Tạo lập tổ hợp chất tạo nhũ pha chế chất lỏng gia công kim loại hệ nhũ thuận

- NGUYỄN MẠNH DƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC TẠO LẬP TỔ HỢP CHẤT TẠO NHŨ PHA CHẾ CHẤT LỎNG GIA CÔNG KIM LOẠI HỆ NHŨ THUẬN CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC NGUYỄN MẠNH DƯƠNG Hà Nội 2009 HÀ NỘI 2009 Lời cảm ơn Luận văn này được hoàn thành tại Bộ môn Công nghệ hữu cơ-hoá dầu và khí trường Đại học Bách khoa Hà nội, Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia công nghệ Lọc và hoá dầu-Viện Hoá học Công nghiệp Việt nam.
- Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hoá dầu và khí-Khoa Công nghệ Hoá học-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các cán bộ nghiên cứu tại phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia công nghệ lọc và hoá dầu-Viện Hoá học Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện thực nghiệm.
- Cuối cùng, tôi xin cám ơn gia đình, bạn bè và đông nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
- Hà nội, ngày 11 tháng 11 năm 2009 Nguyễn Mạnh Dương Danh mục các chữ viết tắt DNKL : Dầu nhũ cắt gọt kim loại NCG : Nhũ cắt gọt kim loại HLB : Hằng số cân bằng ưa nước ưa dầu CNH : Chất nhũ hóa CTN : Chất trợ nhũ PGTN : Phụ gia tính năng MeOH : Metanol MEA : Mono Etanol Amin DEA : Di Etanol Amin TEA : Tri Etanol Amin T-80 : Tween-80 DTV : Dầu thực vật CSA : Chỉ số axít S : Chỉ số xà phòng hóa HĐBM : Hoạt động bề mặt COC : Nhiệt độ chớp cháy cốc hở IP : Viện dầu mỏ (Anh) ASTM : Hiệp hội thử nghiệm vật liệu (Mỹ) Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 2 MỞ ĐẦU.
- Chất lỏng gia công kim loại.
- Phân loại chất lỏng gia công kim loại[1,2.
- Nhũ cắt gọt kim loại[1,2.
- Các thành phần của dầu nhũ cắt gọt kim loại[1,2.
- 8 Dầu nhũ cắt gọt kim loại bao gồm dầu gốc khoáng, hệ chất tạo nhũ và các phụ gia tính năng khác.
- Phụ gia tính năng[1,2.
- Các đặc tính cơ bản cần thiết để xác định tính chất hóa lý và tính năng của dầu nhũ gia công kim loại.
- Độ nhớt.
- Cách tiến hành quá trình tổng hợp amit.
- 31 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 32.3.2.
- Quá trình điều chế nhũ cắt gọt kim loại.
- Nghiên cứu tổng hợp điều chế nhũ gia công kim loại.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền nhũ.
- 68 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 4 MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới, việc sử dụng chất lỏng gia công kim loại ngày càng trở nên phổ biến.
- Ở Việt Nam các sản phẩm chất lỏng gia công kim loại được cung cấp từ hai nguồn chính là nhập khẩu với giá bán cao từ nước ngoài và từ các cơ sở sản xuất trong nước có chất lượng không ổn định.
- Do đó việc nghiên cứu sử dụng khả năng biến tính dầu thực vật trong chất lỏng gia công kim loại có một ý nghĩa quan trọng trong việc chủ động nguồn nguyên liệu, hạ giá thành sản phẩm và tăng khả năng thân thiện với môi trường.
- Trong khuôn khổ đề tài chúng tôi nghiên cứu tạo lập tổ hợp chất tạo nhũ pha chế chất lỏng gia công kim loại hệ nhũ thuận, góp phần vào việc tăng hiệu quả trong sản xuất kinh doanh và bảo vệ môi trường.
- Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 5PHẦN 1 : TỔNG QUAN 1.1.
- Sơ lược về quá trình gia công kim loại Mục đích của quá trình gia công kim loại là tạo ra một hình dạng mới cho kim loại.
- Việc tạo hình dạng mới bằng quá trình gia công kim loại luôn kèm theo sự tiếp xúc giữa hai vật rắn với nhau, đó là dụng cụ gia công và vật gia công.
- Sự tiếp xúc này gắn với sự biến dạng dẻo của kim loại trong quá trình biến hình kim loại, hoặc tạo ra hình dạng mới bằng cách cắt gọt theo ý muốn.
- Các quá trình biến hình kim loại như: cán, đùn, vuốt,… với các nguyên công thường được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ môi trường và nhiệt độ cao, có thể được xếp vào dạng gia công nguội hoặc gia công nóng.
- Các quá trình gia công nóng thường gồm các quá trình làm biến dạng cả khối vật liệu, còn được gọi là các quá trình gia công loại một.
- Các quá trình gia công loại hai bao gồm các nguyên công nguội.
- Thông thường trong gia công kim loại, hệ số ma sát càng thấp thì mức độ tiêu hao lực và công suất càng giảm.
- Tuy nhiên hệ số ma sát trong các quá trình này không được quá cao cũng như không quá thấp.
- Tuy nhiên, nếu ma sát quá thấp lại gây hiện tượng trượt mà có thể làm hỏng bề mặt phôi cán và ảnh hưởng xấu đến quá trình biến hình.
- Trong quá trình cắt gọt kim loại: kim loại ở ngay trước mũi dao bị nén ở áp suất cực kỳ lớn.
- Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 6 Hình 1.1.
- Mô phỏng quá trình gia công kim loại Quá trình cắt bao gồm hai phân đoạn.
- Sự tạo phoi từ phôi nhờ dụng cụ cắt - Sự chuyển động của phoi dọc theo bề mặt dụng cụ cắt Cả hai việc này dẫn đến việc phát sinh nhiệt độ cao tại dụng cụ cắt và chi tiết gia công.
- Như trên hình vẽ (hình 1.1) thì nhiệt độ cao được sinh ra ở đầu dụng cụ cắt gọt.
- Tuy nhiên nhiệt độ cao này không chỉ tập trung ở đầu dao cắt mà phân bố dọc theo bề mặt dao, nơi có sự tiếp xúc và xảy ra ma sát giữa dao cắt và phôi.
- Khoảng 15% nhiệt phát sinh trong quá trình cắt gọt truyền qua dụng cụ cắt, phần còn lại được phân bố ở chi tiết gia công và phoi.
- Nhiệt độ cao phát sinh trong quá trình cắt gọt chỉ đem lại một lợi ích duy nhất là làm cho quá trình cắt gọt kim loại được dễ dàng hơn, còn nhược điểm của chúng thì rất nhiều, bao gồm.
- Giảm tuổi thọ dao cắt - Chất lượng bề mặt gia công kém - Giảm tốc độ cắt gọt - Tăng sự mài mòn dao cắt Tóm lại, các quá trình gia công kim loại luôn kèm theo má sát lớn, nhiệt độ phát sinh cao, và sự mài mài dụng cụ gia công.
- Nhược điểm trên có thể khắc phục, giảm bớt bằng cách sử dụng chất lỏng gia công kim loại.
- Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 71.2.
- Chất lỏng gia công kim loại 1.2.1.
- Định nghĩa Chất lỏng gia công kim loại là chất lỏng dùng để bôi trơn và làm mát trong quá trình gia công kim loại.[2] 1.2.2.
- Phân loại chất lỏng gia công kim loại[1,2] Trong quá trình gia công kim loại, tùy thuộc vào điều kiện làm việc của từng quá trình gia công cụ thể, các chất lỏng gia công kim loại được chia thành một số dạng chính như sau.
- Chất lỏng gia công gốc dầu khoáng gồm dầu khoáng và một số phụ gia đặc biệt như phụ gia chống kẹt xước, cực áp.
- Chất lỏng gia công gốc nước: dầu nhũ cắt gọt kim loại, dung dịch nước của các polyme và các phụ gia đặc biệt - Chất lỏng gia công tổng hợp bao gồm các hợp chất hữu cơ tổng hợp như este phốt phát, polyglycol, polyxyloxan… Trong tất cả các loại chất lỏng gia công kim loại trên thì dầu nhũ cắt gọt kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trên thực tế.
- Nhũ cắt gọt kim loại[1,2] Dầu có thể hoà tan với nước mang lại sự làm mát và bôi trơn cần thiết cho gia công cắt gọt kim loại.
- Trước đây, các loại dầu này nói chung được xem là “các dầu hoà tan” và chúng về cơ bản là dầu khoáng có chứa chất nhũ hoá cho phép chúng trộn chung với nước.
- Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 8 - Chất bán tổng hợp: Chứa 5 ÷ 50% dầu khoáng với các chất nhũ hoá, tuy nhiên dầu pha là loại dầu pha nước.
- Các chất bán tổng hợp là dầu cắt gọt tuyệt hảo.
- Các thành phần của dầu nhũ cắt gọt kim loại[1,2] Dầu nhũ cắt gọt kim loại bao gồm dầu gốc khoáng, hệ chất tạo nhũ và các phụ gia tính năng khác.
- Bảng 1.1 Đặc tính vật lý hóa học của các loại dầu khoáng khác nhau Thành phần hóa học Tính chất Dầu parafin Dầu naphten Dầu aromat Độ nhớt ở 400C, mm2/s 40 40 36 Độ nhớt ở 1000C, mm2/s Chỉ số độ nhớt 100 0 185 Tỉ trọng 204d Nhiệt độ chớp cháy,0C Điểm anilin, 0C 107 73 17 Nhiệt độ đông đặc,0C Phân tử lượng Chỉ số khúc xạ Phân tích qua đất sét %Hợp chất phân cực %Hợp chất thơm %Thành phần no Loại nguyên tử cacbon (Phân tích cấu trúc nhóm) %CA %CN %CP Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 9 Các parafin mạch thẳng, dài là loại sáp rắn nên hàm lượng của chúng trong dầu bôi trơn phải giảm tới mức nhỏ nhất, đặc biệt đối với dầu bôi trơn sử dụng ở nhiệt độ thấp.
- Việc lựa chọn dầu gốc để pha chế chất bôi trơn phụ thuộc vào độ nhớt, mức độ tinh chế, độ ổn định nhiệt độ và khả năng tương hợp với các chất phụ gia khác hoặc vật liệu mà dầu bôi trơn sẽ tiếp xúc trong quá trình sử dụng.
- Dầu với hàm lượng parafin cao và hợp chất vòng thơm thấp sẽ thích hợp hơn trong việc sử dụng để pha trộn dầu cắt gọt vì chúng.
- Có tính ổn định độ nhớt tốt hơn khi nhiệt độ thay đổi.
- Dầu có độ nhớt cao sẽ gia tăng khả năng bôi trơn và chịu tải, tuy nhiên nó có khuynh hướng làm kết dính với mạt kim loại nhiều hơn và có vấn đề dầu bị kéo ra ngoài.
- Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 10Dầu có độ nhớt thấp có thể làm thoát phoi nhanh, nhiều hơn ở vùng cắt, dụng cụ cắt.
- Việc này đặc biệt trong khoan lỗ sâu và gia công chuốt.
- Chúng có thể tiến sâu và làm ướt bề mặt kim loại nhanh hơn, và có thể mang phụ gia vào vùng cắt nhanh hơn.
- Để dầu nhũ gia công kim loại hoạt động tốt, dầu gốc khoáng phải có độ nhớt phù hợp, không quá cao cũng không quá thấp.
- Vì nếu độ nhớt quá thấp sẽ làm cho dầu nhũ gia công kim loại chảy qua chi tiết quá nhanh, làm cho sự tiếp xúc với các chi tiết gia công không đủ lâu để truyền nhiệt ra ngoài với số lượng phù hợp và thoát phoi hợp lý.
- Trong gia công kim loại dầu gốc phù hợp cho pha chế dầu nhũ gia công kim loại có độ nhớt ở 400C nằm trong khoảng 7÷30 cSt để đảm bảo tính năng bôi trơn và làm mát tốt.
- Trong phân tử chất hoạt động bề mặt có hai nhóm với bản chất trái ngược nhau trong phân tử, nhóm dễ tan trong nước (nhóm ái nước) và nhóm kia dễ tan trong dầu (nhóm kỵ nước hay nhóm ái dầu).
- Do đó khi có mặt chất hoạt động bề mặt trong một hệ nhũ tương dầu/nước, thì tại bề mặt phân chia pha phân tử chất hoạt động bề mặt được sắp xếp theo một trình tự nhất định: nhóm kỵ nước quay vào pha dầu, nhóm ưa nước quay vào pha nước.
- Vì thế, các chất hoạt động bề mặt có tính chất hoạt động hấp phụ cao hơn so với những chất không có nhóm kỵ nước.
- Sự hấp phụ đó làm cho pha dầu/nước dường như liên kết lại với nhau, sự khác biệt giữa chúng ít đi, sức căng bề mặt giữa chúng trở nên nhỏ hơn.
- Sự giảm sức căng bề mặt bởi sự hấp phụ của chất nhũ hóa là điều Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 11kiện cần của sự tồn tại nhũ tương.
- Cấu trúc giọt nhũ thuận và nghịch Các chất hoạt động bề mặt có tác dụng gây nhũ bao gồm.
- Các ankenyl suxinimit, amit - Các muối sunfonat - Các axit béo và muối của axit béo - Các este của axit béo - Các polyankel glylcol - Cá phenol và phenol este - Các etanol amin - Các amin của dầu tallo Thông thường trong nhũ tương, nồng độ cân bằng của các chất hoạt động bề mặt trên mặt phân cách dầu-nước cao hơn trong thể tích pha.
- Phụ gia tính năng[1,2] Phụ gia tính năng là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ, thậm chí chỉ là những nguyên tố, được đưa vào chất lỏng gia công kim loại nhằm tạo cho chất lỏng gia công có các tính năng bổ sung đối với từng quá trình cụ thể.
- Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 12Các chất phụ gia thường được thêm vào trong chất lỏng gia công kim loại gồm: phụ gia chống tạo bọt, phụ gia chống ăn mòn, phụ gia chống kẹt xước, phụ gia diệt khuẩn, phụ gia chống oxi hoá.
- Phụ gia chống tạo bọt Sự tạo bọt gây ra nhiều phiền phức trong quá trình vận hành máy gia công kim loại, để giảm hoặc tránh sự tạo bọt người ta dùng phụ gia chống tạo bọt.
- Cơ chế của quá trình phá bọt là các phụ gia chống tạo bọt bám vào các bọt khí làm giảm sức căng bề mặt của chúng.
- Các bọt khí nhỏ vì thế tụ lại với nhau thành bọt khí lớn hơn, nổi lên bề mặt lớp bọt, vỡ ra làm thoát khí ra ngoài.
- Khả năng chống lại sự tạo bọt của chất lỏng gia công kim loại là khác nhau tuỳ thuộc vào thành phần của chất lỏng gia công kim loại.
- Khả năng này có thể khống chế được bằng cách bổ sung một lượng nhỏ chất chống tạo bọt vào chất lỏng gia công kim loại.
- Phụ gia diệt khuẩn Được dùng để ngăn ngừa hoặc làm giảm sự phát triển của vi sinh vật như: vi khuẩn, nấm, mốc.
- Phenol - Hợp chất chứa clo - Etanolamin - Formandehyd và các hợp chất giải phóng ra formandehyd - Hợp chất dạng morfin Các chất chelat như là tetranatri etylendiamintetraxetat khi được bổ xung vào hệ chứa phụ gia diệt khuẩn thích hợp có thể làm tăng hoạt tính một cách đáng kể.
- Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 13Có một điều quan trọng cần chú ý ở đây là nhiều phụ gia diệt khuẩn dùng cho chất lỏng gia công kim loại bị giảm hoạt tính đi khá nhanh.
- Hơn nữa do thành phần của các chất lỏng gia công kim loại quá khác nhau nên không có một phụ gia diệt khuẩn nào có hiệu quả cho tất cả các loại chất lỏng cắt gọt.
- Đối với từng loại chất lỏng gia công kim loại gốc nước cần được nghiên cứu cụ thể xem chất diệt khuẩn nào thích hợp nhất.
- Chú ý có nhiều phụ gia diệt khuẩn gây độc hại cho người.
- Phụ gia chống ăn mòn kim loại Phụ gia chống ăn mòn tạo thành lớp bảo vệ trên bề mặt kim loại, ngăn cách sự tiếp xúc giữa các tác nhân ăn mòn như axit và một số chất khác với kim loại nền.
- Màng bảo vệ cũng giảm tối thiểu tác dụng xúc tác oxi hóa của các kim loại.
- Phụ gia cực áp (phụ gia chống kẹt xước) Phụ gia này ngăn ngừa sự kẹt xước và hàn dính giữa các bề mặt kim loại đang hoạt động dưới áp suất cực lớn.
- Phụ gia cực áp tác dụng với bề mặt ma sát tạo các hợp chất mới có ứng suất cắt thấp hơn kim loại gốc nên lớp phủ hình thành chịu trượt cắt trước tiên và nhiều hơn.
- Các phụ gia cực áp được sử dụng rộng rãi nhất là các loại dầu béo được sulfua hoá, các este và hydrocacbon, như polybuten, hydrocacbon được clo hoá, các hợp chất chứa lưu huỳnh – clo, các disunfua thơm và mạnh thẳng (thường là dibenzyl disunfua, dibutyl disunfua, clobenzyl disunfua), photphit hữu cơ, dầu béo photpho hoá và nhiều chất khác.
- Các chất có hoạt tính bề mặt hỗn hợp[4,6,7] Nhiều ví dụ đã được đưa ra về các hợp phần thứ yếu, các chất khác có sẵn hay thêm vào, có hiệu ứng lớn trên lực căng bề mặt của các dung Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Mỏ - Địa Chất Phan Đình Minh Lọc hóa dầu K47 14dịch.
- Thực tế, chất không phân ly ion được tan ra bởi đơn lớp ion bởi vì dãy kỵ nước có thể kết hợp chuỗi của chất có hoạt tính bề mặt gốc đã định hướng trong bề mặt.
- Vì thế sự hiện diện của chất có hoạt tính bề mặt chính làm cho chất hoạt động bề mặt mạnh hơn và làm giảm lực căng bề mặt lớn hơn sức căng bề mặt được tạo ra bởi hai dung dịch riêng rẽ.
- Kết quả cho thấy sự có mặt của các ion laurat làm axít lauric có hoạt động bề mặt cao lên rất nhiều, các nồng độ tính được cho một nửa lượng bề mặt là 1÷3.10 mol/l cho laurat và 4,8.10 mol/l axit lauric .
- Vai trò của tính hấp phụ của mặt phân cách[4,6,7] Có nhiều ví dụ về các lớp chất hấp phụ ở các mặt phân cách khí/nước và thường kết hợp với tính co dãn bề mặt cao và do đó co dãn Marangoni – Gibbs mạnh và dường như là không thể tạo ra khả năng hấp phụ mà không co dãn.
- Nguyên nhân sự ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến khả năng hấp phụ của mặt phân cách là lớp hấp phụ được giữ cố định trên bề mặt, các giọt nhỏ đến nỗi mọi ứng suất tiếp tuyến chung mà các giọt này đều có thể ảnh hưởng ngay lập tức tới chúng chịu tác động ngược lại bởi các gradient lực căng bề mặt.
- Đã biết rằng các giọt bằng nhau với độ lớn đường kính khoảng 1µm có bề mặt không thay đổi khi chuyển động qua nước chứa một lượng nhỏ tạp chất hoạt động bề mặt, chúng tuân theo quy luật của Stokes hơn là quy luật của Hadaman’s[4]

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt