Mục đích của dầu bôi trơn là giảm ma sát giữa hai bề mặt. Trong một số trường hợp, dầu gốc trong dầu nhớt hoặc mỡ có thể không có đủ độ bôi trơn để thực hiện chức năng này đầy đủ. Một số thành phần kim loại cũng có thể yêu cầu các chất hóa học đặc biệt. Ví dụ, với bánh răng sâu (worm gear), phụ gia cực áp (EP) hoặc chống mài mòn truyền thống thường có tính chất hóa học quá mạnh đối với các kim loại màu mềm. Trong trường hợp này, các chất biến tính ma sát – Friction Modifiers – được thêm vào để tăng khả năng bôi trơn của dầu nhớt.
Ngược lại, trong ly hợp xe máy ga hay hộp số tự động ô tô, lưu chất được sử dụng để bôi trơn, truyền tải thủy lực và nhiều chức năng khác. Bộ ly hợp và đĩa ma sát (friction band) trong bộ truyền động cần ma sát để hoạt động tốt. Trong trường hợp này, chất biến tính ma sát được bổ sung để làm trơn tru việc chuyển tiếp từ tốc độ này sang tốc độ khác. Nếu không, bộ ly hợp và đĩa sẽ “nghiến” gây hư hỏng và khó chịu cho người lái xe.
Một số hợp chất được sử dụng để thay đổi hệ số ma sát của chất bôi trơn. Đây được gọi chung là những chất biến tính ma sát. Chúng được thiết kế để thay đổi lượng năng lượng cần thiết khiến cho hai bề mặt di chuyển trượt qua nhau.
Mục đích của chất biến tính ma sát thay đổi tùy theo ứng dụng. Trong động cơ đốt trong, mục đích là để giảm lượng ma sát, giúp tiết kiệm nhiên liệu. Trong bộ ly hợp, hộp số tự động và các ứng dụng công nghiệp, mục đích không chỉ đơn giản là kiểm soát ma sát để tối đa hóa hiệu quả mà còn giúp giảm trượt. Ở một mức độ nào đó, điều này dường như là phản trực giác, vì mục tiêu của dầu nhờn là làm giảm ma sát và mài mòn. Tuy nhiên, có rất nhiều tình huống, cần một lượng ma sát kéo để thiết bị hoạt động bình thường. Các chất biến tính ma sát được sử dụng trong các ứng dụng này không nhằm làm tăng hoặc giảm ma sát mà phải hoạt động khác đi trong điều kiện chịu một lực cắt cụ thể. Điều này chủ yếu giúp chuyển tiếp trơn tru hơn từ động sang tĩnh, chẳng hạn như trong quá trình “sang số” hoặc dẫn động bộ ly hợp.
Quá trình phát triển của chất biến tính ma sát (Friction Modifier)
Chất biến tính ma sát trong dầu động cơ có thể được bắt nguồn từ năm 1915. Chúng được sử dụng đầu tiên trong các ứng dụng vi sai, ly hợp ướt và truyền động, sau đó đã tăng đáng kể vào cuối những năm 1970. Tiết kiệm nhiên liệu trở nên rất quan trọng trong điều kiện cấm vận dầu mỏ thời gian đó, dẫn đến một sự thay đổi đáng kể trong ngành công nghiệp ô tô. Điều này đã dẫn tới việc bổ sung chất biến tính ma sát trong dầu động cơ ô tô chở khách.
Phần lớn các chất biến tính ma sát sử dụng ngày nay được thiết kế để giảm ma sát hoặc tăng độ bôi trơn giúp tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn. Gần đây, chính phủ Hoa Kỳ tăng tiêu chuẩn tiết kiệm nhiên liệu với mục tiêu nâng cao mức tiết kiệm nhiên liệu trung bình (Corporate Average Fuel Economy – CAFE) đến 54,5 dặm cho mỗi gallon. Con số này, gấp đôi tiêu chuẩn hiện tại, chỉ dành cho động cơ xăng, nhưng cũng là động lực tương tự cho động cơ diesel. Một cách để đạt được mục tiêu này là giảm độ nhớt của dầu động cơ. Thử thách là làm giảm độ nhớt trong khi vẫn duy trì lớp màng bôi trơn đầy đủ để chống mài mòn và ma sát.
Vậy làm thế nào để giảm được độ nhớt tới mức tối thiểu mà vẫn đảm bảo được màng dầu. Các nhãn hiệu lớn đã cung cấp cho thị trường Việt Nam Dầu động cơ cấp độ SAE 5W-30, thậm chí 0W-20 như Exxon Mobil chẳng hạn, và thế giới còn đang muốn tiếp tục giảm xuống 0W-16. Cần phụ gia hay nguyên liệu đặc biệt nào và hạ tầng cơ sở vật chất cũng như giới hạn về kỹ thuật ở đâu để có thể áp dụng các công nghệ này?? Nó không đơn thuần chỉ là việc công bố “từ cuống họng trở ra” ở các nhãn hiệu thuần thương mại, thiếu kiến thức chuyên sâu về dầu nhớt, được sinh ra bởi sự bát nháo và cách quản lý vì lợi ích trước mắt của phần lớn các nhà điều hành hiện nay.
Những bước tiến dài đã được thực hiện trong thiết kế để giảm ma sát hình thành trong động cơ. Điều này đã làm gia tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Cũng có nhiều tiến bộ trong công nghệ bôi trơn, bao gồm việc phát triển các chất biến tính ma sát. Dầu nhớt Rubik, một thương hiệu của Tập đoàn ELBA, với khả năng tiếp cận công nghệ toàn cầu, là một trong những ngôi sao hiếm hoi áp dụng đúng cách và đúng thời điểm để tạo ra giá trị gia tăng cho khách hàng tại Việt Nam.
Chất biến tính ma sát áp dụng hiệu quả nhất trong điều kiện ranh giới hoặc khi tiếp xúc kim loại với kim loại xảy ra. Các chất biến tính ma sát hữu cơ có mạch dài, hòa tan trong dầu và đầu phân cực. Đầu phân cực gắn vào các bề mặt kim loại. Các mạch hòa tan xếp hàng bên cạnh nhau giống như sợi trong một tấm thảm. Đầu phân cực có thể bao gồm các axit phosphoric, amin, amit hoặc các axit cacboxylic. Các mạch hòa tan tạo thành các lớp đơn dày đặc hoặc các lớp nhớt dày. Những lớp này có tính dễ cắt và tạo ra một bề mặt trơn trượt.
Chất biến tính ma sát hữu cơ.
Cấu trúc cơ học của chất biến tính ma sát tạo thành các lớp tiểu cầu kết hợp với nhau, làm giảm ma sát. Phổ biến nhất trong số này là molibden dithiocarbamate (MoDTC). Những phụ gia này làm giảm ma sát bằng cách tạo các tấm có kích thước siêu nhỏ (nano-sized) đơn lẻ phân tán trong mạng carbon hoặc pyrit. Những tấm kích thước siêu nhỏ (nano-sized) này được định hướng thành lớp và trượt lên nhau, giảm độ ma sát tạo ra.
Hợp chất molybden hữu cơ đã cho thấy khả năng làm việc tốt cùng với kẽm dialkyldithiophosphate (ZDDP). Được sử dụng trong dầu động cơ trong khoảng 80 năm, ZDDP là một trong những phụ gia thành công nhất trong ngành dầu nhớt. Nó có nhiều chức năng, như là chất chống oxy hoá, chống ăn mòn và phụ gia chống mài mòn. Những chất phụ gia này cũng có một đầu phân cực và một cấu trúc đuôi tan trong dầu. Chúng hình thành một lớp màng hy sinh biên giới tương đối dày và mềm hơn nhiều so với bề mặt sắt hoặc thép.
Cần lưu ý rằng các đầu phân cực của chất biến tính ma sát không chỉ cần phải gắn vào kim loại đen mà còn phải gắn với các lớp kẽm do ZDDP tạo ra. Những màng dày này được hình thành bởi ZDDP tùy nhiệt độ và chủ yếu bao gồm kẽm, orthophosphate and thủy tinh polyphosphate, với một tỷ lệ tăng dần các chuỗi polyphosphate gần bề mặt hơn.
Khi các tiêu chuẩn tiết kiệm nhiên liệu trở nên nghiêm ngặt, dầu động cơ là phân khúc được yêu cầu cao hơn. Mặc dù công nghệ biến tính ma sát vẫn tiếp tục phát triển, cách hiệu quả nhất để cải thiện vấn đề tiết kiệm nhiên liệu hoặc tiêu thụ năng lượng là làm giảm độ nhớt. Tuy nhiên, bạn chỉ có thể giảm cho đến trước khi mất lớp màng thủy động lực học và hoạt động tại điều kiện bôi trơn hỗn hợp hoặc bôi trơn ranh giới. Chính trong hai chế độ bôi trơn này, việc sử dụng các chất biến tính ma sát trở nên quan trọng và hữu ích để giảm ma sát.
Giám đốc Kỹ thuật – Dầu nhớt Rubik (17.01.2018)
