Hầu hết dầu nhớt không "hết hạn" vì mòn đi mà vì bị oxy hóa. Oxy trong không khí, nhiệt độ cao và kim loại xúc tác cùng nhau phá vỡ phân tử dầu, tạo ra axit, cặn bùn và lớp vecni bám trên chi tiết máy. Phụ gia chống oxy hóa là thành phần được thêm vào để làm chậm quá trình này. Lượng phụ gia còn lại trong dầu gần như quyết định dầu còn dùng được bao lâu.
Dầu bị oxy hóa như thế nào
Oxy hóa là phản ứng dây chuyền gốc tự do:
- Khơi mào: nhiệt, ánh sáng hoặc ion kim loại (đồng, sắt) tách một nguyên tử hydro khỏi phân tử dầu, tạo gốc tự do.
- Lan truyền: gốc tự do kết hợp với oxy thành gốc peroxy, gốc này lại tấn công phân tử dầu khác, tạo hydroperoxide và một gốc tự do mới. Chuỗi phản ứng tự nhân lên.
- Phân nhánh và kết thúc: hydroperoxide phân hủy thành axit, aldehyde, xeton. Các sản phẩm này trùng hợp thành cặn và vecni.
Tốc độ oxy hóa tăng rất nhanh theo nhiệt độ. Quy tắc kinh nghiệm thường dùng trong ngành là cứ tăng khoảng 10 °C (trên mức khoảng 60 °C) thì tốc độ oxy hóa tăng gấp đôi, tuổi thọ dầu giảm một nửa. Nước và hạt kim loại mòn trong dầu đóng vai trò chất xúc tác, càng làm quá trình nhanh hơn.
Các nhóm phụ gia và cơ chế
Chất bắt gốc tự do (chống oxy hóa sơ cấp)
- Phenol cản trở (hindered phenol): nhường nguyên tử hydro cho gốc peroxy, cắt đứt chuỗi phản ứng. Hiệu quả tốt ở nhiệt độ trung bình.
- Amin thơm (như diphenylamine alkyl hóa): hoạt động tốt ở nhiệt độ cao, hay dùng trong dầu động cơ, dầu tuabin, dầu máy nén khí.
Dùng phối hợp phenol và amin thường cho hiệu quả cao hơn tổng của từng loại riêng lẻ, nhờ hiệu ứng hiệp đồng.
Chất phân hủy peroxide (chống oxy hóa thứ cấp)
Nhóm này chuyển hydroperoxide thành sản phẩm bền, không tạo thêm gốc tự do. Đại diện tiêu biểu là ZDDP (kẽm dialkyldithiophosphate). ZDDP vừa chống oxy hóa vừa chống mài mòn, có mặt trong hầu hết dầu động cơ và dầu thủy lực chống mài mòn. Các hợp chất lưu huỳnh, phốt pho hữu cơ khác cũng thuộc nhóm này.
Chất thụ động hóa kim loại
Dẫn xuất triazole, benzotriazole tạo màng mỏng trên bề mặt đồng và hợp kim đồng, ngăn ion kim loại xúc tác cho phản ứng oxy hóa.
Đánh giá khả năng chống oxy hóa của dầu
| Phép thử | Nội dung | Thường dùng cho |
|---|---|---|
| RPVOT (ASTM D2272) | Đo thời gian (phút) đến khi áp suất oxy trong bình quay giảm một mức quy định | Dầu tuabin, dầu máy nén, dầu thủy lực |
| TOST (ASTM D943) | Số giờ đến khi chỉ số axit đạt 2,0 mg KOH/g, có nước và xúc tác kim loại | Dầu tuabin, dầu thủy lực, công bố hàng nghìn giờ |
| RULER (ASTM D6971) | Đo trực tiếp lượng phenol và amin còn lại bằng điện hóa | Theo dõi dầu đang vận hành |
| Sequence IIIH, độ tăng độ nhớt | Thử trên động cơ, đánh giá dầu đặc lại và cặn piston | Chứng nhận dầu động cơ API, ILSAC |
Ảnh hưởng thực tế đến người dùng
- Tuổi thọ dầu: dầu có gói phụ gia chống oxy hóa mạnh, nhất là trên nền dầu gốc nhóm II, III, giữ độ nhớt và chỉ số axit ổn định lâu hơn, cho phép chu kỳ thay dài hơn.
- Sạch máy: ít cặn bùn ở cacte, ít vecni trên lõi van thủy lực và van servo, ít muội ở van máy nén.
- Hiệu năng ổn định: dầu không đặc dần theo thời gian nên không tăng tổn hao ma sát, không làm bơm hoạt động nặng nề.
Cần lưu ý rằng phụ gia chống oxy hóa bị tiêu hao dần trong quá trình hy sinh để bảo vệ dầu. Khi lượng phụ gia xuống thấp, tốc độ oxy hóa tăng vọt. Vì vậy theo dõi xu hướng bằng RPVOT hoặc RULER với dầu tuabin, dầu thủy lực, dầu máy nén cỡ lớn giúp lên kế hoạch thay dầu hoặc bổ sung trước khi dầu hỏng hẳn.
Giúp phụ gia làm việc lâu hơn
Giữ nhiệt độ dầu trong dải khuyến cáo, loại bỏ nước và hạt bẩn, không trộn lẫn các loại dầu khác nhau, và bảo quản dầu mới ở nơi mát, kín. Đó là những việc đơn giản nhất để lớp phụ gia trong dầu phát huy hết thời gian phục vụ. Tham khảo các dòng dầu công nghiệp tại mục Các ngành hàng công nghiệp của Korea Lube.
Ảnh: Cameron Porter, U.S. Army / Wikimedia Commons, phạm vi công cộng.