基于有机膨润土稠化剂润滑脂的制备工艺研究

张东浩，陈汉林，蒋明俊，杨国瑞

(后勤工程学院 a.军事油料应用与管理工程系;b.后勤工程学院学员旅，重庆 401311)

膨润土润滑脂是一种非皂基润滑脂，是用改性膨润土稠化剂稠化矿物油或合成油制备的性能优良的润滑脂品种［1］，具有优良的高温性能，良好的胶体安定性、抗水淋性和抗磨极压性［2］，可广泛用于高温、高负荷、低转速的机械润滑［3］。

我国膨润土矿产资源丰富，查明资源储量为27.75 亿 t，仅次于美国，居世界第二位［4］。2012年，膨润土润滑脂在我国润滑脂年总产量中所占比例较低，仅为0.53%，而北美的膨润土润滑脂占润滑脂年总产量为4.73%，全球的膨润土润滑脂占润滑脂年总产量为1.84%［5］，因而，我国膨润土润滑脂存在巨大的发展潜力。

作为一种高滴点、性能优良的润滑脂，膨润土润滑脂和复合铝基润滑脂、磺酸盐复合钙基润滑脂、复合锂基润滑脂、聚脲基润滑脂组成的高滴点润滑脂品种在我国润滑脂总产量中所占比例较小，这是由多种原因引起的。如，我国的高质量高性能润滑脂品种和产量较少;我国存在相当数量的农用车辆和机具，一般使用低档次钙基、锂基润滑脂;润滑脂的应用和知识普及推广不够，在使用过程中存在大量浪费［6－7］。

膨润土润滑脂主要组成部分是基础油、有机膨润土稠化剂、助分散剂和添加剂。基础油对膨润土润滑脂的性能有较大影响。黄伟聪等［8］筛选150BS、PAO－40、酯类油等基础油和乙醇、丙酮、碳酸丙烯酯等助分散剂，以酯类油为基础油，季铵盐改性膨润土为稠化剂，乙醇为助分散剂，添加极压、抗磨、防腐、抗氧等添加剂，制备了一种高、低温条件下性能优良的膨润土润滑脂产品。目前膨润土润滑脂的稠化剂较多采用季铵盐改性的有机膨润土，主要由十六烷基三甲氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵等改性剂改性制得［9］。脂肪酸氨基酰胺膨润土润滑脂虽具有较高的热分解温度，但关于其制备工艺和性能的报道较少。米红英［10］等创新性地使用十八胺封端脲醛树脂制备改性膨润土和稠化PAO8基础油制成润滑脂，该润滑脂具有较好的高、低温性能，机械安定性和抗水性。助分散剂的种类和添加量都会影响膨润土润滑脂的稠度［11］。陈新国等［12］的研究发现，由于不同助分散剂的分子结构不同，制备的润滑脂稠度有差别。只有当作用于有机膨润土溶解作用的溶剂力与有机膨润土晶片端面间产生的氢键桥形成的氢键力相等时，形成的胶体才具有最大稠度。添加剂对提高膨润土润滑脂各方面的性能有着不可替代的作用。宋翃彬等［13］的研究表明，常用的氨型抗氧剂提高膨润土润滑脂性能时效果一般，钠盐防锈剂对膨润土润滑脂感受性好，极压抗磨剂可选择磷酸钙、石墨、二烷基锑等。

本文以HVI 400为基础油，采用季铵盐改性膨润土稠化剂，在实验条件下制备了膨润土润滑脂，考察了丙酮、甲醇、乙醇、碳酸丙烯酯等助分散剂，搅拌速度，搅拌时间，研磨次数等制备工艺对膨润土润滑脂性能的影响。最后同SH/T 0536－1993的二号润滑脂标准作了对比。

1 实验

1.1 实验试剂及仪器

1)实验试剂

季铵盐改性有机膨润土:工业级，灰白色粉体，浙江丰虹新材料有限公司出品;HVI 400基础油:40℃运动黏度为78.2 mm2/s，100℃运动黏度为8.7 mm2/s，兰州石化公司出品;乙醇、丙酮:化学纯，重庆川东化工试剂厂出品;甲醇:化学纯，成都科龙化工试剂厂出品;胺型抗氧剂，石油磺酸钡防锈剂，棉籽油型油性剂，磷酸酯，硼酸盐型极压抗磨剂(A、B、C)。

2)实验仪器

JJ－1型电动搅拌器;三辊磨;锥入度测定仪;BF－22润滑脂宽温度范围滴点测定器;202A－3型数显电热恒温干燥箱;F－38润滑脂万次剪切实验仪;BF－48润滑脂抗水淋性能测定器;MS－800A型四球摩擦试验机。

1.2 制脂工艺

将基础油和季铵盐改性膨润土按照一定比例混合，快速搅拌后加入极性助分散剂进行充分分散，之后加入添加剂，经研磨均化后可得到膨润土润滑脂(图1)。

图1 膨润土润滑脂制脂工艺

2 结果与讨论

2.1 助分散剂对膨润土润滑脂性能的影响

采用图1所示的制脂工艺，加入基础油、有机膨润土配制成100 g混合液，快速搅拌20 min，加入助分散剂甲醇、乙醇、丙酮、碳酸丙烯酯各4，6，8，10 mL，再搅拌20 min，经研磨均化后测定其理化指标。结果见图2。

图2 助分散剂对膨润土润滑脂性能的影响

制备润滑脂时，助分散剂的添加可以为膨润土－基础油体系提供凝胶所需的化学能，加速聚集态的有机膨润土晶片膨胀，从而获得最佳的凝胶效果［14］。从图2中可知:加入助分散剂后，膨润土润滑脂的稠度都随着助分散剂添加量的增加而增大;加入乙醇的润滑脂增稠效果最为明显;加入甲醇的润滑脂的性能变化与加入乙醇的润滑脂相比有相同的趋势，但增稠效果不如乙醇;添加丙酮的润滑脂在丙酮的添加量为6 mL时稠度基本保持不变，说明润滑脂已经达到最佳的凝胶效果;添加碳酸丙烯酯的润滑脂稠度增幅不明显，这可能是碳酸丙烯酯与基础油－有机膨润土稠化剂的配伍性不佳。加入丙酮、甲醇、乙醇的润滑脂，其钢网分油都随着添加量的增加而减小，其滴点都随添加量的增加而增大。丙酮添加量多于6 mL，甲醇添加量多于8 mL时，润滑脂的钢网分油性能基本保持不变。添加一定量的助分散剂之后，润滑脂性能随助分散剂添加量的增加而逐渐提升，其中加入甲醇的润滑脂胶体安定性最好，乙醇次之。添加丙酮、甲醇、乙醇的润滑脂其滴点的变化规律有相似的趋势，其中添加甲醇的润滑脂性能较好，丙酮次之。对比丙酮、甲醇、乙醇的滴点和钢网分油性能后发现，加入碳酸丙烯酯润滑脂的滴点随着碳酸丙烯酯添加量的增加而减小，当添加量为8 mL时，此润滑脂的滴点最小。随着添加量继续增加，其滴点突然增大，这可能是过量的碳酸丙烯酯破坏了基础油－有机膨润土稠化剂－助分散剂的胶体结构，也可能是碳酸丙烯酯与基础油－有机膨润土的稠化剂的配伍性不佳。同时发现此润滑脂的钢网分油随碳酸丙烯酯添加量的增加而增加，这可能与此润滑脂的胶体结构受到破坏有关。

通过以上分析可知，丙酮、甲醇、乙醇、碳酸丙烯酯均能改善润滑脂的某些性能，使用丙酮、甲醇、乙醇的润滑脂，其稠度随助分散剂添加量的增加而增大，乙醇的增稠作用最明显，其滴点也随助分散剂的添加量的增加而增大，其中添加甲醇的润滑脂数值较高。钢油分油数值随助分散剂添加量的增加而变小，其中添加甲醇的润滑脂数值最小。碳酸丙烯酯也可以改善润滑脂的一些性能，但由于其氢键与有机膨润土稠化剂的配伍性不佳，或由于其与基础油、有机膨润土改性剂的配伍性较差，使得添加碳酸丙烯酯的润滑脂增稠效果不高，胶体结构不稳定，其钢网分油数值较大。综合以上分析，甲醇作助分剂制备的润滑脂具有较高的稠度、较好的高温性能和胶体安定性。在100 g基础油－有机膨润土稠化剂中添加4～6 mL甲醇时可获得滴点高、分油少的二号膨润土润滑脂。

2.2 制备工艺条件对膨润土润滑脂性能的影响

1)搅拌速度

按照图1的生产工艺，在搅拌过程中，分别设置搅拌速度为 500 r/min，1000 r/min，2000 r/min，考察搅拌速度对膨润土润滑脂性能的影响，结果见图3。

在制备润滑脂过程中，必须以不同的形式做功，才能使溶于基础油分散液的有机膨润土稠化剂分散相达到高度分散状态。由图3可知，当搅拌速度为1 000 r/min时，相对于500 r/min，润滑脂的稠度有较大提升，钢网分油部分减少，滴点有一定上升，说明1 000 r/min搅拌时润滑脂相对于慢速搅拌分散更加均匀。当采用2 000 r/min搅拌时，润滑脂的稠度有一定增加，但增幅不明显，钢网分油迅速减小，说明2 000 r/min搅拌速度对润滑脂的胶体安定性有较大影响。润滑脂滴点有一定上升，说明稳定的润滑脂结构能够提高润滑脂的高温性能。综合以上分析，选择2 000 r/min搅拌速度作为制备润滑脂的条件。

图3 搅拌速度对膨润土润滑脂性能的影响

2)搅拌时间

制备膨润土润滑脂时，搅拌时间对润滑脂体系的性能有较大影响［15］。按照图1制脂工艺进行第1组实验，将第1次搅拌时间分别设置为10，20，30 min，第二次搅拌时间设置为20 min，考察基础油－有机膨润土稠化剂分散体系对润滑脂性能的影响。进行第2组实验，将第1次搅拌时间设置为30 min，第2次搅拌时间分别设置为10，20，30 min，考察加入助分散剂后搅拌时间对基础油－有机膨润土稠化剂－助分散剂体系的影响。结果见图4。

从图4(a)可知:当搅拌时间从10 min增加到20 min时，润滑脂的稠化性能、高温性能和胶体安定性能均有大幅度提升;当搅拌时间从20 min增加到30 min后，润滑脂的性能有所增加，效果不明显，这说明搅拌时间的延长有助于有机膨润土稠化剂更好地分散于基础油中，形成稳定的分散体系，良好的分散体系有助于提升润滑脂的各种性能。

从图4(b)可知:当助分散剂加入基础油－有机膨润土稠化剂分散体系后，搅拌时间从10 min延长到20 min时，润滑脂的稠化性能、高温性能和胶体安定性均有大幅度增加;当搅拌时间延长至30 min后，润滑脂的性能有小幅下降，这说明搅拌时间为20 min时，基础油－有机膨润土稠化剂－助分散剂体系形成了稳定的胶体结构，随着作用时间延长，这种稳定的结构受到一定的破坏。

综合以上分析，制备润滑脂时，前期的基础油－有机膨润土稠化剂体系的搅拌分散时间应尽量延长。加入助分散剂后，一定的搅拌时间可以使基础油－有机膨润土稠化剂－助分散剂体系形成稳定的胶体结构。结合实验数据，第1次搅拌时间设置为30 min，第2次搅拌时间设置为20 min。

图4 搅拌时间对膨润土润滑脂性能的影响

3)研磨次数

按照图1制脂工艺，选择甲醇、乙醇、丙酮作为助分散剂，设置研磨次数分别为 0，1，2，3，4，5，6，考察研磨次数对膨润土润滑脂稠度的影响。结果见图5。

图5 研磨次数对膨润土润滑脂性能的影响

在制备润滑脂过程中，研磨可以帮助润滑脂分散，形成稳定胶体结构。李素［11］的研究表明，后处理工艺和时间对膨润土润滑脂的稠度有显著影响，且制备润滑脂时存在最佳工艺参数。从图5可知:研磨作用对添加丙酮、甲醇、乙醇制备的润滑脂均有增稠作用;无研磨时，甲醇、乙醇的增稠能力强于丙酮;研磨后，乙醇的增稠作用最明显，甲醇次之;当研磨次数达到3～4次时，添加丙酮、甲醇、乙醇制备的润滑脂稠度达到稳定，研磨次数继续增加后，润滑脂的稠度有减少的趋势。综合以上分析，为达到最大稠度，实验选择的研磨次数为4次。

根据以上实验分析，采用HVI 400基础油、季铵盐改性膨润土稠化剂、甲醇制备润滑脂时，添加4% ～6%的助分散剂，搅拌速度为2 000 r/min，第1次搅拌时间为 30 min，第 2次搅拌时间为20 min，经三辊磨研磨4次，可制备具有良好高温性能、胶体安定性能的膨润土润滑脂。

2.3 添加剂对膨润土润滑脂性能的影响

膨润土具有由两层硅氧四面体片晶层中间夹一层铝(镁)氧八面体晶层构成的2∶1型层状晶体结构［4］，相比于皂基润滑脂，膨润土润滑脂具有良好的极压抗磨性，但在高负载条件下，仍需加入一定量添加剂才能满足使用条件。

按照图1生产工艺，结合上述实验条件，可制备出满足质量指标SH/T 0536—1993(2003)的二号膨润土基础润滑脂。在此基础上添加胺型抗氧剂0.5%、石油磺酸钡防锈剂0.4%、棉籽油型油性剂1%，磷酸酯、硼酸盐型极压剂 A、B、C各1.5%，2.5%，测定其理化指标。结果见表 1、表2。

表1 极压剂对膨润土润滑脂性能的影响(1)

表2 极压剂对膨润土润滑脂性能的影响(2)

图6 膨润土润滑脂的极压值图

由表1、表2和图6可知，添加1.5%的A、B、C后，膨润土润滑脂的油膜强度和烧结负荷均有一定量的提升，但效果不明显，添加C的膨润土润滑脂相较添加A、B的润滑脂性能较好，PB值达到921 N，PD值达到 2 452 N。将添加量增加至2.5%后，加入3种极压剂的润滑脂的极压性能均有一定的提升，其中添加C的润滑脂极压性能最佳，PB值达到2 452 N，PD值达到4 093 N。因此，选择C作为极压膨润土润滑脂的极压添加剂。

2.4 膨润土润滑脂的性能评定

根据以上实验条件制备膨润土润滑脂并考察其性能。配置一定的基础油－有机膨润土稠化剂混合液，添加6% ～8%的甲醇作为助分散剂，2 000 r/min快速搅拌，设置第1次搅拌时间为30 min，第2次搅拌时间为20 min，添加胺型抗氧剂0.5%，防锈剂0.4%，棉籽油型油性剂1%，硼酸盐型极压剂C 2.5%，制备极压膨润土润滑脂，对其性能进行综合评定，并与石化行业标准SH/T 0537—1993(2003)进行对照。结果见表3。

表3 膨润土润滑脂的性能

从表5的数据可知，制备的极压型膨润土润滑脂产品的性能达到了石化行业标准SH/T 0537—1993(2003)的质量指标的要求。研制的产品是一种性能优良的极压膨润土润滑脂，产品具有良好的高温性、胶体安定性、机械安定性、防锈性、抗水性和极压抗磨性。

3 结论

1)助分散剂可帮助膨润土润滑脂分散，从而形成具有一定稳定性的胶体结构。实验中发现，乙醇的增稠效果最佳，使用甲醇制备润滑脂的高温性、胶体安定性较好，碳酸丙烯酯与矿物基础油、季铵盐改性膨润土稠化剂的配伍性不佳。

2)不同形式的做功能帮助膨润土润滑脂达到高度分散状态。2 000 r/min搅拌能够帮助膨润土润滑脂分散完全;第1次搅拌30 min，第2次搅拌20 min制备的膨润土润滑脂性能优良;研磨4次时，膨润土润滑脂的稠度达到最佳。

3)膨润土润滑脂对添加剂的感受性不同。当添加1.5%的极压剂A、B、C时，膨润土润滑脂的极压抗磨性能相差不大，当添加量增加到2.5%后，加入硼酸盐型极压剂C的膨润土润滑脂的极压性尤为突出。

4)采用优化配方和制脂条件制备的极压型膨润土润滑脂的性能达到了石化行业标准SH/T 0537—1993(2003)要求。产品具有良好的高温性、胶体安定性、机械安定性、防锈性、抗水性和极压抗磨性。

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