潤滑脂(可塑性潤滑劑)

潤滑脂(英文名lubricating grease),別名黃油,是一種混合物,主要由基礎油、稠化劑、添加劑(包括填料)三部分組成。潤滑脂是一種固體或半固體狀的潤滑劑,屬於膠體分散劑。潤滑脂的特點是粘度大且受溫度影響不大,對載荷性質、運動速度的變化等適應範圍較大,其理化指標有外觀、滴點、膠體安定性、抗水性、機械安定性等。潤滑脂的分類方式有多種,按稠化劑類型可分為皂基、烴基、無機和有機潤滑脂,其中皂基潤滑脂產量在潤滑脂總產量中佔比最大。作為一種重要的潤滑材料,不僅可用於機械潤滑,降低磨損,同時還兼有密封防護、防止金屬腐蝕等作用,在工業、農業、交通運輸和國防等領域應用廣泛。

發展歷史

1835年,英國人使用鹼和油脂製成了一種軸承潤滑脂,同年,有英國人用橄欖油和魚油以及石灰乳製成了一種軸承潤滑脂,這是一種科學但作坊式的制脂方法。1859年,美國賓夕法尼亞州打出了第一口油井,從石油中可分餾得到石油潤滑油可以作為潤滑脂的基礎油,建立了「皂基+礦物油」型的潤滑脂,從此以天然動植物油脂作潤滑劑的場景逐漸減少。

二十世紀30年代,蘇聯潤滑脂發展出了冶金用潤滑脂、鐵路車輛用潤滑脂、滾珠軸承脂等潤滑脂品種。

40年代,蘇聯潤滑脂的牌號達到60多個;德國發展了合成脂肪酸鈉基脂和硅膠脂;美國則完成了複合鈣基脂的研究和生產,並開始了鋰基脂的研究和生產工作,並在40年代後期將理材料引進西歐生產用於航空工業的高質量鋰基潤滑脂。

50年代美國潤滑油產量增加了一倍且品種也豐富許多,用於鋼鐵工業的複合鋁基脂、極壓鋰基脂等得到了極大發展;蘇聯則開發了新型高低溫潤滑脂,生產複合鈣基脂、氟碳脂等新型潤滑脂;中國在蘇聯潤滑脂規格的基礎上,生產以鈣皂、鈉皂為主要稠化劑的潤滑脂,同時還有複合鈣基潤滑脂。

60年代,美國以及西歐的複合鋰基潤滑脂、複合鋁基潤滑脂等新品種得到快速發展,1969年鋰基脂產量首次突破潤滑脂總產量的50%,這是潤滑脂工業上新的里程碑;蘇聯發展了鑽井絲扣脂,生產了抗化學脂、抗輻射脂等。

70年代,美國在研發聚脲脂等非皂基潤滑脂上取得了成果並將其在工業中實際應用;西歐開發出了抗燃潤滑脂、航空潤滑脂和高速機車潤滑脂;蘇聯則製造出多效鋰基脂,並進一步開發了適用用尖端技術設備合成油潤滑脂。

80年代初,美國的潤滑脂技術在世界依舊處於領先地位;蘇聯開發出許多新的潤滑脂品種,使用稠化石油潤滑油和合成潤滑油生產高低溫潤滑脂和一些專用潤滑脂等。

美國潤滑脂協會的資料顯示,2016年全球潤滑脂產量達(1 b≈453.6 g),按稠化劑類型劃分,鋰基脂產量為潤滑脂總產量的75%。不同國家和地區2016年潤滑脂總產量分別為:中國,北美洲,歐洲。

組成成分

潤滑脂主要由基礎油、稠化劑、添加劑(包括填料)三部分組成,此外還有脂肪、脂肪酸、鹼以及甘油脂肪醇這些不皂化物。

基礎油

基礎油一般在潤滑脂中的佔比為75-90%,是潤滑脂中分散介質。衡量油品是否適合作為基礎油,主要看油品的黏度、凝點、苯胺點和酸值等,基礎油一般為中等黏度和高等黏度的石油潤滑油,不過為了適應苛刻條件下工作的機械潤滑及密封的需求,一些潤滑脂也用合成潤滑油作為基礎油,如合成硅油、酯類油等。

稠化劑

稠化劑是潤滑脂的骨架,能夠在潤滑脂中形成海綿或蜂窩狀的結構並將基礎油吸附固定在其中,使基礎油失去流動性形成膏狀物。稠化劑能夠決定潤滑脂的抗水性、粘稠度、耐熱性能。

潤滑脂中的稠化劑主要有兩大類皂基稠化劑(脂肪酸金屬鹽)和非皂基稠化劑。應用廣泛的是皂基稠化劑,皂基稠化劑可分為三種:單皂基(鈣基脂、鈉基脂、鋁基脂、鋰基脂等)、混合皂基(鈣鈉基脂、鈣鋰基脂、鋁鋇基脂等)、複合基脂(複合鈣基脂、複合鋰基脂、複合鋁基脂等);非皂基稠化劑有烴類、有機類、無機類三種。

添加劑和填料

潤滑脂中的添加劑可以改善潤滑脂的某些性能,常用的添加劑有抗氧化劑、防鏽和防腐蝕劑、抗水劑、極壓添加劑、拉絲性增強劑等。

填料主要用來提高潤滑脂的潤滑能力,同時可使潤滑脂增稠,使之不易流失,還可以增強密封性和防護性並提高熱安定性。其中大部分填料本身可作固體潤滑劑用。填料大多都是無機固體化合物,常用的填料有石墨、二硫化鉬、氮化硼、氧化鋅、二氧化鈦、硫酸鋇及硅酸鹽等。

理化指標

潤滑脂的理化指標可分為物理性質(滴點、針入度、外觀、膠體安定性等)、化學性質(抗水性、防鏽性、遊離酸鹼、化學安定性等)、使用性能(軸承壽命、漏失量、機械安定性、低溫啟動性等)三種。

物理指標

外觀

潤滑脂的外觀檢驗包括顏色、光亮、通名都、均一性、纖維狀況等。皂基潤滑脂一般呈淡黃色至暗褐色,且大部分皂基潤滑脂呈半透明或不透明狀,具有不同程度的纖維感,是有一定光澤的均勻油膏。

滴點

滴定的定義為:潤滑脂受熱后隨溫度上升而逐漸變成流體,從滴點針上開始滴落第一滴液體時的溫度。滴點反映的是潤滑脂的耐溫性能。介紹幾種常用潤滑脂滴點範圍:

烴基脂:40-70 ℃

鈣基脂:75-100 ℃

鈉基脂:130-200 ℃

鈣鈉基脂:120-135 ℃

鋰基脂:170 ℃以上

針入度

針入度是通過指標準圓錐體在5 s內陷入潤滑脂的深度表示的,測定溫度為25 ℃,以1/10 mm為單位。針入度反映的是潤滑脂的軟硬程度,針入度越大,潤滑脂就越軟。常用脂的針入度為200-300,針入度超過400時,潤滑脂失去塑性成為流體。

膠體安定性——分油

潤滑脂的膠體安定性就是指在皂纖維空間骨架中基礎油的穩定性(也稱作分油性能),使用時如果潤滑脂分油太少就無法起到潤滑作用,如果分油太多,潤滑脂的膠體安定性就太差。所以潤滑脂的膠體安定性需要有一個適中的要求。

化學指標

抗水性

潤滑脂的抗水性主要由稠化乳的性能決定。烴類稠化劑抗水性最好,如使用烴類稠化劑的工業凡林抗水性就很好。皂類稠化劑中鈉皂、鈣鈉皂製成的潤滑脂抗水性不好,其它如鋇皂、鋁皂、鋰皂等製成的潤滑脂都有很好的抗水性。

遊離酸鹼

潤滑脂中的遊離鹼產生的原因有未與脂肪酸反應完的剩餘鹼和生產過程皂化不完全;遊離酸產生的原因是儲存和使用過程中基礎油氧化生成酸以及受到外界污染物的侵襲等。

化學安定性

化學安定性主要衡量的是潤滑脂的抗氧化安定性,若潤滑脂的氧化安定性差,就容易生成有機酸,對金屬構成腐蝕,同時也會破壞潤滑脂的結構和使用性能。

性能方面

機械安定性

機械安定性也稱剪切安定性,指的是潤滑脂在軸承或移動機件上隨運動部件運動而受到剪切時仍能保持期結構,並且不影響潤滑的能力。

低溫啟動性

一般通過低溫時的粘度來研究潤滑脂的低溫性能,影響潤滑脂低溫啟動性的因素有:基礎油的粘度和粘溫性能、基礎油的凝固點和稠化劑的用量。

產品分類與特性

潤滑脂的分類方式有多種,按液相潤滑劑組分可分為石油基潤滑脂和合成油潤滑脂;根據用途可分為減磨脂、密封脂、防護脂。而稠化劑的類型是決定潤滑脂性能的主要因素,所以一般常按稠化劑來劃分潤滑脂類型,可分為皂基潤滑脂、烴基潤滑脂、無基潤滑脂、有基潤滑脂。

皂基潤滑脂

皂基潤滑脂是以金屬皂類稠化劑與潤滑油製成的脂,常用的有鈉基、鈣基、鈣鈉基、鋰基、鋁基等,其產量約佔潤滑脂總產量的90%,是應用最廣泛的一類潤滑脂。

鈣基潤滑脂的特點包括:耐水性好,在潮濕水存在的條件下仍能保持正常的潤滑;剪切安定性好;流動性能良好;粘溫特性好,使用低粘度低凝點潤滑油作為基礎油時具有較好的低溫性能。

鈉基潤滑脂的特點為:滴點高,均高於140 ℃;親水性強;剪切安定性好。

鋇基潤滑脂的特點是:抗水性、機械安定性、熱安定性優良,其對金屬表面的粘附性好,防護能力強。

鋁基潤滑脂的特點是:外觀細膩,方便塗抹;不溶於水;滴點均在70-80 ℃;機械安定性差;採用低傾點潤滑油時具有好的低溫流動性。

烴基潤滑脂

烴基潤滑脂是指以石蠟、地蠟等固體烴為稠化劑的脂,其特點為:親油、憎水能力特強。一般來說固體烴熔點越高,所得烴基潤滑脂粘附性越好,可塑性也較強;化學性質較穩定,化學安定性和膠體安定性好,不易因稠化劑氧化變質而喪失稠度;幾乎不溶於水,也不乳化,阻止水氣和空氣透過脂層的能力較強。

烴基潤滑脂的主要缺點為熔點低,一般在70 ℃以下。烴基潤滑脂的品種較多,有鋼絲繩脂、凡士林、特種烴基潤滑脂和防鏽潤滑脂等。

無機潤滑脂

無機潤滑脂是指以膨潤土、硅膠、炭黑、氮化硼、二硫化鉬等無機物為稠化劑的脂,下面介紹兩種無機潤滑脂。

膨潤土潤滑脂具有特殊的性能,其特點為:熱安定性高,其在高溫下稠度沒有突然的變更且錐入度值隨溫度變化不大;剪切安定性尚好;極壓性能良好,能承受較大的負荷;耐水性和膠體安定性比較好。膨潤土潤滑脂的缺點有:高溫下長期使用會發乾、對添加劑的感受性不夠好、防護性較差等。

硅膠潤滑脂與膨潤土潤滑脂類似,也是無滴點耐高溫的無機潤滑脂,具有耐高溫、無熔點、化學安定性好、使用壽命長的特點。

有機潤滑脂

有機潤滑脂是指以陰丹士林、酞菁銅、醯胺、脲基衍生物等有機物為稠化劑的脂。有機潤滑脂大多各自具有不同的特性,多有特殊用途,下面介紹三種有機潤滑脂。

醯胺鈉潤滑脂的主要特點是:耐高溫性能好,其滴點一般高於200 ℃;抗水性良好;抗氧化安定性良好;抗輻射性能良好;軸承運轉壽命長。其缺點是生產工藝繁瑣複雜,具有無法去除的少量胺和醯胺以為,外觀也不夠光滑細膩。

聚脲基潤滑脂的特性包括:耐高溫性能好,滴點能達到300 ℃以上,高溫下不易氧化;抗氧化安定性和熱安定性好,對基礎油無催化氧化作用;膠體安定性好,幾乎不分油;高溫軸承運轉壽命長;抗水性好,抗水淋抗鹽水性能都強;高速性能好,機械安定性好,在高剪切速率下粘稠狀態變化小;其他還有抗酸性氣體、抗輻射、抗腐蝕介質性能好。

酞菁銅潤滑脂具有優良的耐高溫、耐極壓性和抗水性能,在潮濕的環境下也能保持良好的潤滑能力,其缺點是稠化劑昂貴成本高。

生產製備

不同種類的潤滑脂製備方法各異,但基本的制脂方法都是通過分散、冷卻、均化的過程將基礎油和稠化劑製成均一體系的潤滑脂。以應用最廣泛的皂基潤滑脂為例,生產工序如下:

1.皂化工序:在制脂釜中將部分基礎油、動植物油或脂肪酸混合加熱,與鹼反應生成皂基稠化劑,也叫濃稠皂基

2.分散工序:將皂基稠化劑分散於基礎油中並通過加熱進行脫水,可採用加熱熔化再冷卻的方法或採用較低溫度下調合法使皂基稠化劑與基礎油形成均勻分散體系。

3.冷卻工序:直接皂化製備皂基潤滑脂時,在達到最高煉製溫度、皂基稠化劑與基礎油完全相融后,可根據產品性能要求選擇不同的冷卻工藝使其冷卻成脂,常見冷卻工藝有慢冷、快冷、動態冷卻、靜態冷卻等。

4.后處理工序:通過均化、脫氣等工序,改善潤滑脂的最終性能和外觀。

應用領域

潤滑脂是一種常用潤滑劑,可以起到減少摩擦、磨損,保護金屬表面不受腐蝕。工農業中各種機械設備都離不開潤滑脂,採礦、冶金、機械等重工業以及紡織、印染、食品、造紙等輕工業用到的各種機械設備都需要用到潤滑脂。交通運輸工具如汽車、飛機、艦船、鐵路機車等以及軍用車輛、坦克、各種武器都需要使用潤滑脂潤滑或密封保護。

安全事宜

潤滑脂也分食品級潤滑脂和工業級潤滑脂,其本身無毒或低毒,但生產潤滑脂的原料可能帶有一定毒性,其中,基礎油一般是動物油或合成油提煉后的油,基本無毒,長期接觸一般不會有不良反應,但一些稠化劑和添加劑可能存在有毒物質。例如脲基潤滑脂的稠化劑中可能殘留脲化合物的反應物,具有一定毒性,且毒性大小取決於殘留物的含量,誤食后可能出現頭暈、手癢、皮膚髮黃等癥狀,應該即刻就醫。

雖然潤滑脂本身無毒或低毒,但在生產過程中可能會帶有一定毒性,因此,在生產過程中應該採取一些必要措施:

1、反應物用量需嚴格按照化學方程式來計算。

2、保證足夠的反應時間,使其充分反應。

3、保證適宜的反應溫度,將不需要的反應物揮發。

4、如有必要,加入其他物質來分解某些殘留物,同時保證其分解產物不會對潤滑脂性能產生不良影響。

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