國產特殊裝備用潤滑脂的研制

2018-02-01 03:23:00陳學軍

石油煉制與化工 2018年2期

王佳，陳學軍

(軍械技術研究所，石家莊 050000)

國產某裝備具有威力大、精度高和機動性好等特點，該裝備部隊陸續使用。其所用潤滑脂主要用于裝備的滑動部件的潤滑，并且已經國產化[1]，但是該特種潤滑脂在使用過程中存在以下問題：成本高、籌措難度大，有些性能難以滿足使用要求。本研究根據我國環境條件，以裝備用油需求為牽引，研制出一種新型潤滑脂，以提高產品性能，滿足裝備的使用要求；降低成本，拓寬供應渠道，提高保障效能。

1 實驗材料

12-羥基硬脂酸，工業純，通遼市通遼蓖麻化工有限公司生產；一水合氫氧化鋰，純度95%，上海中鋰實業有限公司生產；月桂酰胺丙基氧化胺，分析純，北京化學試劑廠生產；納米MoS2，粒度50～100 nm，金堆成鉬業公司生產；PAO10，40 ℃黏度為 66 mm2/s，埃克森美孚公司生產。

2 潤滑脂配方的篩選

對國產裝備該潤滑脂使用要求有：較寬的溫度使用范圍，極壓性好，潤滑性好，性能穩定，不易分層沉降。根據對潤滑脂使用要求的分析，提出潤滑脂的技術指標，如表1所示。

2.1 基礎油的篩選

潤滑脂使用要求有較寬的適用溫度范圍、較小的高溫蒸發量、較好的低溫流動性、良好的抗氧化安定性和極壓抗磨性。為了滿足裝備在各種環境條件下的使用要求，基礎油必須具有良好的黏溫性、高低溫性、添加劑感受性等性能。從綜合性能來看，以聚α-烯烴和酯類油性質比較全面，可按照不同比例將這兩種基礎油混配后進行篩選。表2為基礎油混配后所制潤滑脂的理化指標。

表1 特殊裝備潤滑脂技術指標

1)ZMZ是潤滑脂在所加負荷下抗極壓能力的一個指數，規定條件下得到的若干次校正負荷的數學平均值。

從表2可以看出，1號混配油蒸發度過大，3號混配油的相似黏度偏大，綜合來看2號混配油制備的潤滑脂性能最優，因此選擇2號混配油作為潤滑脂的基礎油。

表2 混配基礎油的成脂性能

2.2 稠化劑的篩選

鋰基脂滴點高，一般在180 ℃以上，具有良好的機械安定性、膠體安定性和抗水性；鋰皂稠化能力強，稠化劑用量可減少1/3，而壽命可以延長數倍；鋰基脂具有較小的摩擦因數；鋰皂對大多數合成油都能稠化制備潤滑脂。據新型潤滑脂的技術指標要求，單鋰皂潤滑脂基本可以滿足使用要求，因此選擇單一鋰皂作為稠化劑。

2.3 添加劑的篩選

添加劑主要有抗氧劑、防銹劑和極壓抗磨劑。篩選了4種抗氧劑作為備選方案，抗氧劑為A(胺型)，B(胺型)，C(酚胺混合型)，D(酚型)；加入量(w)均為1.0%。選擇對黑色金屬防銹效果較好的磺酸鹽為防銹劑，加入量(w)為：0，1%，2%，3%，4%?？寡鮿櫥寡趸阅艿挠绊懸姳?。從表3可以看出：相對于抗氧劑A，B，D，抗氧劑C在添加不同含量防銹劑的情況下，壓力降變化最小，具有較好的抗氧化性能，因此，選擇抗氧劑C作為研制潤滑脂的抗氧添加劑。

表3 抗氧劑對潤滑脂抗氧化性能的影響 kPa

注：采用潤滑脂氧化安定性測定法(SH/T 0325—1992)進行測定，抗氧化性能用壓力降表示。

由于所研制潤滑脂服務的裝備主要分布在我國的南方，環境高溫潮濕，為滿足裝備長期封存和使用要求，潤滑脂必須具備良好的防銹性能，因此對不同的防銹劑進行考察，結果見表4。由表4可以看出：1號、3號、4號、5號樣品的防腐蝕性不合格；2號、6號樣品均達到性能要求，但6號樣品防銹劑用量較大，為節省成本，選擇防銹劑C作為研制潤滑脂的防銹添加劑，加入量(w)為1%。

表4 不同防銹劑及加入量對潤滑脂防銹性能的影響

注：采用潤滑脂防腐蝕性試驗法(GB/T 5018—2008)進行測定。

現用商品潤滑脂中添加的極壓抗磨劑為二硫化鉬，其在儲存過程中存在分相問題，該潤滑脂呈半流體狀態，稠度很小，在存放過程中，固體二硫化鉬發生沉降，沉積到包裝容器底部，聚集抱團，使用時即使經過攪拌也難以重新分散到潤滑脂中；在裝備使用時，潤滑脂中的二硫化鉬容易在油路、閥的噴油嘴處產生沉積，導致噴油嘴堵塞，潤滑脂無法正常噴射，自動機得不到有效潤滑，影響裝備的正常使用。因此，極壓抗磨劑在半流體潤滑脂中的分散為亟待解決的重點難點問題。

對于球形惰性粒子而言，stokes方程[2]適用于由于重力作用，粒子，絮狀物或團塊的自由沉降過程，如式(1)所示。

(1)

式中：v為沉降速率；ρ為粒子密度；ρ0為分散介質密度；η為黏度；r為球形粒子半徑；g為重力加速度。

從式(1)可以看出，沉降速率與粒子的半徑、粒子與分散介質的密度差、分散介質的黏度有關。

在基礎油確定的情況下，考慮從固體顆粒的密度和粒子尺寸兩方面選擇極壓抗磨劑。石墨是一種固體潤滑劑，具有良好的極壓抗磨性能。其密度較小，可能在潤滑脂中有較好的分散性。但是石墨的潤滑作用和抗擦傷性能明顯不如二硫化鉬。二硫化鉬也是一種固體潤滑劑[3-4]，具有良好的潤滑性能，其缺點是密度過大，無法在潤滑脂中穩定均勻地分散。在制備潤滑脂過程中添加不同劑量的石墨或二硫化鉬，然后測定潤滑脂的錐入度和潤滑性能，結果如表5所示。

表5 石墨和二硫化鉬制備的潤滑脂性能對比

由表5可知：石墨加入量(w)為3%和5%時，其錐入度符合性能指標要求，但PD和ZMZ達不到技術指標要求，當石墨添加量(w)達到8%時，潤滑性能可以滿足要求，但是由于石墨具有一定的稠化能力，過多的加入量使得潤滑脂的稠度上升，錐入度變小，達不到技術指標要求，由此可以看出，石墨作為研制潤滑脂的極壓抗磨劑時，稠度和潤滑性能無法同時滿足使用要求；采用二硫化鉬作極壓抗磨添加劑時，在潤滑脂中加入質量分數3%的二硫化鉬，錐入度為459(0.1 mm)，PD為3 089 N，均在潤滑脂技術指標要求范圍內，其稠度和潤滑性能都可以滿足使用要求，因此，可以選用二硫化鉬作為研制潤滑脂的極壓抗磨劑。從表5還可以發現，二硫化鉬含量(w)達到5%時，潤滑性能并沒有明顯改善，所以二硫化鉬的添加量(w)在3%～5%較為合適。

MoS2密度大，在潤滑脂中無法穩定分散，較小粒子尺寸有助于粒子在介質中的分散。現在潤滑脂中常用的是微米MoS2粒子，其尺寸是微米級的，要減小粒子半徑，考慮采用納米級的MoS2來代替微米MoS2作為添加劑加入潤滑脂中。

表6為同種潤滑脂中加入不同含量的微米MoS2和納米MoS2后的燒結負荷和磨斑直徑測定結果。從表6可以看出，在MoS2含量相同的情況下，納米MoS2的燒結負荷均比微米MoS2高，而磨斑直徑均比微米MoS2低。因此，納米級的MoS2的摩擦學性能優于微米級的MoS2。

表6 微米級和納米級二硫化鉬的摩擦學性能對比

納米粒子由于體積小、比表面積大，比表面能很高，非常容易團聚，形成較大的顆粒。而且顆粒粒徑越小，團聚越嚴重，這種聚集在熱力學上是不可逆的。這種非油溶性的大顆粒具有較高的硬度，常使得它們在摩擦過程中起磨粒磨損的作用。因此要解決納米MoS2粒子的團聚及其在潤滑油中的分散性和穩定性問題。

為了使納米粒子在潤滑脂中穩定地分散，現在普遍采用的方法是用表面活性劑對納米粒子進行表面修飾，稱為表面修飾劑。由于表面修飾劑本身含有的長鏈烷基具有親油疏水性，使得MoS2表面得以改性，能夠在基礎油等非極性介質中具有良好的分散性，在基礎油中均勻且穩定分散，可以有效地阻止納米MoS2微粒的團聚。

了解納米粒子的分散原理和方法后，對表面修飾劑進行選擇。高堿值磺酸鈣作為潤滑油清凈分散劑已經得到廣泛應用，具有很好的分散作用。高堿值磺酸鈣包括親水的極性磺酸根以及親油的烷基、芳基等。月桂酰胺丙基氧化胺分子熱穩定性好，不含金屬離子，使用中對基礎油無催化氧化作用。在潤滑脂中，月桂酰胺丙基氧化胺的極性結構[5]將MoS2粒子包裹在中間，烷基或芳基伸向潤滑脂中，可以形成穩定的反膠束結構。

將高堿值磺酸鈣和納米MoS2樣品按不同比例混合，加入潤滑脂中，測定其分油率；將月桂酰胺丙基氧化胺與納米MoS2樣品按不同比例混合，加入同種潤滑脂中，測定其分油率，結果如表7所示。從表7可以看出：月桂酰胺丙基氧化胺與MoS2混合后樣品的分油率普遍要優于高堿值磺酸鈣組分與MoS2混合后樣品；隨著分散劑組分與MoS2質量比的增大，分油率減小，直到分散劑與MoS2質量比為1∶5后，分油率趨于穩定。因此，本研究選擇月桂酰胺丙基氧化胺分子對納米MoS2粒子進行表面改性，月桂酰胺丙基氧化胺與MoS2質量比為1∶5左右。

表7 不同比例分散劑的分油率測定結果 %

綜上所述，可以確定該特殊裝備潤滑脂的配方為：以PAO10和酯類油的混配油為基礎油，鋰皂為稠化劑，添加若干抗氧劑和防銹劑，以納米二硫化鉬粒子為極壓抗磨劑，以月桂酰胺丙基氧化胺作為助分散劑。

3 工藝過程的優化

制備潤滑脂的過程中加入二硫化鉬和月桂酰胺丙基氧化胺，使二硫化鉬均勻分散在潤滑脂中。加入二硫化鉬和月桂酰胺丙基氧化胺的時間點有3個：①在制備潤滑脂的皂化反應階段加入；②在潤滑脂達到最高煉制溫度時加入；③在研磨成脂過程中加入。根據這3種工藝分別制備潤滑脂，然后進行離心分油試驗，測定其分油率，結果見表8。從表8可以看出，按照工藝①制備的潤滑脂分油率最低，分散效果最好，工藝①為優選工藝。推測其原因是在稠化劑形成前加入二硫化鉬有助于月桂酰胺丙基氧化胺對二硫化鉬進行包裹，改善二硫化鉬在潤滑脂中的分散情況，因而對分油性能有正面影響。

表8 采用不同工藝制備的潤滑脂的分油率

4 性能對比分析

按照確定的配方和工藝制備潤滑脂，共制備2個批次樣品，對其進行性能評價，結果如表9所示。從表9可以看出：2個試驗樣品的錐入度和延長工作錐入度差值沒有明顯變化，與商品潤滑脂指標相當；潤滑脂的PD和ZMZ與商品潤滑脂相比也在同一水平；2個試驗樣品的離心分油率分別為22%和25%，商品潤滑脂的離心分油率為64%，指標變化明顯，說明試驗樣品的固體添加劑在潤滑脂中的狀態比商品潤滑脂更為穩定，不易沉降和團聚。評定結果表明，試驗樣品符合技術指標要求，其主要性能與商品潤滑脂相當，固體添加劑的分散穩定性得到明顯改善，能夠滿足裝備的使用要求。