Ứng dụng vật liệu graphen làm phụ gia giảm ma sát trong dầu bôi

36 
(b) diện tích bề mặt riêng cao để dễ biến tính hóa học và phân tán; 
(c) dẫn nhiệt tốt để tản nhiệt từ các khu vực ma sát; 
(d) lực tương tác Van der Waals yếu giữa các lớp của chúng cho phép các 
lớp dễ dàng trượt trên nhau.
Vật liệu có cấu trúc dạng tấm như than chì, MoS
2
, WS
2
và BN đã và đang 
được sử dụng như chất bôi trơn rắn trong phạm vi ứng dụng ma sát học. Tuy nhiên, 
việc sử dụng các vật liệu này như một loại phụ gia cho dầu bôi trơn lại là một thách 
thức lớn vì khả năng phân tán thấp của chúng. Graphen là vật liệu tấm cacbon hai 
chiều, với các tính chất đặc biệt về cơ, điện và nhiệt là một thuận lợi khi ứng dụng 
làm vật liệu bôi trơn. Gần đây, graphen đã được khám phá như một vật liệu tuyệt 
vời cho việc giảm ma sát và mài mòn [15]. Nghiên cứu bằng kính hiển vi trên 
graphen epitaxy cho thấy ma sát của lớp graphen đơn lớp thấp hơn lớp kép. Kim và 
cộng sự chỉ ra rằng graphen là một chất bôi trơn rắn mỏng làm giảm lực bám dính 
và ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc trên nano và vi mô trong khi bảo vệ các bề mặt 
kim loại [31]. Nghiên cứu dựa trên kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) và mô phỏng 
chứng minh rằng các đặc tính ma sát và độ bám dính của graphen được điều khiển 
bởi một số yếu tố trong đó có sự tương tác giữa đầu dò của AFM và graphen, số 
lượng các lớp trong graphen, tương tác giữa graphen và bề mặt kim loại, hướng 
trượt [17]. Bên cạnh những ứng dụng của graphen trong lĩnh vực bôi trơn, Sumant 
và cộng sự đã chứng minh graphen cũng có tính năng như là một loại vật liệu bảo 
vệ, chống lại sự ăn mòn kim loại [15]. Trên cơ sở hình thành các lớp màng graphen 
bao phủ trên bề mặt kim loại, ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp bề mặt kim loại với các 
tác nhân gây ăn mòn. 
Tính ổn định phân tán của graphen thấp và bị tách ra khỏi chất lỏng quá sớm, 
gây xói mòn và có thể gây nên tắc nghẽn hệ thống. Do đó các vật liệu này cần phải 
được biến tính hóa học để phù hợp với chất lỏng cơ sở (dầu bôi trơn) mà chúng sẽ 
được phân tán vào nhằm tăng độ bền phân tán, trên cơ sở đó cải thiện đáng kể được 
các đặc tính làm việc cũng như thời gian làm việc của chất lỏng bôi trơn. Các nhóm 

37 
ankyl- có khả năng tương hợp tốt với môi trường hydrocacbon trong dầu bôi trơn vì 
thế tăng khả năng phân tán và độ ổn định của graphen trong dầu.
Hình 1.21: Cơ chế chống mài mòn của dầu có pha phụ gia graphen [57]. 
Quá trình biến tính nhằm tăng khả năng phân tán của graphen trong dầu bôi 
trơn được thực hiện bằng cách đưa các nhóm ankyl- lên trên graphen. Các amin có 
mạch cacbon dài với số nguyên tử cacbon ≥8 sẽ gắn trên cạnh biên của graphen oxit 
giúp chúng dễ tương hợp với dầu bôi trơn (môi trường không phân cực) làm tăng 
khả năng phân tán graphen trong dầu bôi trơn [48]. 
Graphen oxit được tạo thành từ quá trình oxy hóa graphit có khả năng phân 
tán tốt trong nước vì sự có mặt của các nhóm chức hydroxyl (OH), epoxyl (COC) 
và carboxylic (COOH) [38]. Các nhóm chức hydroxyl và epoxyl thường nằm trên 
bề mặt của graphen oxit, còn nhóm chức carboxyl nằm trên cạnh biên của graphen 
oxit [1]. 
Biến tính graphen oxit bằng amin: Phản ứng trực tiếp giữa amin với graphen 
oxit hình thành các nhóm alkyl- trên graphen là một phương pháp đơn giản hạn chế 
việc sử dụng các trung gian như SOCl
2
(hình 1.20) (một tác nhân clo hóa mạnh và 
độc hại) là một lựa chọn mà nhóm để tài đưa ra để tổng hợp phụ gia graphen biến 
tính. Để thực hiện quá trình biến tính graphen, quá trình biến tính alkyl- trên 
graphen thường được thực hiện theo quy trình ba bước [48]:
Graphit + [O] G-COOH 

38 
Hình 1.22: Hoạt hóa GO trên nhóm COOH bằng SOCl
2
hoặc cacbodiimit. 
Trong luận văn tôi lựa chọn thực hiện phản ứng trực tiếp giữa các nhóm chức 
-COOH trên graphen oxit sau khi biến tính axit với amin nhằm giảm thiểu tác nhân 
hóa chất độc hại và nhờ đó quy trình chế tạo đơn giản, dễ tiếp cận. 
G-COOH + Alkyl-NH
2
G-CO-NH-Alkyl + H
2
O 
Các nghiên cứu đã chỉ ra chiều dài mạch alkyl của amin sử dụng cũng ảnh 
hưởng lớn đến khả năng phân tán, hiệu quả chống mài mòn, tính chất dầu bôi trơn 
khi bổ sung của phụ gia graphen biến tính [48]. Vì thế tôi cũng nghiên cứu ảnh 
hưởng của chiều dài mạch của amin (C
8
, C
12
, và C
18
) đến tính chất của dầu, từ đó 
lựa chọn loại amin tối ưu cho quá trình sử dụng phụ gia. Các amin có mạch cacbon 
dài với số nguyên tử cacbon lớn hơn 8 sẽ gắn trên cạnh biên của graphen oxit (hình 
1.23), chúng dễ tương hợp với dầu bôi trơn (môi trường không phân cực) làm tăng 
khả năng phân tán graphen trong dầu bôi trơn [23,48]. 
Hình 1.23: Phân bố nhóm chức trên graphen oxit và alkyl-graphen. 
Hiệu quả chống mài mòn của phụ gia graphen biến tính bằng octadecyl amin 
thể đạt 26% ở nồng độ tối ưu 0.06 mg/ml trong hexandecan ở 75 
o
C, tốc độ quay 

39 
1200 vòng/phút, lực nén 392 N [48]. Tác giả Harshal P.Mungse đánh giá hiệu quả 
chống mài mòn của phụ gia graphen biến tính bằng octadecyl amin tăng 37 % trong 
dầu động cơ 10W-40 đạt được ở nồng độ tối ưu 0.02 mg/ml ở 75 
o
C, tốc độ quay 
1200 vòng/phút, lực nén 392 N [20]. Ngoài việc hiệu quả chống mài mòn của phụ 
gia graphen biến tính đối với dầu thì ảnh hưởng của phụ gia lên các tính chất của 
dầu cũng là một yêu cầu quan trọng khi sử dụng phụ gia. Trong nghiên cứu [14] 
nhận thấy dầu động cơ 10W-40 khi pha thêm phụ gia graphen biến tính bằng 
octydecyl amin với nồng độ tối ưu 20 mg/ml thì tính chất của dầu gần như không 
đổi (bảng 2). 
Bảng 1.2: Tính chất vật lý của dầu khi bổ sung thêm phụ gia graphen biến tính 
Mẫu 
Độ nhớt động học, mm
2
/s 
Chỉ số độ 
nhớt 
Nhiệt độ 
đông đặc,
o
C 
Tỷ trọng, 
g/ml 
Ở 40 
o
C 
Ở 100 
o
C 
Dầu động cơ 
10W-40 
93.3 
13.8 
151 
-36 
0.87 
Phụ gia graphen 
20 mg/ml + Đầu 
động cơ 10W-40 
98.2 
13.9 
144 
-36 
0.87 
 
Từ những tổng quan về vật liệu graphen và biến tính vật liệu graphen, ứng 
dụng làm phụ gia giảm mài mòn cho dầu bôi trơn. Trong luận văn tôi chọn định 
hướng nghiên cứu như sau: 
- Lựa chọn các amin mạch dài R-NH
2
(C
8
, C
12
, C
18
) làm tác nhân biến tính 
graphen oxit để tăng khả năng phân tán của phụ gia graphen trong dầu bôi trơn. 
- Lựa chọn phương pháp thủy nhiệt để biến tính graphen oxit là phương pháp 
chính để tổng hợp phụ gia graphen biến tính amin. 
- Phân tán phụ gia trong dầu và đánh giá ảnh hưởng của phụ gia lên hiệu quả 
giảm mài mòn, tính chất của dầu. 

40 

tải về 4.21 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: