稠化劑對潤滑脂低溫性能的影響

孟天成，劉 偉，劉大軍，莊敏陽

(1.駐中國石化北京燕山分公司軍事代表室，北京 102503；2.中國石化石油化工科學研究院)

潤滑脂作為重要的固體潤滑材料，能在特定的摩擦表面起減少摩擦、降低磨損和密封等作用，是機械設備正常運轉必要的材料。在低溫環境下，潤滑脂具有稠度和黏度增大的趨勢，這樣會增大機械設備的啟動和運轉力矩，潤滑脂難以被移動到潤滑使用部位，甚至造成潤滑失效、機械設備受損等嚴重后果[1]。近年來，隨著國防、軍事、工業等的高速發展，各種機械設備的運轉環境向超低溫化發展，特別是航空航天工業中，如何使潤滑脂在低溫狀態下保持良好的潤滑性是重要的研究方向。

目前，國內外研究主要考察稠化劑對鋰皂潤滑脂的低溫流變性能和基礎油對潤滑脂低溫性能的影響，針對鋰基潤滑脂低溫流變性的研究表明[2-5]，鋰基潤滑脂中皂含量、基礎油種類和運動黏度、皂纖維結構和溫度均對其低溫流變性能有較大的影響，但上述結果僅局限于鋰基潤滑脂，對其他類型潤滑脂低溫性能研究不足。還有部分學者研究了含不同稠化劑潤滑脂的高溫流變性，何燕等[6]考察了含復合磺酸鈣、聚脲和膨潤土的3種潤滑脂在高溫情況下的流變學性能，但是未研究不同類型稠化劑對潤滑脂低溫性能的影響。

在潤滑脂實際生產和使用過程中，低溫性能作為重要的使用性能受到眾多的關注。但由于人們對不同稠化劑潤滑脂低溫性能研究的缺失，造成選擇困惑和錯誤使用的風險。本研究使用兩種不同黏度級別的基礎油分別制備鋰基潤滑脂、復合鋰基潤滑脂、鈣基潤滑脂、聚脲潤滑脂、磺酸鈣潤滑脂和膨潤土潤滑脂6種不同稠化劑類型的潤滑脂，通過測定不同潤滑脂的低溫相似黏度以考察稠化劑類型對潤滑脂低溫性能的影響。

1 實 驗

1.1 原料及試劑

基礎油PAO4和PAO10，均為工業級，購于美孚公司，主要理化性質見表1；氫氧化鋰，工業級，購于成都天齊鋰業有限公司；12-羥基硬脂酸、癸二酸，均為工業級，購于天津乾凱化工有限責任公司；膨潤土、硼酸、對甲苯胺，均為工業級，國外進口產品；氫氧化鈣，分析純，購于西隴化工股份有限公司；醋酸，分析純，購于天津市大茂化學試劑廠；乙醇，分析純，購于北京市通廣精細化工公司；高堿值磺酸鈣，工業級，購于新鄉市瑞豐新材料股份有限公司。

表1 PAO4和PAO10的主要理化指標

1.2 潤滑脂的制備

將稠化劑和基礎油按一定的比例加入到反應釜中，升溫至所需溫度，經成脂、煉制、研磨均化等過程得到潤滑脂樣品。在制備潤滑脂的過程中，控制潤滑脂的60次工作錐入度范圍為(280±10)(0.1 mm)。

分別以鋰皂、復合鋰皂、鈣皂、聚脲、磺酸鈣和膨潤土作為稠化劑，稠化基礎油PAO4得到潤滑脂樣品，編號為：鋰基潤滑脂-PAO4、復合鋰基潤滑脂-PAO4、鈣基潤滑脂-PAO4、聚脲潤滑脂-PAO4、磺酸鈣潤滑脂-PAO4和膨潤土潤滑脂-PAO4。稠化劑稠化基礎油PAO10得到潤滑脂樣品，編號為：鋰基潤滑脂-PAO10、復合鋰基潤滑脂-PAO10、鈣基潤滑脂-PAO10、聚脲潤滑脂-PAO10、磺酸鈣潤滑脂-PAO10和膨潤土潤滑脂-PAO10。潤滑脂樣品的60次工作錐入度見表2。

表2 潤滑脂樣品的60次工作錐入度

1.3 潤滑脂的性能測定

2 結果與討論

2.1 稠化劑對PAO4為基礎油的潤滑脂低溫性能的影響

以低黏度級別的PAO4為基礎油制備的6種不同稠化劑潤滑脂樣品的低溫相似黏度隨溫度的變化如圖1所示。

圖1 PAO4基礎油潤滑脂在不同溫度下的低溫相似黏度鋰基潤滑脂-PAO4； ◆—鈣基潤滑脂-PAO4； 膨潤土潤滑脂-PAO4； ▲—復合鋰基潤滑脂-PAO4； ●—聚脲潤滑脂-PAO4； ■—磺酸鈣潤滑脂-PAO4

由鋰基潤滑脂和復合鋰基潤滑脂低溫相似黏度隨溫度的變化曲線可以看出，復合鋰基潤滑脂的低溫相似黏度要大于鋰基潤滑脂，這表明在低溫情況下，鋰基潤滑脂的低溫性能優于復合鋰皂潤滑脂。特別是在低溫區域優越性更佳，在-50 ℃時，鋰基潤滑脂低溫相似黏度僅為復合鋰基潤滑脂的40%左右。孫洪偉等[7]通過分子模擬技術計算金屬皂分子之間的氫鍵長度和分子體積模量，結果表明復合皂的分子體積模量遠大于單皂分子體積模量。由于復合皂的體積模量較大，其纖維結構很難被破壞，在低溫情況下受到彈簧力的作用時，其體積變形率很小，表現出的宏觀性能就是相似黏度較大，流變性能差。劉志穎等[8]通過分子模擬技術計算二元酸復合鋰皂和12-羥基硬脂酸鋰皂分子之間的氫鍵長度。研究表明，12-羥基硬脂酸鋰皂分子內無法形成氫鍵，僅存在離子鍵；而二元酸與12-羥基硬脂酸復合鋰皂分子內既存在離子鍵又存在氫鍵，復合皂結構強度遠大于單皂強度，受外力作用不易破壞，表現出低溫相似黏度較大。

由鋰基潤滑脂和鈣基潤滑脂這兩種單金屬皂基潤滑脂的低溫相似黏度隨溫度的變化曲線可以看出，二者低溫性能相差不多，鋰基潤滑脂略好于鈣基潤滑脂，且溫度越低，體現出的優越性越強。在-50 ℃時，鋰基潤滑脂相似黏度為鈣基潤滑脂的50%左右，而當溫度升高至-30 ℃時，鋰基潤滑脂相似黏度甚至略大于鈣基潤滑脂。

由磺酸鈣潤滑脂、聚脲潤滑脂及膨潤土潤滑脂的低溫相似黏度隨溫度的變化曲線可以看出，磺酸鈣潤滑脂的低溫相似黏度最大，聚脲潤滑脂次之，膨潤土潤滑脂最小?；撬徕}稠化劑體系中烷基苯磺酸鈣具有特殊的球形晶體結構，能夠在高溫條件下保持結構不被破壞，具有很好的高溫性能，但在低溫環境下，這種結構會對潤滑脂的流變性能造成一定的影響，導致其低溫相似黏度較大，且目前制備磺酸鈣的常用原料中，含有綜合性能不佳的基礎油，這對其低溫性能也有較大的影響，體現在曲線中的結果就是磺酸鈣脂的低溫相似黏度是其他兩種脂的5～6倍；聚脲潤滑脂稠化劑體系中包含一定的烴基和芳香基，這些基團在低溫環境下的流變性能不足，導致聚脲潤滑脂的低溫性也相對較差；膨潤土潤滑脂稠化劑體系為無機黏土礦物經過表面改性后所得，其分子結構較小，在低溫環境下，這些無機分子也會對潤滑脂的流變性能產生影響，但是相比較于含芳香基團的聚脲和含球形晶體結構的烷基苯磺酸鈣而言，膨潤土作為稠化劑對潤滑脂的低溫性能影響較小。

2.2 稠化劑對PAO10為基礎油的潤滑脂低溫性能的影響

圖2 以PAO10為基礎油的潤滑脂在不同溫度下的低溫相似黏度鈣基潤滑脂-PAO10； ◆—鋰基潤滑脂-PAO10； 膨潤土潤滑脂-PAO10； ▲—復合鋰基潤滑脂-PAO10； ●—聚脲潤滑脂-PAO10； ■—磺酸鈣潤滑脂-PAO10

以高黏度級別的PAO10作為基礎油制備的6種不同稠化劑的潤滑脂樣品低溫相似黏度隨溫度的變化如圖2所示。由圖2可以看出：在高黏度級別的基礎油條件下，鋰基潤滑脂、復合鋰基潤滑脂、磺酸鈣潤滑脂、聚脲潤滑脂和膨潤土潤滑脂的低溫相似黏度隨溫度的變化趨勢與在低黏度級別的基礎油條件下的變化趨勢一致，其中復合鋰基潤滑脂的低溫相似黏度約是鋰基潤滑脂的2倍；在不同黏度級別基礎油條件下，鋰基潤滑脂和鈣基潤滑脂的低溫相似黏度隨溫度的變化趨勢不同，在高黏度級別基礎油條件下，二者低溫性能比較接近，但鈣基潤滑脂性能更佳，這與在低黏基礎油條件下的變化趨勢相反，說明金屬皂的類型對潤滑脂低溫相似黏度影響不大，但也會因基礎油黏度不同而表現出一定的低溫差異性。

2.3 不同類型稠化劑體系潤滑脂低溫性能

探究不同類型稠化劑體系對潤滑脂低溫性能的影響情況，對于低溫潤滑脂的研制和使用具有一定指導意義。對以PAO4為基礎油制備的不同類型稠化劑潤滑脂的低溫性能進行對比，結果如圖3所示。由圖3可以看出，對于不同類型稠化劑而言，相同基礎油條件下，單金屬皂基潤滑脂的低溫性能最佳，其他潤滑脂的低溫性能由優到劣的順序依次為：膨潤土潤滑脂>復合鋰基潤滑脂>聚脲潤滑脂>磺酸鈣潤滑脂。

圖3 不同類型稠化劑體系潤滑脂在不同溫度下的低溫相似黏度■—-50 ℃； ■—-45 ℃； ■—-40 ℃； ■—-35 ℃； ■—-30 ℃

3 結 論

(1)單金屬皂基潤滑脂的低溫性能優于復合金屬皂基潤滑脂，在相同黏度基礎油條件下，單金屬皂基潤滑脂低溫相似黏度僅為復合金屬皂基潤滑脂的40%左右；鋰皂和鈣皂稠化劑對潤滑脂低溫性能影響的差別不大，但因基礎油黏度不同會表現出細微的差異。

對不同稠化劑制備的潤滑脂而言，低溫性能從優到劣的順序依次為：鋰基潤滑脂>鈣基潤滑脂>膨潤土潤滑脂>復合鋰基潤滑脂>聚脲潤滑脂>磺酸鈣基潤滑脂。

(2)潤滑脂是一個復雜的混合體系，其表現出的某方面性能不僅僅是由某一個單因素引起的，而是很多因素共同作用的結果。為滿足潤滑脂在特定低溫環境下的使用要求，研究不同因素對其低溫性能的影響機理至關重要，而且還需綜合考慮稠化劑固體用量、制備稠化劑的原料、加入的添加劑固體粉末量等各種因素，從微觀的角度進行研究，為低溫潤滑脂的產品研制和使用選擇提供理論支撐。