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

52
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
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: nguyencuong1111980@gmail.com 
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 diameter-
measurement 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 self-
recovering 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 
53
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
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].
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 1. Phân tán chất phụ gia nano 
trong dầu bôi trơn
2.3.	Thiết	bị	thí	nghiệm
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
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 
54
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
(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 
(%)
PEG-
200 
(%)
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
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).
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.
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%.
55
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
Hình 4. Ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200 
đến hệ số ma sát và đường kính vết mòn
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 
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50
0.060
0.065
0.070
0.075
0.080
0.085
0.090
0.095
0.100
Hµm lượng PEG(%)
H
Ö 
sè
 m
a 
s¸
t (
f)
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
 HÖ sè ma s¸t
 §ường kÝnh vÕt mßn
§
ưêng kÝnh vÕt m
ßn (m
m
)
TiO2 là lượng vừa đủ để chất phụ gia phân tán đều 
và treo lơ lửng trong dầu bôi trơn. 
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 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% PEG-
200 (hình 7a) trong dầu bôi trơn so với chất phụ 
gia không hàm lượng phân tán PEG-200 có rất ít 
56
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
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.
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% PEG-
200 trong dầu bôi trơn có khả năng tự hồi phục 
mài mòn chi tiết.
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.
[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 self-
repairing 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.