基礎(chǔ)油對超微化膨潤土潤滑脂性能的影響

王 晶，郭小川，何 燕，劉萬杰

(后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401311)

基礎(chǔ)油對超微化膨潤土潤滑脂性能的影響

王 晶，郭小川，何 燕，劉萬杰

(后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401311)

以T400，T110，200DN 3種環(huán)烷基油及MVI500，150BS，PAO8為基礎(chǔ)油、超微化前后有機(jī)膨潤土為稠化劑制備膨潤土潤滑脂，考察所制潤滑脂的稠度、剪切安定性、膠體安定性、抗水淋性能和抗磨減摩性能。結(jié)果表明，超微化后膨潤土制備的潤滑脂的主要性能較傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂有明顯改善，且不同基礎(chǔ)油對超微化膨潤土潤滑脂的性能影響較大，以T110為基礎(chǔ)油制備的超微化膨潤土潤滑脂具有較好的剪切安定性、抗水淋性能和抗磨性。

超微化膨潤土 潤滑脂 基礎(chǔ)油 稠化劑

工業(yè)設(shè)備潤滑部位工作條件的日益苛刻對潤滑脂的機(jī)械安定性、膠體安定性、高溫性能、抗水性能及極壓抗磨性等提出了更高的要求。潤滑脂正朝著高溫、多效能、多用途的方向發(fā)展。膨潤土潤滑脂由于具有滴點高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及生物降解性好的特點，正越來越被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。根據(jù)美國潤滑脂協(xié)會(NLGI)統(tǒng)計，2012年北美洲膨潤土潤滑脂占潤滑脂總產(chǎn)量的4.71%，世界平均水平為膨潤土潤滑脂占潤滑脂總產(chǎn)量的1.84%；而我國膨潤土潤滑脂占潤滑脂總產(chǎn)量僅為0.53%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它國家，還有較大的增長空間[1]。目前，國內(nèi)外針對膨潤土潤滑脂的研究主要集中在膨潤土插層劑、基礎(chǔ)油和助分散劑三者之間的配伍性及其對制備潤滑脂的性能影響等方面，也有人對膨潤土潤滑脂的后處理工藝以及添加劑的篩選等進(jìn)行研究[2-6]。但關(guān)于膨潤土粒徑對潤滑脂性能影響的報道較少[7-9]，未見有直接球磨有機(jī)膨潤土制備超細(xì)粉體并考察其性能的報道。本課題[10]已通過濕法球磨制備超微化膨潤土粉體及超微化膨潤土潤滑脂，并以稠度和鋼網(wǎng)分油為基本指標(biāo)，針對不同基礎(chǔ)油篩選與之相適應(yīng)的助分散劑?，F(xiàn)進(jìn)一步考察不同基礎(chǔ)油對超微化膨潤土制備的潤滑脂性能的影響，并與傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂進(jìn)行對比，以期確定超微化膨潤土潤滑脂的特征性能，為制備新型膨潤土潤滑脂奠定基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 實驗原料及儀器

有機(jī)膨潤土HFGEL 310，浙江豐虹新材料股份有限公司生產(chǎn)；基礎(chǔ)油T400、T110，Nynas公司生產(chǎn)；200DN，MVI500，150BS，PAO8，成都曙光石化廠生產(chǎn)，基礎(chǔ)油的主要理化性質(zhì)見表1。

采用大連北方分析儀器有限公司生產(chǎn)的BF-38萬次剪切實驗儀和BF-48潤滑脂抗水淋性測定器分別測定潤滑脂的剪切安定性和抗水淋性能；采用濟(jì)南舜茂試驗儀器有限公司生產(chǎn)的MMW-1立式萬能摩擦磨損試驗機(jī)測定樣品的抗磨減摩性能；采用日立S-3700掃描電子顯微鏡檢測摩擦副的表面形貌。

1.2 膨潤土潤滑脂的制備

1.2.1 傳統(tǒng)膨潤土制備潤滑脂 將有機(jī)膨潤土置于反應(yīng)容器中，加入適量基礎(chǔ)油后，水浴加熱至90 ℃，恒溫攪拌1 h，以使基礎(chǔ)油充分膨化于膨潤土中，冷卻至室溫，加入適量助分散劑，繼續(xù)攪拌30 min后升溫至140 ℃，恒溫攪拌10 min，室溫冷卻后用三輥磨研磨3次，成脂。

1.2.2 超微化膨潤土制備潤滑脂 將有機(jī)膨潤土干燥后與乙醇混合，機(jī)械攪拌30 min制成一定濃度漿料，置于砂磨機(jī)(上海銀雋機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn))中濕法球磨，到達(dá)預(yù)定時間后，得到粒徑為250 nm左右的超微化膨潤土[10]，傾出漿料于密封瓶中備用。將球磨所得漿料置于反應(yīng)容器中，加入適量基礎(chǔ)油后，水浴加熱至90 ℃，恒溫攪拌1 h，以使基礎(chǔ)油充分膨化于膨潤土中，同時除去膨潤土中多余乙醇后攪拌、冷卻至室溫，加入適量助分散劑，繼續(xù)攪拌30 min后升溫至140 ℃，恒溫攪拌10 min，室溫冷卻后用三輥磨研磨3次，成脂。

表1 基礎(chǔ)油的主要理化性質(zhì)

1.3 測試與表征

根據(jù)GB/T 269—1991測定膨潤土潤滑脂的錐入度，以剪切前后錐入度變化值來表征其剪切安定性，其中Δr1表示剪切10 000次后潤滑脂錐入度與工作錐入度(剪切60次)的差值，Δr2表示剪切100 000次后潤滑脂錐入度與工作錐入度(剪切60次)的差值；按照SH/T 0324—1999、GB/T 392—1977(1982)測試膨潤土潤滑脂的鋼網(wǎng)分油量、壓力分油量，以鋼網(wǎng)分油量和壓力分油量表征其膠體安定性；按照SH/T 0109測定膨潤土潤滑脂的抗水淋性能，表征其抗水性能以及在軸承中的黏附性；按照SH/T0204—1992測定潤滑脂摩擦試驗的摩擦因數(shù)和磨斑直徑，分別表征其減摩性能和抗磨性能。

2 基礎(chǔ)油對膨潤土潤滑脂性能的影響

2.1 剪切安定性

不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂的剪切安定性比較見圖1。從圖1可以看出：①與傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂相比，超微化膨潤土潤滑脂的Δr1和Δr2要小，剪切前后超微化膨潤土潤滑脂錐入度差值更小，說明超微化膨潤土潤滑脂的剪切安定性優(yōu)于傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂。這是由于超微化膨潤土的粒徑減小、表面積增大、端面面積增大、端面羥基數(shù)目增多、顆粒之間形成氫鍵數(shù)目增多，剪切過程中氫鍵恢復(fù)能力強(qiáng)于傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂，使?jié)櫥诩羟羞^程中氫鍵破壞速率與形成速率差距減小，從而使剪切安定性提高。②不同基礎(chǔ)油制備的潤滑脂剪切前后錐入度差值較大，即剪切安定性差異較大，其中以T110為基礎(chǔ)油制備的超微化膨潤土潤滑脂剪切前后錐入度差值最小，即剪切安定性最好；環(huán)烷基油T110，T400，200DN的黏度由大到小的順序為T400>T110>200DN，因此，環(huán)烷基油黏度過高或過低時，所制膨潤土潤滑脂剪切前后錐入度差值均較大，即剪切安定性均較差。③與MVI500，150BS，PAO8的對比可以看出，環(huán)烷基油制備的膨潤土潤滑脂的剪切安定性均優(yōu)于同等黏度的其它種類基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂，要得到剪切安定性較好的膨潤土潤滑脂，應(yīng)選用中等黏度的基礎(chǔ)油。

圖1 不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂的剪切安定性■—傳統(tǒng)膨潤土制備的潤滑脂； ■—超微化膨潤土制備的潤滑脂。圖3、圖4、圖6、圖8同

以T110為基礎(chǔ)油制備的超微化膨潤土潤滑脂剪切10 000次前后的紅外光譜見圖2。從圖2可以看出，超微化膨潤土潤滑脂在波數(shù)3 624 cm-1、3 431 cm-1處出現(xiàn)-OH伸縮振動峰是膨潤土層間水分子的特征峰，1 645 cm-1處吸收峰與水分子的彎曲振動有關(guān)，表明在膨潤土中含有一定量的結(jié)晶水。從圖2還可以看出，超微化膨潤土潤滑脂剪切后，波數(shù)3 624，3 431，1 645 cm-1三處振動峰均發(fā)生一定程度的弱化，尤其是3 431 cm-1處伸縮振動峰基本消失，這在一定程度上反映膨潤土潤滑脂在剪切過程層間水脫失，說明剪切作用使膨潤土層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生剝離，使膨潤土潤滑脂結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

圖2 T110膨潤土潤滑脂剪切前后的紅外光譜(1)—剪切前； (2)—剪切后

2.2 膠體安定性

膠體安定性是表征潤滑脂在一定溫度或壓力作用下保持其膠體結(jié)構(gòu)的能力，是潤滑脂的最基本、最重要的指標(biāo)之一。不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂的鋼網(wǎng)分油量和壓力分油量見圖3。由圖3可見：①與傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂相比，超微化膨潤土制備的潤滑脂的鋼網(wǎng)分油量和壓力分油量要小，即其膠體安定性優(yōu)于傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂。這是因為膨潤土粒徑減小，顆粒間相互作用力增強(qiáng)，同時比表面積增大，端面氫鍵數(shù)目增多，所形成的膨潤土潤滑脂骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高，同時膨潤土對基礎(chǔ)油的吸附能力增強(qiáng)，膨化油與吸附油增多，游離油減少，相應(yīng)在熱與壓力作用下，分油量減少。②膨潤土潤滑脂鋼網(wǎng)分油與基礎(chǔ)油種類及黏度關(guān)系密切，環(huán)烷基油黏度越大分油量越??；石蠟基油MVI500鋼網(wǎng)分油量最低，150BS黏度較MVI500的大，其鋼網(wǎng)分油量次之；PAO8與T110的黏度相近，分油量也相近?？傮w來說，除200DN為基礎(chǔ)油制備膨潤土潤滑脂外，其余10種潤滑脂鋼網(wǎng)分油量均在5%以下，符合膨潤土潤滑脂產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(SH/T 0536—1993(2003)對鋼網(wǎng)分油量的要求)。③膨潤土潤滑脂在壓力作用下的分油量較大，且與其基礎(chǔ)油黏度及種類相關(guān)性小，但基礎(chǔ)油黏度大時，其壓力分油量相對較小。這是因為鋼網(wǎng)分油表征潤滑脂在熱作用下的分油情況，壓力分油表征潤滑脂在壓力作用下的分油量?；A(chǔ)油的黏度隨溫度變化較大，因此，在相同稠度時，鋼網(wǎng)分油量受基礎(chǔ)油黏度影響大；而在一定壓力作用下，形成結(jié)構(gòu)骨架的分散相動力聚沉，結(jié)構(gòu)骨架空隙的基礎(chǔ)油被擠出，使?jié)櫥糠纸Y(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生分油，所以壓力分油量一般都大于鋼網(wǎng)分油量；而基礎(chǔ)油黏度較大時，抵抗擠壓的能力增強(qiáng)，使得基礎(chǔ)油黏度較大的潤滑脂壓力分油量較小。

圖3 不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂的膠體安定性

2.3 抗水淋性能

不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂的水淋流失量見圖4。從圖4可以看出：①與傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂相比，超微化后膨潤土潤滑脂的水淋流失量要小，即超微化膨潤土潤滑脂具有較優(yōu)異的抗水淋性能；②由200DN和PAO8制備的潤滑脂的水淋流失量在10%左右，抗水淋性能較差，流失嚴(yán)重，這是由于200DN基礎(chǔ)油本身的黏度過小及PAO8制備的潤滑脂黏附性較差所致；③MVI500，T400，T110制備的膨潤土潤滑脂流失量均為3%左右，150BS制備的潤滑脂流失量為負(fù)值；這是因為該潤滑脂與水發(fā)生嚴(yán)重乳化(如圖5紅外光譜所示，水淋試驗后，3 433 cm-1處出現(xiàn)明顯—OH吸收峰，為H2O特征吸收峰)，使試驗后軸承與潤滑脂的質(zhì)量增加，但超微化后膨潤土潤滑脂與水發(fā)生乳化的現(xiàn)象得到改善。

圖4 不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂的抗水淋性能

圖5 150BS膨潤土潤滑脂水淋試驗前后的紅外光譜(1)—水淋試驗前； (2)—水淋試驗后

2.4 抗磨減摩性能

2.4.1 摩擦因數(shù) 不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂摩擦試驗的平均摩擦因數(shù)見圖6。不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂試驗的瞬時摩擦因數(shù)見圖7。

由圖6可見， 與傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂相比，T400為基礎(chǔ)油時，超微化前后膨潤土潤滑脂試驗的平均摩擦因數(shù)差值為0.012 95，說明超微化后潤滑脂的減摩性能得到提高；以PAO8為基礎(chǔ)油時，超微化前后膨潤土潤滑脂試驗的平均摩擦因數(shù)較低，為0.085左右，差值較?。徊捎?50BS為基礎(chǔ)油時，超微化前后膨潤土潤滑脂試驗的平均摩擦因數(shù)差值較小，即減磨性能提高不明顯。但從圖7可以看出，超微化膨潤土潤滑脂試驗時摩擦因數(shù)隨時間變化均比傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂更為穩(wěn)定，這是因為蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)具有力學(xué)各向異性，在外力作用下將沿不同晶面發(fā)生解理。當(dāng)硅氧四面體片層平行疊加時，上一層下部氧原子的孤對電子，恰好伸進(jìn)了由下一層上部氧原子孤對電子組成的負(fù)電空穴區(qū)，由于電子間的靜電斥力，使層與層之間結(jié)合不牢，而球磨超微化作用進(jìn)一步弱化了這種層間結(jié)合力，所以在切向力作用下，膨潤土更加容易沿片層滑動，使摩擦因數(shù)有不同程度的降低且更加趨于穩(wěn)定，潤滑脂減摩性能得到提高。

圖6 不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂試驗的平均摩擦因數(shù)

圖7 不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂試驗的瞬時摩擦因數(shù) —傳統(tǒng)膨潤土制備的潤滑脂; —超微化膨潤土制備的潤滑脂

2.4.2 磨斑直徑 不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂摩擦試驗后的磨斑直徑見圖8。由圖8可見，幾種基礎(chǔ)油中，T110制備的膨潤土潤滑脂試驗的磨斑直徑較小，與傳統(tǒng)膨潤土制備的潤滑脂相比，超微化膨潤土制備的潤滑脂試驗的磨斑直徑減小0.05 mm；以T400為基礎(chǔ)油制備的潤滑脂，超微化前后差值達(dá)到0.19 mm，即超微化膨潤土制備的潤滑脂的抗磨性能顯著提高。

不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂試驗后的磨斑表面形貌見圖9和圖10。對比圖9和圖10可以看出，傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂試驗后的鋼球磨痕較深，出現(xiàn)了比較明顯的擦傷和劃痕，且擦傷紋路不規(guī)則，說明摩擦副表面的微凸體及摩擦過程中所產(chǎn)生的鐵屑對摩擦副表面形成犁溝作用，使得摩擦副表面損傷較為嚴(yán)重。而超微化膨潤土試驗后的鋼球磨痕表面外貌更加均勻圓整平滑，磨斑表面呈現(xiàn)輕微擦傷跡象，劃痕較淺。分析認(rèn)為，在一定載荷下，這是因為超微化后膨潤土粒徑減小，對基礎(chǔ)油的吸附能力增強(qiáng)，提高了油膜的承載能力；且膨潤土具有層狀硅酸鹽的一般性質(zhì)，熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和硬度較高。由于其粒徑處于亞微米量級，所以熔點低于常規(guī)的層狀硅酸鹽，當(dāng)其隨潤滑脂進(jìn)入摩擦表面時，在摩擦的高溫及高剪切力作用下，很容易在金屬表面的微凹陷處熔融沉積，在摩擦表面沉積成膜，形成摩擦學(xué)性能優(yōu)異的表面膜，起到抗磨作用。

圖8 不同基礎(chǔ)油制備的膨潤土潤滑脂試驗后的磨斑直徑

圖9 不同基礎(chǔ)油制備的傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂試驗后的鋼球磨斑表面形貌

圖10 不同基礎(chǔ)油制備的超微化膨潤土潤滑脂試驗后的鋼球磨斑表面形貌

3 結(jié) 論

(1) 超微化后膨潤土制備的潤滑脂的性能較傳統(tǒng)膨潤土潤滑脂有明顯改善，且不同基礎(chǔ)油對制備超微化膨潤土潤滑脂的性能影響較大。

(2) 以T110為基礎(chǔ)油制備的超微化膨潤土潤滑脂具有良好的剪切安定性、抗水淋性能和抗磨性能。

(3) 在下一步制備新型膨潤土潤滑脂時，可以根據(jù)使用工況，優(yōu)先選擇T110，PAO8，MVI500混合油為基礎(chǔ)油，綜合3種基礎(chǔ)油各自的優(yōu)點，制備具有良好剪切安定性、膠體安定性和抗水性的潤滑脂。

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IMPACT OF BASE OIL ON THE PERFORMANCE OF ULTRAFINE BENTONITE GREASE

Wang Jing， Guo Xiaochuan， He Yan， Liu Wanjie

(Dept.ofMilitaryOilApplication&ManagementEngineering，LogisticalEngineeringUniversity，Chongqing401311)

The bentonite greases were prepared with six kinds of oil， T400， T110， 200DN， MVI500， 150BS and PAO8 as the base oil， with bentonite powders before and after ball-milling as thickening agent. Their thickness， shear stability， colloid invariability， water resistance， anti-wear and antifriction properties were researched. The results show that the ultrafine bentonite grease has improved in most performances compared with the traditional one. And the base oils have huge influences on the performance of ultrafine bentonite greases. The ultrafine bentonite grease prepared with the base oil of T110 has good shear stability， water resistance and anti-wear property.

ultrafine bentonite； grease； base oil； thickening agent

2015-01-04； 修改稿收到日期： 2015-02-09。

王晶，碩士研究生，主要從事潤滑脂產(chǎn)品的研發(fā)工作。

郭小川，E-mail：wangjinghg@sina.com。

后勤工程學(xué)院青年科學(xué)基金資助項目(YQ14-420602)。