膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的制備及其性能研究

王 川，蔣明俊，郭小川，何 燕，劉 浩

(陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶 401311)

復(fù)合鈦基潤滑脂是潤滑脂行業(yè)的一類新型潤滑脂，因具有優(yōu)異的性能而受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，但存在儲存安定性不佳、價格高昂等不足，限制了其進一步發(fā)展和應(yīng)用[1]。復(fù)合鈦基潤滑脂制備方法和性能特點與復(fù)合鋁基潤滑脂存在許多相似之處[2]，也都存在儲存分油的缺陷。史程飛等[3]發(fā)現(xiàn)膨潤土潤滑脂與復(fù)合鋁基潤滑脂在理化性能上具有一定的互補性，制備的膨潤土-復(fù)合鋁基潤滑脂既延續(xù)了兩種單一潤滑脂的優(yōu)勢性能，又改善了復(fù)合鋁基潤滑脂儲存分油、膨潤土潤滑脂機械安定性不佳等性能缺陷[4]，而且膨潤土潤滑脂具備滴點高、制備成本低等優(yōu)點[5-6]，加入到復(fù)合鋁基潤滑脂中制備成膨潤土-復(fù)合鋁基潤滑脂既可以改善兩種單一潤滑脂的理化性能，又可以降低生產(chǎn)成本。鑒于膨潤土-復(fù)合鋁基潤滑脂成功制備的經(jīng)驗，本研究主要在復(fù)合鈦基潤滑脂中引入膨潤土潤滑脂，以期制得高性能的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂，既降低復(fù)合鈦基潤滑脂的制備成本，又達到改善其性能的效果。

結(jié)合膨潤土潤滑脂和復(fù)合鈦基潤滑脂的制備工藝路線以及前人制備膨潤土-復(fù)合鋁基潤滑脂的相關(guān)經(jīng)驗，設(shè)計膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的制備路線，通過性能對比確定最佳的制備路線，并分別考察膨潤土潤滑脂添加量、極性助分散劑種類及添加量對膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂性能的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂制備過程中所用的原料如表1所示。

表1 主要原料的規(guī)格及生產(chǎn)廠家

1.2 性能測試方法和儀器

所制得的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的理化性能測試標準方法和儀器名稱如表2所示。

表2 測試方法及儀器名稱

1.3 分析鑒定儀器和方法

1.4 膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的制備

1.4.1 膨潤土潤滑脂的制備以基礎(chǔ)油、有機膨潤土等為原料，通過混合、活化和稠化等過程制備膨潤土潤滑脂。具體過程為：基礎(chǔ)油分成2份，將其中的1份與有機膨潤土進行混合并充分攪拌，混合物攪拌均勻后加入極性助分散劑進行活化處理，然后加入另1份基礎(chǔ)油并將混合物逐漸升溫至30～50 ℃進行稠化處理，稠化處理過程大約持續(xù)15 min，最后將混合物進行冷卻、研磨處理即可制得膨潤土潤滑脂。

1.4.2 復(fù)合鈦基潤滑脂的制備以基礎(chǔ)油、鈦酸異丙酯、硬脂酸、苯甲酸和水為原料，經(jīng)皂化反應(yīng)、脫水、高溫?zé)捴坪屠鋮s研磨等工藝制備復(fù)合鈦基潤滑脂?；A(chǔ)油采用MVI500與600N礦物基礎(chǔ)油按質(zhì)量比1∶1調(diào)合而成，鈦酸異丙酯、硬脂酸、苯甲酸和水的摩爾比為2.2∶1.1∶1.0∶3.08。將基礎(chǔ)油等分成4份，鈦酸異丙酯等分成2份。具體的制備過程為：第一步，將硬脂酸溶于1份基礎(chǔ)油中，向其中加入1份的鈦酸異丙酯，得到混合物A，同時將苯甲酸溶于1份基礎(chǔ)油中，而后向其中加入余下的1份鈦酸異丙酯，得到混合物B；第二步，將混合物A與B進行混合，加熱至90 ℃左右，并進行皂化反應(yīng)1.5 h；第三步，皂化反應(yīng)后，加入去離子水進行水化反應(yīng)；第四步，水化反應(yīng)后，攪拌逐漸升溫至120 ℃再進行脫水處理；第五步，加入剩下的2份基礎(chǔ)油，脫水完成后，將混合體系繼續(xù)升溫至180 ℃左右進行高溫?zé)捴疲詈筮M行冷卻、研磨處理，得到復(fù)合鈦基潤滑脂樣品。

圖1 混合物A的紅外吸收光譜

圖2 混合物B的紅外吸收光譜

圖3 混合物C的紅外吸收光譜

復(fù)合鈦基潤滑脂的制備過程中，分別取少量混合物A、混合物B以及混合物C(混合物A和混合物B進一步混合的物質(zhì))，進行紅外光譜分析，結(jié)果如圖1～圖3所示。由圖1～圖3可知：混合物A在波數(shù)1 740 cm-1和1 580 cm-1附近出現(xiàn)了較強的吸收峰，分別對應(yīng)正常飽和酯伸縮振動和鈦羧酸鹽的特征峰，混合物B在波數(shù)1 480 cm-1和1 580 cm-1附近出現(xiàn)了較強的吸收峰，分別對應(yīng)苯環(huán)的骨架振動和鈦羧酸鹽的特征峰，表明硬脂酸、苯甲酸與鈦酸異丙酯分別進行了酯化反應(yīng)，生成兩種鈦酸酯衍生物；混合物C在波數(shù)600 cm-1處出現(xiàn)了Ti—O—Ti吸收峰，說明A和B混合后，鈦酸酯衍生物之間發(fā)生了縮聚反應(yīng)生成大量的Ti—O—Ti結(jié)構(gòu)，能夠起到固定混合體系內(nèi)基礎(chǔ)油的作用。

1.4.3 膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的制備膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂和復(fù)合鈦基潤滑脂的制備工藝路線和工藝條件基本相同。根據(jù)加入膨潤土或者預(yù)制膨潤土潤滑脂前后順序的不同，本課題設(shè)計了4條制備膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的路線：路線a為高溫?zé)捴魄凹优驖櫷?；路線b為高溫?zé)捴魄凹宇A(yù)制膨潤土潤滑脂；路線c為高溫?zé)捴坪蠹优驖櫷?；路線d為高溫?zé)捴坪蠹宇A(yù)制膨潤土潤滑脂。利用以上4條工藝路線分別制備的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂樣品如圖4所示。對其基本理化性能進行測試，結(jié)果如表3所示。由圖4和表3可見，路線d制備的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂在外觀形貌和理化性能上都要優(yōu)于另外3條路線制得的潤滑脂樣品，因此后續(xù)工作均采用路線d制備膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂。

圖4 不同工藝路線制備的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂

表3 不同工藝路線制備的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的基本性能

1)Δr表示滾筒試驗前后的錐入度差值。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤土潤滑脂添加量對膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂性能的影響

為考察膨潤土潤滑脂添加量以及膨潤土含量對膨潤土-復(fù)合鈦基脂性能的影響，將不同膨潤土潤滑脂按不同比例與復(fù)合鈦基潤滑脂進行混合制備樣品。首先，制備膨潤土質(zhì)量分數(shù)分別為10%,12%，15%,18%，20%的5組膨潤土潤滑脂，然后每組膨潤土潤滑脂分別以質(zhì)量分數(shù)為10%,20%,30%，40%,50%與復(fù)合鈦基脂進行混合，共得到25組膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂樣品，測試所制得樣品的各項理化性能，結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可見：當預(yù)制膨潤土潤滑脂中膨潤土含量保持不變時，隨著膨潤土潤滑脂添加量增大，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的滴點呈先增大后減小的趨勢；當固定膨潤土潤滑脂的添加量時，隨著膨潤土含量增大，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的滴點呈先增大后減小的趨勢，主要是因為有機膨潤土中含有極性季銨鹽型改性劑，由于靜電作用使其對基礎(chǔ)油產(chǎn)生較強的吸附性，能夠提高基礎(chǔ)油與稠化劑結(jié)合的穩(wěn)定性[7]，因此在一定范圍內(nèi)增大膨潤土添加量，能夠增強對基礎(chǔ)油的吸附作用，滴點隨之升高；但膨潤土質(zhì)量分數(shù)超過15%后，滴點出現(xiàn)下降的趨勢，這是因為以此膨潤土含量制得的膨潤土潤滑脂稠度較大，攪拌作用無法讓膨潤土潤滑脂均勻分散在復(fù)合鈦基脂中，制得的膨潤土-復(fù)合鈦基脂對基礎(chǔ)油的束縛力減弱[8]，故滴點隨之降低。

這樣一個復(fù)雜的團隊結(jié)構(gòu)，在日常工作過程中，不免會有因文化差異以及溝通障礙造成的各種沖突事件。而這在當時是我最頭痛的事情，一個很小的沖突就會對團隊造成很大的影響，而且很多時候，這些影響又會引發(fā)一些更加負面的連鎖反應(yīng)。比如，一句簡單的“國罵”最終上升為宗族歧視問題、民族尊嚴問題等。中國工人的帶頭作用其實不是很好，由于受教育程度大都較低，易怒，粗魯。而外籍人員，在開始的時候，他們很聽話，是以試探的心態(tài)去融入團隊，當他發(fā)現(xiàn)頂頭的小領(lǐng)導(dǎo)能力不濟的時候，慢慢就會產(chǎn)生蔑視等心理。這一切，都在影響著當時團隊的氛圍。同時，因為此事，我們還受到過領(lǐng)導(dǎo)的點名批評。

由圖5(b)可見，復(fù)合鈦基潤滑脂中加入膨潤土質(zhì)量分數(shù)大于12%的膨潤土潤滑脂，隨著膨潤土潤滑脂添加量增大，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的工作錐入度逐漸減小，主要是因為膨潤土中含有長鏈親油的有機官能團，膨潤土潤滑脂中膨潤土含量越高，制得的膨潤土-復(fù)合鈦基脂含有的親油有機官能團越多，對基礎(chǔ)油能起到更好的吸附作用，一定程度上可以提高潤滑脂皂油結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使工作錐入度減小。

由圖5(c)可以明顯地看到，預(yù)制膨潤土潤滑脂中膨潤土含量越大、膨潤土潤滑脂添加量越多，制得的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的鋼網(wǎng)分油率越低，增加膨潤土含量或提高膨潤土潤滑脂添加量，可以有效增強有機膨潤土對皂油體系中基礎(chǔ)油的

圖5 預(yù)制膨潤土潤滑脂中膨潤土含量及其添加量對膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂性能的影響膨潤土質(zhì)量分數(shù)：■—10%; ●—12%; ▲—15%;

吸附力而減少游離油數(shù)量，使皂油之間的結(jié)合更緊密，持續(xù)加熱下穩(wěn)定性好，鋼網(wǎng)分油率降低。

由圖5(d)可知，膨潤土質(zhì)量分數(shù)為10%和12%的膨潤土潤滑脂由于稠度小、滾筒安定性差，隨著其添加量增大，制備的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂滾筒安定性逐漸變差；但對于膨潤土質(zhì)量分數(shù)大于12%的膨潤土潤滑脂，隨著其添加量增大，制備出的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的Δr呈先增大后減小的趨勢，分析認為是有機膨潤土表面的羥基起到了氫鍵的作用，當膨潤土含量或膨潤土潤滑脂添加量達到一定水平后，這些“氫鍵”能夠增強膨潤土與鈦皂纖維之間的作用力，很大程度上提高了膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[7]，Δr減小，滾筒安定性得到提高。

通過考察不同原料配方制得的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的基本理化性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膨潤土潤滑脂中膨潤土質(zhì)量分數(shù)為15%、膨潤土潤滑脂質(zhì)量分數(shù)為30%時，制備的膨潤土-復(fù)合鈦基膨潤土潤滑脂的各項基本性能處于較好的水平，因此采用該配方制備膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂。

2.2 助分散劑對膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂性能的影響

采用優(yōu)化的合成路線和配方制備膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂，分別加入甲醇、無水乙醇、丙三醇和碳酸丙烯酯4類常用的助分散劑，每種助分散劑的添加量(w)為10%，20%，30%，40%，考察助分散劑的種類和添加量對膨潤土-復(fù)合鈦基脂性能的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)可見，隨著極性助分散劑添加量增大，制得的膨潤土-復(fù)合鈦基脂的滴點呈先緩慢升高再降低的趨勢，其中加入無水乙醇作助分散劑的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂滴點升高最明顯，說明無水乙醇對于提高其熱安定性的效果最好；當助分散劑的添加質(zhì)量分數(shù)為30%時，制得的潤滑脂的熱安定性最佳，滴點最高。

由圖6(b)和(d)可以看出，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的稠度隨助分散劑添加量增加而增大，其工作錐入度以及滾筒安定性試驗的Δr都隨助分散劑添加量增加而減小，其中添加質(zhì)量分數(shù)為40%的無水乙醇時，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的增稠效果明顯，凝膠效果最佳。

圖6 極性助分散劑對膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂性能的影響■—甲醇; ●—無水乙醇; ▲—丙三醇; 碳酸丙烯酯

由圖6(c)可見，隨著助分散劑添加量增大，膨潤土-復(fù)合鈦基脂的鋼網(wǎng)分油率逐漸減小，即膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的膠體安定性提高，其中無水乙醇對于改善其鋼網(wǎng)分油情況具有很好的效果，當其添加量(w)為40%時制備的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂膠體安定性優(yōu)異，鋼網(wǎng)分油率僅為0.3%。

綜合以上分析可知，助分散劑的種類和添加量會對膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂性能產(chǎn)生較大影響，其中無水乙醇作為助分散劑與膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂體系具有較好的配伍性，當其添加量(w)為40%時，制得的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的綜合性能最好。

3 膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的性能評定

向基礎(chǔ)油中加入質(zhì)量分數(shù)為15%的有機膨潤土，混合攪拌后繼續(xù)向有機膨潤土-基礎(chǔ)油體系中加入質(zhì)量分數(shù)為40%的無水乙醇增強凝膠效果，機械攪拌一段時間后制得膨潤土潤滑脂，放置備用；復(fù)合鈦基脂經(jīng)過高溫?zé)捴坪螅蚧旌象w系中加入質(zhì)量分數(shù)為30%的預(yù)制膨潤土潤滑脂制備得到膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂，測試其基本理化性能，并將其與復(fù)合鈦基潤滑脂、膨潤土潤滑脂進行對比，評價其性能特點以及分析兩種潤滑脂的相容性，結(jié)果如表5所示。

表5 3種潤滑脂的性能對比

由表5可知：膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂既保持了復(fù)合鈦基潤滑脂和膨潤土潤滑脂的優(yōu)點，尤其是高滴點特性，又改善了膨潤土潤滑脂機械安定性不佳以及復(fù)合鈦基潤滑脂膠體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等缺陷；膨潤土潤滑脂與復(fù)合鈦基潤滑脂具有較好的相容性，二者結(jié)合后潤滑脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了一定程度的增強，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的抗水淋性能、膠體安定性、熱安定性、機械安定性和抗磨性等理化性能均處于較好的水平，實現(xiàn)了降低制備成本和改善理化性能的目標。在抗磨減摩性能方面，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂試驗測得的平均磨斑直徑和平均摩擦因數(shù)均處于較好的水平，其中摩擦因數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示，并利用光學(xué)顯微鏡對3種潤滑脂試驗后的鋼球磨斑表面形貌進行觀察，如圖8所示。

圖7 不同潤滑脂試驗測得的瞬時摩擦因數(shù)變化規(guī)律 —膨潤土潤滑脂; —復(fù)合鈦基潤滑脂; —膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂

圖8 不同潤滑脂試驗后的鋼球磨斑表面形貌

由上述試驗結(jié)果可以看出，膨潤土潤滑脂長磨試驗后鋼球的平均磨斑直徑最大，且鋼球表面的磨痕較深、犁溝明顯，鋼球表面的磨損較嚴重；而復(fù)合鈦基潤滑脂具有較好的抗磨性能，試驗后鋼球表面的磨痕較淺，平均磨斑直徑較?。慌驖櫷?復(fù)合鈦基潤滑脂試驗后鋼球的平均磨斑直徑與復(fù)合鈦基脂相差不大，且鋼球表面磨痕較淺。分析認為，主要是由于復(fù)合鈦基潤滑脂在一定程度改善了膨潤土潤滑脂的機械安定性，在一定工作載荷下體系內(nèi)基礎(chǔ)油不易流失，對基礎(chǔ)油的吸附能力增強，提高了油膜的承載能力，抗磨性能得到提高[9]。由不同潤滑脂試驗時平均摩擦因數(shù)可得，相比于膨潤土潤滑脂和復(fù)合鈦基潤滑脂這兩類單一潤滑脂，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂試驗時平均摩擦因數(shù)分別減小了0.017 2和0.008 9，減摩性能提高較為顯著；而且從圖7可以看出，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂在長磨試驗過程中摩擦因數(shù)隨時間的變化更為穩(wěn)定，波動較小。說明在復(fù)合鈦基潤滑脂中加入膨潤土潤滑脂后，摩擦因數(shù)有較大程度的降低且更穩(wěn)定，減摩性能得到提高。

4 結(jié) 論

(1) 結(jié)合復(fù)合鈦基潤滑脂和膨潤土潤滑脂的制備工藝，設(shè)計了膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂合成路線，通過對比所制得膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂的性能，最終確定了高溫?zé)捴坪蠹宇A(yù)制膨潤土潤滑脂的合成路線。

(2) 針對高溫?zé)捴坪蠹又に?，設(shè)計試驗考察了膨潤土和助分散劑對膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂性能的影響，結(jié)果表明：加入質(zhì)量分數(shù)為40%的無水乙醇助分散劑，預(yù)制膨潤土質(zhì)量分數(shù)為15%的膨潤土潤滑脂，當其添加量占膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂30%時，制得的膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂綜合理化性能最佳。

(3) 復(fù)合鈦基潤滑脂與膨潤土潤滑脂具有很好的相容性，膨潤土-復(fù)合鈦基潤滑脂既保持了復(fù)合鈦基潤滑脂和膨潤土潤滑脂的優(yōu)勢性能，又改善了膨潤土潤滑脂機械安定性以及復(fù)合鈦基潤滑脂皂油結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。