Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng canxi hydroxit đến tính chất của mỡ canxi - Nguyễn Ngọc Sơn

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 147 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CANXI HYDROXIT ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA MỠ CANXI Nguyễn Ngọc Sơn*, Võ Hoàng Phương, Nguyễn Việt Hưng, Nguyễn Đình Dương, Nguyễn Thị Hương Tóm tắt: Mỡ canxi được chê tạo từ dầu có độ nhớt thấp, sử dụng chất làm đặc xà phòng canxi được tổng hợp từ Ca(OH)2, dầu thầu dầu và axit béO 12- hydroxy stearat. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng canxi hydroxit (Ca(OH)2) đến tính chất của mỡ canxi. Từ kết quả này chỉ ra rằng khi thay đổi hàm lượng Ca(OH)2 trong khoảng ±4% so với lượng lý thuyết không làm mất tính ổn định cấu trúc và các tính chất của mỡ.. Từ khóa: Canxi hydroxit, Xà phòng hóa, Mỡ canxi ướt. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Mỡ bôi trơn trên cơ sở xà phòng canxi có khả năng chống chịu điều kiện ẩm ướt rất tốt. Nhược điểm lớn nhất của loại mỡ này đó là độ ổn định cơ tính kém và nhiệt độ nhỏ giọt thấp [1-2]. Hiện nay đã có những loại mỡ phức trên cơ sở xà phòng canxi và một số loại xà phòng khác đã dần khắc phục được một số nhược điểm này [2-5]. Tuy nhiên, nhờ vào khả năng chịu nước tốt nên hiện nay trong các nhà máy sản xuất và sữa chữa vũ khí của quân đội ta vẫn sử dụng loại mỡ canxi nhiệt độ thấp cho mục đích bảo quản, niêm cất cũng như sữa chữa các vũ khí, trang bị. Hiện nay, một số cán bộ nghiên cứu thuộc Viện Hóa học-Vật liệu đang nghiên cứu chế tạo loại mỡ tương đương sản phẩm nhập khẩu của LB Nga nhằm chủ động sản xuất và thay thế sản phẩm này. Quá trình nghiên cứu chế tạo nhóm nghiên cứu nhận thấy hàm lượng vôi (Ca(OH)2) trong mỡ có ảnh hưởng rất đáng kể đến các đặc trưng của sản phẩm mỡ chế tạo được. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu đạt được về vấn để này. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hoá chất – nguyên liệu - Dầu khoáng gốc parafin, độ nhớt 15 mm2/s (UAE) - Axit stearic, axit 12-hydroxy stearic (Trung Quốc) - Ca(OH)2 (hàm lượng ≥99,0%), NaOH (Trung Quốc) - Dầu thầu dầu (Ấn Độ) 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Quy trình chế tạo mỡ Trong bài báo này, mỡ canxi nhiệt độ thấp được chế tạo theo công nghệ ướt [2]. Quá trình chế tạo gồm 2 giai đoạn: - Xà phòng hóa trong môi trường dầu khoáng: hỗn hợp gồm dầu khoáng gốc (20% tổng lượng sử dụng), axit 12-hydroxy stearic, dầu thầu dầu, Ca(OH)2 và nước theo một tỷ lệ nhất định và một lượng rất nhỏ NaOH được đun nóng đến nhiệt độ Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.N.Sơn, V.H. Phương, ..., “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của mỡ canxi.” 148 96oC kết hợp khuấy. Duy trì hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ này trong thời gian 3,5 giờ kết hợp khuấy trộn cho quá trình xà phòng hóa xảy ra hoàn toàn. - Tạo cấu trúc mỡ: Sau khi xà phòng hóa xảy ra hoàn toàn, dừng gia nhiệt, bắt đầu quá trình làm nguội rất chậm, tốc độ 1,5oC/phút, đến 65oC. Quá trình làm nguội cưỡng bức bằng chất tải nhiệt gián tiếp kết hợp với đưa từ từ lượng dầu khoáng (80% tổng lượng sử dụng) còn lại vào pha phân tán. Sau khi lượng dầu được đưa vào hết, mỡ tạo thành được để nguội về nhiệt độ phòng và đem xác định các tính năng trưng của chúng. 2.2.2. Xác định đặc trưng xà phòng hóa Các đặc trưng của quá trình xà phòng hóa như thời gian phản ứng, hiệu suất phản ứng được xác định bằng cách đo chỉ số xà phòng hóa hỗn hợp phản ứng sau những khoảng thời gian nhất định. Chỉ số xà phòng hóa không đổi khi phản ứng xảy ra hoàn toàn. Hỗn hợp phản ứng được lấy ra, ngâm vào nước nóng 80oC trong vòng 1 giờ để tách hoàn toàn lượng Ca(OH)2 chưa phản ứng, sau tách mẫu, đem sấy khô trước khi tiến hành xác định chỉ số xà phòng hóa theo phương pháp ASTM D94. 2.2.3. Xác định các đặc trưng của sản phẩm mỡ tạo thành Mẫu mỡ tạo thành khi chế tạo theo các đơn khác nhau được xác định hai tính chất quan trọng nhất là xác định nhiệt độ nhỏ giọt theo ASTM D 566 và độ đặc (độ xuyên kim) ASTM D217. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính toán quá trình xà phòng hóa theo lý thuyết Tính toán tỷ lệ các nguyên liệu xà phòng hóa dựa vào chỉ số xà phòng hóa của dầu thầu dầu, axit 12-hydroxy stearit và hàm lượng Ca(OH)2 hiệu dụng trong nguyên liệu vôi sử dụng. Trong bài báo này, dầu thầu dầu đã được sơ chế, làm sạch, có chỉ số xà phòng hóa là 182 mg KOH/g. Chỉ số xà phòng hóa của axit 12-hydroxy stearit dạng thương phẩm được sử dụng là 184 mg KOH/g. Ca(OH)2 có hàm lượng hiệu dụng là 99.3%. Từ các số liệu này, lượng vôi cần thiết để xà phòng hóa 1 g dầu thầu dầu và 1 g axit 12-hydroxy stearit được tính lần lượt như sau: + Lượng vôi cần thiết để xà phòng hóa 1 g dầu thầu dầu theo lý thuyết: + Lượng vôi cần thiết để xà phòng hóa 1 g axit 12-hydroxy stearit theo lý thuyết: Từ đây tính được lượng Ca(OH)2 cần thiết để xà phòng hóa hết hỗn hợp chất béo gồm a (g) dầu thầu dầu vào b (g) axit 12-hydroxy stearit là: (1) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 149 Trong bài báo này, hỗn hợp chất béo được sử dụng để chế tạo mỡ gồm 48 g dầu thầu dầu và 32 g axit 12-hydroxy stearit. Như vậy, lượng Ca(OH)2 được sử dụng theo lý thuyết để xà phòng hóa hoàn toàn hỗn hợp chất béo này được tính theo công thức (1) là: Để khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng Ca(OH)2 đến các đặc trưng của sản phẩm mỡ, hàm lượng Ca(OH)2 sẽ được thay đổi ±7% so với lượng tương đương theo lý thuyết. Tỷ lệ thành phần xà phòng/dầu khoáng duy trì theo tỷ lệ 1/5,2. Cụ thể, các mẫu mỡ được chế tạo để nghiên cứu sẽ có thành phần như sau: Bảng 1. Thành phần nguyên liệu các mẫu mỡ chế tạo. Mẫu Hàm lượng chất béo Hàm lượng Ca(OH)2 Hàm lượng dầu khoáng Hàm lượng nước Hàm lượng NaOH M-1 48 + 32 9,032 462 2 0,1 M-2 48 + 32 9,323 464 M-3 48 + 32 9,518 465 2,1 M-4 48 + 32 9,712 465 2,2 M-5 48 + 32 9,906 467 M-6 48 + 32 10,100 468 2,3 M-7 48 + 32 10,392 470 3.2. Đặc trưng phản ứng xà phòng hóa Để xác định các đặc trưng xà phòng hóa trong quá trình chế tạo mỡ canxi, tiến hành chế tạo các mẫu có thành phần như M-2, M-4, M-6. Sau khoảng thời gian 30 phút, lấy mẫu và tiến hành xác định chỉ số xà phòng hóa (SN) như trong mục 2.2.2. Kết quả được thể hiện như trong bảng 2 và xu hướng thay đổi được thể hiện như trong đồ thị hình 1. Bảng 2. Sự thay đổi chỉ số xà phòng hóa của hỗn hợp phản ứng. Thời gian Mẫu 0.5 h 1 h 1.5 h 2 h 2.5 h 3 h 3.5 h 4 h 4.5 h M-2 21.1 15.3 10.8 7.2 3.8 1.9 1.4 1.1 1.1 M-4 20.3 15.5 10.1 6.8 3.2 1.6 0.9 0.9 0.8 M-6 19.2 14.2 9.4 5.8 2.5 1.0 0.8 0.8 0.8 Từ kết quả này cho thấy trong khoảng 2,5 giờ đầu, chỉ số xà phòng hóa giảm rất nhanh có nghĩa là tốc độ phản ứng khá lớn. Từ sau 3 giờ, chỉ số xà phòng hóa thay đổi rất ít. Từ 3,5 giờ thì hầu như không thay đổi. Như vậy, theo điều kiện trong Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.N.Sơn, V.H. Phương, ..., “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của mỡ canxi.” 150 nghiên cứu này thì phản ứng xà phòng hóa đạt cân bằng sau 3 giờ. Từ số liệu này cũng cho thấy hàm lượng Ca(OH)2 thay đổi trong khoảng ±4% so với lượng lý thuyết sẽ rất ít ảnh hưởng đến tốc độ cũng như hiệu suất phản ứng. Hình 1. Sự thay đổi chỉ số xà phòng hóa của hỗn hợp phản ứng theo thời gian. Từ số liệu này, hiệu suất phản ứng đạt được khi phản ứng đạt cân bằng có thể tính theo lượng chất béo dư còn lại khi phản ứng đạt cân bằng (thông qua chỉ số xà phòng hóa) vào khoảng 97%. 3.3. Các tính chất đặc trưng của mỡ chế tạo Thành phần nguyên liệu mỡ như trong bảng 1 được chế tạo theo quy trình như trong mục 2.2.1. Các sản phẩm chế tạo được đều có màu vàng nhạt, mềm, đặc. Các sản phẩm này sau khi chế tạo được đem xác định các đặc trưng kỹ thuật gồm điểm nhỏ giọt và độ xuyên kim. Để đánh giá sự ổn định của mỡ, các sản phẩm chế tạo được đem ủ nhiệt trong điều kiện ở 35oC trong vòng 72 giờ. Kết quả của sản phẩm ngay sau khi chế tạo được và sau xử lý nhiệt được thể hiện trong bảng 3. Bảng 3. Các đặc trưng của các mẫu sản phẩm mỡ Mẫu Độ xuyên kim ở 25oC Nhiệt độ nhỏ giọt, oC Chưa ủ nhiệt Sau ủ nhiệt Chưa ủ nhiệt Sau ủ nhiệt M-1 253 263 66 66 M-2 242 257 69 68 M-3 238 240 75 73 M-4 232 237 76 75 M-5 231 236 76 79 M-6 204 199 91 93 M-7 197 187 94 94 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 151 Hình 2. Ảnh hưởng của hàm lượng Ca(OH)2 lên độ cứng và nhiệt độ nhỏ giọt của mỡ sau khi chế tạo. Từ bảng số liệu này cho thấy các mẫu mỡ được chế tạo với hàm lượng Ca(OH)2 thay đổi sẽ ảnh hưởng rất đáng kể đến các đặc trưng của sản phẩm mỡ: Nhiệt độ nhỏ giọt: - Trong khoảng nghiên cứu, khi hàm lượng Ca(OH)2 tăng làm tăng nhiệt độ nhỏ giọt. Điều này có thể là do hàm lượng chất làm đặc tăng, giúp cho pha dầu được giữ tốt hơn trong cấu trúc mạng lưới của xà phòng tạo ra. - Sau khi ủ nhiệt, nhiệt độ nhỏ giọt của các mẫu có sự biến đổi khác nhau: đối với mẫu sử dụng lượng thiếu Ca(OH)2 thì nhiệt độ nhỏ giọt giảm, ngược lại, với mẫu sử dụng lượng dư thì nhiệt độ nhỏ giọt tăng. Độ xuyên kim: - Khi hàm lượng Ca(OH)2 thay đổi, độ đặc của mỡ cũng thay đổi. Có thể nhận thấy rằng ở các mẫu M-3, M-4, M-5 mỡ có độ xuyên kim tương đối ổn định. - Đối với các mẫu có hàm lượng Ca(OH)2 lớn hơn thì mỡ cứng hơn. Ngược lại, với hàm lượng Ca(OH)2 nhỏ thì mỡ tương đối mềm. - Sau khi ủ nhiệt, độ xuyên kim của các mẫu mỡ thay đổi khác nhau. Với các mẫu sử dụng lượng thiếu Ca(OH)2 thì độ xuyên kim tăng, tức là độ đặc hay độ cứng giảm. Điều này cũng đúng với các mẫu sử dụng lượng Ca(OH)2 vừa đủ theo lý thuyết. Còn đối với các mẫu sử dụng lượng dư Ca(OH)2 thì độ xuyên kim giảm, tức là độ cứng hay độ đặc tăng. 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu đã đưa ra một số đánh giá về đặc trưng phản ứng xà phòng hóa trong chế tạo mỡ canxi trong điều kiện nghiên cứu cũng như đánh giá ảnh hưởng của lượng Ca(OH)2 sử dụng lên các đặc trưng của các mẫu mỡ chế tạo. Theo đó, phản ứng xà phòng hóa của Ca(OH)2 với hỗn hợp chất béo sử dụng gồm 60% dầu thầu dầu và 40 axit béo tổng hợp 12-hydroxy stearic đạt cân bằng trong khoảng 3.5 giờ. Hiệu suất phản ứng tính theo hàm lượng chất béo sử dụng Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.N.Sơn, V.H. Phương, ..., “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của mỡ canxi.” 152 đạt khoảng 97%. Khi thay đổi hàm lượng Ca(OH)2 trong khoảng ±4% so với lượng lý thuyết không làm thay đổi đáng kể hiệu suất phản ứng.. Hàm lượng Ca(OH)2 sử dụng dư hay thiếu đều ảnh hưởng đến nhiệt độ nhỏ giọt và độ xuyên kim của các mẫu mỡ chế tạo cũng như sự ổn định các đặc trưng của các mẫu này theo nhiệt độ. Tuy nhiên, khi sử dụng lượng Ca(OH)2 thay đổi ±4% so với lý thuyết thì các đặc trưng này tương đối ổn định. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. E. Richard Booser, “CRC Handbook of Lubrication, vol. II: Theory and Design”, CRC Press, USA, 1983. [2]. Yu. L. Ishchuk, “Lubricating Grease Manufacturing Technology”, New Age International Publishers, 2005. [3]. Trần Thị Minh Hoàn, “Nghiên cứu sản xuất thử mỡ canxi tổng hợp TN-150”, Để tài Bộ Công nghiệp, 1991. [4]. George E. Totten, “Fuels and Lubricants Handbook: Technology, Properties, Performance, and Testing”, ASTM International, USA, 2003 [5]. Theo Mang, Wilfreid Dresel,“Lubricants and Lubrication”, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Germany, 2007. ABSTRACT STUDY ON THE EFFECT OF CALCIUM HYDROXIDE CONTENT TO CHARACTERISTIC OF CALCIUM GREASE Calcium grease was fabricated from low viscosity lubricating oil, using calcium soap as thicker which was prepared from Ca(OH)2, castor oil and a fatty acid such as 12-hydroxy stearic. This paper presents some results of study on effect of calcium hydroxide (Ca(OH)2) to characteristic of calcium grease. These results show that 4% in difference of Ca(OH)2 content compare with theoretical amount did not effect to structure and properties of calcium grease. Keywords: Calcium hydroxide, Saponification, Hydrated calcium grease. Nhận bài ngày 09 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 30 tháng 07 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: Viện Hóa học - Vật liệu/ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. *Email: sonorgc.hhvl@gmail.com