黃文軒

中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院

潤滑脂是古老的潤滑材料之一。在天然潤滑劑的早期發(fā)展歷程中，應(yīng)該特別提到的是潤滑脂。早期的潤滑脂由羊油和牛油組成（動物油脂易于獲得，且有較好的黏附性），有時也混入石灰。事實上，第一個配方潤滑劑很可能是潤滑脂。大約在公元前1 400年，古埃及就將潤滑脂用于戰(zhàn)車車軸的潤滑[1,2]。

今天，超過80%的軸承使用潤滑脂潤滑。目前廣泛使用的鋰基潤滑脂是在20世紀(jì)40年代初推出的；20世紀(jì)60年代又推出了復(fù)合鋰基潤滑脂[3]。

2017年，全球潤滑脂產(chǎn)量達(dá)到1.173×106t；中國潤滑脂產(chǎn)量達(dá)到4.081×105t ，占全球潤滑脂產(chǎn)量的34.79%，位于全球首位。全球潤滑脂仍以鋰基潤滑脂和復(fù)合鋰基潤滑脂為主，在2017年全球潤滑脂產(chǎn)量中占比分別為53.70%和20.62%；潤滑脂基礎(chǔ)油類型仍以礦物油為主，占比約90.23%，其余主要為合成或半合成基礎(chǔ)油[4,5]。

潤滑油與潤滑脂的差異

潤滑油和潤滑脂在功能上的相同之處是都能對移動的金屬部件起潤滑作用，但是它們之間也有差異[3,6,7]：

◇從外觀看，潤滑油是液體，而潤滑脂是固化了的停留在摩擦部位的半固體或固體的潤滑劑；

◇從組成看，潤滑油含有70%～99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的基礎(chǔ)油、1%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的添加劑；潤滑脂通常含有約70%～95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的基礎(chǔ)油、3%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的稠化劑和0%～10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的添加劑。添加劑決定潤滑油的類型，如內(nèi)燃機油、齒輪油、液壓油等；而稠化劑決定潤滑脂的類型，如鋰基潤滑脂、鈣基潤滑脂，復(fù)合鋰基潤滑脂等。

◇從添加劑的種類看，潤滑油大多數(shù)應(yīng)用油溶性的液體添加劑，很少用固體添加劑來配制，偶爾使用也有沉淀的風(fēng)險；而潤滑脂不但使用液體添加劑，而且大量使用固體添加劑，使用的固體添加劑約有25種，包括二硫化鉬、石墨和PTFE（聚四氟乙烯）粉末等。

潤滑脂的組成

潤滑脂是由許多不同組分組成的，而每一個組分都賦予潤滑脂某些特性。當(dāng)然，各組分的比例和制造工藝對潤滑脂的性能也有直接影響。潤滑脂的組成見圖1[8]。

基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油對潤滑脂產(chǎn)品的性能影響非常大，潤滑脂的許多性能取決于基礎(chǔ)油的性質(zhì)。通常將潤滑脂基礎(chǔ)油分為礦物基礎(chǔ)油（簡稱礦物油）和合成基礎(chǔ)油（簡稱合成油）。礦物油是開采出來的原油，經(jīng)過常減壓蒸餾、溶劑精制、脫蠟和脫瀝青等煉制工藝和精制工藝而制得。通

圖1 潤滑脂的組成

本文比較了潤滑油與潤滑脂在外觀、組成及添加劑種類上的差異，簡介了潤滑脂的組成，重點闡述了潤滑脂中應(yīng)用的添加劑的常用類型、作用機理和性能特點，展望了未來潤滑脂及其添加劑的發(fā)展趨勢。常礦物油按照烴組成的差異可分為環(huán)烷基基礎(chǔ)油、石蠟基基礎(chǔ)油和中間基基礎(chǔ)油。而合成油則是由各種化工原料通過化學(xué)反應(yīng)（例如聚合、縮合、酯化和取代反應(yīng)等），并通過控制生產(chǎn)工藝條件而得到的產(chǎn)物。

由于礦物油具有價格便宜、易于獲得、潤滑性能優(yōu)良等優(yōu)點，目前以礦物油為基礎(chǔ)油的潤滑脂占到全部潤滑脂的90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右。但在一些特殊場合，對于一些特殊設(shè)備，為了滿足其特殊的應(yīng)用要求，潤滑脂的基礎(chǔ)油必須全部或部分采用合成油。

礦物油

制造潤滑脂使用的基礎(chǔ)油一般是按使用條件進(jìn)行選擇，有的只用一種基礎(chǔ)油，也有的將幾種基礎(chǔ)油調(diào)合使用。在低溫、輕負(fù)荷、高速軸承上使用的潤滑脂，選用低黏度、低傾點、黏溫性較好的基礎(chǔ)油；在中等負(fù)荷、中速和溫度不太高的機械上使用的潤滑脂，選用中等黏度的基礎(chǔ)油；在高溫、重負(fù)荷、低速下的潤滑脂，選用高黏度基礎(chǔ)油；對于使用溫度范圍較寬的潤滑脂，要求基礎(chǔ)油黏溫性好、低溫流動性好、傾點低以及高溫下蒸發(fā)小和不易氧化，這種情況一般使用合成油。

石蠟基基礎(chǔ)油和環(huán)烷基基礎(chǔ)油相比，石蠟基基礎(chǔ)油黏度指數(shù)高，潤滑性能和黏溫性能好，但傾點高，而環(huán)烷基基礎(chǔ)油傾點低，低溫性能好。

在潤滑脂生產(chǎn)中，基礎(chǔ)油與金屬皂之間的親和能力是決定潤滑脂優(yōu)劣的關(guān)鍵性因素。環(huán)烷基基礎(chǔ)油傾點低，又以環(huán)狀結(jié)構(gòu)為主，因此用環(huán)烷基基礎(chǔ)油生產(chǎn)的潤滑脂不僅傾點低，而且不容易析出油分。優(yōu)質(zhì)潤滑脂幾乎都選用環(huán)烷基基礎(chǔ)油作為基礎(chǔ)油，尤其是低溫潤滑脂，要求必須使用環(huán)烷基基礎(chǔ)油。在潤滑脂皂化過程中，產(chǎn)生皂類的數(shù)量在很大程度上受到稠化劑與調(diào)配用基礎(chǔ)油相容性的影響。環(huán)烷基基礎(chǔ)油分子對金屬皂類的親和力較大，隨著皂類數(shù)量的增加，油品的機械穩(wěn)定性得以改善，因此可增加油品的工作負(fù)載。環(huán)烷基基礎(chǔ)油的較高溶解度使得在特定數(shù)量的昂貴皂類成分中可調(diào)入更多的油品，而不會改變油脂的稠度，有助于降低配方成本。環(huán)烷基基礎(chǔ)油實際上不含蠟，因此，用環(huán)烷基基礎(chǔ)油生產(chǎn)的潤滑脂具有優(yōu)良的低溫潤滑性能，這對使用于寒冷地區(qū)的集中潤滑脂供應(yīng)系統(tǒng)特別重要[9]。

最近有資料報道，在潤滑脂中也使用高黏度的光亮油，而且占相當(dāng)?shù)谋壤?。潤滑脂配方中光亮油原料的主要用途是增加黏度。使用光亮潤滑油的潤滑脂在運行中沒有工作溫度的波動（即，應(yīng)用中的溫度曲線相對平坦），因此，當(dāng)潤滑脂用于高溫時，它們與稠化劑混合。使用光亮油最多的是重負(fù)荷發(fā)動機油和汽車齒輪油，其次是加工油、工業(yè)用齒輪油、船用氣缸油及潤滑脂（圖2）。2017年光亮油庫存供應(yīng)略微超過需求，2017年所有光亮油的消費量約為270萬t[10]。

合成油

隨著現(xiàn)代工業(yè)、交通及航空工業(yè)的發(fā)展，對可在高溫、低溫、寬溫及真空等條件下使用的潤滑脂的需求越來越大。礦物油可以滿足一般機械的潤滑要求，而在-60 ℃以下及150 ℃以上的溫度區(qū)域，合成油已取代礦物油作為生產(chǎn)潤滑脂的基礎(chǔ)油。雖然合成油具有比礦物油更優(yōu)異的抗氧化性能和高、低溫性能等優(yōu)點，但其價格比較昂貴，限制了在潤滑脂中的使用。一些特殊的潤滑脂，如耐高溫、高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速、高真空、高能輻射、強氧化腐蝕等苛刻條件的潤滑脂產(chǎn)品，必須使用合成油作為基礎(chǔ)油。

稠化劑

稠化劑與基礎(chǔ)油一樣，對潤滑脂的性能有重要的影響?？梢哉f，稠化劑的發(fā)展帶動了整個潤滑脂行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。稠化劑的主要作用是浮懸油液并保持潤滑脂在摩擦表面密切接觸和較高的附著能力（與潤滑油相比），因而能防止?jié)櫥魇А⒌温浠驗R散。幾種不同稠化劑制備的潤滑脂性能的比較見表1[11]。

圖2 2017年按產(chǎn)品類型劃分的全球光亮潤滑油的需求

添加劑

添加劑可以在潤滑脂中起多種作用，包括增強現(xiàn)有的理想性能，抑制現(xiàn)有的不良性能，并賦予新的性能[12]。

一般來說，凡適用于潤滑油的添加劑也適用于潤滑脂。但由于潤滑脂的用途與多數(shù)潤滑油產(chǎn)品（如內(nèi)燃機油、液壓油等）不同，因此，潤滑脂產(chǎn)品中一般不使用清凈劑、分散劑和消泡劑等。由于潤滑脂的流動性比潤滑油差，因此潤滑脂中添加劑的加劑量也較大。另外，潤滑脂是非牛頓流體和膠體分散體.而許多添加劑是極性化合物，加入時會對潤滑脂膠體結(jié)構(gòu)起破壞作用，導(dǎo)致潤滑脂稠度和滴點下降、分油量增加、機械安定性變差、使用性能變壞，因此添加劑必須與潤滑脂的稠化劑相兼容。潤滑油和潤滑脂使用添加劑的另外一點不同是潤滑脂可使固體添加劑較好地分散在其中，一些油溶性差的添加劑在潤滑油中不能使用，但可用于潤滑脂中。此外，向潤滑脂內(nèi)加入添加劑還要考慮到：

◇添加劑的副作用。添加劑大多為極性物質(zhì)。潤滑脂是膠體分散體系，稠化劑——基礎(chǔ)油二相分散體系的平衡可能會因此發(fā)生變化。因此，除了研究添加劑改善某一性能的效果之外，還必須研究添加劑對潤滑脂穩(wěn)定性的影響，如對膠體安定性、機械安定性和稠化能力等的影響。

◇添加劑加劑量和種類。潤滑油的添加劑雖然多半適用于潤滑脂，但因潤滑脂組成中的極性物質(zhì)有可能與添加劑產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，在很多情況下要達(dá)到同樣的效果，潤滑脂所需添加劑的加劑量與潤滑油的也會不同。又如潤滑油在必要時可使用高酸值或高堿值的添加劑，而潤滑脂不能使用。

◇加入添加劑的工藝條件。添加劑大多屬于受熱不穩(wěn)定的化合物，而潤滑脂制備過程大多是加熱到熱熔融狀態(tài)后再冷卻研磨制成，因此必須考慮加入添加劑的工藝條件。一般需先將添加劑溶于潤滑脂的基礎(chǔ)油內(nèi)，然后在制脂冷卻過程中或循環(huán)冷卻時，將溶有添加劑的基礎(chǔ)油以冷卻方式加入脂內(nèi)。

表1 幾種基礎(chǔ)油稠化潤滑脂性能的比較

潤滑脂中應(yīng)用的添加劑

潤滑脂常用添加劑的類型有結(jié)構(gòu)改善劑 、抗氧劑、金屬減活劑、摩擦改進(jìn)劑、極壓抗磨添加劑 、防銹劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑、黏附劑、固體添加劑和抗水聚合物等[13]。

結(jié)構(gòu)改善劑

結(jié)構(gòu)改善劑又稱穩(wěn)定劑或膠溶劑。它的作用是改善潤滑脂的膠體結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到改善潤滑脂的某些性能的目的。

結(jié)構(gòu)改善劑是一些極性較強但分子較小的化合物，如有機酸、甘油、醇、胺等。水也是一種常用的結(jié)構(gòu)改善劑。結(jié)構(gòu)改善劑的作用機理是：由于它含有極性基團(tuán)，能吸附在皂分子極性端間，使皂纖維中的皂分子的排列距離相應(yīng)增大，使基礎(chǔ)油膨化到皂纖維內(nèi)的量增大。此外，皂纖維內(nèi)外表面增大，皂油間的吸附也就增大。因此，在結(jié)構(gòu)改善劑存在時，可使皂和基礎(chǔ)油形成較穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)改善劑的類型隨稠化劑和基礎(chǔ)油而不同，如：甘油是一些皂基潤滑脂的結(jié)構(gòu)改善劑；鋰基潤滑脂中常加微量環(huán)烷酸皂；鈣基潤滑脂中加少量水或醋酸鈣；鋇基潤滑脂中加醋酸鋇；膨潤土潤滑脂中加微量水；鋁基潤滑脂中加油酸等。

實踐中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)改善劑的加劑量過多或過少都對潤滑脂的質(zhì)量有不利影響。例如，結(jié)構(gòu)改善劑過少，皂的聚結(jié)程度較大，膨化和吸附的油量較少，皂-油體系不安定；反之，結(jié)構(gòu)改善劑過多，也會造成膠體結(jié)構(gòu)的破壞，潤滑脂的稠度降低。因此，結(jié)構(gòu)改善劑的加劑量要適當(dāng)。一般結(jié)構(gòu)改善劑的加劑量是由試驗來確定的。

抗氧劑

潤滑脂中抗氧劑的作用機理同潤滑油一樣，主要是終止氧化反應(yīng)之鏈鎖反應(yīng)的反應(yīng)鏈，從而終止氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，以延長潤滑脂的使用壽命。潤滑脂的氧化主要是基礎(chǔ)油氧化的結(jié)果。由于皂基潤滑脂中的金屬對氧化有催化作用，能加速基礎(chǔ)油的氧化，因此潤滑脂比潤滑油更易氧化。根據(jù)稠化劑中金屬種類的不同，催化效果也有所差異，如鋁、鈣等金屬皂化劑比鈉、鋰皂化劑的催化作用弱。

用于潤滑脂的抗氧劑的類型包括有機胺、酚化合物、硫代氨基甲酸鹽、有機硫化物、磷化物等。有機胺，如N-苯基-α-萘胺、烷基苯胺等是一類高溫抗氧劑，在高溫下最有效，使用溫度可達(dá)150 ℃以上。酚化合物，主要是高相對分子質(zhì)量酚和烷基苯酚類化合物，在低溫下最有效，而高相對分子質(zhì)量酚比單酚類化合物的熱穩(wěn)定性好。有機硫化物有吩噻嗪類等。一般在潤滑脂中將烷基酚型、仲胺型和取代酚型幾種抗氧劑復(fù)合使用，以適應(yīng)更寬溫度范圍下的工作要求。在某些情況下多種抗氧劑有協(xié)和作用，如0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）取代苯酚和0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）芳胺具有協(xié)和作用，見圖3[6]。

潤滑脂中常用的抗氧劑品種見表2[2,14]。

硫代氨基甲酸鹽是具有抗氧、抗磨和抗腐蝕性能的多功能添加劑，以含鉬和鋅化合物居多。硫代氨基甲酸鹽可提高潤滑脂的極壓性能，有時也可能影響其他性能，如抗氧性能，這就需要通過加入胺化合物來改善?？寡鮿σ环N有機黏土潤滑脂氧化穩(wěn)定性的改善見表3[2]。

圖3 取代苯酚和芳胺復(fù)合的協(xié)和作用

表2 潤滑脂中常用的抗氧劑

從表3可以看出，在有機黏土潤滑脂中加入1.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的2-正丁基雙二硫代氨基甲酸鉬（Molyvan A）后，潤滑脂的極壓性和抗磨性都有改善，但在氧化穩(wěn)定性評定中，壓力降增大，氧化穩(wěn)定性下降。在潤滑脂中再加入0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的烷基二苯胺（Molyvan NA）后，四球機燒結(jié)負(fù)荷保持不變，而壓力降減少了34 kPa，說明在保持了極壓性能的前提下，改善了氧化穩(wěn)定性。

金屬減活劑

金屬減活劑是由含S、P、N或其他一些非金屬元素組成的有機化合物。由于皂基潤滑脂中的金屬對氧化有催化作用，加速基礎(chǔ)油的氧化，為了提高抗氧化效率，還需要抑制金屬的催化作用。在潤滑脂中，多數(shù)是將抗氧劑與金屬減活劑復(fù)合使用，以實現(xiàn)增效作用。所謂的金屬減活劑有兩種：螯合劑和鈍化劑.螯合劑通過與金屬反應(yīng)捕獲催化金屬來形成活性較低的物質(zhì)。鈍化劑作用于金屬表面，或在金屬表面形成保護(hù)層[15]。因而它不僅抑制了金屬或其離子對氧化的催化作用，成為有效的抗氧劑，同時也是一類很好的銅腐蝕抑制劑、抗磨劑、防銹劑。以下幾類物質(zhì)可作為潤滑脂中有效的金屬減活劑：

◇含有氮或硫、胺、硫化物和磷酸鹽的有機化合物；

◇2,5-二巰基-1,3,4-噻二唑的衍生物；

◇三唑，苯并三唑和甲苯基三唑；

◇二亞水楊基丙二胺。

摩擦改進(jìn)劑

一般在潤滑油中摩擦改進(jìn)劑的作用原理也適用潤滑脂，具體可參考參考文獻(xiàn)[2]及本專欄第9講：摩擦改進(jìn)劑的分類、作用機理、主要品種及應(yīng)用，本文在此不作詳述。

極壓抗磨劑

極壓抗磨劑包括含硫化合物、含磷化合物、有機金屬化合物、硼酸鹽和其他化合物。為了改進(jìn)潤滑脂的抗磨性和極壓性，可以混合使用2種或更多的添加劑。潤滑脂中常用的抗磨劑和極壓劑見表4[14]。

二烷基二硫代氨基甲酸鹽是近20多年來引人注目的一類通用多效添加劑，已成功地用于許多潤滑脂、發(fā)動機油及工業(yè)潤滑油中。二烷基二硫代氨基甲酸的二價和三價金屬鹽，是潤滑劑的多效能添加劑，如二丁基二硫代氨基甲酸鉬、銻、鉛等化合物，具有抗氧化、抗磨和極壓劑的功能，有的還具有金屬鈍化劑的功能。鋅鹽和鎘鹽主要用作抗氧劑，但也兼有一些抗磨和極壓性能。鉬、鉛、銻鹽主要用作抗磨極壓添加劑，但也兼有一些抗氧化性能。鋅鹽還可起到金屬鈍化劑的作用。

表3 抗氧劑對有機黏土潤滑脂的氧化穩(wěn)定性的改善

表4 潤滑脂中常用的抗磨劑和極壓劑

應(yīng)該注意的是，同一類型的添加劑及不同類型添加劑在同一種潤滑脂中或不同潤滑脂中的效果是不一樣的，同一個添加劑對某些潤滑脂效果好，而在另一種潤滑脂中效果差甚至相反。單一添加劑有時能夠滿足應(yīng)用和規(guī)范的要求，但添加劑的復(fù)合使用既可以產(chǎn)生協(xié)和效應(yīng)又會產(chǎn)生對抗效應(yīng)，從而對加劑量造成影響。通常多功能EP潤滑脂的復(fù)合添加劑包含5種不同的添加劑單劑，約占產(chǎn)品重量的4%。一個典型的多功能EP潤滑脂復(fù)合劑組成見表5[6]。

以下幾個例子是單一添加劑和幾個添加劑復(fù)合使用的情況[2]。

將4個含有機鉬的不同添加劑以相同的加劑量加入同一個復(fù)合鋰基潤滑脂中，考察其抗磨性能，結(jié)果見表6。

由表6可見，Molyvan L的抗磨性能最好，Molyvan A抗磨性能最差。這可能是因為Molyvan A是粉末物質(zhì)，在潤滑脂中任何不均勻性的分散可能導(dǎo)致潤滑脂的磨痕直徑增大。

通常，2種或2種以上添加劑復(fù)合后比單一添加劑有更好或更差的性能，因為有的可能是協(xié)和效應(yīng)，而有的則可能具有對抗效應(yīng)。幾種添加劑在復(fù)合鋁基基礎(chǔ)脂中的應(yīng)用效果見表7。Desiluble 88（磷酸鹽/硫代硫酸鹽混合物）與MoS2復(fù)合后在復(fù)合鋰基潤滑脂和復(fù)合鋁基潤滑脂中的極壓抗磨性能見表8。

由表7可見，單一的Irgalube63的極壓/抗磨性能比單一的Irgalube TPPT好；而Vanlube 829與Irgalube TPPT 復(fù)合及Vanlube 829與Irgalube 63復(fù)合后的的極壓性能都比單一的Vanlube 829或Irgalube TPPT的效果好，由于負(fù)荷增加，所以抗磨性能變差了。

表5 多功能EP潤滑脂：典型的復(fù)合劑

表6 復(fù)合鋰基潤滑脂中添加不同有機鉬化合物的抗磨性能

表7 幾種添加劑在在復(fù)合鋁基基礎(chǔ)脂中的應(yīng)用效果

由表8可見，Desiluble 88與MoS2復(fù)配，在復(fù)合鋰基潤滑脂中的極壓性能不變而抗磨性能變差，表現(xiàn)出對抗效應(yīng)，而在復(fù)合鋁基潤滑脂中的極壓及抗磨性能都得到改善，表現(xiàn)出協(xié)和效應(yīng)。

此外，不同類型的潤滑脂（如鋁基和鋰基潤滑脂）對有灰和無灰極壓抗磨劑的感受性是有差異的。有灰極壓抗磨劑Desiluble 88和無灰極壓抗磨劑Irgalube 63在復(fù)合鋁基潤滑脂與復(fù)合鋰基潤滑脂中的應(yīng)用效果見表9。

由表9可見 Desiluble 88將復(fù)合鋁基潤滑脂和復(fù)合鋰基潤滑脂的極壓性能提高了很多，而Irgalube 63對極壓性能雖然有提高，但幅度相對較小。

防銹劑[2,16]

一般來說，潤滑脂本身就有較厚的覆蓋油膜.具有防銹性，故在通常條件下不添加防銹劑。但近年來都要求潤滑脂具有良好的防銹性，因而提出了添加防銹劑的要求。有時為了提高潤滑脂的極壓性能，可能會加入極壓劑，導(dǎo)致對金屬材料的腐蝕，為此也需要加入防銹劑。但由于防銹劑是極性化合物，或多或少地對潤滑脂的膠體結(jié)構(gòu)有破壞作用。

防銹劑與其他添加劑一樣，也很少單獨使用，而是將幾種添加劑復(fù)合使用，不僅是防銹劑之間復(fù)合，也采用不同類型的添加劑復(fù)合使用以達(dá)到增效作用。以下幾個例子說明了防銹劑與其他類型添加劑之間的復(fù)合效果。

金屬減活劑與極壓抗磨劑復(fù)合能抑制對銅片的銹蝕，含MoDTC的聚脲基潤滑脂與DMS2-GL復(fù)合的效果見表10。

由表11可見，在聚脲基潤滑脂中加入MoDTC后，銅片腐蝕試驗不合格，但在將MoDTC與DMS2-GL（二硫化2,5-二巰基-1,3,4-三噻重氮 二聚物和聚乙二醇 ）復(fù)合后，其銅片腐蝕從4a級降到1b級，有很大的改善。

表8 Desilube 88和MoS2復(fù)配在復(fù)合鋁基潤滑脂/復(fù)合鋰基潤滑脂中的極壓抗磨性能

表9 硫-磷型添加劑在復(fù)合鋁基潤滑脂與復(fù)合鋰基潤滑脂中的應(yīng)用效果

極壓抗磨劑Vanlube 73[三（二烷基二硫代氨基甲酸）銻 ]與防銹劑Na-sul ZS-HT（二壬基萘磺酸鋅/羧酸鋅復(fù)合物 ）在12-羥基硬脂酸鋰基脂中的復(fù)合應(yīng)用效果見表11。

由表11可見，將Vanlube 73與Na-sul ZS-HT復(fù)配使用，與單獨使用Vanlube 73相比，燒結(jié)負(fù)荷PD仍保持在2 450 N，而磨痕直徑從0.73 mm下降到0.47 mm，抗磨性能得到大大改善。

碳酸鈣能提高復(fù)合鋁基基礎(chǔ)脂的極壓抗磨性能；而Amine O和Sarkosyl O這2種防銹劑能使復(fù)合鋁基基礎(chǔ)脂通過ASTM D1743防銹試驗，但對抗磨性能有不利影響。碳酸鈣與Amine O和Sarkosyl O在復(fù)合鋁基基礎(chǔ)脂中的復(fù)合應(yīng)用效果見表12。

表10 含MoDTC的聚脲基潤滑脂與DMS2-GL復(fù)合的效果

表11 極壓抗磨劑與防銹劑在12-羥基硬脂酸鋰基脂中復(fù)合后應(yīng)用效果

表12 極壓劑與防銹劑復(fù)合后的協(xié)合作用

由表12可見，碳酸鈣與Amine O和Sarkosyl O這2種防銹劑復(fù)配使用，既提高了復(fù)合鋁基基礎(chǔ)脂的極壓抗磨性能，又通過了ASTM D1743防銹試驗，起到了良好的協(xié)同作用。

黏度指數(shù)改進(jìn)劑[12,17,18]

黏度指數(shù)改進(jìn)劑通常是油溶性有機聚合物。在潤滑脂中，聚合物可以與皂增稠劑形成互相滲透的網(wǎng)絡(luò)，提高黏性、抗水性以及增加油的增稠能力、改善黏溫性能和氧化穩(wěn)定性等。為了改善油脂的抗水性，聚合物必須形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)可以通過結(jié)晶相[例如半結(jié)晶OCP（烯烴共聚物）]和較少溶解的硬相[例如SEBS（苯乙烯/乙烯/丁烯共聚物）]，通過氫鍵（例如酸酐接枝的OCP）或通過長鏈纏結(jié)進(jìn)行物理交聯(lián)來形成，見圖4。

如將1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的高相對分子質(zhì)量聚異戊二烯加入植物油基潤滑脂中，在水噴淋試驗中，油脂損失從83%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）下降到17%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。通過將1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的乙丙共聚物添加到礦物油基潤滑脂中，油脂損失從73%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）下降到15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

在基礎(chǔ)潤滑脂A中加入不同的黏度指數(shù)改進(jìn)劑，樣品的水噴淋、水沖洗性能和錐入度見表13。

圖4 聚合物與皂稠化劑形成互相滲透的網(wǎng)絡(luò)示意

表13 不同黏度指數(shù)改進(jìn)劑對基礎(chǔ)潤滑脂A性能的影響

由表13可見，相對于基礎(chǔ)潤滑脂A，所有聚合物添加劑的添加都改善了水噴淋性能。OCP-P聚合物的表現(xiàn)尤其突出，它是1種專利產(chǎn)品，可顯著改善水沖洗和水噴淋性能。

黏附劑

對于開式齒輪、鏈條、齒條、彈簧和軌道等機械裝置來說，長期受到慣性和振動的影響。潤滑脂極易脫落而失去潤滑作用。為防止?jié)櫥w散、改進(jìn)潤滑性和延長潤滑壽命，需要在潤滑脂中加入一定量的黏附劑。另外，潤滑脂在重型設(shè)備中使用時通常要承受強大的沖擊力。當(dāng)使用黏附劑時，潤滑脂能獲得額外減震的緩沖性能。潤滑脂的黏附性能夠改善潤滑脂對金屬的附著力，使?jié)櫥菀妆Ａ粼谀Σ帘砻妫瑥亩苊廨S承及配件處潤滑脂被甩落，同時加有黏附劑的潤滑脂的抗水性得以大大提高。黏附劑都是一些高分子化合物，常用的有高相對分子質(zhì)量聚異丁烯（PIB）、聚丁烯、乙烯-丙烯共聚物、OCP。

潤滑脂著色劑[19]

現(xiàn)代潤滑脂中通常不需要加入一些著色劑，但有些潤滑脂由于稠化劑本身帶顏色，或因所使用的添加劑、基礎(chǔ)油具有某種特殊顏色而顯示出不同的顏色。只有少數(shù)一些需要特殊外觀的產(chǎn)品或廠家為了將本廠產(chǎn)品與其他廠家產(chǎn)品加以區(qū)別，才加入一些著色劑，賦予潤滑脂各種顏色。著色劑的種類非常多，生產(chǎn)廠家也分布在各地，每年都有新的著色劑品種出現(xiàn)，但是真正能用于潤滑脂的種類并不多。由于潤滑脂中使用的著色劑都是油溶性的，并且要求很容易顯色，所以著色劑的加劑量都很小，不會對潤滑脂的其他性能有所影響。以黃色顏料（油沙黃和油溶黃）為例，加入后會賦予潤滑脂各種黃顏色外觀，最常用于鈣基潤滑脂中（正因為鈣基潤滑脂通常呈現(xiàn)黃顏色，所以人們通常把潤滑脂叫做黃油）。其他常用的潤滑脂著色劑還有橙色黃（油溶橙）、紅色顏料（油溶紅和油溶紅G）和綠色顏料等。

固體添加劑

有些資料認(rèn)為，潤滑脂由基礎(chǔ)油、稠化劑、添加劑和填充劑4部分組成[20]。填充劑實際上也是添加劑的一個品種，是潤滑脂使用的固體添加劑。固體添加劑是用于改善潤滑脂的極壓抗磨性能和降低摩擦的有機化合物或無機化合物，當(dāng)潤滑劑漏失時起保護(hù)作用。為了改善潤滑脂在高溫下的潤滑性和極壓抗磨性、降低摩擦系數(shù)和增強密封性，經(jīng)常向潤滑脂中添加非油溶性固體添加劑。固體添加劑具有多方面的作用。當(dāng)潤滑脂在高溫下，經(jīng)受沖擊負(fù)荷或振動負(fù)荷時，固體添加劑具有補強功能，可以防止摩擦件過熱、異常磨損或卡咬。在大型挖土機的軸承中，載荷的快速加載會在溶解的極壓添加劑反應(yīng)生成犧牲膜以前引起金屬的擦傷。因此，固體添加劑在潤滑脂中被用來提供在沖擊載荷過程中金屬表面的物理分離，這些潤滑劑一般能夠在金屬表面形成膜來降低滑動摩擦。

大多數(shù)時候，添加固體添加劑的主要目的是提高潤滑脂的承載性能，特別是在滑動和沖擊載荷的情況下。對于速度慢、負(fù)荷大的應(yīng)用場合，添加固體潤滑劑（如二硫化鉬）可能是防止磨損問題的唯一方法。固體添加劑形成易于剪切的結(jié)構(gòu)平面，像甲板上的撲克牌一樣相互滑動，見圖5[6]。

固體添加劑品種很多，本文著重介紹石墨、二硫化鉬（MoS2）、氮化硼（BN）和聚四氟乙烯（PTFE）等4種固體添加劑在潤滑脂中的應(yīng)用[13,21]。

石墨

石墨是碳的同素異構(gòu)體，它具有良好的耐壓抗磨性、化學(xué)和輻射穩(wěn)定性，不溶于水、抗強酸和強堿，一般作為抗磨添加劑加入潤滑脂中。石墨加入潤滑脂后，由于石墨的晶體對于粗糙不平的金屬表面有填平作用，因而提高了潤滑脂的耐壓強度。石墨的高溫穩(wěn)定性特別好，它是溫度越高強度越大的稀有物質(zhì)，從常溫到2 500 ℃的溫度范圍內(nèi)，其抗拉、抗彎和抗壓強度均隨溫度的上升而增大，最大值可達(dá)常溫的2倍。在潤滑脂中一般加入鱗片狀石墨或膠體石墨1%～3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），最多可加到10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。由于石墨脂主要用在高負(fù)荷的機械設(shè)備上，因而多用高黏度潤滑油。又由于石墨能在金屬表面形成堅固的潤滑膜，并有抗水性能，因此石墨脂也適合應(yīng)用于水壓機、礦山機械、壓延機等重型機械軸承和大型齒輪。

石墨也被用作鈦復(fù)合潤滑脂的添加劑。一般的應(yīng)用中，非極壓條件下，鈦復(fù)合潤滑脂一般不含任何添加劑或石墨；在特殊應(yīng)用中，如水泥廠的矢圈輪（Girth Gear）和鋼廠設(shè)備的極壓重負(fù)荷條件下，摻合了一定比例石墨的鈦復(fù)合潤滑脂取得了理想的應(yīng)用效果。

石墨和MoS2按一定比例調(diào)配具有協(xié)和效應(yīng)，在潤滑脂中摻入3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）石墨和2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）MoS2后，燒結(jié)負(fù)荷PD從3 087 N提高到6 860 N，而磨痕直徑從0.6 mm降到0.5 mm。

圖5 固體添加劑潤滑機理示意

二硫化鉬

MoS2的潤滑性在抗磨固體添加劑中居首位，僅在特殊條件下才次于石墨和BN。MoS2由硫和鉬原子組成的蘭灰色六方晶形，無論把MoS2研磨得多么細(xì)，它仍具有一定的層狀結(jié)構(gòu)和潤滑性質(zhì)。天然或合成高純度MoS2含量不低于98.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。粉末狀MoS2可用作潤滑脂的組分，其主要粒度范圍為1～8 μm。在大氣壓下，MoS2的使用溫度范圍可達(dá)-150～300 ℃。在這種條件下，MoS2能黏附在很多金屬表面，并且所形成的固體潤滑膜的強度超過3 450 MPa。MoS2的潤滑性能在許多場合下優(yōu)于石墨。當(dāng)溫度低于400 ℃時，對于高承載潤滑條件下來說，MoS2是最有效的。但MoS2在350 ℃時會發(fā)生氧化，故其高溫特性比石墨差；而且其價格也比石墨貴。MoS2還能夠在干燥或真空環(huán)境中起到潤滑作用，而石墨卻不能。因此，MoS2多用于金屬模具的潤滑，而很少用于消耗量大的坯料的潤滑。MoS2在高載荷下可以生成鐵的硫化物（如FeS）或鐵-鉬硫化物，從而防止燒結(jié)。

潤滑脂中膠體MoS2的加劑量一般在1%～10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），添加最多的是鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂、復(fù)合皂基潤滑脂等。

氮化硼

BN又稱為白石墨或一氮化硼、氮化硼超微粉末、氮化硼棒、六方氮化硼，是一種柔軟、白色、光滑的粉末，也是具有獨特性能的陶瓷潤滑添加劑。當(dāng)石墨和MoS2的性能不能滿足要求時，BN可以作為一種應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的典型固體潤滑劑。

BN具有如下特點：

◇抗氧化溫度可高達(dá)1 000 ℃，在高溫時具有良好的潤滑性。

◇具有很強的中子吸收能力。

◇化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對各種無機酸、堿、鹽溶液及有機溶劑均有相當(dāng)?shù)目垢g能力，對幾乎所有的熔融金屬都呈化學(xué)惰性，能耐高溫至2 000 ℃。在氮氣或氬氣中使用時，BN的使用溫度可達(dá)2 800 ℃。

因此，在干燥或潮濕的環(huán)境中，BN都能實現(xiàn)有效的潤滑。BN比石墨和MoS2具有更好的抗氧化性能，并在其允許的工作溫度范圍內(nèi)保持著潤滑性，這使得BN可被應(yīng)用于很高的工作溫度時的潤滑；由于BN的熔點高于3 100 ℃，因此其可被用作潤滑脫模劑。但BN價格較貴。

聚四氟乙烯

與石墨、MoS2、BN等無機固體潤滑劑不同，PTFE是一種有機高聚物。20世紀(jì)40年代初期，PTFE就被用作潤滑劑。PTFE的耐磨性差，但化學(xué)穩(wěn)定性很好，在高達(dá)260 ℃的溫度下仍能表現(xiàn)出良好的潤滑性能。PTFE比其他任何固體潤滑劑的靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)都要小。PTFE與MoS2、石墨的黏合膜摩擦系數(shù)的比較見表14。

表14 幾種固體潤滑劑的黏合膜摩擦系數(shù)的比較

PTFE的摩擦系數(shù)隨負(fù)荷增加而下降，隨摩擦速度的增加而上升，可廣泛用作潤滑脂和潤滑油的固體潤滑添加劑。

幾種代表性的固體潤滑劑添加劑的基本潤滑性質(zhì)見表15[22]。

潤滑脂添加劑的類型和品種匯總

將應(yīng)用在潤滑脂中的所有添加劑類型及品種列入表16中[14]。

潤滑脂及其添加劑應(yīng)用的未來趨勢[18]

☆未來對潤滑脂的需求與流體潤滑劑是相似的。人們對潤滑脂的期望是，在更高的壓力下有更長的使用壽命、更高的工作溫度和更少的脂消耗量。這就要求潤滑脂使用更穩(wěn)定的稠化劑、合成基礎(chǔ)油和性能更好的極壓抗磨劑，以延長其功能壽命。

☆潤滑脂使用的添加劑可能會有逐漸過度到向不含金屬添加劑的趨勢。隨著人們對潤滑脂的期望越來越高，用無灰添加劑取代金屬基表面活性添加劑的難度越來越大，價格也越來越昂貴。

☆隨著應(yīng)用場合對潤滑脂性能的要求越來越嚴(yán)格，需要潤滑脂在較高溫度下工作更長時間。設(shè)備制造商正在設(shè)計、生產(chǎn)更小、更輕部

件，以提供更高的功率密度。較高的功率密度意味著較高的工作溫度，將對所使用的潤滑脂的類型和質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。為滿足以上要求，目前正在研制具有更好熱穩(wěn)定性的潤滑脂添加劑。

表15 代表性固體潤滑劑添加劑的性質(zhì)

表16 潤滑脂用添加劑的類型及品種

（續(xù)表16）

☆軸承用戶希望獲得使用壽命更長的潤滑脂，以減少油脂消耗和浪費，減少頻繁的再循環(huán)，降低對環(huán)境的影響。將抗磨劑和抗氧劑合理復(fù)配，可以顯著提高潤滑脂壽命。同時，這些添加劑必須具有較低的人體毒性和生態(tài)毒性，符合環(huán)境的要求。

☆高性能潤滑脂如復(fù)合鋰基潤滑脂、復(fù)合鋁基潤滑脂、磺酸鈣基潤滑脂和聚脲基潤滑脂將逐漸取代具有較不理想特性的潤滑脂。這種趨勢的兩個驅(qū)動力是現(xiàn)代機械設(shè)計和可持續(xù)性：前者有利于制造更緊湊、更高效的機械，同時還能提供更高的功率輸出；后者將迫使人們尋求長壽命或終身密封潤滑脂。這將增加對更先進(jìn)的添加劑的需求，以實現(xiàn)對不同稠化劑類型潤滑脂的性能要求。即使是復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂也可能需要加入額外的添加劑，以使其適合極端情況。