Lubricating oil additives

LUBRICATING OIL ADDITIVES TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ GVHD : TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG HV : PHÙNG THỊ CẨM VÂN MSHV : 10400166 HCM , 06/2011 NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN1 PHỤ GIA CHO DẦU NHỜN2 3 MỘT SỐ PHỤ GIA THƯƠNG MẠI CHO DẦU NHỜN 2 DẦU NHỜN  Dầu nhờn là loại dầu dùng để bôi trơn cho các động cơ. Dầu nhờn là hỗn hợp bao gồm dầu gốc và phụ gia, thường được gọi là dầu nhờn thương phẩm. 3 CHỨC NĂNG  Dầu nhờn được sử dụng với 5 chức năng cơ bản bao gồm giảm ma sát, làm sạch, làm kín, làm mát và bảo vệ bề mặt;  Để đảm bảo cho dầu nhờn có thể thực hiện tốt các chức năng trên thì dầu nhờn phải có phẩm chất tốt. Cụ thể là dầu nhờn phải có tính bám dính tốt, có độ nhớt thích hợp, có độ bền hóa học, cơ học, sinh học, không gây ăn mòn hóa học, tẩy rửa phân tán tốt các cặn muội sinh ra trong quá trình hoạt động của động cơ. 4 CHỨC NĂNG Chức năng giảm ma sát  Dầu nhờn tạo thành màng dầu mỏng phân tách 2 bề mặt vật liệu, làm giảm ma sát, chống mài mòn, giảm tổn thất công suất. 5 CHỨC NĂNG Chức năng làm sạch  Dầu nhờn rửa sạch mạt kim loại, bụi, cát sạn trong không khí, muội than và các chất nhiễm bẩn sinh ra trong quá trình làm việc của động cơ. Giữ cho động cơ luôn sạch, hạn chế hiện tượng mài mòn do các cặn bẩn.  Dầu nhờn ở trạng thái lỏng, chảy qua các bề mặt chuyển động và kéo theo các chất nhiễm bẫn và đưa về carter. 6 CHỨC NĂNG Chức năng làm mát  Dầu nhờn hấp thụ nhiệt từ các chi tiết động cơ do quá trình cháy và do ma sát. Nhiệt lượng này sau đó được chuyển ra ngoài. 7 CHỨC NĂNG Chức năng làm kín  Trong động cơ, tại vị trí piston-cylindre yêu cầu độ kín cao. Dầu nhờn có khả năng bám dính và tạo màng sẽ lấp kín các khe hở, ngăn ngừa tổn thất công suất, bảo đảm quá trình làm việc bình thường cho thiết bị. 8 CHỨC NĂNG Chức năng bảo vệ bề mặt  Trong quá trình hoạt động, do sự tiếp xúc của các tác nhân gây ăn mòn như ôxy, độ ẩm của không khí, khí thải hay khí cháy từ nhiên liệu đốt trong động cơ do vậy bề mặt vật liệu bị ôxy hóa hay bị ăn mòn.  Dầu nhờn sẽ tạo thành màng dầu mỏng bảo vệ các bề mặt kim loại khỏi các tác nhân gây ôxy hóa. 9 THÀNH PHẦN  Dầu nhờn thương phẩm là hỗn hợp của dầu gốc và phụ gia. Phụ gia được thêm vào với mục đích là giúp cho dầu nhờn thương phẩm có được những tính chất phù hợp với các chỉ tiêu đề ra mà dâu gốc không có được.  Dầu gốc là dầu thu được sau quá trình chế biến, xử lý, tổng hợp bằng các quá trình xử lý vật lý và hóa học.  Có 3 loại dầu gốc:  Dầu gốc động thực vật  Dầu gốc khoáng  Dầu gốc tổng hợp 10 PHÂN LOẠI DẦU NHỜN Phân loại theo tính năng  Phân loại theo tiêu chuẩn của Viện dầu mỏ Mỹ API (American Petroleum Institute).  Cấp S (Service): dầu nhờn cho động cơ xăng, bao gồm loại SA, SB, SC,… và SM.  Cấp C (Commercial): dầu nhờn cho động cơ diesel, bao gồm loại CA, CD, CC, CG, CH,…. và CI.  Càng về sau, chất lượng sản phẩm càng tốt do các nhà sản xuất phải thêm vào những chất phụ gia đặc biệt để thích nghi với những công nghệ động cơ mới. 11 PHÂN LOẠI DẦU NHỜN Phân loại theo độ nhớt  Các nhà sản xuất dầu nhớt thống nhất dùng cách phân loại của Hiệp hội kỹ sư ôtô Mỹ SAE (Society of Automotive Engineers). Các phân loại của SAE tùy thuộc vào sản phẩm dầu đó là đơn cấp hay đa cấp. Dầu đa cấp có độ nhớt thỏa mãn ở nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau còn dầu đơn cấp chỉ đáp ứng ở một nhiệt độ nào đó. 12 NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN1 PHỤ GIA CHO DẦU NHỜN2 3 MỘT SỐ PHỤ GIA THƯƠNG MẠI CHO DẦU NHỜN 13 PHỤ GIA  Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ, thậm chí là các nguyên tố, được thêm để nâng cao các tính chất riêng biệt cho dầu nhờn.  Thông thường, nồng độ mỗi loại phụ gia từ 0,01-5%. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp một phụ gia có thể được sử dụng ở khoảng nồng độ từ vài phần triệu đến trên 10%. 14 PHỤ GIA Yêu cầu chung của một loại phụ gia:  Dễ hòa tan trong dầu;  Không hoặc ít hòa tan trong nước;  Không bị phân hủy bởi nước và kim loại;  Không gây ăn mòn kim loại;  Không bị bốc hơi ở điều kiện làm việc;  Không làm tăng tính hút ẩm của dầu;  Hoạt tính có thể kiểm tra được;  Không độc hoặc ít độc, rẻ tiền, dễ kiếm. 15 VAI TRÒ PHỤ GIA Vai trò của phụ gia  Làm tăng độ bền oxy hoá (phụ gia chống oxy hoá).  Ngăn chặn hiệu ứng xúc tác của kim loại trong quá trình oxy hoá và ăn mòn (chất khử hoạt tính kim loại).  Chống ăn mòn (chất ức chế ăn mòn).  Chống gỉ (chất ức chế gỉ).  Chống sự tạo cặn bám và cặn bùn (phụ gia tẩy rửa).  Giữ các tạp chất bẩn ở dạng huyền phù (phụ gia phân tán).  Tăng chỉ số độ nhớt (phụ gia tăng chỉ số độ nhớt).  Giảm nhiệt độ đông đặc (phụ gia làm giảm nhiệt độ đông đặc). 16 VAI TRÒ PHỤ GIA Vai trò của phụ gia (tt)  Làm dầu có thể trộn lẫn với nước (phụ gia tạo nhũ).  Chống tạo bọt (phụ gia chống tạo bọt).  Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật (phụ gia diệt khuẩn).  Làm cho dầu có khả năng bám dính tốt (tác nhân bám dính).  Tăng khả năng làm kín (tác nhân làm kín).  Làm giảm ma sát (phụ gia giảm ma sát).  Làm giảm và ngăn chặn sự mài mòn (phụ gia chống mài mòn).  Chống sự kẹt xước bề mặt kim loại (phụ gia cực áp). 17 VAI TRÒ PHỤ GIA Một số phụ gia sử dụng cho dầu nhờn động cơ(tt) 18 Dầu nhờn động cơ Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt Phụ gia ức chế oxy hoá Phụ gia tẩy rửa Phụ gia phân tán Chất ức chế ăn mòn Chất ức chế gỉ Phụ gia chống mài mòn Phụ gia biến tính giảm ma sát Chất hạ điểm đông Chất ức chế tạo bọt 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa  Hầu hết các thành phần trong dầu nhờn đều tác dụng nhanh hoặc chậm với ôxy tạo thành quá trình ôxy hóa. Khả năng bền oxy hóa của các hợp chất hydrocarbon tăng dần theo thứ tự: Hydrocarbon không no < Hợp chất dị nguyên tố < Hydrocarbon thơm < Naphten < Parafin.  Tốc độ của quá trình ôxy hóa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như bản chất của dầu gốc, nhiệt độ, hiệu ứng xúc tác của kim loại, nồng độ oxy. 19 Cơ chế phản ứng oxy hóa theo 3 giai đoạn  Giai đoạn khơi mào: xảy ra chậm và đòi hỏi năng lượng RH + O2  2R* + H2O2  Giai đoạn phát triển mạch: xảy ra nhanh, phản ứng chuỗi R* + O2  ROO* ROO* + RH  ROOH + R* ROOH  RO* + HO* RO* + RH  ROH + R* HO* + RH  H2O + R* 2ROOH  ROO* + RO* + H2O ……… 20 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa Cơ chế phản ứng oxy hóa theo 3 giai đoạn  Giai đoạn tắt mạch: các gốc tự do kết hợp với nhau tạo ra các sản phẩm bền khác nhau: R* + R*  R-R (Hydrocarbon nặng hơn) ROO* + R*  ROOR (Sản phẩm oxy hóa không hoạt động) ROO* + ROO*  R’O + R”OH + O2 (chủ yếu)  Dựa vào cơ chế phản ứng oxy hóa phân loại phụ gia chống oxy hóa thành:  Phụ gia chống oxy hóa theo cơ chế gốc  Phụ gia phân hủy 21 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa Phụ gia chống oxy hóa theo cơ chế gốc  Nguyên tắc: sử dụng các chất có khả năng phản ứng với các gốc tự do tạo thành các sản phẩm bền, ngăn chặn và ức chế giai đoạn phát triển mạch. Phụ gia này được xem là phụ gia chống oxy hóa sơ cấp.  Cơ chế: nhường một nguyên tử H cho gốc ankyl hoặc gốc ankyl peroxit làm gián đoạn cơ chế phát triển mạch của quá trình oxy hóa dầu. R* + InhH  RH + Inh* Inh* + R*  InhR (bền)  Phụ gia chống oxy hóa sơ cấp được sử dụng pha chế vào dầu nhờn là các dẫn xuất của phenol và amin thơm. 22 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa  Hợp chất Phenol R1, R3: Gốc tert-butyl (CH3)3C- R2 : CH3 hoặc nhánh dài 23 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa  Hợp chất Phenol 24 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa  Hợp chất Amin thơm 25 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa  Hợp chất Amin thơm 26 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa Phụ gia phân hủy  Cơ chế: phân huỷ các hydroperoxit tạo các sản phẩm bền. Phụ gia phân hủy được xem như là chất chống oxy hóa thứ cấp.  Các chất chống oxi hóa thứ cấp thường được sử dụng là Zinc dialkyldithiophosphate (ZnDTP), phosphites, và các thio khác… 27 2.1. Phụ gia ức chế oxy hóa  Trong quá trình sử dụng, dầu nhờn có thể bị oxy hóa, làm giảm tính nhớt nhiệt và khoảng nhiệt độ làm việc rộng  Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt.  Phụ gia cải thiện chỉ số đột nhớt làm tăng độ nhớt của dầu ở nhiệt độ cao và hầu như không làm tăng độ nhớt của dầu ở nhiệt độ thấp. 28 2.2. Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt  Phụ gia có trọng lượng phân tử từ 10.000 đến 50.000 đvC, nhưng tốt nhất từ 50.000 đến 150.000. Các phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt chia thành hai dạng cơ bản.  Dạng hydrocacbon: các copolyme etylen–propylen, polyisobutylen, copolime styren–butadien đã hydro hoá.......  Dạng este: các polime metacrylat, polyacrylat và các copolime của este styrenmaleic. 29 2.2. Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt  Trong quá trình làm việc, các bề mặt kim loại tiếp xúc với dầu nhờn rất dễ bị ăn mòn bởi các tác nhân có tính axit  Phụ gia ức chế ăn mòn.  Cơ chế: Phụ gia ức chế ăn mòn sẽ hấp phụ lên bề mặt kim loại tạo thành màng bảo vệ. Màng bảo vệ này sẽ dính chặt lên bề mặt kim loại, bảo vệ kim loại khỏi các tác nhân gây ăn mòn. Đồng thời màng này còn có tác dụng thụ động hóa kim loại.  Các phụ gia ức chế ăn mòn điển hình là ZnDDP, Limonen sunfua, pinen photphosunfua, benzothiazol,… 30 2.3. Phụ gia ức chế ăn mòn  Trong quá trình làm việc, dầu có thể bị lẫn hoặc có mặt các tạp chất, làm bề mặt kim loại bị gỉ.  Cơ chế: phụ gia có tác dụng bằng cách phủ lên bề mặt sắt hoặc thép một màng đẩy nước. Các phân tử phụ gia phải hấp phụ tốt trên bề mặt sắt và tạo ra một màng bền vững.  Các phụ gia điển hình có thể sử dụng làm phụ gia ức chế gỉ là axit ankyl suxinic, amin photphat, sunfonat, alkylthioaxetic,… 31 2.4. Phụ gia ức chế gỉ  Trong quá trình hoạt động, có các cặn bẩn trong động cơ  Hậu quả:  Ăn mòn và mài mòn các chi tiết kim loại, giảm độ bền;  Làm đặc dầu, giảm khả năng bôi trơn;  Lắng đọng lên bề mặt kim loại,  Làm tổn hao công suất 32 2.5. Phụ gia tẩy rửa và Phụ gia phân tán  Vai trò của phụ gia tẩy rửa và Phụ gia phân tán:  Phụ gia tẩy rửa: hấp phụ lên cặn bẩn và lôi kéo chúng ra khỏi bề mặt kim loại, tẩy sạch cặn bẩn khỏi bề mặt kim loại;  Phụ gia phân tán: hấp phụ lên cặn bẩn làm cặn bẩn lơ lững trong dầu, làm cặn bẩn không tụ được với nhay, giảm khả năng lắng đọng lên bề mặt kim loại;  Trung hòa các hợp chất axit sinh ra: tính bazo của phụ gia. 33 2.5. Phụ gia tẩy rửa và Phụ gia phân tán  Các Phụ gia tẩy rửa thông dụng: Tác nhân quan trọng nhất có tính rửa là các phụ gia chứa kim loại, bao gồm:  Sunfonat (canxi sunfonat trung tính, canxi sunfonat kiềm, canxisunfonat kiềm và canxi sunfonat kiềm cao)  Phenolat  Salixylat  Photphonat 34 2.5. Phụ gia tẩy rửa và Phụ gia phân tán  Các phụ gia phân tán thông dụng là ankenyl polyamin suxinimit, ankylhydroxybenzyl polyamin... Các phụ gia phân tán có cấu tạo gồm ba phần cơ bản: nhóm ưa dầu và nhóm phân cực, hai phần được nối với nhau bằng nhóm nối.  Nhóm ưa dầu thường là các hydrocacbon mạch dài giúp cho phụ gia có thể tan tốt trong dầu gốc được sử dụng.  Nhóm phân cực thường chứa các nguyên tố N, O, hoặc P. 35 2.5. Phụ gia tẩy rửa và Phụ gia phân tán  Dầu gốc khoáng có thể chứa sáp. Khi dầu bôi trơn được sử dụng hay bảo quản trong môi trường nhiệt độ thấp, sáp sẽ kết tinh thành các tinh thể và ngăn cản sự chảy của dầu  cần sử dụng phụ gia hạ điểm đông đặc; 36 2.6. Phụ gia hạ điểm đông đặc  Chức năng của Phụ gia hạ điểm đông đặc (PPD): làm chậm quá trình tạo thành các tinh thể có kích thước lớn của parafin rắn, nhờ chúng bao bọc xung quanh hoặc cùng kết tinh với parafin, do đó chỉ tạo ra các tinh thể nhỏ. 37 2.6. Phụ gia hạ điểm đông đặc  Một vài PPD 38 2.6. Phụ gia hạ điểm đông đặc  Chức năng của Phụ gia chống tạo bọt:  Chống lại tác dụng phụ của phụ gia tẩy rửa (xà phòng tạo bọt);  Duy trì độ nhớt của màng dầu: quá nhiều bọt khí làm giảm khả năng bôi trơn;  Tránh mài mòn do hiện tượng khí xâm thực: cải thiện sự tách không khí;  Tránh sự sụt áp suất dầu khi bơm;  Tránh mất mát dầu do sự tràn 39 2.7. Phụ gia chống tạo bọt  Đặc trưng của phụ gia chống tạo bọt:  Hòa tan ít trong dầu: hợp chất có cực.  Đủ hòa tan để phân tán trong dầu: có nhánh dài.  Có sức căng bề mặt nhỏ hơn so với dầu.  Các hợp chất phổ biến:  Polymethysilixane: 10-15ppm (R1, R2 = CH3 hoặc C3H7) 40 2.7. Phụ gia chống tạo bọt NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN1 PHỤ GIA CHO DẦU NHỜN2 3 MỘT SỐ PHỤ GIA THƯƠNG MẠI CHO DẦU NHỜN 41 Một số phụ gia thương mại cho dầu nhờn 42 Một số phụ gia thương mại cho dầu nhờn 43