Nghiên cứu sự ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất của mỡ được chế tạo trên cơ sở chất làm đặc nano silica/hexametyldisilazan - Nguyễn Sơn Nam

Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. S. Nam, L. Q. Tuấn, L. T. Sơn, “Nghiên cứu sự ảnh hưởng hexametyldisilazan.” 178 NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA MỠ ĐƯỢC CHẾ TẠO TRÊN CƠ SỞ CHẤT LÀM ĐẶC NANO SILICA/HEXAMETYLDISILAZAN Nguyễn Sơn Nam1*, Lê Quang Tuấn2, Lê Thanh Sơn3 Tóm tắt: Mỡ trên cơ sở chất làm đặc nano silica hiện nay đã và đang được quan tâm nghiên cứu và đưa vào ứng dụng. Trong đó, các nghiên cứu về phụ gia cho loại mỡ này là nhiệm vụ quan trọng trong quá trình chế tạo mỡ. Nội dung bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số loại phụ gia đến tính chất của mỡ trên cơ sở chất làm đặc nano silica biến tính hữu cơ. Các phụ gia được khảo sát bao gồm: phụ gia giảm mài mòn, chống xước (tricrezyl photphat); phụ gia bảo vệ, chống ăn mòn kim loại (P89); phụ gia chống oxi hóa (diphenylamin). Chất lượng mỡ được đánh giá thông qua một số phương pháp đo như: đo độ bền sương muối, đo độ bền chống oxi hóa và đo khả năng giảm mài mòn, chống xước. Từ khóa: Silica thickener, Grease, Modification, Additives. 1. MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật là sự xuất hiện của các loại máy móc, trang thiết bị. Với thực tế đó, nhu cầu về vật liệu bôi trơn, bảo vệ đối với các loại trang thiết bị này ngày càng đòi hỏi cao hơn về chất lượng cũng như sự đa dạng hóa về chủng loại. Để cải thiện một số tính chất của mỡ bôi trơn chống ăn mòn kim loại, cần phải bổ sung vào mỡ một số loại phụ gia nhằm nâng cao tính chất sử dụng của mỡ [1]. Chính vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của các loại phụ gia đối với một số hệ mỡ bôi trơn là rất cần thiết. Hiện nay, để chế tạo mỡ, ngoài các chất làm đặc là các chất gốc xà phòng, nhiều nhà khoa học đã và đang nghiên cứu sử dụng các chất làm đặc là vật liệu vô cơ thể rắn, mang đặc tính phân tán cao. Trong đó, silica biến tính hữu cơ là một hợp chất điển hình [6]. Để chế tạo mỡ trên cơ sở chất làm đặc silica, việc lựa chọn phụ gia là vấn đề quan trọng cần được quan tâm nghiên cứu. Muốn lựa chọn phụ gia, ngoài yếu tố về chất lượng còn cần quan tâm đến khả năng tương hợp của các loại phụ gia đến tính chất của mỡ. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về phụ gia cho thêm vào mỡ với thành phần là dầu khoáng và chất làm đặc nano silica còn rất ít [5]. Do vậy, nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của một số phụ gia đến tính chất của mỡ như: phụ gia giảm mài mòn, chống xước (tricrezyl photphat); phụ gia bảo vệ, chống ăn mòn kim loại (P89); phụ gia chống oxi hóa (diphenylamin) [1]. Về mặt lý thuyết, các phụ gia được lựa chọn như hexametyldisilazan, P89, tricrezyl photphat đều là các hợp chất hữu cơ tan tốt trong mỡ. Bên cạnh đó, các phụ gia này đều mang tính kiềm nên chúng không tạo phản ứng hóa học với nhau. Trên thực tế, để đánh giá được sự ảnh hưởng của các phụ gia đối với tính chất của mỡ thì cần thực hiện một số nghiên cứu như xác định độ ổn định oxi hóa, khảo sát khả năng bảo vệ chống ăn mòn kim loại và xác định được mức độ giảm mài mòn, chống xước. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu, hóa chất Nano silica sử dụng làm chất làm đặc cho mỡ được chế tạo từ vỏ trấu, sau đó biến tính bằng hexametyldisilazan (đã được khảo sát riêng) [3]; sản phẩm sau biến tính có kích thước khoảng (40  50) nm, diện tích bề mặt riêng trên 100 m2/g. Dầu SN500 là phân đoạn dầu nặng, sôi trong khoảng (450 ÷ 500) oC [4]. Phụ gia tricrezyl photphat do hãng Merck của Đức sản xuất. Phụ gia P89 là hợp chất dầu nitro hóa, oxi hóa do Viện Hóa học - Vật liệu / Viện Khoa học và Công nghệ quân sự chế tạo [2]. Hexametyldisilazan do hãng Merck của Đức sản xuất. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 179 2.2. Chế tạo mỡ trên cơ sở chất làm đặc nano silica biến tính hữu cơ và các phụ gia tương hợp Lấy 770g dầu SN500 vào bình chế tạo mỡ chuyên dụng có dung tích 3 lít. Tiếp tục bổ sung 190g silica biến tính bằng hexametyldisilazan (HMDS) kết hợp với khuấy trộn ở nhiệt độ phòng trong thời gian 30 phút, tốc độ khuấy 90 vòng/phút. Sau khi hỗn hợp đồng nhất, nâng nhiệt độ của hỗn hợp lên 200oC, khuấy và giữ ở nhiệt độ này trong thời gian 3 giờ đến khi hỗn hợp keo hóa hoàn toàn. Hạ nhiệt độ xuống 110oC, khuấy và phối trộn thêm phụ gia với các hàm lượng khác nhau. Phụ gia sử dụng gồm: phụ gia chống oxi hóa (hexametyldisilazan); phụ gia giảm mài mòn, chống xước (tricrezyl photphat); phụ gia bảo vệ, chống ăn mòn kim loại (P89). Cuối cùng làm nguội, ổn định và tạo cấu trúc mỡ đồng nhất ở 25oC trong thời gian 40 đến 48 giờ. Trong quá trình khuếch tán và tăng nhiệt độ, hỗn hợp cần luôn được khuấy trộn tránh bị quá nhiệt cục bộ làm phá vỡ cấu trúc hệ thống gel vừa được tạo ra. 2.3. Các phương pháp và thiết bị nghiên cứu Để đánh giá hiệu quả của phụ gia chống ăn mòn kim loại khi bổ sung vào mỡ, phương pháp đo độ bền sương muối theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7699-2-52: 2007 được áp dụng trong nghiên cứu này. Phương pháp thử nghiệm trên thiết bị Erichsen của Đức. Hiệu quả bảo vệ kim loại của P89 được nghiên cứu khảo sát thông qua mối quan hệ giữa hàm lượng phụ gia P89 và hiệu quả bảo vệ kim loại trên các mẫu kim loại thép (CT3), đồng, nhôm phủ mỡ. Điều kiện thử nghiệm áp dụng mức khắc nghiệt 3, gồm 4 chu kỳ phun (1 chu kỳ = 24 giờ). Trong mỗi chu kỳ, phun sương muối liên tục trong 2 giờ, sau đó lưu trữ bảo quản ẩm từ (20 ÷ 22) giờ. Sau 4 chu kỳ phun sương muối là giai đoạn bảo quản 3 ngày trong điều kiện khí quyển tiêu chuẩn thử nghiệm, nhiệt độ (23 ± 2) oC, độ ẩm từ (45 ÷ 55) %. Độ bền chống oxi hóa của mỡ được xác định thông qua phép thử ở trạng thái tĩnh, theo tiêu chuẩn ASTM D942, trên thiết bị do hãng Koehler - Đức chế tạo. Để khảo sát sự ảnh hưởng của phụ gia hexametyldisilazan tới độ ổn định oxi hóa của mỡ, phụ gia hexametyldisilazan đã được thêm vào với các nồng độ thay đổi từ 0,1 đến 0,5% khối lượng mỡ. Thử nghiệm ở điều kiện: nhiệt độ 99oC (210 oF); tốc độ gia nhiệt 1oC/phút; áp suất nạp oxi ban đầu 110 psi (758,4 kPa); nồng độ oxi tối thiểu đạt 99,5% độ tinh khiết; thời gian thử 100 giờ. Trong quá trình thử nghiệm, các thành phần dầu gốc và chất làm đặc trong mỡ sẽ bị oxi hóa, khi đó mỡ sẽ bị khô cứng lại, đổi màu và tạo nhựa. Sự oxi hóa này sẽ làm giảm áp suất của hệ thử nghiệm. Do vậy, nếu mỡ có độ giảm áp suất thấp sẽ thể hiện khả năng chống oxi hóa cao, đồng nghĩa với độ bền oxi hóa cao và ngược lại. Khả năng giảm mài mòn, chống xước của mỡ là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhằm xác định khả năng bôi trơn của mỡ. Phương pháp căn cứ theo tiêu chuẩn ASTM D 2266 trên thiết bị của hãng Koehler - Đức chế tạo. Trong phép thử, mẫu mỡ được bổ sung phụ gia tricrezyl photphat với các nồng độ thay đổi từ (0,1 ÷ 0,5) % khối lượng. Hàm lượng phụ gia được xác định trên cơ sở mức độ mài mòn thấp nhất trên thiết bị đo mài mòn 4 bi. Các phép đo trên được tiến hành tại Viện Hóa học Vật liệu/Viện Khoa học Công nghệ quân sự và Phòng hóa nghiệm xăng dầu - Học viện Hậu cần. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Sự ảnh hưởng của phụ gia chống oxi hóa diphenylamin Theo tiêu chuẩn ASTM D942, nếu ở cùng điều kiện đo, mỡ có độ giảm áp suất thấp sẽ có khả năng chống oxi hóa cao. Kết quả đưa ra trên bảng 1 cho thấy, khi không sử dụng phụ gia, độ giảm áp suất của mỡ ở mức tương đối nhỏ (6 psi). Sự bền oxi hóa của mỡ được cho rằng, khác với mỡ chế tạo từ xà phòng kim loại dễ bị oxi hóa, mỡ trên cơ sở chất làm đặc nano silica biến tính hữu cơ có tính bền vững hơn nhiều. Mỡ có các tính chất đặc biệt như độ ổn định nhiệt độ và khả năng chống oxi hóa cao. Chính vì vậy, mặc dù chưa bổ Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. S. Nam, L. Q. Tuấn, L. T. Sơn, “Nghiên cứu sự ảnh hưởng hexametyldisilazan.” 180 sung phụ gia chống oxi hóa thì các loại mỡ này đã khá bền vững trong môi trường bị oxi hóa. Khi bổ sung phụ gia hexametyldisilazan vào mỡ với một lượng rất nhỏ (0,1 % khối lượng), độ giảm áp suất của mỡ đã có sự thay đổi đáng kể (giảm 4,2 psi). Điều đó chứng tỏ, hexametyldisilazan là một phụ gia có vai trò quan trọng trong việc ổn định tính oxi hóa cho mỡ. Tiếp tục tăng hàm lượng hexametyldisilazan lên, độ giảm áp suất của mỡ tiếp tục giảm đi. Với khoảng 0,4% khối lượng hexametyldisilazan thì áp suất giảm 2 psi (13,8 kPa). Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng hàm lượng hexametyldisilazan lên trên 0,4% khối lượng, độ giảm áp suất của mỡ không có sự thay đổi nữa. Từ các kết quả nghiên cứu trên, đã lựa chọn phụ gia hexametyldisilazan làm tác nhân chống oxi hóa cho mỡ với hàm lượng 0,4% khối lượng là phù hợp. Bảng 1. Độ giảm áp suất của mỡ khi sử dụng phụ gia diphenylamine. STT Hàm lượng diphenylamin, % khối lượng Độ giảm áp suất, psi Giới hạn độ giảm áp suất, psi 01 0 6,0 5,0 02 0,1 4,2 5,0 03 0,2 3,1 5,0 04 0,3 2,2 5,0 05 0,4 2,0 5,0 06 0,5 2,0 5,0 3.2. Sự ảnh hưởng của phụ gia bảo vệ, chống ăn mòn kim loại P89 Đối với các loại mỡ bôi trơn chống ăn mòn kim loại nói chung, yếu tố bảo vệ bề mặt kim loại, chống lại sự tạo gỉ là một yếu tố quan trọng mà mỡ cần phải đạt được. Kết quả đo sự ảnh hưởng của phụ gia bảo vệ, chống ăn mòn kim loại được đưa ra trên bảng 2. Bảng 2. Khả năng bảo vệ kim loại thép (CT3), đồng, nhôm của mỡ với hàm lượng phụ gia P89 khác nhau. STT Hàm lượng P89, % khối lượng Kim loại Thép Đồng Nhôm Mức khắc nghiệt 3, % gỉ Ghi chú Mức khắc nghiệt 3, % gỉ Ghi chú Mức khắc nghiệt 3, % gỉ Ghi chú 1 0,0 90 Mỡ chuyển màu 90 Mỡ chuyển màu 85 Mỡ chuyển màu 2 0,5 45 Mỡ chuyển màu 40 Mỡ chuyển màu 35 Mỡ chuyển màu 3 1,0 30 Mỡ ít biến đổi màu 25 Mỡ ít biến đổi màu 15 Mỡ ít biến đổi màu 4 1,5 5 Mỡ ít biến đổi màu <5 Mỡ ít biến đổi màu Không gỉ Mỡ không biến đổi màu 5 2,0 không gỉ Mỡ không biến đổi màu Không gỉ Mỡ không biến đổi màu Không gỉ Mỡ không biến đổi màu 6 2,5 không gỉ Mỡ không biến đổi màu Không gỉ Mỡ không biến đổi màu Không gỉ Mỡ không biến đổi màu Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 181 Sau quá trình thử nghiệm theo mức khắc nghiệt 3. Bề mặt màng phủ trên các mẫu phủ màng mỡ không phụ gia trên thép CT3 bị ăn mòn nhiều, mức độ gỉ rất cao (90%), bề mặt lớp mỡ bị thay đổi màu sắc. Thử nghiệm khả năng bảo vệ của mỡ không có phụ gia P89 trên kim loại đồng và nhôm cũng cho kết quả tương tự. Tuy nhiên, nhôm có mức độ gỉ thấp hơn (85%). Khi tiến hành pha phụ gia P89 vào mỡ với hàm lượng rất nhỏ (0,5% khối lượng), thấy hiệu quả bảo vệ tăng lên rõ rệt, mẫu thép có mức độ gỉ là 45 %, mẫu đồng gỉ 40%, mẫu nhôm có mức độ gỉ thấp nhất là 35%. Tiếp tục tăng nồng độ P89 lên thì mức độ gỉ giảm đi nhiều. Tuy vậy, các mẫu mỡ có pha phụ gia ở nồng độ trên 0,5% đến 1,5% vẫn thấy có xuất hiện gỉ ở các mức độ khác nhau. Mức độ gỉ trên thép là cao nhất, tiếp theo đến đồng và thấp nhất là nhôm. Ở hàm lượng phụ gia là 1% khối lượng, mẫu thép có mức độ gỉ vẫn cao (30%). Tuy nhiên, khi hàm lượng phụ gia là 1,5% khối lượng, mức độ gỉ giảm đi rất nhiều (≤ 5%). Các mẫu kim loại phủ mỡ có chứa 2% khối lượng phụ gia P89 trở lên không thấy hiện tượng ăn mòn, bề mặt lớp mỡ không bị thay đổi màu sắc. Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy, khi bổ sung phụ gia P89 vào mỡ silica, khả năng chống ăn mòn kim loại của mỡ tăng lên rõ rệt. Tuy nhiên, hiệu quả bảo vệ trên các kim loại là khác nhau. Khi hàm lượng P89 là 2% về khối lượng, hiệu quả bảo vệ kim loại đạt tối ưu. Vậy có thể sử dụng P89 làm phụ gia chống ăn mòn kim loại cho mỡ trên cơ sở chất làm đặc nano silica biến tính hữu cơ. 3.3. Sự ảnh hưởng của phụ gia tricrezyl photphat Hình 1. Sự ảnh hưởng của phụ gia tricrezyl photphat đến độ giảm mài mòn, chống xước trên thép - thép của mỡ. Kết quả khảo sát khả năng chống mài mòn cho thấy, sau khi phối trộn phụ gia, các loại mỡ tạo thành một hệ đồng nhất, cảm quan bề mặt mỡ mịn, chứng tỏ khả năng tương hợp cao. Với sự có mặt của phụ gia tricrezyl photphat, tốc độ mài mòn giảm đi, quá trình hàn dính pha rắn giảm, hình thành màng mềm hơn so với bề mặt vật liệu. Số liệu thực nghiệm cho biết, khi chưa có phụ gia, đường kính vết mài mòn là 1,71mm. Sau khi bổ sung phụ gia với hàm lượng 0,1% khối lượng, đường kính vết mài mòn giảm xuống còn 1,2mm. Tiếp tục tăng hàm lượng phụ gia lên, đường kính vết mài mòn tiếp tục giảm đi, ở hàm lượng khoảng 0,4% khối lượng, đường kính vết mài mòn giảm còn 0,55mm. Tiến hành khảo sát khi tăng tiếp hàm lượng phụ gia tricrezyl photphat lên trên 0,5%, thấy tốc độ mài mòn có giảm thêm nhưng rất nhỏ, gần như không thay đổi (hình 1). Như vậy, phụ gia tricrezyl photphat là phụ gia có tính tương hợp tương đối cao khi cho vào mỡ. Sự tương hợp này là do trong thành phần của chúng có chứa các nhóm alkyl nên chúng dễ dàng phân tán trong môi trường mỡ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm lượng thích hợp để bổ sung vào mỡ là 0,4% khối lượng. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. S. Nam, L. Q. Tuấn, L. T. Sơn, “Nghiên cứu sự ảnh hưởng hexametyldisilazan.” 182 4. KẾT LUẬN Đã nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của một số loại phụ gia đến tính chất của mỡ bôi trơn chống ăn mòn kim loại được chế tạo trên cơ sở chất làm đặc nano silica biến tính hữu cơ. Các nghiên cứu được thực hiện trên các hệ mỡ với các phụ gia cơ bản như phụ gia chống oxi hóa (hexametyldisilazan), phụ gia giảm mài mòn, chống xước (tricrezyl photphat) và phụ gia bảo vệ, chống ăn mòn kim loại (P89). Kết quả nghiên cứu cho thấy, các phụ gia thêm vào đều có tính tương hợp với mỡ cao, cải thiện được các tính chất quan trọng của mỡ. Cụ thể, hàm lượng các phụ gia được lựa chọn là: phụ gia hexametyldisilazan 0,4%, phụ gia P89 2%, phụ gia tricrezyl photphat 2%. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng của mỡ trên các trang thiết bị, máy móc làm việc ở các điều kiện khắc nghiệt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. C. Kajdas, “Dầu mỡ bôi trơn”, NXB Khoa học và Kỹ thuật (1993), tr. 17-19. [2].Kartal A. M, Can Erkey, “Surface modification of silica aerogels by hexamethyldisilazane - carbon dioxide mixtures and their phase behavior”, The Journal of Supercritical Fluids 53 (2010), pp. 115-120. [3]. Ronald L. Hughes and senior consultant, “Understanding the basics of grease”, Reliabilities center, Inc (2009), pp. 5-8. [4]. В. М Школьникова, “топлива смазочные материалы технические жидкости”, Издателъский центр “ТЕХИНФОРМ” Междунардной Академии Информатизации (1999), с. 306-307. [5]. Ю.Л Ищук, “Технология пластичных Смазок”, Киев Наукова Думка (1986), c. 74-78. ABSTRACT A STUDY ON THE EFFECT OF SEVERAL ADDITIVES ON THE CHARACTERISTICS OF NANOSILICA-BASED GREASE Nanosilica grease has been a great concern in the research as well as application. The study of additives of this grease constitutes a crucial step in grease production generally. In this paper, we studied on effects of several additives on the characteristics of grease based on modified organic nanosilica. There are anti- wear, anti-scratch additive (tricresyl phosphate), antioxidant additive (diphenylamine) and metal corrosion, protection additive (P89) conducted in this research. The quality of grease is evaluated through several methods such as salt spray test, measurements of antioxidant activities, anti-wear and anti-scratch ability. Keywords: Silica thickener; Grease; Modification; Additives. Nhận bài ngày 17 tháng 01 năm 2018 Hoàn thiện ngày 25 tháng 3 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018 Địa chỉ: 1 Khoa Khoa học Cơ bản / Học viện Hậu cần; 2 Viện Hóa học – Vật liệu / Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 3 Khoa Hóa học / Trường Đại học Khoa học Tự nhiên / ĐHQGHN. * Email: nguyensonnam71@gmail.com.