L ời cảm tạ
2.1.2.Ảnh hưởng cấu trúc phân tử của chất bôi trơn đến bôi trơn hấp phụ
Cấu trúc hoặc hình dạng phân tử của chất hấp phụ có ảnh h ưởng rất mạnh đến hiệu quả bôi trơn [1]. Yêu cầu cơ bản để tạo ra sự hút bám là tính phân cực của phân tử,các nhóm đuôi của các axit béo không no hấp phụ trên bề mặt kim loại.
Hình dạng của các phân tử có ảnh h ưởng lớn đến sự sắp xếp các nhóm phân tử xít nhau trên bề mặt kim loại. Các phân tử có cấu trúc phân tử mạnh thẳng có thể đáp ứng được sự hấp phụ tương đối tốt lên bề mặt kim loại và số mắt xích phải tương đối dài thì mới có hiệu quả trong bôi tr ơn hấp phụ. Khi nhóm mắt xích đ ược nâng lên từ 9 đến 18 thì nhiệt độ chuyển trạng thái ma sát tăng lên khoảng 40oC và đối với các phân tử có số mắt xích n<8 thì không thể xuất hiện các thuộc tính bôi trơn hấp phụ [4].
Hiệu ứng của chiều dài phân tử (số mắt xích) đến tính hấp phụ được giải thích dưới dạng liên kết bên cạnh tương đối yếu giữa các nhóm − CH2− của các phân tử axit béo, sự so sánh liên kết của các phân tử cấu trúc lên màng bôi trơn trên bề mặt kim loại được mô tả trên hình 2.3. Ta có thể thấy rằng khi tăng các liên kết đôi − CH2−, sẽ tăng được lực liên kết cạnh, tạo lên độ vững chắc cho lớp phân tử hấp phụ.
Hình 2.3. Liên kết giữa các phân tử axit béo đảm bảo độ bền cho lớp đ ơn phân tử hấp phụ
Số lượng mắt xích có ảnh h ưởng rất lớn đến hệ số ma sát ví dụ nh ư các rượu cồn có n=18 thì hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều so với các axit béo có n=12 mặc dù axit béo có lực hấp dẫn với bề mặt của kim loại l ơn hơn rấtnhiều.
Sự sai lệch hình dạng thẳng của phân tử có thể làm giảm mãnh liệt thuộc tính bôi trơn của chất hấp phụ. Điều này được khẳng định bằng một thử nghiệm khi cho mặt bi cầu bằng thép tôi, tr ượt trên đĩa chế tạo bằng vật liệu thép, đ ược bôi trơn bởi hỗn hợp giữa axit stearic và axit isostearic trong dầu parafin với nồng độ thay đổi. Sự khác nhau giữa hình dạng phân tử của axit stearic và isostearic là trong nó có 17 nguyên tử cac bon trong mạch chính với một rẽ nhánh với cấu trục mạch chính 18 nguyên tử cacbon, sự khác biệt giữa hệ số ma sát khi sử dụng vật liệu bôi tr ơn có chứa thành phần axit stearic và isostearic trên hình 2.4.
Hình 2.4. Sự biến đổi nồng độ axit stearic v à isostearic đến hệ số ma sát
Sự khác biệt về sự hấp phụ của phân tử đ ược thể hiện rõ nétở dạng đồng phân nhánh của cấu trúc phân tử được minh họa trong hình 2.5.
Phân tử cấu tạo nhánh có thể đ ưa đến hai hậu quả xấu như sau:
- Bề mặt khó có thể được bảo vệ bởi lớp phân tử sắp xếp có trật tự để tránh cho sự tiếp xúc trực tiếp giữa các bề mặt ma sát,
- Dải tương tác giữa các lớp phân tử sâu h ơn làm tăng nội ma sát.
Ngoài các chất axit béo được làm phụ gia hấp phụ cho dầu bôi tr ơn, người ta còn thấy một số hợp chất hữu c ơ khác như các amin cũng có những tác dụng rất tốt để làm phụ gia cho dầu bôi trơn, để giảm thiểu ma sát. Một số chất cũng đã được thử nghiệm với các hydrocacbon có chứa các nhóm silic và oxy, các hỗn hợp này trong các tài liệu khoa học được gọi là silanes (H4Si), tuy nhiên phạm vi ứng dụng khá hẹp. Một lớp đơn phân tử được hình thành từ các silanes có tính bền cao h ơn các chất hấp phụ khác đãđược tìm thấy ở các cặp ma sát chuyển động tr ượt lặp đi lặp lại. Cấu trúc của lớp đ ơn phân tử của silanes cũng thể hiện n hư một chất bôi trơn hấp phụ có độ bền ngang với các loại axit béo loại tốt đ ược mô tả trên hình 2.6
Hình 2.6. Cấu trúc của lớp hấp phụ của hỗn hợp silanes
Phân biệt sự khác nhau giữa lớp hấp phụ của silanes và axit béo làở sự móc nối như kiểu “cắm neo”của các phân tử silanes bởi các nguyên tử ôxy kề bên và silic. Sự dịch chuyển của những phân tử riêng lẻ, tạo ra các lỗ hổng trên màng dầu được ngăn ngừa một cách có hiệu quả nhờ sự liên kết mạnh mẽ bới các nguyên tử bên cạnh làm cho lớp hấp phụ có thể chống đỡ ít nhất 10.000 chu kỳ dịch chuyển t ương đối mà không làm tăng giá trị của hệ số ma sát. Trái lại trong lớp hấp phụ của các axit béo lại bị phá huỷ sau 100 chu kỳ tiếp xúc với c ùng điều kiện tác động (vận tốc trượt, áp lực, nhiệt độ..). Qua thực nghiệm, thấy rằng các nhóm hydroxyl bổ sung cho các axit béo
có tác dụng sự trùng hợp chéo trong màng hấp phụ, tập trung cao các phụ gia làm giảm đáng kể hệ số ma sát. Sự biến đổi cấu trúc của chất hấp phụ đ ược minh hoạ trên hình 2.7.
Hình 2.7. Sơ đồ sự bámhút của axit béo (a) và sự trùng hợp ngược (b)