Ngày nay, dầu mỡ nhờn được sử dụng hết sức phổ biến, đóng vai trò thiết yếu trong việc vận hành máy móc, thiết bị dân dụng và công nghiệp.
Động cơ không thể chạy quá 10 phút khi không có dầu nhờn, hệ thống thủy lực không thể vận hành khi không có dầu nhờn, đó là hai trong rất nhiều ví dụ về vai trò của dầu mỡ nhờn đối với sự phát triển của nhân loại. Việc sử dụng chất bôi trơn giúp đảm bảo máy móc hoạt động, vận hành ổn định, giảm tiêu hao năng lượng, giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa, tăng tuổi thọ máy móc thiết bị, mang lại hiệu quả kinh tế. Thành phần cơ bản của dầu mỡ nhờn là dầu gốc và phụ gia. Trong đó, dầu gốc chiếm tỷ phần lớn nhất từ 65 ÷ 100%. Dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu vai trò của dầu gốc và cách phân loại dầu gốc hiện nay.
Vai trò của dầu gốc
Dầu gốc (base oil hoặc base stock) là thành phần cơ bản nhất cấu tạo nên dầu mỡ nhờn. Dầu gốc trong dầu động cơ chiếm khoảng 75 ÷ 90%, trong dầu công nghiệp khoảng 95 ÷ 100%, trong dầu hàng hải khoảng 65 ÷ 80%.
Dầu gốc mang hầu hết các tính chất cơ bản của dầu mỡ nhờn như:
- Tính bôi trơn, giảm ma sát
- Tính chống oxy hóa, bền nhiệt
- Tính chất tại màng dầu, làm kín
- Tính chống bảo vệ
- Tính chất làm mát, giải nhiệt
- Tách nước, tách bọt
- Phân tán cặn bẩn…
Phụ gia thêm vào dầu gốc nhằm bảo vệ dầu gốc: giảm tốc độ phá hủy dầu gốc bởi nhiệt độ, ứng suất trượt cắt, áp suất, sự nhiễm bẩn (phụ gia chống oxy hóa). Phụ gia còn giúp cải thiện một số tính của dầu gốc (phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt, phụ gia hạ điểm chảy…) và thêm các tính chất mà dầu gốc không có (phụ gia tạo tính kiềm, phụ gia làm đặc để sản xuất mỡ nhờn…). Ngày nay công nghệ sản xuất phụ gia dầu mỡ nhờn đã phát triển vượt bật nhưng cũng không thể nào che lấp được các khuyết điểm của dầu gốc được sản xuất theo công nghệ cũ và làm tăng giá thành sản phẩm.
Song song với đó, các nhà sản xuất đã không ngừng nghiên cứu sản xuất dầu gốc chất lượng cao (dầu nhóm III, dầu tổng hợp, chiết xuất thực vật) với giá thành ngày càng cạnh tranh. Vì vậy xu hướng sử dụng dầu gốc chất lượng cao để nâng cao chất lượng sản phẩm dầu mỡ nhờn chắc chắn là xu hướng trong tương lai.
Phân loại dầu gốc
Hiện nay dầu gốc có nhiều cách phân loại như theo chỉ số độ nhớt, hàm lượng S, theo nguồn gốc… như có 2 cách phân loại thường gặp sau
Theo nguồn gốc người ta phân loại dầu gốc thành:
- Dầu gốc khoáng: có nguồn gốc từ dầu mỏ
- Dầu từ dầu mỡ động thực vật
- Dầu tổng hợp: PAO, ester, GTL…
Hiện nay cách phân loại dầu gốc được dùng phổ biến nhất là phân loại theo API (viện dầu mỏ Hòa Kỳ): nhóm I, II, III, IV, V.
Dầu gốc nhóm I
Thập niên 30 của thế kỷ XX, công nghệ sản xuất dầu gốc bằng công nghệ trích ly bằng dung môi ra đời đóng vai trò quan trọng và là nền tản cho sự phát triển của công nghiệp sản xuất dầu gốc sau này. Công nghệ sản xuất này đã được cải tiến rất nhiều sau này nhưng vẫn dựa chủ yếu vào sự trích ly aromatic và sáp bằng dung môi và làm sạch lần cuối bằng hydro. Sản phẩm cho ra có tính chất: độ tinh khiết <90%, hàm lượng S >0,03%, chỉ số độ nhớt <120 và hàm lượng S không đạt hầu hết các tiêu chuẩn hiện nay. Sản phẩm chỉ còn sử dụng trong các dầu công nghiệp nhưng tính chất kém và tuổi thọ ngắn hơn so với dầu khác.
Hình 1: Dầu gốc nhóm I
Dầu gốc nhóm II cơ bản sử dụng công nghệ Hydro-processing.
Hình 2. Công nghệ sản xuất dầu gốc nhóm II
Công nghệ này dùng hydro để bẻ gãy mạch, no hóa mạch và loại bỏ các dị nguyên tố như S, N, O… Sản phẩm cho ra có tính chất: độ tinh khiết >90%, hàm lượng S <0,03%, chỉ số độ nhớt <120. Như vậy, độ tinh khiết của dầu nhóm II tương đối tốt tùy thuộc vào công nghệ sản xuất và cần cải thiện chỉ số độ nhớt (dùng phụ gia) khi sử dụng.
Hình 3. Dầu gốc nhóm II
Dầu gốc nhóm III cơ bản sử dụng công nghệ Hyd-roprocessing và cả Hydroisomerization.
Công nghệ này cơ bản là dùng hydro để bẻ gãy mạch (Hydrocracking), no hóa, loại bỏ các dị nguyên tố N, S, O, P…(Hydrotreating) và sắp xếp lại mạch carbon (Hydroisomerization). Sản phẩm của công nghệ này có độ tinh khiết rất cao, có thể tới 99,99%, VI từ hơn 120 ÷ 145, hàm lượng S rất nhỏ < 0,01%, độ bay hơi thấp.
Dầu gốc nhóm III có chất lượng rất cao tùy vào công nghệ sản xuất của mỗi hãng. Gần đây, người ta đã xếp dầu nhóm III là dầu bán tổng hợp hoặc dầu tổng hợp bởi đặc điểm sản xuất và chất lượng của nó.
Dầu gốc nhóm IV
Dầu gốc nhóm IV là dầu tổng hợp PAO (PolyAlphaOlefine) được tạo thành từ các phản ứng hóa học, tạo thành sản phẩm có các cấu tử đồng đều theo yêu cầu đã cài đặt trước.
Hình 4. Sơ đồ quy trình sản xuất dầu PAO
Dầu gốc nhóm V
Dầu gốc nhóm V bao gồm dầu từ động thực vật, dầu tổng hợp (trừ dầu PAO) như dầu PIB (PolyIsoButene), AlkylAromatic, Ester, PAG, Silicone… Các sản phẩm đa dạng về tính chất phù hợp với các ứng dụng khác nhau.
Ưu điểm của dầu gốc tổng hợp
Dầu gốc tổng hợp có rất nhiều tính chất nổi trội hơn so với dầu gốc nhóm I, nhóm II như:
- Khả năng chống oxy hóa, bền nhiệt cao hơn
- Điểm chảy thấp hơn
- Chỉ số cao nhớt cao hơn
- Nhiệt độ chớp cháy cao hơn (cùng độ nhớt)
- Ít bay hơi vì nhiệt hơn
- Bền trượt cắt cao hơn…
Xu hướng sử dụng dầu gốc
Trên thế giới, dầu gốc nhóm I vẫn còn chiếm tỷ trọng lớn nhưng khối lượng sản xuất càng ngày càng giảm bởi các nhà máy cũ đã hết chu kỳ hoạt động, giảm khoảng 1,1%/năm giai đoạn 2005–2030. Thay vào đó, các nhóm dầu gốc nhóm còn lại đều có tăng đặc biệt dầu nhóm III với tốc độ ước tính tăng 8,6%/năm giai đoạn 2005-2030.
Hình 5. Sản lượng dầu gốc sản xuất trên Thế giới giai đoạn 2005-2030
Bên cạnh đó, còn có các xu hướng dịch chuyển xuất nhập khẩu dầu gốc khác nhau Trên thế giới giai đoạn 2000-2030. Theo đó trong tương lai có 3 khu vực xuất khẩu dầu gốc là Bắc Mỹ, Trung Đông, Châu Á-Thái Bình Dương. Châu Âu từ khu vực xuất khẩu dầu gốc trở thành khu vực nhập khẩu. Các khu vực còn lại với trình độ phát triển chưa cao là nơi nhập khẩu dầu gốc chủ yếu trên Thế giới.
Hình 6. Xu hướng dịch chuyển dầu gốc trên Thế giới