Tài liệu Nghiên cứu sản xất phụ gia cho dầu gia công kim loại

  • Số trang: 54 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 150 |
  • Lượt tải: 0
nguyetha

Đã đăng 8489 tài liệu

Mô tả:

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Báo cáo tổng kết khoa học, kỹ thuật Đề tài: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHỤ GIA CHO DẦU GIA CÔNG KIM LOẠI Chủ nhiệm đề tài: ThS. TRẦN THẮM 7640 01/02/2010 HÀ NỘI 12 - 2009 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài cấp Bộ, HĐ số 140.09.RD/HĐ-KHCN BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Báo cáo tổng kết khoa học, kỹ thuật Đề tài: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHỤ GIA CHO DẦU GIA CÔNG KIM LOẠI Chủ nhiệm đề tài: ThS. TRẦN THẮM Các cán bộ tham gia thực hiện đề tài: 1. Nguyễn Công Bắc- Thành viên 2. Nguyễn Thị Huyền Châu - Thành viên 3. Th.s. Nguyễn Công Long - Thành viên 4. Trần Ngọc Hương - Thành viên 5. Th.s.Phạm Thị Thúy Nga - Thành viên HÀ NỘI 12-2009 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài cấp Bộ, HĐ số 140.09.RD/HĐ-KHCN MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới, dầu gia công kim loại được sử dụng rất nhiều để phục vụ cho các công việc như: Cắt, phay, mài, taro, kéo dãn dây điện, gia công thép hình... Chúng được sản xuất bởi hai thành phần chính đó là dầu gốc và phụ gia. Dầu gốc thông thường chiếm 80 ÷ 90% thể tích và chủ yếu là dầu gốc khoáng, một số trường hợp đòi hỏi chất lượng cao thì dầu gốc tổng hợp được sử dụng chủ yếu trên cơ sở Glycol. Phụ gia thường chiếm tỷ lệ 10 ÷ 20% thể tích. Ở nước ta có một số cơ sở sản xuất dầu gia công kim loại nhưng chất lượng chủ yếu phục vụ cho gia công cơ khí đơn giản như phay, bào, tiện, doa...còn trong các lĩnh vực sản xuất thép ống, gia công vỏ hộp, sản xuất dây đồng, nhôm... thì hầu như chưa đáp ứng được mà phải nhập của nước ngoài với giá thành cao do nguyên nhân sau: Xà phòng của Trietanolamin (TEA) với axit Olêic làm phụ gia tạo nhũ thì dầu gia công kim loại dễ bị hỏng trong quá trình sử dụng do vi sinh vật phân huỷ hợp phần hữu cơ và chỉ sử dụng được với dầu gốc parafinic. Xà phòng của TEA với Linear AlkylBenzenSulfonic Acid (LAS) làm phụ gia tạo nhũ thì thời gian sử dụng dầu gia công kim loại kéo dài hơn nhiều so với xà phòng của TEA với axit olêic nhưng pH của sản phẩm cuối cùng lại là môi trường axit (pH ~6) lại không thuận lợi cho bề mặt kim loại sau gia công (dễ bị gỉ) và phụ gia này chỉ dùng với dầu gốc naphtenic. Chính vì những lý do trên mà đề tài sử dụng xà phòng hỗn hợp của TEA với axit olêic và LAS làm phụ gia tạo nhũ cho dầu gia công kim loại. Khi sử dụng phụ gia này hy vọng khắc phục được hai nhược điểm trên và có thể sử dụng cả dầu gốc parafinic và naphtenic để pha chế sản phẩm. 1 PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1. Dầu gia công kim loại I.1.1. Mô tả chung về quá trình gia công kim loại [6] Trong gia công kim loại cần phân biệt quá trình cắt gọt kim loại và sự xử lý, tạo hình cho kim loại. Trong quá trình cắt gọt, kim loại bị gọt bỏ gây nên sự biến dạng và đứt gẫy thành những mảnh nhỏ. Lượng nhiệt đáng kể sinh ra do chuyển hóa năng lượng trong quá trình gia công và do ma sát giữa bề mặt kim loại, phôi mạt kim loại và dụng cụ cắt gọt. Còn trong quá trình xử lý và tạo hình cho kim loại như cán kéo kim loại, uốn ống, vuốt ống,.. dưới tác dụng của ngoại lực, phôi kim loại được tạo hình nhờ biến dạng dẻo nhưng vẫn giữ nguyên thể tích. Chi tiết kim loại qua gia công áp lực có cơ lý tính tốt hơn. Các quá trình này xuất hiện ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp: công nghiệp ô tô, máy bay, đồng hồ, thiết bị điện, điện tử…90% sản phẩm kim loại và hầu hết kim loại trong công nghiệp xây dựng đều qua giai đoạn gia công. Mục đích của quá trình gia công kim loại là tạo ra một hình dạng mới. Thường quá trình dẫn đến sự tiếp xúc của hai vật rắn với nhau: dụng cụ và vật gia công. Sự tiếp xúc này gắn với sự biến dạng dẻo của kim loại (quá trình biến hình kim loại) hoặc tạo ra một hình dạng mới bằng cách cắt gọt vật liệu theo ý muốn (quá trình cắt gọt kim loại). Việc tạo dạng mới bằng các quá trình gia công kim loại luôn kèm theo ma sát lớn, nhiệt độ cao và sự mài mòn của dụng cụ. Nhiệm vụ của chất bôi trơn trong quá trình gia công kim loại là làm giảm lực ma sát, làm mát, giải tỏa nhiệt do ma sát gây ra, giảm số lượng và kích cỡ các điểm hàn dính, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Khi lực ma sát giảm, có thể giảm trở lực biến dạng của kim loại, từ đó giảm tổng lực tác dụng của kim loại lên dụng cụ và giảm công tiêu hao, giảm độ mài mòn dụng cụ, nâng cao tuổi thọ dụng cụ. I.1.2. Các kiểu chất bôi trơn trong quá trình biến hình kim loại Các chất bôi trơn lỏng, các dịch huyền phù, past, mỡ, các chất bôi trơn và che phủ rắn là những chất bôi trơn được chọn cho các quá trình biến hình kim loại. Các kim loại khác nhau, các quá trình biến hình khác nhau sẽ sử dụng các chất bôi trơn 2 khác nhau. Các quá trình biến hình kim loại gồm cán, đùn, vuốt (như vuốt ống, uốn ống, kéo dây), rèn và gia công tấm kim loại. Thường thường, các quá trình gia công nóng gồm các quá trình làm biến dạng cả khối. Chúng được gọi là các quá trình gia công kim loại loại 1. Các quá trình gia công kim loại loại 2 gồm các nguyên công nguội như cán, vuốt và đùn. Chiều dày của phôi Chiều sâu lớp cắt Mặt nghiêng Vùng nhiệt độ cao nhất Dụng cụ cắt gọt Kim loại Mặt sạch Bề mặt mới Hình I.1: Các kiểu chất bôi trơn trong quá trình gia công kim loại Chất bôi trơn được sử dụng trong một quá trình biến hình kim loại nào đó trước hết phải là giảm ma sát, yếu tố này nói chung, có ảnh hưởng đến tuổi thọ, công cụ, sự dịch chuyển êm nhẹ của kim loại, đến lượng tiêu hao năng lượng, đến sự gia tăng nhiệt và đến chất lượng bề mặt. Thường hệ số ma sát càng thấp thì mức độ tiêu hao về lực và công suất đòi hỏi càng giảm. Ví dụ, việc bôi trơn tốt trong rèn dập sẽ làm giảm mài mòn khuôn và hạ thấp được lực rèn dập, chống xước khuôn và dễ lấy sản phẩm ra khỏi khuôn. Ngoài ra nó còn làm cho sự dịch chuyển của vật liệu trong khuôn được dễ dàng và đóng vai trò như một lớp cách nhiệt ngăn giữa vật liệu rèn và bề mặt khuôn. Tuy nhiên, trong nguyên công cán, hệ số ma sát giữa trục lăn và phôi cán không quá cao cũng không quá thấp. Rõ ràng là ma sát thấp sẽ làm giảm lượng tiêu hao năng lượng, giảm lượng nhiệt phát sinh và giảm mài mòn trục lăn. Nhưng ma sát quá thấp lại gây ra hiện tượng trượt mà có thể làm hỏng bề mặt phôi cán và có ảnh hưởng xấu đến quá trình biến hình. Các chất bôi trơn lỏng, các dịch huyền phù, past, mỡ, các chất bôi trơn và che phủ rắn là những chất bôi trơn được chọn cho các quá trình biến hình kim loại. Vì kim loại được gia công có thể rất khác nhau về thành phần, từ những kim loại hầu như tinh khiết (như nhôm, berili, đồng, magiê, niken, titan) đến các hợp kim rất phức tạp (như thép không gỉ) nên chất bôi trơn được sử dụng cho quá trình biến dạng kim loại rất khác nhau. Chúng có thể là chất lỏng, nửa rắn hoặc rắn, cũng như có thể là hỗn hợp của chúng. Chất bôi trơn sử dụng thông thường nhất trong quá trình này là các dầu khoáng, dầu khoáng cộng với các dầu béo (các dầu hỗn hợp), 3 nhũ tương, các dầu tổng hợp, các dịch huyền phù graphit, các ester, các axit béo, các hợp chất béo, lanolin, mỡ sáp, sáp parafin, các polyme và nhiều loại khác. Phụ gia được dùng cho các chất bôi trơn biến hình kim loại trước hết gồm các tác nhân chịu cực áp (như các chất béo và dầu đã được sunfo hóa hoặc đã được sunfoclo hóa) và các hóa phẩm dùng trong pha chế các chất nhũ tương, các axit béo hoặc các hợp chất béo. Các chất bôi trơn trong quá trình tạo hình kim loại đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sản xuất. Chúng ảnh hưởng đến năng suất, đến sự an toàn cho công nhân, đến tiêu hao năng lượng và đến vấn đề môi trường. Vấn đề phức tạp của việc bôi trơn trong các quá trình biến hình kim loại có thể minh họa bằng quá trình cán nhôm mà trong đó có cán nóng và cán nguội. Nói chung, các lá nhôm hoặc hợp kim nhôm được tạo ra bằng cách cán nóng các thỏi lớn thành các tấm có chiều dày khoảng 3 đến 17 mm rồi sau đó được làm mỏng tiếp bằng cán nguội. Nhũ tương dầu - trong nước được sử dụng nhiều nhất để làm chất bôi trơn và chất làm mát cho công nghệ cán nóng. Các nhũ tương như vậy chứa khoảng 2 - 5% phần cốt dầu. Phần cốt dầu có thể gồm 80 - 90% dầu naphtenic hoặc parafinic, 1520% các chất tạo nhũ kiểu anion hoặc kiểu không ion và 5 -10% các chất hợp phần. Các chất hợp phần có thể gồm nhiều hợp chất của các nhóm phụ gia sau đây: các phụ gia chịu tải (tribo), các chất ức chế oxy hóa, các tác nhân thấm ướt, các chất chống vi khuẩn và các chất chống tạo bọt. Chúng có thể gồm dẫn xuất của axit oleic hoặc các chất béo khác, các ester của axit photphoric (như tricrezyn photphat), các etanolamin và các hợp chất khác. Trong cán nóng, chức năng qua trọng nhất của chất bôi trơn là làm mát, tuy nhiên nó cũng làm giảm lượng tiêu hao năng lượng, cải thiện chất lượng bề mặt của vật được cán và làm mỏng tối đa vật liệu cán. Vì thế ma sát cũng là yếu tố quan trọng. Trong cán nguội, những thanh đã qua cán nóng được cán ở nhiệt độ môi trường thành tấm hoặc lá. Do nhôm có xu hướng bám sang trục lăn trong khi cán nguội (giống như trong quá trình cán nóng) nên chức năng đầu tiên của các chất bôi trơn dùng cho cán nguội là làm giảm được xu hướng này. Các phân đoạn chưng cất hẹp được tinh chế kỹ nhận được từ các dầu thô gốc parafin thường được sử dụng nhất làm dầu gốc cho các chất bôi trơn này. Nhiệt độ nung trong công nghiệp nhôm 4 là khoảng 3200C, do vậy việc sử dụng các phân đoạn dầu khoáng gốc này sẽ rơi vào phân đoạn keroxin. Để tạo cho chất bôi trơn dùng trong cán nguội nhôm có được các đặc tính ma sát và khả năng mang tải thích hợp cần phải pha thêm các dầu gốc khoáng có độ nhớt thấp một tổ hợp phụ gia đặc biệt. Các phụ gia được sử dụng chủ yếu gồm các ancol béo, các axit béo và các ester béo. Các ancol béo đảm bảo cho chất bôi trơn có được tính năng tốt hơn vì chúng không ảnh hưởng đến đặc tính ủ của nhôm. I.1.3. Các kiểu chất bôi trơn trong quá trình cắt gọt kim loại Có ba kiểu chất bôi trơn dùng trong cắt gọt kim loại: dầu nhũ tương và các sản phẩm gốc nước. Các dầu thường nhận được từ dầu mỏ, từ thực vật và động vật. Các chất nhũ tương đều chứa dầu, như dầu khoáng hoặc dầu hỗn hợp, tồn tại ở dạng hạt nhỏ lơ lửng được phân tán nhờ sự hỗ trợ thêm của các chất tạo nhũ. Các sản phẩm gốc nước cũng còn được gọi là các chất lỏng tan trong nước, các chất lỏng hóa học hoặc các chất lỏng tổng hợp; chúng không chứa dầu mà chỉ chứa các chế phẩm tan trong nước, ví dụ như dung dịch nước của Di, Tri, Tetraetylen glycol. Mặc dù đã có nhiều thay đổi trong việc pha chế các chất bôi trơn cho cắt gọt kim loại kể từ khi đưa chúng vào sử dụng nhưng những chức năng cơ bản của chúng vẫn không thay đổi. Chúng gồm: 1. Làm mát vật gia công và phôi để nâng cao tuổi thọ công cụ và cho phép nâng cao tốc độ cắt gọt, cũng như để làm giảm sự biến dạng và đạt được độ chính xác về kích thước; 2. Bôi trơn để làm giảm ma sát, cải thiện độ nhẵn bề mặt gia công, bảo vệ bề mặt sau gia công không bị gỉ, ăn mòn và các cặn bẩn không mong muốn, làm giảm mài mòn dao tiện và xu hướng gây rung ồn; 3. Bảo vệ an toàn cho người thao tác 4. Để thoát phôi khỏi vùng cắt gọt bằng cách rửa trôi. Tiện là nguyên công nhẹ nhàng nhất và nhiệt được giải phóng dễ dàng nhờ chất lỏng cắt gọt và nhờ phôi thoát ra liên tục. Chuốt là ngyên công khắc nghiệt nhất. Các răng cắt luôn tiếp xúc với chi tiết gia công trong suốt quá trình cắt gọt và cứ sau mỗi răng, dao cắt lại càng ăn sâu thêm vào vật gia công. Điều này làm cho chất lỏng cắt gọt khó vào đến phần mũi của dao trong thời gian máy hoạt động. Vì 5 vậy chất lỏng cắt gọt dùng trong việc chuốt phải có tính chất bôi trơn và chống hàn dính rất tốt để bảo vệ dụng cụ cắt gọt và để đảm bảo gia công chính xác. Rất cao Thấp Thấp Tốc độ cắt gọt Hoạt tính chất lỏng cắt gọt Chế độ làm việc khắc nghiệt Chuèt Ta r« Doa T¹o r¨ng C¸n Khoan Mµi TiÖn Rất cao Rất cao Thấp Hình I.2: Chế độ làm việc khắc nghiệt của một số quá trình cắt gọt kim loại Hình I.2 cho thấy rằng chế độ làm việc khắc nghiệt tăng thường đi liền với tốc độ cắt gọt giảm. Chế độ làm việc khắc nghiệt đòi hỏi chất lỏng cắt gọt phải có hoạt tính cao. Điều này có nghĩa là dưới điều kiện làm việc khắc nghiệt phải sử dụng các chất lỏng cắt gọt có chứa phụ gia mà đặc biệt là phụ gia chịu cực áp. Các chất lỏng cắt gọt ngày nay thường chứa nhiều loại hóa phẩm đặc biệt được tính toán sao cho để chất lỏng có được khả năng bôi trơn, độ hoạt động bề mặt, độ ổn định và các tính chất chống hàn dính cần thiết. N−íc Tính làm mát Nhò lo·ng Nhò N−íc víi phô gia Nhò víi phô gia DÇu kho¸ng DÇu kho¸ng Víi phô gia TÝnh b«i tr¬n Hình I.3: Tính chất bôi trơn, làm mát của các chất lỏng gia công kim loại Ảnh hưởng của điều kiện làm việc đến yêu cầu đối với một chất lỏng cắt gọt có thể tóm tắt như sau: 1. Tốc độ cắt gọt cao thường tạo ra nhiệt độ cao. Trong trường hợp này hoạt tính của chất lỏng cắt gọt không đòi hỏi phải cao, nhưng việc làm mát khu vực cắt gọt lại trở thành yếu tố quyết định và do vậy những dầu cắt gọt kim loại có khả năng làm mát cao là cần thiết. Như đã biết, nước là một trong những chất làm mát tốt nhất 6 nhưng lại là một chất bôi trơn rất kém. Do vậy, các sản phẩm gốc nước có chứa các tác nhân thấm ướt, các phụ gia chịu cực áp, các chất ức chế ăn mòn và một số hóa chất khác thường được chọn để làm chất lỏng cắt gọt dùng cho các nguyên công có điều kiện làm việc ít khắc nghiệt như tiện, phay, khoan … Hình trên cho thấy rằng một số chất lỏng cắt gọt kim loại có tính chất làm mát tuyệt hảo cũng có tính chất bôi trơn tốt. 2. Trong các nguyên công có tốc độ thấp hơn, mà thường đi liền với ma sát và mài mòn dụng cụ cao, như gia công răng, tarô hoặc chuốt thì bôi trơn là yếu tố quyết định còn yếu tố làm mát ít quan trọng hơn. Trong những trường hợp như vậy, do điều kiện làm việc khắc nghiệt nên người ta thường sử dụng các chất bôi trơn gốc dầu có chứa phụ gia mà chủ yếu là các phụ gia chịu cực áp. I.2. Thành phần cơ bản của dầu gia công kim loại I.2.1. Dầu gốc Dầu thương phẩm bao gồm hai hợp phần là dầu gốc và phụ gia. Dầu gốc được sử dụng nhiều nhất là các phân đoạn dầu khoáng gốc dầu mỏ gọi là dầu gốc khoáng và được chế biến theo công nghệ truyền thống. Ngoài ra còn có thể dùng một số loại dầu gốc tổng hợp có nguồn gốc là sản phẩm của những phản ứng hóa học. I.2.1.1.Dầu gốc khoáng Dầu gốc khoáng bắt nguồn từ dầu mỏ là kết quả của các quá trình hóa học và vật lý hàng nghìn năm xác động thực vật. Ngay từ khi ra đời, dầu gốc khoáng đã thay thế các chất bôi trơn cổ điển là dầu thảo mộc và mỡ động vật do giá thành rẻ hơn 3÷4 lần. Cũng vì lý do đó mà dầu gốc khoáng được sử dụng rộng rãi hơn dầu gốc tổng hợp. Dầu gốc khoáng được sản xuất từ dầu mỏ bằng các quá trình tinh chế và chế biến chọn lọc. Bản chất của dầu thô và quá trình lọc dầu sẽ quyết định đến tính chất vật lý và hóa học của dầu gốc tạo thành. Phân đoạn dầu thô thích hợp cho sản xuất dầu gốc sẽ có các sản phẩm có nhiệt độ sôi khác nhau nhờ quá trình chưng cất chân không, chúng có số nguyên tử cacbon từ 21÷40, gồm các parafin mạch thẳng và mạch nhánh, naphten và aromatic. Ngoài ra còn có các thành phần không mong muốn như các hợp chất chứa S, N, O và nhựa asphanten. 7 Trong thực tế, dầu gốc khoáng là hỗn hợp của các phân tử đa vòng có đính mạch nhánh parafin. Số vòng ngưng tụ càng nhiều và mạch nhánh parafin càng ngắn thì tính nhiệt nhớt của hydrocacbon càng kém và càng không thích hợp để làm dầu bôi trơn. Trong dầu gốc các thành phần mong muốn là isoparafin và các phân tử có một hoặc hai vòng gắn với mạch nhánh parafin. Còn các thành phần không mong muốn như hydrocacbon có cấu trúc naphten, vòng aromat hoặc các chất dị vòng, vì chúng có tính nhiệt nhớt kém và ổn định oxy hóa thấp. Việc phân loại dầu gốc khoáng thành dầu parafinic, naphtenic, hoặc aromatic tùy thuộc vào loại hydrocacbon nào chiếm ưu thế. Xem bảng 1.1 ta thấy sự khác nhau về tính chất vật lý, hóa học và dầu bôi trơn có cấu trúc khác nhau. Ba loại dầu này đều là dầu thương phẩm và được chọn có độ nhớt gần bằng nhau. Bảng I.1. Đặc tính vật lý và hóa học của các dầu gốc khoáng [6] Tính chất/thành phần hóa học Dầu parafin Naphten Aromat Độ nhớt động học ở 400C, mm2/s 40 40 36 Độ nhớt động học ở 100 C, mm /s 6,2 5,0 4,0 Chỉ số độ nhớt 100 0 -185 0,8628 0,9194 0,9826 Nhiệt độ chớp cháy, 0C 299 174 160 Điểm anilin, 0C 107 73 17 Nhiệt độ đông đặc, C -15 -30 -24 Phân tử lượng 440 330 246 Chỉ số khúc xạ 1,4755 1,5068 1,5503 % hợp chất phân cực 0,2 3,0 6,0 % thành phần thơm 8,5 43 80 % thành phần no 91,3 54 14 % CA 2 19 41 % CN 32 37 36 % CP 66 44 23 0 Tỷ trọng d420 2 0 Phân tích qua đất sét Loại nguyên tử cacbon (phân tích cấu trúc nhóm) 8 I.2.1.2. Dầu gốc tổng hợp Gần đây, hướng nghiên cứu của nước ngoài về pha chế dầu bôi trơn cho quá trình gia công kim loại có sử dụng dầu gốc bán tổng hợp và tổng hợp làm chất bôi trơn nền. US Patent 6448207 nghiên cứu sử dụng nước, các sản phẩm tan trong nước để pha chế chất lỏng gia công kim loại (etylenglycol, sterat kim loại, cacbonat, chất hoạt động bề mặt, silicon, phụ gia ức chế ăn mòn kim loại, phụ gia chống tạo bọt). US Patent 6242391 lại sử dụng dung môi ancol làm chất nền, các muối brom, flo làm phụ gia chống hàn dính, ngoài ra còn có phụ gia ức chế gỉ, phụ gia diệt khuẩn. So với dầu gốc khoáng thì dầu gốc tổng hợp có nhiều ưu điểm hơn, khoảng nhiệt độ làm việc rộng (từ -550C đến 3200C). Dầu gốc tổng hợp có nhiệt độ đông đặc thấp và độ bền nhiệt cao, do đó nó thường được sử dụng cho những mục đích đặc biệt. Do dầu gốc tổng hợp thu được từ các phản ứng hóa học tạo ra được các dầu gốc có tính chất đồng nhất cao nên có thể cho loại dầu có tính chất đáp ứng được các tính năng bôi trơn định trước. Chúng có thể có các tính chất của các chất tốt nhất trong dầu khoáng và các tính chất riêng mà dầu gốc khoáng không có. Thực tế những loại dầu gốc tổng hợp quan trọng nhất gồm: hydrocacbon tổng hợp, ester hữu cơ, polyglycol và estephotphat. Chúng chiếm khoảng trên 90% khối lượng dầu tổng hợp hiện nay đang được sử dụng. Polyglycol được sử dụng rộng rãi trong gia công cắt gọt kim loại. Polyglycol là các polyme của etylen, propylen oxit trọng lượng phân tử cao hoặc cả hai, chúng có khoảng độ nhớt rộng. Các polyglycol còn ở dạng polyankylen glycol, polyglycol ete và polyankylen glycol ete. Etylenglycol HO-CH2-CH2-OH là glycol đơn giản nhất. Quá trình polyme hóa etylenglycol dẫn đến sự hìmh thành liên kết oxy và tạo ra một polyglycol ete H-(OCH2-CH2)n-OH. Dạng chất tổng hợp này bao gồm một loạt sản phẩm của hai nhóm cơ bản. Nhóm thứ nhất gồm các sản phẩm tan hoàn toàn trong nước, trong khi nhóm thứ hai gồm các sản phẩm không tan trong nước. Tuy nhiên, chúng không tương hợp với các dầu khoáng hoặc các phụ gia dùng cho dầu khoáng. Hiện nay, polyglycol là loại dầu gốc tổng hợp phổ biến nhất. Một trong những ưu điểm của polyglycol là chúng phân hủy hoàn toàn dưới điều kiện oxy hóa ở nhiệt độ cao. Điều này dẫn đến sự tạo 9 cặn thấp trong điều kiện nhiệt độ làm việc bình thường và nhiệt độ cao, hoặc phân hủy hoàn toàn, không tạo cặn khi sử dụng ở nhiệt độ cao. Polyglycol là chất bôi trơn tuyệt vời, chịu nhiệt độ thấp tốt mặc dù ở nhiệt độ thấp chúng có xu hướng trở nên nhớt hơn so với một số dầu tổng hợp khác, chúng có độ dẫn nhiệt cao, điểm đông tương đối thấp và có ít hoặc không có tác dụng ngược lại đối với vật liệu làm kín thông thường. Nhưng với các sản phẩm tan trong nước phải xem xét việc làm kín để chắc chắn rằng các chất làm kín tương hợp với nước. Mặt khác, chúng có tác dụng như dung môi mạnh đối với các loại sơn không bền. Các polyglycol hòa tan trong nước được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong chất lỏng cắt gọt kim loại. I.2.2. Phụ gia tạo nhũ [6,8,12,14] Trong trường hợp cần tạo ra hệ nhũ tương dầu trong nước hoặc ngược lại với những mục đích khác nhau như tạo chất lỏng thủy lực chống cháy, chất bôi trơn dùng trong khoan đá và loại thể lỏng dùng gia công kim loại thì sử dụng phụ gia tạo nhũ. Phụ gia nhóm này là các muối sunfonat, các axit béo và muối của chúng, các ester của axit béo, các phenol và phenol ete… Theo định nghĩa, nồng độ cân bằng của chất tạo nhũ trên phân cách dầu nước cao hơn trong thể tích. Có ba nhóm chất tạo nhũ: - Chất tạo nhũ Anion (Anion hoạt tính) chúng có phần ưa nước mang điện tích âm. Điển hình của loại này là các xà phòng của các axit béo. Ví dụ trong xà phòng natri của một axit béo mạch dài thì phần mạch dài hydrocacbon là phần tan trong dầu, còn đầu ưa nước O = C-- - O - Na tạo nên một lớp định hướng nằm trên bề mặt của các hạt nhỏ. Các loại xà phòng có một số nhược điểm: + Nhũ phải được pha chế sao cho chịu được độ kiềm cao của xà phòng (pH = 10) + Trong nước cứng, xà phòng canxi và magiê hóa trị hai không tan sẽ làm giảm nồng độ chất tạo nhũ và sẽ tạo thuận lợi cho sự hình thành nhũ nước - trong - dầu, do vậy làm giảm độ ổn định của nhũ. Các tác nhân đã được sunphat hóa bền với canxi hơn. Điển hình là dầu thầu dầu và axit oleic sunphat hóa. 10 - Chất tạo nhũ cation (cation hoạt tính): trong chất tạo nhũ cation thì phần ưa nước của phân tử mang điện tích dương. Các muối amin bậc bốn được sử dụng làm các tác nhân cation. Nhóm ưa dầu mạch dài là cation. Anion thường là clorua hoặc bromua [(R)4N+]X- . Ở đây R- nhóm ưa dầu và X-Cl hoặc Br. Chúng không nhạy với canxi. Chúng được sử dụng chủ yếu trong hệ dầu- trong nước. - Chất tạo nhũ không ion: Chúng thường là các este được tạo ra bởi phản ứng của một axit béo mạch dài ưa dầu với một ancol polyhydric ưa nước hoặc axit béo với polyoxyetylen (-CH2-CH2-O-)n Những ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt HLB (Hydrophile Lyophile Balance), lượng chất phân tán và nhiệt độ lên kích thước hạt nhũ của dầu gia công kim loại. Đối với một quá trình gia công kim loại thì người ta sử dụng nhũ như một dầu bôi trơn gia công, sự tạo thành màng dầu trên bề mặt kim loại bằng quá trình phủ kín qua các giọt dầu trong thời gian nhất định. Do đó, với các yếu tố khác không thay đổi nếu tăng tốc độ làm việc trong quá trình gia công thì sẽ phải tăng lớp dầu bảo vệ lên, kết quả được nói lên trong các trường hợp ít chất bôi trơn và trường hợp có phụ gia tăng khả năng ma sát, nó cũng được sử dụng rộng rãi như phụ gia cực áp, axit béo… Dầu cho gia công kim loại dựa trên dầu trong nước nhũ có thể tạo ra chất bôi trơn tốt và bền. Lượng dầu có độ dày phù hợp được phủ lên bề mặt kim loại trong quá trình gia công là do tỷ lệ kích thước hạt của nhũ dùng cho quá trình gia công, kích thước hạt nhũ to hơn sẽ có tính chất che phủ và bôi trơn tốt hơn [12, 13]. Do đó, việc kiểm tra kích thước hạt của dầu gia công kim loại là phổ biến và được sử dụng như một dấu hiệu cho các điều kiện dầu sử dụng trong công nghiệp. Trong công nghệ trước đây, việc gia công kim loại ở tốc độ thấp hay cao thì dầu gia công sẽ có chứa chất hoạt động bề mặt tạo nhũ có khả năng tan trong dầu đầu tiên được pha vào trong nước để giúp cho việc bảo vệ máy móc qua việc tạo ra một chất nhũ siêu bền. Nhũ được bền hóa bởi việc thêm vào chất phân tán có khả năng tan trong nước. Dầu gia công kim loại được đưa ra với hai công thức là kích thước hạt tối ưu và có khả năng bền hóa. Nhưng việc bảo quản và sử dụng chất lỏng 11 gia công cần yêu cầu phải thường xuyên sử dụng chất phân tán có khả năng tan trong nước.Công nghệ dầu gia công kim loại tiến bộ hơn thì đòi hỏi phải kết hợp chất phân tán và chất nhũ hóa vào cùng một sản phẩm đóng gói. Từ quan điểm thực tế, ảnh hưởng của kích thước hạt nhũ lớn đối với dầu gia công kim loại có thể theo hai hướng, góp phần tích cực trong bôi trơn bề mặt kim loại làm việc bằng cách bao phủ một lượng dầu. Tuy nhiên, ảnh hưởng tiêu cực là sự phân tách giữa nước và dầu ở bể chứa tuần hoàn dầu gia công kim loại (kích thước càng lớn khả năng phân tách càng cao). Dầu gia công kim loại thực tế là một hệ thống nhiều pha chứa bột sắt, giọt dầu, chất hoạt động bề mặt và nước, cùng với các loại ion khác, các thành phần có hại cho dầu trong việc tạo lớp váng, cặn bẩn cho thiết bị máy móc gia công. Do đó, chất nhũ hóa và chất phân tán luôn có mặt để điều khiển kích thước của hạt nhũ. Trong một hệ thống dầu gia công kim loại chỉ chứa chất nhũ hóa không ion, nếu nhiệt độ gia công dưới nhiệt độ điểm sương của chất hoạt động bề mặt thì khả năng bền nhũ tốt có thể được duy trì. Nhưng khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ điểm sương thì sự giảm độ bền nhũ xảy ra do sự phá vỡ khả năng hydrat hóa của phân tử chất hoạt động bề mặt và kết quả là làm mất tính hút nước của dầu. Đối với một hệ thống gia công kim loại có chứa chất hoạt động bề mặt ion sẽ ra độ bền nhũ khi pH thay đổi và ion mạnh trong pha nhũ. Đối với chất hoạt động bề mặt riêng biệt, giá trị HLB của nó có khả năng tạo nhũ và phân tán chất lỏng, chất rắn khác nhau. Trong dầu gia công kim loại, sự có mặt của các dầu và bột sắt thì yêu cầu chọn lựa chất hoạt động bề mặt có giá trị HLB tối ưu, theo đó duy trì sự bền hóa nhũ của giọt dầu và thậm chí ngay cả có sự phân tán của bột sắt để đạt được sự bền hóa của kích thước hạt nhũ cuối cùng. Nghiên cứu trực tiếp về độ bền của dầu gia công kim loại, như bột sắt và giọt dầu, tương tác của chúng với chất hoạt động bề mặt rất khó, do trạng thái động học và sự phân nhỏ của hệ thống. Tuy nhiên, kích thước hạt nhũ có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố thay đổi như giá trị HLB của chất tạo nhũ/ phân tán, nhiệt độ làm việc quá trình, pH, lượng bột sắt trong dung dịch và tạp chất của dầu. Bằng việc nghiên cứu các ảnh hưởng của những yếu tố và thiết lập mối quan hệ giữa chúng với kích thước hạt nhũ trong dầu gia công kim loại. 12 I.2.2.1.Tình hình sản xuất phụ gia tạo nhũ ở trong nước Hiện nay phụ gia tạo nhũ được sản xuất tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam trên cơ sở xà phòng hóa của LAS với TEA. Phụ gia tạo nhũ này có ưu điểm là cho khả năng tạo nhũ tốt và bền nhưng nhược điểm là môi trường của sản phẩm dầu gia công kim loại khi pha vào nước là pH<7 do đó dẫn đến bề mặt kim loại sau khi gia công thường bị gỉ. Phụ gia tạo nhũ cũng được sản xuất tại công ty phụ gia và các sản phẩm dầu mỏ (APP) trên cơ sở là xà phòng của TEA với dầu đậu nành hoặc dầu cọ và có sử dụng thêm phụ gia sunphonat theo công nghệ của Nga. Phụ gia này cho được khả năng tạo nhũ tốt và môi trường của sản phẩm pH ≈ 8÷9 do đó bề mặt kim loại sau khi gia công ít bị gỉ. Nhưng nhược điểm là hợp chất sunphonat trong quá trình sử dụng dễ bị vi khuẩn phân hủy tạo thành H2S gây mùi khó chịu. Ngoài ra cũng còn một số đơn vị trong nước và liên doanh có pha chế dầu gia công kim loại nhưng phụ gia tạo nhũ chủ yếu là nhập của nước ngoài trên cơ sở dẫn xuất của amit. I.2.2.2.Tình hình sản xuất phụ gia tạo nhũ ở nước ngoài Trên thế giới phụ gia tạo nhũ được sản xuất với rất nhiều loại khác nhau có thể nêu lên một số loại điển hình sau: * GT - 1500S: Là phụ gia tạo nhũ đuợc sản xuất bởi LUBRIZOL với tên là phụ gia dầu gia công kim loại trên cơ sở dầu hòa tan .GT - 1500S là chất tạo nhũ tan trong dầu trên cơ sở dầu gốc parafinic khác nhau. GT 1500S là sự kết hợp của natrisunfonat và 1 luợng như xà phòng đơn như là chất tạo nhũ thứ 2. Nó có khả năng bôi trơn tốt, chịu đuợc có độ cứng cao và chống ăn mòn Bảng I.2.Các chỉ tiêu lý hóa tiêu biểu của phụ gia STT 1 2 3 4 Chỉ tiêu Cảm quan KLR ở 250C Độ nhớt ở 400C pH (1%TTtrong nuớc) Phương pháp nhìn ASTM D1298 ASTM D445 TCVN 4559 đơn vị g/cm3 cSt - Kết quả Mầu nâu,trong suốt 0,997 325 8,9 Bảng I.3. Tỷ lệ pha trong dầu gốc parafinic STT 1 2 3 Hợp phần GT 1500S Phụ gia khác Dầu gốc parafinic Tỷ lệ (%TT) 15 10 vừa đủ 13 - Ứng dụng: GT 1500S có thể đuợc sử dụng như là phụ gia dầu gia công kim loại có tính năng tốt. Các phụ gia cực áp khác có thể đuợc bổ sung theo tỷ lệ thích hợp. Các este của glycol có thể đuợc sử dụng để đạt đuợc tính chất bôi trơn tốt mà không cần phải dùng phụ gia cực áp truyền thống có chứa clo, lưu huỳnh hay photpho. Công thức cuối cùng có thể đuợc điều chỉnh bởi axit béo, trietanolamin hay các tác nhân khác có khả năng bền nhũ. - Các sản phẩm thay thế: Phụ gia GT 1200S và GT 1580VS được sử dụng khi pha chế với dầu gốc parafinic; khi pha chế với dầu gốc naphtenic thì sử dụng phụ gia GT 1900S và GT 1990S . Phụ gia ADCONATE BASE 2114 có thể sử dụng để pha chế dầu gia công kim loại với cả hai loại dầu là naphtenic và parafinic. * COLA® LUBE 4715 Là phụ gia cần thiết cho dầu gia công kim loại do hãng Colonical Chemical (CCI) phát triển và sáng tạo ra để sử dụng cho các loại dầu hòa tan, chất lỏng tổng hợp và chất lỏng bán tổng hợp gia công kim loại. Cola® Lube 4715 là công thức hữu ích trong các ứng dụng như tiện, doa, nghiền, khoan và nghiến. Cola® Lube 4715 có các tính chất bảo vệ ăn mòn, chống mài mòn và chịu tải trọng cao. Cola® Lube 4715 là một alkanolamide mạch dài, lỏng, tạo bọt thấp và có khả năng phân tán trong nước. Khi phân tán trong môi trường nước và dầu, sản phẩm tạo thành một chất nhũ hóa. Các chất bôi trơn tạo ra có các độ nhớt khác nhau tùy thuộc vào độ đậm đặc của Cola® Lube 4715 trong nước. - Dữ liệu làm việc: 1% Cola® Lube 4715 trong nước có khuynh hướng tạo bọt cao và ổn định, tuy nhiên khi điều chỉnh đến một pH trung tính sẽ làm giảm đáng kể chiều cao bọt, đó là đặc tính chung nhất của các alkanolamide mạch dài. - Các tính chất điển hình: + Bề ngoài: Chất lỏng trong suốt + Nhiệt độ đông đặc: 280C + pH 10%: 10,4 + Điểm nóng chảy: 330C + Trị số axít: 52,4 + Trị số kiềm: 123,5 - Khả năng tan trong các loại dầu: 10% dung dịch trong các loại dầu như sau: + Aromatic 150 : Tan + Metyl este của đậu tương: Tan + Paraffinic : Phân tán + Naphthenic: Phân tán 14 + Isoparaffinic: Không tan - Công thức: Dầu hòa tan, chất lỏng cán và mài: + Metyl este của đậu tương : 60% KL + Cola®Lube 4715: 15 % KL + Cola®Lube 3414 : 10% KL + TOFA (5-(tetradecyloxy)- 2-furoic acid) : + TEA-99 : 5% KL 10 % KL Trộn các thành phần và khuấy đều cho đến khi đồng nhất. + Dữ liệu làm việc (5% trong nước): Bề ngoài: Nhũ tương màu sữa tươi. pH: 9,4 + Cách pha loãng: Mài: 2% - 4% trong nước Gia công nhẹ: 3% - 6% trong nước Gia công vừa phải: 5% - 8% trong nước Gia công nặng: 7% - 10% trong nước - Tổng hợp chất lỏng gia công kim loại và định hình: + Nước: 50% + Cola®Lube 4715: 20% + TEA-99: 20% + Cola®Lube 3404: 10% Trộn các thành phần và khuấy đều cho đến khi đồng nhất. + Dữ liệu làm việc (5% trong nước): Bề ngoài: Nhũ tương màu sữa pH : 9,4 + Cách pha loãng: Gia công vừa phải: 4% - 8% Gia công nặng: 6% - 10% * BECROSANTME2155 Là phụ gia tạo nhũ đóng gói có khả năng bảo vệ ăn mòn tuyệt vời của LUBRIZOL. BecrosanTME2155 được phát triển để sử dụng trong rất nhiều loại dầu khoáng gốc hydrocacbon, đặc biệt là dầu khoáng paraffinic và sẽ tạo được hệ nhũ tương đục truyền thống. Nồng độ của BecrosanTME2155 được tạo sẵn để dễ dàng 15 phân tán trong nước và có khuynh hướng tạo bọt thấp khi sử dụng, chúng đáp ứng tốt ngay cả trong điều kiện nước cứng. - Tính chất đặc trưng: + Bề ngoài: Chất lỏng nhớt ổn định màu nâu + Khối lượng riêng ở 200C : 1,01 g/cm3 + Độ nhớt ở 400C : 480 mm2/s + pH (5% khối lượng trong nước): 9,4 - Công thức: 18% BecrosanTME2155 trong dầu paraffinic + Mẫu nhũ màu trắng đục ổn định ở 0 - 500C + Độ ổn định nhũ theo tỷ lệ 20:01 trong nước ở 400F , 0/0,1 ml + Không ăn mòn gang (5% trong nước ở 200F) + Khả năng tạo bọt (tỷ lệ 20:1 trong nước ở 200F): 0 bọt<30s - Ứng dụng: + Các mẫu BecrosanTME2155 là cơ sở nền có nồng độ dầu hòa tan đặc trưng là 18% khối lượng trong dầu khoáng. Khi kết hợp với biocide của Biozid ST -1 và Contram J30 sẽ làm tăng tuổi thọ của dầu. + Có thể kết hợp các nồng độ dầu hòa tan với SYN - ESTER®GY10 hoặc ESTER®GY25 và ADDCO®370-P hoặc Becrosan OS 20 chịu tải trọng cho nhiều ứng dụng gia công hoặc để sử dụng với máy móc hiện đại đa chức năng. - Tính năng: Khả năng tương thích với kim loại màu được tăng cường bằng các kết hợp 0,2 - 0,5% Skosanor KSP 531 vào trong nồng độ. BecrosanTME2155 được xây dựng để bảo vệ môi trường và thân thiện với các nhà sản xuất. Nó không có diethanolamine, các amin bậc hai, nhũ dạng amid bậc hai, nitrit ức chế ăn mòn, clo hóa các phụ gia cực áp, biocide phenolic và bề mặt không có ion nonylphenol. I.2.3. Các loại phụ gia khác Dầu gốc ảnh hưởng đến phụ gia qua hai tính năng chính: tính hòa tan và tính tương hợp. Chẳng hạn hydrocacbon tổng hợp ít hòa tan phụ gia (ngược lại với dầu khoáng gốc), nhưng chúng có tính tương hợp với phụ gia rất tốt. Do vậy tính tương hợp phụ gia phụ thuộc rất nhiều vào thành phần dầu gốc. Việc tổ hợp phụ gia đòi hỏi sự khảo sát kỹ tác dụng tương hỗ qua lại giữa các phụ gia cũng như cơ chế hoạt động của từng loại phụ gia riêng và tính hòa tan của chúng. Những hiệu ứng phụ 16 không mong muốn của phụ gia cần được khắc phục và việc tổ hợp các phụ gia phải được điều chỉnh để đạt được tính năng tối ưu của phụ gia trong dầu bôi trơn. Chỉ một lượng nhỏ chất xúc tác thêm vào trong quá trình sản xuất phụ gia thường gây ra sự thay đổi lớn trong tác dụng tương hỗ của phụ gia. Những “phụ gia của phụ gia” này được các nhà sản xuất đánh giá cao. I.2.3.1. Phụ gia diệt khuẩn [6,14] Phụ gia loại này còn được gọi là chất phòng phân hủy, chất diệt trùng, được dùng để ngăn ngừa hoặc làm giảm sự phát triển của vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc, chất nhờn bẩn,.. Phụ gia diệt khuẩn hiện được dùng chủ yếu trong dầu bôi trơn động cơ tàu thủy, chất lỏng cắt gọt kim loại là những môi trường lý tưởng cho sự phát triển của một số lớn các vi sinh vật, làm cho chất bôi trơn bị biến chất đi. Các chất diệt khuẩn quan trọng nhất thuộc các nhóm hợp chất sau: phenol, hợp chất chứa clo, etanolamin, fomaldehyt và các hợp chất giải phóng ra fomaldehyt, triazin, hợp chất dạng morphin. Các chất chelat như tetranatri etylendiamin tetraxetat khi được bổ sung vào hệ chứa phụ gia diệt khuẩn thích hợp có thể làm tăng hoạt tính một cách đáng kể. Có một điều quan trọng cần lưu ý ở đây là nhiều phụ gia diệt khuẩn dùng cho chất lỏng cắt gọt bị giảm hoạt tính đi khá nhanh. Hơn nữa, cần phải biết là do thành phần các chất lỏng cắt gọt quá khác nhau nên không có một loại phụ gia diệt khuẩn nào có hiệu quả cho tất cả các chất lỏng cắt gọt. Vì vậy, đối với từng chất lỏng cắt gọt gốc nước phải được nghiên cứu cụ thể để xem chất diệt khuẩn nào có hiệu quả nhất. Nhiều phụ gia diệt khuẩn gây độc hại cho người. * CONTRAM ST - 1 Là chất diệt khuẩn công nghiệp có hàm luợng cao có công thức : N N O O N, N Metylen bismorpholin - Đặc trưng kỹ thuật: + Cảm quan: sạch, chất lỏng màu vàng + pH( pha loãng): 9,0 - 11,0 17 + hoạt chất , %kl: > 98 Đây là hợp chất có khả năng chống khuẩn cao, sử dụng cho các chất lỏng gia công kim lọai. CONTRAM ST- 1 có khả năng tan trong dầu , nước và nó làm tăng tuổi thọ dầu , bảo về tốt và hiệu quả chống lại các loại vi khuẩn CONTRAM ST-1 có thể chống lại vi khuẩn nhưng hiệu quả thấp với nấm trong chất lỏng gia công kim loại như: Acremonium spec, Candida albicans, Escherchia coli, Fusarium-spec, Klebsiella-aerogenes, Legionlla-pneumophila, Mycobacterium, immunogenum, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas - fluorecents, Pseudomonas putida, Staphylococcus aureus - Đặc tính: + Trong hệ thống nhũ tuơng , khả năng hòa tan cân bằng giữa pha nuớc và pha dầu để có hiệu quả sử dụng lâu dài. Không giống như sử dụng chất diệt khuẩn thông thuờng, CONTRAM ST-1 và CONTRAM MDO đuợc tạo ra để hòa tan pha dầu tốt hơn. Tính chất này là 1 yếu tố làm cho công nghệ CONTRAM đuợc chọn lựa cho bảo vệ chất lỏng gia công kim loại. + Tính tương hợp nồng độ : Trên các nghiên cứu nồng độ dầu có khả năng bảo vệ với cả CONTRAM ST-1 hay phân tử chất diệt khuẩn thông thuờng để tạo đuợc hệ nhũ trong vòng 7 ngày. Khi sử dụng với CONTRAM ST-1, chất lượng nhũ không bị mất đi khi quan sát trong thời gian lưu trữ. Khi sử dụng chất diệt khuẩn thông thường thì chất lượng nhũ bị mất hoàn toàn dẫn đến sản phẩm không phù hợp cho bảo quản lâu dài. - Sử dụng: Pha chất lỏng gia công kim loại vào nước với tỷ lệ 20 : 1, có thể sử dụng 2 - 3% CONTRAM theo khối lượng. Nồng độ pha loãng sẽ là 1000 1500ppm. * BIOBAN DB - 20 (dung dịch 20% của 2,2 -Dibrôm - 3 - nitrilopropionamide) - Bioban DB - 20 là chất kháng khuẩn hiệu quả, không có fomandehit và tương thích với mọi loại chất lỏng gia công kim loại - Đặc tính: Không mùi, không tạo bọt, bền trong môi trường kiềm, ảnh hưởng ít tới môi trường - Tính chất vật lý: + Bề ngoài: Chất lỏng trong màu hổ phách + Khối lượng riêng: 1,28 g/ml 18
- Xem thêm -