三种高温润滑脂流变学性能浅探范文

《后勤工程学院学报》2017年第1期

摘要：

考察复合磺酸钙、聚脲和膨润土3种高温润滑脂流变学性能的异同，以400SN为基础油，制备稠度相近的上述3种高温润滑脂，采用扫描电子显微镜和流变仪对其进行分析。试验结果表明：剪切速率和温度对润滑脂的流变性能影响较大。3种高温润滑脂的表观黏度、储存模量等流变参数均存在差异；高温时3种高温润滑脂均更易从以弹性为主转向以黏性为主，凝胶体系较难保持。

关键词：

复合磺酸钙润滑脂；聚脲润滑脂；膨润土润滑脂；流变性能

润滑脂由基础油、稠化剂及添加剂组成，常温下是呈半流体至半固体状态的塑性润滑剂，其独特的流变性能受到国内外学者的广泛关注。目前，关于锂基润滑脂流变性能的研究较多，而其他类型润滑脂流变性能的报道则较少，而且大多数是以一种稠化剂为基础，从稠化剂含量、基础油种类、添加剂制备工艺以及外界条件等方面对润滑脂流变性能进行探讨。Delgado等[1]指出锂基润滑脂的皂含量、冷却过程和微观结构与其流变性能有密切关系，皂结晶尚未完全形成时，润滑脂的黏弹性较好；皂均化完成后，形成较短的皂纤维和更好的结晶表面，此时润滑脂的流变性能更好。岳利义等[2]分析了石蜡基、中间基、环烷基矿物油对锂基润滑脂触变性的影响，润滑脂触变环面积由大到小依次为：环烷基润滑脂、中间基润滑脂和石蜡基润滑脂；随着温度升高，3种润滑脂触变环的面积均呈减小趋势，环烷基润滑脂受温度影响较大。Martín⁃Alfonso等[3-5]的研究表明低密度聚乙烯（LDPE）是一种良好的锂基润滑脂流变性改进剂，随着LDPE和皂含量的增加，润滑脂的黏弹性明显增强。华文等[6]研究发现聚脲润滑脂反应过程中形成的三维网状结构越完善、越致密、越坚固，此时对应的屈服应力和强度极限也越大，因此流变学对聚脲润滑脂生产过程具有一定的指导意义。姚立丹等[7]以锂皂为稠化剂，从分子作用力上分析了剪切速率对表观黏度的影响，以及温度对表观黏度、触变性和储存模量的影响。剪切速率低于10-2，温度低于130℃时，锂基润滑脂的结构比较稳定，温度大于130℃时润滑脂的结构破坏严重。蒋明俊等[8]分析了半流体锂基和复合锂基润滑脂的流变性能，得出稠化剂含量相同但种类不同时其表观黏度亦有差别，表明润滑脂的流变性能与稠化剂种类和含量均有关。王晓力等[9]对稠化剂类型不同的9种润滑脂的流变性能进行了分类对比，指出非皂基聚脲脂和膨润土脂的稠化剂质量分数以及锥入度虽然差别很大，但却有一些相似之处：都具有良好的热安定性，随着温度的升高，强度极限虽然下降，但下降幅度比其他皂基脂小；流变参数变化规律相似，温度为15℃时，强度极限均明显低于其他皂基脂。随着装备技术的迅猛发展，其润滑部位的工作条件越来越苛刻，研究高温环境下润滑脂的流变行为显得愈发重要，而国内外这方面报道较少。本文选用复合磺酸钙、聚脲以及膨润土3种稠化剂，采用相同的基础油制备出3种相应的高温润滑脂，通过流变仪对其进行振幅扫描模式下的动态流变试验和剪切速率扫描模式下的稳态流变试验，探讨不同稠化剂类型润滑脂的流变性能异同及其原因，以期将润滑脂微观结构与流变性能相结合，为润滑脂实际应用和研发工作奠定理论基础。

1试验部分

1.1润滑脂制备及性能评定试验

以400SN为基础油，分别采用高碱性磺酸钙（T106）、预制聚脲稠化剂、有机膨润土等原料制备了复合磺酸钙润滑脂、聚脲润滑脂和膨润土润滑脂3种高温润滑脂。为尽可能排除其他因素的影响，制得的3种脂均未加入任何添加剂，且在优化工艺条件下，使3种脂的稠度尽量相近。采用扫描电子显微镜（日立S-4800）观察所制润滑脂稠化剂的结构，并根据相关标准对润滑脂的锥入度、滴点、钢网分油等基本理化指标进行评定。

1.2润滑脂流变性能试验

采用Anton⁃paarMCR302旋转流变仪，测试夹具选用PP50，转子距离平板1mm。稳态流变试验：分别在常温（25℃）和高温（130℃）下，控制剪切速率，采用循环法（剪切速率的变化为2—50—2s-1），研究3种高温润滑脂的黏度和应力随剪切速率的变化过程。动态流变试验：恒定角速度为10rad/s，控制应变模式，分别考察25℃和130℃时，3种高温润滑脂的储存模量等随应变的变化过程。

2结果与讨论

2.1润滑脂基本理化指标

分别采用GB/T269—1991《润滑脂和石油脂锥入度测定法》、GB/T3498—2008《润滑脂宽温度范围滴点测定法》和SH/T0324—1992《润滑脂钢网分油测定法（静态法）》对制备出的3种高温润滑脂进行基本理化指标测定。结果如表1所示，3种脂的稠度相近，滴点均较高。

2.2扫描电子显微镜分析

图1是3种高温润滑脂的扫描电子显微镜（SEM）照片。由图可以看出，复合磺酸钙润滑脂表现出一定的网络结构，同时有很多细微颗粒分布其中，这可能是碳酸钙的球体堆积结构；聚脲润滑脂内部则是较为明显的皂纤维交错，管状纤维形成三维网状结构；膨润土润滑脂呈明显层状结构，层与层之间结构较为疏松，分散较均匀[10]。3种高温润滑脂由于稠化剂结构存在差异，SEM表征也存在明显差异。

2.3触变性分析

触变性是润滑脂的重要特性：在剪切速率增大时表观黏度降低，润滑脂变稀；而当剪切速率减小或者停止时，表观黏度又开始回升，恢复部分凝胶结构。试验通过触变环面积的变化来表征润滑脂的触变性，触变环面积越大，表明破坏润滑脂结构所需的能量越大，一定时间内，结构恢复越慢；反之亦然[11-12]。图2是25，130℃环境下3种高温润滑脂触变环的面积示意。由图可见，温度对润滑脂触变性影响较大。3种脂在130℃时的触变环面积相对25℃时均有不同程度减小，表明高温时破坏润滑脂结构所需的能量较常温小。这可能是因为润滑脂是一种结构分散体系，其三维结构骨架是由稠化剂粒子或皂纤维形成，且稠化剂分子与基础油分子之间存在静电等作用力。温度越高，稠化剂粒子或皂纤维间接触点的联系就越容易遭受破坏，稠化剂分子和基础油分子之间的作用力就会减弱，致使结构强度受到影响。另外，不同稠化剂与基础油的感受性不同，形成润滑脂的结构不同，因此触变环也存在差异。25℃时润滑脂触变环面积大小依次为：聚脲润滑脂>膨润土润滑脂＞复合磺酸钙润滑脂。这说明在相同剪切条件下，聚脲润滑脂结构相对较难破坏，同时结构恢复较慢；复合磺酸钙润滑脂结构最易破坏，但其恢复能力较强。130℃时触变环面积大小依次为：膨润土润滑脂＞复合磺酸钙润滑脂＞脲基润滑脂。这说明在相同剪切环境下，破坏润滑脂结构所需能量的大小与触变环面积大小的排序一致；而结构恢复能力则正好与之相反。稳态试验条件下，润滑脂流动时剪切应力与剪切速率的比值称为表观黏度。图3为不同温度下3种高温润滑脂表观黏度随剪切速率的变化情况。由图可知，润滑脂表观黏度受剪切速率和温度影响较大。不同温度下3种脂的表观黏度随剪切速率的变化趋势大致一致。剪切初期，表观黏度均明显下降；随着剪切速率的继续增大，表观黏度降低趋势逐渐平缓。3种脂在25℃时的表观黏度均大于130℃时的表观黏度。其中，聚脲润滑脂表观黏度随温度变化最大；膨润土润滑脂的表观黏度差异最小，与触变环面积变化结果相似；复合磺酸钙润滑脂表观黏度最稳定。这可能是因为复合磺酸钙润滑脂受到剪切后，脂肪酸钙纤维部分发生断裂，且碳酸钙的聚集程度下降，所以表观黏度下降；但润滑脂体系主要以碳酸钙、磺酸钙、乙酸钙等颗粒为主，仍保持球形堆积的立体结构，因此结构骨架几乎不受影响，且剪切作用下颗粒分散更均匀，分散后的碳酸钙颗粒比表面积增大，吸附了剪切后析出的游离油，使得表观黏度表现稳定。

2.4黏弹曲线及模量分析

储存模量（G′）是反映润滑脂保持自身形状的一种能力，G′越大，润滑脂呈凝胶状态前结构保持得越好，这与润滑脂胶体结构有着密切关系。损耗模量（G″）越小，润滑脂越接近理想弹性状态。图4为不同温度下3种高温润滑脂模量随应变的变化情况。由图可知，润滑脂的G′和G″随应变变化趋势相似：初期很小的应变区域内，G′和G″近似不变，该区域的终点即为屈服点，此点的应力和应变分别称为屈服应力（τy）和屈服应变（γy），γy是衡量润滑脂开始流动难易程度的关键指标，其值越大说明润滑脂在外力作用下发生形态转变所需的时间越长；此后G′逐渐减小，而G″则先缓慢增大，后逐渐减小，直至G′=G″，此交点即为流动点，此点对应的应力和应变分别为τf和γf，标志着润滑脂从以弹性为主转变为以黏性为主。一般来说，γf越小，润滑脂变形的程度越小、时间越短；γf越大，润滑脂在外力作用下由凝胶体系转为流动体系所需的剪切力越大，外力作用时间和行程越长[13]。25℃和130℃条件下，γy大小顺序一致，依次为：复合磺酸钙润滑脂>聚脲润滑脂>膨润土润滑脂，表明复合磺酸钙润滑脂达到屈服点的形变最大、所需时间最长、最不易屈服。3种脂发生形态转变的情况和难易程度存在差异。25℃时，γf大小顺序为：聚脲润滑脂>复合磺酸钙润滑脂>膨润土润滑脂，且聚脲润滑脂屈服区很长，达到流动点的应变较大，凝胶体系也较其他2种脂更稳定。这可能是因为脲分子间拥有的氢键数目较多，在受到外力剪切作用时，结构恢复能力较强。130℃时，γf大小顺序为：膨润土润滑脂>复合磺酸钙润滑脂>聚脲润滑脂，此时膨润土润滑脂的凝胶体系比其他2种脂更稳定。图5为3种高温润滑脂屈服点和流动点储存模量。对比（a）和（b）可以发现：25℃时，复合磺酸钙润滑脂、聚脲润滑脂和膨润土润滑脂屈服点和流动点的储存模量比值依次为14，26，12；由此得出，屈服区内聚脲润滑脂的弹性模量变化率最大，膨润土润滑脂变化率最小。130℃时，复合磺酸钙润滑脂、聚脲润滑脂和膨润土润滑脂屈服点和流动点的储存模量比值依次为5，3，19；由此得出，屈服区内膨润土润滑脂的弹性模量变化率最大，聚脲润滑脂变化率最小。流动点G′=G″时，储存模量越大，表明润滑脂在该点的弹性势能越大，保持能力越强，黏弹性表现越明显。图5（b）中，25℃时，储存模量大小顺序为：膨润土润滑脂>复合磺酸钙润滑脂>聚脲润滑脂；130℃时，储存模量大小顺序为：复合磺酸钙润滑脂>膨润土润滑脂>聚脲润滑脂。

3结论

考察了3种基础油相同、稠度相近的高温润滑脂，由于不同稠化剂与基础油的感受性不同，形成润滑脂的结构不同，结构中各种键合作用与牢固程度不同，导致3种高温润滑脂在不同温度下表观黏度、储存模量等流变参数均存在差异。3种高温润滑脂的流变性也存在相似之处：剪切速率和温度对脂的流变性能影响较大；3种脂表观黏度随剪切速率的变化趋势一致；随着温度升高，润滑脂更易从以弹性为主转向以黏性为主。低温时屈服点和流动点的应力、应变及储存模量值均大于高温时，故低温时润滑脂凝胶体系较高温时更稳定，破坏结构所需的能量更大，随着温度升高，越容易转变为流动体系。致谢：本文得到后勤工程学院青年科研基金资助（YQ14-420602）。

参考文献：

[2]岳利义，沈铁军，刘庆廉.基础油对锂基润滑脂触变性的影响[J].合成润滑材料，2011，38（2）：1-3.

[6]华文，张宇东，杨晓钧，等.流变学在聚脲润滑脂生产中的应用[C]//全国第十七届润滑脂技术交流会论文集.广西：石油商技编辑部，2015：57-59.

[7]姚立丹，杨海宁，孙洪伟，等.锂基润滑脂流变学的特性[J].石油学报：石油加工，2011，27（增1）：1-5.

[8]蒋明俊，郭小川，姜秉新.半流体脂流变特性的研究[J].合成润滑材料，l997（2）：5-10.

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[12]周维贵，郭小川，蒋明俊，等.基于聚-α烯烃油的锂基润滑脂流变性[J].后勤工程学院学报，2014，30（2）：34-39.

[13]程金山，郭小川，李涛，等.润滑脂流变性与轴承振动的关系[J].石油学报：石油加工，2013，29（4）：674-680.

作者:何燕 郭小川 吴昊天 孙蓉 单位:后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系 云南78366部队 重庆商务职业学院会计学院