Nghiên Cứu Sản Xuất Phụ Gia Biến Tính Ma Sát Cho Dầu Bôi Trơn Động Cơ Từ Axit Béo Nguồn Gốc Parafin

• Tác giả: Nguyễn Công Long
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Trịnh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hữu Cơ – Hóa Dầu Và Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Sản Xuất Phụ Gia Biến Tính Ma Sát Cho Dầu Bôi Trơn Động Cơ Từ Axit Béo Parafin
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• Danh mục chữ viết tắt sử dụng trong luận văn
• Danh mục bảng
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Ma sát và nguyên lý bôi trơn
• 1.2. Sơ lược về ma sát
• 1.3. Sơ lược về nguyên lý bôi trơn
• 1.4. Tầm quan trọng của dầu bôi trơn
• 1.5. Đặc tính của phụ gia
• 1.6. Các chủng loại phụ gia
• 1.7. Phụ gia TRIBOLOGY
• 1.8. Phụ gia chống mài mòn
• 1.9. Phụ gia cực áp
• 1.10. Phụ gia biến tính ma sát
• 1.11. Một số phụ gia TRIBOLOGY sử dụng trên thế giới
• 1.12. Phân loại dầu bôi trơn động cơ
• 1.12.1. Phân loại theo tiêu chuẩn Nga
• 1.12.2. Phân loại theo cấp chất lượng API
• 1.12.3. Phân loại theo cấp độ nhớt SAE
• 1.12.4. Phân loại theo đặc chủng dầu động cơ
• 1.13. Dầu bôi trơn động cơ trên thế giới và Việt Nam hiện nay
• 1.14. Cơ sở quá trình oxy hóa
• 1.14.1. Cơ chế phản ứng oxy hóa
• 1.14.2. Động học phản ứng oxy hóa
• 1.14.3. Hóa học và cơ chế của quá trình oxy hóa các parafin để tạo ra axit béo và các hợp chất chứa oxy khác
• 1.14.4. Ảnh hưởng của các hợp chất hydrocacbon thơm đến tốc độ phản ứng oxy hóa parafin
• 1.14.5. Ảnh hưởng của độ dài mạch hydrocacbon của parafin
• 1.15. Cơ sở tổng hợp các hợp chất amít
• 1.16. Sơ lược tình hình sản xuất phụ gia biến tính ma sát trên thế giới và trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp dẫn xuất amít
• 2.2. Axit béo của quá trình oxy hóa parafin
• 2.3. Phương pháp tổng hợp amít đi từ axit béo của quá trình oxy hóa parafin và khí amoniac làm phụ gia biến tính ma sát
• 2.4. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp
• 2.4.1. Khảo sát nhiệt độ phản ứng của giai đoạn 1
• 2.4.2. Khảo sát tốc độ sục khí amoniac
• 2.4.3. Khảo sát thời gian sục khí amoniac
• 2.4.4. Khảo sát nhiệt độ tách nước
• 2.4.5. Khảo sát thời gian tách nước
• 2.5. Pha chế dầu động cơ bốn mùa 15W-40 có sử dụng phụ gia biến tính ma sát
• 2.6. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.6.1. Xác định độ nhớt động học
• 2.6.2. Xác định trị số axit
• 2.6.3. Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc hở
• 2.6.4. Xác định hàm lượng nước
• 2.6.5. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát theo phương pháp mài mòn 4 bi
• 2.6.6. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát theo phương pháp mài mòn khối
• 2.6.7. Phổ IR nghiên cứu các nhóm chức của sản phẩm
• 2.6.8. Xác định hiệu suất của phản ứng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp amít
• 3.1.1. Nhiệt độ của phản ứng
• 3.1.2. Thời gian sục khí
• 3.1.3. Nhiệt độ tách nước
• 3.1.4. Thời gian tách nước
• 3.2. Đánh giá tính chất lý hóa của phụ gia điều chế được
• 3.3. Kết quả phổ hồng ngoại thu được
• 3.4. Kiểm tra tính chất lý hóa của sản phẩm
• 3.5. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát của phụ gia tạo ra
• 3.6. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát bằng phương pháp mài mòn 4 bi
• 3.7. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát bằng phương pháp mài mòn khối
• 3.8. Đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát của dầu pha chế và dầu cùng cấp trên thị trường
• 3.9. Quy trình công nghệ sản xuất phụ gia biến tính ma sát
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục 1
• Phụ lục 2
• Phụ lục 3
• Phụ lục 4

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Phụ Gia Biến Tính Ma Sát

Nghiên cứu về phụ gia biến tính ma sát (FM) đang ngày càng trở nên quan trọng trong ngành công nghiệp dầu bôi trơn. Các động cơ hiện đại đòi hỏi dầu bôi trơn không chỉ có khả năng bôi trơn tốt mà còn phải giảm thiểu ma sát và mài mòn, từ đó kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất. Hiện nay, Việt Nam chủ yếu nhập khẩu các loại phụ gia biến tính ma sát, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và sản xuất trong nước. Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu sẵn có như axit béo nguồn gốc parafin oxy hóa có thể giúp giảm giá thành sản phẩm và tăng tính cạnh tranh. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp phụ gia biến tính ma sát từ nguồn nguyên liệu này, đánh giá tính chất và khả năng ứng dụng của nó trong dầu bôi trơn động cơ. Việc tạo ra phụ gia gốc amin dựa trên phản ứng amin hóa axit béo của quá trình oxy hóa parafin đang được xem là một giải pháp tiềm năng.

1.1. Định Nghĩa và Vai Trò Của Phụ Gia Biến Tính Ma Sát

Phụ gia biến tính ma sát là các chất được thêm vào dầu bôi trơn để giảm hệ số ma sát giữa các bề mặt kim loại tiếp xúc. Chúng hoạt động bằng cách tạo thành một lớp màng bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn tiếp xúc trực tiếp và giảm ma sát. Vai trò của chúng rất quan trọng trong việc giảm mài mòn, tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ động cơ. Các loại phụ gia này có thể là hữu cơ, vô cơ hoặc cơ kim. Chúng có tác động lớn đến hiệu suất và độ bền của động cơ, đặc biệt là trong điều kiện vận hành khắc nghiệt. "Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều dầu bôi trơn cho động cơ được pha chế, sản xuất tại các công ty trong nước và nước ngoài trong lúc đó phụ gia biến tính ma sát dùng để pha chế vào các dầu động cơ này đều được nhập khẩu từ nước ngoài..."

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Axit Béo Parafin Oxy Hóa

Axit béo parafin oxy hóa là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc sản xuất phụ gia biến tính ma sát. Quá trình oxy hóa parafin tạo ra các axit béo có mạch cacbon dài, có khả năng tạo thành các hợp chất hoạt động bề mặt. Các hợp chất này có thể được sử dụng để tổng hợp các phụ gia có khả năng giảm ma sát và mài mòn. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu này có thể giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh của sản phẩm. Hơn nữa, việc tận dụng các sản phẩm phụ từ các ngành công nghiệp khác, như quá trình sản xuất thuốc tuyển quặng apatit, cũng góp phần vào việc phát triển bền vững. Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam có dây chuyền oxy hóa parafin để sản xuất thuốc tuyển quặng apatit với công suất 500 tấn/năm, axit béo của quá trình oxy hóa nói trên có thể dùng làm nguyên liệu cho nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát.

II. Vấn Đề Thách Thức Khi Sản Xuất Phụ Gia FM Tại VN

Việc sản xuất phụ gia biến tính ma sát tại Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức. Đầu tiên là sự phụ thuộc vào công nghệ và nguyên liệu nhập khẩu. Thứ hai là yêu cầu về chất lượng và hiệu quả của sản phẩm phải tương đương hoặc vượt trội so với các sản phẩm ngoại nhập. Thứ ba là sự cạnh tranh gay gắt từ các nhà sản xuất lớn trên thế giới. Để vượt qua những thách thức này, cần có sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển, cũng như sự hợp tác giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp. Ngoài ra, cần có chính sách hỗ trợ từ nhà nước để khuyến khích sản xuất và tiêu thụ các sản phẩm trong nước. Cuối cùng, việc xây dựng thương hiệu và tạo dựng niềm tin từ người tiêu dùng cũng là yếu tố quan trọng để thành công.

2.1. Chất Lượng Nguyên Liệu Đầu Vào Công Nghệ Sản Xuất

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo chất lượng của nguyên liệu đầu vào, đặc biệt là axit béo parafin oxy hóa. Chất lượng của nguyên liệu này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và hiệu quả của phụ gia biến tính ma sát cuối cùng. Ngoài ra, cần có công nghệ sản xuất tiên tiến để đảm bảo quá trình tổng hợp diễn ra hiệu quả và sản phẩm đạt được các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế. Các phương pháp kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt cũng cần được áp dụng để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của sản phẩm.

2.2. Rào Cản Thị Trường Cạnh Tranh Từ Nhập Khẩu

Thị trường phụ gia biến tính ma sát tại Việt Nam đang bị chi phối bởi các sản phẩm nhập khẩu từ các nước phát triển. Các sản phẩm này thường có chất lượng cao và đã được kiểm chứng trên thị trường quốc tế. Để cạnh tranh với các sản phẩm này, các nhà sản xuất trong nước cần chứng minh được chất lượng và hiệu quả của sản phẩm của mình. Ngoài ra, cần có chiến lược marketing hiệu quả để xây dựng thương hiệu và tạo dựng niềm tin từ người tiêu dùng. Rào cản về giá cũng là một vấn đề cần được giải quyết để sản phẩm trong nước có thể cạnh tranh được với các sản phẩm nhập khẩu.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Phụ Gia Biến Tính Ma Sát Hiệu Quả

Có nhiều phương pháp tổng hợp phụ gia biến tính ma sát, nhưng một trong những phương pháp hiệu quả là phản ứng amin hóa axit béo parafin oxy hóa. Phản ứng này tạo ra các hợp chất amin có khả năng tạo thành màng bảo vệ trên bề mặt kim loại, giảm ma sát và mài mòn. Quá trình tổng hợp thường bao gồm hai giai đoạn chính: tạo muối amít và tách nước. Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian và tốc độ sục khí amoniac cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao và sản phẩm có chất lượng tốt. Phương pháp này được xem là khả thi và tiết kiệm chi phí so với các phương pháp khác.

3.1. Phản Ứng Amin Hóa Axit Béo Parafin Oxy Hóa

Phản ứng amin hóa axit béo parafin oxy hóa là quá trình chuyển đổi axit béo thành các hợp chất amin thông qua phản ứng với amoniac. Quá trình này thường diễn ra trong hai giai đoạn: tạo muối amít và tách nước. Giai đoạn tạo muối amít là phản ứng giữa axit béo và amoniac để tạo thành muối amít. Giai đoạn tách nước là quá trình loại bỏ nước từ muối amít để tạo thành hợp chất amin. Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian và tốc độ sục khí amoniac cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất cao và sản phẩm có chất lượng tốt.

3.2. Tối Ưu Hóa Điều Kiện Phản Ứng Tổng Hợp

Để đạt được hiệu suất cao và sản phẩm có chất lượng tốt, cần tối ưu hóa các điều kiện phản ứng tổng hợp. Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và độ ổn định của sản phẩm. Thời gian phản ứng ảnh hưởng đến mức độ chuyển đổi của axit béo thành hợp chất amin. Tốc độ sục khí amoniac ảnh hưởng đến nồng độ amoniac trong phản ứng và hiệu suất phản ứng. Các điều kiện này cần được điều chỉnh để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

IV. Đánh Giá Tính Chất Hiệu Quả Của Phụ Gia Biến Tính

Sau khi tổng hợp, phụ gia biến tính ma sát cần được đánh giá về tính chất và hiệu quả. Các tính chất quan trọng cần được kiểm tra bao gồm độ nhớt, trị số axit, nhiệt độ chớp cháy và hàm lượng nước. Hiệu quả của phụ gia biến tính ma sát được đánh giá thông qua các thử nghiệm chống mài mòn và ma sát, chẳng hạn như phương pháp mài mòn 4 bi và phương pháp mài mòn khối. Kết quả thử nghiệm sẽ cho biết khả năng của phụ gia trong việc giảm ma sát và mài mòn, từ đó xác định được tiềm năng ứng dụng của nó trong dầu bôi trơn động cơ.

4.1. Kiểm Tra Các Tính Chất Vật Lý Hóa Học

Việc kiểm tra các tính chất vật lý và hóa học của phụ gia biến tính ma sát là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của sản phẩm. Độ nhớt ảnh hưởng đến khả năng bôi trơn của phụ gia. Trị số axit ảnh hưởng đến tính ăn mòn của phụ gia. Nhiệt độ chớp cháy ảnh hưởng đến độ an toàn của phụ gia. Hàm lượng nước ảnh hưởng đến độ ổn định của phụ gia. Các tính chất này cần được kiểm tra theo các tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo sản phẩm đáp ứng yêu cầu.

4.2. Thử Nghiệm Chống Mài Mòn Ma Sát ASTM D4172 D2714

Để đánh giá hiệu quả của phụ gia biến tính ma sát, cần thực hiện các thử nghiệm chống mài mòn và ma sát theo các tiêu chuẩn quốc tế. Phương pháp mài mòn 4 bi (ASTM D4172) và phương pháp mài mòn khối (ASTM D2714) là hai phương pháp phổ biến được sử dụng để đánh giá khả năng của phụ gia trong việc giảm ma sát và mài mòn. Kết quả thử nghiệm sẽ cho biết khả năng của phụ gia trong việc bảo vệ các bề mặt kim loại khỏi mài mòn và kéo dài tuổi thọ động cơ.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn So Sánh Với Sản Phẩm Thương Mại

Để chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phụ gia biến tính ma sát được tổng hợp, cần tiến hành ứng dụng thực tế trong dầu bôi trơn động cơ và so sánh với các sản phẩm thương mại trên thị trường. Dầu bôi trơn được pha chế với phụ gia mới sẽ được thử nghiệm trên động cơ thực tế hoặc trên các thiết bị mô phỏng để đánh giá khả năng giảm ma sát, mài mòn và tiết kiệm nhiên liệu. Kết quả thử nghiệm sẽ được so sánh với kết quả của các sản phẩm thương mại để đánh giá tính cạnh tranh của sản phẩm mới. Tính chất hóa lý của dầu bốn mùa CF4 15W-40 pha chế được và dầu 15W-40 Mobil Delvac 1300 Super ngoài thị trường cũng sẽ được so sánh để có cái nhìn khách quan nhất.

5.1. Pha Chế Dầu Bôi Trơn Động Cơ Với Phụ Gia Biến Tính

Việc pha chế dầu bôi trơn động cơ với phụ gia biến tính ma sát cần được thực hiện theo các quy trình và tiêu chuẩn nghiêm ngặt. Tỷ lệ phụ gia được sử dụng cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả tốt nhất mà không ảnh hưởng đến các tính chất khác của dầu bôi trơn. Các phụ gia khác như phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt, phụ gia tẩy rửa phân tán và phụ gia đóng gói cũng cần được thêm vào để hoàn thiện công thức dầu bôi trơn.

5.2. So Sánh Với Dầu Bôi Trơn Thương Mại Mobil Delvac v.v.

Để đánh giá tính cạnh tranh của dầu bôi trơn được pha chế, cần so sánh hiệu quả của nó với các sản phẩm thương mại trên thị trường, chẳng hạn như Mobil Delvac. Các chỉ tiêu so sánh bao gồm khả năng giảm ma sát, mài mòn, tiết kiệm nhiên liệu, độ bền oxy hóa và khả năng bảo vệ động cơ. Kết quả so sánh sẽ cho biết liệu sản phẩm mới có thể thay thế các sản phẩm nhập khẩu hay không.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Phụ Gia FM

Nghiên cứu về phụ gia biến tính ma sát từ axit béo parafin oxy hóa có tiềm năng lớn trong việc phát triển ngành công nghiệp dầu bôi trơn tại Việt Nam. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu sẵn có và công nghệ sản xuất trong nước có thể giúp giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh của sản phẩm. Tuy nhiên, cần có sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để cải thiện chất lượng và hiệu quả của sản phẩm. Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tìm kiếm các nguồn nguyên liệu mới, phát triển các phương pháp tổng hợp tiên tiến và đánh giá hiệu quả của sản phẩm trên các loại động cơ khác nhau.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Đóng Góp Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp phụ gia biến tính ma sát từ axit béo parafin oxy hóa và đánh giá tính chất và hiệu quả của sản phẩm. Kết quả cho thấy phụ gia mới có khả năng giảm ma sát và mài mòn tương đương với các sản phẩm thương mại trên thị trường. Nghiên cứu đã đóng góp vào việc phát triển ngành công nghiệp dầu bôi trơn tại Việt Nam và mở ra hướng đi mới trong việc sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Phụ Gia Biến Tính

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, tìm kiếm các nguồn nguyên liệu mới và phát triển các phương pháp đánh giá hiệu quả tiên tiến. Ngoài ra, cần nghiên cứu về tác động của phụ gia biến tính ma sát đến môi trường và sức khỏe con người để đảm bảo phát triển bền vững. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác như dầu thủy lực, dầu hộp số và mỡ bôi trơn.

Tổng quan nghiên cứu

Ma sát và mài mòn là những vấn đề kỹ thuật quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của động cơ. Theo ước tính, tổn thất do ma sát và mài mòn chiếm một phần đáng kể trong chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị, lên đến vài triệu đô la Mỹ mỗi năm tại Việt Nam. Dầu bôi trơn động cơ đóng vai trò then chốt trong việc giảm ma sát và bảo vệ các chi tiết máy, trong đó phụ gia biến tính ma sát (FM) là thành phần không thể thiếu để nâng cao hiệu quả bôi trơn. Hiện nay, phụ gia biến tính ma sát tại Việt Nam chủ yếu được nhập khẩu, dẫn đến chi phí cao và phụ thuộc nguồn nguyên liệu nước ngoài.

Luận văn tập trung nghiên cứu sản xuất phụ gia biến tính ma sát cho dầu bôi trơn động cơ từ nguyên liệu axit béo nguồn gốc parafin oxy hóa, tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam với công suất oxy hóa parafin khoảng 500 tấn/năm. Mục tiêu chính là tổng hợp phụ gia có tính chất tương đương với sản phẩm nhập khẩu, giảm chi phí sản xuất dầu bôi trơn và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm trong nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi điều kiện phản ứng tổng hợp amít từ axit béo và khí amoniac, khảo sát các điều kiện tối ưu phản ứng, đánh giá tính chất lý hóa và hiệu quả giảm ma sát của phụ gia tạo thành. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất phụ gia biến tính ma sát nội địa, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp dầu nhờn Việt Nam phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết ma sát và bôi trơn: Phân tích các dạng ma sát (trượt, lăn, lỏng) và nguyên lý bôi trơn thủy động học, trong đó độ nhớt dầu, tải trọng, tốc độ chuyển động và khe hở giữa các chi tiết là các yếu tố quyết định hiệu quả bôi trơn.
• Lý thuyết về phụ gia tribology: Bao gồm các loại phụ gia giảm ma sát (FM), chống mài mòn (AW) và cực áp (EP). Phụ gia FM hoạt động chủ yếu qua cơ chế hấp phụ vật lý và hóa học lên bề mặt kim loại, tạo màng dầu bền vững giúp giảm hệ số ma sát và tổn thất năng lượng.
• Cơ chế oxy hóa parafin: Quá trình oxy hóa parafin tạo ra axit béo và các hợp chất chứa oxy khác thông qua phản ứng gốc tự do, gồm các giai đoạn tạo chuỗi, phát triển chuỗi, tạo nhánh và đứt chuỗi. Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian, hàm lượng hợp chất thơm và độ dài mạch parafin ảnh hưởng đến hiệu suất oxy hóa và thành phần sản phẩm.
• Phản ứng tổng hợp amít: Phản ứng amin hóa axit béo với khí amoniac theo hai giai đoạn: tạo muối amoni và tách nước để tạo amít. Cơ chế phản ứng dựa trên sự cộng nucleophyl của NH3 vào nhóm cacbonyl của axit béo.

Các khái niệm chính bao gồm: ma sát trượt và ma sát lỏng, phụ gia biến tính ma sát (FM), axit béo oxy hóa parafin, phản ứng amin hóa, và tính chất lý hóa của phụ gia.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguồn nguyên liệu axit béo được lấy từ quá trình oxy hóa parafin tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, với hàm lượng axit béo chiếm 92,8% khối lượng. Khí amoniac có độ tinh khiết ≥ 99,9% được sử dụng làm tác nhân amin hóa.
• Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp phụ gia biến tính ma sát theo phản ứng amin hóa axit béo với khí amoniac qua hai giai đoạn: giai đoạn 1 tạo muối amoni ở nhiệt độ 10-60°C, giai đoạn 2 tách nước ở nhiệt độ 100-200°C để tạo amít.
• Khảo sát điều kiện phản ứng: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng, tốc độ sục khí amoniac, thời gian sục khí và điều kiện tách nước đến hiệu suất tạo amít dựa trên trị số axit (TAN) và hàm lượng nước còn lại trong sản phẩm.
• Phân tích tính chất sản phẩm: Xác định độ nhớt động học (ASTM D445), trị số axit (ASTM D974), nhiệt độ chớp cháy (ASTM D92), hàm lượng nước (ASTM E203), phổ hồng ngoại (IR) để xác định nhóm chức, và đánh giá khả năng chống mài mòn, ma sát bằng phương pháp mài mòn 4 bi (ASTM D4172) và mài mòn khối (ASTM D2714).
• Pha chế và thử nghiệm dầu động cơ: Pha chế dầu động cơ bốn mùa CF4 15W-40 sử dụng phụ gia biến tính ma sát tổng hợp, so sánh tính chất lý hóa và hiệu quả chống mài mòn với dầu cùng cấp của hãng ExxonMobil.
• Cỡ mẫu và timeline: Mẫu axit béo 250g được sử dụng trong các phản ứng khảo sát. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong nhiều tháng, với các giai đoạn thử nghiệm và phân tích liên tục để tối ưu hóa quy trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều kiện tối ưu phản ứng tạo muối amoni: Nhiệt độ phản ứng giai đoạn 1 tối ưu là 35°C, với tốc độ sục khí amoniac 0,2 lít/phút và thời gian sục khí 8 giờ. Ở điều kiện này, trị số axit giảm từ 120 mgKOH/g xuống còn khoảng 20 mgKOH/g, chứng tỏ hiệu quả chuyển hóa axit béo thành muối amoni cao.

2. Điều kiện tách nước giai đoạn 2: Nhiệt độ tách nước tối ưu là 180°C trong 3 giờ, giúp giảm hàm lượng nước còn lại trong sản phẩm xuống dưới 0,05%, đồng thời sản phẩm có khả năng hòa tan tốt trong dầu gốc SN500. Thời gian tách nước dưới 2 giờ không đủ để đạt hiệu quả tách nước tối ưu.

3. Tính chất lý hóa của phụ gia: Phụ gia tạo thành có độ nhớt động học ở 100°C khoảng 1400 cSt, nhiệt độ chớp cháy 195°C, trị số axit dưới 5 mgKOH/g, và hàm lượng nước rất thấp, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của phụ gia biến tính ma sát.

4. Hiệu quả giảm ma sát và mài mòn: Thử nghiệm mài mòn 4 bi (ASTM D4172) cho thấy phụ gia mới giảm hệ số ma sát xuống 0,08, thấp hơn 15% so với phụ gia Sarkozyl nhập khẩu. Thử nghiệm mài mòn khối (ASTM D2714) cũng ghi nhận mức độ mài mòn giảm 20% so với dầu không có phụ gia. Dầu động cơ pha chế với phụ gia này có khả năng chống mài mòn tương đương với dầu Mobil Delvac 1300 Super.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng axit béo nguồn gốc parafin oxy hóa làm nguyên liệu tổng hợp phụ gia biến tính ma sát là khả thi và hiệu quả. Nhiệt độ phản ứng và thời gian sục khí amoniac ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ chuyển hóa axit béo thành amít, từ đó quyết định tính chất cuối cùng của phụ gia. Nhiệt độ tách nước cao giúp loại bỏ nước hiệu quả, tăng độ hòa tan của sản phẩm trong dầu gốc, điều này rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của phụ gia khi sử dụng.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng nguyên liệu khác như urê hay amin bậc cao, phương pháp sử dụng khí amoniac có ưu điểm về chi phí nguyên liệu và điều kiện phản ứng dễ kiểm soát hơn. Hiệu quả giảm ma sát và mài mòn của phụ gia đạt được tương đương hoặc vượt trội so với sản phẩm nhập khẩu, góp phần giảm chi phí sản xuất dầu bôi trơn động cơ trong nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm trị số axit theo thời gian sục khí và nhiệt độ tách nước, bảng so sánh tính chất lý hóa và kết quả thử nghiệm mài mòn giữa phụ gia nghiên cứu và phụ gia nhập khẩu, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của quy trình tổng hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp: Áp dụng điều kiện phản ứng tối ưu (35°C, 0,2 lít/phút amoniac, 8 giờ sục khí; tách nước 180°C, 3 giờ) để sản xuất phụ gia biến tính ma sát với công suất khoảng 500 tấn/năm, nhằm đáp ứng nhu cầu trong nước và giảm nhập khẩu. Chủ thể thực hiện: Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam phối hợp doanh nghiệp dầu nhờn. Thời gian: 12-18 tháng.

2. Nâng cao chất lượng và đa dạng hóa sản phẩm: Nghiên cứu bổ sung các nhóm chức khác vào phân tử phụ gia để cải thiện tính năng bôi trơn trong điều kiện tải trọng cao và nhiệt độ khắc nghiệt, hướng tới sản phẩm đa chức năng. Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu và phát triển sản phẩm. Thời gian: 24 tháng.

3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm soát chất lượng: Thiết lập bộ tiêu chuẩn nội địa cho phụ gia biến tính ma sát sản xuất trong nước, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định sản phẩm, tạo niềm tin cho người tiêu dùng. Chủ thể: Bộ Khoa học và Công nghệ phối hợp Bộ Công Thương. Thời gian: 12 tháng.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ công nhân viên trong ngành dầu nhờn về quy trình tổng hợp và ứng dụng phụ gia biến tính ma sát, đồng thời chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất dầu bôi trơn. Chủ thể: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện Hóa học Công nghiệp. Thời gian: 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà sản xuất dầu bôi trơn trong nước: Giúp hiểu rõ quy trình tổng hợp phụ gia biến tính ma sát từ nguyên liệu nội địa, từ đó giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành hóa dầu, công nghệ hữu cơ: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về phụ gia dầu nhờn và công nghệ oxy hóa parafin.

3. Cơ quan quản lý nhà nước về chất lượng và tiêu chuẩn dầu bôi trơn: Hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách phát triển ngành công nghiệp dầu nhờn trong nước.

4. Doanh nghiệp nhập khẩu và phân phối phụ gia dầu nhờn: Tham khảo để đánh giá khả năng thay thế phụ gia nhập khẩu bằng sản phẩm nội địa, từ đó điều chỉnh chiến lược kinh doanh phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ gia biến tính ma sát là gì và tại sao quan trọng?
   Phụ gia biến tính ma sát (FM) là các hợp chất được thêm vào dầu bôi trơn để giảm hệ số ma sát giữa các bề mặt kim loại, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm mài mòn. Ví dụ, phụ gia FM có thể tiết kiệm 2-3% nhiên liệu cho ô tô, nâng cao hiệu suất động cơ.

2. Tại sao chọn axit béo nguồn gốc parafin oxy hóa làm nguyên liệu?
   Axit béo từ parafin oxy hóa có sẵn tại Việt Nam với công suất khoảng 500 tấn/năm, giá thành thấp và thành phần phù hợp để tổng hợp amít làm phụ gia. Điều này giúp giảm chi phí và phụ thuộc nhập khẩu.

3. Phương pháp tổng hợp phụ gia được thực hiện như thế nào?
   Phương pháp tổng hợp gồm hai giai đoạn: phản ứng amin hóa axit béo với khí amoniac tạo muối amoni ở nhiệt độ 35°C, sau đó tách nước ở 180°C để tạo amít. Quá trình này đảm bảo sản phẩm có độ hòa tan tốt và tính chất lý hóa phù hợp.

4. Hiệu quả giảm ma sát của phụ gia mới so với phụ gia nhập khẩu ra sao?
   Thử nghiệm mài mòn 4 bi cho thấy phụ gia mới giảm hệ số ma sát thấp hơn 15% so với phụ gia nhập khẩu, đồng thời dầu pha chế với phụ gia này có khả năng chống mài mòn tương đương dầu Mobil Delvac 1300 Super.

5. Có thể áp dụng quy trình này để sản xuất quy mô lớn không?
   Có thể. Nghiên cứu đã xác định điều kiện tối ưu và tính khả thi công nghệ, đề xuất triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp với công suất khoảng 500 tấn/năm, phù hợp với năng lực hiện có của Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam.

Kết luận

• Đã xác định được điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp phụ gia biến tính ma sát từ axit béo parafin oxy hóa và khí amoniac, gồm nhiệt độ 35°C, tốc độ sục khí 0,2 lít/phút, thời gian 8 giờ và tách nước ở 180°C trong 3 giờ.
• Phụ gia tạo thành có tính chất lý hóa và hiệu quả giảm ma sát, mài mòn tương đương hoặc vượt trội so với sản phẩm nhập khẩu.
• Quy trình tổng hợp sử dụng nguyên liệu nội địa giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính tự chủ trong ngành dầu nhờn Việt Nam.
• Đề xuất triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật để phát triển sản phẩm.
• Khuyến khích các cơ quan, doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp để hoàn thiện và ứng dụng công nghệ trong thực tế.

Next steps: Triển khai sản xuất thử nghiệm, hoàn thiện quy trình kiểm soát chất lượng, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu phát triển sản phẩm đa chức năng.

Call to action: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu trong ngành dầu nhờn nên hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu, góp phần nâng cao năng lực sản xuất phụ gia biến tính ma sát trong nước, giảm nhập khẩu và phát triển bền vững ngành công nghiệp dầu bôi trơn Việt Nam.