Phân Tích Các Chất Khử Bọt, Chất Phân Tán và Chất Tẩy Rửa trong Dầu Nhờn: Hướng Dẫn Toàn Diện

Phụ gia có thể tăng cường, ức chế hoặc thêm các đặc tính mới cho dầu. Chất khử bọt, chất phân tán và chất tẩy rửa cũng không ngoại lệ. Bộ ba chất phụ gia này có thể được tìm thấy trong hầu hết các loại dầu bôi trơn thành phẩm, mặc dù ở các tỷ lệ khác nhau.

Hãy thảo luận về sự khác biệt chính giữa ba điều này, tại sao mỗi điều này lại quan trọng và cách để xác nhận sự hiện diện của chúng.

Sự khác biệt là gì?

Mặc dù tất cả chúng đều là chất phụ gia (bắt đầu bằng chữ D), nhưng chức năng của chúng khác nhau rõ rệt. Tất cả đều có tác dụng bảo vệ dầu khỏi nhiều loại chất gây ô nhiễm.

Ví dụ, chất khử bọt làm giảm bọt khí trong dầu. Đồng thời, chất tẩy rửa giữ cho bề mặt kim loại sạch sẽ và chất phân tán bao bọc các chất gây ô nhiễm để chúng lơ lửng trong chất bôi trơn.1 Điều này được minh họa trong Hình 1.

Từ bài viết cuối cùng của chúng tôi về phụ gia bôi trơn – Hướng dẫn toàn diện, dưới đây là một số mô tả chi tiết về chức năng của từng chất phụ gia này.

Chất khử bọt

Khi bọt hình thành trong chất bôi trơn, các bong bóng khí nhỏ sẽ bị giữ lại ở bề mặt hoặc bên trong (gọi là bọt bên trong). Chất khử bọt hoạt động bằng cách hấp phụ lên bong bóng bọt và ảnh hưởng đến sức căng bề mặt bong bóng. Điều này gây ra sự kết tụ và phá vỡ bong bóng trên bề mặt chất bôi trơn1.

Đối với bọt hình thành trên bề mặt, được gọi là bọt bề mặt, chất khử bọt có sức căng bề mặt thấp hơn được sử dụng. Chúng thường không hòa tan trong dầu gốc và phải được phân tán mịn để đủ ổn định ngay cả sau khi bảo quản hoặc sử dụng lâu dài.

Mặt khác, bọt bên trong là bọt khí được phân tán mịn trong chất bôi trơn, có thể tạo thành sự phân tán ổn định. Các chất khử bọt thông thường được thiết kế để kiểm soát bọt bề mặt nhưng ổn định bọt bên trong2.

chất phân tán

Mặt khác, chất phân tán cũng có tính phân cực và chúng giữ các chất gây ô nhiễm và các thành phần dầu không hòa tan lơ lửng trong chất bôi trơn. Chúng giảm thiểu sự kết tụ của các hạt, từ đó duy trì độ nhớt của dầu (so với việc kết tụ các hạt, dẫn đến đặc lại). Không giống như chất tẩy rửa, chất phân tán được coi là không có tro. Chúng thường hoạt động ở nhiệt độ hoạt động thấp.

Chất tẩy rửa

Chất tẩy rửa are polar molecules that remove substances from the metal surface, similar to a cleaning action. However, some detergents also provide antioxidant properties. The nature of a detergent is essential, as metal-containing detergents produce ash (typically calcium, lithium, potassium, and sodium)1.

Chất khử bọt có cần thiết không?

Chất khử bọt, also called antifoam additives, are found in many oils. Most oils need to keep foam levels to a minimum, and it is very easy for foam to form in lube systems due to their design and flow throughout the equipment.

Khi bọt đi vào dầu, nó có thể ảnh hưởng đến khả năng bôi trơn bề mặt đầy đủ. Điều này có thể dẫn đến sự mài mòn xảy ra ở bề mặt, làm hỏng thiết bị.

Nhiều loại dầu yêu cầu chất khử bọt để cung cấp các chức năng khác nhau và theo các tỷ lệ khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng của chúng. Trong chất lỏng truyền tự động (ATF), chất khử bọt thường cần ở nồng độ 50-400ppm để ngăn chặn sự tạo bọt và cuốn khí quá mức3. Mặt khác, đối với chất lỏng truyền tay và chất bôi trơn trục, chất khử bọt được yêu cầu ở nồng độ thấp hơn một chút, từ 50 đến 300 ppm.

Tuy nhiên, OEM phải xác minh nồng độ này. Nếu nồng độ chất khử bọt quá cao, điều này thực sự có thể làm tăng khả năng tạo bọt. Ngoài ra, chất khử bọt phải được cân bằng hợp lý với các gói phụ gia khác để đảm bảo chúng không phản tác dụng tiêu cực với các chất phụ gia khác.

Có hai loại chất khử bọt chính: chất khử bọt silicone và chất khử bọt không chứa silicone. Chất khử bọt silicon được coi là chất khử bọt hiệu quả nhất, đặc biệt ở nồng độ thấp khoảng 1%. Những chất khử bọt này thường được hòa tan trước trong dung môi thơm để mang lại sự phân tán ổn định.

Tuy nhiên, có hai nhược điểm đáng kể liên quan đến chất khử bọt silicone. Do không hòa tan nên chúng có thể dễ dàng thoát ra khỏi dầu và có ái lực mạnh với bề mặt kim loại phân cực.

Mặt khác, chất khử bọt không chứa silicon là một lựa chọn thay thế khác, đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu chất bôi trơn không chứa silicon. Các ứng dụng như vậy bao gồm chất lỏng gia công kim loại và thủy lực, được sử dụng gần giống với chất lỏng không chứa silicon và thậm chí cả những chất liên quan đến việc phủ sơn hoặc sơn mài lên các bộ phận này.

Một số chất khử bọt không chứa silicone bao gồm poly(ethylene glycol)s (PEG), polyether, polymethacrylate và copolyme hữu cơ. Tributylphosphate cũng là một lựa chọn khác cho chất khử bọt4.

Tại sao chất phân tán lại quan trọng?

Thông thường, chất tẩy rửa và chất phân tán được nhóm lại với nhau chủ yếu vì chức năng của chúng có thể bổ sung cho nhau. Như đã lưu ý ở trên, sự khác biệt đáng kể là chất phân tán không có tro, trong khi chất tẩy rửa là hợp chất chứa nhiều kim loại hơn.

Tuy nhiên, một số chất phân tán không tro cũng có đặc tính “làm sạch”, do đó cả hai đặc tính này không loại trừ lẫn nhau.

Đuôi hydrocacbon ưa dầu lớn và nhóm đầu ưa nước phân cực có thể phân loại chất tẩy rửa và chất phân tán. Thông thường, phần đuôi hòa tan trong chất lỏng gốc trong khi phần đầu bị thu hút bởi các chất gây ô nhiễm trong chất bôi trơn.

Các phân tử phân tán bao bọc các chất gây ô nhiễm rắn để tạo thành các mixen và các đuôi không phân cực ngăn cản sự bám dính của các hạt này lên bề mặt kim loại để chúng kết tụ thành các hạt lớn hơn và có vẻ lơ lửng.

Theo định nghĩa, chất phân tán không tro là những chất không chứa kim loại và thường có nguồn gốc từ polyme hydrocarbon, trong đó phổ biến nhất là polybutenes (PIB).

Ví dụ, chất phân tán thường được yêu cầu ở nồng độ 2-6% trong ATF và được sử dụng để duy trì độ sạch, phân tán bùn và giảm ma sát và mài mòn3. Những giá trị này trong chất lỏng truyền tay và chất bôi trơn trục thay đổi từ 1-4%.

Chất tẩy rửa có thực sự sạch?

Theo truyền thống, chất tẩy rửa được đặt tên vì người ta cho rằng chúng mang lại đặc tính làm sạch cho dầu, tương tự như chất tẩy giặt. Tuy nhiên, các hợp chất chứa kim loại này cũng cung cấp nguồn dự trữ kiềm dùng để trung hòa các sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy và oxy hóa có tính axit.

Do bản chất của chúng, các hợp chất này phân tán các hạt vật chất, chẳng hạn như các hạt mài mòn và bồ hóng, thay vì loại bỏ chúng (trong hoạt động làm sạch). Có bốn loại chất tẩy rửa chính: phenate, salicylat, thiophosphate và sulfonate4.

canxi phenat là loại phenate phổ biến nhất. Chúng được hình thành bằng cách tổng hợp phenol alkyl hóa với lưu huỳnh nguyên tố hoặc lưu huỳnh clorua, sau đó trung hòa bằng oxit kim loại hoặc hydroxit. Những phenate canxi này có đặc tính phân tán tốt và có khả năng trung hòa axit lớn hơn.

Salicylat có thêm đặc tính chống oxy hóa và hiệu quả đã được chứng minh trong công thức dầu động cơ diesel. Chúng được điều chế thông qua quá trình carboxyl hóa các phenol được alkyl hóa với sự chuyển hóa tiếp theo thành muối kim loại hóa trị hai. Những sản phẩm này sau đó được phủ quá nhiều cacbonat kim loại dư thừa để tạo thành chất tẩy rửa có tính bazơ cao.

Thiophosphonates ngày nay hiếm khi được sử dụng vì chúng là một sản phẩm quá mức.

Sulfonat thường có đặc tính chống ăn mòn tuyệt vời. Các sulfonate trung tính (hoặc có hàm lượng quá cao) có khả năng tẩy rửa và trung hòa tuyệt vời. Các sulfonate trung tính này thường được hình thành bằng các oxit hoặc hydroxit kim loại phân tán keo.

Canxi sulfonate tương đối rẻ và có hiệu suất tốt. Mặt khác, magie sulfonate có đặc tính chống ăn mòn tuyệt vời nhưng có thể tạo thành cặn tro cứng sau khi phân hủy nhiệt, dẫn đến đánh bóng lỗ khoan trong động cơ. Bari sulfonate không được sử dụng do đặc tính độc hại của chúng.

Chất tẩy rửa in ATFs are used in concentrations of 0.1-1.0% for cleanliness, friction, corrosion inhibition, and reduction of wear3. However, these values are a bit higher in manual transmission fluids, at 0.0 – 3.0%. On the other hand, no detergents are required for axle lubricants!

Điều gì xảy ra khi những chất phụ gia này được sử dụng hết?

Đối với ba chất phụ gia mà chúng ta đã nói trước đó, mỗi chất phụ gia đều được hy sinh theo cách này hay cách khác. 

Chất khử bọt get used up when they are called upon to reduce the foam in the oil. On the other hand, detergents and dispersants use their characteristics to suspend contaminants in the oil.

Trong tất cả các tình huống này, mỗi chất phụ gia này có thể được coi là cạn kiệt theo thời gian. Trong khi thực hiện các chức năng của mình, chúng sẽ trải qua các phản ứng làm giảm khả năng thực hiện chúng nhiều lần.

Do đó, có thể kết luận rằng các chất phụ gia này sẽ cạn kiệt theo thời gian mặc dù chúng có thể không rời khỏi dầu về mặt vật lý mà hiện tồn tại ở một dạng khác.

Đặc tính thoát khí của dầu bị ảnh hưởng do mất chất khử bọt. Giá trị này sẽ tăng lên đáng kể, cho thấy rằng không khí sẽ mất nhiều thời gian hơn để thoát ra khỏi dầu. Như vậy, không khí vẫn còn trong dầu ở trạng thái tự do, hòa tan, cuốn theo hoặc tạo bọt.

Do đó, điều này ảnh hưởng đến khả năng bôi trơn các bộ phận đúng cách của dầu và thậm chí có thể dẫn đến hiện tượng điêzen vi lượng và tăng nhiệt độ dầu trong bể chứa.

Mặt khác, khi chất tẩy rửa và chất phân tán giảm đi, khả năng giữ chất gây ô nhiễm của dầu cũng giảm.

Do đó, người ta sẽ bắt đầu nhận thấy rằng cặn lắng có thể bắt đầu hình thành bên trong thiết bị, dẫn đến kẹt van (đặc biệt là trong hệ thống thủy lực) hoặc làm tăng nhiệt độ chung của hệ thống vì những cặn bám này có thể giữ nhiệt.

Khi nhiệt độ tăng lên, dầu có thể bắt đầu bị oxy hóa, dẫn đến hình thành nhiều cặn bẩn hơn và thậm chí có thể bị sơn bóng.

Về cơ bản, những chất phụ gia này rất cần thiết cho sức khỏe của dầu trong hệ thống của bạn. Chất tẩy rửa và chất phân tán có thể giúp giữ cho hệ thống của bạn sạch sẽ (không có chất gây ô nhiễm như bồ hóng).

Chất khử bọt thậm chí có thể làm giảm nguy cơ mài mòn, tăng nhiệt độ cho hệ thống bôi trơn, khả năng hình thành lớp sơn bóng hoặc khả năng không bị ảnh hưởng bởi vi dầu diesel.

Bruno Defelippe đến từ Paraguay bối rối về dầu khoáng.

“Không phải tất cả các loại dầu động cơ đều là ‘dầu khoáng’ sao?” anh ấy hỏi. “Sự khác biệt với 'dầu không phải khoáng chất' là gì - nếu chúng tồn tại."

Giống như rất nhiều thứ trong ngành hàng không - và cuộc sống - câu trả lời là "à, đại loại là có." Tất cả các loại dầu động cơ đều là dầu khoáng.

Vấn đề ở đây là mỗi ngành, mỗi vùng, mỗi nghề đều có ngôn ngữ, thuật ngữ riêng.

Cách đây nhiều năm, tôi đã nói chuyện với một nhóm gồm có nhiều bác sĩ y khoa. Sau cuộc nói chuyện, một người trong số họ nhận xét rằng anh ta có một động cơ mới trên máy bay và anh ta không biết rằng mình có thể đến hiệu thuốc của bệnh viện và mua một ít dầu khoáng ở đó cho động cơ của mình.

Sau khi giải quyết xong, tôi giải thích rằng dầu khoáng dùng trong hàng không nói chung là một sản phẩm đáp ứng thông số kỹ thuật Mil-L-6082E/SAE 1966 dành cho dầu hàng không.

Thường được sử dụng cho quá trình đột phá của một số động cơ piston máy bay, về cơ bản nó chỉ là dầu gốc khoáng và hầu như không có chất phụ gia (ngoại trừ một lượng nhỏ chất chống oxy hóa và chất làm giảm điểm đông đặc). 

Lý thuyết đằng sau việc sử dụng dầu khoáng để đột nhập các động cơ mới hoặc đã được đại tu là không có chất phụ gia làm sạch chất phân tán không tro, nhiều hạt mài mòn kim loại từ các bộ phận mới sẽ nằm lại trong khu vực vành đai và hoạt động như các hợp chất mài mòn trong các xi lanh và bộ vòng đệm mới.  

Cách phân loại khác đối với dầu động cơ piston hàng không là thông số kỹ thuật Mil-L-22851D/SAE 1899 dành cho các loại dầu thường được gọi là AD hoặc dầu phân tán không tro. Những sản phẩm này nói chung chỉ là các sản phẩm dầu khoáng có bổ sung chất phân tán không tro để cải thiện độ sạch.

Ngoại lệ ở đây là các loại dầu đa cấp bán tổng hợp hoặc một phần được pha trộn với một số loại dầu gốc phi khoáng.

Nhiều người gọi nhầm dầu AD là dầu tẩy rửa - và loại dầu đó hoạt động trong cộng đồng hàng không, nơi chỉ có hai thông số kỹ thuật về dầu dành cho dầu động cơ piston máy bay được chứng nhận.

Nhưng nó không chính xác khi xử lý các phân loại dầu khác. Trong thế giới chất bôi trơn, dầu tẩy rửa là loại có chứa loại tro hoặc chất tẩy rửa gốc kim loại, trái ngược với chất phân tán không tro. Sự khác biệt nghe có vẻ nhỏ nhưng lại có sự khác biệt đáng kể ở động cơ.

Trong động cơ máy bay, dầu tẩy rửa dạng tro sẽ tích tụ cặn bẩn trong động cơ, có thể dẫn đến đánh lửa trước và có thể sẽ phá hủy động cơ.  

Tôi nên sử dụng loại dầu nào để làm hỏng động cơ máy bay của mình?

Vậy bạn nên sử dụng loại dầu nào để phanh động cơ mới? Câu trả lời khác nhau tùy thuộc vào công ty sản xuất hoặc chế tạo lại động cơ của bạn và khuyến nghị của công ty đó.

Ví dụ: Continental khuyến nghị đột nhập bằng cách sử dụng dầu khoáng đáp ứng thông số kỹ thuật Mil-L-6082/SAE 1966 trong tất cả các động cơ của mình. Nhưng Lycoming khuyến nghị sử dụng dầu AD đáp ứng thông số kỹ thuật Mil-L-22851/SAE 1899 để đột phá trong động cơ tăng áp và dầu khoáng để đột phá hầu hết các động cơ piston không tăng áp. Ngoài ra còn có một số khuyến nghị khác nhau cho một số kiểu máy nhất định, chẳng hạn như dòng động cơ O-320H của Lycoming. 

Ngoài ra, một số cửa hàng sửa chữa động cơ và sửa chữa xi-lanh cũng có những khuyến nghị riêng.

Vì vậy, điểm mấu chốt trong các khuyến nghị về dầu là gì?

Luôn kiểm tra với những người đã chế tạo động cơ của bạn về các đề xuất của họ về việc đột nhập và sau đó thực hiện theo các đề xuất đó một cách chặt chẽ. 

Đồng thời yêu cầu họ đưa ra khuyến nghị về loại dầu nên sử dụng sau khi đột nhập và khoảng thời gian thay dầu được khuyến nghị. 

Chỉ - và ý tôi là chỉ - sử dụng loại dầu đáp ứng thông số kỹ thuật Mil/SAE được khuyến nghị.

Mẹo cuối cùng: Luôn theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ dầu của bạn để đạt đến khoảng 180°F hoặc hơn trong suốt hành trình. Khi dầu đi qua động cơ, nó sẽ nóng hơn tới 50° so với chỉ định. Nếu nhiệt độ của bạn thấp hơn 180°, nước sẽ không sôi và nếu nhiệt độ cao hơn 180°, bạn có thể gây ra hiện tượng cốc hóa dầu.  

Thông số kỹ thuật MIL-L-22851 này thiết lập các yêu cầu đối với dầu bôi trơn có chứa chất phụ gia phân tán không tro được sử dụng trong động cơ máy bay piston chuyển động tịnh tiến bốn thì. Thông số kỹ thuật này bị hủy bỏ. Được thay thế bởi SAE-J1899.

Mil-Spec