連續(xù)與間斷熱作用對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性的影響

潘家保，錢 明，周 彬，唐鈴鳳，曹 帥

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.江蘇大學(xué) 國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

潤滑脂為結(jié)構(gòu)性的膠體分散體系，流動(dòng)過程中展現(xiàn)出特有的流變特性[1]。穩(wěn)定膠體分散體系是潤滑脂保持良好性能的保證。熱作用是影響潤滑脂膠體穩(wěn)定性的重要因素之一，長時(shí)間置于高溫環(huán)境下的潤滑脂將會(huì)出現(xiàn)熱老化[2]。潤滑脂在摩擦副間隙內(nèi)工作時(shí)不可避免地會(huì)遭受熱作用，特別是高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的高溫工況[3]。因此，有必要對(duì)潤滑脂在承受熱作用后的性能變化情況展開研究，以探明各影響因素對(duì)熱作用引起的潤滑脂性能變化的影響規(guī)律及作用機(jī)理。

潤滑脂受熱過程中的性能變化主要表現(xiàn)為潤滑脂的熱老化，研究人員對(duì)其開展了廣泛研究。Bartz[4]研究發(fā)現(xiàn)脂潤滑過程中存在理化性能變化的老化現(xiàn)象，溫度是最為關(guān)鍵因素，溫度每提高10℃，潤滑脂壽命將下降50%。Cann等[5-6]在開展軸承內(nèi)部潤滑脂熱老化行為研究過程中得到了類似的結(jié)論，即軸承內(nèi)部溫度是影響軌道內(nèi)潤滑脂熱老化的重要因素。Wu等[7]發(fā)現(xiàn)潤滑介質(zhì)熱老化產(chǎn)物(過氧化物)會(huì)惡化其潤滑性能，摩擦副表面的減摩抗磨性能被明顯削弱。同時(shí)，潤滑脂熱老化特性變化與流變特性變化有直接的關(guān)聯(lián)性。Couronne等[8]借助流變特性和光譜分析研究了最高和極限使用溫度下的潤滑脂熱老化行為，發(fā)現(xiàn)最高使用溫度下潤滑脂并沒有出現(xiàn)熱老化，僅表現(xiàn)為物理結(jié)構(gòu)的變化；而極限使用溫度下表現(xiàn)為化學(xué)變化的熱老化行為，并伴隨有老化產(chǎn)物出現(xiàn)。沈鐵軍等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，隨老化時(shí)間增加，潤滑脂膠體體系發(fā)生改變，出現(xiàn)了稠度增加的固化現(xiàn)象，潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂、膠體的相轉(zhuǎn)變溫度也將會(huì)發(fā)生改變，并伴隨有相應(yīng)的熱老化產(chǎn)物出現(xiàn)。Pan等[11-12]研究了潤滑脂受熱過程中的潤滑性能變化及潤滑脂結(jié)構(gòu)老化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)特性的改變會(huì)對(duì)潤滑性能產(chǎn)生影響。潤滑脂熱老化過程為潤滑脂膠體體系出現(xiàn)的復(fù)雜物理和化學(xué)變化過程，最終將會(huì)影響脂的潤滑性能、降低脂的使用壽命。現(xiàn)有潤滑脂熱老化特性研究，其模擬的工況均是潤滑脂承受連續(xù)性的熱作用。然而，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)并不是一直保持連續(xù)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)均存在周期性的停車階段。停車階段摩擦副表面溫度將會(huì)恢復(fù)至室溫。而潤滑脂具有熱流變及觸變特性，溫度降低后潤滑脂結(jié)構(gòu)又能夠較好地恢復(fù)[13～15]。這意味著，潤滑脂承受了間斷性熱作用，但關(guān)于間斷性熱作用對(duì)潤滑脂結(jié)構(gòu)性能影響規(guī)律方面的探討并未發(fā)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。

基于此，筆者采用實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)加熱的方法模擬復(fù)合鋰基潤滑脂在摩擦副間隙內(nèi)承受連續(xù)和間斷熱作用工況，制備了120℃和180℃連續(xù)及間斷加熱120 h(確保樣品能夠出現(xiàn)較為顯著變化[9])后的復(fù)合鋰基潤滑脂樣品，開展了復(fù)合鋰基潤滑脂黏彈特性、流動(dòng)特性和觸變性能研究，進(jìn)一步結(jié)合場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和FTIR光譜結(jié)果開展流變特性變化機(jī)理分析，以探明連續(xù)和間斷熱作用對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和試劑

實(shí)驗(yàn)樣品選用HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂(中國石化潤滑油天津分公司產(chǎn)品)，其主要組成及技術(shù)參數(shù)如表1所示。正庚烷，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；乙醇，分析純，常州恒光化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

1.2 處理方法

選用120℃、180℃為樣品的靜態(tài)熱處理溫度，處理時(shí)間為120 h。其中：120℃為略低于復(fù)合鋰基潤滑脂推薦最高使用溫度(推薦最高使用溫度一般低于極限耐高溫30～50℃)，180℃為復(fù)合鋰基潤滑脂極限耐高溫的溫度。連續(xù)熱作用：恒溫干燥箱處理120 h后取出，室溫下空冷；間斷熱作用：干燥箱每處理24 h取出后室溫下空冷、靜置24 h，重復(fù)5次，即間斷累計(jì)靜態(tài)熱處理120 h。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 微觀形貌表征

采用德國卡爾蔡司股份有限公司的Supera 55 FESEM，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試條件：15 kV，高真空模式，放大倍數(shù)：20000。FESEM試樣制取方法：復(fù)合鋰基潤滑脂經(jīng)正庚烷萃取基礎(chǔ)油3～4次；分離出的稠化劑經(jīng)超聲分散溶解至無水乙醇，形成懸浮液；將懸浮液滴于銅片上，自然干燥后噴金。

表1 HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂主要組成及技術(shù)參數(shù)Table 1 Main compositional and technical data for the HP-R lithium complex grease

1) Viscosity index of base oil

1.3.2 流變特性測(cè)試

采用奧地利安東帕股份有限公司的Physica MCR 302旋轉(zhuǎn)流變儀，實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度：25℃，測(cè)試模塊：光滑平板-平板測(cè)試系統(tǒng)(測(cè)試平板的直徑：50 mm，平板間的測(cè)試間距：1 mm)。

黏彈特性測(cè)試：采用旋轉(zhuǎn)流變儀振蕩剪切模式下的控制應(yīng)變實(shí)驗(yàn)。振蕩頻率：1 Hz，掃描應(yīng)變范圍：10-1%～102%，測(cè)試儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨掃描應(yīng)變值的變化規(guī)律。

流動(dòng)特性測(cè)試：采用旋轉(zhuǎn)流變儀連續(xù)剪切模式下的控制剪切速率實(shí)驗(yàn)。剪切速率范圍：10-2s-1～102s-1，測(cè)試剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化規(guī)律。

觸變性測(cè)試：采用旋轉(zhuǎn)流變儀分段連續(xù)剪切模式的控制剪切速率實(shí)驗(yàn)。剪切速率分3段，分別為0.01 s-1～10 s-1、10 s-1、10 s-1～0.01 s-1，每階段持續(xù)180 s，取點(diǎn)30個(gè)，測(cè)試黏度隨剪切速率的變化規(guī)律，分析各復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的觸變環(huán)面積變化情況。

1.3.3 紅外光譜分析

采用日本島津公司IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀開展各復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的紅外光譜分析，波數(shù)范圍：400～4000 cm-1，對(duì)比分析120℃、180℃連續(xù)及間斷熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的紅外光譜特征峰相對(duì)于新鮮復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的紅外光譜特征峰變化，進(jìn)而判斷熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂的分子基團(tuán)及化學(xué)鍵變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 新鮮和120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂的微觀形貌

圖1給出了新鮮HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)骨架的微觀形貌。由圖1看到，其形態(tài)為高度纏結(jié)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。潤滑脂能夠表現(xiàn)出特有潤滑性能，歸因于呈高度纏結(jié)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的皂纖維受力時(shí)表現(xiàn)出復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)變的變化規(guī)律。潤滑脂皂纖維纏結(jié)使其在剪切過程中能夠承受一定的外力，表現(xiàn)出黏彈性。當(dāng)施加的外力較小時(shí)，潤滑脂表現(xiàn)出固體的彈性特性；而當(dāng)施加的外力足以破壞其皂纖維纏結(jié)時(shí)，潤滑脂將會(huì)展現(xiàn)出液體的黏性特性。而潤滑脂結(jié)構(gòu)被破壞后，撤去施加在其上的外力，皂纖維又能夠逐漸地恢復(fù)，進(jìn)而使得潤滑脂能夠維持其原有的結(jié)構(gòu)形態(tài)[13]。潤滑脂受力流動(dòng)過程中的應(yīng)力和應(yīng)變特性，稱之為潤滑脂流變特性。流變特性變化必將與其皂纖維纏結(jié)具有緊密的關(guān)聯(lián)性。為此，分析熱作用對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性的影響，需先對(duì)承受熱作用處理之后的復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維微觀形貌展開探究，以用于后續(xù)復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性變化機(jī)理的探討。

圖1 新鮮HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photo of fresh HP-R lithium complex grease

圖2分別給出了120℃和180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后各復(fù)合鋰基潤滑脂微觀形貌。由圖2(a)、(b)可以看出，120℃持續(xù)和間斷熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的皂纖維結(jié)構(gòu)依然保持高度纏結(jié)形態(tài)，與圖1 所示新鮮復(fù)合鋰基潤滑脂微觀形貌表現(xiàn)出高度一致性；連續(xù)熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維形貌與間斷熱作用后的復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維形貌之間并未發(fā)現(xiàn)明顯差異性。由圖2(c)、(d)看到，180℃持續(xù)及間斷熱作用后的復(fù)合鋰基潤滑脂樣品皂纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯變化，皂纖維表面出現(xiàn)了較為密集裂紋；連續(xù)與間斷熱作用下樣品的微觀形貌差異性并不明顯，主要是因?yàn)镕ESEM在潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)的細(xì)致表達(dá)方面無法發(fā)揮很好的效果，僅在形貌發(fā)生明顯變化時(shí)，可以直觀地顯示出來。為此，需要進(jìn)一步借助細(xì)致的實(shí)驗(yàn)手段來探究復(fù)合鋰基潤滑脂結(jié)構(gòu)形態(tài)的在承受持續(xù)及間斷熱作用后的變化規(guī)律。

圖2 120℃和180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后各HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of all HP-R lithium complex greases after continuous and intermittent heated for 120 h at 120℃ and 180℃(a) 120℃ continuous heated; (b) 120℃ intermittent heated; (c) 180℃ continuous heated; (d) 180℃ intermittent heated

2.2 120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂的紅外光譜

圖3給出了120℃和180℃下承受熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的紅外光譜與新鮮潤滑脂紅外光譜對(duì)比圖。表2列出了圖3中的紅外光譜上各特征峰所對(duì)應(yīng)的分子基團(tuán)或化學(xué)鍵。FTIR在定性分析方面展現(xiàn)出較好的效果，而定量分析并不具有明顯的優(yōu)勢(shì)[16]。FTIR光譜分析主要觀察各樣品中原有特征峰是否消失，以及是否有新特征峰產(chǎn)生。由圖3可以看出，各復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的紅外光譜非常相似，這意味著復(fù)合鋰基潤滑脂在承受熱作用后整體化學(xué)結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生非常大變化，其主要分子基團(tuán)仍然維持完好。特別地，120℃連續(xù)和間斷熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品FTIR光譜與新鮮潤滑脂樣品FTIR光譜圖表現(xiàn)出較好一致性。這說明，在該溫度下承受熱作用的復(fù)合鋰基潤滑脂樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變，這與皂纖維結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變是對(duì)應(yīng)的。然而，180℃下持續(xù)和間斷處理后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的FTIR光譜在1735 cm-1附近有新的特征峰出現(xiàn)，所對(duì)應(yīng)的分子基團(tuán)為酮類、脂類的C=O 基團(tuán)，為稠化劑氧化后的產(chǎn)物[9]；同時(shí)，1190 cm-1和938 cm-1處原有特征峰在180℃下持續(xù)和間斷處理后接近消失，其對(duì)應(yīng)的為復(fù)合鋰基潤滑脂稠化劑上面的分子基團(tuán)和化學(xué)鍵。特別是，938 cm-1是長鏈脂肪酸羧酸COH面外彎曲振動(dòng)，為復(fù)合鋰基潤滑脂稠化劑的典型結(jié)構(gòu)。由此可見，復(fù)合鋰基潤滑脂樣品在承受該溫度下的熱作用后出現(xiàn)了化學(xué)變化。這與復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維微觀形貌發(fā)生了變化也是相對(duì)應(yīng)的，即180℃持續(xù)與間斷熱作用下皂纖維結(jié)構(gòu)在120 h加熱處理后均出現(xiàn)了明顯裂紋，這種變化為化學(xué)變化過程。

圖3 120℃和180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后各復(fù)合鋰基潤滑脂與新鮮潤滑脂的紅外光譜比較Fig.3 FTIR comparison diagrams of fresh sample and all HP-R lithium complex greases after continuous and intermittent heated for 120 h at 120℃ and 180℃

由圖3和表2可見，120℃熱作用下的復(fù)合鋰基潤滑脂樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)并沒有出現(xiàn)改變；而180℃熱作用下的復(fù)合鋰基潤滑脂樣品將會(huì)出現(xiàn)氧化分解現(xiàn)象，并伴隨有氧化產(chǎn)物的出現(xiàn)。皂纖維微觀形貌和樣品FTIR光譜僅能反映復(fù)合鋰基潤滑脂靜態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)變化情況。為此，需進(jìn)一步開展的復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性研究，以探究的復(fù)合鋰基潤滑脂承受動(dòng)態(tài)剪切下的性能變化規(guī)律。

表2 圖3的FTIR光譜中的特征峰及所對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)和鍵Table 2 Characteristic peaks of FTIR spectra in Fig.3 and corresponding molecular group/bond

2.3 新鮮和120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂的流變特性測(cè)試

2.3.1 黏彈特性

圖4給出了新鮮和120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后各復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的儲(chǔ)能模量和損耗模量隨掃描應(yīng)變的變化規(guī)律。由圖4可以看出，各樣品的儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨剪切應(yīng)變的變化曲線表現(xiàn)出類似變化規(guī)律。較低剪切應(yīng)變值區(qū)域內(nèi)，各樣品的儲(chǔ)能模量(G′)均比其損耗模量(G″)值高。這表明各復(fù)合鋰基潤滑脂樣品在較小應(yīng)變作用下保持著固體特性。隨應(yīng)變值增加，儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)最終交匯，意味著復(fù)合鋰基潤滑脂彈性變形所儲(chǔ)存的能量小于其黏性流動(dòng)所損耗的能量，復(fù)合鋰基潤滑脂開始流動(dòng)[17]。為了更深入地分析復(fù)合鋰基潤滑脂黏彈特性，對(duì)應(yīng)變掃描曲線變化規(guī)律展開詳細(xì)討論。

圖5給出了新鮮復(fù)合鋰基潤滑脂儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)及損耗因子(tanδ)隨掃描應(yīng)變的變化規(guī)律。由圖5可以看出，應(yīng)變值較小時(shí)，復(fù)合鋰基潤滑脂儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)均基本維持恒定值[17]。隨著應(yīng)變的增加，且當(dāng)應(yīng)變超過一定值(0.11%)時(shí)，儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)將發(fā)生變化，并最終趨于相交。儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變稱為臨界應(yīng)變，為復(fù)合鋰基潤滑脂線性和非線性黏彈性區(qū)域分界點(diǎn)。線性黏彈性區(qū)域內(nèi)，復(fù)合鋰基潤滑脂應(yīng)力與應(yīng)變呈正比，表現(xiàn)出線性關(guān)系。而非線性黏彈性區(qū)域內(nèi)，復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維遭到破壞，儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)逐步改變，并最終相交，即復(fù)合鋰基潤滑脂開始流動(dòng)。可通過損耗因子(tanδ)來確定流動(dòng)點(diǎn)位置。實(shí)際上：損耗因子(tanδ)為潤滑脂損耗模量(G″)與儲(chǔ)能模量(G′)的比值，即tanδ=G″/G′，反映了潤滑脂承受剪切時(shí)能量的耗損程度。當(dāng)G″>G′，即tanδ>1時(shí)，潤滑脂流動(dòng)損耗的能量大于形變儲(chǔ)存的能量，表現(xiàn)出流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)G″=G′，即tanδ=1

圖4 新鮮和120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂的的儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨掃描應(yīng)變的變化曲線Fig.4 Storage modulus(G′) and loss modulus(G″) vs sweep strain of fresh sample and all HP-R lithium complex greases after continuous and intermittent heated for 120 h at 120℃ and 180℃

時(shí)為臨界狀態(tài)。因而，該點(diǎn)被稱作流動(dòng)點(diǎn)[17-18]。

圖5 新鮮復(fù)合鋰基潤滑脂儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)及損耗因子(tanδ)隨掃描應(yīng)變的變化規(guī)律Fig.5 Storage modulus(G′), loss modulus(G″) and loss factor (tanδ) vs sweep strain of fresh lithium complex grease

SampleStorage modulus(G′)/PaLoss modulus(G″)/PaCritical strain/%Strain for flow point/%Fresh sample84700144000.1150.30120℃ continuous heated66400136000.1452.32120℃ intermittent heated71600144000.1553.91180℃ continuous heated78100258000.2464.12180℃ intermittent heated69100221000.2888.08

采用該方法對(duì)承受熱作用后的復(fù)合鋰基潤滑樣品應(yīng)變掃描曲線展開分析，得出各復(fù)合鋰基潤滑脂樣品線性黏彈性區(qū)域內(nèi)的儲(chǔ)能模量、損耗模量，臨界應(yīng)變和流動(dòng)點(diǎn)應(yīng)變值，如表3所示。由表3可知，120℃下連續(xù)和間斷熱作用120 h后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的表中各數(shù)值與新鮮復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的各數(shù)值基本表現(xiàn)了較好的一致性。僅儲(chǔ)能模量數(shù)值與新鮮樣品有一定的差異性，這主要?dú)w因于復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維纏結(jié)在該溫度下出現(xiàn)的一定程度解纏，使得儲(chǔ)能模量降低，且持續(xù)熱作用下復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維纏結(jié)的解纏程度較高[11]。180℃下連續(xù)熱作用120 h后潤滑脂線性黏彈性內(nèi)的儲(chǔ)能模量值和損耗模量均比120℃持續(xù)和間斷熱作用下的樣品高，這說明復(fù)合鋰基潤滑脂表現(xiàn)出了更高的稠度，其流動(dòng)需要損耗更多的能量[17]；而臨界應(yīng)變和流動(dòng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變相較于120℃熱作用下的樣品均有了較大幅度改變，這也意味著復(fù)合鋰基潤滑脂的結(jié)構(gòu)性能相較于新鮮脂和120℃熱作用下的樣品有了較大幅度的改變。180℃下間斷熱作用后的復(fù)合鋰基潤滑脂樣品儲(chǔ)能模量和損耗模量均低于180℃下連續(xù)熱作用后的樣品，但是臨界應(yīng)變和流動(dòng)點(diǎn)的應(yīng)變值卻表現(xiàn)出相反的關(guān)系。這與筆者前期關(guān)于通用鋰基潤滑脂熱流變特性的研究結(jié)果是不一致的[14]。熱流變研究過程中，潤滑脂儲(chǔ)能模量和損耗模量隨溫度升高而降低，相應(yīng)的流動(dòng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值降低。而持續(xù)熱作用后潤滑脂儲(chǔ)能模量和損耗模量較高，流動(dòng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值卻較低。這主要因?yàn)闈櫥瑹崃髯兲匦员憩F(xiàn)為物理變化過程[18]。而180℃持續(xù)和間斷熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維均出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性的破壞，且出現(xiàn)了稠化劑的氧化分解，為化學(xué)變化過程。為揭示持續(xù)和間斷熱作用對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性的影響，筆者進(jìn)一步開展了復(fù)合鋰基潤滑脂流動(dòng)特性和觸變性實(shí)驗(yàn)研究，考察復(fù)合鋰基潤滑脂流動(dòng)時(shí)應(yīng)力特性及結(jié)構(gòu)破壞后的恢復(fù)情況。

2.3.2 流動(dòng)特性

圖6給出了新鮮和120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂在連續(xù)剪切模式下剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化規(guī)律。由圖6可見，對(duì)于新鮮復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的流動(dòng)曲線，隨剪切速率增大剪切應(yīng)力總體呈增長趨勢(shì)，但存在一個(gè)平臺(tái)區(qū)域。這主要?dú)w因于復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維呈高度纏結(jié)狀態(tài)，剪切過程中表現(xiàn)出黏彈性。平臺(tái)區(qū)域之前，復(fù)合鋰基潤滑脂主要表現(xiàn)為彈性變形；平臺(tái)區(qū)域之后，復(fù)合鋰基潤滑脂主要表現(xiàn)為黏性流動(dòng)。平臺(tái)區(qū)域之前的剪切速率非常低，低剪切速率下壁滑移對(duì)測(cè)試結(jié)果具有明顯的影響性[18]。因而流動(dòng)特性測(cè)試分析更關(guān)注平臺(tái)區(qū)域之后的結(jié)果。由圖6看到，平臺(tái)區(qū)域之后120℃熱作用120 h后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的流動(dòng)曲線與新鮮樣品的曲線非常相似，但總體而言，120℃連續(xù)和間斷熱作用所獲得的復(fù)合鋰基潤滑脂樣品流動(dòng)曲線均低于新鮮復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的，這與2.3.1節(jié)黏彈性研究結(jié)果具有較好的對(duì)應(yīng)性。這是因?yàn)樵谠摐囟认聫?fù)合鋰基潤滑脂皂纖維纏結(jié)出現(xiàn)了一定程度解纏，其流動(dòng)阻力降低[11]。然而，180℃熱作用120 h后的復(fù)合鋰基潤滑脂樣品流動(dòng)曲線則明顯高于新鮮樣品和120℃熱作用后的樣品。同時(shí)，180℃下復(fù)合鋰基潤滑脂樣品出現(xiàn)剪切屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪切速率明顯后移，且剪切屈服應(yīng)力值也明顯增大。這說明復(fù)合鋰基潤滑脂在流動(dòng)過程中表現(xiàn)出來的流動(dòng)阻力明顯地增大了，這與其結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)的變化是相關(guān)聯(lián)的。

圖6 新鮮和120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.6 Shear stress vs shear rate of fresh sample and all HP-R lithium complex greases after continuous and intermittent heated for 120 h at 120℃ and 180℃

潤滑脂黏彈特性反映了潤滑脂由不流動(dòng)狀態(tài)到流動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變規(guī)律，而流動(dòng)特性表征的是潤滑脂流動(dòng)過程中剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化規(guī)律。潤滑脂皂纖維在遭受剪切破壞后的恢復(fù)情況是潤滑脂能夠維系其原有性能的重要標(biāo)志。為此，筆者進(jìn)一步開展了復(fù)合鋰基潤滑脂觸變特性研究，以考察其結(jié)構(gòu)恢復(fù)性能情況。

2.3.3 觸變特性

圖7給出了連續(xù)剪切模式下各復(fù)合鋰基潤滑脂黏度隨剪切速率的變化規(guī)律。測(cè)試分3個(gè)階段：第1階段，剪切速率由0.01 s-1逐漸增至10 s-1；第2階段，剪切速率維持10 s-1連續(xù)剪切；第3階段，剪切速率由10 s-1逐漸降至0.01 s-1。通過旋轉(zhuǎn)流變儀的測(cè)試程序設(shè)定，對(duì)每組樣品依次完成3個(gè)階段的測(cè)試，進(jìn)而進(jìn)行復(fù)合鋰基潤滑脂觸變特性分析。由圖7可以看出，第1階段各復(fù)合鋰基潤滑脂黏度隨剪切速率增加而減小；第2階段復(fù)合鋰基潤滑脂黏度仍然在逐漸降低；而第3階段復(fù)合鋰基潤滑脂黏度隨剪切速率減小而逐漸增加。但第1階段和第3 階段的曲線并不重合，第3階段的黏度值低于第1階段的數(shù)值，兩者之間存在差值的區(qū)域構(gòu)成了觸變環(huán)。觸變環(huán)面積越小說明第1階段和第3階段的曲線越接近，意味著復(fù)合鋰基潤滑脂結(jié)構(gòu)破壞能夠得到較好的恢復(fù)。因此，觸變環(huán)面積的大小反映了復(fù)合鋰基潤滑脂承受剪切皂纖維纏結(jié)形態(tài)被破壞后的恢復(fù)能力。

表4給出了新鮮和120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后HP-R復(fù)合鋰基潤滑脂的觸變環(huán)面積。可以看出，即使是新鮮復(fù)合鋰基潤滑脂樣品，觸變環(huán)面積也有一定的數(shù)值，這主要因?yàn)閺?fù)合鋰基潤滑脂的結(jié)構(gòu)恢復(fù)需要一定時(shí)間，剪切變稀無法迅速地恢復(fù)[19]。熱作用溫度越高，復(fù)合鋰基潤滑脂的觸變環(huán)面積越大；持續(xù)熱作用后觸變環(huán)面積均比間斷熱作用后的觸變環(huán)面積大。這說明180℃熱作用下的復(fù)合鋰基潤滑脂結(jié)構(gòu)破壞程度更大，并且連續(xù)熱作用下復(fù)合鋰基潤滑脂結(jié)構(gòu)破壞程度更大。這與黏彈性、流動(dòng)性的研究結(jié)果均是一致的。

2.4 120℃、180℃熱作用對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性的影響機(jī)理分析

綜合復(fù)合鋰基潤滑脂F(xiàn)ESEM、FTIR和流變特性分析，120℃熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化為物理變化過程，復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了解纏現(xiàn)象[11]。連續(xù)熱作用對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂皂纖維纏結(jié)的解纏影響更為明顯，剪切過程中皂纖維纏結(jié)被破壞之后，恢復(fù)效果較間斷性熱作用的差。然而，180℃熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品出現(xiàn)了組分被氧化的化學(xué)變化，皂纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的破壞，膠體出現(xiàn)固化，流動(dòng)阻力增大。持續(xù)性的熱作用下，復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的皂纖維結(jié)構(gòu)被破壞的更為嚴(yán)重，因而在承受剪切過程中結(jié)構(gòu)的恢復(fù)性能更差。

圖7 新鮮和120℃、180℃連續(xù)與間斷加熱120 h后復(fù)合鋰基潤滑脂的樣品在連續(xù)剪切模式下黏度隨剪切速率的變化規(guī)律Fig.7 Viscosity vs shear rate of fresh sample and all HP-R lithium complex greases after continuous and intermittent heated for 120 h at 120℃ and 180℃(a) 120℃ continuous and intermittent heated; (b) 180℃continuous and intermittent heated

SampleThixotropic loop area/PaFresh sample3651120℃ continuous heated5865120℃ intermittent heated5038180℃ continuous heated9507180℃ intermittent heated8389

究其變化機(jī)理，主要與復(fù)合鋰基潤滑脂膠體分散體系在受熱過程中的一系列物理化學(xué)變化相關(guān)聯(lián)的。結(jié)合Sánchez等[15]的研究結(jié)果，潤滑脂膠體分散體系在高溫條件下，基礎(chǔ)油將會(huì)從皂纖維結(jié)構(gòu)骨架中分離出來，溫度越高這種效應(yīng)越明顯。基礎(chǔ)油從結(jié)構(gòu)骨架中分離出來，改變了原有體系的結(jié)構(gòu)形態(tài)，基礎(chǔ)油失去對(duì)結(jié)構(gòu)骨架較好保護(hù)作用。間斷熱作用下，由于復(fù)合鋰基潤滑脂具有較為明顯的熱流變特性及觸變性，加熱一段時(shí)間后冷卻，基礎(chǔ)油又可以分散到皂纖維結(jié)構(gòu)骨架間隙；再次進(jìn)行加熱時(shí)，基礎(chǔ)油又需要從皂纖維結(jié)構(gòu)骨架中逐漸分離出來，這相當(dāng)于對(duì)皂纖維結(jié)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用。而持續(xù)性熱作用將不會(huì)有這樣的變化過程，這也導(dǎo)致持續(xù)熱作用復(fù)合鋰基潤滑脂膠體結(jié)構(gòu)性能比間斷熱作用復(fù)合鋰基潤滑脂膠體結(jié)構(gòu)性能差。但溫度對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂結(jié)構(gòu)性能的破壞是關(guān)鍵性的，間斷熱作用雖然在一定程度上能夠減弱復(fù)合鋰基潤滑脂結(jié)構(gòu)衰退，但是并不能夠避免該現(xiàn)象。因此，復(fù)合鋰基潤滑脂在使用過程中需要避免高溫、持久性的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。

3 結(jié) 論

通過對(duì)120℃和180℃連續(xù)和間斷熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品流變特性展開分析，并結(jié)合其微觀形貌、紅外光譜對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂樣品流變特性變化機(jī)理展開探究，可以得出如下結(jié)論：

(1)120℃連續(xù)和間斷熱作用對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的影響主要表現(xiàn)為潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)纏結(jié)程度的降低、剪切流動(dòng)阻力減小、結(jié)構(gòu)恢復(fù)性能減弱。同時(shí)，連續(xù)性熱作用產(chǎn)生的影響較間斷性熱作用產(chǎn)生的影響更顯著。復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性變化是由于其皂纖維纏結(jié)發(fā)生改變的物理變化所致。

(2)180℃持續(xù)和間斷熱作用對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂樣品的影響主要表現(xiàn)為潤滑脂的熱老化、結(jié)構(gòu)破壞。持續(xù)和間斷熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂樣品均出現(xiàn)了皂纖維破裂并伴隨有氧化產(chǎn)物的出現(xiàn)，稠度增大，流動(dòng)阻力增加，結(jié)構(gòu)恢復(fù)性能衰退。同時(shí)，持續(xù)性熱作用后復(fù)合鋰基潤滑脂結(jié)構(gòu)性能衰退的更為明顯。復(fù)合鋰基潤滑脂流變特性的明顯變化是由于極限耐高溫下的潤滑脂出現(xiàn)熱老化的化學(xué)變化。

(3)高溫工況下，復(fù)合鋰基潤滑脂發(fā)生潛在的物理或化學(xué)變化均會(huì)改變其原有的體系結(jié)構(gòu)。持續(xù)性的加熱對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂性能的影響比間斷性熱作用的影響更為顯著，間歇性的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)復(fù)合鋰基潤滑脂提高使用壽命有一定幫助，但溫度仍然是影響復(fù)合鋰基潤滑脂結(jié)構(gòu)性能發(fā)生變化的關(guān)鍵因素。

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