Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200 đến giảm ma sát và tự phục hồi mòn của nano TiO2 trong dầu bôi trơn CF4-15W40

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG PEG-200
ĐẾN GIẢM MA SÁT VÀ TỰ PHỤC HỒI MÒN CỦA
NANO TiO2 TRONG DẦU BÔI TRƠN CF4-15W40
RESEARCH ON THE INFLUENCE OF PEG-200 TO FRICTION
REDUCTION AND ABRASION SELF-RECOVERING
OF NANO TiO2 IN LUBRICANT CF4-15W40
Nguyễn Đình Cương, Trần Quang Thắng
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 9/5/2017
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 11/9/2017
Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017
Tóm tắt
Ma sát và mài mòn dẫn đến giảm hiệu suất của chi tiết máy. Chất phụ gia nano trong dầu bôi trơn có
khả năng làm giảm ma sát và tự hồi phục bề mặt mài mòn. Sử dụng thiết bị ma sát 4 bi (MRS-10A) thí
nghiệm với phụ gia nano TiO2 hàm lượng 0,5% và các hàm lượng chất phân tán (PEG-200) bổ sung
vào dầu bôi trơn để đánh giá mức độ giảm ma sát. Dùng thiết bị đo đường kính vết mòn của bi, kính
hiển vi điện tử quét (SEM) và máy phổ tán sắc năng lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học bề
mặt vết mòn, từ đó phân tích khả năng tự hồi phục mài mòn của phụ gia nano TiO2. Kết quả thí nghiệm
thấy rằng, khi bổ sung hàm lượng phụ gia 0,5% nano TiO2 và 1,0% PEG-200 vào dầu bôi đã đạt được
hiệu quả giảm ma sát và hồi phục bề mặt mài mòn tốt nhất trong điều kiện vật lý tiến hành thực nghiệm.
Từ khóa: Ma sát mài mòn; tự hồi phục; chất phụ gia nano TiO2; polyethylene glycol (PEG).
Abstract
Friction and abrasion are the reasons leading to the efficiency reduction of machine part. The nano
additives in lubricant are capable of reducing friction and self-recovering abrasive surfaces. The article
utilized four-ball friction device (MRS-10A) experimented with 0.5% of TiO2 nano additive and dispersant
content (PEG-200) added to the lubricant to assess the level of friction reduction. Ball wear diametermeasurement device, Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray spectroscopy
(EDX) are used to analyze the chemical elements of wear surface and the ability of abrasive selfrecovering of TiO2 nano additive. The experiment results showed that the addition of 0.5% nano TiO2
and 1.0% PEG-200 additive to the lubricant had the best effect on friction reduction and surface abrasion

under physical condition to conduct experiments.
Keywords: Friction brasion; self-recovering; TiO2 nano additive; polyethylene glycol (PEG).

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trên thế giới, các quốc gia phát triển đặc biệt quan
tâm hướng nghiên cứu về chất phụ gia nano trong
dầu bôi trơn. Ở Mỹ, Christopher DellaCorte [1]
nghiên cứu hỗn hợp phụ gia nano Ag/BaF2-CaF2
tự hồi phục mòn bề mặt ma sát. Nghiên cứu phát
hiện ra rằng, chất phụ gia nano này không những
đã tự hồi phục mài mòn của cặp chi tiết ma sát mà
còn hình thành lớp kim loại bảo vệ bề mặt ma sát

nên chống được mài mòn. Nhóm tác giả Nga, G.V.
Vinogradov [2] nghiên cứu chất phụ gia nano lưu
huỳnh trong dầu bôi trơn, thí nghiệm trên máy 4
bi, kết quả thí nghiệm thấy rằng, vết mòn trên bề
mặt của bi nhỏ. Tác giả A. Neville [3] (Vương quốc
Anh) nghiên cứu, khi bổ sung hàm lượng chất phụ
gia tối ưu trong dầu bôi trơn sẽ làm giảm hệ số
ma sát, mài mòn của cặp chi tiết ma sát. Thông
qua các kết quả nghiên cứu, sự phân tán đều và

52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
ổn định trong thời gian dài của của phụ gia nano
trong dầu bôi trơn là yếu tố quyết định đến giảm
ma sát và mài mòn của chi tiết [4].

2.3. Thiết bị thí nghiệm

TiO2 là hợp chất có các tính chất: độ nóng chảy
cao, ít chịu bị ăn mòn hóa học, dễ khuếch tán
vào bề mặt kim loại, chịu mài mòn, độ cứng lớn
nhưng vẫn giữ độ dẻo [5]. PEG-200 là chất phân
tán, ở thể lỏng không màu trong suốt và là chất
hoạt động bề mặt. Trong điều kiện môi trường
chất lỏng thích hợp, PEG-200 sẽ bao quanh hạt
nano, ngăn cản các hạt nano tự liên kết với nhau
[6-7]. Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu
hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma sát và
tự hồi phục mài mòn của nano TiO2 trong dầu bôi
trơn CF4-15W/40.
2. VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
2.1. Vật liệu thí nghiệm
Lựa chọn nano TiO2 là 10 nm (Công ty TNHH Vật
liệu nano kim loại Thượng Hải, Trung Quốc); chất
phân tán polyethylene glycol, trọng lượng phân tử
PEG-200 (Công ty TNHH Hóa chất Quảng Đông,
Trung Quốc); Dầu bôi trơn CF4-15W/40. Viên bi
tiêu chuẩn, vật liệu GCr l5, đường kính 12,7 mm,
độ cứng HRC 64-66.
2.2. Pha chế phụ gia
Chất phụ gia được pha chế bằng cách: Trộn phụ
gia nano TiO2 với PEG-200, sau đó đổ vào cốc
dầu bôi trơn CF4-15W/40, trước tiên dùng đũa
thủy tinh khuấy đều, sau đó đặt cốc dầu bôi có phụ
gia vào máy phát sóng siêu âm KH3200E (hình 1),

trong thời gian 30 phút [8].

Hình 2. Nguyên lý của ma sát 4 viên bi
1-Viên bi đỉnh; 2-Ba viên bi phía dưới; 3-Mối
ghép kẹp 3 viên bi; 4-Kẹp bi; 5-Đai ốc ren ngoài.
Sử dụng thiết bị ma sát 4 bi MRS-10A để thí
nghiệm với dầu bôi trơn có phụ gia nano. Khi thí
nghiệm, nhập các thông số đầu vào: Tải trọng (N),
tốc độ (vg/ph), nhiệt độ (oC), thời gian thí nghiệm
(phút) và khoảng cách thời gian ‘‘ghi nhớ’’ thông
số. Kết thúc thí nghiệm sẽ xuất ra bảng thông số
đầu ra: Thời gian, mômen xoắn, tải trọng, tốc độ,
hệ số ma sát, nhiệt độ, tốc độ. Nguyên lý làm việc
của máy bốn bi theo hình 2. Viên bi phía trên được
kẹp chặt bởi kẹp bi (4) và có chuyển động quay.
Ba viên bi ở dưới được cố định bởi mối ghép
đai ốc ren ngoài (5). Khi viên bi (1) quay sẽ tiếp
xúc ma sát với ba viên bi cố định phía dưới. Khi
chuyển động, 3 viên bi phía dưới bị mài mòn biên
dạng (vết mòn) là hình tròn.
2.4. Thông số thí nghiệm và phương pháp
phân tích

Hình 1. Phân tán chất phụ gia nano
trong dầu bôi trơn

Dựa theo tiêu chuẩn SH-T0762-2005 (tiêu chuẩn
4 bi-Trung Quốc) [9], thử nghiệm trên thiết bị ma
sát 4 bi MRS-10A do Trung Quốc sản xuất. Thí
nghiệm với phụ gia nano trong dầu bôi trơn đã

pha chế như mục 2.2. Điều kiện thí nghiệm liệt
kê theo bảng 1. Dùng máy đo biên dạng mài mòn
của 3 viên bi cố định phía dưới, sau đó tính trung
bình đường kính vết mài mòn để đánh giá độ mòn
trong quá trình ma sát. Sử dụng kính hiển vi điện
tử quét (SEM) và máy phổ tán sắc năng lượng

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 53


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
(EDX) quan sát vết mòn và phân tích thành phần
hóa học trên vết mài mòn của viên bi. Kết quả
quan sát vết cầy xước bề mặt ma sát và phân tích
thành phần hóa học của bề mặt viên bi bị mài mòn
sẽ đánh giá được khả năng tự hồi phục mòn của
phụ gia nano TiO2.
Bảng 1. Bảng thông số thí nghiệm với các hàm
lượng PEG-200
Lần
TN

Hàm
lượng
nano
TiO2
(%)

PEG200
(%)

Tải
trọng
(N)

Tốc
độ
(vg/
ph)

Nhiệt
độ
(OC)

Thời
gian
TN
(phút)

1

0,5

0,00

392

600

75

60

2

0,5

0,25

392

600

75

60

3

0,5

0,50

392

600

75

60

4

0,5

1,00

392

600

75

60

5

0,5

1,50

392

600

75

60

3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

Bảng 2. Mẫu thí nghiệm của các hàm lượng chất
phân tán
Mẫu TN

O0

O1

O2

O3

O4

Hàm
lượng/%

0

0,25

0,5

1,0

1,5

Từ hình 3 quan sát thấy hàm lượng chất phân tán
ảnh hưởng đến sự lắng đọng của phụ gia nano

TiO2, khi hàm lượng chất phân tán là 0% (O0) và
hàm lượng chất phân tán 1,5% (O4) dễ dàng quan
sát thấy ở đáy ống nghiệm và thành ống có một lớp
chất phụ gia nano TiO2 màu trắng đục lắng đóng ở
đáy và một phần bám vào thành ống nghiệm. Với
hàm lượng PEG tăng từ 0,25 đến 1,0% (mẫu O1,
O2, O3), sự lắng đọng chất phụ gia càng ít dần. Khi
hàm lượng PEG-200 là 1,0% quan sát (mẫu O3),
tại đáy và thành ống nghiệm hầu như không có sự
lắng đọng. Có thể khẳng định rằng, sự phân tán
của nano TiO2 trong dầu bôi trơn là tốt nhất.

3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200 đến
sự lắng đọng của nano TiO2
Hạt nano kim loại thường có độ hạt vài đến vài
chục nanomét, các hạt nano này trong môi trường
dầu bôi trơn có tính năng tự liên kết với nhau tạo
thành các hạt lớn hơn. Nếu đơn thuần cho các hạt
nano vào trong dầu bôi trơn, không những chất
phụ gia nano không thể giảm ma sát mòn mà còn
có thể sinh kết quả không như mong muốn. Giả
sử các hạt nano tự liên kết cục bộ trong dầu bôi
trơn sẽ biến thành tạp chất ảnh hưởng đến tính
chất bôi trơn. Do vậy, thành phần phụ gia trong
dầu bôi trơn nhất thiết phải gồm vật liệu nano và
chất phân tán [10]. Có nhiều yếu tố để nano phân
tán đều trong dầu bôi như: chủng loại, phân tử
lượng, hàm lượng của chất phân tán; lựa chọn
các thông số của máy phân tán [11]. Chất phân
tán phải đảm bảo hai điều kiện là: chất phụ gia

nano không những phân tán đều trong dầu bôi
trơn mà còn duy trì trong thời gian dài và không
bị lắng đọng.
Sau khi pha chế chế phụ gia (mục 2.2), hàm lượng
0,5% nano TiO2 pha với 5 hàm lượng chất phân
tán PEG-200 (bảng 2). Sau đó lần lượt rót dầu bôi
trơn có pha phụ gia vào các ống nghiệm. Trong
điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí tiêu
chuẩn, sau 30 ngày quan sát sự lắng đọng của
chất phụ gia (hình 3).

Hình 3. Sự lắng đọng của phụ gia với hàm lượng
chất phân tán khác nhau (sau 30 ngày)
3.2. Hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma
sát mài mòn
Thí nghiệm với 5 mẫu thí nghiệm (bảng 2) để
đánh giá mức độ giảm ma sát, mài mòn. Từ hình
4 thấy rằng, hệ số ma sát và vết mòn của chi tiết
ma sát bị ảnh hưởng bởi hàm lượng PEG-200.
Khi dầu bôi trơn chỉ có phụ gia nano TiO2 (0%
hàm lượng PEG-200), hệ số ma sát trung bình là
0,0886 và đường kính vết mòn trung bình là 0,91
mm. Nhưng hàm lượng chất phân tán là 0,25%;
0,50%; 1,0% và 1,5% thì hệ số ma sát giảm lần
lượt là: 11,2%; 13,6%; 20,6% và 7,3%, vết mòn
của chi tiết ma sát cũng giảm lần lượt là: 8,7%;
10,9%; 24,1% và 5,4%.

54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

HÖ sè ma s¸t
§ường kÝnh vÕt mßn

0.095

HÖ sè ma s¸t (f )

0.95
0.90
0.85

0.085

0.80

0.080

0.75

0.075

0.70

0.070

0.65

0.065

0.60
0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

§ưêng kÝnh vÕt mßn (mm)

0.090

0.060

TiO2 là lượng vừa đủ để chất phụ gia phân tán đều
và treo lơ lửng trong dầu bôi trơn.

1.00

0.100

0.55

Hµm lượng PEG(%)

Hình 4. Ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200
đến hệ số ma sát và đường kính vết mòn

3.3. Tự hồi phục mài mòn
3.3.1. Chất phụ gia có hàm lượng 0,0% PEG-200
Từ hình 6 có thể quan sát thấy, khi sử dụng dầu
bôi trơn chỉ có phụ gia hàm lượng 0,5% nano TiO2
trong dầu bôi trơn, vết mòn có nhiều nhấp nhô
cao, độ sâu cầy xước rất rõ nét trên bề mặt ma
sát, có nhiều vết cầy xước rất rõ nét và trên toàn
bộ bề mặt mòn (hình 6a). Dùng máy phổ tán sắc
năng lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học
trên bề mặt ma sát (hình 6b), thấy tồn tại chủ yếu
thành phần các nguyên tố hóa học của viên bi là
Fe, Cr, Mn. Trên bề mặt vết mòn không tồn tại chất
phụ gia nano TiO2.

Hình 5. Dùng SEM quan sát vết mài mòn
a) Hàm lượng 0,0% PEG; b) Hàm lượng 0,25%
PEG; c) Hàm lượng 0,5% PEG; d) Hàm lượng
1,0% PEG; e) Hàm lượng 1,5% PEG
Khi bổ sung chất phụ gia nano kim loại và chất
phân tán PEG-200 (chất hoạt động bề mặt) hợp lý
vào trong dầu bôi trơn thì các phần tử PEG-200 sẽ
bám xung quanh các hạt nano (trạng thái no) làm
cho giảm lực Van der Waals (lực phân tử), lực tĩnh

điện [12-13]. Nếu hàm lượng PEG-200 ít sẽ không
đủ để bám đều xung quanh các hạt nano sẽ dẫn
đến các hạt nano TiO2 liên kết với nhau thành các
hạt lớn do các lực hút phân tử và tĩnh điện. Nhưng
nếu hàm lượng PEG-200 nhiều quá thì các các
hạt nano TiO2 lại sinh ra hiện tượng dính vào nhau
và phân bố cục bộ tại khu vực nhất định. Với hàm
lượng 1,0% của chất phân tán PEG và 0,5% nano

Hình 6. Phân tích thành phần hóa học (EDX)
trên vết mòn với hàm lượng 0% PEG
3.3.2. Chất phụ gia có hàm lượng 1,0% PEG-200
Với hàm lượng 1,0% chất phân tán PEG và hàm
lượng 0,5% nano TiO2 trong dầu bôi trơn, quan sát
bề mặt vết mòn (SEM) và phân tích thành phần
hóa học (EDX) trên vết mòn (hình 7). Từ hình 7 có
thể quan sát thấy, bề mặt vết mòn ở hàm lượng
0,5% của chất phụ gia nano TiO2 và 1,0% PEG200 (hình 7a) trong dầu bôi trơn so với chất phụ
gia không hàm lượng phân tán PEG-200 có rất ít

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 55


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
vết cầy xước, vết cầy xước không rõ nét, bề mặt
tương đối nhẵn bóng. Dùng EDX phân tích thành
phần hóa học trên bề mặt vết mòn có tồn tại các
nguyên tố hóa học Ti, C, Cr và Fe (hình 7b). Trong
đó, nguyên tố Cr, C và Fe là thành phần hóa học
của chi tiết ma sát (viên bi), nguyên tố Ti là từ chất

phụ gia nano TiO2 trong dầu bôi trơn. Nguyên tố Ti
tồn tại trên bề mặt vết mòn có trị số là 1,35%. Do
vậy có thể kết luận rằng, chất phụ gia nano TiO2
trong dầu bôi trơn đã bổ sung, khuếch tán vào vết
mòn nên bề mặt chi tiết ma sát nhẵn bóng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Christopher DellaCorte (1996). The effect of
counterface on the tribological erformance of a
high temperature solid lubricant composite from
25 to 65oC. Surface and Coatings Technology,
Vol. 2. pp. 486-492.
[2]. G.V. Vinogradov, O.E. Morozova (1960). A study
of the wear of steel under heavy loads with
lubricants containing sulphur-based additives.
Wear, Vol.3, pp. 297-308.
[3]. A. Neville, A. Morina, T. Haque, etc (2007).
CoMPatibility between tribological urfaces and
lubricant additives-How friction and wear reduction
can be controlled by surface/lube synergies.
Tribology International, Vol 40, pp. 1680-1695.
[4]. Eui Jung Kim, Sung Hong Hahn (2001).
Mierostrueture and photoaetiviy of titania
nanopartieles prepared in nonionic W/O
mieroemulsions. Materials and Engineering, Part
A, Vol. 303, pp. 24-29.
[5]. Yin Hong-xi, Zhang Wan-zhong, Gao En-jun
(2007). The Study on the Absorption of Cadmium
Ion by Nano-titanium Dioxide. Contemporary
Chemical Industry, Vol 36, No.5, pp. 842-845.

[6]. Effects of polyethylene G lycol on stability of nano
Silica in aqueous suspension. Journal of Academy
of Armored Force Engineering, Vol. 21, No.3, pp.
73-77, 2007.
[7]. Zhang Juan Juan, Chen Xiaofeng (2010).
Preraration of Nanoscale Bioactive glasses by
Addition of PEG as surface Disersion Agent.
Bulletin of the Chinese Ceramic Society, Vol.29,
No 2, pp. 257-261.

Hình 7. Phân tích thành phần hóa học (EDX)
trên vết mòn với hàm lượng 1,0% PEG
4. KẾT LUẬN
Thông qua thí nghiệm phụ gia với hàm lượng
0,5% nano TiO2 và 1,0% hàm lượng chất phân tán
(PEG-200), khi quan thấy sự lắng đọng của phụ
gia rất ít. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, sự có
mặt của chất phụ gia PEG-200 trong dầu bôi trơn
dẫn đến hệ số ma sát giảm 20,6% và mài mòn
giảm 24,1% so với dầu bôi trơn không chứa phụ
gia này. Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
và máy phổ tán sắc năng lượng (EDX) phân tích
thành phần hóa học trên vết mài mòn viên bi, hàm
lượng 0,5% chất phụ gia nano TiO2 và 1,0% PEG200 trong dầu bôi trơn có khả năng tự hồi phục
mài mòn chi tiết.

[8]. Zhuo Hong, WangWenjian, Liu Qiyue (2007).
An Investigation on Self-repairing Properties of
GCr15/45 Steel under. Different Nano-particle
Additives. Lubricatton Engineering Vol.32, No 8,

pp. 46-51.
[9]. SH/T 0762-2005-The test method for determination
of the coeffcient of friction of lubricants using the
four - ball wear test machine.
[10]. Zhuo Hong（2007). Research on the selfrepairing technology of metal wear. Southwest
Jiaotong University Master Degree Thesis.
[11]. Ou zhongwen (2002). In-situ synthesis and
tribological characteristic of nanoparticles
possessing the particularity of ultradispersion
and stabilization. College of Material Science and
Engineering, Chongqing University, pp. 56-60.
[12]. Liu jingfu, Chen Hailong, Xia Zhenbin (2010).
Advance on the Nano - particles, Dispersion
mechanism, Methods and Application. Synthetic
Meterials Aging and Application, Vol.39, pp. 36-40.
[13]. Li Chao, Du Jianhua, Han Wenzheng (2007).
Effects of polyethylene glycol on stability of nano
Silica in aqueous suspension [J]. Journal of
Academy of Armored Force Engineering, Vol. 21,
No. 3, pp. 74-77.

56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017