ประสิทธิภาพของสารต้านออกซิเดชันใน White Oil

Antioxidants for White Oils: Food Grade and Industrial Applications

บทวิเคราะห์ประสิทธิภาพของสารต้านออกซิเดชันในน้ำมันไวท์ออยล์
สำหรับเกรดอาหารและอุตสาหกรรมทั่วไป

เจ้าของบทความแปลและเรียบเรียง:
แหล่งที่มา: บทความต้นฉบับจาก Lube Magazine No.184, December 2024
ชื่อบทความ: Antioxidants for white oils; food grade and industrial applications
ผู้เขียนต้นฉบับ: Dr. Mustafa Akin และ Imren Meydan, Petroyag

 SECTION 1: White Mineral Oil – Characteristics and Oxidation Risk

น้ำมันไวท์ออยล์ หรือที่เรียกว่าน้ำมันพาราฟินหรือน้ำมันพาราฟินเหลว เป็นของเหลวใส ไม่มีสี ไม่มีกลิ่นและรส และไม่เรืองแสง ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว ซึ่งได้จากการกลั่นและทำให้บริสุทธิ์ของเศษส่วนเบา (light fractions) ที่ได้จากกระบวนการกลั่นน้ำมันดิบ

น้ำมันไวท์ออยล์มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมหลายประเภท เช่น ยา อาหาร เครื่องสำอาง พลาสติก ฯลฯ นอกจากนี้ยังถูกใช้เป็นสารหล่อลื่นอย่างแพร่หลาย คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 80% ของตลาดน้ำมันหล่อลื่นแบบฟลูอิด และยังใช้ในงานฉนวนไฟฟ้าอีกด้วย

น้ำมันไวท์ออยล์มีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันเมื่อสัมผัสกับความร้อน แสง ความชื้น และโลหะ เช่น ทองแดงหรือเหล็ก การเสื่อมสภาพนี้ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่ไม่พึงประสงค์ ได้แก่ กรด อัลดีไฮด์ เอสเทอร์ คีโตน ไฮโดรเปอร์ออกไซด์ และแอลกอฮอล์ ซึ่งจะเพิ่มความเป็นกรดและความหนืดของน้ำมัน ส่งผลให้เกิดการสะสมคราบและตะกอน และลดประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และเพิ่มต้นทุนการดำเนินงานของน้ำมัน

เพื่อลดปัญหาดังกล่าวและให้ได้คุณภาพตามมาตรฐานสากล น้ำมันไวท์ออยล์จำเป็นต้องมีความเสถียรต่อการออกซิเดชันในระดับสูง

 SECTION 2: Role of Antioxidants in Oil Stability

สารต้านออกซิเดชันสามารถเพิ่มความเสถียรต่อการออกซิเดชันของน้ำมันได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยทำหน้าที่ยับยั้งกระบวนการเสื่อมสภาพจากออกซิเดชัน โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ ปฐมภูมิ (Primary) และทุติยภูมิ (Secondary)

สารต้านออกซิเดชันปฐมภูมิจะทำหน้าที่ตัดวงจรปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ โดยทำปฏิกิริยากับ peroxy radicals ขณะที่สารต้านออกซิเดชันทุติยภูมิจะยับยั้งการเกิดอนุมูลอิสระโดยทำปฏิกิริยากับ hydroperoxide (ROOH) โดยทั่วไปนิยมใช้สารกลุ่มปฐมภูมิ เนื่องจากให้ประสิทธิภาพสูงแม้ในปริมาณน้อย (ไม่เกิน 0.5%)

 SECTION 3: Oil Properties Used in the Study (Pharma vs Technical Grade)

น้ำมันไวท์ออยล์ที่ใช้ในการศึกษานี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามคุณสมบัติทางเคมี ได้แก่ น้ำมันเกรดยา (Pharma) และน้ำมันเกรดเทคนิค (Technical)

Table 1: Properties of the white mineral oils used in the study

*C&B = Clear and Bright (ใสและสว่าง)

 SECTION 4: Experimental Design and Analytical Methods

สารต้านออกซิเดชันที่ใช้ในการศึกษานี้เลือกจากข้อมูลในวรรณกรรม และจัดกลุ่มตามชนิดฟีนอลิกและอะมินิก รวมทั้งหมด 8 ชนิด โดยทดสอบในช่วงความเข้มข้นตั้งแต่ 0.1% ถึง 0.8%

Table 2: Properties of the antioxidant agents used

ตัวอย่างขนาด 100 มล. ถูกเตรียมโดยใช้น้ำมันไวท์ออยล์ 75 กรัมต่อขวด โดยมีชุดควบคุมไม่เติมสาร และชุดอื่นเติมสารที่ระดับความเข้มข้นต่าง ๆ ทดสอบด้วยความร้อนที่ 160°C เป็นเวลา 8 และ 24 ชั่วโมง และสำหรับการทดสอบความร้อนร่วมกับออกซิเจน ทำที่ 120°C และ 150°C มีการเป่าอากาศ 3 มล./นาที พร้อมสายทองแดงเป็นตัวเร่ง

Analytical Measurements

• TAN (Total Acid Number): Common metric to assess acid formation due to oxidation. ΔTAN = TAN_after – TAN_before.
• Viscosity Ratio (V/V₀): Assesses oil thickening; values closer to 1.000 indicate better stability.
• DPPH Scavenging Test: Evaluates free radical neutralisation using absorbance at 517 nm.

การวัดผล:

• TAN: ใช้ประเมินการเกิดกรดจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน โดย ΔTAN คือผลต่างก่อนและหลังทดสอบ
• ค่าความหนืดสัมพัทธ์ (V/V₀): วัดการเปลี่ยนแปลงความหนืดของน้ำมัน ค่าที่ใกล้ 1.000 แสดงถึงความเสถียร
• การทดสอบ DPPH: วัดความสามารถในการกำจัดอนุมูลอิสระ โดยดูการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น 517 nm

Calculation:
% DPPH scavenging = [(A_control – A_sample) / A_control] × 100

 SECTION 5: Results and Discussion – Heat Testing

ค่าการกำจัดอนุมูลอิสระ DPPH% ถูกใช้ประเมินศักยภาพการต้านออกซิเดชัน พบว่าสารต้านออกซิเดชันทั้งหมดเพิ่มค่า DPPH% ได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม โดย Irganox L06 มีค่าสูงสุดถึง 83% รองลงมาคือ BHT (53%) ส่วน Irganox L101, L109, L115, L57 และ Naugard 445 อยู่ระหว่าง 30–40% และ Irgafos 168 ต่ำสุดเฉลี่ยเพียง 17%

ค่าความเป็นกรด (TAN) หลังการให้ความร้อน 160°C แสดงให้เห็นว่าสารต้านออกซิเดชันช่วยลดการเกิดกรด โดยชุดควบคุมมีค่าเพิ่มขึ้น +0.016 และ +0.052 (เทคนิค) และ +0.021 และ +0.052 (เกรดยา) หลัง 8 และ 24 ชั่วโมงตามลำดับ ขณะที่ Irganox L06, L101 และ BHT ควบคุม ΔTAN ได้ต่ำกว่า 0.001

ความเปลี่ยนแปลงของค่าความหนืด (V/V₀) แทบไม่เปลี่ยนแปลงในทุกตัวอย่าง อยู่ใกล้ 1.000 โดย Irganox L06 ควบคุมได้ดีที่สุด (1.0055) รองลงมาคือ BHT (1.0083)

โดยรวมพบว่า 60 จาก 63 ตัวอย่างมีค่า ΔTAN ลดลงหลัง 8 ชั่วโมง และทุกตัวอย่างที่มีสารต้านออกซิเดชันให้ผลดีกว่ากลุ่มควบคุมหลัง 24 ชั่วโมง โดย Irganox L06 แสดงผลดีที่สุดแม้ที่ความเข้มข้นต่ำ รองลงมาคือ BHT และ Irganox L101 ส่วน Irganox L109 และ L115 มีประสิทธิภาพต่ำสุด

 SECTION 6: Results and Discussion – Heat + Oxygen Testing

ในการทดสอบด้วยอากาศและความร้อน ตัวอย่างที่เติมสารต้านออกซิเดชันมีค่า ΔTAN ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม โดยน้ำมันเกรดเทคนิคไม่มีสารเติมมีค่า ΔTAN 0.058 (120°C) และ 0.063 (150°C) ขณะที่น้ำมันเกรดยาอยู่ที่ 0.048 และ 0.055 ตามลำดับ

Irganox L06, L101 และ BHT ยังคงให้ผลยอดเยี่ยม (ΔTAN < 0.003) ส่วน Irgafos 168 แม้ด้อยกว่าเล็กน้อยแต่ยังอยู่ในเกณฑ์ที่ดี ขณะที่ Irganox L109 และ L57 มีค่า ΔTAN สูงสุด แสดงถึงประสิทธิภาพต่ำในการต้านออกซิเดชัน

ความเปลี่ยนแปลงของค่าความหนืด (V/V₀) แสดงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างกลุ่มที่มีและไม่มีสารต้านออกซิเดชัน โดย Irganox L06 ควบคุมได้ดีที่สุด (V/V₀ = 1.0055) ส่วน Irganox L57 แย่ที่สุด (V/V₀ > 1.017) ขณะที่ BHT, Irgafos 168 และ Irganox L109 อยู่ในระดับกลาง

สรุปการจัดอันดับสารต้านออกซิเดชัน (ตารางที่ 6) แสดงว่า Irganox L06 ได้คะแนนดีที่สุด (++++) ในทุกหมวด ขณะที่ Irganox L109 และ L57 อยู่ลำดับท้าย โดยประสิทธิภาพที่เหมาะสมเริ่มต้นที่ความเข้มข้น 0.1% และประสิทธิภาพไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเกิน 0.3%

 SECTION 7: Conclusion and Recommendations

จากผลการทดสอบ DPPH, ΔTAN และ V/V₀ พบว่า Irganox L06 และ Irganox L101 เป็นสารต้านออกซิเดชันที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับน้ำมันไวท์ออยล์ โดย BHT ก็ให้ผลดีเช่นกัน โดย Irganox L06 เป็นสารในกลุ่มฟีนอลิก ส่วน L101 อยู่ในกลุ่มอะมินิก ซึ่งทั้งสองให้การปกป้องที่สมดุลในทั้งสภาวะความร้อนและการออกซิเดชัน

ความเข้มข้นต่ำสุดที่ให้ผลได้ดีคือ 0.1% ซึ่งเหมาะสมสำหรับการใช้งานที่คุ้มค่า ในกรณีที่สภาพการใช้งานมีออกซิเดชันสูง ควรเพิ่มความเข้มข้นได้ถึง 0.3% แต่เกินจากนั้นประสิทธิภาพจะไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

Irganox L109 และ L57 แสดงผลลัพธ์ต่ำที่สุดอย่างต่อเนื่อง จึงไม่แนะนำให้ใช้ในสูตรน้ำมันหล่อลื่นที่ต้องการประสิทธิภาพสูง

APPENDIX: References

[1] Hamblin P (1999) Oxidative stabilisation of synthetic fluids and vegetable oils. Journal of Synthetic Lubrication 16 (2):157–181. doi:10.1002/jsl.3000160206
[2] Rabelo Neto RC et al. (2004) Thermo-Oxidative Stability of Mineral Naphthenic Insulating Oils. Industrial & Engineering Chemistry Research 43 (23):7428–7434. doi:10.1021/ie049645o
[3] Duong S et al. (2018) A New Approach for Understanding Oxidation Stability of Neopolyol Ester Lubricants. ACS Omega 3 (9):10449–10459. doi:10.1021/acsomega.8b00370
[4] Somayaji A, Aswath PB (2009) The Role of Antioxidants on the Oxidation Stability of Oils. Tribology Transactions 52 (4):511–525. doi:10.1080/10402000902745499
[5] Chao M et al. (2015) Thermal decomposition kinetics and anti-oxidation performance. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 120 (3):1921–1928. doi:10.1007/s10973-015-4525-0
[6] Yao J (1997) Evaluation of sodium acetylacetonate as a synergist. Tribology International 30 (11):795–799. doi:10.1016/S0301-679X(97)00046-7
[7] Sousa Reis M et al. (2009) Study of Antioxidant Properties of 5-tert-butylphenol. Energy & Fuels 23 (5):2517–2522. doi:10.1021/ef800994j
[8] Kamal RS et al. (2013) The efficiency of some compounds as lubricating oil antioxidants. Applied Petrochemical Research 3 (1):1–8. doi:10.1007/s13203-012-0020-8
[9] Al-Samherrai DA, Barbooi MWI (1985) Aromatic extracts as antioxidants. Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development 24 (1):171–175. doi:10.1021/i300017a032
[10] Lee J et al. (2007) Predicting oxidation stability of edible oils. Food Chemistry 103 (2):662–669. doi:10.1016/j.foodchem.2006.07.052
[11] Gatto VJ et al. (2007) Redesigning alkylated diphenylamine antioxidants. Lubrication Science 19 (1):25–40. doi:10.1002/ls.28

…

related posts

YOU MIGHT ALSO LIKE