a. Độ nhỏ giọt
Hình 1-1: Dụng cụ đo nhiệt độ nhỏ giọt của mỡ.
A. Vỏ bọc nhiệt kế cùng mẫu mỡ khảo nghiệm.
B. Sơ đồ dụng cụ đo.
1. Nhiệt kế; 2. Vỏ bọc nhiệt kế; 3. Hòm chứa mỡ; 4. Mỡ khảo nghiệm; 5. Ống nghiệm; 6. Bình cung cấp nhiệt.
Độ nhỏ giọt là nhiệt độ thấp nhất, tại đó mỡ nóng chảy nhỏ xuống giọt đầu tiên hay sợi mờ chảy xuống chạm đáy ống nghiệm trong dụng cụ đo độ nhỏ giọt. Độ nhỏ giọt cho biết nhiệt độ cao nhất mà mỡ còn sử dụng được. Thông thường nhiệt độ sử
dụng cao nhất thấp hơn nhiệt độ nhỏ giọt khoảng 10oC đến 20oC. Tuy nhiên, xét về
kết cấu thì mỡ là một hệ thể keo có kết cấu phức tạp do đó độ nhỏ giọt không đặc trưng hoàn toàn cho tính nóng chảy của mỡ. Nhiều loại mỡ có độ nhỏ giọt gần giống nhau, những mức độ nóng chảy không giống nhau, như vậy tính ổn định nhiệt của mỗi loại mỡ cũng khác nhau. Độ nhỏ giọt chỉ nói lên phần nào tính chất của mỡ ở nhiệt độ cao.
Loại xà phòng và độ no của xà phòng khác nhau thì độ nhỏ giọt của mỡ khác nhau. Chất béo càng no thì nhiệt độ nhỏ giọt càng cao.
Bảng 1-5: Điểm nhỏ giọt của một số loại mỡ có chất làm đặc khác nhau.
Chất làm đặc Điểm nhỏ giọt (oC)
Xà phòng natri (sodium soap) Xà phòng ba ri (barium soap) Xà phòng can xi (calcium soap) Xà phòng nhôm (aluminium soap) Xà phòng li ti (lithium soap)
Xà phòng can xi phức (calcium complex) Xà phòng nhôm phức (aluminium complex) Xà phòng li ti phức (lithium complex) PTFE 165-190 120-150 60-100 100-120 170-200 225-250 200-260 250-300 230-300 b. Độ đặc
Độ đặc chỉ trạng thái cứng, mềm của mỡ. Qua độ đặc có thể chọn được loại mỡ thích hợp cho các bề mặt ma sát dưới áp lực khác nhau.
Hình 1-2:Sơ đồ của bộ phận xác định độ xuyên kim và nguyên lý xác định độ xuyên kim.
A. Vị trí ban đầu.
B. Sau 5 giây.
Độ đặc của mỡ được đặc trưng bằng độ xuyên kim, là chiều sâu của khối chóp nón kim loại chuẩn rơi ngập vào mỡ trong một thời gian nhất định ở một nhiệt độ xác định. Độ xuyên kim phụ thuộc vào độ nhớt của dầu nhờn, tỉ lệ chất làm đặc, loại
xà phòng và độ no của chất béo xà phòng hóa.
Độ xuyên kim tỉ lệ nghịch với tỉ lệ chất làm đặc. Nếu tỉ lệ chất làm đặc càng lớn, độ xuyên kim càng nhỏ.
Mỡ được sản xuất từ chất béo no có độ xuyên kim nhỏ hơn từ cùng loại với chất béo không no. Nếu mỡ được chế từ xà phòng cùng loại, nhưng dầu có độ nhớt khác nhau thì độ xuyên kim cũng khác nhau. Nếu độ nhớt lớn thì độ xuyên kim nhỏ. Độ xuyên kim được coi là một trong những đặc tính chính của mỡ.
c. Tính ổn định thể keo
Tính ổn định thể keo là khả năng giữ vững kết cấu của mỡ dưới tác động của nhiệt độ và áp lực. Tính chất này được đánh giá bằng tỉ lệ phần trăm trọng lượng dầu bị tách ra trong điều kiện thí nghiệm. Để đánh giá tính ổn định thường dùng thí nghiệm tách dầu dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và áp lực. Mỡ được quấy kỹ rồi đổ vào phểu có giấy lọc, giữ ở một nhiệt độ nhất định trong 24 giờ. Cân lượng dầu bị tách ra, tính tỉ lệ phần trăm trên lượng mỡ thí nghiệm.
Lượng dầu tách ra càng nhiều, mỡ càng không ổn định. Độ nhớt của dầu càng nhỏ, lượng dầu tách ra càng nhiều. Cùng với thí nghiệm tăng nhiệt tách dầu còn có thí nghiệm tăng áp tách dầu.
Tính ổn định ở thể keo của mỡ phụ thuộc vào độ dính của dầu, chất làm đặc và kỹ thuật chế biến mỡ. Độ dính của dầu tăng, chất làm đặc có khả năng làm đặc tốt sẽ làm tăng tính ổn định thể keo mỡ.
d. Tính nhũ hóa của mỡ
Tính nhũ hóa là khả năng hòa tan của mỡ vào nước tạo nhũ tương. Nếu khả năng này lớn (tính khử nhũ kém) thì mỡ hòa tan vào nước nhiều, mỡ sẽ không được dùng được ở nơi ẩm ướt.
e. Axit hữu cơ - Bazơ trong mỡ
Quá trình xà phòng hóa có thể xảy ra không hoàn toàn, do đó một lượng Axit hoặc bazơ tự do sẽ còn dư lại trong mỡ. Với hàm lượng khoảng 0,2% bazơ tự do ở trong mỡ có tác dụng làm cho mỡ không bị thủy phân. Nếu lượng bazơ quá lớn thì tính ổn định thể keo sẽ kém đi, lượng bazơ quá nhỏ hay khi mỡ có tính axit, mỡ sẽ mềm và tính ổn định hóa học kém. Trong quá trình sử dụng và tồn chứa một lượng bazơ nhỏ có tác dụng giữ cho mỡ không bị axit hóa do hiện tượng ôxy hóa gây ra. Lượng bazơ được biểu thị bằng % trọng lượng bazơ so với lượng mỡ thí nghiệm.
Axit không được có ở trong mỡ, vì sẽ gây ăn mòn. Trị số axit được dùng để biểu thị lượng axit có trong mỡ, đồng thời để đánh giá mức độ lão hóa của mỡ. Tính ăn mòn được kiểm tra bằng phương pháp kiểm nghiệm ăn mòn mảnh đồng, thép.
1.2.3.3. Phân loại mỡ
Bảng 1 -6: Phân loại mỡ theo NLGI.
Chỉ số NLGI Dạng Độ lún theo ASTM (1/10 mm) Ứng dụng 000 00 0 1 2 3 6 5 6 Bán lỏng (semi-luid) Mềm Mịn (kreamy) Soap-like 445–475 400–430 355–385 310–340 265–295 220–250 175–205 130–160 85–115
Mỡ bôi trơn bánh răng
Mỡ bôi trơn ổ đỡ
Mỡ bảo quản
Mỡ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và các ngành kinh tế khác. Để thuận lợi trong sử dụng người ta đã phân loại mỡ thành các loại có ứng dụng khác nhau. Sự phân loại mỡ dựa trên độ kim xuyên của Viện nghiên cứu mỡ bôi trơn của
Mỹ (USNational Lubricating Grease Institute -NLGI) đề xuất từ năm 1925 có thể nói là cách phân loại đầu tiên trên thế giới về mỡ bôi trơn. Theo cách phân loại này mỡ được phân chia theo chỉ số NLGI và có các loại cho trong bảng 1-6.
Tất nhiên, phương pháp này không thỏa mãn về vật lý và những năm sau người ta đã cố gắng làm cho nó tương quan hoặc thay thế nó bằng tính nhớt, ví dụ như đo bởi ứng suất uốn của nhớt kế quay. Ngày nay, sự mô tả mỡ bôi trơn bằng các tiêu chuẩn ví dụ như ISO 6743 hoặc DIN 51825. Các tiêu chuẩn này dựa trên cơ sở chủ yếu là độ đặc, nhiệt độ làm việc thấp nhất và lớn nhất, tính chịu nước, khả năng mang tải. Đối với mỡ dùng cho ô tô được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM D 4950.
Nhưng đối với một số loại mỡ sự phân tích hữu hiệu là phải căn cứ vào các tính chất hóa học và vật lý của dầu nền và chất làm đặc, theo lẽ tự nhiên nếu tăng nồng độ chất làm đặc thì độ đặc của mỡ tăng. Nhưng đặc tính này chỉ có giá trị tốt nhất khi tỉ lệ giữa chất pha và dầu nền là hợp lý.
1.2.3.4. Chất làm đặc cho mỡ
Các chất làm đặc không chỉ có tác dụng làm đặc, mà nó còn có tác dụng làm thay đổi tính chất của chất bôi trơn lỏng. Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn các chất làm đặc để nó không có ảnh hưởng không lợi cho các tính chất của chất bôi trơn lỏng, các chất làm đặc không những phải đảm bảo được tính chất bôi trơn vốn có của chất bôi trơn lỏng mà còn có tác dụng hỗ trợ để nâng cao khả năng bôi trơn của mỡ ở điều kiện chất bôi trơn lỏng không thể đáp ứng (nhiệt độ cao, tải trọng bề mặt lớn…). Một số tính chất cơ bản của một vài chất làm đặc được cho trong bảng 1-1.
a. Xà phòng đơn
Về tổng quát, chất làm đặc tốt nhất là các axit béo với 18 nhóm carboxylic, nó có 18 nguyên tử carbon. Các xà phòng thường được điều chế từ 12 - hydroxystearic axit có nguồn gốc từ sinh vật hoặc từ stearic acid được điều chế từ động thực vật, hay từ các esters của nó, thông thường là các glyxerit (glyceride) của các loại chất
béo động thực vật, hoặc từ các hydroxide của các phần tử kiềm và axit kiềm (alkali và alkaline earth metals.
∗ Xà phòng ly tâm.
∗ Xà phòng cation.
∗ Xà phòng li ti (Lithium Soaps)
Hình 1-3: Cấu trúc phân tử của xà phòng lithium 12 – hydroxystearate.
∗ Xà phòng can xi
Xà phòng can xi được điều chế từ chưng cất 12 - hydroxystearic acid được gọi là xà phòng canxi khan (anhydrous calcium soaps).
Hình 1-4: Cấu trúc phân tử của xà phòng canxi.
∗ Xà phòng natri (Sodium Soaps)
So với mỡ li ti và mỡ canxi 12 - hydroxystearate, giá trị của mỡ xà phòng natri ngày nay thường thấp, mặc dù ở dạng nửa lỏng (semi - fluid) sản phẩm có một vài tính chất đặc biệt có thể dùng cho việc bôi trơn các bánh răng.
∗ Mỡ được làm đặc bởi các loại xà phòng khác: Mỡ nền xà phòng nhôm, mỡ xà phòng bari, mỡ xà phòng chì.
∗ Các xà phòng cation hỗn hợp M1X/M2X
Hình 1-5: Điểm nhỏ giọt của mỡ hỗn hợp lithium và calcium ở các tỉ lệ
thành phần khác nhau.
∗ Mỡ anion hỗn hợp MX1/MX2
b. Xà phòng phức (Complex Soaps)
Xà phòng phức có thể hình thành từ một vài xà phòng đơn với các muối bổ sung của các axit vô cơ như boric và phophoric axit và với các axit các carboxylic axit mạch ngắn.
∗ Xà phòng li ti phức (Lithium Complex Soaps)
Phổ biến nhất là xà phòng kép được hợp thành từ adxit 12 - hydroxystearic và axit azelaic có công thức cấu tạo:
Hình 1-6: Công thức cấu tạo của phức hợp thành từ Axit 12 – hydroxystearic và axit azelaic.
Xà phòng li ti phức có khả năng chịu tải tốt nhất có chứa axit boric hoặc axit phophoric. Sự pha thêm một số axit khác vào axit azelaic và axit boric đã được khảo nghiệm một cách có hệ thống và được cho trong bảng 1-7.
Bảng 1-7: Hệ xà phòng kép li ti (Lithium complex soap systems).
STT Hệ xà phòng kép li ti 1 Lithium 12 – hydroxystearate 2 Lithium adipate 3 Lithium azelate 4 Lithium dimerate 5 Lithium sebacate 6 Lithium terephthalate 7 Lithium borate 8 Lithium phosphate
Hình 1-7: Sợi của xà phòng Lithium 12 - hydroxystearate - borate (ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử trước và sau khi trượt với140 000 s-1).
∗ Xà phòng canxi phức
∗ Xà phòng sunfonat canxi phức (Calcium Sulfonate Complex Soaps)
∗ Xà phòng nhôm phức
Hình 1-9: Công thức cấu tạo của xà phòng nhôm phức.
∗ Các xà phòng phức khác
Hình 1-10: Công thức cấu tạo của xà phòng titan phức
∗ Chất làm đặc ion hữu cơ khác
Hình 1-11: Công thức cấu tạo của chất làm đặc muối natri của axit.
c. Chất làm đặc hữu cơ không ion (Non - ionic Organic Thickeners)
Các chất làm đặc tựa cabarmat (Carbamate-like) có công thức cấu tạo:
d. Chất làm đặc vô cơ
Hiện nay một số chất vô cơ đã được dùng như là chất làm đặc cho mỡ.
- Các loại đất sét (clay).
- Axit silicic có độ phân tán (hòa tan) cao.
e. Các chất làm đặc nhiều thành phần có đặc tính khác nhau
Về nguyên lý tất cả các chất màu hữu cơ và vô cơ đều có thể sử dụng như chất làm đặc hoặc đồng làm đặc cho mỡ hoặc ít nhất là chất làm đầy. Sự biến đổi của các phụ gia sang dạng lỏng.
f. Chất lỏng được làm đặc tạm thời (Temporarily Thickened Fluids)
Trong lòng chất lỏng, nếu chất rắn ở dạng huyền phù thì độ nhớt của chất lỏng sẽ tăng lên (bảng 1-8).
Bảng 1-8: Các chất lỏng làm đặc tạm thời(Temporarily thickened fluids).
Chất lỏng Nguyên liệu Cô đặc Ứng dụng
Từ tính (Magnetic) Suspensions of ferrite particles in inert liquids Magnetic field strength
Chi tiết quay nhanh phát ra âm thanh
Lưu biến điện (Electrorheologi cal)
Suspensions of silicates in silicone oils
Voltage Van thủy lực, chi
tiết làm việc nặng, ngâm trong chất lỏng, khớp cần bôi trơn
Tinh thể lỏng Compounds that form
smectic B-phases Pressure – temperature Khớp hoặc van thủy lực 1.2.3.5. Dầu nhớt dùng để pha chế mỡ
Dầu nhờn dùng để pha chế mỡ thường dùng là các loại dầu gốc nên được gọi tắt là dầu gốc. Về nguyên tắc các dầu gốc đều có thể được dùng làm dầu gốc để pha
chế mỡ, nhưng chỉ đối với dầu gốc có độ nhớt động học ở nhiệt độ 40oC có giá trị
(15 - 1500) mm2.s-1 mới được sử dụng. Ở đây chỉ phân tích một số đặc điểm của các
loại dầu gốc có ảnh hưởng đến tính chất và khả năng làm việc của mỡ.
a. Dầu gốc khoáng
Những dầu có chỉ số nhớt VI thấp thông thường yêu cầu chất làm đặc ít hơn đối với dầu có chỉ số cao khi chúng có cùng độ nhớt động học. Những mỡ cần sử dụng ở phạm vi nhiệt độ rộng ngày nay được ưa thích hơn.
b. Dầu gốc tổng hợp
Nhiều dầu tổng hợp được dùng để pha chế mỡ ngày nay đã được sử dụng từ những năm 1920 đến 1940 và được mô tả bởi Zisman.
- Dầu tổng hợp hydrocarbon.
- Các dầu gốc tổng hợp khác.
- Dầu gốc hỗn hợp các thành phần không thể trộn lẫn được.
Các mỡ là những chất bôi trơn duy nhất, mà các chất này với các chất làm đặc tạo ra sự chống đỡ không cho chất lỏng khác trộn lẫn vào một chất bôi trơn.
Bảng 1-9: So sánh một số tính chất của các loại mỡ có dầu gốc và chất làm đặc khác nhau. TT Chất làm đặc Dầu Phạm vi nhiệt độ làm việc (oC) Nhận xét 1 Xà phòng Natri (Na) Dầu
khoáng -20 đến 100 Dễ tạo nhũ tương với nước, có thể hoá lỏng
2 Xà phòng li ti (Li)
Dầu
khoáng -20 đến 130
Bền vững với nước đến 90oC, dễ tạo thành nhũ tương với lượng nhỏ, mềm đi với lượng
3 Xà phòng li ti kép
Dầu
khoáng -30 đến 150
Bền vững với nước, là loại mỡ chịu nhiệt độ cao (HT) và cũng là mỡ MP
4 Xà phòng canxi (Ca)
Dầu
khoáng -20 đến 50
Rất bền vững với nước, bị nước thâm nhập chứ không phải hấp phụ
5 Xà phòng nhôm (Al)
Dầu
khoáng -20 đến 70
Bền vững trong nước với tính chất làm kín tốt khi ngâm trong môi trường nước 6 Xà phòng Na
phức
Dầu
khoáng -20 đến 130
Bền vững với nước đến 40oC, là mỡ HT và HL (chịu áp lực riêng cao)
7 Mỡ can xi phức
Dầu
khoáng -20 đến 130
Rất bền vững trong nước, mỡ dùng cho HT và HL
8 Xà phòng ba ri phức
Dầu
khoáng -20 đến 150
Rất bền vững trong nước, sử dụng cho HT, HL và HV (độ nhớt cao), chịu được hơi, có
độc tính
9 Polyurea Dầu
khoáng -20 đến 150
Bền vững trong nước, thích hợp cho HT, HL, HV
10 Xà phòng nhôm phức
Dầu
khoáng -20 đến 150
Bền vững trong nước, thích hợp cho HT, HL, HV, độ nhớt thay đổi phụ thuộc vào
các yếu tố khác.
11 Bentonite
Dầu khoáng hoặc ester
-20 đến 150 Bền vững trong nước, loại mỡ gel, dùng thích hợp cho HT ở tốc độ thấp.
12 Xà phòng li ti Dầu ester -60 đến 130 Bền vững trong nước thích hợp cho HT và HV.
13 Xà phòng li ti
phức Dầu ester -50 đến 220
Là loại mỡ MP, bền vững trong nước, phạm vi nhiệt độ sử dụng rộng.
14 Xà phòng bari
phức Dầu ester -60 đến 130
Bền vững trong nước, thích hợp cho HT và LT, chịu được hơi, có tính độc.
15 Xà phòng li ti Dầu
silicon -40 đến 170
Rất bền vững trong nước, thích hợp cho HT và LT ở điều kiện LL (tải thấp) và tốc độ
Ghi chú:
a. Sự lựa chọn phụ thuộc vào dạng ổ đỡ và mục đích sử dụng. Các tính chất nhiệt độ thấp của các mỡ từ 1 đến 10 có thể được cải thiện bởi sự lựa chọn dầu khoáng có thể giảm được đến - 30oC và với dầu đặc biệt có thể đến - 50oC.
b. Các loại mỡ có thể chứa phụ gia EP, các chữ viết tắt thể hiện: MP = mỡ đa chức năng; HT và LT = chịu nhiệt độ cao và thấp; HL & LL = tải trọng cao và