基础油与润滑脂性能的关联性研究

刘妍,宫卫华,雍新民,邓雪峰,李玉靓

(1.中国石油克拉玛依润滑油厂,新疆克拉玛依 834003;2.新疆克拉玛依飞豹特种油品有限公司,新疆克拉玛依 834000)

基础油与润滑脂性能的关联性研究

刘妍1,宫卫华1,雍新民1,邓雪峰2,李玉靓2

(1.中国石油克拉玛依润滑油厂,新疆克拉玛依 834003;2.新疆克拉玛依飞豹特种油品有限公司,新疆克拉玛依 834000)

选择不同类型、不同精制深度基础油作为润滑脂生产原料,通过润滑脂的制作实验和润滑脂性能测定考察基础油理化性能和润滑脂性能的关联性。通过改变润滑油基础油的性能来达到改善润滑脂胶体性能的目的,为润滑脂的生产研究提供数据支持。

基础油;润滑脂;性能

Abstract:The relationsh ip betw een base o ils′physicochem ical properties and grease p roperties w as studied through the p reparation and perfo r m ance evaluat ion of the grease w hich m anufacture m aterials w ere different types and refining depth base oils.Consequently,the grease colloid perform ance w as imp roved by changing lubricant base o ilproperties.It p rovides data support for grease production and research.

Key words:base oil;grease;perform ance

0 前言

中国润滑脂产量由 1985年 7.8万 t增长到2006年 27.43万 t,20年增加了 3.5倍,跃居世界润滑脂生产大国行列。美国润滑脂协会 (NLGI)发布的 2006润滑脂产量调查统计报告指出,世界润滑脂产量为 96万 t。我国润滑脂的产量大致占世界的1/4。预计 2010年国内润滑脂需求量将达到 30万 t。

润滑脂是将一种 (或几种)稠化剂分散到一种(或几种)液体润滑油基础油中而形成的一种固体到半固体的产物。在润滑脂中,基础油的含量约占70%～95%,所占比例最大,它对润滑脂的结构稳定性、粘温特性、稠化能力、制脂工艺过程及原材料成本都有很重要的影响。

实验室采用 9种环烷基基础油和石蜡基基础油及其调合配制的样品,分别考察基础油对润滑脂特性的影响及基础油与硬脂酸溶解温度试验,从而找出相同粘度、不同粘度指数润滑油基础油与润滑脂性能的相关性。

1 润滑脂实验

1.1 实验目的产品的选择

我国润滑脂市场是一个典型的一枝独秀的市场,锂基脂是目前的主流产品,约占 83%,其他为钙基脂、钠基脂等。锂基脂是由硬脂酸或 12-羟基硬脂酸与氢氧化锂反应制得锂皂,由锂皂稠化基础油制成。符合 GB 7324-94的3#通用锂基脂标准见表1。

表1 3#通用锂基润滑脂技术要求

续表

选择 3#锂基脂作为目的产品有以下原因:

(1)12-羟基硬脂酸稠化的润滑脂,只有两个相变温度,第一相变温度 (即从伪凝胶态到凝胶态)一般在 170℃以上,第二相变温度(即从凝胶态到溶胶态)一般在 200℃以上,因此锂基润滑脂的滴点较高,一般在 180℃以上。

(2)12-羟基硬脂酸稠化脂的皂纤维形成双股的,缠结在一起成纽带状,因此具有良好的机械安定性。

(3)12-羟基硬脂酸锂和硬脂酸锂对皂纤维表面液相的结合强度以及对晶格内液相结合强度都是较大的,因此锂基润滑脂具有较好的胶体安定性。

(4)碱金属中的锂对水的溶解度较小,因此,锂基润滑脂具有较好的抗水性。

(5)12-羟基硬脂酸锂皂对矿物油或合成油的稠化能力都比较强,因此锂基润滑脂与钙基、钠基润滑脂相比,稠化剂用量可以降低 1/3,寿命延长一倍至数倍。

(6)12-羟基硬脂酸稠化脂具有较小的摩擦系数。

1.2 实验材料

结构改善剂:水。作用机理:由于含有极性基因,能吸附在皂分子极性端间,使皂纤维中的皂分子排列距离相应增大,使基础油膨化到皂纤维内的量增大。此外,皂纤维内外表面增大,皂油间的吸附也就增大。因此,在结构改善剂存在时,可使皂和基础油形成稳定的胶体结构。

抗氧化添加剂:二苯胺。作用机理:打断氧化反应之链锁反应的反应链,从而终止氧化反应的进一步进行。皂基润滑脂中的金属对氧化有催化作用,能加速润滑脂的氧化。

皂:12-羟基硬脂酸、硬脂酸、氢氧化锂。

润滑油基础油:试验所采用的基础油为:浅精制环烷基油A——辽河润滑油厂生产,深精制环烷基油B——克拉玛依润滑油厂生产,石蜡基油 C——克拉玛依润滑油厂生产,D-1、D-2和 D-3为 A与C两组分基础油调合产品,E-1、E-2和 E-3为B与 C两组分基础油调合产品,基础油调合方案见表 2。基础油理化性质分析结果见表 3。

表2 基础油调合方案

表3 基础油理化性质分析结果

续表

2 润滑脂制作试验

以不同精制深度、不同粘度指数润滑油为基础油,以 12-羟基硬脂酸锂皂为稠化剂,采用实验室小釜反应器制备出相同反应条件不同稠度的 18种润滑脂,进行润滑油基础油性能与润滑脂性能的相关性研究。

2.1 试验原材料参数

12-羟基硬脂酸酸值:185.88 mgKOH/g;硬脂酸分子量:205.99;

2.2 实验室小釜制备润滑脂工艺流程

实验室小釜生产润滑脂工艺流程见图 1。

图1 实验室润滑脂生产工艺流程

3#通用锂基脂工艺流程概述:

①将基础油 700 L、12-羟基硬脂酸 125 kg、硬脂酸 33 kg、氢氧化锂 23.6 kg、水 4 kg、二苯胺 2 kg加入皂化釜升温反应;压力到 0.35 MPa时停止加热。当压力达到 0.4 MPa时,温度为 150～160℃时,开始皂化反应,时间是 1 h。

②皂化反应完成后,卸压排气,加入减三线基础油 300 L和二苯胺 3.5 kg,快速升温搅拌到 210℃,将皂化釜中物料转入成脂釜中。

③预先将基础油 500 L转入成脂釜中,当皂化釜中物料转入成脂釜后,开始急冷搅拌,急冷后温度应为 150～160℃;最后补加基础油 280 L温度应达到 120～130℃。

④按照需要加入染料。

⑤开始剪切,剪切时间 1.5 h,压力 0.5～0.8 MPa。

⑥剪切完毕后过一次均质机,压力 19～22 MPa。

⑦均质后进脱气罐脱气。

⑧成品出料时温度为 90～110℃。

2.3 润滑脂质量检测项目

采用不同类型、不同粘度指数基础油制作出的润滑脂进行相应的性能检测,以考察基础油与润滑脂性能之间的关联性。实验室检测项目如下:

①滴点:指在规定的条件下加热,达到一定流动性时的温度。它大体上可以决定润滑脂的使用温度(滴点比使用温度高 15～30℃)。

②锥入度:指在规定的温度和负荷下试验锥体在 5 s内自由垂直刺入油脂中的深度 (单位为 1/10 mm)。它是润滑脂稠度和软硬程度的衡量指标。

③胶体安定性(析油性):指在外力作用下润滑脂能在其稠化剂的骨架中保存油的能力,用分油量来判定。当润滑脂的析油量在 5%～20%时,此润滑脂基本上不能使用。

④机械安定性:指在机械工作条件下抵抗稠度变化的能力。机械安定性差,易造成润滑脂的稠度下降。

⑤蒸发损失:指在规定条件下,其损失量所占总量的百分数。它是影响润滑脂使用寿命的一项重要因素。

3 试验结论

3.1 相似锥入度时皂用量的比较

在润滑脂的生产配方中,基础油的选择不仅与产品特性有关,而且与生产成本的控制密切相关。生产成本最重要的是考虑达到某一脂级别所需皂量的多少。基础油的溶解性能直接影响润滑脂的皂含量。因此我们进行试验以确定环烷基油和石蜡基油之间所需皂含量的区别。

相似锥入度时,不同类型油品所需皂量对比见表4和图2。

表 4 相似锥入度不同类型油品消耗的皂含量

图 2 润滑脂使用不同基础油制成时所需皂含量

由表 4中对比数据可以看出:相似锥入度的润滑脂,同粘度不同类型润滑油基础油需要皂含量由多到少为:C(石蜡基油)＞B(深度精制)＞A(浅度精制)。把苯胺点最低的环烷基油A和石蜡基油C相比较,溶解能力较高的环烷基油可节省皂消耗量多达 25%。

3.2 相同皂含量时润滑脂性能比较

同粘度级别的环烷基油、石蜡基油A、B、C制作3#通用锂基脂,在皂含量相同的前提下润滑脂性能结果见表5。

表5 相同皂含量润滑脂性能比较

由表 5中对比数据可以看出:

(1)锥入度反映润滑脂的软硬程度,是设备润滑选择润滑脂的重要指标。锥入度对比结果:A＜B＜C(超过标准)。

(2)滴点是指润滑脂从固态变成液态的温度点,反映润滑脂的高温使用性能。滴点对比结果:A＜B＜C。

(3)钢网分油率反映润滑脂常温下的胶体安定性。钢网分油对比:A＜B＜C。

(4)延长锥入度是指润滑脂在工作器中经过 10万次剪切后的锥入度测定值,一般情况下润滑脂经过剪切后会变稀。延长锥入度对比结果:A＜B＜C。

相同皂含量条件下,浅精制环烷基油A钢网分油、锥入度结果最小;石蜡基油 C锥入度和延长锥入度结果最大,滴点较高;深精制环烷基油性能居中。说明环烷油的溶解能力较高表现出其对皂的较高亲合力,使皂在油脂内更加均匀地分布。与由石蜡油制成的油脂相比,环烷油制成的油脂中普遍存在着油与皂的相互作用,胶体安定性好,与皂结构的粘合比较密切,从油脂中分离出来或渗出的倾向较低;而在石蜡油脂中,大多数油品以物理方式而不是以相互作用方式截留在皂结构中,从油脂中分离或渗出的倾向高。但石蜡基油较好的粘温性能赋予油脂较高的滴点。

3.3 硬脂酸溶解温度的考察

考察三种精制程度不同的环烷油和石蜡基油中羟基硬脂酸溶解温度,见表 6和图 3。

表6 硬脂酸溶解温度

图 3 油中羟基硬脂酸(浓度30%)溶解所需要的温度

润滑脂的生产是能源消耗。在稠化润滑脂时,必须提高温度直至脂肪酸分解为止。显然,所需温度越高消耗的能量就越多,较高温度也增加皂氧化的风险。在各种油品中,羟基硬脂酸的浓度都是30%,这是羟基硬脂酸在油脂稠化时的典型浓度。图 2溶解温度结果表明:与石蜡基油相比,所有环烷油中脂肪酸溶解的温度低得多,在A和B中情况尤其如此。含有环烷油的油脂所需的温度较低,原因是其溶解能力较高;溶解能力较高的油品溶解添加剂的能力就较高。

3.4 相同粘度不同粘度指数基础油对润滑脂性能影响

相似锥入度时,达到相同皂含量条件下,考察不同粘度指数的油品制成的润滑脂性能差异见表 7。

表 7 不同粘度指数润滑油制成的润滑脂性能

由表 7中对比数据可以看出,由环烷基油和石蜡基油调制不同粘度指数的润滑油制成润滑脂,在相同皂含量时:D系列浅精制的油品和 E系列深精制的油品表现出随着粘度指数的降低,锥入度减小,滴点降低,钢网分油下降。

润滑脂的氧化安定性是指在贮存和使用过程中抵抗空气(氧气)的作用而保持其性质不发生永久性变化的能力。基础油的氧化稳定性和热分解温度对润滑脂在抗磨轴承中的最高使用温度和使用寿命有着决定性的影响。因此基础油抗氧化能力的高低决定着润滑脂的氧化安定性好坏。实验室采用DSC差热分析法测定不同基础油制作的润滑脂初始氧化温度,结果见表 8。

表8 润滑脂性能测定

综上所述,采用差式量热扫描仪测定出润滑脂样品的初始氧化温度,由于仪器分析有 10%左右的误差允许范围,因此基本上可以得出如下结论:由粘度指数较高的基础油制作的润滑脂初始氧化温度较高,增发损失较小。

4 结论

以 3#通用锂基脂为标准,采用精制程度递增的环烷基油A、B和一种石蜡基油 C、粘度相近不同粘度指数的基础油制作润滑脂,针对润滑脂几个关键检测项目考察的规律性结果如下:

(1)在锥入度相似的条件下,同粘度不同精制深度的基础油需要皂含量由多到少为:C(石蜡基油)＞B(深度精制)＞A(浅度精制)。把苯胺点最低的环烷基油A和石蜡基油 C相比较,溶解能力较高的环烷基油可节省皂消耗量多达 25%。

(2)相同皂含量条件下:浅精制环烷基油 A钢网分油最低,锥入度合格;深精制环烷基油性能居中;石蜡基油锥入度超标,滴点较高。说明环烷油的溶解能力较高表现出其对皂的较高亲合力。环烷油与皂结构的粘合比较密切,因而从油脂中分离出来或渗出的倾向较低。但石蜡基油较好的粘温性能赋予油脂较高的滴点。

(3)硬脂酸溶解温度说明:与石蜡基油相比,含有环烷油的油脂所需温度较低,原因是其溶解能力较高;溶解能力较高的油品溶解添加剂的能力就较高。

(4)初始氧化温度说明,基础油粘度指数高,相应润滑脂抗氧化安定性好。

高压加氢环烷基基础油具有环烷烃含量高,低温性能好的优势。与石蜡基油相比,生产的润滑脂所需皂分低,胶体安定性好,钢网分油小,是普通皂基脂最好的基础油。采用环烷基与石蜡基油调合的方式,获得具有一定粘度指数 (V I在 20左右)的环烷基油能提高抗氧化性能,同时保持高溶解能力和优良的低温特性,使环烷基油在最终产品质量和成本方面都成为十分有利的选择。

[1]徐桂云.润滑脂流变和输送特性研究[M].江苏:中国矿业大学出版社,2005.

[2]孟书凤.环保型润滑剂的发展及应用[J].润滑油,2003, 18(1):11-16.

S tudy on the Re la tionship be tween Base O il and G rease Prop e rties

L IU Yan1,GONGW ei-hua1,Y ONG Xin-m in1,DENG Xue-feng2,LI Yu-liang2
(1.PetroChina Karam ay B lending Plant,Karam ay 834003,China;
2.Xinjiang Karam ay Fe iBao SpecialO il Products Ltd.,Karam ay 834000,China)

TE626.4

A

2009-09-09。

刘妍(1976-),女,2007年毕业于青岛科技大学化学工程专业,硕士,高级工程师,从事润滑油研究工作 11年,已公开发表论文6篇。

1002-3119(2010)03-0055-05