Nghiên cứu lựa chọn phụ gia, hàm lượng phụ gia tăng khả năng bám dính cho mỡ chịu mặn - Nguyễn Văn Cảnh

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 77 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia, hàm lượng phụ gia tăng khả năng bám dính cho mỡ chịu mặn Nguyễn văn cành Tóm tắt: Bài báo đề cập tới việc nghiên cứu lựa chọn loại phụ gia, hàm lượng phụ gia tăng khả năng bám dính cho mỡ chịu mặn sử dụng trong môi trường khí hậu biển đảo Việt Nam nhằm đảm bảo cho mỡ vừa có khả năng bảo quản vừa có khả năng bôi trơn, tăng cường khả năng cơ động, sẵn sàng chiến đấu đối với các loại VKTBKT do không phải tẩy, rửa lớp mỡ cũ. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu đã chọn được loại phụ gia thích hợp cho mục tiêu trên đó là crếp. Với khối lượng (KL) khoảng 1,52% crếp trong mỡ đã cho khả năng bám dính tăng đáng kể thông qua các chỉ tiêu cụ thể đó là: Nhiệt độ tuột theo GOST 6037-75 và phương pháp xác định khả năng rửa trôi nước của mỡ theo ASTM D1264. Từ khoá: Phụ gia crếp, Khả năng bám dính, Mỡ chịu mặn. 1. Mở đầu Một trong những chỉ tiêu quan trọng của mỡ chịu mặn sử dụng trong môi trường khí hậu biển đảo Việt Nam là khả năng bám dính của mỡ. Đối với một số loại mỡ như: mỡ xà phòng bari, xà phòng nhôm thì bản chất chúng đã có khả năng bám dính khá tốt trên các nền vật liệu khác nhau (kim loại, polime, compozit, dụng cụ quang học) [1] do khung cấu trúc của mỡ ở dạng sợi. Tuy nhiên, các loại mỡ trên có nhiệt độ nhỏ giọt, nhiệt độ sử dụng tương đối thấp nên người ta thường sử dụng mỡ chịu mặn với mục đích bảo quản là chính. Việc nghiên cứu lựa chọn các loại phụ gia làm tăng khả năng bám dính đối với mỡ bản chất đã có nhiệt độ nhỏ giọt, nhiệt độ sử dụng cao hơn như mỡ xà phòng liti, mỡ xà phòng canxi, mỡ bentonit đã và đang được quan tâm nghiên cứu, nhằm đáp ứng khả năng bảo quản và vẫn duy trì khả năng bôi trơn của mỡ. Hướng ứng dụng cho các loại mỡ trên là được sử dụng cho vùng khí hậu biển đảo, nhất là khí hậu biển đảo Việt Nam. Hiện nay có nhiều loại phụ gia tăng khả năng bám dính cho mỡ, chủ yếu dựa vào các hợp chất polime có trọng lượng phân tử thấp: poly(alkylacrylat); crếp [2], chúng ở dạng keo có tác dụng tạo màng, bám dính trên các bề mặt nền khác nhau, chính nhờ khả năng bám dính này mỡ sẽ tránh được sự rửa trôi của nước, hơi nước và muối biển [3]. 2. Thực nghiệm 2.1. Chế tạo mỡ với phụ gia tăng khả năng bám dính 2.1.1. Chuẩn bị vật tư, hóa chất - Vật tư: Bếp điện, dụng cụ thủy tinh, nhiệt kế 0300oC (Đức), bình tổng hợp mỡ, thiết bị rơle nhiệt CS 501 (Trung Quốc), cân kỹ thuật và cân phân tích có độ chính xác 10-4 (Trung Quốc); - Hóa chất: + Dầu gốc SN500, chưng cất ở 300 đến 350oC của Nga; + Axit stearic PA, Hàn Quốc; Hóa học N. V. Cành, "Nghiên cứu lựa chọn phụ gia, hàm lượng mỡ chịu mặn" 78 + Liti hydroxit PA, Đức; + Phụ gia: poly(metylacrylat)-PMA, CAS 9003-21-8, tỷ trọng 1,22 g/ml ở 25oC PA, Đức; crếp 60% KL (khối lượng) được tinh chế tại Việt Nam; 2.1.2. Tiến hành thực nghiệm [4] Quy trình chế tạo mỡ gồm 5 giai đoạn: - Giai đoạn 1: xà phòng hóa liti hydroxit trong dầu khoáng SN500 Cho lượng axit stearic vừa đủ vào 50% khối lượng dầu SN500 ban đầu (theo tính toán), gia nhiệt hỗn hợp cho đến khi các axit béo nóng chảy hoàn toàn trong dầu. Giai đoạn này cần duy trì nhiệt độ của hỗn hợp khoảng 8090oC, tốc độ khuấy 5060 vòng/phút. Bổ sung dần dần liti hydroxit (liti hydroxit được hòa tan hoàn toàn trong nước) vào hỗn hợp axit stearic - dầu đã nóng chảy, thực hiện quá trình phản ứng xà phòng hóa ở nhiệt độ 80-90oC. Phương trình phản ứng xà phòng hóa liti hydroxit: C17H35COOH + LiOH  C17H35COOLi + H2O Quá trình xà phòng hóa tiếp tục duy trì ở nhiệt độ, tốc độ khuấy trên trong khoảng thời gian 1-2 giờ, lượng liti hydroxyt dư được rửa bằng nước nóng. - Giai đoạn 2: bay hơi nước Khi kết thúc quá trình xà phòng hóa, nâng nhiệt độ tới 100110oC, duy trì tốc độ khuấy liên tục trong khoảng 11,5 giờ. ở giai đoạn này do nước sôi, rồi bay hơi làm tăng thể tích rất lớn nên khống chế tốc độ khuấy phù hợp khoảng 50-60 vòng/phút, tránh để sản phẩm sôi cục bộ dẫn đến làm tràn sản phẩm mỡ. - Giai đoạn 3: giai đoạn ổn định Khi giai đoạn bay hơi nước kết thúc, thêm 50% lượng dầu SN500 còn lại (theo tính toán ban đầu) và nâng nhiệt độ tới 120130oC, duy trì tốc độ khuấy vừa phải, thời gian giai đoạn ổn định khoảng 3040 phút. - Giai đoạn 4: đồng nhất mỡ Kết thúc giai đoạn ổn định, tăng tốc độ khuấy 70-80 vòng/phút, bổ sung từ từ phụ gia bám dính poly(metylacrylat) hoặc crếp (crếp phân tán trong xăng dung môi) theo hàm lượng khác nhau, duy trì nhiệt độ khoảng 130oC, sau đó nâng nhiệt độ cuối quá trình nấu mỡ tới 220oC, ở nhiệt độ này xà phòng nóng chảy hoàn toàn, duy trì điều kiện trên trong khoảng 1015 phút, ngừng khuấy. - Giai đoạn 5: làm nguội Khi khối mỡ hoàn toàn đồng thể thì kết thúc quá trình nâng nhiệt độ và tiến hành quá trình làm nguội bằng cách nhanh chóng được đưa mỡ ra khay chuyên dụng một lớp mỡ mỏng khoảng 0,20,5 cm, làm nguội nhanh bằng quạt hoặc khay được đặt trong thiết bị làm lạnh chuyên dụng chứa nước lạnh cung cấp từ thiết bị làm lạnh khác, quá trình làm nguội nhanh trong khoảng từ 12 giờ. Sản phẩm mỡ thành phẩm đưa vào thùng, bình chứa, duy trì mỡ ổn định trong khoảng 4850 giờ. Để lựa chọn loại phụ gia tăng khả năng bám dính thích hợp tiến hành nghiên cứu, so sánh phụ gia poly(metylacrylat) với phụ gia tăng khả năng bám dính crếp tinh chế tại Việt Nam. Mẫu nghiên cứu được khảo sát với hàm lượng phụ gia khác nhau trên cùng một lượng mỡ xà phòng liti không thay đổi: - Hàm lượng không thay đổi: Dầu SN500, 200g; axit stearic, 22g; litihydroxit: 2,5g. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 79 - Hàm lượng phụ gia thay đổi: Hàm lượng poly(metylacrylat) 0,11 %KL trong mỡ; hàm lượng crếp thay đổi từ 0,52 %KL trong mỡ. 2.2. Phương pháp nghiên cứu - Nhiệt độ tuột được xác định theo GOST 6037-75 [5], thiết bị đo ký hiệu MT3 do Liên xô cũ sản xuất năm 1984. Bản chất của phương pháp thử là xác định nhiệt độ tuột giữa 2 bề mặt kim loại nhẵn được đặt theo phương thẳng đứng, ở nhiệt độ nhất định. Kích thước miếng kim loại 1: cao 50 mm, dày 34 mm, hình chữ L; miếng kim loại thứ 2 có kích thước 30 x 28 (mm), dày 34 mm. Phương pháp xác định nhiệt độ tuột của mỡ sẽ cho biết khả năng bám dính, độ dẻo của mỡ trong điều kiện chịu một tải trọng nhất định; - Tính bền đối với nước của mỡ được xác định theo ASTM D1264 [6], là khả năng chống lại sự rửa trôi của nước trong các điều kiện của phép đo: dòng nước tuần hoàn trong thiết bị với lưu lượng 5ml/s, ổ trục đang vận hành với tốc độ 600 v/phút, nhiệt độ thử nghiệm ở 79oC,. Khả năng rửa trôi của nước được tính bằng khối lượng mỡ bị trôi đi trong quá trình thử nghiệm ở nhiệt độ trên, với thời gian thử nghiệm 60 phút. 3. kết quả và thảo luận 3.1. ảnh hưởng của phụ gia poly(metylacrylat)-PMA tới khả năng bám dính của mỡ Như đã biết, độ bám dính của mỡ trên bề mặt kim loại có ý nghĩa rất quan trọng, độ bám dính của mỡ phụ thuộc vào chiều dày lớp mỡ [7], tức là phụ thuộc vào khả năng bám dính vào bề mặt nền (tính chất bề mặt) và phụ thuộc vào khả năng tồn đọng theo chiều cao khối của mỡ trên bề mặt kim loại (tính chất khối). Để nghiên cứu tính chất bề mặt và tính chất khối của mỡ có hai phép thử: Phép đo rửa trôi nước của mỡ sẽ nghiên cứu tính chất bề mặt và phép đo nhiệt độ tuột sẽ nghiên cứu tính chất khối của mỡ. Bảng 1. Khả năng bám dính của mỡ với hàm lượng phụ gia poly(metylacrylat)-PMA khác nhau. Mẫu Hàm lượng PMA, (%) Độ xuyên kim, (0,1mm) Nhiệt độ tuột, GOST 6037-75, (oC) Rửa trôi nước, ở 79oC, ASTM D1264, (% KL mất đi) Đánh giá khả năng bám dính MC0 0,0 214 110,0 4,8 Trung bình MC1 0,1 216 110,5 4,5 Trung bình MC2 0,3 218 111,7 4,1 Trung bình MC3 0,5 223 112,2 3,8 Khá MC4 0,6 227 113,3 3,5 Khá MC5 0,7 229 114,4 3,3 Khá tốt MC6 0,8 224 114,4 3,3 Khá tốt MC7 1,0 227 114,4 3,3 Khá tốt Việc đánh giá khả năng bám dính của các loại mỡ dựa vào khối lượng mất đi (trôi đi trong điều kiện của phép thử) do sự rửa trôi của nước ở 79oC theo tiêu chuẩn Hóa học N. V. Cành, "Nghiên cứu lựa chọn phụ gia, hàm lượng mỡ chịu mặn" 80 ASTM D1264. Kết quả thử nghiệm trên phụ gia poly(metylacrylat) cho thấy: khả năng bám dính của mỡ tăng lên từ mức trung bình đến mức khá tốt, ứng với các mẫu mỡ MC0MC5, khi đó hàm lượng phụ gia tăng lên từ 0,0 đến 0,7 %KL (khối lượng). Trong khi đó nhiệt độ tuột tăng không đáng kể. Nếu tăng tiếp hàm lượng phụ gia poly(metylacrylat) đến > 0,7%KL: độ xuyên kim tăng nhẹ, nhưng nhiệt độ tuột không tăng và % KL mỡ mất đi do sự rửa trôi của nước không giảm. Như vậy, với hàm lượng khoảng 0,7% KL phụ gia poly(metylacrylat) trong mỡ, khả năng bám dính của mỡ là tối ưu, ứng với nhiệt độ tuột tăng 4,4oC và hàm lượng mỡ mất đi trong phép thử rửa trôi bởi nước giảm 1,5%KL. Như vậy, phụ gia poly(metyl acrylat) đã làm tăng khả năng bám dính của mỡ. - Nếu các mẫu, bề mặt cần đo được nhúng trong mỡ nóng chảy, sau đó làm nguội ở điều kiện thường thì độ dày của lớp mỡ trong các mẫu là như nhau. Khi đó, xác định độ bám dính dựa vào liên kết tương tác giữa các phân tử mỡ và bề mặt kim loại, lưu giữ lớp mỡ trên bề mặt kim loại mà không bị trôi tuột cả lớp phủ. Phép thử khả năng rửa trôi nước sẽ nghiên cứu tính chất bề mặt và không xét tới tính chất khối của chúng. - Nếu các mẫu được chuẩn bị theo tiêu chuẩn xác định nhiệt độ tuột GOST 6037-75, tức là độ bám dính được xác định bằng liên kết bên trong giữa các cấu trúc mỡ (xác định tính chất khối của mỡ), chính là khả năng giữ vững của cả lớp mỡ trên bề mặt kim loại, không bị chảy tuột và cũng không bị giảm độ dày ở một nhiệt độ nhất định. Khi thử nghiệm, trong lớp mỡ xuất hiện các vết rạn, nứt và nhanh chóng lan rộng ra toàn bộ lớp mỡ, làm dịch chuyển khối mỡ và chảy xuống dưới, làm trơ bề mặt kim loại. 3.2. ảnh hưởng của phụ gia crếp tới khả năng bám dính của mỡ Bảng 2. Khả năng bám dính của mỡ với hàm lương phụ gia crếp khác nhau. Mẫu Hàm lượng crếp, (%) Độ xuyên kim, (mm-1 ) Nhiệt độ tuột, GOST 6037-75, (oC) Rửa trôi nước, ở 79oC, ASTM D1264, (% KL mất đi) Đánh giá khả năng bám dính MC0 0,0 214 110,0 4,8 Trung bình MC8 0,5 215 111,3 3,2 Khá tốt MC9 1,0 216 112,8 2,7 Khá tốt MC10 1,4 219 113,2 2,1 Tốt MC11 1,5 221 115,3 1,6 Tốt MC12 1,6 223 117,7 1,2 Rất tốt MC13 1,8 224 117,7 1,2 Rất tốt MC14 2,0 226 117,7 1,2 Rất tốt Tương tự như vậy, đối với các mẫu mỡ chứa phụ gia crếp: Khi tăng hàm lượng phụ gia từ 01,6% KL trong mỡ (bảng 2) thấy rằng, độ xuyên kim tăng nhẹ từ 214223mm-1, nhiệt độ tuột tăng lên đáng kể từ 113,3 117,7oC (tương ứng với các mẫu mỡ MC8MC12). Sự làm tăng nhiệt độ tuột có ý nghĩa lớn đối với các loại mỡ, đặc biệt khi mỡ sử dụng trong môi khắc nghiệt như vùng khí hậu biển đảo chứa nhiều hơi mặn. Khả năng rửa trôi nước bởi mỡ cũng giảm đi đáng kể, do hàm lượng mỡ mất đi theo phương pháp thử giảm mạnh từ 4,8 %KL xuống chỉ còn 1,2 %KL. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 81 Nếu tăng tiếp hàm lượng phụ gia crếp >1,6 %KL, thấy rằng độ xuyên kim vẫn tăng nhẹ, nhiệt độ tuột không tăng và khối lượng mỡ bị rửa trôi bởi nước không giảm (MC13; MC14), chứng tỏ với hàm lượng phụ gia crếp khoảng 1,6 %KL trong mỡ cho khả năng bám dính rất tốt. Độ đồng nhất của mỡ có thể định tính đánh giá bằng ảnh SEM hình 1 và hình 2. Hình 1. ảnh SEM mỡ chứa PMA. Hình 2. ảnh SEM mỡ chứa crếp. Mỡ chứa phụ gia crếp có trạng thái đồng thể hơn, thể hiện tính chất mịn và đồng nhất hơn so với mẫu mỡ chứa phụ gia poly(metylacrylat). So sánh các kết quả thử nghiệm với 2 loại phụ gia tăng khả năng bám dính poly(metylacrylat) và crếp đưa ra kết luận sau: phụ gia crếp làm tăng khả năng bám dính của mỡ cao hơn so với phụ gia poly(metylacrylat). Đánh giá khả năng bám dính của phụ gia poly(metylacrylat) chỉ đạt mức độ trung bình hoặc khá tốt. Trong khi đó phụ gia crếp làm cho nhiệt độ tuột tăng cao, khối lượng mỡ mất đi do rửa trôi bởi nước giảm đáng kể. Như vậy, khả năng bám dính của phụ gia crếp tốt hơn. Điều này có thể giải thích như sau: sự chảy xuống của lớp mỡ là kết quả của sự co lại của cấu trúc mỡ khi bị mất chất lỏng(dầu), nghĩa là sự tăng nồng độ pha lỏng trên bề mặt kim loại ở một nhiệt độ nhất định. Độ căng khi trượt trên mỡ chứa phụ gia crếp được ghi nhận là sự thấm ngược một lượng pha lỏng ra khỏi khối mỡ. Khối mỡ bị co lại do mất lượng chất lỏng và chỉ có thể bị tuột khỏi bề mặt chất lỏng khi sự tách pha lỏng trở nên rõ ràng. Tuy nhiên, sự tách pha lỏng ra khỏi khối mỡ chứa crếp là rất nhỏ, mà sự trượt của lớp mỡ chứa crếp có liên quan tới trọng lượng của khối mỡ trên biên giới pha mỡ - kim loại [8], do đó không nên bôi lớp mỡ chứa crếp quá dày trên bề mặt kim loại. 4. Kết luận - Lựa chọn crếp để làm phụ gia tăng khả năng bám dính cho mỡ xà phòng liti, nhằm làm giảm hàm lượng mỡ mất đi (giảm 3,6 %KL) khi bị rửa trôi bởi nước, với ý nghĩa làm tăng khả năng bám dính theo tích chất bề mặt của mỡ; - Lựa chọn crếp để làm phụ gia tăng nhiệt độ tuột của mỡ xà phòng liti (tăng 7,7 oC), tức là làm tăng khả năng bám dính theo tính chất độ bền khối của mỡ; - Với hàm lượng phụ gia crếp tối ưu khoảng 1,6% khối lượng trong mỡ sẽ đáp ứng cho các loại mỡ chịu mặn, chịu nhiệt, hướng ứng dụng trong môi trường khí hậu biển đảo Việt Nam. Hóa học N. V. Cành, "Nghiên cứu lựa chọn phụ gia, hàm lượng mỡ chịu mặn" 82 Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Thế Nghiêm, 1991, “Dầu mỡ bảo quản-làm việc”, Vật liệu và Kỹ thuật bảo quản trong quân đội ta, Trung tâm Thông tin KHKT quân sự, TCKT, Số 5- 1991, tr. 7-13 [2]. C. Kajdas (1993), Dầu mỡ bôi trơn, NXB KH & KT, Hà Nội, Tr. 17-19. [3]. Bill Herguth. (2002), Grease analysis monitoring grease serviceability and bearing condition, Herguth laboratories, Practicing oil analysis, pp. 20-26. [4]. Nguyễn Văn Cành (2012), Nghiên cứu chế tạo mỡ bảo quản-làm việc trên cơ sở chất làm đặc nanoclay biến tính hữu cơ và các phụ gia tương hợp, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Hà Nội. [5]. Vũ Tam Huề, Nguyễn Phương Tùng (2000), Hướng dẫn sử dụng nhiên liệu- dầu-mỡ, NXB KHKT, Hà Nội, Tr. 141-162; 264-282. [6]. ASTM (1995), Annual book of ASTM standards, vol 11, p. 12-56. [7]. Ronald L. Hughes and senior consultant (2009), Understanding the basics of grease, Reliabilities center, Inc, pp. 5-8. [8]. Bеликовский Д.C., Подубный B. H. (1986), Консистентные смазки, Издательство химия, Mосква, c.15-19. Abstract Study on seletion and optical weight of increased adhesion ability additives for salinity greases The article refers to the study on seletion and optical weight of increased adhesion ability additives for salinity greases used in the maritime climate of Vietnam to make ensure both capable of preservating and lublicating for greases, reinforce the maneuverability, combat readiness for military's weapons and equipment by do not cleaning and washing used greases. one of the increased adhesion ability additives is crepe-natural rubber. Research results on the crepe weight in salinity greases show that: with weight of about 1,52% KL crepe make significantly increasing adhesion ability, including specifications: slip temperature by GOST 6037-75 and methods for determining water washout by ASTM D1264. Keywords: Crepe, Adhesion ability, Salinity greases. Nhận bài ngày 24 tháng 10 năm 2013 Hoàn thiện ngày 26 tháng 12 năm 2013 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 01năm 2014 Địa chỉ: Viện Hóa học-Vật liệu, Viện KH-CN quân sự.