Tác giả: Mary Beckman - đăng trên tạp chí Tribology & Lubrication Technology 09/2020 (Origin Name: The Additive Equation)
Người dịch: Steven Nguyễn
I. KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN NẮM
1. Dầu thực vật là triglyceride (ester ba chức) của glycerol và các acid béo. Acid béo là acid no hoặc không no mạch thẳng chứa 1 nhóm chức –COOH trong công thức. Hầu hết các loại dầu thực vật đều có một độ không no nhất định, việc này được kiểm soát thông qua chỉ số Iot của dầu thực vật.
2. Phản ứng polymer hoá là phản ứng được thực hiện giữa các hợp chất không no với nhau. Do dầu thực vật chứa nhiều nối đôi trong cấu trúc, do đó chúng có thể thực hiện phản ứng trùng hợp lien phân tử với nhau để tạo thành một đại phân tử lớn hơn (polymer).
3. Hệ quả của việc tăng trọng lượng phân tử trong quá trình polymer hoá là việc tăng độ nhớt của của hệ.
4. Dầu thực vật được sử dụng sinh khối để tạo ra, do đó chúng dễ dàng bị phân huỷ bởi các vi sinh vật.
5. Do dầu thực vật là một triester, do đó chúng vẫn có khả năng bị nước thuỷ phân.
6. Các hợp chất như ZDDP, Carbamate là những chất có đa tính năng: chống oxy hoá, chống gỉ, chống mài mòn.
7. Quá trình oxy hoá dầu nhờn xảy ra theo cơ chế gốc tự do.
8. Phương pháp 4-bi là phương pháp phổ biến để kiểm tra: mài mòn, hệ số ma sát, welding-load, LNSL của dầu nhờn.
II. NỘI DUNG
Cấu trúc hoá học đặc biệt của dầu gốc sinh học (Biobased oil stocks) cung cấp những tính năng hoá lý vượt trội so với dầu gốc khoáng.
Quan điểm chính:
- Độ phân cực cao của dầu thực vật nâng cao khả năng bôi trơn bề mặt thông qua việc giảm hệ số ma sát.
- Cấu trúc hoá học của phụ gia ảnh hưởng đến khả năng tương tác của chúng trong nền dầu gốc phân cực và không phân cực.
- Quá trình xử lý nhiệt dầu thực vật làm tăng trọng lượng phân tử của chúng ètăng độ nhớt.
Khái niệm “renewable” trong ngành công nghiệp bôi trơn buộc các nhà nghiên cứu và các kỹ sư phải tìm ra nguồn tài nguyên mới dùng để thay thế dầu gốc từ các nguồn nguyên liệu hoá thạch dùng cho dầu nhớt và mỡ bò (ở đây nghĩa là nguồn tài nguyên phải có thể tái tạo được, việc sử dụng nguồn nguyên liệu hoá thạch là những tài nguyên không thể tài tạo được). Nhưng việc yêu cầu một loại dầu gốc có thể phục vụ cho động cơ máy móc trong ứng dụng giao thông hay nông nghiệp vừa có tính chất phân huỷ sinh học vừa kéo dài thời gian hoạt động của động cơ là một vấn đề khó.
Một phần của vấn đề chính là hiểu được các đặc tính của nguồn dầu gốc sinh học này. Các kỹ sư về sự bôi trơn đã làm việc trên nền các sản phẫm hoá dầu trong hơn một thế kỷ, còn dầu gốc sinh học thì vẫn chưa gây được sự chú ý nhiều trong cộng đồng khoa học hiện đại.
Một phần khác của vấn đề chính là phụ gia. Việc phối trộn và pha chế dầu nhờn cũng như mỡ bò yêu cầu sự hiểu biết về bản chất hoá học cũng như chất lượng của chúng để có thể nắm bắt được sự tương tác giữa chúng trong quá trình phối trộn. “Đây là thứ mà mọi người nên chú ý đến. Sự tươn tác giữa phụ gia với nhau và sự tương tác giữa các lien kết bên trong phụ gia với nền đâu gốc,” Ted McClure thành viên của STLE, technical resources manager, for Sea-Land Chemical Company and SLC Testing Services in Westlake, Ohio.
Trong vòng 15 năm, nhiều nhà hoá học đã tiến hành phân tích, thí nghiệm và đặc điểm hoá tính chất của dầu gốc sinh học, đặc biệt là dẫn xuất của dầu đậu nành. Một trong những vấn đề khó nhất để vượt qua chính là xử lý khả năng kém bền nhiệt minh chứng bởi việc dầu dễ dàng bị oxy hoá và trở nên đặc hơn, với việc dễ bị ôi thiêu của dầu. Dù vậy, các nhà khoa học cũng đã tìm ra cách để biến tính dầu thực vật để chúng có thể tương tác dễ dàng với phụ gia và tăng khả năng bền oxy hoá hơn.
POLAR EXPRESS
Bởi vì cấu trúc phân cực vốn có của chúng, dầu gốc sinh học mang cả hai nhóm esters phân cực và dây hydrocarbon không phân cực, giúp chúng có những đặc điểm rất đặc biệt. Ví dụ: dầu đậu nành là một cấu trúc phân cực nhưng dầu gốc khoáng thì không..
Phụ gia dầu nhờn có rất nhiều loại với nhiều cấu trúc hoá học khác nhau, do đó sự tương giữa chúng trong nền dầu gốc phân cục và không phân cực sẽ rất khác nhau. Để tìm hiểu về sự tương tác, STLW-member Girma Biresaw, nhà hoá học, cho the U.S. Department of Agriculture (USDA) in Perio, III, S. J. Asadauskas và McClure đã tiến hành kiểm tra trên hai nền dầu gốc và hai nền phụ gia thấy được sự ảnh hưởng của cấu trúc hoá học ảnh hưởng lên khả năng bôi trơn của dầu ở điều kiện cực áp. Họ trộn dầu gốc không phân cực 150N và dầu đậu nành với polysulfide hoặc polyester dẫn xuất sinh học. sau đó thực hiện kiểm tra 4-bi. Kết quả cho thấy rằng, dầu đậu nành có hệ số ma sát thấp hơn nhiều so với dầu khoáng 150N. Điều này có thể giải thích thông qua cấu trúc phân cực của dầu đậu nành, những nhóm chức ester phân cực hấp thụ lên bề mặt kim loại và làm giảm hệ số ma sát so với 150N (Trong hoá học, ái lực của những nhóm chất phân cực lên bề mặt kim loại > nhiều so với các nhóm chức không phân cực, do đó khả năng tương tác giữa các nhóm phân cực lên trên bề mặt kim loại sẽ lớn hơn).
Việc cho thêm 5% polyester vào dầu 150N làm giảm ma sát, nhưng điều tương tự không được quan sát với dầu đậu nành. Điều này có thể giải thích bằng cách xem xét cấu trúc của dầu đậu nành, bản chất chúng đã là esters, do đó việc bổ sung thêm polyessters vào hệ không giúp giảm được hệ số ma sát. Điều này chứng tỏ việc cho thêm esters vào dầu khoáng 150N không phân cực giúp tang khả năng bôi trơn của chúng.
Khi cho them 5% polysulfide vào dầu gốc, khả năng bôi trơn của cả hai loain dầu gốc khảo sát đều được cải thiện thông qua việc giảm ma sát. Nhưng khi cho them polysilfide vào hệ, thì kết quả hầu như không thay đổi. Điều này có thể giải thích thông qua độ phủ của phân tử trên bề mặt kim loại đã đạt tối đa tại 5%, việc tăng cường thêm polysulfide không giúp cải thiện tính chất bôi trơn. Khi khảo sát điểm hàn dính của vật liệu trong phương pháp 4-bi, việc bổ sung polysulfide vào dầu 150N và dầu thực vật đều làm tăng giá trị hàn dính so với việc sử dụng polyesters. Điều này chứng tỏ phụ gia polysulfide hoạt động ở điều kiện khắc nghiệt hơn, và polyesters hoạt động ở điều kiện tải trọng ít khắc nghiệt hơn. Do đó, việc cải thiện tính năng của dầu gốc thông qua việc bổ sung phụ gia phụ thuộc vào cấu trúc hoá học vốn của của mỗi loại dầu gốc. Sự tương tác giữa phụ gia với dầu gốc nên được xem xét cẩn thận khi người làm công thức phát triển dựa trên nền dầu gốc sinh học.
ADDITIVE ADDING UP TO MORE
Các nhà khoa học đã thực hiện oxy hoá test bằng cách bổ sung chất chống oxy hoá vào dầu thực vật một mình và kèm với một số chất khác. Pressurized Differential Scanning Caloimeter (PDSC) được sử dụng để tiến hành khảo sát.
- Test 1: Gia nhiệt dầu và phụ gia, bắt đầu ghi nhận nhiệt độ khi có sự oxy hoá bắt đầu. ètìm giá trị “onset of oxidation”, giá trị này càng cao càng tốt.
- Test 2: Gia nhiệt dầu và phụ gia tại một nhiệt độ cố định, cho đến khi có quá trình oxy hoá xảy ra. ètìm giá trị “oxidation induction time”, giá trị này càng cao càng tốt.
Họ thực hiện so sánh 4 mẫu phụ gia chống oxy hoá khác nhau, và 3 mẫu phụ gia chống mài mòn khác nhau để đánh giá khả năng bảo vệ độ bền oxy hoá của dầu. các chất chống oxy hoá có thể thực hiện công việc của chúng thông qua nhiều cách: bắt gốc tự do (gốc tự do là những phân tử có năng lượng cao, kém bền về mặt hoá học, do đoá hoạt tính rất lớn và dễ dàng tấn công phân tử dầu gốc gây oxy hoá dầu), hy sinh bản thân để phản ứng với các peroxide để tạo thành nước + oxy. Do đó, thường nên kết hợp hai hay nhièu loại chất chống oxy hoá với nhau mới có thể tang cường tính chất chống oxy hoá của hỗn hợp.
Khi kết hợp chất chống oxy hoá Butylated Hydroxytoluenen cùng với hai chất chống mài mòn, các nhà khoa học phát hiện ra tính chất chống oxy hoá bị giảm đáng kể. Tuy nhiên, khi sử dụng chất chống mài mòn thứ 3 (Antimony Dialkyldithiocarbamate – ADDC) cho thấy khả năng chống oxy hoá của dầu đậu nành được tăng cường. 3/4 chất chống oxy hoá được khảo sát đều cho kết quả tương tự khi sử dụng ADDC, chứng minh hiệu ứng tương hỗ trong việc kết hợp chất chống oxy hoá và ADDC (nghĩa là khi kết hợp chúng với nhau, hiệu quả sẽ tăng lên rất nhiều lần so với dùng chúng một mình).
Thêm vào đó, các nhà khoa học phát hiện rằng cấu trúc hoá học và thành phần hoá học của dầu gốc cũng góp một phần thông qua cơ chế này. Khi họ cho phụ gia vào dầu đậu nành (chứa lượng lớn oleic acid), hoạt tính chống oxy được cải thiện nhiều hơn. Nhiệt độ “Onset of oxidation” (trong Test 1 ở trên) vượt hơn 2500C, đề nghị rằng sự điều chỉnh thành phần cấu tử bảo hoà trong dầu gốc là một cách khách để tăng cường tính chất chống oxy hoá của dầu gốc sinh học.
ỨNG DỤNG VÀO GEAR OIL
Nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Kenneth Doll at USDA ở Peoria đã phát triển dầu đậu nành dùng cho Gear Oil và so sánh tính chất của chúng với các loại Gear Oil thương mại. Họ thực hiện hàng loạt các bài test để xác định công thức tối ưu sử dụng dầu gốc sinh học cho Gear Oil, gọi là bio-GO. Bơi vì dầu đậu nành thông thường ko thể ứng dụng cho các ứng dụng của Gear Oil do độ nhớt quá thấp so với yêu cầu, do đó họ thực hiện quá trình polymer hoá dầu đậu nành bởi nhiệt độ, thành phẩm được gọi là TP-SO (thermally polymerized soybean oil) có độ nhớt phù hợp SAE Viscosity Grade 190. Tuy nhiên, TP-SO có tính chất chảy kém ở nhiệt độ thấp (Pour point = - 90C). Sau khi bổ sung PPD vào hệ, Pour Point được giảm xuống -150C.
Một trong những vấn đề lớn nhất của dầu thực vật chính là khả năng bền oxy hoá của chúng. Để tìm ra phụ gia chống oxy hoá thích hợp, họ sử dụng 9 loại chất chống oxy hoá khác nhau bổ sung vào TP-SO. Sau đó, PDSC được sử dụng để đánh giá “onset of oxidation temperature”. Kết quả họ chọn ra được 2/9 chất chống oxy hoá phù hợp để dùng cho TP-SO. Nhóm nghiên cứu nói rằng “Dĩ nhiên, chất bôi trơn công nghiệp cần phải hoạt động tốt tính năng bôi trơn của chúng. Đây là một chỉ số đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng trong Gear Oil.” Để chắc chắn công thức hoạt động tốt cho Gear Oil, họ đánh giá việc bổ sung phụ gia chống mài mòn vào TP-SO sử dụng phương pháp 4-bi để kiểm tra. Ho phát hiện ra rằng, việc kết hợp chất chống mài mòn Boron Ester với ZDDP biểu thị wear scar nhỏ nhất so với việc sử dụng riêng rẽ từng chất. Sau khi tìm ra công thức tối ưu cho bio-GO, họ thực hiện việc so sánh tính chất của bio-GO với 5 loại Gear Oil thương mại trên thị trường. Kết quả cho thấy chỉ số VI của bio-GO cao nhất đi kèm với giá trị Scar nhỏ thứ hai thông qua phương pháp 4-bi. Tuy nhiên, “Onset of oxidation temperature” của bio-GO (2200C) thấp hơn nhiều so với các dòng sản phẩm thương mại (2690C), chứng minh khả năng bền oxy hoá của bio-GO thấp hơn so với các dòng sản phẩm thương mại.
Tóm lại, nhóm nghiên cứu thấy rằng việc thực hiện quá trình polymer hoá thông qua nhiệt độ có thể sản xuất dầu Gear Oil sinh học ở điều kiện thí nghiệm. Cần thực hiện nhiều nghiên cứu hơn để có thể ứng dụng chúng vào thực tế. Ngoài ra, việc cân bằng khả năng phân huỷ sinh học và khả năng tái tạo (renewability) của nguồn dầu gốc sinh học để đáp ứng nhu cầu ổn định lâu dài của chúng là một thách thức đối với các nhà khoa học.
