~ 170⁰C much lower than DEA (boiling point ~ 271⁰C). DEA possesses 1 -NH₂ group + 2 –OH groups, and its molecular is also bigger than MEA. As a result, DEA has higher boiling point, it means its evaporation at room temperature is also lower than MEA. This will be discussed later in MWF application.

 

3. The influences of H-bonds and molecular weight in MWF Additive Selection

3.1. CNC Machining MWF formulation

In this part, I prefer talking of Soluble Oil and fully synthetic MWF. Semi-synthetic MWF needs to discuss alone in a different topic.

3.1.1 Soluble Oil

For Soluble Oil Package, it depends on mindset of each region; formulators will use different emulsifier system to make the commercial packages. There are some players in APAC region such as: Italmatch, Additin Chemie-Luers, Clariant, BASF (already stopped production of Irgamulse 6070S/6070 in India), Kusa, Lanxess (already sold to a company in Thaidland). Those packages are made from very basic components such as: sodium petroleum sulfonate, long-chain tall oil fatty acid alkanolamide, fatty acid monoethanolamide ethoxylate, fatty alcohol ethoxylate, PIBSA,…

 

Depending on the concerned real requirements, each manufacturer will use different combination of mentioned emulsifier. For example, EM16185 from Additin Chemie-Luer employs fatty alcohol ethoxylate/sodium sulfonate/fatty acid monoethanolamide ethoxylate in their package. BASF used to make Irgamulse 6070S package based on short and medium chain sodium sulfonate, fatty acid amide ethoxylate, PIBSA. Especially, Reocool 5712 (older name Additin RC 5712 from Lanxess) claims that they use ~ 25-36% PIBSA deris. in their formulation, which is quite high content of PIBSA in the formulation I suppose, causing the higher cost in comparison to Sodium Sulfonate and fatty alcohol ethoxylate. 

I think of concentrate emulsification rate and H-bonds many times, and I realized there is a correlation between emulsification rate and H-bonds (beside hydrotropic property). To enhance emulsification rate of concentrate, choosing an additive component (emulsifier in this case), which can have stronger intermolecular interaction with water, can enhance emulsification rate. For example, fatty alcohol ethoxylate can help to assist the blooming rate of concentrate in water. The higher EO content, the concentrate should be easily emulsified. The higher EO groups in the emulsifier structure help the emulsifier interact more with many water molecules, to form H-bonds. Thus, it can assist the whole system (emulsifiers + base oil) is emulsified quickly in water. However, higher EO content can cause higher foam in the coolant during operation.

 

pH buffer is another important parameter in soluble oil. The pH value of the fluid has an effect on long-lasting corrosion protection and resistance of bacteria growth. For example, MEA is a stronger base than DEA since it is primary amine, but DEA has stronger intermolecular force than that of MEA. As a result, the formulation using MEA will provide better corrosion protection for ferrous alloys after dilution, but that performance will deteriorate later. In contrast, although DEA (secondary amine) cannot provide the great corrosion prevention after dilution, yet the pH of the fluid will be much more stable than MEA. Therefore, the formula with DEA could be better for coolant because it provides more stable buffer ability, which can also help the fluid be against microorganism growth. This example indicates that the intermolecular forces (i.e., H-bonds and van der waals forces) is completely crucial factor for selection of alkanolamine even though Cu corrosion, Cobalt leach, Al stains are other concerns of the formulators.

 

3.1.2 Fully-synthetic MWF

 

Cloud Point and Solubility of PAGs are influenced by H-bonds

 

The common products are used in fully synthetic MWF is PAGs which contains EO and PO in the molecules. Knowing that while PO groups provide lubricity, EO groups make the molecule water-soluble since they can form H-bonds with water molecules. EO groups demonstrates outstanding hydrophilic ability in an aqueous solution to form its coil shaped meander structure (Figure 2). The increases of EO groups cause the rise of molecular cloud point. Since H-bonds are stronger than van der waals force and weaker than covalent bond, H-bonds are easily broken by heat. When the solution temperature rise, H-bonds between PAGs and water starts to be gradually dissociated. When the solution changes rom transparent into translucent, we can recognize that temperature is cloud point. 

Cloud points of PAGs and EO-PO surfactants reflect the temperature change of molecular HLB. This HLB value is affected by hydrophlic and lipophilic groups in the structure. The hydrophilic groups (EO groups) formed hydrogen bonds with water molecules, and they be easily inffluenced by water-soluble salts, polyols, polyols-ethers. That inffluence is not negligible when the solubility of nonionic surfactants and PAGs are the key factors. Therefore, if the formulators can understand those effects, they can apply them for formulation development.

Figure 2: Clouding formation of polyoxyethylene surfactants.

Image Souce: Cosmetic Science and Technology, Elsevier, 2017, Pages 231-244

What happens at cloud point of PAGs? Since the temperature between cutting tool and metal parts can reach up to 1000⁰C, which is much higher than cloud points of PAGs.

Thus, PAGs turn into water-insoluble and provide lubricity at the contact point between tools and metal parts. When the fluids flow away that point, the temperature will decrease. Thus, PAGs start to be water-soluble again. We can say that formation of H-bonds between PAGs and waters are reversible during machining. That is also the reason why formulators prefer high cloud point PAGs (also expensive) to formulate their fully synthetic MWF. Although PAGs are effective to provide excellent lubricity, they also cause foam issues with high content of EO (higher cloud point). Formulators also look for other PAGs replacement to use in their formula.

 

Sulfurized Fatty Acid (S-FA) for EP Performance Improvement

 

Knowing that S-FA is oil-soluble, but it is water-soluble when neutralized by alkanolamines or basic agents. That is because when carboxylic functional group (-COOH) in the S-FA is turned into carboxylate (-COO^-), its molecules will form H-bonds with waters (hydration). The existence of Sulfurized fatty carboxylate in fully synthetic MWF provide EP to lubricate the tools and work pieces. 

One of the drawbacks of S-FA is hardwater tolerance. It is similar to fatty acid and tall oil fatty acid which are quite sentitive to Ca and Mg ions, so it needs to comine with some fatty ethoxylate carboxylic acid to avoid formation of Ca and Mg soaps which is water-insoluble.

 

3.2. CNC Machining in Closed Environment with Air Conditioning

 

This is a very special case where selection of additive components may affect the smell in working environment due to the evaporation of lubricant additive having small molecular weight. I had an experience with a formula using MEA in the formula and the end-users used the fluid in closed workshop with the air conditioning. There is nothing to say if they placed the CNC machine in opened area. However, in the closed area, MEA are easily vaporized into the air. So, the CNC operators keep complaining because of the smell in the working area.

- To be continued...

A NATURE OF MIST IN NEAT CUTTING OIL

Neat cutting oil provides outstanding lubricity to machining process than that of water-based metalworking fluids. There are some advantages to using neat cutting oil: higher lubricity, and smooth surface requirement… but it also has many side effects. One of them I would like to discuss in this topic is Mist from Neat Cutting Oil. In this topic, I would like to concentrate to explain the nature of mist, when we comprehend its generation mechanism, we can find solutions to deal with them. Before reading, I highly recommend readers should prepare a basic knowledge of chemical background since I will prefer making a discussion of a problem nature. 

NOTE: THIS TOPIC ONLY DISCUSSES THE FORMATION OF MIST BASED ON CHEMISTRY. THERE ARE OTHER PARAMETERS SUCH AS MACHINING VARIABLES (TOOL SPEED, TOOL SIZE...) AND FLUID VELOCITY WILL CONTRIBUTE TO MIST POTENTIAL IN NEAT OIL.

Written by Steven Nguyen

 

1. THREE STATES OF MATTER

 

We live in a world where we can see the change of matter state every second. One of the important things that we can observe is the state of water. There are 3 states of matter knowing is solid, liquid and gas. It is right to all of the matter existing in this globe. 

Figure 1: Three state changes of matter

 

State change is reversible, and there are 6 state changes: melting, freezing, sublimation, deposition, condensation, and vaporization. However, in the limit of the topic, we will focus on almost the reversible transformation of liquid and gas.

 

2. EVAPORATION AND CONDENSATION 

 

Normally, if the matter is in a liquid state, evaporation always happens even at room temperature. This is reflected through the vapor pressure. The higher the vapor pressure of a substance, the faster the evaporation rate. The higher the vapor pressure of a liquid at a given temperature, the lower the normal boiling point (i.e., the boiling point at atmospheric pressure) of the liquid. Looking at the equation between the state change of H₂O between liquid and gas, water is evaporating at room temperature to become vapor, when the vapor faces cold weather, they start to become a small drop of liquid that disperses in the air. We call them smog, frog, or mist. That water droplet particle size is very small, and its particle size determines its stability in the air. It means, how long the air looks transparent again or they will become a bigger droplet falling into the soil. 

When we work with base oil which is a mixture of medium and long-chain hydrocarbons, we should know its boiling point is a range of many substances, which will be different from each batch number for the same manufacturer and the same viscosity grade but different manufacturers (GS-Caltex, Formosa, Huyndai Shell). Figure 2 shows that the initial boiling point (IBP) of 150N is ~ 365⁰C and the ending boiling point is ~ 490⁰C. Unlike water, the base oil evaporation is quite low at room temperature, but the rate will be speeded up during machining, especially in cutting process.   

Figure 2: COA of 150N Group II HSB

3. EVAPORATION, BOILING, AND CONDENSATION HAPPEN IN CUTTING OIL DURING METAL MACHINING PROCESS

Evaporation happens when a liquid transforms into a gas at a temperature below the boiling point. The boiling point of a liquid is the temperature where the liquid-vapor pressure is equal to the pressure surrounding the liquid and it starts to become a vapor. Evaporation occurs at any temperature, but boiling point just happens at a specific temperature and pressure. 

Figure 3: Heat conversion between cutting tool, chips, and the metal surface (Source: ITALMATCH CHEMICALS)

At the contact point between the cutting tool and metal surface, the temperature can reach more than 1000⁰C, and other areas are also quite high, above 400⁰C which is much higher than the IBP of 150N of HSB in Figure 2. Therefore, there will be 3 processes happening during machining using neat cutting oil: evaporation, boiling, and condensation of base oil, lubricant additives, and by-products which form during additive and base oil degradation and oxidation. Those 3 processes are very complex since there are many substances at the same time that turns into vapors and some of them will be condensed into very small liquid droplet dispersing in the air which is called mist in metalworking fluid..

Figure 4: State change of base oil during metal machining process

4. NATURE OF MIST IN NEAT CUTTING OIL

Mist in metalworking fluid can be referred to as aerosols which are liquid or solid droplets well dispersed in the air. However, the dispersing air environment of mist should contain some volatile organic compounds (VOC) which exist in the formula of the cutting oil, not just the normal air alone. There are common 3 mechanisms of mist generation:

- When the neat oil is sprayed into the metal surface and tool, there will be some of the fluid hit the surface and bounce off as droplets if the spray force is large enough.

- When the fluid is applied when the tool rotates, the centrifugal force will also contribute to the mist formation. 

- Evaporation, boiling, and condensation process are explained above.

5. STOKES' LAW AND KINETIC STABILITY OF MIST

Figure 5: Settling velocity of mist using Stokes' law (Source: Wikipedia)

Stokes's law can be applied to any colloidal system, including mist. The equation shown in Figure 5 provides a fundamental explanation for the kinetic stability of mist. Dynamic viscosity, gravitational force, and air density are fixed. There are 2 parameters that can affect the mist stability: the density of liquid particle and their particle size. We can discuss those 2 parameters in further sections below.

6. CORRELATION BETWEEN BOILING POINT, VOLATILITY, AND MOLECULAR WEIGHT OF BASE OIL - LUBRICANT ADDITIVE

6.1. BASE OIL - HYDROCARBON LIQUID

For polar substances, the boiling point will be affected by hydrogen bond and molecular weight, but for non-polar compounds, it depends almost only on molecular weight (shown in Figure 6). Base oils are a mixture of hydrocarbon solvents having a range of boiling point, the distribution of molecular weights will have an influence on the flash point, Noack volatility, boiling points of a specific base oil of a specific manufacturer, and batch number.

Figure 6: The molecular weight vs boiling point

Since many manufacturers of base oil do not show the boiling point of their products in COA, yet the flash point is one of the common parameters that we can find in COA. We can use flash point to predict the initial boiling point and evaporation rate of that base oil when boiling point and Noack volatility are unknown. Theoretically, we can say: the higher the flash point, the higher IBP and lower Noack value (it should be not 100% accurate, but at least we have some information to evaluate). Because the flash point of base oil reflects its volatility and boiling point, we can make a conclusion as below:

- The volatility of Group I > Group II > Group III and the IBP of Group I < Group II < Group III for the same viscosity grade.

- The same base oil classification (i.e., group II): the volatility of 60N > 70N > 150N > 500N, but the IBP of 60N < 70N < 150N < 500N

Figure 7: Size distribution of mist using different base oil with similar viscosity.

We have mentioned there are 3 mechanisms generating mist in MWF, especially neat cutting oil. The volatility of the fluid has an effect on mist when evaporation and condensation are the dominating mechanisms. Figure 7 demonstrates that naphthenic base oil may not suitable if your oil produces mist.  Thus, please kindly look back at the used base oil to see if that is really suitable for the application or not. For cutting, 60N-70N-150N Group I or II is also ok to use. Mixing those base oils is highly recommended as a solution for your oil to reduce mist potential.

6.2. LUBRICANT ADDITIVE

The boiling point of your lubricant additive also has a big influence on the form of mist. Selection of low boiling point of EP additive is one of an issue of mist. For example, Sulfurized Isobutene (i.e., Elco 217 from Italmatch or T321 from China) and longer carbon chain (e.g., Dailube GS-440L from DIC, TPS-32 from Arkema, RC-2540 from Lanxess) can affect on lubricity and evaporation of finished cutting oil. Longer carbon chains of Sulfurized Olefins boost lubricity resulting in lower friction and lower temperature of machining fluids. In addition, because of its high boiling temperature, it also reduces the possibility of additive evaporation. 

If the cutting process is not heavy-duty and the metal is not hard, we can consider switching to another EP/AW with a higher boiling point and better lubricity. There are many esters that we can consider using instead of S-EP. 

7. HOW TO PREVENT AND CONTROL MIST FROM A CHEMISTRY POINT OF VIEW

7.1. POLYMERS - ANTIMISTING ADDITIVE

There are many lubricant additives on the market that can help to reduce mist potential. The common chemical structure is polyisobutene (PIB). Just a little dosage of high MW PIB can reduce mist potential. You can contact Functional products, Lubrizol, and other PIB manufacturers (i.e., BASF, Braskem, Daelim, INOVYN) for further information.

7.2. CHOOSING THE RIGHT LUBRICANT ADDITIVE 

As discussed above, the mist can stem from lubricant additive if you choose the wrong chemical structure of EP/AW additive. Lubricant additives help enhance lubricity, reduce machining temperature, and also reduce evaporation with higher molecular weight. Some applications do not need to select Sulfurized Olefins, you can go with esters or Ca sulfonate for your finished fluids. 

--- End ---

MỘT SỐ BÀN LUẬN VỀ DẦU CẮT GỌT KIM LOẠI PHA NƯỚC - FULL VERSION (30/10/2022)

Lời nói đầu: Trong mục này mình sử dụng rất nhiều thuật ngữ chuyên ngành cho mảng dầu cắt gọt, một số thuật ngữ nếu dịch sang tiếng Việt thì mình cũng không biết dịch thế nào nên mong mọi người thông cảm. Thêm vảo đó, trong bài viết này sử dụng một số từ ngữ chuyên về Hoá, nhìn nhận một sản phẩm như là một đối tượng nghiên cứu của Hoá Keo, do đó người đọc nên có một số kiến thức nền về Hoá Keo để có thể nắm được nội dung của bài viết. Bài viết cũng thích hợp cho các bạn sinh viên học ngành hoá - có đam mê về hoá công nghiệp và ứng dụng của Hoá keo.

Bài viết có tham khảo một số hình ảnh từ quyển "Dầu cắt gọt kim loại" của Jerry P. Byers tái bản lần thứ ba và hình ảnh trích từ bài báo của Professor De-Hao Tsai https://bit.ly/3H9kPCp

Writer: Steven Nguyen

Figure 1: Hình ảnh mô phỏng sự khác nhau về kích thước hạt của 03 loại dầu cắt gọt pha nước

Sự phân biêt dầu neat oil và water-based MWF thì rất dễ dàng hầu như ai cũng đều có thể phân biệt. Tuy nhiên, khi đi sâu phân tích về dầu cắt gọt pha nước, sẽ có một số khái niệm thường bị nhầm lẫn ở đa số đơn vị pha chế dầu nhờn. Cụ thể là gì? Trong nội dung bài viết này tác giả sẽ đề cập để mọi người có thêm một ý niệm về sự nhầm lẫn này và cùng nhau thảo luận nhé.

 

1. PHÂN LOẠI DẦU CẮT GỌT THEO CÁCH CHÚNG TA ĐANG ĐƯỢC TRAINING

 

Thông thường, có 03 loại dầu cắt gọt là soluble oil, semi-syn và fully-syn và có một vài cách để phân biệt như sau:

 

- Phân loại dựa vào kích thước hạt nhũ (phản ánh bởi khả năng cho ánh sang truyền qua): dầu soluble oil sẽ có màu trắng sữa, dầu semi-syn có màu từ trong mờ đến trong suốt và dầu fully-syn thì 100% trong suốt như nước (Xem Figure 1)

 

- Phân loại vào hàm lượng “dầu gốc khoáng”: soluble oil chứa từ 70-85% dầu gốc khoáng, semi-syn chứa khoảng 15-30% hoặc 30-50% dầu gốc khoáng, và dầu gốc fully-syn chứa 0% dầu gốc khoáng.

Figure 2: Dầu cắt gọt semi-syn (hàm lượng dầu thấp) 

2. DẦU CẮT GỌT FULLY SYNTHETIC PHA NƯỚC CÓ THẬT SỰ TRONG SUỐT?

 

Nếu phân biệt dầu fully-syn không chứa dầu gốc khoáng, thì nghĩa là dầu cắt gọt tổng hợp có thể chứa dầu gốc tổng hợp (PAO, tri-esters hoặc mono- và di-esters). Nói đến đây sẽ có vấn đề để bàn luận rồi đây. Việc sử dụng PAO hoặc esters vào trong công thức dầu cắt gọt tổng hợp có thể hoàn toàn nhũ hoá các loại dầu này trở thành dạng vi nhũ hay không? Hay khi hoà tan chúng vào nước vẫn sẽ tạo ra hệ nhũ tương trắng sữa?

 

Trước khi đi sâu vào bàn luận vấn đề này, đề nghị mọi người lục lại tất tần tật các tài liệu training của hãng (AFTON cũ, LUBRIZOL, ITALMATCH) hay các sách khác có liên quan. Đọc lại thật kỹ cách mà hãng hay sách giới thiệu về 03 loại dầu cắt gọt pha nước nhé.

 

Theo chương 7 “The chemistry of Metal working fluid” được viết bởi Neil M. Canter trong quyển “Dầu cắt gọt kim loại” của Jerry P. Byers tái bản lần thứ ba, dầu cắt gọt tổng hợp pha nước được chia nhỏ thành 02 loại như sau:

 

- Solution synthetic fluid

- Emulsified synthetic fluid 

 

2.1. Solution synthetic fluid

 

Solution synthetic fluid có tác dụng làm mát và chống gỉ, thường dùng chính cho quá trình mài. Chúng tan 100% trong nước để tạo thành một dung dịch đồng nhất và không tồn tại bề mặt phân cách giữa chất tan (solution synthetic fluid) và dung môi (nước). Nghĩa là khi hoà tan vào nước chúng tạo thành “một dung dịch thật”, do bản chất bên trong chúng không chứa mineral oil.

Figure 3: Solution synthetic fluid concentrate (bên phải) và dung dịch đã pha loãng với nước (trái)

 

Một ví dụ điển hình cho dầu cắt gọt tổng hợp này gồm: Nước + NaNO₂công thức cơ bản nhất của dầu cắt gọt tổng hợp, thích hợp để mài các vật liệu làm bằng Fe và hợp kim của chúng.

 

Figure 4: Công thức cơ bản của Solution synthetic fluid khuyến cáo bởi BASF

 

2.2. Emulsified synthetic fluid 

 

Emulsified synthetic fluid được pha chế từ hỗn hợp chất nhũ hoá, chống gỉ, cực áp chứa S kết hợp với dầu gốc tổng hợp như PAO hoặc esters để tạo thành concentrate. Sau khi hoà tan vào nước, chúng sẽ tạo thành hệ nhũ có kích thước macro tương tự như Soluble Oil (hay gọi là dầu sữa). Thông thường PAO sẽ rất ít được dùng, và thực tế là đa số formulators sẽ thích sử dụng esters hơn để tăng cường bôi trơn cho hệ ở điều kiện cực áp theo mô hình boundary lubrication. 

 

Sản phẩm này thích hợp cho quá trình cắt gọt hơn so với Solution synthetic fluid do bên trong được tăng cường bôi trơn bằng các loại esters, chứa nhóm chức phân cực dễ dàng hấp thụ lên bề mặt kim loại và cung cấp lớp film bảo vệ tại điều kiện cực áp. 

 

3. CÁC THÔNG SỐ CỦA DẦU CẮT GỌT PHA NƯỚC - DẦU SỮA

 

3.1. Các thông số cơ bản

 

- pH tan trong nước. Thường các gói phụ gia cắt gọt sẽ thiết kế pH > 9.0 cho sắt thép inox, và pH > 8.5 cho nhôm và hợp kim nhôm.

 

- Hệ số hiệu chỉnh của khúc xạ kế. Thông thường đối với dầu sữa, chỉ số này thường ~ 1.0, với dầu bán tổng hợp và tổng hợp thì giá trị này sẽ > 1.0, thường là từ 1.3 đến 3.0 tuỳ thuộc vào từng blenders và formulators.

 

- Khả năng nhũ hoá. Các dầu sữa yêu cầu khả năng tạo nhũ 100% trong nước máy mà không bị tách dầu. 

 

- Tỉ lệ pha tối thiểu: thông thường dầu sữa được khuyến cáo với tỉ lệ pha 5%, dầu bán tổng hợp và tổng hợp từ 7-15%. Ngoài ra, còn có một số loại dầu đặc biệt có thể được khuyến cáo dùng với tỉ lệ pha thấp hơn nữa, và sẽ được bàn trong mục 3.2 tiếp theo.

 

- Độ bền nhũ theo IP263, yêu cầu dầu sau khi pha trong nước cứng 200ppm không tách dầu và cream vẫn nằm trong giới hạn cho phép.

 

3.2. Các thông số chuyên sâu

 

- Break Point (BP) được hiểu là tỉ lệ pha dầu với nước thấp nhất mà vẫn bảo vệ được kim loại không bị ăn mòn. Tiêu chuẩn này chỉ áp dụng cho Fe và hợp kim. Thông thường các gói dầu cắt gọt (ví dụ Polartech 7600 của Italmatch) được thiết kế để đạt BP = 5%, để giảm giá trị của BP xuống còn 2-2.5%, các formulators cần phải tăng cường thêm các chất chống gỉ cho sản phẩm để đạt được mục đích này. Thông thường BP đạt 2.5% thường gặp ở các khách hàng chuyên cung cấp dầu sữa cho nhà máy thép cho các quá trình: cán ống, cán tấm.

- Ăn mòn tấm nhôm (5052, 6061...) là kết quả được đo từ việc ngâm tấm Al hợp kim vào trong dung dịch dầu cắt gọt pha nước để đánh giá khả năng ăn mòn bằng độ xuống màu của tấm nhôm. Thông thường, các gói như Polartech 7600 thích hợp dùng cho gia công nhôm hợp kim, trừ các loại nhôm 4000 series.

 

- Zeta potential (thế Zeta hay ZP). Thông thường hệ đa phân tán như nhũ và huyền phù đều tồn tại lớp điện tích kép bao quanh hệ keo. Lớp điện tích kép này tồn tại giúp hệ keo ổn định trong môi trường theo thời gian (phần này nếu ai muốn tìm hiểu chuyên sâu hơn thì tìm hiểu thêm về Hoá Keo, trong khuôn khổ bài viết tác giả không thể giải thích quá chi tiết về Hoá Keo được). ZP là thế tồn tại trong lớp điện tích kép này, và thường được đo thông qua thiết bị Zeta Potential Analyzer. Nếu một hệ keo có giá trị thế Zeta > + 30 mV hoặc < - 30 mV thì được xem là một hệ keo bền. 

Figure 5: Hình ảnh biểu thị sự ảnh hưởng của ZP vào pH của hệ keo bạc.

 

- Độ ổn định của pH theo thời gian. Dầu cắt gọt sau khi pha nước sẽ tạo thành hệ nhũ dầu phân tán trong nước. Các hoạt chất tan trong nước sẽ bắt đầu khuyếch tán từ dầu ra nước và bắt đầu quá trình hydrate hoá (nghĩa là quá trình điện ly sẽ xảy ra). Thông thường quá trình điện ly sẽ tạo ra OH-, chính OH- này giúp pH của hệ dầu cắt gọt luôn > 8.5. Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào mỗi công thức, mỗi formulator mà mỗi loại dầu có một độ kiềm tổng khác nhau. Như thể hiện ở Figure 6, cả 02 loại dầu cắt gọt đều được thiết kế với pH 9.0, tuy nhiên Fluid 2 có độ kiềm tổng cao hơn so với Fluid 1 thể hiện bằng việc giá trị số mL acid cho vào nhiều hơn để đưa pH của hai hệ về cùng một giá trị pH ~ 4.5. Thông thường giá trị này rất ít đơn vị cung cấp và cũng rất ít được quan tâm bởi các đơn vị pha chế dầu cắt gọt. Do đây là một thông số "ẩn" của một loại dầu cắt gọt và phải được đánh giá thông qua quá trình chuẩn độ acid-base, nên thường rất dễ bị bỏ qua. Tóm lại: thông số độ kiềm tổng của dầu cắt gọt càng cao thì khả năng bảo vệ kim loại (chống gỉ) bởi các tác nhân ăn mòn sẽ tốt hơn trong thời gian dài.

Figure 6: Đồ thị biểu hiện độ kiềm tổng của hai loại dầu cắt gọt khác nhau (chuẩn độ acid-base)

4. POLYALKYLENE GLYCOLS (PAGs) VÀ KHẢ NĂNG BÔI TRƠN CỦA HỆ DẦU CẮT GỌT

PAGs là một loại dầu gốc hữu cơ cấu trúc từ những nhóm EO và PO. Tuỳ thuộc vào độ phân bố % của EO và PO trong cấu trúc, PAGs sẽ tan trong nước hay tan trong dầu. Nhiều EO hơn, nghĩa là sản phẩm PAGs tan nhiều trong nước, tạo được nhiều liên kết hydro với nước hơn, nhưng bôi trơn kém. Nhiều PO hơn thì PAGs dễ tan trong dầu, cloud point thấp, không tạo được liên kết hydro với nước (tham khảo: https://bit.ly/3FuVUeS)

Tuỳ thuộc vào cấu trúc của PAGs (tỉ lệ EO và PO, phân tử lượng) mà tính chất vật lý của PAGs sẽ thay đổi. Do đó, formulator có thể xem xét lựa chọn thông qua các giá trị được nhà cung cấp công bố như: phân tử lượng, tỉ lệ EO/PO, cấu trúc PAGs, clound point, foaming, viscosity... Không có một tiêu chuẩn nào cho dầu cắt gọt tổng hợp, quan trọng là việc lựa chọn PAGs phải đáp ứng được một số tiêu chí như:

- Giá thành sản phẩm doanh nghiệp muốn 

- Cloud point của thành phẩm là bao nhiêu

- Độ tạo bọt

- Khả năng tróc sơn

- Độ bôi trơn cao hay thấp thích hợp cho cắt gọt hay mài. 

PAGs vs Sulfurized Fatty Acid EP và Phosphate Ester

Trước khi thiết kế một công thức dầu cắt gọt, formulators thường sẽ hoạch định ra những giới hạn và mục tiêu của sản phẩm thiết kế, từ đó sẽ lựa chọn những phụ gia phù hợp để đưa vào công thức của mình. Có rất nhiều phụ gia bôi trơn cho dầu tổng hợp như: Self-emulsifier polymeric ester, PAGs, mono- and di-esters (ví dụ TMPTO, FAMEs), Phosphate ester (ví dụ Polartech PE 3080), Sulfurized fatty acid (DAILUBE GS 520),... mỗi phụ gia đều có ưu và nhược điểm khác nhau. Do đó, sẽ rất khó lựa chọn hoặc sẽ không thể thành lập được công thức nếu như những mục tiêu sản phẩm và giới hạn của sản phẩm chưa được thiết lập.

Đối với PAGs, khả năng bôi trơn ít bị phụ thuộc vào nước cứng. PAGs giúp dễ dàng tạo được một dung dịch trong suốt hoặc trong mờ ở điều kiện nước cứng tương đối. Cơ chế bôi trơn của PAGs thể hiện ngay tại vị trí điểm tiếp xúc giữa dao và chi tiết, quá trình hoá lý diễn ra liên tục theo dòng nước làm mát phun vào quá trình gia công. Khi bề mặt dao tiếp xúc với bề mặt chi tiết, PAGs sẽ chuyển trạng thái từ water-soluble thành water-insoluble, và hỗ trợ bôi trơn cho bề mặt dao dao và chi tiết. Sự chuyển trạng thái này là do các liên kết hydro liên phân tử của các nhóm EO với -OH của nước là một liên kết yếu, khi được cung cấp năng lượng (nhiệt) sẽ dễ dàng bị cắt đứt. Khi liên kết hydro bị cắt đứt, PAGs trở nên khó tan trong nước. Một trong những điểm yếu của PAGs là sản phẩm sản xuất từ PAGs dễ dàng ăn mòn lớp sơn trên máy CNC, ngoài ra việc sử dụng PAGs với hàm lượng EO cao cũng gây vấn đề bọt cho các ứng dụng có áp lực phun lớn.

Sulfurized fatty acid (SFA) là những acid béo không no (chứa nối đôi) được phản ứng với các hợp chất chứa S, từ đó đưa polysulfide vào trong cấu trúc (Figure 7). Việc đưa S vào cấu trúc acid béo giúp dễ dàng tạo được hệ cực áp chứa S tan trong nước mà không cần phải sử dụng hệ Sulfurized Olefin như Dailube GS-440L, Dailube IS-30 hay Dailube IS-35 from DIC Japan (những chất cần phải tăng cường chất nhũ hoá để nhũ vào trong dầu cắt gọt tổng hợp). Do bản chất SFA là một acid hữu cơ, dễ dàng chuyển sang dạng muối carboxylate sau khi được trung hoà bởi kiềm (NaOH, KOH) hoặc alkanolamine (MEA, DEA, TEA), và hoạt động như một chất hoạt động bề mặt anion. Do khả năng tan trong nước, nên Sulfurized Fatty Carboxylate (dạng muối) dễ dàng chen vào bề mặt dao và chi tiết hơn so với hệ nhũ dầu trong nước, từ đó dễ dàng phản ứng trên bề mặt dao và chi tiết để cung cấp lớp film bôi trơn cho hai bề mặt này. Do bản chất là một CHĐBM anion, nên phụ gia này cũng thể hiện điểm yếu của CHĐBM anion đó là khả năng chịu nước cứng. Nếu nước quá cứng được sử dụng, phụ gia này dễ dàng tạo muối không tan với ion của Ca và Mg làm mất đi hoạt tính bôi trơn của sản phẩm trong lúc gia công.

Figure 7: Cấu trúc của Sulfurized fatty acid (trích từ: https://doi.org/10.1016/S0043-1648(00)00445-2)

Thường các hoạt chất của Phospho là một hoạt chất đa tính năng như: chống gỉ, bôi trơn, hydrotrope do dầu cắt gọt neat oil hoặc water-based MWF. Một số sản phẩm đặc biệt của BASF như Irgalube 349 còn được dùng như một chất tăng cường FZG hiệu quả trên toàn thế giới cho các ứng dụng công nghiệp như: thuỷ lực, gear oil,... Quay trở lại với các ứng dụng cho dầu cắt gọt pha nước, việc sử dụng Phosphate Esters giúp tăng cường hoạt tính bôi trơn và chống gỉ cho hợp kim của Fe, Al, Zn và Mg, nhưng do Phospho là một thành phần rất cần thiết cho sự sống để tổng hợp lên thành tế bào là lớp kép phospholipid. Vì vậy, những sản phẩm sử dụng Phospho thường có khả năng kháng vi sinh vật khá kém, dễ dàng tạo mùi và gây gỉ nếu như người dùng không để ý đến việc chăm sóc dầu.

Tóm lại: dầu cắt gọt là một hệ phức hợp bao gồm chất nhũ hoá, chất chống gỉ, chất bôi trơn,... mỗi một phụ gia khi đưa vào sử dụng thì formulators cần phải hiểu được ưu và nhược điểm của từng chất để thiết kế một công thức phù hợp với yêu cầu về kinh tế lẫn kỹ thuật, đáp ứng nhu cầu của khách hàng. 

SƠ LƯỢC VỀ DẦU UTTO - DẦU CHO MÁY CÔNG NÔNG. PHỤ GIA HiTEC 8703 - AFTON CHEMICAL

1. DẦU UTTO LÀ GÌ?

Dầu UTTO tiếng Anh gọi là Universal Tractor Transmission Oil là dầu bôi trơn được sử dụng trong quá trình truyền động, trục xe, thắng, bộ ly hợp ướt và thuỷ lực, khác với dầu STOU (Super Tractor Oil Universial) dầu UTTO không dùng được cho động cơ của máy.

2. TẠI SAO HỆ SỐ MA SÁT LẠI QUAN TRỌNG VỚI DẦU UTTO?

Dầu UTTO có độ nhớt phổ biến là SAE 30 hoặc 10W-30. Dầu UTTO cần hệ số ma sát đủ lớn để các chi tiết như bộ phận thắng ngập trong dầu hay khớp ly hợp hoạt động được, không giống như dầu động cơ luôn yêu cầu ma sát thấp để tăng hiệu suất sử dụng của động cơ và tiết kiệm nhiên liệu (thường bằng cách tăng cường các loại phụ gia Friction Modifier (FM) như HiTEC 4716 của AFTON CHEMICAL hoặc Sakura Lube 525 của ADEKA). Ví dụ bộ phận thắng của xe máy kéo được để ngập trong dầu một phần là vì dầu được sử dụng để giải nhiệt cho đĩa thắng, mặt khác dầu với hệ số ma sát đủ lớn giúp tránh được sự trơn trượt của đĩa thắng và làm giảm tiếng ồn của xe. Nói đi cũng nói lại vấn đề, xưa giờ ai cũng nghĩ là phụ gia Friction Modifier bắt buộc phải làm giảm hệ số  ma sát, nhưng chuyên gia của AFTON CHEMICAL xác nhận vẫn có một số loại phụ gia FM làm tăng hệ số ma sát.

Hệ số ma sát của dầu UTTO rất quan trọng, do đó các đơn vị sản xuất phụ gia chú trọng đến "Friction Durability" - độ ổn định của hệ số ma sát bên cạnh các thông số như: khả năng làm sạch, bảo vệ bơm... Độ ổn định của hệ số ma sát càng cao, dầu đó rất thích hợp dùng cho truyền động. Do đó, có thể đưa ra nhận định rằng "Dầu động cơ cần bôi trơn - hệ số ma sát thấp, dầu truyền động cần ma sát cao hơn và ổn định"

Figure 1: Sự ổn định hệ số ma sát theo thời gian

Dòng sản phẩm HiTEC 8703 của AFTON mang đến dự ổn định hệ số ma sát tuyệt vời so với dòng sản phẩm của đối thủ trên thị trường. Việc ổn định hệ số ma sát giúp giảm sự mài mòn các chi tiết lên đến 60% (theo thông tin của AFTON). Ngoài ra, chỉ với 7.8% trong dầu gốc 150N + 600N kết hợp với VM hệ PMA )HiTEC 5708) để sản xuất ra dầu UTTO SAE 10W-30, KV@100 = 9.5, KV@100 sau khi trượt cắt 20 giờ ~ 7.41, thành phảm tạo ra có thể đạt điểm hàn dính lên đến 220 Kg, cao hơn 30 Kg so với dòng sản phẩm cạnh tranh của đối thủ. Điểm hàn dính lớn giúp bảo vệ chi tiết tại điều kiện vận hành nặng, hạn chế khả năng nóng chảy của kim loại gây hư hỏng thiết bị bên trong khi xe đang vận hành.

Figure 2: Khả năng chống mài mòn đối với hợp kim của đồng

Như chúng ta đã biết, các hợp kim của đồng thường được sử dụng để sản xuất bơm piston và bộ phận đồng bộ hoá trong hệ thống bánh răng. Nếu sản phẩm ăn mòn đồng, thì dễ dẫn đến hư hỏng các chi tiết trong máy theo thời gian. Tuy nhiên, HiTEC 8703 được thiết kế với hệ số ma sát cao cho đồng thau những vẫn chống mài mòn khá tốt so với sản phẩm của đối thủ cạnh tranh.

Figure 3: Cấu trúc hệ thống bánh răng chứa các vòng đồng bộ hoá (thường được làm bằng hợp kim Cu)

Figure 4: Sự ăn mòn hợp kim Cu trong hệ thống truyền động

Figure 4 cho thấy, nếu sử dụng một dòng dầu không phù hợp, khả năng gây thiệt hại lâu dài cho các hệ thống truyền động bên trong xe là rất lớn, do đó, đối với các dòng sản phẩm cho dầu truyền động, khả năng ăn mòn tấm Cu theo ASTM D-130 cũng là một thông số mà đơn vị sản xuất nhớt cần phải xem xét.

3. DÙNG DẦU THUỶ LỰC CHO XE MÁY KÉO HOẶC HỆ THỐNG SỬ DỤNG DẦU UTTO CÓ ĐƯỢC KHÔNG?

Ở đây cần xem xét một chút xíu về vấn đè kỹ thuật của hai loại dầu này một tý. Dầu thuỷ lực sử dụng độ nhớt ISO, còn dầu UTTO sử dụng độ nhớt SAE thông thường là 10W-30 ( KV@100 = 9.3 đến 12.5 cSt). Riêng dầu thuỷ lực ví dụ ISO 68 có KV~100 thường tầm 8.8 cSt, do đó, nếu sử dụng dầu thuỷ lực cho hệ thông thuỷ lực của máy kéo thì nên chọn dầu thuỷ lực ISO 100 (khi đó KV@100 khả năng sẽ lớn hơn 9.3 cSt, yêu cầu tối thiểu cho SAE 10W-30).

4. THỜI GIAN SỬ DỤNG DẦU UTTO DÙNG HITEC 8703 LÀ BAO LÂU?

Những dòng động cơ cho xe on-road thì tính thời gian thay dầu bằng Km, nhưng những dòng xe off-road thường tính bằng thời gian sử dụng. Khuyến cáo của AFTON, dầu sản xuất từ HiTEC 8703 nên được thay trong khoảng 500-1000 giờ vận hành để giúp bảo vệ hệ thống truyền động tốt nhất.

Nếu khách hàng cần thêm thông tin về HiTEC 8703 cũng như tư vấn về dầu UTTO, xin quý khách vui lòng liên hệ Steven - 0911868783 (Zalo hoặc gọi trực tiếp nhé). 

Writer: Steven Nguyen