稠化劑量對鋰基潤滑脂流變性的影響

周維貴，郭小川，林 璐，劉艷麗

(1.總后勤部油料研究所，北京 102300；2.后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系)

稠化劑量對鋰基潤滑脂流變性的影響

周維貴1，郭小川2，林 璐1，劉艷麗1

(1.總后勤部油料研究所，北京 102300；2.后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系)

為了考察稠化劑的量對鋰基潤滑脂流變性的影響，在穩態剪切流和小幅振蕩剪切流下測試了鋰基潤滑脂的流變參數。通過分析觸變性、屈服應力，表觀黏度、儲存模量和應變幅度等流變參數，探討了稠化劑的量對流變性的影響。結果表明：隨著稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂的黏彈性表現更加顯著，其結構更加穩定。

鋰基潤滑脂 觸變性 儲存模量 表觀黏度 應變幅度

流變學是研究材料變形與流動的一門科學。它主要從應力、應變、溫度、剪切速率和時間等方面研究牛頓流體和非牛頓流體[1-4]。潤滑脂是具有特殊結構的一類潤滑材料，具有典型的彈性和黏性雙重特性[5]，對它的研究屬于流變學范疇。

稠化劑是潤滑脂重要的組分之一，它作為潤滑脂的分散相，起結構骨架作用。鋰基潤滑脂的屈服應力、表觀黏度、觸變性、儲存模量等流變參數都可以由結構骨架強度反映。而骨架結構由皂分子之間的離子力、范德華力和氫鍵形成，它與皂纖維大小、數目、形狀、纖維本身強度和皂纖維接觸點的強度有直接的關聯。

蔣明俊等[6]使用傳統的流變儀分析了半流體鋰基和復合鋰基潤滑脂的流變性，得出稠化劑含量增加其表觀黏度增大的結論。王曉力等[7]僅在穩態剪切流下考察稠化劑對流變性的影響，指出稠化劑含量增加，潤滑脂的屈服應力和表觀黏度增大，流動指數減小。本課題通過研究不同流場下的流變參數，分析稠化劑的量對鋰基潤滑脂流變性的影響。

1 實 驗

1.1 潤滑脂制備

鋰基潤滑脂的制備及其性能評定。為了考察稠化劑的量對鋰基潤滑脂流變性的影響，以12-羥基硬脂酸鋰皂為稠化劑，400SN(100 ℃運動黏度為9.2 mm2s)為基礎油，制備了3，2，1，0，00，000六種不同稠度等級的鋰基潤滑脂，其理化性能見表1。由表1可見，實驗制備的鋰基潤滑脂的工作錐入度、滴點及鋼網分油理化性能符合GBT 7324—2010《通用鋰基潤滑脂》的要求。此外，稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂的分油減少，膠體安定性較好。

表1 6種不同稠度的鋰基潤滑脂的理化性能

1.2 實驗方法

應變控制下的動態流變實驗：在控制應變模式下，恒定角速度為10 rs，考察25 ℃時鋰基潤滑脂的儲存模量、損耗模量和應力隨應變幅度的變化過程。

剪切速率控制下的穩態流變實驗：①在控制剪切速率模式下，剪切速率在0.01～1 000 s-1范圍內，考察25 ℃時鋰基潤滑脂黏度和剪切應力隨剪切速率的變化過程，并根據數據擬合流變方程[8]，對方程的參數進行分析。②25 ℃時，采用循環法(剪切速率2 s-1—50 s-1—2 s-1)，研究鋰基潤滑脂的黏度和應力隨剪切速率的變化過程，分析其觸變性。

1.3 流變參數

觸變性是指在一定剪切速率下受到剪切作用的潤滑脂隨剪切時間的增加稠度下降，而在剪切作用停止后又開始稠度上升，其結構部分恢復的現象[9]。觸變性可以通過觸變環的面積來研究潤滑脂結構恢復速度的快慢，用以衡量潤滑脂結構的穩定能力。屈服應力是指潤滑脂內部膠體結構被破壞的最小剪切力，與潤滑脂的密封性有關[10]。

動態實驗條件下，考察儲存模量(G′)和損耗模量(G″)及應力隨應變幅度γ的變化過程。G′反映材料內部彈性勢能，與潤滑脂的保持能力相關；G″指形變時以熱的形式消耗的能量，由于黏性形變(不可逆)而損耗的能量大小，反映潤滑脂黏性[11]。當G′>G″，潤滑脂表現為固體可恢復的彈性形變；G′=G″的交點(又叫做流動點)，此時儲存模量和損耗模量達到平衡，標志著鋰基潤滑脂從以彈性為主向以黏性為主的轉變[12]；當G′

1.4 皂纖維表征

12-羥基硬脂酸鋰皂纖維，在電子顯微鏡下呈現為纏結在一起的扭帶狀。這些皂纖維在基礎油中形成不同的物理排列，這些排列的特性和穩定性與鋰基潤滑脂的流變性有重要的聯系[14]。圖1為以400SN為基礎油的3種不同稠度的鋰基潤滑脂的皂纖維電鏡照片。由圖1可見，隨著稠化劑含量增加，單位體積內纖維增多，纖維的纏繞密度增大，其接觸點增多。

圖1 鋰基潤滑脂的皂纖維形態

2 結果與討論

2.1 稠化劑的量對觸變性的影響

不同稠度的鋰基潤滑脂的觸變環見圖2。圖2顯示，6種不同稠度的鋰基潤滑脂都形成了觸變環，且上行曲線都在下行曲線之上。表明該溫度下鋰基潤滑脂結構破壞速率比恢復速率更快，鋰基潤滑脂具有剪切依時性。

圖2 不同稠度的鋰基潤滑脂觸變環■—3號； ●—2號； ▲—1號； —0號； ◆—00號； —000號

為了進一步考察剪切速率對鋰基潤滑脂結構的影響，在循環剪切中，分別以剪切速率上升和下降過程中7個點為間距，計算鋰基潤滑脂的黏度下降率和增長率，分析不同剪切速率下鋰基潤滑脂黏度的變化。表2為6種稠度鋰基潤滑脂的黏度變化率。由表2可見：隨著剪切速率增加，鋰基潤滑脂黏度下降率不斷減小，結構以破壞為主導；在低剪切速率區域內，黏度的下降率最大，達到約80%；隨著稠化劑含量增加，黏度下降率增加。表明鋰基潤滑脂的黏度下降主要是在低剪切速率區域內；隨著稠化劑含量增加，黏度下降更容易。在穩定的最大剪切速率下，隨著時間的延長，黏度下降率均很小；隨著稠化劑含量增加，黏度下降率均較小。表明此時結構破壞趨于穩定。

由圖2還可以看出：隨著剪切速率下降，鋰基潤滑脂的黏度上升，結構以恢復為主；在最低剪切速率區間內，黏度增長率最高，達到75%左右；隨著稠化劑含量增加，黏度的增長率增大。說明結構恢復也主要是在低剪切速率區域內；稠化劑含量越高，結構恢復越容易。

隨著稠化劑含量增加，單位體積內鋰基潤滑脂的纖維分子增多，形成纏繞，密度較大。鋰基潤滑脂在剪切作用下的阻力主要由于纖維之間的相互作用力。隨著剪切速率增加，其中較小的作用力更容易被破壞，使結構變化較大；且隨稠化劑含量增加，單位體積內纖維增多，其相互作用力被破壞更加明顯，反之，剪切速率減小，其作用力更容易恢復。

表2 6種稠度的鋰基潤滑脂的黏度變化率

圖3為鋰基潤滑脂觸變環面積與稠化劑量的關系。由圖3可見，隨稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂的觸變環面積總體呈增大趨勢。表明稠化劑含量越高的鋰基潤滑脂結構強度越大，破壞其結構所需要的能量越大，在一定時間里，結構恢復越慢。在相同剪切條件下，單位體積內鋰基潤滑脂的皂纖維越多，范德華力和氫鍵的作用表現更加明顯，所形成的結構強度越大，破壞其結構所需的能量顯著增加。

圖3 不同稠化劑含量的鋰基潤滑脂的觸變環面積

2.2 稠化劑的量對儲存模量和應力的影響

動態實驗條件下，6種不同稠度的鋰基潤滑脂的儲存模量、損耗模量及應力隨應變的變化見圖4。由圖4可見：6種鋰基潤滑脂都存在流動點；在流動點之前，儲存模量大于損耗模量，鋰基潤滑脂以彈性為主導，形變可以恢復；在流動點之后，損耗模量大于儲存模量，表現為不可恢復的黏性形變。

隨著稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂的儲存模量、損耗模量和剪切應力增大，且3號、2號、1號鋰基潤滑脂的儲存模量比半流體脂的儲存模量大得多。隨著稠化劑含量增加，單位體積內鋰基潤滑脂的皂纖維分子增多，各纖維分子之間交聯的機率增大，皂纖維分子形成的結構更加緊密，結構中所儲存的彈性勢能明顯增大。因而，鋰基潤滑脂的儲存模量和剪切應力顯著增大，表現出更強彈性，保持的能力也有較大的提升。

圖4 6種不同稠度的鋰基潤滑脂的模量和應力■—儲存模量； ★—損耗模量； ●—剪切應力。 —3號; —2號; —1號; —0號; —00號; —000號

鋰基潤滑脂屈服點和流動點的應變、應力及儲存模量隨稠化劑含量的變化見圖5。由圖5(a)可見，隨著稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂屈服點的應變總體呈減小趨勢，其應變值均小于1%，剪切應力總體呈增大趨勢。隨著稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂屈服點應變響應更加迅速，即在更短的時間和更小變形下鋰基潤滑脂達到更大的應力。

由圖5(b)可見，隨著稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂流動點的應變和儲模量均增大，且其應變均大于35%。表明稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂的線性黏彈區變小，剪切應變卻在增大，屈服區較大。由于稠化劑含量增加，單位體積內鋰基潤滑脂的皂纖維增多，纖維之間交聯機會增大，它們之間的儲存能量增大，結構骨架更加穩定，潤滑脂結構強度更大。

2.3 稠化劑的量對應力和黏度的影響

在穩態實驗中，不同稠度鋰基潤滑脂的剪切應力和黏度隨剪切速率的變化如圖6所示。由圖6可見：6種鋰基潤滑脂的黏度均隨著剪切速率的增加而降低，最后趨于穩定；而剪切應力在低剪切速率區存在一個短暫的屈服區，超過屈服區后，剪切應力均開始明顯增大。說明鋰基潤滑脂均具有屈服應力，均存在較明顯的剪切變稀的現象[15]。

圖6 6種不同稠度的鋰基潤滑脂黏度及剪切應力隨剪切速率的變化■—黏度； ★—剪切應力。 —3號; —2號; —1號; —0號; —00號; —000號

隨著稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂的黏度和剪切應力增大。由于稠化劑含量增加，單位體積內鋰基潤滑脂的纖維分子增多，要使其分子由雜亂無章的排布到一定規律排布所需的阻力明顯增大，黏度和剪切應力增大。剪切應力增加到一定程度后，其分子之間較弱的作用力失去作用，其分子排布趨于穩定狀態，黏度亦趨于穩定。

為了進一步研究鋰基潤滑脂的剪切速率與其屈服應力的關系，測試6種不同稠度鋰基潤滑脂在低剪切速率下的應力，結果見表3，利用流變儀擬合了Herschel-Bulkey流變方程：τ=τy+ηγn，結果見表4，其中：τ為剪切應力；τy為屈服應力；η為潤滑脂的黏度；n為黏度指數。

表3 6種不同稠度的鋰基潤滑脂在低剪切速率下的剪切應力

表4 6種不同稠度的鋰基潤滑脂的流變方程

結合表3和表4可知：不同稠度的鋰基潤滑脂在低剪切速率區域內就達到屈服應力，且達到屈服應力時的剪切速率均小于1；隨著稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂的屈服應力增大，而達到該應力的剪切速率減小。說明結構強度大的鋰基潤滑脂，其彈性特征表現較顯著。

3 結 論

流變性能是研究潤滑脂性能的一個重要方面，是其微觀結構的宏觀表現。在25 ℃時，分析鋰基潤滑脂的流變參數，得出稠化劑的量對鋰基潤滑脂的流變性影響較大。其主要結論如下：

(1) 不同稠化劑含量的鋰基潤滑脂均表現出觸變依時性。在低剪切速率下，其結構破壞率與恢復率最大；稠化劑含量大的鋰基潤滑脂，其結構破壞和恢復速率均較大，其結構更強。

(2) 不同稠化劑含量的鋰基潤滑脂均表現出黏彈性特征。隨著稠化劑含量增加，鋰基潤滑脂的線性黏彈區減小，在屈服點的應力增大，其儲存模量增大，具有更強的保持能力。

(3) 不同稠化劑含量的鋰基潤滑脂存在明顯的剪切變稀的現象，表觀黏度最后趨于一個穩定值。隨著稠化劑含量增加，潤滑脂的剪切應力和黏度增大；而屈服應力越大的鋰基潤滑脂，達到屈服應力的剪切速率越小，其彈性特征表現更加顯著。

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EFFECTS OF THICKER AMOUNT ON RHEOLOGY OF LITHIUM GREASE

Zhou Weigui1， Guo Xiaochuan2， Lin Lu1， Liu Yanli1

(1.OilResearchInstitute，GeneralLogisticsofPLA，Beijing102300； 2DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering，LogisticsEngineeringUniversity)

To study the influence of thicker amount on the rheological properties of lithium grease， the rheological parameters of lithium grease were tested under conditions of steady shear flow and slight oscillation shear flow. By analyzing rheological parameters such as the thixotropy， yield stress and apparent viscosity， storage modulus and strain amplitude， the influences of thicker amount on rheological property were discussed. The results indicate that with increasing thicker content， the viscoelasticity of lithium grease is more significant， the structure of lithium grease is more stable.

lithium grease； thixotropy； storage modulus； apparent viscosity； strain amplitude

2015-10-16； 修改稿收到日期： 2016-03-17。

周維貴，碩士，從事潤滑脂流變性能研究工作。

郭小川，E-mail：gxcjd@yahoo.cn。