CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÁI SINH DẦU NHỜN VÀ THỰC NGHIỆM
2.2. Nguyên nhân làm thay đổi tính chất dầu nhờn:
Các yêu cầu cơ bản đặc ra với tính chất sử dụng của dầu: dầu khoáng cần phải có tính chất bôi trơn tốt, đảm bảo đợc bôi trơn lỏng hoàn toàn và độ bền đáng tin cậy của màng dầu trong mọi ổ ma sát của các cơ cấu máy trong dải vận tốc, nhiệt độ, cũng nh tải trọng lớn. Sự bảo toàn màng dầu trên bề mặt là cần thiết để khắc phục tình trạng ma sát bán khô gây mài mòn và phá hủy chi tiết máy. Dầu nhờn cũng phải bền về mặt hóa học để chống lại sự oxi hóa bởi oxi trong không khí, trong các điều kiện nhiệt độ cao cũng nh không thay đổi tính chất của mình trong quá trình vận chuyển và bảo quản.
Một loại dầu nhờn không ổn định sẽ chịu một sự oxi hóa rất nhanh và tạo ra các cặn rắn. Những cặn này là nguyên nhân gây ra sự bẩn máy móc, làm cháy cũng nh làm gẫy các séc-măng trong động cơ... Trong quá trình oxi hóa, dầu sẽ xuất hiện các hợp chất axit có tính ăn mòn, chúng sẽ rút ngắn thời gian làm việc của dầu cũng nh thời gian làm việc của thiết bị. Dầu không chỉ cần bền về mặt oxi hóa bởi oxi không khí mà còn phải đảm bảo là không phải bị biến đổi trong quá trình hoạt động dới áp suất, độ ẩm, nhiệt độ cao. Vì vậy, độ bền hóa học của dầu đợc xác định bởi các chỉ tiêu nh tính bền oxi hóa, độ cốc hóa, chỉ số axit, chỉ số xà phòng... Trong quá trình làm việc của các máy móc, thiết bị thì dầu nhờn sẽ tiếp xúc với các kim loại, chịu tác động của không khí, nhiệt độ xung quanh, áp suất, các trờng điện từ, ánh sáng tự nhiên và một loạt các yếu tố khác. Dới ảnh hởng của các yếu tố này, cùng với thời gian sẽ xảy ra chất lợng của dầu. Đó là sự phân hủy, sự oxi hóa, polyme hóa, ngng tụ các hydrocacbon, sự cháy không hoàn toàn, sự pha loãng của dầu nhiên liệu, sự nhiễm bẩn từ các chất bên ngoài và sự lẫn nớc. Do vậy mà quá trình này mà trong dầu nhờn có tích lũy các chất nhựa, asphanten, cốc, bồ hóng, các muối khác nhau, các axit cũng nh các mạt kim loại, các hạt khoáng, các chất có dạng sợi, nớc v.v... Tất cả các chất này làm thay đổi tính chất lý hóa của dầu và đợc gọi chung là quá trình lão hóa của dầu nhờn.
2.2.1. Sự Oxi hóa:
Khi làm việc trong các động cơ, máy móc và các thiết bị khác, khi bảo quản trong kho cũng nh khi vận chuyển dầu đều tiếp xúc với oxi của không khí. Sự tiếp xúc này là nguyên nhân chủ yếu gây nên sự biến đổi về mặt hóa học của dầu, đó gọi là quá trình oxi hóa.
mức độ đủ sâu thì có thể phải loại bỏ dầu nhờn khỏi hệ thống bôi trơn của máy móc và thay dầu nhờn mới.
Khả năng chống lại quá trình oxi hóa nh tốc độ oxi hóa, mức độ oxi hóa cũng nh đặc trng của các sản phẩm tạo thành, phụ thuộc vào bản chất của dầu, nhiệt độ, áp suất không khí, vào bề mặt tiếp xúc của dầu với không khí, vào sự có mặt của các tạp chất có khả năng xúc tác hoặc ức chế đối với quá trình oxi hóa và vào thời gian làm việc của dầu nhờn.
Ngời ta đã xác định đợc rằng, trong tất cả các hydrocacbon có mặt trong dầu nhờn thì họ hydrocacbon có độ bền oxi hóa cao nhất là các hợp chất hydrocacbon thơm, sau đó đến hydrocacbon naphten và các hydrocacbon dễ bị oxi hóa nhất ở nhiệt độ cao là các hydrocacbon parafin. Trong quá trình làm sạch dầu nhờn, chỉ còn lại một lợng rất nhỏ các hợp chất nhựa và chúng lại là những chất chống oxi hóa tự nhiên trong dầu.
Quá trình oxi hóa các chất nhựa trong dầu cho ta các sản phẩm không tan mà tụ lại ở dạng asphanten và cacben. ở giải nhiệt độ 20 - 30oC thì quá trình oxi hóa trong dầu xảy ra rất chậm. Cùng với sự tăng nhiệt độ, tốc độ oxi hóa cũng sẽ tăng lên đáng kể. ở nhiệt độ 270 - 300oC và cao hơn thì đồng thời với sự bùng nổ của oxi hóa còn có sự phân hủy nhiệt của các hydrocacbon tạo thành CO2, nớc và các hợp chất chứa cacbon khác. Sự tăng áp suất của oxi cũng thúc đẩy quá trình oxi hóa. Sự oxi hóa dầu nhờn trong lớp màng mỏng ở môi tròng khí trơ nh trong nitơ xảy ra chậm hơn so với trong môi trờng oxi. Diện tích tiếp xúc của dầu với không khí càng lớn thì càng tạo điều kiện cho oxi khuyết tán vào trong dầu và làm tăng khả năng phản ứng polyme hóa dới tác động của oxi tạo ra các sản phẩm nhựa và asphanten.
Bằng rất nhiều sự quan sát và nghiên cứu ngời ta đã xác định đợc rằng một số kim loại và muối của nó có tác dụng xúc tác đối với quá trình oxi hóa dầu. Các kim loại có vai trò xúc tác mạnh nhất là Fe, Cu, Ni, Pb, Mn và Zn. Các kim loại nh Al, Sn không thúc đẩy quá trình oxi hóa còn muối của nó thì laị có tác động kìm chế quá trình này. Các muối kim loại tạo thành trong quá trình làm việc của dầu nhờn nh muối của axit naphtenic có tác động thúc đẩy sự oxi hóa dầu. Nớc cũng có tác dụng thúc đẩy sự oxi hóa vì chúng có khả năng làm tăng hoạt tính cho các xúc tác nói trên.
Trong giai đoạn đầu tiên thì quá trình oxi hóa xảy ra chậm sau đó cờng độ tăng dần đến một điểm cực đại rồi chậm dần đến lúc không đổi (bằng 0). Trong quá trình làm việc của dầu nhờn trong động cơ, đồng thời với quá trình phân hủy và tạo ra các sản phẩm oxi hóa đầu tiên mh các axit hữu cơ, phenol, rợu, andehyt, các chất nhựa... còn nảy sinh các quá trình bật 2 mà ngời ta gọi là quá trình thứ cấp chẳng hạn nh là quá trình polime hóa và ngng tụ. Sản phẩm của quá trình oxi hóa dầu nhờn sẽ có từ 8 -18% các hợp chất có tính axit, 39 - 57% các chất nhựa, 4 -11% các hợp chất khác. Quá trình oxi hóa và polime hóa có sự oxi hóa sẽ diễn ra theo 2 hớng nh sau:
- Từ các hydrocacbon tạo thành các hydroperoxit sau đó đến các axit chứa oxi, các extronit, rồi tạo ra các axit asphantogen. Hớng này tạo thành các sản phẩm có tính axit.
- Từ hydrocacbon tạo thành hydroperoxit rồi tạo thành các chất nhựa, các asphanten, cacben, và cuối cùng là các hợp chất cacboit. Hớng này tạo thành các sản phẩm có tính trung tính.
Sản phẩm của quá trình oxi hóa sâu và ngng tụ là các axit chứa oxy, axit asphantogen, các asphanten, các cacben, các hợp chất cacboit. Các chất này, khác với nhựa và axit, nó không tan trong dầu. Chúng tạo hệ keo hoặc ngng tụ thành cặn trong dầu. Dầu trong quá trình chịu tác động lâu dài của áng sáng, cùng với sự xâm nhập của không khí sẽ làm sẫm màu dầu, do lúc này trong dầu tạo ra các chất nhựa và các chất khác. Trong tối hoặc ngoài ánh sáng phân tán, quá trình oxi hóa xảy ra với tốc độ chậm hơn khá nhiều.
Một thông số tiêu biểu nhất xem dầu còn có thể sử dụng đợc hay không là chỉ số axit, trong đó không chỉ chú ý đến hàm lợng axit mà còn chú ý đến các dạng axit tạo thành. Các axit có phân tử lợng nhỏ có khả năng ăn mòn rất lớn nhng chỉ khi dầu có lẫn một hàm lợng nớc nào đó. Trong các dầu không lẫn nớc ngời ta thấy rằng các axit kể cả các axit có phân tử lợng nhỏ cũng không gây ra một sự ăn mòn đáng kể nào. Các sản phẩm keo dính của các quá trình oxi hóa tạo thành có thể kết tụ trên đờng ống dẫn dầu trên các van của động cơ, ngăn ngừa sự luân chuyển cũng nh sự bôi trơn của dầu và có thể là nguyên nhân gây h hỏng máy móc. Nh vậy, xu hớng của dầu đối với việc tạo thành các chất keo tụ ở nhiệt độ thấp nh các asphanten, cacben, cacboit cũng nh các xà phòng chứa đồng, sắt của các axit naphtenic và các axit khác có ý nghĩa nhỏ hơn việc làm tăng trị số axit của dầu. Việc tăng khả năng chống oxi hóa của dầu trong giải nhiệt độ trung bình có thể đạt đuợc nhờ các phụ gia chống oxi hóa.
2.2.2. Sự nhiễm bẩn bởi các tạp chất:
Các mạt kim loại có lẫn trong dầu do sự mài mòn của các bề mặt kim loại của các chi tiết. Các tạp chất nh là bụi, cát trong không khí rơi vào dầu trong quá trình sử dụng và tích lũy lại trong dầu. Các tạp chất này gây ra sự mài mòn lớn cho các bề mặt của chi tiết trong quá trình làm việc. Đối với các máy móc, thiết bị làm việc trong môi trờng nhiều bụi thì hàm lợng tạp chất này rất lớn, thậm chí đến vài phần trăm.
Trong quá trình làm việc của dầu thì dầu còn bị nhiễm nớc, nguyên nhân là do nớc có từ không khí xung quanh, từ các sản phẩm cháy của nhiên liệu, và do cả sự không kín của hệ thống làm mát động cơ. Nớc nằm trong dầu ở dạng hào tan hoặc dạng nhủ tơng, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể mà nó có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Tóm lại, trong quá trình dầu làm việc thì dầu luôn luôn bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất cơ học và nớc.
2.2.3. Sự làm loãng bởi nhiên liệu:
Đối với các động cơ đốt trong, dầu nhờn không chỉ có vai trò bôi trơn, tản nhiệt mà chúng còn có tác dụng làm kín, khít các khe hở không cho các khí cháy từ xylanh lọt xuống cacte bằng một lớp màng dầu mỏng ở thành xylanh. Khi nhiên liệu đợc đa vào xylanh của động cơ thì chúng đợc tạo thành hạt gồm không khí, hơi và các giọt dạng sơng mù của nhiên liệu. Các hạt nhiên liệu này có thể đọng ở trên thành xylanh và có thể trộn lẫn với dầu nhờn. Ngoài ra, trong giai đoạn đầu của quá trình làm việc, đặc biệt là khi động cơ khởi động, hơi nhiên liệu có thể ng- ng tụ lại trong bề mặt của xylanh và sẽ chảy xuống pha loãng dầu.
Thông thờng, dầu nhờn hàng không đã sử dụng thì lợng nhiên liệu có thể bị lẫn vào là khoảng từ 2 - 3%, còn trong dầu ôtô đã sử dụng thì chứa khoảng 3 - 7%. Nh vậy, loại nhiên liệu sử dụng có thành phần cất càng nặng, tức là nhiệt độ sôi càng cao, thì nó càng bay hơi chậm hơn, ngng tụ dễ dàng hơn và sự pha loãng dầu càng mạnh hơn.
Sự lẫn nhiên liệu vào trong dầu nhờn dẫn đến việc làm giảm nhiệt độ bắt cháy và độ nhớt của dầu nhờn.
2.2.4. Sự phân hủy bởi nhiệt:
Khi dầu tiếp xúc với các phân tử nhiệt độ cao của máy móc thì xảy ra sự phân hủy nhiệt, cracking. Kết quả của quá trình này là tạo ra các sản phẩm nhẹ dễ bay hơi cùng với các cấu tử nặng. Ngoài ra, dầu còn chịu sự đốt nóng cục bộ khá lớn. Xu hớng dầu khoáng đối với sự phân hủy nhiệt phụ thuộc trớcc hết là vào thành phần hydrocacbon trong nó. Các hydrocacbon trong dầu mà có cấu trúc càng phức tạp thì, mạch càng dài thì nó càng dễ dàng bị phân hủy dới tác dụng của nhiệt độ cao.
Tốc độ phân hủy của các hydrocacbon tăng lên cùng với sự tăng nhiệt độ và trong một khoảng nhiệt độ xác định nào đó (ví dụ 400 - 450oC) thì tốc độ phân hủy của dầu tăng theo định luật Vanhoff. Theo qui luật này khi nhiệt độ tăng lên 10oC thì tốc độ phân hủy sẽ tăng lên khoảng 2 lần. Một số các kim loại nh Cu, Zn làm giảm một cách đáng kể nhiệt độ phân hủy của hydrocacbon bởi vì nó thể hiện vai trò xúc tác trong quá trình này.