Các chuyên gia bôi trơn thường rất quen thuộc với độ nhớt của dầu gốc trong chất bôi trơn của họ bởi độ nhớt là đặc tính quan trọng nhất của dầu gốc. Tuy nhiên, có nhiều thứ liên quan đến chất bôi trơn hơn là độ nhớt. Điều quan trọng là phải hiểu vai trò của các chất phụ gia và các chức năng của chúng trong chất bôi trơn.

 I. Vai trò của phụ gia có trong dầu nhờn

Phụ gia dầu nhờn là các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ hòa tan hoặc lơ lửng dưới dạng chất rắn trong dầu. Chúng thường dao động từ 0,1% đến 30% thể tích dầu, tùy thuộc vào máy móc.

Phụ gia có ba vai trò cơ bản:

• Tăng cường các đặc tính của dầu gốc hiện có với chất chống oxy hóa, chất ức chế ăn mòn, chất chống tạo bọt và chất khử nhũ tương.
• Ức chế các đặc tính không mong muốn của dầu gốc bằng chất làm giảm điểm đông đặc và chất cải thiện chỉ số độ nhớt (VI).
• Truyền các đặc tính mới cho dầu gốc với các chất phụ gia chịu cực áp (EP), chất tẩy rửa, chất khử hoạt tính kim loại và chất dính.

II. Các loại phụ gia bôi trơn

Có nhiều loại phụ gia hóa học được trộn vào dầu gốc để tăng cường các đặc tính của dầu gốc, để triệt tiêu một số đặc tính không mong muốn của dầu gốc và có thể tạo ra một số đặc tính mới.

• Các chất phụ gia thường chiếm khoảng 0,1% đến 30% của dầu bôi trơn thành phẩm, tùy thuộc vào ứng dụng mục tiêu của chất bôi trơn.
• Phụ gia bôi trơn là hóa chất đắt tiền, và việc tạo ra hỗn hợp hoặc công thức phụ gia thích hợp là một ngành khoa học rất phức tạp. Đó là sự lựa chọn các chất phụ gia giúp phân biệt dầu tuabin (R&O) với dầu thủy lực, dầu bánh răng và dầu động cơ.

Nhiều chất phụ gia bôi trơn có sẵn và chúng được lựa chọn để sử dụng dựa trên khả năng thực hiện chức năng dự kiến của chúng. Chúng cũng được chọn vì khả năng trộn dễ dàng với các loại dầu gốc đã chọn, tương thích với các phụ gia khác trong công thức và tiết kiệm chi phí.

Một số chất phụ gia thực hiện chức năng của chúng trong bản thân của dầu (ví dụ: chất chống oxy hóa), trong khi những chất khác thực hiện công việc của chúng trên bề mặt kim loại (ví dụ, chất phụ gia chống mài mòn và chất ức chế gỉ ).

Phụ gia bôi trơn thông thường chúng bao gồm các loại phụ gia phổ biến như sau:

Chất chống oxy hóa

• Quá trình oxy hóa là sự tấn công thường gặp vào các thành phần yếu nhất của dầu gốc bởi oxy trong không khí. Nó xảy ra ở mọi nhiệt độ mọi lúc nhưng được tăng tốc ở nhiệt độ cao hơn và bởi sự có mặt của nước, kim loại mài mòn và các chất tạp nhiễm khác.Cuối cùng, nó tạo ra axit gây ăn mòn và cặn bùn dẫn đến đóng cặn bề mặt và tăng độ nhớt. Chất ức chế ôxy hóa, như chúng còn được gọi tên, được sử dụng để kéo dài tuổi thọ hoạt động của dầu.

• Chúng là các chất phụ gia tiêu hao, được sử dụng trong khi thực hiện nhiệm vụ trì hoãn sự bắt đầu của quá trình oxy hóa, do đó bảo vệ dầu gốc. Chúng có mặt trong hầu hết các loại dầu và mỡ bôi trơn.

Chất ức chế ăn mòn và rỉ sét

• Các chất phụ gia này làm giảm hoặc loại bỏ rỉ sét và ăn mòn bên trong bằng cách trung hòa axit và tạo thành một hàng rào bảo vệ hóa học để đẩy hơi ẩm khỏi bề mặt kim loại.

• Một số chất ức chế này đặc biệt để bảo vệ một số kim loại nhất định. Do đó, một loại dầu có thể chứa một số chất ức chế ăn mòn. Cũng như trên, chúng được dùng phổ biến trong hầu hết mọi loại dầu và mỡ. Chất khử hoạt tính kim loại là một dạng khác của chất ức chế ăn mòn.

Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt

• Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt ( Viscosity index or VI improver ) giúp mở rộng dải nhiệt độ ứng dụng của dầu nhớt bằng cách giữ cho độ nhớt ít thay đổi khi nhiệt độ thay đổi, giúp cho dầu không quá đặc khi nhiệt độ thấp để máy dễ khởi động và giảm thiểu tổn thất công suất, giúp cho dầu nhớt không quá loãng ở nhiệt độ cao để duy trì màng dầu bôi trơn .

• Các chất phụ gia này được sử dụng nhiều khi pha trộn các loại dầu động cơ đa cấp như SAE 5W-30 hoặc SAE 15W-40. Chúng có chức năng giúp dầu lưu thông tốt hơn ở nhiệt độ thấp, dẫn đến giảm mài mòn và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.

• Ngoài ra, chất cải thiện chỉ số độ nhớt còn được sử dụng để pha chế dầu thủy lực và dầu bánh răng có VI cao để cải thiện khả năng khởi động và bôi trơn ở nhiệt độ thấp.

• Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt phổ biến là các copolymer của ethylene và propylene có khối lượng phân tử 50.000 đến 150.000 đơn vị. Những phân tử copolymer này có cấu trúc xoắn và chúng sẽ trương nở khi nhiệt độ tăng để cản trở dòng chảy và sẽ co cụm lại khi nhiệt độ giảm để làm tăng tính lưu động của dầu nhớt.

• Chất cải thiện chỉ số độ nhớt có một vài đặc điểm tiêu cực. Các chất phụ gia là các polyme lớn (trọng lượng phân tử cao) làm cho chúng dễ bị cắt thành các mảnh nhỏ bởi các bộ phận máy móc. Các bánh răng nổi tiếng là khắc nghiệt đối với các chất phụ gia cải thiện VI.

• Sự cắt đứt vĩnh viễn của phụ gia cải thiện VI có thể gây ra tổn thất độ nhớt đáng kể có thể được phát hiện bằng phân tích dầu. Dạng mất độ nhớt thứ hai xảy ra do lực cắt lớn trong vùng tải của bề mặt ma sát (ví dụ, trong ổ trục).Người ta cho rằng chất phụ gia cải thiện VI bị mất hình dạng hoặc tính định hướng đồng nhất và do đó mất một phần khả năng làm đặc của nó.Độ nhớt của dầu tạm thời giảm xuống trong vùng tải và sau đó trở lại độ nhớt bình thường sau khi ra khỏi vùng tải. Đặc tính này thực sự hỗ trợ trong việc giảm tiêu thụ nhiên liệu.

• Có một số loại chất cải thiện VI khác nhau (chất đồng trùng hợp olefin là phổ biến). Chất cải thiện VI chất lượng cao ít bị mất lực cắt vĩnh viễn hơn so với chất cải thiện VI giá rẻ, chất lượng thấp.

Phụ gia chống mài mòn (AW)

• Các chất phụ gia này thường được sử dụng để bảo vệ các bộ phận của máy khỏi bị mài mòn và mất kim loại trong các điều kiện bôi trơn màng mỏng. Chúng là các chất phụ gia phân cực bám vào bề mặt kim loại ma sát.

• Chúng phản ứng hóa học với bề mặt kim loại khi tiếp xúc kim loại với kim loại xảy ra trong điều kiện bôi trơn hỗn hợp và màng mỏng.

• Chúng được kích hoạt bởi nhiệt tiếp xúc để tạo thành một lớp màng giảm thiểu mài mòn. Chúng cũng giúp bảo vệ dầu gốc khỏi quá trình oxy hóa và kim loại khỏi bị hư hại bởi axit ăn mòn.

• Các chất phụ gia này bị “tiêu hao hết” khi thực hiện chức năng của chúng, sau đó sự phá hủy do mài mòn dính sẽ tăng lên. Chúng thường là các hợp chất phốt pho, trong đó phổ biến nhất là kẽm dialkyldithiophosphate (ZDDP).

• Có nhiều phiên bản khác nhau của ZDDP – một số dành cho các ứng dụng thủy lực và những phiên bản khác dành cho nhiệt độ cao hơn gặp phải trong dầu động cơ. ZDDP cũng có một số đặc tính chống oxy hóa và ức chế ăn mòn. Ngoài ra, các loại hóa chất gốc phốt pho khác được sử dụng để bảo vệ chống mài mòn (ví dụ TCP, Tricresyl Phosphate).

Phụ gia cực áp (EP)

• Các chất phụ gia này mạnh hơn về mặt hóa học so với các chất phụ gia AW. Chúng phản ứng hóa học với các bề mặt kim loại (sắt) để tạo thành một lớp màng bề mặt hy sinh để ngăn cản sự hàn dính và kẹt dính do tiếp xúc kim loại với kim loại (mài mòn dính) giữa các mấu gồ ghề đối diện nhau.

• Chúng được kích hoạt ở tải cao và nhiệt độ tiếp xúc cao được tạo ra. Chúng thường được sử dụng trong dầu bánh răng và làm cho các loại dầu đó có mùi lưu huỳnh mạnh, độc đáo. Các chất phụ gia này thường chứa các hợp chất lưu huỳnh và phốt pho (và đôi khi là các hợp chất bo).

• Chúng có thể ăn mòn kim loại màu vàng, đặc biệt là ở nhiệt độ cao hơn và do đó không được sử dụng trong hệ bánh vít-trục vít và các ứng dụng tương tự khi sử dụng kim loại gốc đồng. Cũng có một số phụ gia EP gốc clo nhưng hiếm khi được sử dụng do lo ngại về ăn mòn.

• Các phụ gia chống mài mòn và cực áp tạo thành một nhóm lớn phụ gia hóa học thực hiện chức năng bảo vệ bề mặt kim loại trong quá trình bôi trơn màng mỏng bằng cách tạo thành một lớp màng bảo vệ hoặc lớp chắn trên bề mặt mài mòn.

• Miễn là màng dầu thủy động hoặc thủy động đàn hồi được duy trì giữa các bề mặt kim loại, quá trình bôi trơn màng mỏng sẽ không xảy ra và các phụ gia bôi trơn màng mỏng này sẽ không cần thiết để thực hiện chức năng của chúng.Khi màng dầu bị phá vỡ và tiếp xúc giữa các chỗ lồi xảy ra dưới tải trọng cao hoặc nhiệt độ cao, các chất phụ gia bôi trơn màng mỏng này sẽ bảo vệ các bề mặt bị mài mòn.

Chất tẩy rửa

• Chất tẩy rửa thực hiện hai chức năng. Chúng giúp giữ cho các thành phần kim loại nóng không bị đóng cặn (sạch) và trung hòa axit hình thành trong dầu. Chất tẩy rửa chủ yếu được sử dụng trong dầu động cơ và có tính chất kiềm.

• Chúng tạo thành cơ sở cho độ kiềm dự trữ của dầu động cơ, được gọi là độ kiềm (BN). Chúng thường là các chất liệu gốc canxi và magiê. Trước đây, chất tẩy rửa làm từ bari đã được sử dụng nhưng hiện nay hiếm khi được dùng.

• Vì các hợp chất kim loại này để lại cặn tro khi dầu bị đốt cháy, chúng có thể tạo ra cặn không mong muốn trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao. Do mối quan tâm về tro này, nhiều OEM đang chỉ định các loại dầu có độ tro thấp cho các thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao. Phụ gia tẩy rửa thường được sử dụng cùng với phụ gia phân tán.

Chất phân tán

• Chất phân tán chủ yếu có trong dầu động cơ với chất tẩy rửa giúp động cơ sạch sẽ và không bị đóng cặn. Chức năng chính của chất phân tán là giữ cho các hạt muội than của động cơ diesel phân tán mịn hoặc lơ lửng trong dầu (kích thước nhỏ hơn 1 micron).

• Mục đích là để giữ cho chất bẩn lơ lửng và không cho phép nó kết tụ trong dầu để giảm thiểu thiệt hại và có thể được đưa ra khỏi động cơ trong quá trình thay dầu. Các chất phân tán thường là chất hữu cơ và không tro. Do đó, chúng không thể dễ dàng phát hiện được bằng phân tích dầu thông thường.

• Sự kết hợp của các chất phụ gia tẩy rửa/phân tán giúp cho nhiều hợp chất axit được trung hòa và nhiều hạt ô nhiễm hơn ở trạng thái lơ lửng. Vì các chất phụ gia này thực hiện chức năng trung hòa axit và phân tán các chất tạp nhiễm, cuối cùng sẽ vượt quá khả năng của chúng và sẽ cần phải thay dầu.

Chất chống tạo bọt

• Các hóa chất trong nhóm phụ gia này có sức căng bề mặt thấp, làm suy yếu thành bọt dầu làm cho bọt dễ vỡ hơn. Chúng có tác động gián tiếp đến quá trình oxy hóa bằng cách giảm lượng tiếp xúc giữa không khí và dầu.

• Một số chất phụ gia này là vật liệu silicone không hòa tan trong dầu mà phân tán mịn trong dầu bôi trơn và thường được yêu cầu với nồng độ rất thấp. Nếu thêm quá nhiều phụ gia chống tạo bọt, nó có thể có tác dụng ngược và thúc đẩy quá trình tạo bọt và kéo theo không khí.

Chất phụ gia điều chỉnh ma sát

• Các chất điều chỉnh ma sát thường được sử dụng trong dầu động cơ và dầu hộp số tự động để thay đổi ma sát giữa các bộ phần của động cơ và bộ truyền động. Đối với động cơ, trọng tâm là giảm ma sát để cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Đối với hộp số, trọng tâm là tăng cường độ bám của các vật liệu ly hợp.Chất điều chỉnh ma sát có thể được coi là chất phụ gia chống mài mòn cho tải trọng thấp hơn mà không bị kích hoạt bởi nhiệt độ tiếp xúc.

Chất làm giảm nhiệt độ rót chảy

• Điểm rót chảy của một loại dầu là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó dầu sẽ vẫn ở thể lỏng. Các tinh thể sáp hình thành trong dầu khoáng parafinic sẽ kết tinh (trở nên rắn) ở nhiệt độ thấp. Các tinh thể rắn tạo thành một mạng lưới ngăn chặn sự chảy của phần dầu lỏng còn lại.
  Các chất phụ gia trong nhóm này làm giảm kích thước của các tinh thể sáp trong dầu và sự tương tác của chúng với nhau, cho phép dầu tiếp tục chảy ở nhiệt độ thấp.

Chất phụ gia khử nhũ tương

• Các chất phụ gia khử nhũ tương ngăn chặn sự hình thành hỗn hợp bền của dầu-nước hoặc nhũ tương bằng cách thay đổi sức căng bề mặt của dầu để nước sẽ kết tụ lại và dễ dàng tách ra khỏi dầu. Đây là một đặc tính quan trọng đối với chất bôi trơn tiếp xúc với hơi nước hoặc nước để nước tự do có thể lắng xuống và dễ dàng được xả ra khỏi bể chứa.

Chất nhũ hóa

• Chất nhũ hóa được sử dụng trong chất lỏng gia công kim loại gốc nước và dầu thủy lực chống cháy để giúp tạo ra nhũ tương bền của dầu-nước. Phụ gia nhũ hóa có thể được coi như một chất keo liên kết dầu và nước với nhau, bởi vì thông thường chúng muốn tách ra khỏi nhau do lực căng bề mặt và sự khác biệt về trọng lượng riêng.

Chất diệt khuẩn và chất bám dính

• Chất diệt khuẩn thường được thêm vào chất bôi trơn gốc nước để kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn. Chất bám dính là vật liệu quánh được sử dụng trong một số loại dầu và mỡ bôi trơn để ngăn chất bôi trơn văng ra khỏi bề mặt kim loại trong chuyển động quay.

III. Một vài điểm chính về chất phụ gia:

• Để được nhà sản xuất và người dùng chấp nhận, các chất phụ gia phải có thể được xử lý trong các thiết bị pha trộn thông thường, ổn định trong bảo quản, không có mùi khó chịu và không độc hại theo tiêu chuẩn công nghiệp thông thường.
• Vì nhiều loại là vật liệu có độ nhớt cao, chúng thường được bán cho các nhà sản xuất dầu dưới dạng dung dịch cô đặc trong một chất mang là dầu gốc.
• Nhiều chất phụ gia hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn.Câu nói cũ, “ Nếu ít thì tốt, thì nhiều càng tốt hơn” không nhất thiết đúng khi sử dụng phụ gia dầu bôi trơn.
• Khi nhiều chất phụ gia được pha trộn vào dầu, đôi khi không có thêm bất kỳ lợi ích nào thu được mà nhiều khi hiệu suất lại thực sự giảm sút. Trong các trường hợp khác, hiệu suất của chất phụ gia không cải thiện, nhưng thời gian sử dụng được cải thiện.
• Việc tăng tỷ lệ của một chất phụ gia nào đó có thể cải thiện một tính chất của dầu trong khi đồng thời lại làm giảm một tính chất khác. Khi nồng độ quy định của các chất phụ gia trở nên không cân bằng, chất lượng tổng thể của dầu có thể bị ảnh hưởng.
• Một số chất phụ gia cạnh tranh với nhau để chiếm chỗ trên bề mặt kim loại. Nếu nồng độ cao của chất chống mài mòn được thêm vào dầu, chất ức chế ăn mòn có thể trở nên kém hiệu quả hơn. Kết quả có thể là sự gia tăng các vấn đề liên quan đến ăn mòn.