Chất bôi trơn là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và phân loại chất bôi trơn

Chất bôi trơn là vật liệu được sử dụng nhằm làm giảm ma sát, giới hạn mài mòn và hạn chế sự sinh nhiệt giữa các bề mặt tiếp xúc chuyển động tương đối. Vai trò cơ bản của chất bôi trơn là hình thành một lớp màng trung gian ngăn chặn tiếp xúc trực tiếp giữa các bề mặt kim loại, từ đó tăng tuổi thọ thiết bị và giảm tiêu hao năng lượng.

Chất bôi trơn tồn tại dưới nhiều dạng vật lý khác nhau, gồm rắn, lỏng, khí hoặc bán rắn. Dạng lỏng là phổ biến nhất, thường là dầu khoáng hoặc dầu tổng hợp. Mỗi loại có đặc điểm, ứng dụng và điều kiện sử dụng khác nhau, phù hợp với môi trường làm việc cụ thể.

Phân loại chất bôi trơn có thể chia thành:

• Dầu bôi trơn: Dầu khoáng (từ dầu mỏ), dầu tổng hợp (polyalphaolefin, este), dầu thực vật biến tính.
• Mỡ bôi trơn: Hỗn hợp giữa dầu và chất làm đặc như lithium, calcium hoặc polyurea, dùng cho các ổ trượt, ổ bi khó tiếp cận.
• Chất bôi trơn khô: Graphite, molybdenum disulfide (MoS₂), PTFE, hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cao hoặc chân không.
• Chất bôi trơn khí: Không khí, khí trơ như nitơ hoặc argon, dùng trong thiết bị siêu chính xác.

Nguồn: National Tribology Services

Nguyên lý hoạt động của chất bôi trơn

Chất bôi trơn hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra một lớp màng ngăn giữa hai bề mặt chuyển động tương đối để giảm tiếp xúc cơ học trực tiếp. Lớp màng này giúp phân bố áp lực đều, giảm sự phát sinh nhiệt do ma sát và bảo vệ bề mặt khỏi bị trầy xước hoặc hư hại lâu dài.

Có ba cơ chế bôi trơn cơ bản tùy thuộc vào độ dày lớp màng và điều kiện vận hành:

1. Bôi trơn thủy động (Hydrodynamic): Lớp dầu đủ dày để tách hoàn toàn hai bề mặt, thường gặp trong ổ trục quay.
2. Bôi trơn biên (Boundary): Lớp dầu mỏng, một phần bề mặt vẫn tiếp xúc cơ học, xảy ra ở điều kiện khởi động hay tải cao.
3. Bôi trơn hỗn hợp (Mixed): Kết hợp cả hai dạng trên, xuất hiện khi điều kiện vận hành dao động hoặc không ổn định.

Hệ số ma sát trong điều kiện có bôi trơn được định nghĩa như sau: $f = \frac{F_{\text{friction}}}{F_{\text{normal}}}$ trong đó $f$ là hệ số ma sát, $F_{\text{friction}}$ là lực ma sát giữa các bề mặt, còn $F_{\text{normal}}$ là lực ép vuông góc lên bề mặt.

Thành phần hóa học của dầu bôi trơn

Một loại dầu bôi trơn cơ bản thường bao gồm hai phần: dầu nền (base oil) và các phụ gia (additives). Dầu nền quyết định tính chất vật lý như độ nhớt, điểm chớp cháy và độ bay hơi, trong khi phụ gia cải thiện tính năng hóa học và bảo vệ bề mặt máy móc.

Tỷ lệ thành phần trung bình trong một dầu bôi trơn tiêu chuẩn:

Thành phần	Tỷ lệ phần trăm	Chức năng chính
Dầu nền	70–90%	Chất lỏng cơ sở tạo độ nhớt và màng bôi trơn
Phụ gia chống oxy hóa	1–2%	Ngăn dầu bị ôxy hóa ở nhiệt độ cao
Phụ gia chống mài mòn	1–5%	Bảo vệ bề mặt kim loại khi tiếp xúc cận biên
Phụ gia tẩy rửa – phân tán	3–10%	Ngăn muội than và cặn bám

Một số phụ gia phổ biến bao gồm:

• ZnDTP (Zinc dialkyldithiophosphate): phụ gia chống mài mòn và chống oxy hóa.
• Calcium sulfonate: phụ gia tẩy rửa và chống ăn mòn.
• Polymethacrylate: chất cải thiện chỉ số độ nhớt.
• Silicone hoặc polymethylsiloxane: phụ gia chống tạo bọt.

Nguồn: Chemistry World

Vai trò của độ nhớt trong hiệu quả bôi trơn

Độ nhớt là chỉ tiêu mô tả mức độ kháng lại dòng chảy của chất lỏng. Trong dầu bôi trơn, độ nhớt cao giúp duy trì lớp màng ngăn cách tốt hơn ở điều kiện tải cao, trong khi độ nhớt thấp thích hợp cho môi trường vận tốc cao hoặc nhiệt độ thấp.

Độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ, điều này được biểu diễn qua phương trình thực nghiệm: $\eta = A \cdot e^{\frac{B}{T}}$ trong đó $\eta$ là độ nhớt, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối (K), $A$ và $B$ là hằng số đặc trưng của dầu. Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm theo hàm mũ, ảnh hưởng đến hiệu quả bôi trơn và độ ổn định màng dầu.

Để xác định phù hợp, các tổ chức như SAE và ISO đã xây dựng hệ thống phân loại dầu dựa trên độ nhớt. Ví dụ:

• SAE 5W-30: phù hợp cho môi trường lạnh và hoạt động ở nhiệt độ cao
• ISO VG 68: thường dùng trong hệ thống thủy lực công nghiệp

Độ nhớt không phù hợp có thể gây hiện tượng mòn tăng tốc hoặc mất hiệu quả truyền nhiệt trong thiết bị.

Ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

Chất bôi trơn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, giao thông, y tế và cả trong sinh hoạt hàng ngày. Trong ngành cơ khí, chất bôi trơn đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ máy móc khỏi hao mòn, giảm tổn thất năng lượng do ma sát và hỗ trợ làm mát các chi tiết chuyển động ở tốc độ cao.

Trong đời sống, chất bôi trơn hiện diện trong nhiều sản phẩm quen thuộc:

• Ô tô, xe máy: dầu động cơ, dầu hộp số, mỡ trục bánh xe
• Đồ gia dụng: dầu bôi trơn cho bản lề cửa, quạt máy, máy khâu
• Y tế: chất bôi trơn sinh học trong dụng cụ nội soi, bao cao su, gel siêu âm
• Thực phẩm: dầu bôi trơn cấp thực phẩm trong dây chuyền chế biến, đóng gói

Trong công nghiệp nặng, các hệ thống yêu cầu chất bôi trơn đặc thù như:

Ngành	Loại chất bôi trơn sử dụng	Đặc điểm yêu cầu
Nhiệt điện	Dầu turbine, dầu cách điện	Chịu nhiệt, độ ổn định oxy hóa cao
Hàng không	Dầu tổng hợp ester	Hoạt động ở -60°C đến +250°C
Hàng hải	Dầu trục chân vịt	Chống nước, bảo vệ lâu dài

Nguồn: TotalEnergies – Industrial Lubricants

Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng chất bôi trơn

Để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy trong ứng dụng, chất bôi trơn phải đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật do các tổ chức quốc tế thiết lập. Những tiêu chuẩn này định nghĩa các chỉ tiêu lý - hóa quan trọng như độ nhớt, điểm chớp cháy, khả năng chống oxy hóa, và độ ổn định cơ học.

Các hệ thống phân loại và tiêu chuẩn phổ biến:

• SAE J300: phân loại dầu động cơ theo độ nhớt ở nhiệt độ thấp và cao
• ISO VG: phân loại dầu công nghiệp dựa trên độ nhớt ở 40°C
• API Service Categories: đánh giá hiệu năng dầu động cơ theo từng thế hệ công nghệ
• DIN, ASTM: các tiêu chuẩn kiểm tra vật lý và hóa học

Ví dụ về các chỉ tiêu kỹ thuật:

Chỉ tiêu	Đơn vị	Giá trị điển hình
Độ nhớt kinematic @ 40°C	mm²/s	68–320 tùy loại
Điểm chớp cháy (Flash Point)	°C	180–240
Chỉ số độ nhớt (Viscosity Index)	Không đơn vị	95–150

Ảnh hưởng môi trường và phân hủy sinh học

Một trong những mối lo ngại lớn liên quan đến chất bôi trơn là khả năng gây ô nhiễm đất, nước và sinh vật nếu không được xử lý đúng cách. Các loại dầu khoáng, nếu bị rò rỉ, có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Điều này thúc đẩy sự phát triển của các loại chất bôi trơn thân thiện môi trường.

Chất bôi trơn phân hủy sinh học (biodegradable lubricants) được điều chế từ dầu thực vật hoặc các este tổng hợp có khả năng phân hủy bởi vi sinh vật trong điều kiện tự nhiên. Loại dầu này thường được sử dụng trong các ứng dụng gần nguồn nước, nông nghiệp hoặc công trình xây dựng ngoài trời.

Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường:

• OECD 301: Kiểm tra khả năng phân hủy sinh học hiếu khí
• EU Ecolabel: Dán nhãn sinh thái cho sản phẩm thân thiện môi trường
• EPA VGP (Vessel General Permit): Yêu cầu dầu thân thiện môi trường trên tàu biển tại Mỹ

Nguồn: U.S. EPA – Safer Choice Lubricants

Chất bôi trơn trong công nghệ nano

Công nghệ nano đang mở ra một kỷ nguyên mới cho chất bôi trơn thông minh, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất, độ bền và khả năng thích ứng trong các điều kiện khắc nghiệt. Chất bôi trơn nano thường bao gồm các hạt có kích thước 1–100 nm được phân tán đều trong dầu gốc nhằm tăng tính bền cơ học và khả năng tự phục hồi bề mặt.

Các loại vật liệu nano được nghiên cứu bao gồm:

• Hạt nano kim loại: đồng, bạc, kẽm oxide giúp cải thiện tính dẫn nhiệt và giảm ma sát
• Graphene, carbon nanotube: có cấu trúc phân tử bền, chịu áp cao
• MoS₂ nano: hoạt động như chất bôi trơn rắn khi điều kiện bôi trơn bị phá vỡ

Lợi ích khi dùng nano-lubricants:

1. Tăng khả năng chịu áp suất lên đến 3–5 lần so với dầu thường
2. Giảm hệ số ma sát từ 0.1 xuống dưới 0.05
3. Khả năng làm kín tốt hơn trong khe hở siêu nhỏ

Nguồn: ScienceDirect – Nanolubricants

Tài liệu tham khảo

1. National Tribology Services – Lubrication Basics
2. Chemistry World – The Chemistry of Lubricants
3. TotalEnergies – Lubricants for Industry
4. U.S. Environmental Protection Agency – Safer Choice Lubricants
5. ScienceDirect – Advances in Nanolubricants