Chất bôi trơn

Chất bôi trơn là loại dầu dùng để làm giảm ma sát trong các động cơ. Nó bao gồm dầu gốc và các phụ gia, thường được gọi là dầu bôi trơn thương phẩm. Phụ gia được thêm vào để cải thiện các đặc tính của dầu bôi trơn mà dầu gốc không có.

Lịch sử phát triển của chất bôi trơn

Khoảng 150 năm trước, khái niệm về chất bôi trơn chưa được hình thành. Các máy móc thời đó được bôi trơn bằng mỡ lợn, sau đó là dầu ôliu. Khi dầu ôliu trở nên khan hiếm, người ta chuyển sang các loại dầu thảo mộc khác, như dầu cọ để bôi trơn máy dệt.

Với sự ra đời của ngành chế biến dầu mỏ, sản phẩm chính tại các nhà máy dầu mỏ là dầu hỏa, trong khi phần lớn còn lại là mazut (chiếm 70 – 90%) bị coi như phế phẩm. Tuy nhiên, với sự phát triển của ngành công nghiệp dầu mỏ, cặn mazut ngày càng nhiều và cần được tận dụng. Ban đầu, người ta trộn cặn dầu mỏ với dầu thực vật hoặc mỡ lợn để tạo ra dầu bôi trơn, nhưng sau đó, họ đã tìm ra cách chế tạo dầu bôi trơn trực tiếp từ cặn dầu mỏ.

Vào năm 1870 tại Creem, Nga, nhà máy Xakhanxkiđơ bắt đầu sản xuất dầu bôi trơn từ dầu mỏ, mặc dù chất lượng chưa cao. Nhà bác học D.I. Mendeleev là một trong những người đầu tiên quan tâm đến việc sử dụng mazut để chế tạo dầu bôi trơn. Từ 1870 đến 1871, Ragorzin đã xây dựng một xưởng thí nghiệm dầu bôi trơn nhỏ, và đến 1876 – 1877, ông mở nhà máy chế biến dầu bôi trơn đầu tiên tại Balakhan với công suất 100.000 put/năm. Nhà máy này sản xuất bốn loại dầu bôi trơn: dầu cọc sợi, dầu máy, dầu trục cho toa xe mùa hè và mùa đông. Các sản phẩm của Ragorzin được trưng bày tại triển lãm quốc tế Paris năm 1878 và thu hút sự chú ý của các chuyên gia. Năm 1879, Ragorzin xây dựng nhà máy thứ hai tại Constantinople để xuất khẩu dầu bôi trơn. Mendeleev đã làm việc tại đây từ 1880 đến 1881, và dưới sự hướng dẫn của ông, ngành sản xuất dầu bôi trơn đã có bước phát triển đáng kể.

N.P. Petrop, nhà bác học nổi tiếng người Nga, đã có những nghiên cứu quan trọng giúp dầu bôi trơn được ứng dụng rộng rãi hơn. Ông đã chứng minh rằng dầu bôi trơn có thể thay thế hoàn toàn dầu thực vật và mỡ động vật, đồng thời giải thích các nguyên lý bôi trơn. Sự phát triển của khoa học đã dẫn đến việc xây dựng các tháp chưng cất chân không hiện đại, thay thế cho các nhà máy chưng cất cũ, đánh dấu bước tiến lớn trong ngành công nghiệp dầu mỏ.

Trong thời đại hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp hiện đại đã thâm nhập vào mọi ngóc ngách của thế giới, và xu hướng toàn cầu hóa đang thúc đẩy sự phát triển kinh tế. Điều này đã đặt ra thách thức lớn cho các quốc gia trong việc xây dựng một ngành công nghiệp dầu mỏ hiện đại để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế toàn cầu.

Các tập đoàn dầu khí lớn như Shell, Exxon-Mobil, BP, Chevron, và Total hiện diện ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Họ liên tục áp dụng các thành tựu khoa học mới nhất, giúp ngành công nghiệp dầu mỏ không ngừng phát triển. Sản xuất dầu bôi trơn ngày càng được cải thiện về chất lượng và số lượng, đồng thời nhiều loại dầu bôi trơn mới cũng được sáng tạo.

Các thành phần của dầu bôi trơn

Dầu bôi trơn cho động cơ thực tế là một hỗn hợp bao gồm dầu gốc và các phụ gia, thường được gọi là dầu bôi trơn thương phẩm. Các phụ gia được thêm vào nhằm tạo ra những đặc tính phù hợp với các tiêu chuẩn yêu cầu mà dầu gốc không cung cấp được.

Dầu gốc

Dầu gốc là loại dầu thu được qua các quy trình chế biến, bao gồm cả xử lý vật lý và hóa học. Có ba loại dầu gốc chính: dầu khoáng, dầu tổng hợp hoàn toàn, và dầu bán tổng hợp.

Dầu khoáng, với giá thành hợp lý và sự đa dạng về sản phẩm, đã giữ một vai trò quan trọng trong sản xuất dầu bôi trơn. Gần đây, dầu tổng hợp ngày càng được ưa chuộng nhờ vào các đặc tính vượt trội so với dầu khoáng. Dầu bán tổng hợp, kết hợp 70% dầu khoáng và 30% dầu tổng hợp, hứa hẹn sẽ là tương lai của ngành công nghiệp chế biến dầu nhờn nhờ vào những tính năng ưu việt của dầu tổng hợp nhưng với chi phí thấp hơn từ 50 - 60%.

Ngày xưa, phân đoạn cặn mazut thường được sử dụng làm nguyên liệu chính để sản xuất dầu nhờn gốc. Tuy nhiên, với sự phát triển của ngành công nghiệp nặng và chế tạo máy móc, nhu cầu về dầu nhờn ngày càng gia tăng, đòi hỏi các loại dầu nhờn đa dạng hơn và chất lượng ngày càng cao. Do đó, người ta đã nghiên cứu và sử dụng cặn gudron từ quá trình chưng cất chân không để tạo ra dầu nhờn gốc có độ nhớt cao. Tóm lại, nguyên liệu chính để sản xuất dầu nhờn gốc bao gồm cặn mazut và gudron.

Mazut là phần cặn thu được từ quá trình chưng cất khí quyển với nhiệt độ sôi vượt quá 350°C. Phần cặn này có thể được đốt hoặc dùng làm nguyên liệu để sản xuất dầu nhờn gốc. Trong quá trình sản xuất dầu nhờn gốc, mazut được chưng cất chân không để thu được các phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau:

• Phân đoạn dầu nhờn nhẹ (LVGO: Light Vacuum Gas Oil) có nhiệt độ sôi từ 300°C - 350°C.
• Phân đoạn dầu nhờn trung bình (MVGO: Medium Vacuum Gas Oil) có nhiệt độ từ 350°C - 420°C.
• Phân đoạn dầu nhờn nặng (HVGO: Heavy Vacuum Gas Oil) có nhiệt độ từ 420°C - 500°C.

Các phân đoạn này chứa các phân tử hydrocacbon với số lượng cacbon từ C21-40. Các hydrocacbon trong những phân đoạn này có trọng lượng phân tử lớn (1000 – 10000), cấu trúc phức tạp và bao gồm:

• Paraffin mạch thẳng và mạch nhánh.
• Hydrocacbon napten đơn hoặc đa vòng thường gắn thêm nhánh phụ là các paraffin.
• Hydrocacbon thơm đơn hay đa vòng chủ yếu chứa các mạch nhánh ankyl, thường từ 1 đến 3 vòng.
• Các hợp chất lai, chủ yếu là sự kết hợp giữa napten và paraffin, hoặc napten và hydrocacbon thơm.
• Các hợp chất không phải hydrocacbon, bao gồm oxy, nitơ, lưu huỳnh, và cũng có cả hợp chất chứa kim loại, thường có mặt trong phân đoạn dầu nhờn.

Cặn gudron là phần cặn còn lại sau quá trình chưng cất chân không, với nhiệt độ sôi trên 500°C. Phần này chứa các cấu tử có số nguyên tử cacbon từ C41 trở lên, thậm chí lên đến C80, với trọng lượng phân tử lớn và cấu trúc phức tạp. Do đó, người ta không phân chia thành phần của phân đoạn này theo từng hợp chất cụ thể, mà chia thành ba nhóm chính như sau:

Nhóm chất dầu

Nhóm chất dầu bao gồm các hydrocacbon với phân tử lượng lớn, chứa nhiều hợp chất thơm với độ ngưng tụ cao, và cấu trúc hỗn hợp nhiều vòng giữa hydrocacbon thơm và napten. Đây là nhóm chất nhẹ nhất với tỷ trọng khoảng 1. Nhóm này có thể hòa tan trong các dung môi nhẹ như paraffin và xăng, nhưng không thể tách bằng silicagen hay than hoạt tính do chúng không có cực. Trong phân đoạn cặn gudron, nhóm dầu chiếm khoảng 45 – 46%.

Nhóm chất nhựa

Nhóm chất nhựa có thể hòa tan trong các dung môi tương tự như nhóm dầu, nhưng vì chúng là hợp chất có cực, nên có thể tách ra bằng cách sử dụng than hoạt tính hoặc silicagen. Nhóm này bao gồm hai thành phần chính: các chất trung tính và axit. Các chất trung tính có màu nâu hoặc đen, có nhiệt độ hóa mềm dưới 100°C, tỷ trọng trên 1, và dễ hòa tan trong xăng, naphta. Chúng mang lại tính dẻo dai và kết dính cho nhựa, và chiếm khoảng 10 – 15% khối lượng cặn gudron. Các chất axit có nhóm-COOH, màu nâu sẫm, tỷ trọng lớn hơn 1, hòa tan dễ dàng trong clorofom và rượu etylic, tạo ra tính hoạt động bề mặt, chiếm 1% trong cặn dầu mỏ.

Nhóm asphanten

Nhóm asphanten là các chất rắn màu đen, có cấu trúc tinh thể, tỷ trọng lớn hơn 1, chứa chủ yếu các hợp chất dị vòng. Chúng hòa tan tốt trong cacbon disunfua (CS2), nhưng không hòa tan trong các dung môi nhẹ như parafin hay xăng, và không nóng chảy mà cháy thành tro ở 300°C.

Trong cặn gudron, các nhóm dầu, nhựa và asphanten tồn tại dưới dạng hệ keo. Nhóm nhựa hòa tan trong dầu tạo thành dung dịch thật sự, gọi là môi trường phân tán, trong khi asphanten không tan trong dầu và ở trạng thái pha phân tán. Ngoài ba nhóm chính này, cặn gudron còn chứa các hợp chất cơ kim của kim loại nặng, cacbon, và cacboit, không hòa tan trong dung môi thông thường mà chỉ tan trong pyridine.

Dầu nhờn tổng hợp

Dầu nhờn từ dầu mỏ vẫn được ưa chuộng nhờ công nghệ sản xuất đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu cao về hiệu suất bôi trơn, dầu tổng hợp đang ngày càng được chú trọng hơn. Dầu tổng hợp được tạo ra qua các phản ứng hóa học từ các hợp chất ban đầu, do đó có những tính chất được kiểm soát chặt chẽ, bao gồm khả năng chống cháy và không hòa tan trong nước.
Ưu điểm của dầu tổng hợp bao gồm dải nhiệt độ hoạt động rộng từ -55°C đến 320°C, khả năng bền nhiệt cao, nhiệt độ đông đặc thấp và chỉ số độ nhớt cao. Chính những ưu điểm này làm cho dầu tổng hợp ngày càng được ưa chuộng, đặc biệt trong các động cơ phản lực. Dầu tổng hợp có thể được phân loại theo hai phương pháp chính:

• Phương pháp 1: phân loại dựa trên các tính chất đặc trưng như độ nhớt và khối lượng riêng.
• Phương pháp 2: phân loại theo bản chất hóa học của dầu.
  

Theo phương pháp thứ hai, dầu tổng hợp được chia thành các loại chính như: hydrocacbon tổng hợp, este hữu cơ, poly glycol, và este photphat. Bốn loại hợp chất này chiếm hơn 40% lượng dầu tổng hợp tiêu thụ thực tế.

Phụ gia cho dầu nhờn

Dầu nhờn dùng cho bôi trơn thường là sự kết hợp giữa dầu gốc và phụ gia. Vì vậy, chất lượng của dầu bôi trơn không chỉ phụ thuộc vào dầu gốc mà còn vào các phụ gia được thêm vào.

Phụ gia là các hợp chất hữu cơ, vô cơ, hoặc nguyên tố hóa học được bổ sung vào chất bôi trơn để cải thiện hoặc tạo ra các tính chất mong muốn. Hàm lượng phụ gia thường dao động từ 0,01 – 5%, và trong một số trường hợp có thể lên đến vài phần trăm. Do các phụ gia là những hợp chất hoạt động, chúng có thể tương tác lẫn nhau và ảnh hưởng đến chức năng của dầu nhờn. Tuy nhiên, chúng cũng có thể tác động tích cực, tạo ra các tính chất mới có lợi. Do đó, việc phối trộn phụ gia cần được nghiên cứu kỹ để tránh các phản ứng đối kháng và tối ưu hóa tính tương hỗ giữa các thành phần. Sự tương tác giữa phụ gia và dầu gốc là một yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất dầu nhờn.

Hiện nay, để đạt được hiệu suất bôi trơn tốt nhất, dầu nhờn thường chứa nhiều loại phụ gia khác nhau. Các phụ gia này có thể được thêm vào dầu nhờn riêng lẻ hoặc phối hợp để tạo thành hỗn hợp phụ gia trước khi đưa vào dầu.

Các yêu cầu chung đối với phụ gia bao gồm:

• Dễ hòa tan trong dầu.
• Ít hoặc không hòa tan trong nước.
• Không làm thay đổi tốc độ nhũ hóa của dầu.
• Ổn định trước tác động của nước và kim loại.
• Không bị bay hơi dưới điều kiện làm việc của hệ thống dầu nhờn.
• Không làm tăng khả năng hút ẩm của dầu nhờn.
• Có hoạt tính có thể kiểm tra được.
• Không độc, giá thành thấp, dễ tìm kiếm.

Phụ gia tăng chỉ số nhớt

Phụ gia tăng chỉ số nhớt là các polymer hòa tan trong dầu, giúp cải thiện độ nhớt của dầu mỏ. Chúng làm giảm sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ (tăng chỉ số độ nhớt) và hỗ trợ tạo ra các loại dầu cho mùa đông. Các phụ gia này được phân thành hai loại chính: dạng hydrocacbon và dạng este.

• Dạng hydrocacbon bao gồm: copolymer etylen-propylen, polyizobutylen, copolymer styren-butadien hydro hóa, và copolymer styren-izopren.
• Dạng este gồm: polymetacrylat, polyacrylat và các copoly của ester styrenmaleic.
  

Hiện nay, các polymer etylen-propylen (đến 10%) và polyizobutylen (với hàm lượng nhỏ từ 0,2 – 0,5%) là các chất cải thiện chỉ số độ nhớt được sử dụng rộng rãi nhất.

Phụ gia chống oxy hóa

Phụ gia này có chức năng làm chậm quá trình ôxy hóa của dầu, cải thiện độ bền ôxy hóa, ngăn ngừa hiện tượng cháy vòng găng, giảm ăn mòn các chi tiết và hạn chế sự tạo cặn. Có hai loại phụ gia chống ôxy hóa chính:

• Phụ gia làm chậm quá trình ôxy hóa của dầu trong một lớp dày ngay trong khối dầu, bao gồm các chất ức chế ôxy hóa như hợp chất chứa nhóm phenol, amin, hoặc cả hai như phenol chứa nitơ hoặc lưu huỳnh, kẽm di-ankyl di-thiophotphat (ZnDDP), và các hợp chất phốt pho, lưu huỳnh. Những chất ức chế này có nồng độ thấp, từ 0,005 đến 0,5%.
• Phụ gia làm chậm ôxy hóa dầu ở lớp mỏng trên bề mặt kim loại, gọi là chất thơm nhiệt, được sử dụng với tỷ lệ 0,5 – 3%, có tác dụng làm chậm quá trình ôxy hóa ở nhiệt độ cao (200-300°C), đồng thời bảo vệ và chống rỉ cho ổ đỡ. Chất thơm nhiệt bao gồm các hợp chất hữu cơ chứa phốt pho, lưu huỳnh, kẽm (như tri-butylaphotphit, di-tiophotphat kẽm…).

Chất thơm nhiệt đóng vai trò quan trọng vì khi động cơ ngừng hoạt động, dầu không còn tuần hoàn và chất thơm tẩy rửa ngừng hoạt động, còn chất thơm nhiệt vẫn hoạt động mạnh, ngăn không cho lớp dầu mỏng trên các chi tiết chưa nguội biến thành cặn.

Phụ gia chống gỉ

Khi động cơ hoạt động liên tục, dầu nhờn có chức năng chống gỉ tốt vì dầu không kịp chảy hết khi động cơ ngừng trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, nếu động cơ ngừng lâu hoặc bảo quản lâu ngày, các chi tiết như xylanh và cổ trục khuỷu có thể bị gỉ. Gỉ là sự hình thành sắt hydroxit Fe(OH)₂, một dạng ăn mòn quan trọng. Các hợp chất chống rỉ như axit béo, este của axit napteic và axit béo, amin hữu cơ, và xà phòng kim loại của axit béo thường được pha vào dầu với tỷ lệ 0,1 – 1%.

Phụ gia chống tạo bọt

Bọt hình thành khi không khí hòa lẫn vào dầu nhờn có thể làm giảm hiệu quả bôi trơn, gia tăng quá trình ôxy hóa, làm hao hụt dầu và cản trở lưu thông của dầu trong hệ thống, dẫn đến bôi trơn không đủ. Để giảm hoặc ngăn ngừa hiện tượng này, người ta sử dụng phụ gia chống bọt, còn gọi là chất hủy bọt hoặc phá bọt. Các hợp chất silicon và hydro có khả năng làm giảm bọt với tỷ lệ rất nhỏ, từ 0,001 đến 0,004%. Phụ gia này là một phần quan trọng trong công nghệ bôi trơn hiện đại, đặc biệt là trong dầu động cơ.

Phụ gia phân tán

Phụ gia phân tán được sử dụng để ngăn chặn và làm chậm quá trình tạo cặn và lắng đọng ở nhiệt độ thấp. Các phụ gia phân tán quan trọng bao gồm:

• Ankenyl-poly-amin-suxinimit.
• Ankyl-hydrobenzyl-polyamin.
• Este-polyhydroxy-suxinic.
• Poly-aminamit-imidazolin.
• Polyamine suxinimit.
• Ester-photpholat.
  

Các chất phân tán thường chứa nhóm chức như amin, imít, amít hoặc nhóm hydroxyl-ester, vì vậy các polymer như poly metacrylat cũng có khả năng phân tán. Chúng còn có tính nhớt (chất tăng chỉ số độ nhớt), nên được dùng làm phụ gia phân tán đa năng. Lượng phụ gia phân tán thường từ 0,1 đến 2%, phụ thuộc vào khối lượng chất rắn cần phân tán trong dầu. Một số dầu bôi trơn cao cấp có thể chứa tới 8% phụ gia phân tán không tro. Hiệu quả của các chất phân tán là kết quả của sự tương tác đặc biệt giữa tác nhân được chặn và chất phân tán.

Phụ gia chống ăn mòn

Phụ gia chống ăn mòn có chức năng giảm thiểu sự hình thành các peroxit hữu cơ, axit và các chất ôxy hóa khác làm giảm chất lượng dầu động cơ, đồng thời bảo vệ ổ đỡ và các bề mặt khác khỏi sự ăn mòn. Chất ức chế ăn mòn thường hoạt động như các chất chống ôxy hóa, bao gồm: di-thiophotphat kim loại (như kẽm), sunphonat kim loại và kim loại kiềm cao, cùng các tác nhân hoạt động bề mặt như axit béo, amin, axit ankylsuxinic, và clo hóa parafin.

Phụ gia chống mài mòn

Mài mòn là sự tổn thất kim loại xảy ra giữa các bề mặt chuyển động tương đối. Nguyên nhân chính của mài mòn là sự tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại (mài mòn dính) và sự hiện diện của các hạt mài (mài mòn hạt), có thể do ăn mòn hoặc mài mòn hóa học. Để chống mài mòn, cần sử dụng phụ gia chứa hợp chất phôtpho, lưu huỳnh, và các dẫn xuất béo giúp bám dính trên bề mặt kim loại, giảm cọ xát và tỏa nhiệt trong quá trình làm việc. Phụ gia chống mài mòn thường được sử dụng với hàm lượng nhỏ khoảng 0,01%.

Phụ gia hỗ trợ ma sát cho bộ li hợp

Phụ gia này được thiết kế đặc biệt cho dầu nhớt dùng cho xe máy và xe motor với bộ li hợp ướt. Bộ li hợp ướt gồm các chi tiết bề mặt nhám (thường làm từ giấy pha kim loại) cho phép chất lỏng vào và tạo liên kết cơ học giữa các đĩa chịu lực ma sát và đĩa truyền động, giúp duy trì ma sát cần thiết mà không gây ra ma sát không mong muốn với kim loại. Phụ gia này cải thiện ma sát trong dầu mà không làm tăng ma sát trên kim loại.

Lượng phụ gia này cần được tính toán chính xác để đảm bảo đủ kết dính trong quá trình vận hành mà không ảnh hưởng đến các phụ gia khác có trong dầu.

Phụ gia tẩy rửa

Với nồng độ từ 2 đến 10%, các chất tẩy rửa có khả năng loại bỏ các cặn không tan, cặn sạn, cacbon và hợp chất chì trên các bộ phận của động cơ đốt trong. Chúng hoạt động bằng cách hấp thụ các hạt không tan, giữ chúng trong dầu để giảm cặn lắng và giữ cho động cơ luôn sạch. Các phụ gia tẩy rửa quan trọng bao gồm sunphonat, phenolat và salixilat chứa kim loại như canxi hoặc magiê.

Phụ gia giảm ma sát và biến tính

Phụ gia giảm ma sát và biến tính (FM) giúp tăng cường độ bền của lớp dầu, duy trì sự tách biệt giữa các bề mặt kim loại và bảo vệ lớp dầu khỏi bị hư hỏng dưới tải trọng nặng và nhiệt độ cao. Phụ gia FM làm giảm hệ số ma sát, giúp tiết kiệm 2-3% nhiên liệu cho ôtô và giảm rung động trong quá trình chuyển động trượt. Nó chứa các hợp chất như ôxy, nitơ, lưu huỳnh, molipden, đồng và các nguyên tố khác, làm tăng độ bền của lớp dầu qua hiện tượng hấp phụ vật lý. Phụ gia này thường được sử dụng với tỷ lệ từ 0,1 đến 0,3%.

Phụ gia hạ điểm đông đặc

Ở nhiệt độ thấp, khả năng lưu động của dầu giảm, do đó cần thêm phụ gia hạ điểm đông đặc để giảm nhiệt độ đông đặc của dầu. Thêm một lượng nhỏ parafin với O.R.azolin không vượt quá 1% vào dầu để cải thiện tính lưu động.

Chế tạo dầu động cơ

Việc pha chế dầu động cơ là một quy trình phức tạp và tốn kém, yêu cầu sự tham gia của nhiều chuyên ngành kỹ thuật và là yếu tố cạnh tranh quan trọng của các công ty dầu nhờn. Tỷ lệ pha phụ gia với dầu gốc cần được điều chỉnh chính xác để tạo ra sản phẩm dầu động cơ chất lượng cao, không chỉ khắc phục nhược điểm của dầu gốc mà còn nâng cao các đặc tính sẵn có và mang lại những tính năng mới cần thiết. Trong thực tế, một số loại dầu động cơ có thể chứa tới hơn 20% phụ gia.

Ghi chú