Nghiên cứu biến tính ống nano cacbon bằng triethanolamin ứng dụng chế tạo dung dịch bôi trơn làm mát - Nguyễn Mạnh Tường

Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M. Tường, N.T. Hòa, ,“Nghiên cứu biến tính ống nano bôi trơn làm mát.” 204 NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH ỐNG NANO CACBON BẰNG TRIETHANOLAMIN ỨNG DỤNG CHẾ TẠO DUNG DỊCH BÔI TRƠN LÀM MÁT Nguyễn Mạnh Tường*, Nguyễn Thị Hoà, Phạm Quang Thuần, Ngô Thị Thuý Phương Tóm tắt: Ống nano cacbon được biến tính với trietanolamin bằng phương pháp nghiền bi hành tinh để chế tạo chất lỏng bôi trơn làm mát trên cơ sở nước.Các phương pháp phổ hồng ngoại (IR), phân tích nhiệt (TGA) và kính hiển bi điện tử quét (SEM) đã được khảo sát để xác định sự thành công cuả quá trình biến tính. Dung dịch bôi trơn làm mát pha chế được có khả năng cải thiện khả năng truyền nhiệt >10%; khả năng bôi trơn của chất lỏng cũng được nâng cao với tải trọng hàn dính tăng lên 12% so với vật liệu bôi trơn làm mát trên cơ sở nước có trên thị trường; các tính năng khác đảm bảo được theo yêu cầu đặt ra. Từ khóa: Chất lỏng bôi trơn làm mát, Ống nano cacbon, Biến tính, Trietanolamin. 1. MỞ ĐẦU Các trang thiết bị máy móc nói chung trong quá trình vận hành đều tỏa ra một lượng nhiệt làm ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng cũng như ảnh hưởng đến các sản phẩm tạo thành. Để khắc phục các hiện tượng trên, trên thế giới và trong nước đã có nhiều sản phẩm với mục đích bôi trơn giảm ma sát và tản lượng nhiệt thoát ra. Các sản phẩm này chủ yếu được chế tạo trên cơ sở nhũ tương dầu/nước và hệ chất ức chế thích hợp. Tuy nhiên các sản phẩm trên trong quá trình sử dụng có thể tạo ra các sản phẩm phụ gây ảnh hưởng đến môi trường [1-3]. Ống nano cacbon là một trong 10 vật liệu triển vọng trong 10 năm trở lại đây và trong thời gian tới. Với những tính năng ưu việt như: tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, trọng lượng thấp, khả năng hấp thụ tốt bức xạ tử ngoại, có khả năng diệt khuẩn tốt. Ngoài ra ống nano cacbon có khả năng tương hợp tốt với các loại phụ gia chống tia UV gốc vô cơ và gốc hữu cơ, phụ gia chống oxy hóa (họ phenol). Chính vì thế ống nano cacbon hoàn toàn có thể sử dụng để chế tạo chất lỏng bôi trơn tản nhiệt [4-9]. Dung dịch bôi trơn làm mát trên cơ sở ống nano cacbon biến tính với trietanolamin sử dụng để bôi trơn tản nhiệt cho trang thiết bị máy móc và cho quá trình gia công chế biến kim loại có các ưu điểm chính sau: các cấu trúc lớp có thể trượt lên nhau có thể giảm ma sát của các bề mặt tiếp xúc; khả năng dẫn nhiệt của ống nano cacbon lớn hơn 1000 lần so với nước dẫn đến khả năng tản nhiệt tăng một cách đáng kể; có khả năng ức chế sự phát triển của các loại vi sinh vật, nấm mốc; chi phí thấp, dễ sử dụng và đặc biệt là sản phẩm thân thiện với môi trường[10-14]. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hoá chất Ống nano cacbon sử dụng để nghiên cứu được tổng hợp tại phòng Vật liệu nano của Viện hóa học-Vật liệu, theo phương pháp nhiệt phân khí PLG có mặt xúc Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 205 tác trên thiết bị bán liên tục, có đường kính ngoài 20-40 nm, đường kính trong ~ 5- 15nm. Các hoá chất khác Triethanolamin (TEA), H2SO4, HNO3,... đều là hoá chất tinh khiết. 2.2. Chế tạo vật liệu 2.2.1. Axit hoá ống nano cacbon Cân 3g CNT vào 100ml hỗn hợp axit H2SO4 và HNO3 với tỉ lệ 7:3. Khuấy hỗn hợp trong 3 giờ ở khoảng nhiệt 90-100°C. Sau đó làm nguội hỗn hợp ở nhiệt độ phòng. Tiến hành lọc, rửa bằng nước cất đến khi pH =7, sấy khô ở 100°C, thu được ống nano cacbon đã được axit hóa (CNT-COOH). 2.2.2. Biến tính ống nano cacbon bằng triethanolamin Ống nano cacbon sau khi axit hoá được trộn với trietanolamin với các tỉ lệ khác nhau. Hàm lượng CNT-COOH thay đổi từ 0,05g đến 0,25g. Hàm lượng TEA cố định là 5g. Hỗn hợp này được nghiền bằng thiết bị nghiền bi hành tinh Pulveristle/Fritsch với tốc độ nghiền 500 vòng/phút trong thời gian 30 phút. Sản phẩm thu được có màu đen dạng past (CNT-COOH/TEA) 2.2.3. Chế tạo chất lỏng bôi trơn làm mát Chất lỏng bôi trơn làm mát được chế tạo trên cơ sở ống nano cacbon biến tính với trietanolamin và nước bằng cách hoà tan vật liệu CNT-COOH/TEA với tỉ lệ khác nhau vào nước bằng phương pháp siêu âm phân tán. Chất lỏng bôi trơn làm mát trên cơ sở trietanolamin với một số chất phụ gia khác cũng được chế tạo để nghiên cứu so sánh. Hình 1. Chất lỏng bôi trơn làm mát (M0-trái; M1-phải). 2.3. Phương pháp nghiên cứu Phổ IR của mẫu vật liệu được ghi theo kỹ thuật ép viên với KBr trong vùng 400 – 4000 cm-1, ở nhiệt độ phòng bằng thiết bị Tencer 2A. Kỹ thuật chuẩn bị mẫu để chụp ảnh SEM bao gồm phân tán mẫu bằng ethanol, sấy khô, phủ một lớp trên nền. Các mẫu được đo trên thiết bị Jeol JSM – 7500F. Giản đồ phân tích nhiệt TGA Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M. Tường, N.T. Hòa, ,“Nghiên cứu biến tính ống nano bôi trơn làm mát.” 206 được đo trong môi trường không khí với tốc độ gia nhiệt 10 -15°C /phút. Các đường cong phân cực được đo bởi thiết bị Potentiostat CCM HH1 với 3 điện cực: điện cực làm việc đồng và sắt, điện cực phụ trợ platin và điện cực so sánh Calomel bão hoà (SCE). Việc đánh giá khả năng bôi trơn, khả năng giảm ma sát, mài mòn của chất lỏng được thực hiện trên thiết bị bốn bi bằng việc xác định chỉ số về tải trọng hàn dính (theo ASTM D 2783) với một viên bi chuyển động quay tại chỗ trên 3 viên bi giữ cố định (bốn viên bi này tạo thành tiếp xúc 3 điểm). Chất lỏng thử nghiệm được rót vào cốc chứa các viên bi cố định sao cho ngập phần tiếp xúc với viên bi chuyển động. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Chế tạo vật liệu bôi trơn làm mát Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) đã được áp dụng để kiểm tra kết quả biến tính axit ống nano cacbon. Phổ IR của CNT trước và sau khi axit hóa được trình bày trong hình 2 dưới đây. 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 -0.010 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.300 CM-1 A 1696 1608 1543 1431 1351 1312 1294 1281 934 879 801 717 (a) (b) Hình 2. Phổ hồng ngoại IR của CNT (a) và CNT-COOH (b). Với kết quả của phổ IR thấy xuất hiện các pic ở 3417, 2902 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết O-H, các pic ở 2361, 2341, 1708, 1630, 1429, 1372cm-1đặc trưng cho dao động của liên kết C=O trong (COO-) và (COOH). Điều này chứng tỏ các nhóm chức C(O)OH; >C=O; CO; COH và COC đã được gắn trên bề mặt của CNT sau quá trình biến tính. Ngoài ra để xác định mức độ oxi hóa CNT đã sử dụng phương pháp phân tích nhiệt, kết quả phân tích nhiệt được đưa ra ở hình 3. (a) (b) Hình 3. Giản đồ phan tích nhiệt của CNT (a) và CNT-COOH (b). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 207 Từ kết quả phân tích nhiệt của sợi nano cacbon chưa biến tính, ta thấy nhiệt độ bắt đầu phân hủy cacbon khoảng 400°C và tốc độ phân hủy đạt tối đa ở nhiệt độ ~ 500°C. Đối với ống nano cacbon, sau khi biến tính, xuất hiện thêm 02 pic ở 55 và 300°C hình 2 phải được cho là quá trình phân hủy của các nhóm chức trên bề mặt của ống nano cacbon, ống nano cacbon bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ 400°C và tốc độ phân hủy tối đa ở 509°C. Kết quả này chứng tỏ rằng quá trình gắn các nhóm chức lên bề mặt của ống nano cacbon đã thành công. Hình 4. Khả năng phân tán của vật liệu: nước cất(M0); CNT trong nước (M1);CNT-COOH trong nước (M2). Bên cạnh các phương pháp phân tích IR và TGA, khả năng hòa tan của CNT và CNT-COOH trong nước cũng được khảo sát, kết quả được đưa ra ở hình 4. Ở hình 4, M0: nước cất; M1: CNT trong nước; M2: CNT-COOH trong nước. Dễ nhận thấy rằng đối với CNT chưa biến tính, không có khả năng phân tán trong nước kể cả khi có tác dụng của sóng siêu âm. Trong khi đó vật liệu CNT-COOH dễ dàng phân tán đồng đều trong môi trường nước. Cấu trúc của CNT trước và sau khi biến tính với trietanolamin đã được xác định bởi kính hiển vi điển tử quét SEM. Các kết quả được trình bày trên hình 5. Trên ảnh SEM thấy răng ống nano cacbon không bị phá vỡ cấu trúc trong quá trình biến tính. (a) (b) Hình 5. Ảnh SEM của CNT (a) và CNT-COOH/TEA (b). 3.2. Khảo sát khả năng bôi trơn làm mát của CLBTLM 3.2.1. Khả năng truyền nhiệt Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M. Tường, N.T. Hòa, ,“Nghiên cứu biến tính ống nano bôi trơn làm mát.” 208 Đo khả năng truyền nhiệt của chất lỏng hiện nay tương đối khó khăn. Chính vì vậy phải xây dựng một phương pháp đo dựa trên thiết bị sẵn có trong phòng thí nghiệm. Quá trình đo có thể được miêu tả tóm tắt như sau: trong thiết bị ổn nhiệt được đặt chính xác một nhiệt độ nhất định, chất lỏng cần đo được chứa trong dụng cụ có thể tích xác định, sensor đo nhiệt độ được đặt phía trên mặt của dung dịch cần đo. Nhiệt độ được ghi lại trong thời gian 30 giây/lần. Thí nghiệm được tiến hành trong thời gian 9-10 phút, kết quả đo đạc được thể hiện ở hình 6. Hình 6. Khả năng truyền nhiệt của các CLBTLM với hàm lượng CNT-COOH khác nhau: 0,25 % (M1); 0,20 % (M2); 0,15 % (M3); 0,10 % (M4); 0,05 % (M5) và nước cất (H2O). Từ hình 6 ta nhận thấy rằng khả năng truyền nhiệt của chất lỏng BTLM tăng một cách đáng kể khi được có mặt của một lượng nhỏ CNT. Trong thời gian đầu (từ 0 đến 4 phút) tốc độ truyền nhiệt của tất cả các mẫu tăng nhanh nhất, tuy nhiên đường tăng nhiệt cũng không tuyến tính. Mức độ truyền nhiệt của CLBTLM so với nước trong trong khoảng thời gian khảo sát 6 phút cải thiện được 38,2 %; so với CLBTLM có trên thị trường cải thiện được trung bình 12,8%. Tính đến phút thứ 6 thì tốc độ truyền nhiệt của mẫu M3 tốt nhất tương đương với hàm lượng CNT là 0,15g/100 mL. 3.2.2. Khảo sát khả năng bôi trơn Khả năng bôi trơn được xác định bằng phương pháp đo tải trọng hàn dính trên thiết bị 4 bi, tại phòng thí nghiệm của Viện Hóa học công nghiệp, kết quả ở bảng 1. Bảng 1. Kết quả đo tải trọng hàn dính và mức độ cải thiện khả năng bôi trơn làm mát của các CLBTLM. Mẫu M0 M1 M2 M3 M4 M5 Tải trọng hàn dính (kg) 120 135 134 133 131 130 Mức độ cải thiện so 12,5 11,6 10.8 9,1 8,3 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 209 với M0 (%) Hệ số ma sát được thể hiện thông qua kết quả đo lực ép ở bảng 1. Thấy rằng với sự tăng hàm lượng CNT thì lực ép càng tăng lên, đồng nghĩa với khả năng bôi trơn càng được cải thiện. Tuy nhiên nếu tăng hàm lượng CNT lên quá cao thì sẽ ảnh hưởng đến một số tính chất khác của chất lỏng bôi trơn làm mát. Ở mẫu M3, lực ép 133 kg so với M0 đã cải thiện được 13kg tượng đương với 10,8 % đáp ứng được yêu cầu đặt ra của đề tài. Hình 7. Ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến khả năng bôi trơn. 3.2.3. Khảo sát khả năng chống ăn mòn Khả năng chống ăn mòn là yếu tố quan trong quyết định tính năng sử dụng của vật liệu. Cụ thể trong nghiên cứu này CLBTLM làm việc tiếp xúc trực tiếp với các kim loại như đồng, sắt, nhôm. Chính vì vậy 03 kim loại nàyđã được chọn để khảo sát, kết quả khảo sát dòng ăn mòn được trình bày ở bảng 2. Bảng 2. Kết quả khảo sát dòng ăn mòn (Icor) và thế ăn mòn (Vcor) của CLBTLM. M0 M1 M2 Cu Fe Al Cu Fe Al Cu Fe Al Icor 1,8.10 - 4 8,3.10-5 2,1.10-4 2,1.10-4 1,9.10-4 1,1.10-4 1,9.10-4 1,6.10-4 4,2.10-4 Vcor 1,2.10 - 3 8,6.10-4 2.1.10-3 2,2.10-3 2,0.10-3 1,1.10-3 2,0.10-3 1,7.10-3 4,4.10-3 M3 M4 M5 Cu Fe Al Cu Fe Al Cu Fe Al Icor 2,6.10 - 4 1,7.10-4 4,2.10-4 1,9.10-4 1,4.104 2,3.10-4 1,4.10-4 1,2.10-4 2,1.10-4 Vcor 2,6.10 - 3 1,7.10-3 4,4.10-3 2,0.10-3 1,5.10-3 2,4.10-3 1,5.10-3 1,2.10-3 2,2.10-3 Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M. Tường, N.T. Hòa, ,“Nghiên cứu biến tính ống nano bôi trơn làm mát.” 210 a b c Hình 8. Đường tafel của đồng (a), sắt (b) và nhôm (c.) Kết quả đo dòng ăn mòn của CLBTLM thấy rằng khả năng chống ăn mòn của đối với 03 kim loại là có hiệu quả nhưng kết quả chưa được cao. Đối với sắt khả năng chống ăn mòn là thấp nhất. 3.2.4 Khảo sát một số đặc tính khác của CLBTLM Ngoài các yếu tố về khả năng truyền nhiệt, khả năng bôi trơn và tính chất bảo vệ chống ăn mòn kim loại, để có thể áp dụng vào thực tế, CLBTLM cần phải đáp ứng được các tính chất khác như: pH; độ nhớt và tỉ trọng. Kết quả đo các thống số được thể hiện ở bảng 4. Bảng 4. Tính chất hóa lý của CLBTLM. Tên mẫu Độ nhớt (250C), cSt Tỉ trọng (250C) pH M0 1,46 1,05 8,0 M1 1,57 1,07 7,6 M2 1.54 1,07 7,6 M3 1,50 1,06 7,7 M4 1,50 1,04 7,7 M5 1,47 1,04 7,9 Từ các kết quả thực nghiệm có thể rút ra một số nhận xét sau: Các mẫu từ M1-M5 đều đáp ứng được yêu cầu của chất lỏng bôi trơn làm mát; - Khả năng truyền nhiệt M3 tốt nhất; - Khả năng bôi trơn M1 đạt hiệu quả nhất; Dựa vào kết quả thử nghiệm, mẫu M3đã được lựa chọn để tiến hành pha chế, với lượng nhỏ CNT (0,15g/100mL) có thể cải thiện được tính năng bôi trơn tản nhiệt. 4. KẾT LUẬN Đã nghiên cứu biến tính ống nano cacbon bằng trietanolamin, quá trình biến tính qua 02 giai đoạn: biến tính axit ống nano cacbon; tương tác với trietanolamin. Sản phẩm thu được có khả năng phân tán tốt trong nước. Trên cơ sở sản phẩm ống nano cacbon biến tính bằng trietanolamin đã pha chế chất lỏng bôi trơn làm mát đảm bảo các yêu cầu của một loại chất lỏng bôi trên cơ sở nước, chất lỏng pha chế đã cải nâng cao được khả năng bôi trơn, làm mát so với Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 211 chất lỏng bôi trơn làm mát trên cơ sở nước có trên thị trường với khả năng truyền nhiệt >10%; tải trọng hàn dính >12%, các tính năng khác đảm bảo được theo yêu cầu đặt ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Yitian Peng and Zhonghua Ni, “Tribological Properties of Stearic Acid Modified Multi-Walled Carbon Nanotubes in Water”, J. Tribol, Vol.135, (2012), pp.125-130. [2]. Luis F. Giraldo, e.l, “Scratch and Wear Resistance of Polyamide 6 Reinforced with Multiwall Carbon Nanotubes”, J. Nanosci. Nanotechnol, Vol. 8, No.5, (2008), pp. 567-582. [3]. Gong Qianming, Li Dan, Li Zhi, Yi Xiao-Su, Liang Ji,”Tribology properties of carbon nanotube-reinforced composites”, Tribology of Polymeric Nanocomposites, Vol.4, (2008), pp.245–267. [4]. Shaoxian Peng, Tribology of poly(vinyl alcohol)-carbon nanotubecomposite, International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology (EMEIT), Harbin, (2011), pp. 1431-1434. [5]. X.H. Chen, et.al, “Electrodeposited nickel composites containing carbon nanotubes”, Surface and coating technology, Vol. 155, Issues 2–3, (2002), pp. 274-278. [6]. Xue Feng Li, Han Yan, Shao Xian Peng,”Tribological Behavior of Poly(ethylene Glycol)-Carbon Nanotubes”, Advanced Materials Research, Vol. 688, (2011), pp. 217-218. [7]. J. Wintterlin and M.-L. Bocquet, “Graphene on metal surfaces”, Surface Science, Vol.603, No.10–12, (2009), pp. 1841–1852. [8]. T.Ramanathan, A.A.Abdala, S.Stankovichetal., “Function-alized graphene sheets for polymer nanocomposites”, Nature Nanotechnology, Vol. 3, No. 6, (2008), pp. 327–331. [9]. P. J. Bryant, P. L. Gutshall, and L. H. Taylor, “A study of mechanisms of graphite friction and wear”, Wear,Vol.7, no.1, (1964), pp. 118–126. [10]. R. L. Fusaro, “Mechanisms of graphite luoride lubrication”, Wear, Vol. 53, No. 2, (1979), pp.303–323. [11]. M.R.Hilton, R.Bauer, S.V.Didziulis, M.T.Dugger, J.M.Keem, and J. Scholhamer, “Structural and tribological studies of MoS2 solid lubricant films having tailored metal-multilayer nanostructures”, Surface and Coatings Technology, Vol. 53, No.1, (1992), pp. 13–23. [12]. Rad Sadri, Goodarz Ahmadi, Hussein Togun, Mahidzal Dahari, Salim Newaz Kazi, Emad Sadeghinezhad and Nashrul Zubir, “An experimental study on thermal conductivity and viscosity of nanofluids containing carbon nanotube, Nanoscale Research Letters, Vol. 9, No. 1,(2014), pp. 151-157. Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M. Tường, N.T. Hòa, ,“Nghiên cứu biến tính ống nano bôi trơn làm mát.” 212 [13]. A. Andreescu, Adriana Savin, Rozina Steigmann, Nicoleta Iftimie, E. Mamut, R. Grimberg, “Model for thermal conductivity of composites with carbon nanotubes,” Journal of thermal analysis and calorimetry, Vol. 94, (2008), pp. 349-353. [14]. M. J. Assael1, I. N. Metaxa, K. Kakosimos, D. Konstadinou, “Thermal conductivity of nanofluids – Experimental and Theoretical”, Chemical Engineering Department, Aristotle University. ABSTRACT MODIFICATION OF CARBON NANOTUBES WITH TRIETHANOLAMINE FOR THE FABRICATION OF WATER - BASED NANOFLUID Carbon nanotubes (CNT) were modified with Triethanolamine (TEA) and used for the fabrication of water – based nanofluid. The Fourier transform infrared spectroscopy, thermal analysis TGA, and Scanning electron Microscopy SEM showed the successful modification of the CNT with triethanolamine.Cacbon nanotubes modified water base – nanofluid can improve the heat transfer capability (>10%) and the lubrication ability (12%) compared with the same type of water base fluid on the maket. Keywords: Nanofluid, Lubrication, Cooling, CNT, Triethanolamine. Nhận bài ngày 09 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 29 tháng 07 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1Viện Hoá học-Vật liệu/Viện Khoa học và Công Nghệ quân sự *Email: manhtuong74@gmail.com