基于有機膨潤土稠化劑潤滑脂的制備工藝研究

張東浩，陳漢林，蔣明俊，楊國瑞

(后勤工程學院 a.軍事油料應用與管理工程系;b.后勤工程學院學員旅，重慶 401311)

膨潤土潤滑脂是一種非皂基潤滑脂，是用改性膨潤土稠化劑稠化礦物油或合成油制備的性能優(yōu)良的潤滑脂品種［1］，具有優(yōu)良的高溫性能，良好的膠體安定性、抗水淋性和抗磨極壓性［2］，可廣泛用于高溫、高負荷、低轉速的機械潤滑［3］。

我國膨潤土礦產(chǎn)資源豐富，查明資源儲量為27.75 億 t，僅次于美國，居世界第二位［4］。2012年，膨潤土潤滑脂在我國潤滑脂年總產(chǎn)量中所占比例較低，僅為0.53%，而北美的膨潤土潤滑脂占潤滑脂年總產(chǎn)量為4.73%，全球的膨潤土潤滑脂占潤滑脂年總產(chǎn)量為1.84%［5］，因而，我國膨潤土潤滑脂存在巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

作為一種高滴點、性能優(yōu)良的潤滑脂，膨潤土潤滑脂和復合鋁基潤滑脂、磺酸鹽復合鈣基潤滑脂、復合鋰基潤滑脂、聚脲基潤滑脂組成的高滴點潤滑脂品種在我國潤滑脂總產(chǎn)量中所占比例較小，這是由多種原因引起的。如，我國的高質量高性能潤滑脂品種和產(chǎn)量較少;我國存在相當數(shù)量的農用車輛和機具，一般使用低檔次鈣基、鋰基潤滑脂;潤滑脂的應用和知識普及推廣不夠，在使用過程中存在大量浪費［6－7］。

膨潤土潤滑脂主要組成部分是基礎油、有機膨潤土稠化劑、助分散劑和添加劑。基礎油對膨潤土潤滑脂的性能有較大影響。黃偉聰?shù)龋?］篩選150BS、PAO－40、酯類油等基礎油和乙醇、丙酮、碳酸丙烯酯等助分散劑，以酯類油為基礎油，季銨鹽改性膨潤土為稠化劑，乙醇為助分散劑，添加極壓、抗磨、防腐、抗氧等添加劑，制備了一種高、低溫條件下性能優(yōu)良的膨潤土潤滑脂產(chǎn)品。目前膨潤土潤滑脂的稠化劑較多采用季銨鹽改性的有機膨潤土，主要由十六烷基三甲氯化銨、雙十八烷基二甲基氯化銨、十八烷基二甲基芐基氯化銨等改性劑改性制得［9］。脂肪酸氨基酰胺膨潤土潤滑脂雖具有較高的熱分解溫度，但關于其制備工藝和性能的報道較少。米紅英［10］等創(chuàng)新性地使用十八胺封端脲醛樹脂制備改性膨潤土和稠化PAO8基礎油制成潤滑脂，該潤滑脂具有較好的高、低溫性能，機械安定性和抗水性。助分散劑的種類和添加量都會影響膨潤土潤滑脂的稠度［11］。陳新國等［12］的研究發(fā)現(xiàn)，由于不同助分散劑的分子結構不同，制備的潤滑脂稠度有差別。只有當作用于有機膨潤土溶解作用的溶劑力與有機膨潤土晶片端面間產(chǎn)生的氫鍵橋形成的氫鍵力相等時，形成的膠體才具有最大稠度。添加劑對提高膨潤土潤滑脂各方面的性能有著不可替代的作用。宋翃彬等［13］的研究表明，常用的氨型抗氧劑提高膨潤土潤滑脂性能時效果一般，鈉鹽防銹劑對膨潤土潤滑脂感受性好，極壓抗磨劑可選擇磷酸鈣、石墨、二烷基銻等。

本文以HVI 400為基礎油，采用季銨鹽改性膨潤土稠化劑，在實驗條件下制備了膨潤土潤滑脂，考察了丙酮、甲醇、乙醇、碳酸丙烯酯等助分散劑，攪拌速度，攪拌時間，研磨次數(shù)等制備工藝對膨潤土潤滑脂性能的影響。最后同SH/T 0536－1993的二號潤滑脂標準作了對比。

1 實驗

1.1 實驗試劑及儀器

1)實驗試劑

季銨鹽改性有機膨潤土:工業(yè)級，灰白色粉體，浙江豐虹新材料有限公司出品;HVI 400基礎油:40℃運動黏度為78.2 mm2/s，100℃運動黏度為8.7 mm2/s，蘭州石化公司出品;乙醇、丙酮:化學純，重慶川東化工試劑廠出品;甲醇:化學純，成都科龍化工試劑廠出品;胺型抗氧劑，石油磺酸鋇防銹劑，棉籽油型油性劑，磷酸酯，硼酸鹽型極壓抗磨劑(A、B、C)。

2)實驗儀器

JJ－1型電動攪拌器;三輥磨;錐入度測定儀;BF－22潤滑脂寬溫度范圍滴點測定器;202A－3型數(shù)顯電熱恒溫干燥箱;F－38潤滑脂萬次剪切實驗儀;BF－48潤滑脂抗水淋性能測定器;MS－800A型四球摩擦試驗機。

1.2 制脂工藝

將基礎油和季銨鹽改性膨潤土按照一定比例混合，快速攪拌后加入極性助分散劑進行充分分散，之后加入添加劑，經(jīng)研磨均化后可得到膨潤土潤滑脂(圖1)。

圖1 膨潤土潤滑脂制脂工藝

2 結果與討論

2.1 助分散劑對膨潤土潤滑脂性能的影響

采用圖1所示的制脂工藝，加入基礎油、有機膨潤土配制成100 g混合液，快速攪拌20 min，加入助分散劑甲醇、乙醇、丙酮、碳酸丙烯酯各4，6，8，10 mL，再攪拌20 min，經(jīng)研磨均化后測定其理化指標。結果見圖2。

圖2 助分散劑對膨潤土潤滑脂性能的影響

制備潤滑脂時，助分散劑的添加可以為膨潤土－基礎油體系提供凝膠所需的化學能，加速聚集態(tài)的有機膨潤土晶片膨脹，從而獲得最佳的凝膠效果［14］。從圖2中可知:加入助分散劑后，膨潤土潤滑脂的稠度都隨著助分散劑添加量的增加而增大;加入乙醇的潤滑脂增稠效果最為明顯;加入甲醇的潤滑脂的性能變化與加入乙醇的潤滑脂相比有相同的趨勢，但增稠效果不如乙醇;添加丙酮的潤滑脂在丙酮的添加量為6 mL時稠度基本保持不變，說明潤滑脂已經(jīng)達到最佳的凝膠效果;添加碳酸丙烯酯的潤滑脂稠度增幅不明顯，這可能是碳酸丙烯酯與基礎油－有機膨潤土稠化劑的配伍性不佳。加入丙酮、甲醇、乙醇的潤滑脂，其鋼網(wǎng)分油都隨著添加量的增加而減小，其滴點都隨添加量的增加而增大。丙酮添加量多于6 mL，甲醇添加量多于8 mL時，潤滑脂的鋼網(wǎng)分油性能基本保持不變。添加一定量的助分散劑之后，潤滑脂性能隨助分散劑添加量的增加而逐漸提升，其中加入甲醇的潤滑脂膠體安定性最好，乙醇次之。添加丙酮、甲醇、乙醇的潤滑脂其滴點的變化規(guī)律有相似的趨勢，其中添加甲醇的潤滑脂性能較好，丙酮次之。對比丙酮、甲醇、乙醇的滴點和鋼網(wǎng)分油性能后發(fā)現(xiàn)，加入碳酸丙烯酯潤滑脂的滴點隨著碳酸丙烯酯添加量的增加而減小，當添加量為8 mL時，此潤滑脂的滴點最小。隨著添加量繼續(xù)增加，其滴點突然增大，這可能是過量的碳酸丙烯酯破壞了基礎油－有機膨潤土稠化劑－助分散劑的膠體結構，也可能是碳酸丙烯酯與基礎油－有機膨潤土的稠化劑的配伍性不佳。同時發(fā)現(xiàn)此潤滑脂的鋼網(wǎng)分油隨碳酸丙烯酯添加量的增加而增加，這可能與此潤滑脂的膠體結構受到破壞有關。

通過以上分析可知，丙酮、甲醇、乙醇、碳酸丙烯酯均能改善潤滑脂的某些性能，使用丙酮、甲醇、乙醇的潤滑脂，其稠度隨助分散劑添加量的增加而增大，乙醇的增稠作用最明顯，其滴點也隨助分散劑的添加量的增加而增大，其中添加甲醇的潤滑脂數(shù)值較高。鋼油分油數(shù)值隨助分散劑添加量的增加而變小，其中添加甲醇的潤滑脂數(shù)值最小。碳酸丙烯酯也可以改善潤滑脂的一些性能，但由于其氫鍵與有機膨潤土稠化劑的配伍性不佳，或由于其與基礎油、有機膨潤土改性劑的配伍性較差，使得添加碳酸丙烯酯的潤滑脂增稠效果不高，膠體結構不穩(wěn)定，其鋼網(wǎng)分油數(shù)值較大。綜合以上分析，甲醇作助分劑制備的潤滑脂具有較高的稠度、較好的高溫性能和膠體安定性。在100 g基礎油－有機膨潤土稠化劑中添加4～6 mL甲醇時可獲得滴點高、分油少的二號膨潤土潤滑脂。

2.2 制備工藝條件對膨潤土潤滑脂性能的影響

1)攪拌速度

按照圖1的生產(chǎn)工藝，在攪拌過程中，分別設置攪拌速度為 500 r/min，1000 r/min，2000 r/min，考察攪拌速度對膨潤土潤滑脂性能的影響，結果見圖3。

在制備潤滑脂過程中，必須以不同的形式做功，才能使溶于基礎油分散液的有機膨潤土稠化劑分散相達到高度分散狀態(tài)。由圖3可知，當攪拌速度為1 000 r/min時，相對于500 r/min，潤滑脂的稠度有較大提升，鋼網(wǎng)分油部分減少，滴點有一定上升，說明1 000 r/min攪拌時潤滑脂相對于慢速攪拌分散更加均勻。當采用2 000 r/min攪拌時，潤滑脂的稠度有一定增加，但增幅不明顯，鋼網(wǎng)分油迅速減小，說明2 000 r/min攪拌速度對潤滑脂的膠體安定性有較大影響。潤滑脂滴點有一定上升，說明穩(wěn)定的潤滑脂結構能夠提高潤滑脂的高溫性能。綜合以上分析，選擇2 000 r/min攪拌速度作為制備潤滑脂的條件。

圖3 攪拌速度對膨潤土潤滑脂性能的影響

2)攪拌時間

制備膨潤土潤滑脂時，攪拌時間對潤滑脂體系的性能有較大影響［15］。按照圖1制脂工藝進行第1組實驗，將第1次攪拌時間分別設置為10，20，30 min，第二次攪拌時間設置為20 min，考察基礎油－有機膨潤土稠化劑分散體系對潤滑脂性能的影響。進行第2組實驗，將第1次攪拌時間設置為30 min，第2次攪拌時間分別設置為10，20，30 min，考察加入助分散劑后攪拌時間對基礎油－有機膨潤土稠化劑－助分散劑體系的影響。結果見圖4。

從圖4(a)可知:當攪拌時間從10 min增加到20 min時，潤滑脂的稠化性能、高溫性能和膠體安定性能均有大幅度提升;當攪拌時間從20 min增加到30 min后，潤滑脂的性能有所增加，效果不明顯，這說明攪拌時間的延長有助于有機膨潤土稠化劑更好地分散于基礎油中，形成穩(wěn)定的分散體系，良好的分散體系有助于提升潤滑脂的各種性能。

從圖4(b)可知:當助分散劑加入基礎油－有機膨潤土稠化劑分散體系后，攪拌時間從10 min延長到20 min時，潤滑脂的稠化性能、高溫性能和膠體安定性均有大幅度增加;當攪拌時間延長至30 min后，潤滑脂的性能有小幅下降，這說明攪拌時間為20 min時，基礎油－有機膨潤土稠化劑－助分散劑體系形成了穩(wěn)定的膠體結構，隨著作用時間延長，這種穩(wěn)定的結構受到一定的破壞。

綜合以上分析，制備潤滑脂時，前期的基礎油－有機膨潤土稠化劑體系的攪拌分散時間應盡量延長。加入助分散劑后，一定的攪拌時間可以使基礎油－有機膨潤土稠化劑－助分散劑體系形成穩(wěn)定的膠體結構。結合實驗數(shù)據(jù)，第1次攪拌時間設置為30 min，第2次攪拌時間設置為20 min。

圖4 攪拌時間對膨潤土潤滑脂性能的影響

3)研磨次數(shù)

按照圖1制脂工藝，選擇甲醇、乙醇、丙酮作為助分散劑，設置研磨次數(shù)分別為 0，1，2，3，4，5，6，考察研磨次數(shù)對膨潤土潤滑脂稠度的影響。結果見圖5。

圖5 研磨次數(shù)對膨潤土潤滑脂性能的影響

在制備潤滑脂過程中，研磨可以幫助潤滑脂分散，形成穩(wěn)定膠體結構。李素［11］的研究表明，后處理工藝和時間對膨潤土潤滑脂的稠度有顯著影響，且制備潤滑脂時存在最佳工藝參數(shù)。從圖5可知:研磨作用對添加丙酮、甲醇、乙醇制備的潤滑脂均有增稠作用;無研磨時，甲醇、乙醇的增稠能力強于丙酮;研磨后，乙醇的增稠作用最明顯，甲醇次之;當研磨次數(shù)達到3～4次時，添加丙酮、甲醇、乙醇制備的潤滑脂稠度達到穩(wěn)定，研磨次數(shù)繼續(xù)增加后，潤滑脂的稠度有減少的趨勢。綜合以上分析，為達到最大稠度，實驗選擇的研磨次數(shù)為4次。

根據(jù)以上實驗分析，采用HVI 400基礎油、季銨鹽改性膨潤土稠化劑、甲醇制備潤滑脂時，添加4% ～6%的助分散劑，攪拌速度為2 000 r/min，第1次攪拌時間為 30 min，第 2次攪拌時間為20 min，經(jīng)三輥磨研磨4次，可制備具有良好高溫性能、膠體安定性能的膨潤土潤滑脂。

2.3 添加劑對膨潤土潤滑脂性能的影響

膨潤土具有由兩層硅氧四面體片晶層中間夾一層鋁(鎂)氧八面體晶層構成的2∶1型層狀晶體結構［4］，相比于皂基潤滑脂，膨潤土潤滑脂具有良好的極壓抗磨性，但在高負載條件下，仍需加入一定量添加劑才能滿足使用條件。

按照圖1生產(chǎn)工藝，結合上述實驗條件，可制備出滿足質量指標SH/T 0536—1993(2003)的二號膨潤土基礎潤滑脂。在此基礎上添加胺型抗氧劑0.5%、石油磺酸鋇防銹劑0.4%、棉籽油型油性劑1%，磷酸酯、硼酸鹽型極壓劑 A、B、C各1.5%，2.5%，測定其理化指標。結果見表 1、表2。

表1 極壓劑對膨潤土潤滑脂性能的影響(1)

表2 極壓劑對膨潤土潤滑脂性能的影響(2)

圖6 膨潤土潤滑脂的極壓值圖

由表1、表2和圖6可知，添加1.5%的A、B、C后，膨潤土潤滑脂的油膜強度和燒結負荷均有一定量的提升，但效果不明顯，添加C的膨潤土潤滑脂相較添加A、B的潤滑脂性能較好，PB值達到921 N，PD值達到 2 452 N。將添加量增加至2.5%后，加入3種極壓劑的潤滑脂的極壓性能均有一定的提升，其中添加C的潤滑脂極壓性能最佳，PB值達到2 452 N，PD值達到4 093 N。因此，選擇C作為極壓膨潤土潤滑脂的極壓添加劑。

2.4 膨潤土潤滑脂的性能評定

根據(jù)以上實驗條件制備膨潤土潤滑脂并考察其性能。配置一定的基礎油－有機膨潤土稠化劑混合液，添加6% ～8%的甲醇作為助分散劑，2 000 r/min快速攪拌，設置第1次攪拌時間為30 min，第2次攪拌時間為20 min，添加胺型抗氧劑0.5%，防銹劑0.4%，棉籽油型油性劑1%，硼酸鹽型極壓劑C 2.5%，制備極壓膨潤土潤滑脂，對其性能進行綜合評定，并與石化行業(yè)標準SH/T 0537—1993(2003)進行對照。結果見表3。

表3 膨潤土潤滑脂的性能

從表5的數(shù)據(jù)可知，制備的極壓型膨潤土潤滑脂產(chǎn)品的性能達到了石化行業(yè)標準SH/T 0537—1993(2003)的質量指標的要求。研制的產(chǎn)品是一種性能優(yōu)良的極壓膨潤土潤滑脂，產(chǎn)品具有良好的高溫性、膠體安定性、機械安定性、防銹性、抗水性和極壓抗磨性。

3 結論

1)助分散劑可幫助膨潤土潤滑脂分散，從而形成具有一定穩(wěn)定性的膠體結構。實驗中發(fā)現(xiàn)，乙醇的增稠效果最佳，使用甲醇制備潤滑脂的高溫性、膠體安定性較好，碳酸丙烯酯與礦物基礎油、季銨鹽改性膨潤土稠化劑的配伍性不佳。

2)不同形式的做功能幫助膨潤土潤滑脂達到高度分散狀態(tài)。2 000 r/min攪拌能夠幫助膨潤土潤滑脂分散完全;第1次攪拌30 min，第2次攪拌20 min制備的膨潤土潤滑脂性能優(yōu)良;研磨4次時，膨潤土潤滑脂的稠度達到最佳。

3)膨潤土潤滑脂對添加劑的感受性不同。當添加1.5%的極壓劑A、B、C時，膨潤土潤滑脂的極壓抗磨性能相差不大，當添加量增加到2.5%后，加入硼酸鹽型極壓劑C的膨潤土潤滑脂的極壓性尤為突出。

4)采用優(yōu)化配方和制脂條件制備的極壓型膨潤土潤滑脂的性能達到了石化行業(yè)標準SH/T 0537—1993(2003)要求。產(chǎn)品具有良好的高溫性、膠體安定性、機械安定性、防銹性、抗水性和極壓抗磨性。

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