稠化剂量对锂基润滑脂流变性的影响

周维贵，郭小川，林 璐，刘艳丽

(1.总后勤部油料研究所，北京 102300；2.后勤工程学院军事油料应用与管理工程系)

稠化剂量对锂基润滑脂流变性的影响

周维贵1，郭小川2，林 璐1，刘艳丽1

(1.总后勤部油料研究所，北京 102300；2.后勤工程学院军事油料应用与管理工程系)

为了考察稠化剂的量对锂基润滑脂流变性的影响，在稳态剪切流和小幅振荡剪切流下测试了锂基润滑脂的流变参数。通过分析触变性、屈服应力，表观黏度、储存模量和应变幅度等流变参数，探讨了稠化剂的量对流变性的影响。结果表明：随着稠化剂含量增加，锂基润滑脂的黏弹性表现更加显著，其结构更加稳定。

锂基润滑脂 触变性 储存模量 表观黏度 应变幅度

流变学是研究材料变形与流动的一门科学。它主要从应力、应变、温度、剪切速率和时间等方面研究牛顿流体和非牛顿流体[1-4]。润滑脂是具有特殊结构的一类润滑材料，具有典型的弹性和黏性双重特性[5]，对它的研究属于流变学范畴。

稠化剂是润滑脂重要的组分之一，它作为润滑脂的分散相，起结构骨架作用。锂基润滑脂的屈服应力、表观黏度、触变性、储存模量等流变参数都可以由结构骨架强度反映。而骨架结构由皂分子之间的离子力、范德华力和氢键形成，它与皂纤维大小、数目、形状、纤维本身强度和皂纤维接触点的强度有直接的关联。

蒋明俊等[6]使用传统的流变仪分析了半流体锂基和复合锂基润滑脂的流变性，得出稠化剂含量增加其表观黏度增大的结论。王晓力等[7]仅在稳态剪切流下考察稠化剂对流变性的影响，指出稠化剂含量增加，润滑脂的屈服应力和表观黏度增大，流动指数减小。本课题通过研究不同流场下的流变参数，分析稠化剂的量对锂基润滑脂流变性的影响。

1 实 验

1.1 润滑脂制备

锂基润滑脂的制备及其性能评定。为了考察稠化剂的量对锂基润滑脂流变性的影响，以12-羟基硬脂酸锂皂为稠化剂，400SN(100 ℃运动黏度为9.2 mm2s)为基础油，制备了3，2，1，0，00，000六种不同稠度等级的锂基润滑脂，其理化性能见表1。由表1可见，实验制备的锂基润滑脂的工作锥入度、滴点及钢网分油理化性能符合GBT 7324—2010《通用锂基润滑脂》的要求。此外，稠化剂含量增加，锂基润滑脂的分油减少，胶体安定性较好。

表1 6种不同稠度的锂基润滑脂的理化性能

1.2 实验方法

应变控制下的动态流变实验：在控制应变模式下，恒定角速度为10 rs，考察25 ℃时锂基润滑脂的储存模量、损耗模量和应力随应变幅度的变化过程。

剪切速率控制下的稳态流变实验：①在控制剪切速率模式下，剪切速率在0.01～1 000 s-1范围内，考察25 ℃时锂基润滑脂黏度和剪切应力随剪切速率的变化过程，并根据数据拟合流变方程[8]，对方程的参数进行分析。②25 ℃时，采用循环法(剪切速率2 s-1—50 s-1—2 s-1)，研究锂基润滑脂的黏度和应力随剪切速率的变化过程，分析其触变性。

1.3 流变参数

触变性是指在一定剪切速率下受到剪切作用的润滑脂随剪切时间的增加稠度下降，而在剪切作用停止后又开始稠度上升，其结构部分恢复的现象[9]。触变性可以通过触变环的面积来研究润滑脂结构恢复速度的快慢，用以衡量润滑脂结构的稳定能力。屈服应力是指润滑脂内部胶体结构被破坏的最小剪切力，与润滑脂的密封性有关[10]。

动态实验条件下，考察储存模量(G′)和损耗模量(G″)及应力随应变幅度γ的变化过程。G′反映材料内部弹性势能，与润滑脂的保持能力相关；G″指形变时以热的形式消耗的能量，由于黏性形变(不可逆)而损耗的能量大小，反映润滑脂黏性[11]。当G′>G″，润滑脂表现为固体可恢复的弹性形变；G′=G″的交点(又叫做流动点)，此时储存模量和损耗模量达到平衡，标志着锂基润滑脂从以弹性为主向以黏性为主的转变[12]；当G′

1.4 皂纤维表征

12-羟基硬脂酸锂皂纤维，在电子显微镜下呈现为缠结在一起的扭带状。这些皂纤维在基础油中形成不同的物理排列，这些排列的特性和稳定性与锂基润滑脂的流变性有重要的联系[14]。图1为以400SN为基础油的3种不同稠度的锂基润滑脂的皂纤维电镜照片。由图1可见，随着稠化剂含量增加，单位体积内纤维增多，纤维的缠绕密度增大，其接触点增多。

图1 锂基润滑脂的皂纤维形态

2 结果与讨论

2.1 稠化剂的量对触变性的影响

不同稠度的锂基润滑脂的触变环见图2。图2显示，6种不同稠度的锂基润滑脂都形成了触变环，且上行曲线都在下行曲线之上。表明该温度下锂基润滑脂结构破坏速率比恢复速率更快，锂基润滑脂具有剪切依时性。

图2 不同稠度的锂基润滑脂触变环■—3号； ●—2号； ▲—1号； —0号； ◆—00号； —000号

为了进一步考察剪切速率对锂基润滑脂结构的影响，在循环剪切中，分别以剪切速率上升和下降过程中7个点为间距，计算锂基润滑脂的黏度下降率和增长率，分析不同剪切速率下锂基润滑脂黏度的变化。表2为6种稠度锂基润滑脂的黏度变化率。由表2可见：随着剪切速率增加，锂基润滑脂黏度下降率不断减小，结构以破坏为主导；在低剪切速率区域内，黏度的下降率最大，达到约80%；随着稠化剂含量增加，黏度下降率增加。表明锂基润滑脂的黏度下降主要是在低剪切速率区域内；随着稠化剂含量增加，黏度下降更容易。在稳定的最大剪切速率下，随着时间的延长，黏度下降率均很小；随着稠化剂含量增加，黏度下降率均较小。表明此时结构破坏趋于稳定。

由图2还可以看出：随着剪切速率下降，锂基润滑脂的黏度上升，结构以恢复为主；在最低剪切速率区间内，黏度增长率最高，达到75%左右；随着稠化剂含量增加，黏度的增长率增大。说明结构恢复也主要是在低剪切速率区域内；稠化剂含量越高，结构恢复越容易。

随着稠化剂含量增加，单位体积内锂基润滑脂的纤维分子增多，形成缠绕，密度较大。锂基润滑脂在剪切作用下的阻力主要由于纤维之间的相互作用力。随着剪切速率增加，其中较小的作用力更容易被破坏，使结构变化较大；且随稠化剂含量增加，单位体积内纤维增多，其相互作用力被破坏更加明显，反之，剪切速率减小，其作用力更容易恢复。

表2 6种稠度的锂基润滑脂的黏度变化率

图3为锂基润滑脂触变环面积与稠化剂量的关系。由图3可见，随稠化剂含量增加，锂基润滑脂的触变环面积总体呈增大趋势。表明稠化剂含量越高的锂基润滑脂结构强度越大，破坏其结构所需要的能量越大，在一定时间里，结构恢复越慢。在相同剪切条件下，单位体积内锂基润滑脂的皂纤维越多，范德华力和氢键的作用表现更加明显，所形成的结构强度越大，破坏其结构所需的能量显著增加。

图3 不同稠化剂含量的锂基润滑脂的触变环面积

2.2 稠化剂的量对储存模量和应力的影响

动态实验条件下，6种不同稠度的锂基润滑脂的储存模量、损耗模量及应力随应变的变化见图4。由图4可见：6种锂基润滑脂都存在流动点；在流动点之前，储存模量大于损耗模量，锂基润滑脂以弹性为主导，形变可以恢复；在流动点之后，损耗模量大于储存模量，表现为不可恢复的黏性形变。

随着稠化剂含量增加，锂基润滑脂的储存模量、损耗模量和剪切应力增大，且3号、2号、1号锂基润滑脂的储存模量比半流体脂的储存模量大得多。随着稠化剂含量增加，单位体积内锂基润滑脂的皂纤维分子增多，各纤维分子之间交联的机率增大，皂纤维分子形成的结构更加紧密，结构中所储存的弹性势能明显增大。因而，锂基润滑脂的储存模量和剪切应力显著增大，表现出更强弹性，保持的能力也有较大的提升。

图4 6种不同稠度的锂基润滑脂的模量和应力■—储存模量； ★—损耗模量； ●—剪切应力。 —3号; —2号; —1号; —0号; —00号; —000号

锂基润滑脂屈服点和流动点的应变、应力及储存模量随稠化剂含量的变化见图5。由图5(a)可见，随着稠化剂含量增加，锂基润滑脂屈服点的应变总体呈减小趋势，其应变值均小于1%，剪切应力总体呈增大趋势。随着稠化剂含量增加，锂基润滑脂屈服点应变响应更加迅速，即在更短的时间和更小变形下锂基润滑脂达到更大的应力。

由图5(b)可见，随着稠化剂含量增加，锂基润滑脂流动点的应变和储模量均增大，且其应变均大于35%。表明稠化剂含量增加，锂基润滑脂的线性黏弹区变小，剪切应变却在增大，屈服区较大。由于稠化剂含量增加，单位体积内锂基润滑脂的皂纤维增多，纤维之间交联机会增大，它们之间的储存能量增大，结构骨架更加稳定，润滑脂结构强度更大。

2.3 稠化剂的量对应力和黏度的影响

在稳态实验中，不同稠度锂基润滑脂的剪切应力和黏度随剪切速率的变化如图6所示。由图6可见：6种锂基润滑脂的黏度均随着剪切速率的增加而降低，最后趋于稳定；而剪切应力在低剪切速率区存在一个短暂的屈服区，超过屈服区后，剪切应力均开始明显增大。说明锂基润滑脂均具有屈服应力，均存在较明显的剪切变稀的现象[15]。

图6 6种不同稠度的锂基润滑脂黏度及剪切应力随剪切速率的变化■—黏度； ★—剪切应力。 —3号; —2号; —1号; —0号; —00号; —000号

随着稠化剂含量增加，锂基润滑脂的黏度和剪切应力增大。由于稠化剂含量增加，单位体积内锂基润滑脂的纤维分子增多，要使其分子由杂乱无章的排布到一定规律排布所需的阻力明显增大，黏度和剪切应力增大。剪切应力增加到一定程度后，其分子之间较弱的作用力失去作用，其分子排布趋于稳定状态，黏度亦趋于稳定。

为了进一步研究锂基润滑脂的剪切速率与其屈服应力的关系，测试6种不同稠度锂基润滑脂在低剪切速率下的应力，结果见表3，利用流变仪拟合了Herschel-Bulkey流变方程：τ=τy+ηγn，结果见表4，其中：τ为剪切应力；τy为屈服应力；η为润滑脂的黏度；n为黏度指数。

表3 6种不同稠度的锂基润滑脂在低剪切速率下的剪切应力

表4 6种不同稠度的锂基润滑脂的流变方程

结合表3和表4可知：不同稠度的锂基润滑脂在低剪切速率区域内就达到屈服应力，且达到屈服应力时的剪切速率均小于1；随着稠化剂含量增加，锂基润滑脂的屈服应力增大，而达到该应力的剪切速率减小。说明结构强度大的锂基润滑脂，其弹性特征表现较显著。

3 结 论

流变性能是研究润滑脂性能的一个重要方面，是其微观结构的宏观表现。在25 ℃时，分析锂基润滑脂的流变参数，得出稠化剂的量对锂基润滑脂的流变性影响较大。其主要结论如下：

(1) 不同稠化剂含量的锂基润滑脂均表现出触变依时性。在低剪切速率下，其结构破坏率与恢复率最大；稠化剂含量大的锂基润滑脂，其结构破坏和恢复速率均较大，其结构更强。

(2) 不同稠化剂含量的锂基润滑脂均表现出黏弹性特征。随着稠化剂含量增加，锂基润滑脂的线性黏弹区减小，在屈服点的应力增大，其储存模量增大，具有更强的保持能力。

(3) 不同稠化剂含量的锂基润滑脂存在明显的剪切变稀的现象，表观黏度最后趋于一个稳定值。随着稠化剂含量增加，润滑脂的剪切应力和黏度增大；而屈服应力越大的锂基润滑脂，达到屈服应力的剪切速率越小，其弹性特征表现更加显著。

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EFFECTS OF THICKER AMOUNT ON RHEOLOGY OF LITHIUM GREASE

Zhou Weigui1， Guo Xiaochuan2， Lin Lu1， Liu Yanli1

(1.OilResearchInstitute，GeneralLogisticsofPLA，Beijing102300； 2DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering，LogisticsEngineeringUniversity)

To study the influence of thicker amount on the rheological properties of lithium grease， the rheological parameters of lithium grease were tested under conditions of steady shear flow and slight oscillation shear flow. By analyzing rheological parameters such as the thixotropy， yield stress and apparent viscosity， storage modulus and strain amplitude， the influences of thicker amount on rheological property were discussed. The results indicate that with increasing thicker content， the viscoelasticity of lithium grease is more significant， the structure of lithium grease is more stable.

lithium grease； thixotropy； storage modulus； apparent viscosity； strain amplitude

2015-10-16； 修改稿收到日期： 2016-03-17。

周维贵，硕士，从事润滑脂流变性能研究工作。

郭小川，E-mail：gxcjd@yahoo.cn。