基础油黏度对锂基脂和聚脲脂流变特性的影响

王燕霜，张璞，王东峰，车馨子，徐润润

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 机械与汽车工程学院，济南 250353；2.山东省机械设计研究院，济南 250031；3.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039)

润滑脂可以减轻相对运动表面的摩擦磨损，具有密封、防止污染物进入设备等优点，被广泛应用于滚动轴承的润滑中[1]。锂基润滑脂和聚脲润滑脂作为应用最广泛的2种润滑脂[2]，具有良好的机械稳定性。随着工程机械对低能耗和使用寿命的要求越来越高，润滑过程变得尤为重要，必须充分了解润滑脂的流变特性和摩擦特性。

一般来说，润滑脂是基础油和稠化剂组成的胶体分散体系，其结构是稠化剂纤维骨架将基础油包裹在其中[3-4]。通过对锂基润滑脂流变特性的研究表明，添加剂、稠化剂类型和浓度等多种因素会影响油脂的流变行为[4-6]。在此基础上，文献[7]研究了锂基润滑脂的流变特性和微观结构的关系；文献[8]分析了矿物基础油对润滑脂流变特性的影响，发现随着基础油链烷烃含量的增加，润滑脂表观黏度增大；文献[9]分析了胺分子结构对聚脲润滑脂流变特性的影响，发现稠化剂浓度和基础油黏度对润滑脂的微观结构影响较大；文献[10]测试了锂基和脲基润滑脂在不同材料上的边界特性，发现不同的壁面材料有不同的边界层，稠化剂浓度越高，稠化剂纤维纠缠程度越高，并从微观上做出了解释。润滑脂在一定温度或剪切应力下有析出润滑油的趋势，皂与油的分离直接导致润滑脂稠度的改变和脂的流失，微量的分油可以保持设备润滑，但温度导致的过度分油会使油脂变稠变硬，发生热老化行为[11]。温度会对润滑脂流变特性和微观结构产生影响[12]，探究不同温度下润滑脂的流变特性具有重要意义。

基础油黏度作为润滑脂的关键参数，对润滑脂的选用具有指导意义，但目前基础油黏度对润滑脂流变特性的影响机理尚未完全清楚。本文利用旋转流变仪测量润滑脂的流变特性，并从微观结构上解释基础油黏度和温度对润滑脂流变特性的影响以及影响机理。润滑脂的流变特性包含其流动和形变的能力，流动特性与表观黏度、剪切应力密切相关，相关形变特性与储能模量、损耗模量相关。

1 试验

1.1 试验样品

选择的6种润滑脂样品均由中国石化润滑油有限公司(天津分公司)提供，润滑脂的基础油在40 °C时黏度分别为48，68，220 mm2/s，6种润滑脂样品组成及参数见表1。不同基础油黏度的锂基润滑脂分别以Li-48，Li-68和Li-220命名，样品呈透亮的黄色，具有较好的黏附性；不同基础油黏度的聚脲润滑脂分别以Po-48，Po-68和Po-220命名，样品为淡黄色。

1.2 试验原理及试验条件

为了探究温度、基础油黏度对流变特性的影响，在30，70，130 ℃下，使用MCR302流变仪对润滑脂进行了稳态和动态流变测试。流变仪最大扭矩为200 mN·m，扭矩分辨率为0.1 nN·m。稳态流变试验采用控制剪切速率模式，主要参数有表观黏度、剪切应力和剪切速率；动态流变试验是对样品施加一定频谱范围内的正弦振动作用，研究其动力效应。流变仪测试转子分别选择锥板cp-25和平板pp-25，如图1所示。

将润滑脂预剪切2 min后静置30 min，以消除转子下压时对润滑脂造成的破坏。在稳态测试中，剪切速率范围为0.1～1 000 s-1，得到不同剪切速率下的表观黏度，生成流动曲线，确定屈服应力σy。在动态流变试验中，应变范围为0.01%～100%，频率恒定值为10 rad/s，并确定润滑脂的线性黏弹性区。在线性黏弹性状态下进行频率扫描试验，频率范围为0.1～100 rad/s，应变的恒定值为0.1%。所有样品取自同一批次同一采样位置，并至少对样品进行3次测试，以减小测试过程中的误差影响。

使用扫描电镜观察润滑脂的稠化剂纤维结构，观测前需采用石油醚将润滑脂中的基础油洗净，然后对试验对象进行喷金处理。

2 试验结果与讨论

2.1 润滑脂稠化剂纤维的纠缠特性

不同基础油黏度的锂基脂和聚脲脂的微观结构如图2所示：锂基脂表现出高度纠缠的纤维网状结构，其中基础油黏度为68 mm2/s的稠化剂纤维纠缠程度最高，基础油黏度为220 mm2/s的稠化剂纤维纠缠程度最低；聚脲脂的稠化剂纤维呈纤细的条状或棒状，其纤维数量和聚集程度均随基础油黏度的升高而降低。

为了描述稠化剂纤维的微观结构，引入平台模量GN表示同种润滑脂稠化剂纤维间的纠缠程度。对于同一种润滑脂，稠化剂纤维纠缠程度越高，纤维之间通过化学和物理交联的机会越多。GN可通过频率扫描试验采用外推法获得，其值为当损耗系数tanδ达到最小值时所对应的储能模量。

锂基脂和聚脲脂在30，70，130 ℃时的平台模量如图3所示。同一温度下，锂基脂的平台模量随基础油黏度的增大呈先升高后降低，这是因为在基础油黏度较小时，基础油黏度的增大会导致GN升高，随着基础油黏度的继续增大，稠化剂纤维会变得更稀疏，纠缠程度降低，导致GN降低，这一结果与SEM图像相吻合。同一温度下，聚脲脂的平台模量随着基础油黏度的增大而逐渐降低，SEM图像中的稠化剂纤维越来越稀疏。低温时润滑脂的GN大于高温时，这是因为随着温度升高，分子间作用力减小，润滑脂纤维纠缠程度减弱，GN降低。锂基脂的平台模量在130 ℃时下降较大，聚脲脂的平台模量在130 ℃时仍很大，具有良好的高温性能。

2.2 润滑脂的流动特性

不同温度下润滑脂的表观黏度随剪切速率的变化规律如图4所示，随剪切速率的增大，润滑脂的表观黏度下降，这是一种剪切变稀现象。在剪切速率小于1 s-1时，剪切速率增大，稠化剂纤维之间束缚被破坏，表观黏度变化明显；当剪切速率继续增大(高于1 s-1)，稠化剂纤维断裂，且稠化剂纤维排列逐渐定向，故表观黏度下降幅度变小。润滑脂在低剪切速率时，润滑脂的表观黏度随基础油黏度的增大而增大；润滑脂在高剪切速率时，润滑脂表观黏度随基础油黏度的变化呈非稳定变化。这是因为随着剪切速率升高，润滑脂在承受剪切时出现剪切屈服现象，润滑脂纤维结构被剪断，曲线出现非稳定变化。

由图4可知，温度也是影响润滑脂流变特性的重要因素。高温会使润滑脂胶体分散体系发生改变，削弱润滑脂的性能，导致黏度下降。在锂基润滑脂的稠化剂分子中，羧基锂的锂键与羟基之间的氢键作用属于强作用，碳链之间的静电作用属于弱作用。此外，基础油碳链之间也存在静电作用(弱作用)。温度的升高对静电作用影响较大，碳链之间的作用力被大大削弱，且不易构建新的分子间的静电作用，碳链纠缠程度降低，使得表观黏度降低。

剪切应力可以反应流动性的强弱，锂基脂和聚脲脂的剪切应力随剪切速率的变化如图5所示。

由图5a可知：30 ℃且剪切速率小于1 s-1时，剪切应力随剪切速率的增大而缓慢减小，这是因为润滑脂分子间作用力大，稠化剂纤维纠缠程度高，壁面对润滑脂分子仅产生微弱的吸附作用，故产生壁面滑移，使得测得的剪切应力逐渐减小；剪切速率大于3 s-1时，剪切应力随剪切速率的增大而增大；当剪切速率到达一定程度时，曲线出现平台区域，该平台区域所对应的剪切应力就是稳态试验下的屈服应力σy，屈服之后，剪切应力随剪切速率的增大而增大。

由图5b和图5c可知，温度为70，130 ℃时，剪切应力随剪切速率的变化存在2个明显的转折点。温度较高时，润滑脂分子间作用力减小，壁面对润滑脂分子的吸附影响增加，故在初始时没有发生壁面滑移，但随着剪切速率的增大，剪切应力增大，壁面对分子的吸附难以继续维持，故曲线到达第1个转折点后开始下降，发生了壁面滑移效应，到达第2个转折点后，剪切应力随剪切速率的增大而增大，该转折点处润滑脂所对应的剪切应力即为稳态试验下的屈服应力σy。壁面滑移受温度影响：温度较低时，在较小的剪切速率下即发生壁面滑移；温度较高时，在较大的剪切速率下发生壁面滑移。

从图5中还可以看出：锂基脂的基础油黏度从48 mm2/s增大到68 mm2/s，稠化剂纤维纠缠程度变高，所形成的稠化剂纤维解缠绕和发生定向移动所需阻力增大，剪切应力增大；随着锂基脂的基础油黏度继续增大到220 mm2/s，其稠化剂纤维纠缠程度降低，所形成的稠化剂纤维解缠绕和发生定向移动所需阻力小，使得剪切应力减小；聚脲脂的基础油黏度越大，纠缠程度越低，剪切阻力越小；在相同的基础油黏度下，聚脲脂的表观黏度和剪切应力大于锂基脂。

2.3 润滑脂的黏弹特性

一般通过动态测试衡量润滑脂的黏弹特性(变形能力)。在动态测试中，储存模量(弹性模量)G′反映形变时材料的内部弹性势能，与润滑脂的保持能力相关；损耗模量(黏性模量)G″指形变时以热的形式消耗的能量。G′和G″越大，黏弹性越大，流动性越差。在动态试验中，将G′下降10%之前的区域定义为最大线性黏弹性区Ld。

不同基础油黏度的锂基脂和聚脲脂的G′和G″随剪切应变的变化如图6所示，图中以Po-220为例标出了润滑脂的最大线性黏弹性区Ld。在Ld区域内，润滑脂在各温度下的G′均高于G″，处于固体状态；同一温度下，随着基础油黏度增大，锂基脂的G′和G″先增大后减小，聚脲脂的G′和G″不断增大；在高温130 ℃和相同的基础油黏度下，聚脲润滑脂的G′和G″均高于锂基润滑脂；随着温度的升高，2种润滑脂的G′和G″均减小。随着剪切应变增大，G′减小，G″增大，表明润滑脂正在向液态过渡。G′曲线与G″曲线的交点定义为流动点，交叉应力的大小与润滑脂发生流动的难易程度存在正相关，流动点对应的应力定义为交叉应力σco，对研究润滑脂流动性能有非常重要的意义。

不同基础油黏度的锂基脂和聚脲脂在30，70，130 ℃下的交叉应力σco如图7所示。同一温度下，锂基脂的交叉应力σco随基础油黏度的增大先增大后减小，聚脲脂的基础油黏度越大，交叉应力σco越大；不同温度下，相同基础油黏度的2种润滑脂的交叉应力σco均随温度升高而减小。同一基础油黏度下，聚脲脂的交叉应力大于锂基脂的交叉应力，即聚脲脂流动性低于锂基脂。

3 结论

利用旋转流变仪测量润滑脂的流变特性，并从微观结构上解释基础油黏度和温度对润滑脂流变特性的影响，主要结论如下：

1)对于锂基脂，基础油黏度增大，稠化剂纤维纠缠程度先升高后降低。对于聚脲脂，基础油黏度增大，稠化剂纤维聚集程度降低。平台模量GN在一定程度上可以表示同种润滑脂稠化剂纤维间的纠缠程度。

2)锂基脂和聚脲脂的表观黏度均随基础油黏度的增大而增大。锂基脂的剪切应力随基础油黏度的增大出现先增大后减小的现象。聚脲脂的剪切应力随基础油黏度的增大而增大。温度升高，锂基脂和聚脲脂的表观黏度和剪切应力减小。润滑脂的壁面滑移现象的发生受温度影响：温度较低时，在较小的剪切速率下即发生壁面滑移；温度较高时，在较高的剪切速率下发生壁面滑移。

3)在线性黏弹性区域内，随基础油黏度的增大，锂基脂的储能模量和损耗模量先增大后减小，聚脲脂的储能模量和损耗模量逐渐增大。130 ℃聚脲脂的储能模量和损耗模量大于相同基础油黏度下的锂基脂，其流动性能低于锂基润滑脂。