Tiểu luận Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt cho dầu nhờn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ MÔN HỌC: PHỤ GIA NHIÊN LIỆU DẦU KHÍ Tiểu luận PHỤ GIA TĂNG CHỈ SỐ ĐỘ NHỚT CHO DẦU NHỜN GV: TS.NGUYỄN HỮU LƯƠNG HV: NGUYỄN HUỲNH HƯNG MỸ MSHV: 10400159 TP.HỒ CHÍ MINH, 6/ 1/11 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CHỈ SỐ ĐỘ NHỚT I.1. Khái niệm chỉ số độ nhớt Chỉ số độ nhớt (VI): Là sự thay đổi độ nhớt của dầu nhờn trong khoảng nhiệt độ cho trước. - Dầu nhờn có độ nhớt biến đổi lớn theo nhiệt độ thì VI thấp. - Dầu nhờn có độ nhớt biến đổi nhỏ theo nhiệt độ thì VI cao. Hình 1: Đồ thị biểu diễn độ nhớt theo nhiệt độ Trong đồ thị ASTM (bên dưới), độ dốc của đường thẳng biểu thị độ nhớt so với nhiệt độ chỉ ra tính chất của VI. - Đường dốc nhiều (cao): thì VI thấp - Đường dốc ít (thấp): thì VI cao 2/11 Hình 2: Đồ thị ASTM biểu diễn độ nhớt theo nhiệt độ (Nguồn: G.W Stachowiak, Engineering Trybology, Second edition, 2001) I.2. Quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ: I.2.1. Quan hệ giữa độ nhớt động lực học và nhiệt độ: - Phương trình Andrade (Arrhennius):  = A  exp (B/T) hay phương trình tương đương ln  = ln A + B/T Trong đó: : là độ nhớt động lực học (mPa.s); A, B: là các hằng số ; T : là nhiệt độ (oK). I.2.2. Quan hệ giữa độ nhớt động học và nhiệt độ: - Phương trình Walther vả Mac Coull:  + a = A  exp (B/Tn) Trong đó: : là độ nhớt động học; T: là nhiệt độ (oK); a: là hằng số, a > 0,6 nếu  > 1,5 mm2/s; 3/11 A: là hệ số phụ thuộc vào đơn vị của  (A=1 nếu  là mm2/s); B, n: là hệ số đặc trưng cho chất lỏng. Hay phương trình: log (( + a)/A) = B’/Tn Và phương trình: lglg (( + a)/A) = lg B’ - nlgT Thay A = 1 và lgB’ = b, ta được: lglg ( + a) = b - nlgT - Phương trình ASTM trở thành: lglg Z = A - BlgT Trong đó : Z =  + 0,7 + C - D + E - F + G - H; : là độ nhớt động học (mm2/s); A, B: là các hằng số; C, D, E, F, G và H : là các hệ số phụ thuộc vào . Theo tiêu chuẩn ASTM D341, đối với dầu bôi trơn: Z =  + 0,7 - Phương trình ASTM tương đương: lglg ( + 0,7) = A - BlgT, có đồ thị biểu diễn như hình bên dưới. 4/11 I.3. Xác định chỉ số độ nhớt VI: Khi so sánh sự thay đổi độ nhớt của dầu theo nhiệt độ với sự thay đổi độ nhớt của 2 loại dầu chuẩn o Loại dầu L có VI = 0 (Ví dụ: dầu naphten) o Loại dầu H có VI = 100 (Ví dụ: dầu paraffin) Loại dầu VI Độ nhớt động học,  40oC 100oC Dầu H 100 H Y Dầu L 0 L Y Theo quy ước có 2 điều kiện sau:  Khi Y < 2 cSt: thì không thể xác định được VI;  Khi 2  Y  70 cSt, ta xét 2 trường hợp:  Nếu 0 < VI < 100: L = 0,8353 Y2 + 14,67 Y – 216 H = 0,1684 Y2 + 11,85 Y – 97  VI = (L - U)  100/(L - H)  Nếu VI  100: H = 0,1684 Y2 + 11,85 Y – 97  VI = (10N - 1)/0,00715 + B với N = (lgH - lg U)/lgY. 5/11 Tóm lại, để đảm bảo các phương tiện vận hành tốt trong thời tiết nhiệt độ thấp, dầu nhờn phải có độ nhớt ít biến đổi khi thay đối nhiệt độ. Vậy làm thế nào để có dầu nhờn có VI cao, trong thương mại người ta sử dụng một số phương pháp sau: - Phải chọn dầu gốc có VI cao. - Phải thêm phụ gia cải thiện tăng cường độ nhớt (VII – Viscosity Index Improver). - Hoặc phải phối hợp cả hai phương pháp nói trên. 6/11 PHẦN II PHỤ GIA TĂNG CHỈ SỐ ĐỘ NHỚT Dầu nhờn thương phẩm để sử dụng cho mục đích bôi trơn là hỗn hợp của dầu gốc và phụ gia. Do đó, chất lượng của dầu bôi trơn ngoài sự phụ thuộc rất nhiều vào dầu gốc, nó còn phụ thuộc vào phụ gia. Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, vô cơ, thậm chí là những nguyên tố hóa học được thêm vào chất bôi trơn, nhằm nâng cao hay mang lại những tính chất mong muốn. Thông thường, hàm lượng phụ gia đưa vào là 0,01 – 5%, trong một số trường hợp phụ gia được dùng từ vài phần triệu cho đến vài phần trăm. Do là những hợp chất hoạt động, vì vậy khi tồn tại trong dầu phụ gia có thể tác dụng với nhau và làm mất chức năng của dầu nhờn. Ngược lại, chúng cũng có thể tác động tương hỗ với nhau tạo ra một tính chất mới có lợi cho dầu nhờn, do đó việc phối trộn các phụ gia cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng để loại trừ những hiệu ứng đối kháng và nâng cao tính tác động tương hỗ. Sự tác động tương hỗ giữa phụ gia và dầu gốc cũng là một yếu tố cần được quan tâm khi sản xuất dầu nhờn. Ngày nay, để đạt được các tính năng bôi trơn thì dầu có chứa nhiều phụ gia khác nhau. Chúng có thể được pha riêng lẻ vào dầu nhờn hoặc phối trộn lại với nhau để tạo thành một phụ gia đóng gói rồi mới đưa vào dầu nhờn. Yêu cầu chung của một loại phụ gia: - Dễ hòa tan trong dầu. - Không hoặc ít hòa tan trong nước. - Không ảnh hưởng đến tốc độ nhũ hóa của dầu. - Không bị phân hủy bởi nước và kim loại. - Không bị bốc hơi ở điều kiện làm việc của hệ thống dầu nhờn. - Không làm tăng tính hút ẩm của dầu nhờn. - Hoạt tính có thể kiểm tra được. - Không độc, rẻ tiền, dễ kiếm. 1.1. Phụ gia tăng VI cho dầu nhờn: Là các polymer tan được trong dầu có tác dụng tăng độ nhớt của dầu mỏ, nghĩa là làm cho tốc độ thay đổi độ nhớt của dầu theo nhiệt độ giảm đi (tăng VI). Sử dụng phụ gia loại này để tạo ra các loại dầu nhớt phù hợp cho mùa đông. 7/11 Phụ gia này được chia làm 2 nhóm: - Nhóm hydrocacbon có các loại: copolymer etylen-propylen, polyizobutylen, copolymer styren- butadien do hydro hóa, copolymer styren-izopren; - Nhóm ester gồm: poly-metacrylat, poly-acrylat và các copoly của ester styrenmaleic. Các chất cải thiện VI được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là các polymer: Etylen-propylen (tới 10%kl) và Polyizobutylen (0,2 – 0,5%kl). Tỷ lệ, thành phần của dầu gốc và các phụ gia trong dầu nhờn thương phẩm đơn cấp (dầu động cơ SAE 30 hoặc SAE 40) như sau: TT Thành phần dầu nhời thương phẩm % kl 1 Dầu gốc 71,5 – 96,2 2 Chất tẩy rửa 2 – 10 3 Chất phân tán không tro 1 – 9 4 Kẽm di-ankyl di-thiophotphat 0,5 – 3 5 Phụ gia chống ôxy hóa và chống mài mòn 0,1 – 2 6 Chất biến tính ma sát 0,1 – 3 7 Chất hạ điểm đông đặc 0,1 – 1,5 8 Chất ức chế tạo bọt 2 – 15 ppm 1.2. Một số phụ gia tăng VI thương mại Chi tiết một tí là xe hơi có ngăn riêng biệt cho động cơ/ly hợp/ truyền động cho nên có hệ thống bôi trơn riêng biệt. Còn xe máy chỉ có một hộp chứa động cơ/ ly hợp/ truyền động hay hộp số do đó phải có nhớt bôi trơn bảo đảm cho ly hợp làm việc tốt và bền. Lubricant phẩm cấp cao API SG, SL, SM, SJ. Còn hộp số oto thì có loại dầu hộp số riêng có tiêu chuẩn GL4, GL5 tùy thuộc kim loại của bánh răng hộp số. Vì hộp số là bánh răng nên chủ yếu là masat đập, vì thế dầu có độ nhớt cao SAE90, SAE 140. Bộ ly hợp của oto không ngâm trong dầu. 8/11 Động cơ xemáy có đặc thù: masat trượt của xilanh, pittong, masat đập của hộp số, masat của bộ ly hợp-> vì thế dầu xe máy được pha chế phức tạp hơn. Vì thế không nên dùng lẫn dầu động cơ của oto. Đối với xe máy tay ga: vòng tua lớn như dcơ oto, ly hợp khô, hộp số tự động riêng, làm mát =nước (như @, dylan, avanis) thì dùng dầu như oto. SAE 20W-50, SAE 15W-40 là chỉ độ nhớt của dầu đa cấp (có dải nhiệt độ rộng hơn, w:winter) 20W: độ nhớt khi đ.cơ off, 40 độ nhớt khi đcơ vận hành. SAE40, SAE50 là độ nhớt của dầu đơn cấp, chỉ có chỉ số khi đcơ vận hành (40 hay 50). Dầu đa cấp dùng khi nhiệt độ thay đổi lớn. Còn ký hiệu 15w -40, nghĩa là khi mùa hè, dầu này có độ nhớt như dầu 40, còn về mùa đông, nó lại như dầu 15 (khi nhiệt độ giảm xuống 0 độ C thì dầu 40 rất đặc, xe rất khó khởi động ). còn ở 100 độ C, độ nhớt của dầu đa cấp 15w -40 và dầu đơn cấp 40 là như nhau . Ở VN, nếu không có mác, và nhiệt độ thường, không thể phân biệt bằng cảm quan giữa 2 loại này . Nhưng nếu bỏ vào ngăn đá tủ lạnh, các bác sẽ phân biệt được dễ dàng .Nói chung, xe mới thì nên dùng 5w - 30 hay 10w -40 , 15w -40 còn xe cũ thì 20w -50. Những số đứng trước chữ “W” dùng để chỉ khoảng nhiệt độ mà loại dầu động cơ đó có độ nhớt đủ để khởi động xe lúc lạnh. Để xác định nhiệt độ khởi động theo ký tự này, bạn chỉ cần lấy 30 trừ đi các số đó nhưng theo nhiệt độ âm. Ví dụ, dầu 10W sẽ khởi động tốt ở -20ºC, dầu 15W khởi động tốt ở -15ºC. Đứng sau chữ “W” ở loại dầu đa cấp có thể là chữ 40, 50 hoặc 60. Đây là ký tự dùng để chỉ khoảng độ nhớt ở 100 độ C của các loại dầu nhờn. Thông thường, số càng to thì độ nhớt càng lớn và ngược lại. Ngoài loại đa cấp, nhiều nhà sản xuất cho ra cả loại dầu đơn cấp và chỉ có ký hiệu như SAE 40, SEA 50. Loại dầu này thường được dùng cho các loại động cơ 2 kỳ, máy cắt cỏ, máy nông nghiệp, công nghiệp… Ở một số nước có mùa đông khắc nghiệt, nhiệt độ dưới 0độ thì phải dùng dầu đa cấp, nhiệt độ càng thấp thì chỉ số W càng nhỏ. VD: ở châu ÂU hay dùng 15W40, 15W30, 5W40. Có vậy thì mới khởi động được máy vào buổi sáng. Nhớt dùng cho động cơ gồm 4 tác dụng chính là Bôi trơn, Làm kín, Làm mát, Vệ sinh. Nhớt dùng cho ô tô sẽ phải bảo đảm 4 tiêu chí trên, với nhớt xe máy thì hơi khác một chút là ngoài 4 tiêu chí cho động cơ xe máy thì nhớt này còn phải phục vụ cho hộp số xe máy, tức là đảm bảo cả tính năng của dầu hộp số. Vậy nên dầu nhớt cho ô tô cà xe máy là khác nhau, không nên dùng lẫn. Tính chất đặc trưng của dầu nhớt là độ nhớt (Viscosity) sẽ giảm khi nhiệt độ tăng. Khi động cơ làm việc, nhiệt độ dầu nhớt trong các-te có thể lên 80-100 độ C, còn nhiệt độ màng nhớt trong xilanh khoảng 200 độ C, vì vậy nếu dầu bị loãng sẽ không bảo đảm được hoàn hảo các chức năng nói trên. Do đó, đối với dầu nhớt dùng cho động cơ, yêu cầu quan trọng nhất là độ nhớt không được thay đổi quá nhiều theo nhiệt độ, được đặc trưng bằng chỉ số nhớt (Viscosity Index). Tính chất đặc trưng của dầu nhớt là độ nhớt (Viscosity) sẽ giảm khi nhiệt độ 9/11 tăng. Khi động cơ làm việc, nhiệt độ dầu nhớt trong các-te có thể lên 80-100 độ C, còn nhiệt độ màng nhớt trong xilanh khoảng 200 độ C, vì vậy nếu dầu bị loãng sẽ không bảo đảm được hoàn hảo các chức năng nói trên. Do đó, đối với dầu nhớt dùng cho động cơ, yêu cầu quan trọng nhất là độ nhớt không được thay đổi quá nhiều theo nhiệt độ, được đặc trưng bằng chỉ số nhớt (Viscosity Index). Hiệp hội Kỹ sư ôtô và Viện Dầu mỏ Mỹ đã cùng xây dựng chung hệ thống phân loại mới, dựa theo độ nhớt, chỉ số và tính năng làm việc của động cơ chia dầu nhớt động cơ thành 13 cấp như sau: cho động cơ xăng gồm SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG và cho động cơ diezel gồm CA, CB, CC, CD, CD-II, CE. Mỗi cấp dầu nhớt với những tính chất quy định thích hợp cho từng đời sản xuất động cơ, chẳng hạn đối với động cơ xăng, dầu nhớt cấp SA, SB, SC, SD dùng cho các động cơ đời trước 1970; cấp SE dùng cho động cơ đời 1970-1980; cấp SF dùng cho động cơ đời 1980-1990; cấp SG dùng cho động cơ đời 1990 về sau. Xe đời cũ có thể dùng dầu nhớt cấp cao dành cho xe đời mới, nhưng xe đời mới không nên dùng dầu nhớt cấp thấp hơn quy định. API (chữ viết tắt của American Petroleum Institute) đây là hiệp dầu khí Hoa Kỳ. Cấp chất lượng của API cho động cơ chạy xăng là SA, SB, SC, SE, SF, SG, … cho đến cấp chất lượng SM (đụng nóc). JASO (chữ viết tắt của Japanese Automotive Standards Organization) đây là tổ chức chứng nhận tiêu chuẩn ôtô của Nhật Bản. Có nhiều tiêu chuẩn của JASO, tuy nhiên đối với loại xe 4 thì là JASO MA, còn xe 2 thì là JASO FC. SAE (chữ viết tắt của Society of Automotive Engineers) dịch là hiệp hội kỹ sư tự động hóa, để dễ hiểu thì các công ty dầu nhớt gắn liền với tiếng Việt cho dễ nhớ là “Độ nhớt”. Độ nhớt phân ra làm 2 loại: đơn cấp và đa cấp. Định nghĩa nhiệt độ chớp cháy (NĐCC), điểm chớp cháy (ĐCC): NĐCC là nhiệt độ thấp nhất mà tại áp suất khí quyển (101, 3 KPa), mẫu dầu nhớt được nung nóng đến bốc hơi và bắt lửa. Mẫu sẽ chớp cháy khi có ngọn lửa và lan truyền tức thì ra khắp bề mặt của mẫu dầu. Như vậy: Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ mà tại đó lượng hơi thoát ra từ bề mặt của mẫu dầu nhờn sẽ bốc cháy khi có ngọn lửa đưa vào. Và: Nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hơi thoát ra từ mẫu dầu nhờn vần tiếp tục cháy được trong 5 giây gọi là điểm bắt lửa. Điểm chớp cháy và điểm bắt lửa cũng phụ thuộc vào loại dầu gốc: Dầu gốc loại Napthenic có điểm chớp cháy và điểm bắt lửa nhỏ hơn dầu gốc Paraffinic khi có cùng độ nhớt. 10/11 Nói chung, đối với các hợp chất tương tự nhau thì điểm chớp cháy và điểm bắt lửa tăng khi trọng lượng phân tử tăng. Ví dụ: dầu nhờn, dầu FO, DO, dung môi… TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1. ] Giáo trình đạo đức học Mác - Lênin PGS. TS. VŨ TRỌNG DUNG. [ 2. ] Khái lược kinh tế chính trị Mác - Lênin GS. TS. PHẠM QUANG PHAN - PGS. TS. TÔ ĐỨC HẠNH. [ 3. ] Giáo trình triết học Mác - Lênin, Tập 1, Chủ nghĩa duy vật biện chứng PGS -TS. LÊ DOÃN TÁ - PGS.TS. VŨ TRỌNG DUNG [ 4. ] Kinh tế chính trị Mác - Lênin - Hỏi & đáp TS. NGUYỄN VĂN NGỪNG - TS. LÊ MINH NGHĨA.