基礎(chǔ)油黏度對鋰基脂和聚脲脂流變特性的影響

王燕霜，張璞，王東峰，車馨子，徐潤潤

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機械與汽車工程學(xué)院，濟南 250353；2.山東省機械設(shè)計研究院，濟南 250031；3.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

潤滑脂可以減輕相對運動表面的摩擦磨損，具有密封、防止污染物進入設(shè)備等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于滾動軸承的潤滑中[1]。鋰基潤滑脂和聚脲潤滑脂作為應(yīng)用最廣泛的2種潤滑脂[2]，具有良好的機械穩(wěn)定性。隨著工程機械對低能耗和使用壽命的要求越來越高，潤滑過程變得尤為重要，必須充分了解潤滑脂的流變特性和摩擦特性。

一般來說，潤滑脂是基礎(chǔ)油和稠化劑組成的膠體分散體系，其結(jié)構(gòu)是稠化劑纖維骨架將基礎(chǔ)油包裹在其中[3-4]。通過對鋰基潤滑脂流變特性的研究表明，添加劑、稠化劑類型和濃度等多種因素會影響油脂的流變行為[4-6]。在此基礎(chǔ)上，文獻[7]研究了鋰基潤滑脂的流變特性和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系；文獻[8]分析了礦物基礎(chǔ)油對潤滑脂流變特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著基礎(chǔ)油鏈烷烴含量的增加，潤滑脂表觀黏度增大；文獻[9]分析了胺分子結(jié)構(gòu)對聚脲潤滑脂流變特性的影響，發(fā)現(xiàn)稠化劑濃度和基礎(chǔ)油黏度對潤滑脂的微觀結(jié)構(gòu)影響較大；文獻[10]測試了鋰基和脲基潤滑脂在不同材料上的邊界特性，發(fā)現(xiàn)不同的壁面材料有不同的邊界層，稠化劑濃度越高，稠化劑纖維糾纏程度越高，并從微觀上做出了解釋。潤滑脂在一定溫度或剪切應(yīng)力下有析出潤滑油的趨勢，皂與油的分離直接導(dǎo)致潤滑脂稠度的改變和脂的流失，微量的分油可以保持設(shè)備潤滑，但溫度導(dǎo)致的過度分油會使油脂變稠變硬，發(fā)生熱老化行為[11]。溫度會對潤滑脂流變特性和微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[12]，探究不同溫度下潤滑脂的流變特性具有重要意義。

基礎(chǔ)油黏度作為潤滑脂的關(guān)鍵參數(shù)，對潤滑脂的選用具有指導(dǎo)意義，但目前基礎(chǔ)油黏度對潤滑脂流變特性的影響機理尚未完全清楚。本文利用旋轉(zhuǎn)流變儀測量潤滑脂的流變特性，并從微觀結(jié)構(gòu)上解釋基礎(chǔ)油黏度和溫度對潤滑脂流變特性的影響以及影響機理。潤滑脂的流變特性包含其流動和形變的能力，流動特性與表觀黏度、剪切應(yīng)力密切相關(guān)，相關(guān)形變特性與儲能模量、損耗模量相關(guān)。

1 試驗

1.1 試驗樣品

選擇的6種潤滑脂樣品均由中國石化潤滑油有限公司(天津分公司)提供，潤滑脂的基礎(chǔ)油在40 °C時黏度分別為48，68，220 mm2/s，6種潤滑脂樣品組成及參數(shù)見表1。不同基礎(chǔ)油黏度的鋰基潤滑脂分別以Li-48，Li-68和Li-220命名，樣品呈透亮的黃色，具有較好的黏附性；不同基礎(chǔ)油黏度的聚脲潤滑脂分別以Po-48，Po-68和Po-220命名，樣品為淡黃色。

1.2 試驗原理及試驗條件

為了探究溫度、基礎(chǔ)油黏度對流變特性的影響，在30，70，130 ℃下，使用MCR302流變儀對潤滑脂進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)流變測試。流變儀最大扭矩為200 mN·m，扭矩分辨率為0.1 nN·m。穩(wěn)態(tài)流變試驗采用控制剪切速率模式，主要參數(shù)有表觀黏度、剪切應(yīng)力和剪切速率；動態(tài)流變試驗是對樣品施加一定頻譜范圍內(nèi)的正弦振動作用，研究其動力效應(yīng)。流變儀測試轉(zhuǎn)子分別選擇錐板cp-25和平板pp-25，如圖1所示。

將潤滑脂預(yù)剪切2 min后靜置30 min，以消除轉(zhuǎn)子下壓時對潤滑脂造成的破壞。在穩(wěn)態(tài)測試中，剪切速率范圍為0.1～1 000 s-1，得到不同剪切速率下的表觀黏度，生成流動曲線，確定屈服應(yīng)力σy。在動態(tài)流變試驗中，應(yīng)變范圍為0.01%～100%，頻率恒定值為10 rad/s，并確定潤滑脂的線性黏彈性區(qū)。在線性黏彈性狀態(tài)下進行頻率掃描試驗，頻率范圍為0.1～100 rad/s，應(yīng)變的恒定值為0.1%。所有樣品取自同一批次同一采樣位置，并至少對樣品進行3次測試，以減小測試過程中的誤差影響。

使用掃描電鏡觀察潤滑脂的稠化劑纖維結(jié)構(gòu)，觀測前需采用石油醚將潤滑脂中的基礎(chǔ)油洗凈，然后對試驗對象進行噴金處理。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 潤滑脂稠化劑纖維的糾纏特性

不同基礎(chǔ)油黏度的鋰基脂和聚脲脂的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示：鋰基脂表現(xiàn)出高度糾纏的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中基礎(chǔ)油黏度為68 mm2/s的稠化劑纖維糾纏程度最高，基礎(chǔ)油黏度為220 mm2/s的稠化劑纖維糾纏程度最低；聚脲脂的稠化劑纖維呈纖細的條狀或棒狀，其纖維數(shù)量和聚集程度均隨基礎(chǔ)油黏度的升高而降低。

為了描述稠化劑纖維的微觀結(jié)構(gòu)，引入平臺模量GN表示同種潤滑脂稠化劑纖維間的糾纏程度。對于同一種潤滑脂，稠化劑纖維糾纏程度越高，纖維之間通過化學(xué)和物理交聯(lián)的機會越多。GN可通過頻率掃描試驗采用外推法獲得，其值為當(dāng)損耗系數(shù)tanδ達到最小值時所對應(yīng)的儲能模量。

鋰基脂和聚脲脂在30，70，130 ℃時的平臺模量如圖3所示。同一溫度下，鋰基脂的平臺模量隨基礎(chǔ)油黏度的增大呈先升高后降低，這是因為在基礎(chǔ)油黏度較小時，基礎(chǔ)油黏度的增大會導(dǎo)致GN升高，隨著基礎(chǔ)油黏度的繼續(xù)增大，稠化劑纖維會變得更稀疏，糾纏程度降低，導(dǎo)致GN降低，這一結(jié)果與SEM圖像相吻合。同一溫度下，聚脲脂的平臺模量隨著基礎(chǔ)油黏度的增大而逐漸降低，SEM圖像中的稠化劑纖維越來越稀疏。低溫時潤滑脂的GN大于高溫時，這是因為隨著溫度升高，分子間作用力減小，潤滑脂纖維糾纏程度減弱，GN降低。鋰基脂的平臺模量在130 ℃時下降較大，聚脲脂的平臺模量在130 ℃時仍很大，具有良好的高溫性能。

2.2 潤滑脂的流動特性

不同溫度下潤滑脂的表觀黏度隨剪切速率的變化規(guī)律如圖4所示，隨剪切速率的增大，潤滑脂的表觀黏度下降，這是一種剪切變稀現(xiàn)象。在剪切速率小于1 s-1時，剪切速率增大，稠化劑纖維之間束縛被破壞，表觀黏度變化明顯；當(dāng)剪切速率繼續(xù)增大(高于1 s-1)，稠化劑纖維斷裂，且稠化劑纖維排列逐漸定向，故表觀黏度下降幅度變小。潤滑脂在低剪切速率時，潤滑脂的表觀黏度隨基礎(chǔ)油黏度的增大而增大；潤滑脂在高剪切速率時，潤滑脂表觀黏度隨基礎(chǔ)油黏度的變化呈非穩(wěn)定變化。這是因為隨著剪切速率升高，潤滑脂在承受剪切時出現(xiàn)剪切屈服現(xiàn)象，潤滑脂纖維結(jié)構(gòu)被剪斷，曲線出現(xiàn)非穩(wěn)定變化。

由圖4可知，溫度也是影響潤滑脂流變特性的重要因素。高溫會使?jié)櫥z體分散體系發(fā)生改變，削弱潤滑脂的性能，導(dǎo)致黏度下降。在鋰基潤滑脂的稠化劑分子中，羧基鋰的鋰鍵與羥基之間的氫鍵作用屬于強作用，碳鏈之間的靜電作用屬于弱作用。此外，基礎(chǔ)油碳鏈之間也存在靜電作用(弱作用)。溫度的升高對靜電作用影響較大，碳鏈之間的作用力被大大削弱，且不易構(gòu)建新的分子間的靜電作用，碳鏈糾纏程度降低，使得表觀黏度降低。

剪切應(yīng)力可以反應(yīng)流動性的強弱，鋰基脂和聚脲脂的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化如圖5所示。

由圖5a可知：30 ℃且剪切速率小于1 s-1時，剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而緩慢減小，這是因為潤滑脂分子間作用力大，稠化劑纖維糾纏程度高，壁面對潤滑脂分子僅產(chǎn)生微弱的吸附作用，故產(chǎn)生壁面滑移，使得測得的剪切應(yīng)力逐漸減小；剪切速率大于3 s-1時，剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而增大；當(dāng)剪切速率到達一定程度時，曲線出現(xiàn)平臺區(qū)域，該平臺區(qū)域所對應(yīng)的剪切應(yīng)力就是穩(wěn)態(tài)試驗下的屈服應(yīng)力σy，屈服之后，剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而增大。

由圖5b和圖5c可知，溫度為70，130 ℃時，剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化存在2個明顯的轉(zhuǎn)折點。溫度較高時，潤滑脂分子間作用力減小，壁面對潤滑脂分子的吸附影響增加，故在初始時沒有發(fā)生壁面滑移，但隨著剪切速率的增大，剪切應(yīng)力增大，壁面對分子的吸附難以繼續(xù)維持，故曲線到達第1個轉(zhuǎn)折點后開始下降，發(fā)生了壁面滑移效應(yīng)，到達第2個轉(zhuǎn)折點后，剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而增大，該轉(zhuǎn)折點處潤滑脂所對應(yīng)的剪切應(yīng)力即為穩(wěn)態(tài)試驗下的屈服應(yīng)力σy。壁面滑移受溫度影響：溫度較低時，在較小的剪切速率下即發(fā)生壁面滑移；溫度較高時，在較大的剪切速率下發(fā)生壁面滑移。

從圖5中還可以看出：鋰基脂的基礎(chǔ)油黏度從48 mm2/s增大到68 mm2/s，稠化劑纖維糾纏程度變高，所形成的稠化劑纖維解纏繞和發(fā)生定向移動所需阻力增大，剪切應(yīng)力增大；隨著鋰基脂的基礎(chǔ)油黏度繼續(xù)增大到220 mm2/s，其稠化劑纖維糾纏程度降低，所形成的稠化劑纖維解纏繞和發(fā)生定向移動所需阻力小，使得剪切應(yīng)力減小；聚脲脂的基礎(chǔ)油黏度越大，糾纏程度越低，剪切阻力越小；在相同的基礎(chǔ)油黏度下，聚脲脂的表觀黏度和剪切應(yīng)力大于鋰基脂。

2.3 潤滑脂的黏彈特性

一般通過動態(tài)測試衡量潤滑脂的黏彈特性(變形能力)。在動態(tài)測試中，儲存模量(彈性模量)G′反映形變時材料的內(nèi)部彈性勢能，與潤滑脂的保持能力相關(guān)；損耗模量(黏性模量)G″指形變時以熱的形式消耗的能量。G′和G″越大，黏彈性越大，流動性越差。在動態(tài)試驗中，將G′下降10%之前的區(qū)域定義為最大線性黏彈性區(qū)Ld。

不同基礎(chǔ)油黏度的鋰基脂和聚脲脂的G′和G″隨剪切應(yīng)變的變化如圖6所示，圖中以Po-220為例標(biāo)出了潤滑脂的最大線性黏彈性區(qū)Ld。在Ld區(qū)域內(nèi)，潤滑脂在各溫度下的G′均高于G″，處于固體狀態(tài)；同一溫度下，隨著基礎(chǔ)油黏度增大，鋰基脂的G′和G″先增大后減小，聚脲脂的G′和G″不斷增大；在高溫130 ℃和相同的基礎(chǔ)油黏度下，聚脲潤滑脂的G′和G″均高于鋰基潤滑脂；隨著溫度的升高，2種潤滑脂的G′和G″均減小。隨著剪切應(yīng)變增大，G′減小，G″增大，表明潤滑脂正在向液態(tài)過渡。G′曲線與G″曲線的交點定義為流動點，交叉應(yīng)力的大小與潤滑脂發(fā)生流動的難易程度存在正相關(guān)，流動點對應(yīng)的應(yīng)力定義為交叉應(yīng)力σco，對研究潤滑脂流動性能有非常重要的意義。

不同基礎(chǔ)油黏度的鋰基脂和聚脲脂在30，70，130 ℃下的交叉應(yīng)力σco如圖7所示。同一溫度下，鋰基脂的交叉應(yīng)力σco隨基礎(chǔ)油黏度的增大先增大后減小，聚脲脂的基礎(chǔ)油黏度越大，交叉應(yīng)力σco越大；不同溫度下，相同基礎(chǔ)油黏度的2種潤滑脂的交叉應(yīng)力σco均隨溫度升高而減小。同一基礎(chǔ)油黏度下，聚脲脂的交叉應(yīng)力大于鋰基脂的交叉應(yīng)力，即聚脲脂流動性低于鋰基脂。

3 結(jié)論

利用旋轉(zhuǎn)流變儀測量潤滑脂的流變特性，并從微觀結(jié)構(gòu)上解釋基礎(chǔ)油黏度和溫度對潤滑脂流變特性的影響，主要結(jié)論如下：

1)對于鋰基脂，基礎(chǔ)油黏度增大，稠化劑纖維糾纏程度先升高后降低。對于聚脲脂，基礎(chǔ)油黏度增大，稠化劑纖維聚集程度降低。平臺模量GN在一定程度上可以表示同種潤滑脂稠化劑纖維間的糾纏程度。

2)鋰基脂和聚脲脂的表觀黏度均隨基礎(chǔ)油黏度的增大而增大。鋰基脂的剪切應(yīng)力隨基礎(chǔ)油黏度的增大出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。聚脲脂的剪切應(yīng)力隨基礎(chǔ)油黏度的增大而增大。溫度升高，鋰基脂和聚脲脂的表觀黏度和剪切應(yīng)力減小。潤滑脂的壁面滑移現(xiàn)象的發(fā)生受溫度影響：溫度較低時，在較小的剪切速率下即發(fā)生壁面滑移；溫度較高時，在較高的剪切速率下發(fā)生壁面滑移。

3)在線性黏彈性區(qū)域內(nèi)，隨基礎(chǔ)油黏度的增大，鋰基脂的儲能模量和損耗模量先增大后減小，聚脲脂的儲能模量和損耗模量逐漸增大。130 ℃聚脲脂的儲能模量和損耗模量大于相同基礎(chǔ)油黏度下的鋰基脂，其流動性能低于鋰基潤滑脂。