聚脲脂性能研究

胡斌,續景,張龍華,謝龍,徐紅芳

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心,甘肅蘭州 730060)

聚脲脂性能研究

胡斌,續景,張龍華,謝龍,徐紅芳

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心,甘肅蘭州 730060)

介紹了一種新型聚脲脂,具有優異的抗剪切性能,錐入度變化率在 3%以內。這種聚脲脂是以礦物油為基礎油、以異氰酸酯與脂肪胺和環烷胺合成的脲類化合物為稠化劑的潤滑脂,并利用均勻設計優化其組分配比。另外,采用紅外光譜(FT-IR)、DSC分析和 SRV測試等多種分析手段對其進行了表征,說明此聚脲脂具有優異的抗氧化性能和潤滑作用。

聚脲;潤滑脂;剪切;均勻設計;紅外光譜

Abstract:A new po lyurea grease w ith excellent anti-shear perfo r m ance w as introduced,and the change rate of penetration w as less than three percent.This polyurea grease w as based on m ineralo il,and the urea compounds as thickenerw ere synthesized by isocyanate,aliphatic am ine and naphthenic am ine.The rat io of components w as op t im ized by uniform design.In addition,the polyurea grease w as characterized by such m ethods as infrared spectroscopy(FT- IR),DSC analysis and SRV testing.It show ed that the po lyurea grease has excellent oxidation resistance and lubrication.

Key words:polyurea;grease;shear;unifor m design; IR

0 前言

聚脲脂是脲類化合物稠化基礎油形成的一種具有塑性的潤滑劑,具有突出的氧化安定性、熱穩定性及長的使用壽命,已廣泛應用在鋼鐵工業、汽車工業、電器設備、軍事工業等領域[1]。各國研究人員已經研發出許多種聚脲脂[2-4],以往的研究主要側重于潤滑脂配方和工藝,提高聚脲脂的性能。在實際使用中,潤滑脂的纖維結構會由于機械的剪切作用而遭到破壞,而聚脲脂唯一的缺點就是剪切安定性較差,特別是在低剪速下嚴重軟化。研究脲基脂剪切安定性對其應用具有重要的指導意義,筆者合成了一種新型的聚脲脂,從結構層面改善了聚脲脂的剪切安定性,并應用多種分析手段對聚脲脂的結構進行了分析表征。

1 實驗部分

目前對于聚脲脂剪切安定性差的原因,在理論上還沒有較為明確的解釋。根據潤滑脂皂油凝膠理論,在遭到剪切作用下容易被破壞,使脂稠度下降。從膠體化學理論來看,筆者合成一種新型的聚脲脂,具有良好的剪切安定性能。

1.1 原料

為工業化需要,實驗原料全部采用工業產品,主要有:二苯甲烷二異氰酸酯 (MD I-100)、十二胺(ODA)、乙二胺(EDA)、環己胺(CHA)、MV I150BS。

1.2 試驗方法

試驗中涉及到的主要試驗方法有:工作錐入度, GB/T 269;延長工作錐入度 (105),GB/T 269;潤滑脂摩擦磨損性能測定(SRV法)SH/T 0721-2002。

1.3 均勻設計試驗

1.3.1 因素與水平

以錐入度的變化百分率為指標,根據預實驗中單因素考察的結果,確定ODA、EDA、CHA的加入量為 3個考察因素,每個因素選擇 7個水平。

1.3.2 試驗方案與試驗結果(見表 1)

表1 因素—水平

采用 U7＊(74)均勻設計表的使用表,選用第2、3、4列,D值為 0.2132。根據均勻設計表安排試驗:將有機胺三組分加入到MV I150BS油中,在一定溫度下融化,再加入過量 1.1倍 (摩爾比)的MD I-100,與有機胺組分反應,充分反應后,物料溫度升高到 100～105℃,加入一定量水,待水與MD I完全反應并蒸發后,溫度升至 150℃,恒溫 20 min,冷卻出釜,最后用三輥機研磨兩次,得產品。

圖1 樣品紅外光譜

1.4 實驗結果與分析

本文采用了 Access數據處理軟件結合均勻實驗回歸軟件對實驗結果進行了多元線性回歸,所得到回歸方程式為:Y=254.230-17.115×X1+ 52.496×X2+0.012×X3。Y,產品錐入度變化率; X1,ODA(十二胺)物質的量;X2,EDA(乙二胺)物質的量;X3,CHA(環己胺)物質的量。相關系數 R為0.8954,說明回歸方程的擬合效果較好。在此回歸方程中,從系數的絕對值可以看出各組分對于剪切安定性能的影響大小順序為:X2＞X1＞X3;X1的系數為負值,X2的系數為正值,為了達到剪切前后最小值,應增大 X1而減小X2;X3的系數很小,說明 X3對于剪切安定性能的影響較小,基本可以忽略。在試驗范圍之內,最優條件與所選取的典型數值接近,因此,在典型值中選取最優者,即實驗 1條件為最優。按照實驗 1條件重復兩次,結果重復性較好。

2 樣品表征

2.1 紅外分析(見圖 1、圖 2)

圖2 文獻聚脲脂紅外光譜

利用紅外光譜對聚脲脂的結構進行研究。圖 1為聚脲脂的紅外光譜圖,從圖中可以看出,比正常的N—H振動吸收(3414 cm-1)向低波數位移了約 100 cm-1,脲分子間氫鍵化 N—H伸縮振動吸收在 3293 cm-1處,與文獻報道的 3310～3332 cm-1范圍內接近[5]。另外,羰基的振動吸收在 1633 cm-1處與其正常條件下的 1710 cm-1相比也有很明顯的移動,氫鍵化的羰基振動譜帶在 1630～1640 cm-1。這些都說明聚脲潤滑脂中的脲分子間有較強的氫鍵締合。

2.2 DSC分析

利用氧化誘導期測試儀對幾種市售聚脲脂的氧化起始溫度進行測定。實驗條件為:壓力 1.5 MPa,溫度從40℃加熱至400℃,加熱速率10℃/min。圖3中樣品脂為1.3制備的基礎脂加入蘭州潤滑油研究開發中心自主研發的抗氧劑、極壓抗磨劑、防銹劑、金屬鈍化劑等各種功能添加劑,圖4～圖6分別為國內外三種典型聚脲脂。從圖中可以看出,蘭州潤滑油研究開發中心聚脲脂產品的氧化起始溫度優于這三種聚脲脂產品,說明這種新型聚脲脂的具有優異的抗氧化性能。

圖3 樣品氧化起始溫度

圖4 市售聚脲脂產品 1氧化起始溫度

圖5 市售聚脲脂產品 2氧化起始溫度

圖6 市售聚脲脂產品 3氧化起始溫度

2.3 SRV測試

2.2 中聚脲脂樣品 SRV測試如圖 7所示,從圖中看,試驗球與摩擦副之間的摩擦系數在剛開始的時候最大為 0.14,這可能是由于摩擦副之間的啟動摩擦所致。在整個實驗過程中,摩擦系數基本上穩定在 0.108左右,很小,說明此聚脲脂在摩擦副之間具有較好的潤滑作用。

圖7 樣品SRV測試

3 結論

采用脂肪胺、環烷胺和異氰酸酯合成了一種新型的聚脲脂,其錐入度變化率小于 3%,說明其具有優異的抗剪切性能,并采用均勻設計方法對這種聚脲脂的原料組分進行優化,獲得了較優的配比。

另外,采用蘭州潤滑油研究開發中心自主研發的各種功能添加劑與聚脲脂形成了復合配方體系,并利用紅外光譜(FT-I R)、DSC分析和 SRV測試等多種分析手段對其進行了表征,說明此聚脲脂具有優異的抗氧化性能和潤滑作用。并且,此聚脲脂已在江蘇常州某鋼廠爐前設備進行使用實驗,據用戶反映該產品具有優良的耐高溫性、粘附性及潤滑性,目前使用效果良好。

[1]楊瑋,姚立丹,鄭善偉.脲基潤滑脂的結構及反應機理的研究[J].石油學報,2000,16(4):38-42.

[2]Yugeta T,Kurahashi M.Development and Application of High Perfor mance Urea Grease for SteelMaking Plants[J]. NLGI Spokesman,1987,51(5):167-174.

[3]Washo M. Frictional Characteristics of Greased Rolling ContactBearings[J].NLGISpokes man,1994,57(11):456 -462.

[4]Okamura S,TyotaM.LongLifeUrea Grease for High Temperature and High Speed Application[J].NLGI Spokesman,1992,56(3):94-100.

[5]Yamamoto T,Shibayama M,Nomura S.Structure and Properties of Fatigued Segmented Poly(Urethaneurea)S III Quantitative Analyses of Hydrogen Bond[J].J Polymer, 1989,21(11):895-903.

S tudy on the Prop e rties of Polyurea G rease

HU Bin,XU J ing,ZHANG Long-hua,XIE Long,XU Hong-fang
(PetroChina Lanzhou Lubricating O ilR&D Institute,Lanzhou 730060,China)

TE626.4

A

2009-09-09。

胡斌(1981-),男,工程師,2007年畢業于鄭州大學工業催化專業,現從事潤滑油脂研究工作,已公開發表論文數篇。

1002-3119(2010)03-0038-03