曾暉，李少飛，劉濤，周嘉明，莫嘉文，紀紅兵

（1中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，廣州 510275；2中山大學(xué)惠州研究院，惠州 516081；3廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣州 510006）

引言

機械設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)的重要工具，良好的設(shè)備運行取決于潤滑狀況。潤滑是指用液體、氣體、固體等將摩擦表面分開，避免摩擦面直接接觸，減少摩擦和磨損[1-4]。潤滑脂是工業(yè)潤滑劑的重要組成部分，是由稠化劑和基礎(chǔ)油組成的具有可塑性的半固體潤滑材料，被廣泛應(yīng)用于電子、電力、鋼鐵和汽車等工業(yè)[1,4-8]。潤滑脂由于其固有的優(yōu)良性能，不僅能滿足常規(guī)的潤滑要求，與液體潤滑劑（潤滑油）相比還具備以下優(yōu)點：黏附性好，不易流失；在高負荷下能保持良好的潤滑能力；潤滑周期長；適用的溫度范圍與工作條件寬；具有密封作用。因此，機械使用潤滑脂可簡化機械潤滑系統(tǒng)、避免漏油、降低能源消耗、減少環(huán)境污染，符合綠色化學(xué)提倡的理念。

目前國內(nèi)潤滑脂產(chǎn)品的產(chǎn)量和種類逐年增大，2013年，中國潤滑脂實際產(chǎn)量達到 4.318×105t，占全球總產(chǎn)量的42.67%[9]。在潤滑脂市場越來越大的同時，國內(nèi)對于潤滑脂的研究逐漸增多，據(jù)統(tǒng)計，在EI數(shù)據(jù)庫收錄的相關(guān)文章中，2010～2012年，中國相關(guān)潤滑脂的論文總數(shù)占到世界的28.6%[10]。研究的質(zhì)量和數(shù)量的增強，體現(xiàn)了潤滑脂技術(shù)發(fā)展水平在逐步提升，也說明了中國潤滑脂工業(yè)的蓬勃發(fā)展。

為滿足苛刻的工況，潤滑脂會經(jīng)過特殊處理來提高性能，以滿足其使用要求。如調(diào)整功能性、加入添加劑、調(diào)整稠化劑、改變基礎(chǔ)油性質(zhì)、調(diào)整合成工藝等。因此，新型潤滑脂一直是研究的熱點。本工作從潤滑脂的產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、生產(chǎn)過程優(yōu)化、合成理論、工藝設(shè)備等 5方面對近年來國內(nèi)外潤滑脂相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀進行綜述。

1 潤滑脂產(chǎn)品功能化

潤滑脂的組分主要是基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑3種。從功能性分類，潤滑脂的主要功能可分為防護、密封、阻尼、降噪和減摩。

防護主要是通過防止金屬與空氣、水、酸或其他腐蝕性氣體或液體的接觸，從而防止金屬表面的腐蝕和銹蝕，起到防護作用。鮑天驕等[11]將T703、T705和T706防銹劑加入潤滑脂中，達到了較理想的防護效果，主要由于防銹劑中的苯并三氮唑與銅生成螯合物Cu(C6H4N3)2，覆蓋在銅片的表面；T703分子結(jié)構(gòu)中具有極性基團和含有不對稱結(jié)構(gòu)的表面活性物質(zhì)，其極性基團依靠庫侖力和化學(xué)鍵，能定向吸附在油-金屬界面形成保護膜，表面活性物質(zhì)可以吸附和捕集極性的腐蝕物質(zhì)使之不與金屬接觸，從而達到防護效用。

密封的作用是脂涂抹在軸承時能形成具有一定密封作用的脂圈，阻止塵土、碎屑及各種氣體等進入軸承內(nèi)部?？梢酝ㄟ^高黏度的基礎(chǔ)油以及稠化劑、黏附劑來改善潤滑脂的密封功能[12]，其強密封性是由于高黏度的基礎(chǔ)油導(dǎo)致了潤滑脂具有較高運動黏度[13]，從而在工作過程中強烈地黏附在軸承表面，使得軸承表面產(chǎn)生了一層長效抗剪切性的密封油膜，有效地防止雜質(zhì)進入軸承內(nèi)部。

阻尼性能不但起潤滑作用，最重要的是還能讓電子元件給人以舒適的“手感”，其機理是在工作中潤滑脂能夠在摩擦表面形成一層均勻穩(wěn)定的油膜。通過高黏度基礎(chǔ)油、增稠劑、增黏劑[14]，提高了潤滑脂的黏著性、機械安定性；在不同溫度條件下阻尼力矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，能夠與大多數(shù)類型的塑料相容，從而提高了潤滑脂的阻尼性能。

降噪的機理主要是潤滑脂形成油膜將振動的能量逐漸消耗，或者轉(zhuǎn)化為其他能量形式，從而起到減振防噪的效果。如在生產(chǎn)中保持清潔的情況下，選擇黏度高的基礎(chǔ)油、纖維短小而均勻的稠化劑[15]，可以改善潤滑脂的降噪性能[16]。黏度高的基礎(chǔ)油，能夠產(chǎn)生較厚的油膜，從而更容易抗振動；在衰減軸承的振動上，皂纖維短的潤滑脂要比皂纖維長的潤滑脂好[17]。由于這種潤滑脂在工作中所形成的油膜能有效地降低接觸面的彈性變化引起的微小交變力[18]，故使得潤滑脂振動和噪聲減小。

減摩機理是在摩擦表面上形成一層油膜，從而改善界面之間的摩擦，降低磨損，避免了金屬表面咬焊和撕裂磨損。曲建俊等[19]利用四氟乙烯（PTFE）顆粒改善脲基潤滑脂的減摩性能，此類納米顆?？梢栽谀Σ帘砻嫔吓c潤滑油活性元素形成復(fù)合邊界潤滑膜[20]，防止了金屬與金屬的直接接觸，減小了摩擦，降低了磨損，從而達到減摩效用。無機和有機抗摩劑產(chǎn)生的作用機理不同，如硼酸鹽能形成強度極高的油膜，防止摩擦副的磨蝕，同時具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，在高溫下仍能正常工作，不會腐蝕銅，所以銅質(zhì)摩擦副常用硼酸鹽作為潤滑脂的添加劑[21-22]。有機功能性添加劑通過活性基團吸附在摩擦材料表面，烴鏈朝外形成吸附膜，在摩擦過程中摩擦副接觸，擠破油膜，產(chǎn)生的高溫使得吸附在摩擦材料表面的添加劑分子分解，基團含有的活性元素與摩擦表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成無機膜。研究顯示低溫環(huán)境下，少量磷酸三甲酚酯能起到較好的抗摩性能；在摩擦過程產(chǎn)生的高溫下，添加劑中的磷元素與金屬反應(yīng)生成無機膜，起抗摩作用，但是添加量加大，就會因磷元素與金屬反應(yīng)過度而產(chǎn)生負效應(yīng)[23]。2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑衍生物作為一種復(fù)合鋰基潤滑脂添加劑，具有長碳鏈及極性高特點，容易吸附在摩擦副表面，在摩擦過程中，分子中的硫元素與摩擦副表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)反應(yīng)膜，覆蓋在表面，從而提高潤滑脂的極壓抗摩性[24]。無機功能性添加劑起到的減摩機理有幾類，一類是添加劑顆粒具有很高的表面能，吸附在摩擦材料表面形成物理吸附膜，顆粒中含有的元素在摩擦過程中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)反應(yīng)膜隔開摩擦副。納米坡縷石是一種含羥基的短圓柱狀或粒狀粉末，分散在潤滑脂當中具有很高的表面能，當與摩擦副接觸時，羥基活性基團會吸附在其表面，然后在摩擦作用下，該基團與摩擦副表面發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成自修復(fù)膜層保護摩擦副[25]；石墨和層狀二硅酸鈉復(fù)配體系作為鋰基潤滑脂添加劑，在摩擦作用下，與摩擦副表面的材料進行反應(yīng)，形成一層減摩的膜層[26]；另外一類機理是無機添加劑具有較小尺寸和近似球形的，起到滾珠的作用，在摩擦過程中可以填平磨損部位，如納米ZrO2顆粒作為一種潤滑材料的抗摩減壓添加劑，它一方面能沉積在摩擦表面，形成一層物理吸附膜；另一方面，它能填平摩擦表面缺陷部位，起到修復(fù)表面作用[27-28]；納米銅粒子作為潤滑脂的添加劑可以起修復(fù)、成膜的作用，一方面它填補摩擦副表面缺陷，降低摩擦阻力，另一方面，在修補的部位，在足夠高的溫度和壓力下與表面材料和油膜中的物質(zhì)進行反應(yīng)形成物理吸附膜[29]；另外一類機理是無機添加劑在摩擦過程中沉積在摩擦表面，形成非晶態(tài)或無定形膜隔開摩擦材料，如1.5% LaF3微粒在鋰基潤滑脂能夠提高潤滑脂的承載能力和燒結(jié)負荷，而且對摩擦表面有較好的自修復(fù)作用（沉積、結(jié)晶、鋪展成膜），起到減摩的作用[30]；同樣是氟化物的CaF2，作為鋰基潤滑脂的添加劑時，在摩擦初期，它會吸引一些有機物先沉積到摩擦表面形成沉積膜，隨著摩擦表面溫度升高或者壓力的增大，部分CaF2會和摩擦表面材料以及潤滑脂當中的物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成膜層，保護了摩擦副表面[31]。納米鉍粉與超細蛇紋石粉復(fù)合添加劑作為鋰基潤滑脂添加劑，在低、中、高負荷下摩擦學(xué)性能很好，尤其在質(zhì)量比為3：1時，性能最優(yōu)，這是因為粒徑較小的納米鉍粉體優(yōu)先沉積于摩擦副表面，而粒徑較大且含量較小的蛇紋石粉體則沉積于鉍形成的自修復(fù)膜以上，兩者共同起減摩的作用[32]。

2 潤滑脂組分的影響

2.1 稠化劑

潤滑脂稠化劑常見的種類是皂基稠化劑，皂基稠化劑分子通過分子間相互作用力聚結(jié)形成皂纖維，皂纖維的微觀結(jié)構(gòu)直接影響產(chǎn)品的宏觀性能。近年來從皂纖維的微觀結(jié)構(gòu)開展基礎(chǔ)研究逐漸受到重視，研究人員嘗試從基礎(chǔ)油、稠化劑類型、合成工藝和脂性能等方面研究相互間關(guān)系。

Delgado等[33]發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)油黏度不僅影響皂纖維數(shù)量和形狀，也影響纖維與纖維之間的間隙大小。Delgado等[34]研究了皂纖維的含量和基礎(chǔ)油的黏度對鋰基潤滑脂瞬態(tài)剪切行為的影響，發(fā)現(xiàn)其流變特性符合Leider-Bird模型。Sánchez等[35]利用原子力顯微鏡（AFM）表征不同稠化劑類型和含量的潤滑脂，可清楚地觀察到不同稠化劑的潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)有較大差異，如圖1所示。

圖1 不同潤滑脂的AFM顯微圖[35]Fig.1 AFM micrographs of different lubricating grease[35]

毛菁菁等[36]研究了復(fù)合鋰基潤滑脂的流變特性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)復(fù)合鋰基潤滑脂的流變特性與皂纖維的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。曾暉等[37-38]考察了潤滑脂組成、膨化參數(shù)對復(fù)合鋰基潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)的影響，認為皂纖維的長度、粗細和纏繞程度形成的三維結(jié)構(gòu)決定了潤滑脂的膠體性能，復(fù)合鋰皂的含量對潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)的影響不大而膨化時間對潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)的影響十分明顯。謝星[17]選取了6種通用潤滑脂和4種塑膠潤滑脂作為研究對象，結(jié)合脂的理化性能分析皂纖維結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)皂纖維越緊密，相應(yīng)脂的滴點越高，膠體安定性越好；在皂纖維結(jié)構(gòu)的緊密程度一致的情況下，皂纖維的長徑比越大，相應(yīng)脂的滴點越高，膠體安定性越好。Paszkowski等[39]研究了不同剪切階段潤滑脂的觸變性及對應(yīng)階段皂纖維的結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)皂分子間的氫鍵作用對被剪切過程的脂結(jié)構(gòu)復(fù)原重構(gòu)影響很大。趙改青等[40]以脂肪胺、芳香胺、脂環(huán)胺的不同組合和異氰酸酯為稠化劑，利用掃描電鏡（SEM）對潤滑脂皂纖維微觀結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果表明單純均勻顆粒狀稠化劑比纖維與顆粒狀復(fù)合的稠化劑所制備的聚脲脂具有更優(yōu)的性能。

2.2 基礎(chǔ)油

潤滑脂中基礎(chǔ)油是主要成分，質(zhì)量分數(shù)65%～95%，主要是礦物油和合成油兩類，基礎(chǔ)油的分子結(jié)構(gòu)對脂的理化性能有重要影響。岳利義等[41]研究了基礎(chǔ)油對鋰基潤滑脂觸變性的影響，用石蠟基基礎(chǔ)油、中間基基礎(chǔ)油和環(huán)烷基基礎(chǔ)油制備了3種鋰基潤滑脂，并測試其觸變性能，發(fā)現(xiàn)3種鋰基潤滑脂的觸變性能都隨著溫度的升高而降低。溫度對石蠟基基礎(chǔ)油鋰基潤滑脂的觸變性影響較小，而對環(huán)烷基基礎(chǔ)油鋰基潤滑脂的影響較大。曾暉等[42]研究了不同分子結(jié)構(gòu)的硅油對復(fù)合鋰基潤滑脂性能及稠化劑結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)油分子側(cè)鏈的空間位阻影響到皂纖維的結(jié)構(gòu)，是促使?jié)櫥砘阅墚a(chǎn)生差異的原因。

2.3 添加劑

添加劑可改善潤滑脂的流變性能。Martin-Alfonso等[43-44]研究了低密度聚乙烯（LDPE）作為添加劑對潤滑脂流變性的影響，發(fā)現(xiàn)LDPE填充進皂纖維網(wǎng)絡(luò)中，潤滑脂的表觀黏度，線性黏彈性函數(shù)均隨著皂、LDPE濃度有所增加。Martin-Alfonso等[45]評價了不同聚合物作為添加劑對潤滑脂流變性的影響，發(fā)現(xiàn)聚合物如高密度聚乙烯（HDPE），LDPE和線性低密度聚乙烯（LLDPE）與聚丙烯（PP）顯著提高鋰潤滑脂的流變參數(shù)、稠度和機械穩(wěn)定性。Martin-Alfonso等[46]還研究了利用回收聚合物作為添加劑加入鋰基潤滑脂合成過程對潤滑脂流變性的影響，發(fā)現(xiàn)在皂化反應(yīng)后加入添加劑，會對潤滑脂線性黏彈性產(chǎn)生較大影響。

張國亮等[47]采用 Casson模型，擬合所得到的復(fù)合潤滑脂流變曲線表明，納米SiO2的比表面積越小，所制備的復(fù)合潤滑脂的屈服應(yīng)力和表觀黏度越大。這種復(fù)合潤滑脂獨特的觸變效應(yīng)是由其內(nèi)部SiO2納米粒子絮狀微結(jié)構(gòu)和黏滯運動所造成。

3 生產(chǎn)過程優(yōu)化研究

大部分研究集中在潤滑脂反應(yīng)過程的結(jié)構(gòu)變化和物理化學(xué)性質(zhì)的變化，而生產(chǎn)過程的優(yōu)化對工業(yè)生產(chǎn)有非常重要的指導(dǎo)作用。

生產(chǎn)過程中對傳熱的不同處理會直接導(dǎo)致皂纖維結(jié)構(gòu)有明顯的變化，進而影響其宏觀性能。Moreno等[48-49]研究了鋰基脂制備工藝過程，在冷卻時加入聚（1,4-丁二醇）甲代亞苯基2,4-二異氰酸酯終止預(yù)聚物，可以顯著增加潤滑脂的線性黏彈性功能。不同步驟加入可以有效增強潤滑脂的流變學(xué)性能，這是由于異氰酸酯和皂中的羥基發(fā)生反應(yīng)。許俊等[50]考察了冰水浴和自然冷卻條件下鋰基潤滑脂的流變學(xué)性能，結(jié)果表明自然冷卻條件下制備的潤滑脂因形成的皂纖維結(jié)構(gòu)粗長纏繞致密，可較好地抵抗剪切應(yīng)力而保持結(jié)構(gòu)不被破壞；而冰水浴制備的潤滑脂皂纖維細小，表面積增大導(dǎo)致油吸附能力強，但機械安定性差。姚立丹等[51]研究了煉制溫度和反應(yīng)方式對復(fù)合鋰基潤滑脂和脲基潤滑脂滴點的影響，探討了復(fù)合鋰基潤滑脂和脲基潤滑脂成脂機理的異同，隨著煉制溫度增加，脲基潤滑脂分子間以氫鍵的形式進一步締合，皂纖維以螺旋狀纖維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，而復(fù)合鋰基潤滑脂稠化劑分子之間類似于氫鍵的鋰鍵必須在最初階段形成，否則不能通過提高煉制溫度得到改善。Delgado等[52]研究了鋰基潤滑脂的熱流變性，發(fā)現(xiàn)溫度升高導(dǎo)致潤滑脂流變性能改變，溫度高于 110℃時，潤滑脂線性黏彈模量和屈服應(yīng)力明顯下降，潤滑脂熱敏感性增加。于唯等[53]研究了皂化溫度等工藝條件的影響，得到優(yōu)化的復(fù)合鋰基潤滑脂工藝條件，發(fā)現(xiàn)在成脂階段攪拌速度控制在80 r·min-1有利于保持皂纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

對于脲基潤滑脂和其他潤滑脂，徐世敏等[54]考察了后處理工藝對聚脲潤滑脂性能的影響，發(fā)現(xiàn)循環(huán)冷卻效果最好，組合研磨后脂的各項物化指標最優(yōu)，脫氣僅對外觀有影響。廖順等[55]探討了聚脲潤滑脂生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品性能影響，以不同有機胺按不同摩爾比與二苯甲烷-4,4-二異氰酸酯（MDI）反應(yīng)制備聚脲潤滑脂，考察了最高煉制溫度和不同后處理工藝對聚脲潤滑脂理化性能的影響，發(fā)現(xiàn)聚脲潤滑脂的最高煉制溫度和后處理工藝對產(chǎn)品性能（水淋流失量、鋼網(wǎng)分油、機械安定性）有較大的影響。郭小川等[56]研究預(yù)制稠化劑法制備聚脲潤滑脂，發(fā)現(xiàn)基于預(yù)制稠化劑制備的脲基潤滑脂具有良好的成脂性和具有良好的安定性。李立[57]研究二脲基潤滑脂組成與工藝對高溫硬化性能的影響，發(fā)現(xiàn)在 100℃下，基礎(chǔ)油黏度越低，二脲基硬化趨勢越明顯。張遂心[58]研究用不同組合的有機胺制備聚脲潤滑脂，通過對熱安定性、機械安定性、膠體安定性、抗水性等性能的比較，發(fā)現(xiàn)制備過程中間隔加入有機胺形成的脂性能較好。馬麗等[59]改進了連鑄機潤滑脂制備工藝，改進后的工藝在異氰酸酯的加入溫度、混合反應(yīng)溫度，特別是最高煉制溫度都要比傳統(tǒng)方法要低。鄭雄楓等[60]研究了研磨參數(shù)對潤滑脂的影響，發(fā)現(xiàn)研磨的工藝條件對潤滑脂的滴點、膠體安定性、皂纖維結(jié)構(gòu)都有一定的影響。Ilowska等[61]考察了不同條件下合成潤滑脂，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時間增加，潤滑脂的錐入度、抗氧化性降低。陳新國等[62]研究了膨潤土潤滑脂生產(chǎn)過程加熱溫度的影響中，研究表明，制備溫度提高雖然有利于降低設(shè)備的能耗，但并不一定對膨潤土的性能有提升，溫度控制在較低范圍有利于生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。李小紅等[63]研究了冷卻和研磨方式對潤滑脂降噪的影響，發(fā)現(xiàn)慢冷降噪效果較好，循環(huán)剪切效果優(yōu)于膠體磨。

4 合成機理和皂基脂結(jié)構(gòu)

4.1 合成機理研究

潤滑脂的三大主要成分為基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑，其中基礎(chǔ)油和稠化劑二者并不是簡單的溶解，而是形成的稠化劑分子通過分子間相互作用力（如范德華力、氫鍵、靜電吸引力等）形成了特殊的三維結(jié)構(gòu)，限制了基礎(chǔ)油分子的流動性，將油分子從流體變?yōu)榘肓黧w或固體[39,64-65]。目前對潤滑脂成脂機理研究比較多的是脲基和金屬皂基潤滑脂體系。

楊瑋等[66]研究脲基潤滑脂合成機理，提出由異氰酸酯與有機胺反應(yīng)，經(jīng)過一定時間的高溫?zé)捴?，使脲基稠化劑通過分子之間氫鍵連接成管狀纖維，各長纖維又交聯(lián)為空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一，在高溫下聚脲稠化劑隨著溫度的升高，脲分子間的氫鍵數(shù)目會不斷增多；第二，在高溫條件下，脲分子會從雜亂無章的無序結(jié)構(gòu)向有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，通過氫鍵形成穩(wěn)定的稠化劑骨架結(jié)構(gòu)；第三，在同樣的高溫條件下，基礎(chǔ)油分子被活化，并被充分地吸入空間螺旋管內(nèi)，最終形成結(jié)合緊密、熱穩(wěn)定性極好的脲基潤滑脂。

何懿峰等[67]研究潤滑脂成脂機理，提出皂基潤滑脂、有機潤滑脂和其他類型潤滑脂的合成機理。金屬皂潤滑脂主要是由于分子的親水性和疏水性，相互排列成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似于表面活性劑的作用；脲基潤滑脂則是分子間的相互氫鍵作用，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而將基礎(chǔ)油包裹在其中。同時提出不同的工藝條件，比如冷卻方式，對于稠化劑的排列方式有很大的影響。此理論較好地解釋了皂基潤滑脂的形成，但對于解釋無機和脲基類潤滑脂的形成過程則不太適用。

目前，對于潤滑脂合成機理及微觀結(jié)構(gòu)，還沒有突破性的進展。探索潤滑脂合成機理需要利用合適的原位測量工具研究反應(yīng)過程及研究分子間的相互作用力如氫鍵，這個過程具有一定的難度[46,68-71]。

4.2 皂基潤滑脂結(jié)構(gòu)的研究

鋰基潤滑脂是目前皂基潤滑脂的主要品種，基于皂對基礎(chǔ)油的稠化機理，很多研究通過控制潤滑脂的微觀結(jié)構(gòu)，合成更多優(yōu)質(zhì)、特殊性能的潤滑脂產(chǎn)品，主要是控制潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)的差異[19]。

Adhvaryu等[72]利用鋰皂與棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和混合大豆油合成了4種鋰基潤滑脂，硬脂酸鋰基脂的皂纖維結(jié)構(gòu)比棕櫚酸鋰基脂的皂纖維結(jié)構(gòu)緊湊；碳-碳不飽和鍵更多的亞油酸合成的潤滑脂，皂纖維更細小，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更緊湊；添加抗氧化劑會使?jié)櫥脑砝w維變粗大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變疏松。Delgado等[33,73]制造了一系列不同皂含量和基礎(chǔ)油黏度的潤滑脂，發(fā)現(xiàn)皂含量越低，膠束纖維顆粒越大，當皂含量增大，膠束纖維纏繞密度越大；基礎(chǔ)油的黏度越高，纖維越長，儲油空間越大。圖2顯示了典型的鋰基潤滑脂皂纖維從反應(yīng)初始階段（sample 1）到皂化反應(yīng)階段（sample 2和3），加油冷卻階段（sample 4），均質(zhì)階段（sample 5），成品（sample 6）的微觀結(jié)構(gòu)形貌。Moreno等[49]研究了添加劑二異氰酸酯聚合物（PBTDI）對鋰基潤滑脂的流變學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響，原子力顯微鏡觀察得出的皂纖維結(jié)構(gòu)顯示 PBTDI的添加使鋰基潤滑脂的纖維變粗大。曾暉等[38]利用高分辨 SEM觀察鋰基潤滑脂的微觀結(jié)構(gòu)，對不同稠化劑、基礎(chǔ)油黏度、添加劑對潤滑脂的性能影響從微觀結(jié)構(gòu)的角度進行解釋。結(jié)果表明：皂纖維的長度、粗細和纏繞程度形成的三維結(jié)構(gòu)決定了潤滑脂的膠體性能，在同等稠化劑含量下（質(zhì)量分數(shù) 12%），二組分癸羥型皂纖維三維結(jié)構(gòu)比二組分硼羥型更為致密，三組分水楊酸型沒有形成皂纖維結(jié)構(gòu)，但滴點最高；高黏度基礎(chǔ)油制備的潤滑脂的皂纖維結(jié)構(gòu)較低黏度基礎(chǔ)油制備的潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)疏松；在較少的含量情況下，添加劑的加入不影響皂纖維的大小和形狀。

圖2 潤滑脂在合成過程中微觀結(jié)構(gòu)的演化（SEM）[73]Fig.2 Microstructure evolution of grease in synthetic process[73]

沈鐵軍等[74]研究了靜態(tài)熱老化對鋰-鈣基潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)和流變性的影響，熱老化容易導(dǎo)致皂纖維解體，使?jié)櫥z網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，容易流失，導(dǎo)致潤滑膜供油不足，產(chǎn)生干摩擦，潤滑失效。曾暉等[37]研究了膨化參數(shù)對復(fù)合鋰基潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)的影響，在聚醚為基礎(chǔ)油的鋰基潤滑脂的制備過程中，膨化時間對潤滑脂皂纖維的形狀和分布影響很大，膨化時間越長，潤滑脂的皂纖維結(jié)構(gòu)分散越好，但潤滑脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越疏松(圖3)。毛菁菁等[36]研究了復(fù)合鋰基潤滑脂的流變特性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，復(fù)合鋰基潤滑脂的流變特性與體系的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，是體系內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的宏觀表現(xiàn)，性能優(yōu)良的復(fù)合鋰基脂應(yīng)當具有致密均勻、交錯分布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，皂纖維呈現(xiàn)明顯的雙螺旋結(jié)構(gòu)；流動轉(zhuǎn)變指數(shù)可以描述潤滑脂內(nèi)部的破壞行為，值越小，皂纖維結(jié)構(gòu)越差；皂纖維結(jié)構(gòu)越致密均勻，在剪切過程中黏度保持得越好。

圖3 不同膨化時間潤滑脂的SEM圖[37]Fig.3 SEM of grease with different expansion time[37]

劉曉波[75]研究了冷卻方式對鋰基潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)的影響，選擇適當?shù)睦鋮s方式可以兼顧鋰基潤滑脂的機械安定性和膠體安定性。釜內(nèi)急冷降溫速度慢，形成的脂肪酸鋰皂纖維細長，皂稠化能力強，剪切后皂纖維恢復(fù)快，制得的潤滑脂成品機械安定性好，成品皂含量低，但膠體安定性不足，潤滑脂外觀透明度較差；倒釜急冷降溫快，形成的鋰皂纖維粗短，皂稠化能力差，皂纖維經(jīng)剪切后恢復(fù)慢，制得的潤滑脂成品機械安定性差，成品中皂含量較高，膠體安定性好，潤滑脂外觀透明度較好?？傊砘鶟櫥男阅苋Q于皂纖維的微觀結(jié)構(gòu)，而影響其結(jié)構(gòu)的因素有：基礎(chǔ)油、稠化劑、添加劑以及生產(chǎn)工藝（含冷卻方式等）。

5 生產(chǎn)設(shè)備研究

潤滑脂生產(chǎn)設(shè)備的改進研究同樣也是非常重要的一個環(huán)節(jié)，如果沒有合適的生產(chǎn)設(shè)備保障，很難實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

皂化反應(yīng)裝置是關(guān)鍵的潤滑脂生產(chǎn)裝備，其目前研究的核心涉及反應(yīng)物的前處理、反應(yīng)過程的傳質(zhì)及傳熱。曾暉等[76]發(fā)明設(shè)計一種潤滑脂合成過程用的皂化過濾裝置，該裝置適用于生產(chǎn)雜質(zhì)顆粒物少、對皂化纖維粗細有一定要求的潤滑脂，解決了皂化液中反應(yīng)物顆粒不均勻的問題。張連惠等[77-78]發(fā)明設(shè)計一種潤滑脂生產(chǎn)裝置，設(shè)有自循環(huán)和釜間物料循環(huán)工藝管道，自循環(huán)起到使物料均化，提高傳質(zhì)效率，提高產(chǎn)品光潔度等性能指標。謝小鵬等[79-80]發(fā)明設(shè)計一種潤滑脂生產(chǎn)設(shè)備，能促進物料的充分循環(huán)，讓反應(yīng)更充分，降低了操作過程的復(fù)雜性。周東海等[81]發(fā)明設(shè)計一種潤滑脂輔助管式反應(yīng)器，通過釜外的循環(huán)攪拌反應(yīng)，用管式輔助器促進物料的微觀接觸，提高皂化反應(yīng)效率。張群敏等[82]發(fā)明設(shè)計一種潤滑脂調(diào)合釜，通過設(shè)計無盲點的攪拌，保障了皂化反應(yīng)完全。張維謙[83]發(fā)明設(shè)計一種潤滑脂反應(yīng)裝置，攪拌可以使得物料充分均化，同時通過良好的傳熱，保證了皂化反應(yīng)溫度的精確控制。李紹松等[84]發(fā)明設(shè)計一種無塵式潤滑脂生產(chǎn)用下料管，使得整個皂化反應(yīng)投料基本沒有粉塵和煙塵的產(chǎn)生，提升了反應(yīng)過程的安全性。吳艷等[85]發(fā)明設(shè)計一種潤滑脂反應(yīng)釜冷凝回流及尾氣收集裝置，用于回收易揮發(fā)氣體的液體，降低了皂化反應(yīng)過程對環(huán)境的污染。

后處理（研磨）是潤滑脂生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品性能影響很大，合適的研磨設(shè)備可以有效地對皂纖維、結(jié)晶顆粒進行再次分散和均質(zhì)，提升脂的膠體安定性及降低皂含量，目前多數(shù)研究集中在三輥機和膠體磨的研磨效率上。李小福[86-87]發(fā)明設(shè)計一種三輥機，三輥機物料流入后輥和中輥時更加均勻，可以有效防止各種金屬物及硬質(zhì)雜物進入運轉(zhuǎn)的后輥和中輥之間。肖偉榮[88]發(fā)明設(shè)計一種自適應(yīng)三輥機，可以隨壓輥的發(fā)熱膨脹自動調(diào)節(jié)各壓輥位置，從而保持輥間壓力，無需復(fù)雜的反饋電路。徐建明等[89-90]發(fā)明設(shè)計一種三輥機，通過中輥上的裝置很好地除去了中輥兩端的物料，避免了到達后輥時引起的物料飛濺。紀紅兵等[91]發(fā)明設(shè)計了一種潤滑脂合成后的后處理裝置，利用加壓和高速膠體磨聯(lián)合高效處理高稠度的脂和含固體顆粒物較大的脂，能有效提升脂的外觀和降低皂含量。

我國潤滑脂生產(chǎn)以小型裝置為主，占總裝置的60%，這是影響國內(nèi)潤滑脂發(fā)展的原因之一。通過研究生產(chǎn)裝置的擴大實驗，解決生產(chǎn)過程中物料的傳質(zhì)、傳熱，提高后處理工藝的效率，逐漸擺脫小規(guī)模生產(chǎn)模式，是國內(nèi)潤滑脂生產(chǎn)發(fā)展的必由之路[92]。

6 結(jié)論與展望

可以看到，無論是潤滑脂的功能研究，還是合成研究，都與潤滑脂組分在表、界面發(fā)生的物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)，如何理解潤滑脂組分在界面作用過程的傳質(zhì)、傳動和傳熱，系統(tǒng)地從微觀層面上分子、團簇的層次研究潤滑脂材料有效和失效的機理，對指導(dǎo)設(shè)計具有優(yōu)異性能的潤滑脂是非常必要的途徑。

展望未來，隨著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，新型功能性潤滑脂必將在國防、航天、汽車、機械等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。隨著研究的深入，有幾個重要的問題還亟待關(guān)注：（1）潤滑脂的安全性問題，研究新型潤滑脂的生物與環(huán)境降解性、毒性問題；（2）潤滑脂在界面潤滑過程中因金屬離子、金屬介質(zhì)等催化介質(zhì)存在下導(dǎo)致的自身氧化失效機理研究；（3）生產(chǎn)工藝及設(shè)備的研究缺乏是制約我國生產(chǎn)高品質(zhì)潤滑脂的重要因素之一，需要組織多領(lǐng)域的交叉探討和合作研究才能有效提升。

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