稠化剂对润滑脂低温性能的影响

孟天成，刘 伟，刘大军，庄敏阳

(1.驻中国石化北京燕山分公司军事代表室，北京 102503；2.中国石化石油化工科学研究院)

润滑脂作为重要的固体润滑材料，能在特定的摩擦表面起减少摩擦、降低磨损和密封等作用，是机械设备正常运转必要的材料。在低温环境下，润滑脂具有稠度和黏度增大的趋势，这样会增大机械设备的启动和运转力矩，润滑脂难以被移动到润滑使用部位，甚至造成润滑失效、机械设备受损等严重后果[1]。近年来，随着国防、军事、工业等的高速发展，各种机械设备的运转环境向超低温化发展，特别是航空航天工业中，如何使润滑脂在低温状态下保持良好的润滑性是重要的研究方向。

目前，国内外研究主要考察稠化剂对锂皂润滑脂的低温流变性能和基础油对润滑脂低温性能的影响，针对锂基润滑脂低温流变性的研究表明[2-5]，锂基润滑脂中皂含量、基础油种类和运动黏度、皂纤维结构和温度均对其低温流变性能有较大的影响，但上述结果仅局限于锂基润滑脂，对其他类型润滑脂低温性能研究不足。还有部分学者研究了含不同稠化剂润滑脂的高温流变性，何燕等[6]考察了含复合磺酸钙、聚脲和膨润土的3种润滑脂在高温情况下的流变学性能，但是未研究不同类型稠化剂对润滑脂低温性能的影响。

在润滑脂实际生产和使用过程中，低温性能作为重要的使用性能受到众多的关注。但由于人们对不同稠化剂润滑脂低温性能研究的缺失，造成选择困惑和错误使用的风险。本研究使用两种不同黏度级别的基础油分别制备锂基润滑脂、复合锂基润滑脂、钙基润滑脂、聚脲润滑脂、磺酸钙润滑脂和膨润土润滑脂6种不同稠化剂类型的润滑脂，通过测定不同润滑脂的低温相似黏度以考察稠化剂类型对润滑脂低温性能的影响。

1 实 验

1.1 原料及试剂

基础油PAO4和PAO10，均为工业级，购于美孚公司，主要理化性质见表1；氢氧化锂，工业级，购于成都天齐锂业有限公司；12-羟基硬脂酸、癸二酸，均为工业级，购于天津乾凯化工有限责任公司；膨润土、硼酸、对甲苯胺，均为工业级，国外进口产品；氢氧化钙，分析纯，购于西陇化工股份有限公司；醋酸，分析纯，购于天津市大茂化学试剂厂；乙醇，分析纯，购于北京市通广精细化工公司；高碱值磺酸钙，工业级，购于新乡市瑞丰新材料股份有限公司。

表1 PAO4和PAO10的主要理化指标

1.2 润滑脂的制备

将稠化剂和基础油按一定的比例加入到反应釜中，升温至所需温度，经成脂、炼制、研磨均化等过程得到润滑脂样品。在制备润滑脂的过程中，控制润滑脂的60次工作锥入度范围为(280±10)(0.1 mm)。

分别以锂皂、复合锂皂、钙皂、聚脲、磺酸钙和膨润土作为稠化剂，稠化基础油PAO4得到润滑脂样品，编号为：锂基润滑脂-PAO4、复合锂基润滑脂-PAO4、钙基润滑脂-PAO4、聚脲润滑脂-PAO4、磺酸钙润滑脂-PAO4和膨润土润滑脂-PAO4。稠化剂稠化基础油PAO10得到润滑脂样品，编号为：锂基润滑脂-PAO10、复合锂基润滑脂-PAO10、钙基润滑脂-PAO10、聚脲润滑脂-PAO10、磺酸钙润滑脂-PAO10和膨润土润滑脂-PAO10。润滑脂样品的60次工作锥入度见表2。

表2 润滑脂样品的60次工作锥入度

1.3 润滑脂的性能测定

2 结果与讨论

2.1 稠化剂对PAO4为基础油的润滑脂低温性能的影响

以低黏度级别的PAO4为基础油制备的6种不同稠化剂润滑脂样品的低温相似黏度随温度的变化如图1所示。

图1 PAO4基础油润滑脂在不同温度下的低温相似黏度锂基润滑脂-PAO4； ◆—钙基润滑脂-PAO4； 膨润土润滑脂-PAO4； ▲—复合锂基润滑脂-PAO4； ●—聚脲润滑脂-PAO4； ■—磺酸钙润滑脂-PAO4

由锂基润滑脂和复合锂基润滑脂低温相似黏度随温度的变化曲线可以看出，复合锂基润滑脂的低温相似黏度要大于锂基润滑脂，这表明在低温情况下，锂基润滑脂的低温性能优于复合锂皂润滑脂。特别是在低温区域优越性更佳，在-50 ℃时，锂基润滑脂低温相似黏度仅为复合锂基润滑脂的40%左右。孙洪伟等[7]通过分子模拟技术计算金属皂分子之间的氢键长度和分子体积模量，结果表明复合皂的分子体积模量远大于单皂分子体积模量。由于复合皂的体积模量较大，其纤维结构很难被破坏，在低温情况下受到弹簧力的作用时，其体积变形率很小，表现出的宏观性能就是相似黏度较大，流变性能差。刘志颖等[8]通过分子模拟技术计算二元酸复合锂皂和12-羟基硬脂酸锂皂分子之间的氢键长度。研究表明，12-羟基硬脂酸锂皂分子内无法形成氢键，仅存在离子键；而二元酸与12-羟基硬脂酸复合锂皂分子内既存在离子键又存在氢键，复合皂结构强度远大于单皂强度，受外力作用不易破坏，表现出低温相似黏度较大。

由锂基润滑脂和钙基润滑脂这两种单金属皂基润滑脂的低温相似黏度随温度的变化曲线可以看出，二者低温性能相差不多，锂基润滑脂略好于钙基润滑脂，且温度越低，体现出的优越性越强。在-50 ℃时，锂基润滑脂相似黏度为钙基润滑脂的50%左右，而当温度升高至-30 ℃时，锂基润滑脂相似黏度甚至略大于钙基润滑脂。

由磺酸钙润滑脂、聚脲润滑脂及膨润土润滑脂的低温相似黏度随温度的变化曲线可以看出，磺酸钙润滑脂的低温相似黏度最大，聚脲润滑脂次之，膨润土润滑脂最小。磺酸钙稠化剂体系中烷基苯磺酸钙具有特殊的球形晶体结构，能够在高温条件下保持结构不被破坏，具有很好的高温性能，但在低温环境下，这种结构会对润滑脂的流变性能造成一定的影响，导致其低温相似黏度较大，且目前制备磺酸钙的常用原料中，含有综合性能不佳的基础油，这对其低温性能也有较大的影响，体现在曲线中的结果就是磺酸钙脂的低温相似黏度是其他两种脂的5～6倍；聚脲润滑脂稠化剂体系中包含一定的烃基和芳香基，这些基团在低温环境下的流变性能不足，导致聚脲润滑脂的低温性也相对较差；膨润土润滑脂稠化剂体系为无机黏土矿物经过表面改性后所得，其分子结构较小，在低温环境下，这些无机分子也会对润滑脂的流变性能产生影响，但是相比较于含芳香基团的聚脲和含球形晶体结构的烷基苯磺酸钙而言，膨润土作为稠化剂对润滑脂的低温性能影响较小。

2.2 稠化剂对PAO10为基础油的润滑脂低温性能的影响

图2 以PAO10为基础油的润滑脂在不同温度下的低温相似黏度钙基润滑脂-PAO10； ◆—锂基润滑脂-PAO10； 膨润土润滑脂-PAO10； ▲—复合锂基润滑脂-PAO10； ●—聚脲润滑脂-PAO10； ■—磺酸钙润滑脂-PAO10

以高黏度级别的PAO10作为基础油制备的6种不同稠化剂的润滑脂样品低温相似黏度随温度的变化如图2所示。由图2可以看出：在高黏度级别的基础油条件下，锂基润滑脂、复合锂基润滑脂、磺酸钙润滑脂、聚脲润滑脂和膨润土润滑脂的低温相似黏度随温度的变化趋势与在低黏度级别的基础油条件下的变化趋势一致，其中复合锂基润滑脂的低温相似黏度约是锂基润滑脂的2倍；在不同黏度级别基础油条件下，锂基润滑脂和钙基润滑脂的低温相似黏度随温度的变化趋势不同，在高黏度级别基础油条件下，二者低温性能比较接近，但钙基润滑脂性能更佳，这与在低黏基础油条件下的变化趋势相反，说明金属皂的类型对润滑脂低温相似黏度影响不大，但也会因基础油黏度不同而表现出一定的低温差异性。

2.3 不同类型稠化剂体系润滑脂低温性能

探究不同类型稠化剂体系对润滑脂低温性能的影响情况，对于低温润滑脂的研制和使用具有一定指导意义。对以PAO4为基础油制备的不同类型稠化剂润滑脂的低温性能进行对比，结果如图3所示。由图3可以看出，对于不同类型稠化剂而言，相同基础油条件下，单金属皂基润滑脂的低温性能最佳，其他润滑脂的低温性能由优到劣的顺序依次为：膨润土润滑脂>复合锂基润滑脂>聚脲润滑脂>磺酸钙润滑脂。

图3 不同类型稠化剂体系润滑脂在不同温度下的低温相似黏度■—-50 ℃； ■—-45 ℃； ■—-40 ℃； ■—-35 ℃； ■—-30 ℃

3 结 论

(1)单金属皂基润滑脂的低温性能优于复合金属皂基润滑脂，在相同黏度基础油条件下，单金属皂基润滑脂低温相似黏度仅为复合金属皂基润滑脂的40%左右；锂皂和钙皂稠化剂对润滑脂低温性能影响的差别不大，但因基础油黏度不同会表现出细微的差异。

对不同稠化剂制备的润滑脂而言，低温性能从优到劣的顺序依次为：锂基润滑脂>钙基润滑脂>膨润土润滑脂>复合锂基润滑脂>聚脲润滑脂>磺酸钙基润滑脂。

(2)润滑脂是一个复杂的混合体系，其表现出的某方面性能不仅仅是由某一个单因素引起的，而是很多因素共同作用的结果。为满足润滑脂在特定低温环境下的使用要求，研究不同因素对其低温性能的影响机理至关重要，而且还需综合考虑稠化剂固体用量、制备稠化剂的原料、加入的添加剂固体粉末量等各种因素，从微观的角度进行研究，为低温润滑脂的产品研制和使用选择提供理论支撑。