均質(zhì)化處理對鋰基潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響*

任 佳 徐 狀 王卓群 蔡浩鵬 王曉波

(1.中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室 甘肅蘭州 730000；2.中國科學院大學北京 100049；3.青島市資源化學與新材料研究中心 山東青島 266000；4.青島中科潤美潤滑材料技術(shù)有限公司 山東青島 266000)

潤滑脂是滾動軸承潤滑用量最大的潤滑劑，約占滾動軸承所用潤滑劑的90%，其性能是影響軸承運行可靠性、穩(wěn)定性和長壽命的關(guān)鍵因素[1-3]。鋰基潤滑脂是潤滑脂中應用最為廣泛的一種，其年產(chǎn)量約占全世界潤滑脂總量的50%[4-5]。

潤滑脂是利用稠化劑增稠基礎(chǔ)油制備的半固體潤滑劑。稠化劑的微觀結(jié)構(gòu)一般是纖維狀、棒狀等[6-8]，其微觀結(jié)構(gòu)和分散狀態(tài)決定潤滑脂的性能，而潤滑脂稠化劑的微觀結(jié)構(gòu)和分散狀態(tài)取決于稠化劑的類型和制備工藝[9-11]。鋰基潤滑脂最常用的稠化劑為12-羥基硬脂酸鋰，其制備工藝一般包括皂化、煉化、降溫和均質(zhì)化4個重要階段[12]。目前，關(guān)于鋰基稠化劑微觀結(jié)構(gòu)與制備工藝之間的相關(guān)性已有較多報道。KIMURA等[13]考察了12-羥基硬脂酸鋰在酯類油中煉化后的降溫方式對稠化劑微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，較快的降溫速率可得到較短的稠化劑纖維。DELGADO等[14]研究了鋰基潤滑脂制備工藝中不同階段的微觀結(jié)構(gòu)和流變性能的變化，發(fā)現(xiàn)稠化劑在降溫階段形成纖維結(jié)構(gòu)；流變性能與皂濃度、稠化劑相轉(zhuǎn)變溫度和冷卻速率相關(guān)。XU等[15]在制備鋰基潤滑脂時采用煉化后添加不同質(zhì)量冷油的方式,考察了降溫方式對稠化劑微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明隨著添加冷油質(zhì)量的增加，得到的稠化劑纖維長度降低。以往研究多關(guān)注皂化、煉化和降溫過程對鋰基稠化劑微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，而均質(zhì)化對鋰基潤滑脂稠化劑微觀結(jié)構(gòu)和性能影響的研究較少，缺少指導均質(zhì)化操作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以目前均質(zhì)化階段多依賴經(jīng)驗操作，導致鋰基潤滑脂質(zhì)量批次穩(wěn)定性較差，使軸承潤滑存在一定失效風險。

三輥研磨機是潤滑脂均質(zhì)化的重要設(shè)備，隨著機電控制和磨輥技術(shù)的發(fā)展，三輥研磨機可實現(xiàn)輥間距在微米級別的精確調(diào)控。為明確三輥研磨機的輥間距對鋰基潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，本文作者采用不同輥間距研磨處理了鋰基潤滑脂，表征了樣品稠化劑的微觀結(jié)構(gòu)，測試了樣品的錐入度、滴點、機械安定性、膠體安定性和流變性能，分析了微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)性。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及樣品制備

1.1.1 試驗試劑及材料

12-羥基硬脂酸(C18H36O3，12-Hydroxystearic acid)和單水氫氧化鋰(LiOH·H2O)購買于上海麥克林生化科技有限公司；MVI 500購買于荊門石化總廠，40 ℃黏度為82.12 mm2/s，100 ℃黏度為8.46 mm2/s，黏度指數(shù)為62；正庚烷(98%)購買于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.1.2 鋰基潤滑脂的制備

在5 L的反應釜中加入2 580 g的MVI500基礎(chǔ)油和360 g的12-羥基硬脂酸，然后開啟攪拌和加熱，升溫至90 ℃；再將60 g單水氫氧化鋰的水溶液緩慢加入到反應釜中；保溫反應2 h，然后緩慢升溫至220 ℃煉化20 min，開啟冷凝水，冷卻至室溫，得到鋰基潤滑脂。

將上述制備的鋰基潤滑脂樣品分為5份，其中4份采用輥間距可精確調(diào)整的三輥研磨機(EXAKT 80E PLUS)研磨處理。三輥研磨機示意圖見圖1。

圖1 三輥研磨機示意

潤滑脂研磨處理輥間距設(shè)置和對應樣品名稱見表1，研磨輥間距的設(shè)置主要參考文獻[16-17]，研磨輥R1、R2、R3的轉(zhuǎn)速比設(shè)置為1∶3∶9，研磨輥R3的轉(zhuǎn)速為300 r/min。

表1 潤滑脂研磨處理輥間距設(shè)置

1.2 試驗方法

1.2.1 潤滑脂理化性能測試

潤滑脂的工作錐入度和延長工作錐入度(105次)測試依據(jù)國家標準GB/T 269。潤滑脂滴點測試根據(jù)GB/T 3498。潤滑脂的鋼網(wǎng)分油性能依據(jù)SH/T 0324。潤滑脂的滾筒安定性能測試依據(jù)SH/T 0122，測試溫度為80 ℃，測試周期為2 h。壓力過濾分油性能測試根據(jù)ISO 22285。

1.2.2 潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)和流變學性能測試

潤滑脂稠化劑的微觀結(jié)構(gòu)表征采用日本電子株式會社的掃描顯微鏡(JSM-7610F)。首先在碳支持膜上均勻涂抹一薄層潤滑脂，然后用鑷子將其平放在裝有正庚烷溶劑的可密封的玻璃器皿中浸泡，直至潤滑脂樣品中的基礎(chǔ)油洗脫干凈，再將碳支持膜取出干燥，噴金后觀察稠化劑的形貌和分散狀態(tài)。

潤滑脂樣品的流變學性能儲能模量(G′)和損耗模量(G″)測試采用Anton Parr的流變儀(MCR 302)，測試模式為平板和振蕩模式，測試間距為1 mm，剪切變形量設(shè)置為0.01%～200%。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋰基潤滑脂紅外和微觀結(jié)構(gòu)表征

圖2所示為12-羥基硬脂酸和制備的鋰基潤滑脂的紅外譜圖。從鋰基潤滑脂的紅外譜圖中可以看出，位于3 305 cm-1處的吸收峰為來自于12-羥基硬脂酸的-OH伸縮振動，位于2 900 cm-1處的強寬吸收峰是基礎(chǔ)油MVI 500中-CH3和CH2的伸縮振動，位于1 578 cm-1處的吸收峰是12-羥基硬脂酸鋰中的-COO的伸縮振動，位于1 457和1 377 cm-1處的吸收峰分別是基礎(chǔ)油中的-CH2和CH3的變形振動，位于721 cm-1處的吸收峰是基礎(chǔ)油-CH2-面內(nèi)搖擺振動[18]。對比12-羥基硬脂酸和鋰基潤滑脂的紅外譜圖可以看出，來源于12-羥基硬脂酸中位于1 738 cm-1處的C=O特征吸收峰在鋰基潤滑脂的紅外譜圖中消失，而且位于1 578 cm-1處的羧酸鋰中的-COO的伸縮振動吸收峰出現(xiàn)，表明12-羥基硬脂酸和氫氧化鋰反應完全，成功制備鋰基潤滑脂。

圖2 12-羥基硬脂酸和鋰基潤滑脂紅外譜圖

圖3所示為采用不同輥間距研磨處理潤滑脂稠化劑的微觀結(jié)構(gòu)照片?？梢钥闯觯瑵櫥砘瘎檩^短的纖維狀。對比未研磨處理的潤滑脂Li和不同輥間距研磨處理潤滑脂中的稠化劑，可以看出未研磨處理的潤滑脂中的稠化劑團聚嚴重，研磨處理后潤滑脂的稠化劑趨于均勻分散，團聚體消失，這是由于研磨處理使團聚的稠化劑纖維在兩研磨輥之間的剪切作用力下被打開和分散。而且稠化劑的分散程度隨著研磨輥間距的減小逐漸提高，由于研磨輥間距減小，研磨輥之間的剪切應力逐漸升高，有助于稠化劑的分散[19]。三輥機的分散效應是由于研磨輥的間距中產(chǎn)生的高剪切應力而形成，減小研磨輥之間的間距可以增加剪切應力的強度，有助于分散效應的實現(xiàn)[16,20]。

圖3 不同輥間距研磨潤滑脂稠化劑的SEM照片：(a1),(a2) Li；(b1),(b2) Li-70;(c1),(c2) Li-30;(d1),(d2) Li-15;(e1),(e2) Li-5

2.2 鋰基潤滑脂基礎(chǔ)性能測試

圖4所示為分別采用不同輥間距研磨處理后潤滑脂的錐入度和滴點變化曲線。從圖4(a)中可以看出，隨著研磨處理輥間距的變小，潤滑脂的錐入度逐漸減小，即潤滑脂逐漸變硬。研磨處理的輥間距逐漸減小，兩研磨輥之間的剪切作用力逐漸增強，潤滑脂中稠化劑的分散程度在較強剪切力的作用下逐漸提高[21]，稠化劑的比表面積增大，因此和基礎(chǔ)油的相互作用增強，潤滑脂變硬，錐入度降低。從圖4(b)中可以看出，潤滑脂的滴點隨著研磨處理輥間距的減小無顯著變化，約為208 ℃。潤滑脂的滴點主要取決于稠化劑的類型，所以滴點無顯著變化[22]。

圖4 不同輥間距研磨處理后潤滑脂樣品的錐入度和滴點

潤滑脂在服役過程中的剪切作用下，其錐入度會逐漸變大。錐入度的變化代表潤滑脂的機械安定性，為考察研磨處理對潤滑脂機械安定性的影響，文中分別采用延長工作錐入度測試儀和滾筒安定性測試儀對潤滑脂樣品進行測試。圖5所示為潤滑脂樣品的機械安定性測試后錐入度變化的柱狀圖，圖5(a)所示為采用延長工作錐入度測試儀測試后潤滑脂樣品錐入度的變化，圖5(b)所示為采用滾筒安定性測試儀測試后各潤滑脂樣品錐入度的變化?？梢钥闯?，未研磨處理的鋰基潤滑脂Li的錐入度在測試后減小，而研磨處理后的潤滑脂樣品在測試后錐入度顯著升高，且隨著研磨輥間距的減小，鋰基潤滑脂的錐入度變化值逐漸增大。這是由于未研磨潤滑脂中的稠化劑分散不均勻，團聚嚴重，剪切作用的過程起到了分散的作用，使得稠化劑趨于均勻分散，增大了稠化劑和基礎(chǔ)油相互作用的界面，增強了稠化劑和基礎(chǔ)油之間的作用力，從而潤滑脂錐入度變小[14]。研磨處理后的潤滑脂在測試后錐入度變大是在機械安定性測試過程中的較強剪切作用破壞了稠化劑的纖維結(jié)構(gòu)造成的。

圖5 不同輥間距研磨處理后潤滑脂樣品的機械安定性

潤滑脂的分油性能測試是其膠體安定性表征的重要方法，文中采用2種分油性能的測試方法評價不同輥間距研磨處理的潤滑脂在溫度、載荷等作用下的膠體安定性，分別為鋼網(wǎng)分油法和壓力過濾分油法。圖6所示為潤滑脂樣品的分油曲線，圖6(a)所示為潤滑脂樣品鋼網(wǎng)分油的質(zhì)量分數(shù)，圖6(b)所示為潤滑脂樣品壓力過濾分油的質(zhì)量分數(shù)?？梢钥闯觯刺幚淼臐櫥琇i的分油質(zhì)量分數(shù)較高，研磨處理后的潤滑脂樣品的分油質(zhì)量分數(shù)顯著降低，且隨著研磨處理輥間距的變小，分油質(zhì)量分數(shù)逐漸減低。這是由于未研磨潤滑脂Li的稠化劑團聚嚴重，對基礎(chǔ)油束縛能力較弱造成的；隨著研磨輥間距的變小，潤滑脂稠化劑的均勻分散程度提高，對基礎(chǔ)油的束縛能力逐漸增強，所以分油質(zhì)量分數(shù)降低[17，23]。

圖6 不同輥間距研磨處理后潤滑脂樣品的分油性能

2.3 鋰基潤滑脂流變性能測試

潤滑脂的流變學性能與潤滑脂流動特性、潤滑性能和泵送性能具有重要的關(guān)聯(lián)性。儲能模量(G′)和損耗模量 (G″)是表征潤滑脂黏彈性的重要流變性能參數(shù)，潤滑脂的儲能模量(G′)和損耗模量 (G″) 隨著剪切應力的增強會逐漸降低并相交于一點，交點即為潤滑脂由半流體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w態(tài)的轉(zhuǎn)變點，交點處的剪切應力可表征潤滑脂的結(jié)構(gòu)強度。

圖7所示為鋰基潤滑脂脂樣品的流變學性能測試結(jié)果。圖7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示為儲能模量(G′)和損耗模量 (G″)的曲線，可以看出，隨著剪切變形量的增加，儲能模量(G′)和損耗模量 (G″)在經(jīng)歷線性黏彈區(qū)后逐漸降低，在非線性黏彈區(qū)相交于一點，表明潤滑脂從半流體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w態(tài)；且在交點之前儲能模量(G′)始終大于損耗模量 (G″)，表明潤滑脂以彈性為主。圖7(f)是根據(jù)儲能模量和損耗模量曲線得到的相轉(zhuǎn)變點的剪切應力柱狀圖，可以看出，隨著研磨輥間距的減小，鋰基潤滑脂相轉(zhuǎn)變點的剪切應力逐漸增大，即潤滑脂的結(jié)構(gòu)強度逐漸增強。這是由于隨著研磨輥間距的減小，團聚的稠化劑被打開和均勻分散，增大了稠化劑的比表面積，增強了稠化劑與基礎(chǔ)油的相互作用力，提升了潤滑脂的結(jié)構(gòu)強度[24]。

圖7 不同輥間距研磨處理后潤滑脂樣品的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和相轉(zhuǎn)變點

3 結(jié)論

(1)與未研磨處理的潤滑脂相比，研磨后潤滑脂的稠化劑分散均勻，且隨著研磨輥間距的減小，稠化劑分散均勻程度逐漸提高。

(2)與未研磨處理的潤滑脂相比，研磨后潤滑脂的錐入度顯著降低，滴點無顯著變化；隨著研磨輥間距的減小，膠體安定性和結(jié)構(gòu)強度逐漸升高，機械安定性降低。

(3)潤滑脂的性能與稠化劑的微觀結(jié)構(gòu)具有顯著的相關(guān)性，研磨處理可提升稠化劑的分散均勻程度，增大稠化劑和基礎(chǔ)油相互作用的比表面積，從而增強其相互作用力。