潤滑脂是一種由基礎油、稠化劑組成的凝膠結構的膠體分散體系，油為分散相，皂是被分散相，屬于典型的非牛頓流體，具有一定的塑性。流變性是指潤滑脂在受到外力作用時表現出來的流動與變形的性質，與軸承流失、漏油、泵送流動性等使用性能密切相關，表現性質有觸變性、屈服應力及表觀黏度等。外來剪切應力和溫度浮動均會引起潤滑脂表觀黏度的變化，從而影響流動性。由外力引起的一般用觸變性表征，以上行、下行剪切曲線閉合而成的觸變環(huán)面積大小作為評價準則。目前，有關觸變性的研究較多，且大多集中在稠化劑類型和含量、基礎油、工藝條件、高分子添加劑及纖維結構等對流變性的影響方面，而且在本質上，絕大多數潤滑脂的觸變性與抗剪切能力具有一致性，均與纖維結構之間結合力和抗剪切強度有關。

在外力剪切作用下，皂纖維之間的氫鍵被破壞，并沿剪切方向進行定向化重排和堆積，從而使本來相互交叉成網狀結構纖維的固油能力有所下降，導致分油增多，稠度降低，具有良好流動性能。當外力消失時，分子間相互作用力又會使已定向化排列的皂纖維逐漸聚集，恢復到之前相互交叉的結構狀態(tài)。只是恢復過程并不是完全可逆的，勢必會有少部分纖維由于被外力剪斷、破壞等緣故，無法完全恢復到初始狀態(tài)，該過程即為潤滑脂的觸變性，也即表征從靜止到流動，外力消失后又重新恢復的特性。

溫度變化致使表觀黏度增大或降低，作用機理也與觸變性完全不同，可看作單純相變過程，不同溫度分子熱運動結果起決定作用的不再是外力剪切，而是潤滑脂本身性能，特別是基礎油物理特性。在實際使用過程中，潤滑脂基本都是在某個溫度區(qū)間內工作，表觀黏度的變化將會直接關系到儀器設備在各個環(huán)境條件下能否得到及時有效潤滑。

基礎油是潤滑脂的主要組分(質量分數75%～97%)，顯著影響潤滑脂的流變性，特別是溫度-表觀黏度關系，而目前礦物油仍是應用最多的潤滑脂基礎油，市場占比高達90%。因此，鑒于礦物油自身的復雜性及其對潤滑脂流變性的決定性作用，筆者系統研究并找出關鍵影響因素，對優(yōu)化并改善產品性能等實際工作具有重要指導意義。

1實驗部分11基礎油組成與性質

以不同類型與黏度的11類礦物基礎油為研究對象，包括尼納斯石油(上海)有限公司提供的環(huán)烷基油NS100、T400、S100B，盤錦北方瀝青股份有限公司提供的環(huán)烷基油的-10#變壓器油，大慶潤滑油一廠提供的石蠟基油3#儀表油、400SN、650SN，燕山石化公司提供的石蠟基油500SN、150BS，以及臺塑石化股份有限公司提供的加氫油150N、500N。

12-羥基硬脂酸，工業(yè)級，通遼市通化蓖麻化工有限公司產品；氫氧化鋰，工業(yè)級，上海中鋰實業(yè)有限公司產品。

1.1.1基礎油物理性質

按照標準SH/T 0724-2002、GB/T 3535-2006測定基礎油的運動黏度與傾點，并依據GB/T 1995-1998計算出相應的黏度指數，如表1所示。

表111類礦物基礎油物理特性

1.1.2基礎油烴類組成

按照行業(yè)標準 SH/T 0659-1998，使用6890 GC/5973 N MS高分辨質譜儀(美國Agilent公司產品)，分析幾種礦物油的烴類組成，并依據環(huán)數的不同對數據進行整理，結果如表2所示。研究發(fā)現，由于環(huán)烷環(huán)上較長的烷基側鏈取代，單環(huán)烷烴在性質上與鏈烷烴有很大的相似性，而雙環(huán)烷烴是處于從鏈烷烴到環(huán)烷烴的一種過渡狀態(tài)，但帶側鏈的單環(huán)芳烴卻并未表現出與鏈烷烴有任何相似之處，故將環(huán)烷烴區(qū)分為一環(huán)、二環(huán)及多環(huán)，而將芳烴分為單環(huán)與多環(huán)。

12鋰基潤滑脂制備

將部分基礎油置于反應釜中，加入12-羥基硬脂酸，加熱攪拌至90℃左右，再加入氫氧化鋰水溶液，反應30 min后，繼續(xù)升溫趕水。待溫度升至200℃時，高溫煉制10 min，停止加熱，并加入質量分數為10%的冷油攪拌冷卻至80℃，關閉攪拌，自然冷卻至常溫，經三輥研磨機研磨3次成脂(潤滑脂樣品編號與基礎油對應關系見表3)。

由于各基礎油的稠化能力不同，潤滑脂制備時稠度和皂量往往不能兼得，為排除皂量干擾，實驗采用單因素控制變量法，對皂量和基礎油對流變性的影響分別研究，將皂量(油脂中脂肪酸鹽的質量分數，即w(Soap)/%，以下同)定為7%。

13鋰基潤滑脂的常規(guī)性能表征

依照標準GB/T 3498-83、GB/T 269-91、SH/T 0324-92測定潤滑脂的滴點、錐入度及鋼網分油，結果如表3所示。

表211類礦物基礎油烴類組成

表3不同基礎油制備鋰基潤滑脂的性能

14流變儀選擇及參數設定

選用奧地利安東帕(Anton Paar)公司模塊化智能型Physical MCR 302高級流變儀，選用PP25-SN3020型轉子測試系統，與底板的距離d取默認值1 mm，角速度ω設定0.1 r/s，振動頻率f為1 Hz，應變幅度(Strain，即γ)取0.01%～100%，溫度測試精度±0.1℃。

2結果與討論21鋰基潤滑脂恒溫變速剪切下的黏彈特性

2.1.1黏彈特性參數的選擇

圖1為400SN制備的鋰基潤滑脂樣品2在不同溫度下的模量曲線，圖中G′為儲能模量(Storage modulus，代表著黏彈性中的彈性部分)，G″為損耗模量(Loss modulus，代表黏性部分)，儲能模量曲線開始減小的點為屈服點(Yield point)，對應的剪切應力叫屈服應力τy，儲能與損耗模量曲線的交點為流動點(Flow point)，應力叫流動應力τf。

圖1400SN制備的鋰基潤滑脂在不同溫度下的模量曲線

由圖1可知，3個溫度區(qū)間，潤滑脂的黏彈特性明顯不同，-25℃時的線性黏彈區(qū)(Linear viscoelasticity，即LVE)最小，而70℃與25℃的基本相近，只要保證此時所有的樣品均位于該區(qū)域即可，最終選取γ為0.02%，使整個研究過程始終處于可恢復的彈性變化區(qū)間。

2.1.2-25℃和25℃恒溫條件下的模量曲線

為保證結果準確性，試驗溫度降至-25℃時，測前恒溫15 min，使樣品充分適應，確保在測試時各處溫度均勻一致，試驗結果如圖2所示。

圖2-25℃和25℃恒溫條件下鋰基潤滑脂的模量曲線

由圖2可見，在-25℃時，不同基礎油制備的鋰基潤滑脂，模量曲線存在明顯不同；而在室溫25℃時，各模量曲線之間的差異較小，由此亦可計算出黏彈性特征參數，以及溫度由25℃降至-25℃時各鋰基潤滑脂的黏彈性特征參數的變化值，結果見表4。

τf/τy為流動轉變指數，或稱塑性指數，表征的是破壞潤滑脂骨架結構的難易程度，其值越靠近于1，內部結構被破壞所需增加的剪切應力越小，即破壞過程趨向于時間短、速率快，與材料的脆性有一定相似性。由表4可見，在25℃條件下，各基礎油制備鋰基脂的τf/τy基本相近，均在12～14范圍內，樣品10的稍低為8.71，但樣品2和9的明顯要大(>20)，說明潤滑脂的結構穩(wěn)定，柔韌性和延展性好，易于鋪展和進入滾道面。當溫度降低時，潤滑脂一般變硬、變脆，轉變指數也隨之降低，在-25℃時，樣品2、3、5、6、9的τf/τy均小于10，特別是樣品2和9，減小值高達18，說明上述潤滑脂的低溫流動性能不太理想。但樣品1、7、10、11的τf/τy較之25℃時的不但沒有減小，反而有所增大，低溫下的延展性要比常溫好，而樣品4、8的變化不大。

損耗系數(Damping factor，也叫阻尼系數)，是在線性黏彈區(qū)內損耗模量與儲能模量的商，即tanδ=G″/G′，表征的是黏性和彈性之間的相對大小關系。由表4看到，在常溫25℃條件下，所考察樣品的tanδ值均很小(?1)，樣品9最大，樣品1和10最小，說明黏彈性中彈性占據主導地位，且變化趨勢與其基礎油組成、黏度的差異有一致性，組分過輕的基礎油對成脂后的結構體系貢獻有限，損耗系數也趨向于0，黏性的影響不大。當溫度降至-25℃時，tanδ明顯增大，也即低溫環(huán)境下油的作用開始凸顯，黏彈性中黏性的地位得到提升，彈性退居其次。由表4可見，樣品6和9的損耗系數甚至逼近于1，變化值(Δtanδ)也均大于0.5，而樣品2和8的增幅也較大，但樣品8的τf /τy變化卻并不大，說明低溫下油的影響雖然加劇，但并未脆化，這與低溫黏度有關。

表425℃與-25℃下鋰基潤滑脂的黏彈性特征參數及變化值

tanδ=G″/G′; Δ(τf/τy)=(τf/τy)-25℃-(τf/τy) 25℃；Δtanδ =(tanδ)-25℃-(tanδ) 25℃

一般而言，基礎油的傾點越高，低溫黏度越大，而黏溫性能差的油，黏度隨溫度的降低也是急劇增加，且本身黏度很大，雖然黏度指數不低，但低溫下的黏度也比常溫大出許多。由表4可知，低溫性能優(yōu)良的幾種潤滑脂，無一例外的均是由傾點低、黏度小、黏度指數較高或適中的基礎油制備而成的；而成脂后低溫性能較差的基礎油中，150BS傾點高且自身黏度太大， T400不僅黏度大而且黏度指數極低，400SN、500SN傾點高，-10#油黏度較大且黏度指數極低。

2.2變溫恒速剪切下鋰基潤滑脂的表觀黏度

2.2.1不同溫度下鋰基潤滑脂的表觀黏度

為保證整個研究過程始終處于可恢復的線性黏彈區(qū)內，設定應變幅度γ為0.02%，振動頻率f 為1 Hz，角速度ω為0.1 r/s，溫度區(qū)間-25～70℃，升溫速率3℃/min，溫度精度±0.1℃，且初次冷卻至-25℃時，測前恒溫15 min，不同鋰基潤滑脂的表觀黏度試驗結果如圖3所示。

圖3不同溫度條件下不同鋰基潤滑脂的表觀黏度

由圖3看到，隨溫度的不斷升高，不同鋰基潤滑脂的表觀黏度(|η*|)急劇下降，但超過臨界轉折點(Turning point)后，曲線逐漸趨于平緩，變化速率減慢，即轉折點可在一定程度上衡量潤滑脂對溫度變化的敏感程度，臨界點越高，溫度影響越明顯。表5為-25～70℃時不同鋰基潤滑脂表觀黏度的變化值及其轉折點對應的關鍵參數。

表5-25～70℃時不同鋰基潤滑脂表觀黏度的變化值

由表5看到，幾種基礎油制備鋰基脂的臨界轉折溫度均在0℃以下，樣品2、3、4基本低于-10℃，且三者表觀黏度的增加速率也是最快的，樣品3高達1.33×104 Pa·s/℃，也即高溫時溫度的影響并不明顯，可一旦到達臨界點，潤滑脂的表觀黏度會在極短的溫度范圍內急劇增加，此種現象在實際應用過程中是極其不利的。

150BS和T400均是高黏度基礎油，雖然T400的黏度沒有150BS高，但黏度指數卻僅有28(見表1)，致使兩者成脂后低溫表觀黏度較大，增速也快，但略低于400SN、650SN制備的樣品2、4，這與其高含量芳烴(質量分數>35%)有關，而樣品9的轉折溫度稍低于樣品5，又與其基礎油的傾點較低有關(T400為-21℃，而150BS僅為-12℃)。

基礎油在不同溫度時表觀黏度之間存在顯著差異，轉折點也各不相同，但也只不過是溫度影響開始變得明顯的起始點而已，變化范圍才是決定低溫環(huán)境下潤滑脂流變性能好壞的關鍵因素。由表5可知，-25℃時，除樣品9之外，4種石蠟基油制備鋰基脂的表觀黏度均遠大于其余幾類，而樣品1和10則小于0.5×104 Pa·s，約為樣品3的1/20。70℃時，各個樣品的表觀黏度相差不大，均在0.10～0.25×104 Pa·s之間，說明在高溫條件下基礎油的貢獻不大，影響有限。

因此，不同鋰基潤滑脂的表觀黏度在-25～70℃溫度范圍內的變化，主要與其在低溫時的大小有關，也即決定潤滑脂流變性好壞的關鍵是低溫流動性能。

2.2.2不同溫度下鋰基潤滑脂表觀黏度與基礎油的關系

基礎油對潤滑脂的流變性影響巨大，尤其是在低溫時，為了進一步探究兩者的關系，試驗特選取了400SN、150BS、NS100、500N及S100B 5種相互之間存在顯著差異的典型基礎油，在完全相同的試驗條件(變溫恒速剪切)下，測試溫度-表觀黏度曲線，并與潤滑脂進行比對，結果如圖4所示。

表觀黏度等于一定速度梯度下流體流動時剪切應力與速率的比值，可能大于或小于真實黏度，只是流動性好壞相對比較的參數。由圖4可見，一般基礎油的表觀黏度遠低于潤滑脂，且在較高溫度時漸趨于0，這是由于液態(tài)流動的油只有黏性，而無彈性，能量無法有效儲存，剪切應力極小。400SN在0℃以上出現劇烈震蕩，一是由于油品過稀，不能形成有效油膜，剪切應力不穩(wěn)定；二是對數坐標將微小差異放大，實際變化范圍僅為0.1～1 Pa·s。

圖4基礎油和鋰基潤滑脂的表觀黏度與溫度的關系曲線

但是，在低溫條件下，除了由于分子熱運動減弱帶來的油品自身黏度的增大以外，組成復雜的礦物油中，一些凝點高的烴類，特別是正構烷烴極易析出，相變過程不僅形成了黏滯性強的固-液混合體系，而且析出的烴類彼此交聯締合成網狀結構，又會固化部分尚未析出的基礎油，類似柴油的低溫凝固現象，致使本來只有黏性而無彈性的基礎油也逐漸開始出現黏彈性特征，表觀黏度明顯增大。若溫度再低，基礎油被完全固化，與潤滑脂幾無二致，類似凡士林等烴基脂一樣表現出完美的黏彈特性，150BS和400SN即是如此。

據此推測，4種石蠟基油和T400之所以低溫流動性能極差，根本原因就在于此。而決定油品低溫表觀黏度的，一是傾點，二是黏度及黏度指數。

幾種油中，溫度-表觀黏度曲線震蕩起始溫度也不同，400SN為-1.1℃，150BS為25.6℃，500N、NS100和S100B均是13.8℃，但此時表觀黏度卻均在1 Pa·s左右，即震蕩點大小與油本身性質相關。當溫度增大導致的黏度下降不足以維持剪切所需黏滯性時，油膜會被徹底破壞，液體自由流動，剪切應力趨于0。

2.2.3不同溫度下基礎油組成及性質對潤滑脂表觀黏度的影響

2.2.3.1基礎油物理特性對潤滑脂表觀黏度的影響

基礎油的各物理性質中，與潤滑脂流變性密切相關的是傾點、黏度及黏度指數，黏度指數影響低溫黏度，而傾點與油品的低溫凝固有關。

圖5為基礎油傾點和運動黏度與鋰基潤滑脂表觀黏度差值(Δ|η*|)的關系。由圖5(a)可見，在-25～70℃范圍內，潤滑脂表觀黏度的差值與基礎油傾點呈良好的指數相關性，盡管相關指數僅為0.6525。

圖5基礎油傾點和運動黏度與鋰基潤滑脂表觀黏度差值的關系

傾點是油品能夠流動的最低溫度，在規(guī)定條件下，將油品冷卻到預定溫度，試管傾斜45°，1 min后液面不再移動時的最高溫度即為傾點。由此可見，實際測量時傾點判定帶有人為因素，精度有限，是圖5(a)中傾點與Δ|η*|相關性差的重要原因。

黏度是表征油品黏滯力大小的指標，對潤滑脂表觀黏度影響較大。由圖5(b)可見，除傾點較高的400SN、500SN及650SN外，傾點相近的幾類基礎油中，黏度與Δ|η*|高度線性相關，R2高達0.9618。雖然150BS的傾點稍高一些，但黏度極大，而組成特點也是鏈烷烴低，芳烴高，可能致使低溫時，黏度本身對表觀黏度的貢獻遠遠大于部分烴類析出固化的作用，且高碳數、低含量的鏈狀烴類析出本就較為困難，也減弱了傾點的影響。

2.2.3.2基礎油組成對潤滑脂表觀黏度的影響

基礎油物理特性上的差異，歸根結底是烴類組成和結構不同造成的，兩者的關系錯綜復雜，且影響因素眾多，不能單一而論，筆者曾基于烴類分子水平對此進行過深入研究。

圖6基礎油組成對鋰基潤滑脂表觀黏度差值的影響

圖6為基礎油組成對鋰基潤滑脂表觀黏度差值的影響。由圖6(a)可知，隨著鏈烷烴含量增多，Δ|η*|明顯增大，呈現出良好的線性相關性，與鏈烷烴對傾點的影響基本一致。但500N、150N及3#油的變化規(guī)律與此并不相符，在根本上仍是傾點的緣故，盡管三者鏈烷烴含量并不低，但傾點卻均低于-20℃，由此可見，鏈烷烴的影響關鍵在于傾點。

由圖6(b)可知，芳烴的影響要復雜一些，在降低油品傾點的同時，卻增大了運動黏度。而由圖5可知，傾點和黏度對Δ|η*|的作用明顯相反，最終影響取決于誰占優(yōu)勢地位。隨著芳烴含量的增加，總體上Δ|η*|是上升的，說明基礎油黏度對潤滑脂表觀黏度的貢獻普遍比傾點的大，但個別油品也有一定偏差。

由表1和表2可見，盡管NS100中芳烴總質量分數高達35.8%，但40℃時黏度僅為97.37 mm2/s，遠小于芳烴含量相近的150BS和T400，傾點卻很低，也即芳烴對其傾點的降低作用遠大于對黏度的提升作用。這與芳烴的類型有關，NS100中多環(huán)、短或少側鏈芳烴居多，而T400卻是以多環(huán)且較多或較長側鏈芳烴為主，150BS的單環(huán)芳烴占比高達86.02%，且相比而言平均碳數也大，環(huán)數小意味著取代位置有限，碳數大即烷基側鏈長，流動時油品黏滯力就大。

同理，400SN、500SN及650SN之所以產生偏差，主要與油品傾點太高有關，而黏度影響不再明顯。

2.2.4皂量對鋰基潤滑脂表觀黏度的影響

選取150N為研究對象，制備7%、12%、17%3個不同皂量(質量分數)的鋰基潤滑脂，并在完全相同的試驗條件(變溫恒速剪切)下，測試了溫度-表觀黏度曲線，如圖7所示。

圖7不同皂量(質量分數)條件下150N的溫度-表觀黏度曲線

由圖7可見，不同皂量條件下150N潤滑脂的表觀黏度存在明顯差異，皂量越高，表觀黏度越大，但其隨溫度變化的總體趨勢卻基本一致。表6為-25～70℃時不同皂量條件下150N表觀黏度變化值及其轉折點對應的關鍵參數。由表6可知，三者轉折點溫度完全一致，說明皂量的升高，只是單純增加了單位體積內稠化劑的量，從而提升了固油能力，但并未從實質上改變潤滑脂的流變性。

表6-25～70℃時不同皂量條件下150N表觀黏度的變化值

由表6還看到，皂量增大，除轉折點溫度未變之外，150N潤滑脂的各項參數均呈增長趨勢，而且變化不是線性的，從12%增至17%時，表觀黏度的增幅遠大于7%～12%。

推測或許是基礎油與稠化劑對潤滑脂流變性的影響存在某種競爭關系，低皂量時，基礎油的作用大，占據主導地位，但其本身的表觀黏度較小，對整體的貢獻有限；可一旦皂量增大到開始起主導作用時，固油能力的大幅提升必然導致潤滑脂表觀黏度的急劇增大，且在低溫時影響會愈加明顯。17%皂量時，轉折點后高達0.17× 104 Pa·s/℃的增速即是如此。

3 結論

(1)τf/τy和tanδ可作為評價鋰基潤滑脂骨架結構破壞難易程度的重要參數，當τf/τy與tanδ均趨近于1時，在被剪切時，皂纖維結構極易在短時間內發(fā)生斷裂或者破碎現象，表現出類似材料的脆性。

(2)同皂量下，-25～70℃內鋰基潤滑脂表觀黏度變化值(Δ|η*|)與其低溫時表觀黏度的大小有關。而決定低溫|η*|的，一是基礎油傾點，二是黏度及黏度指數，且傾點是關鍵因素，只有傾點相近時，黏度作用才逐漸凸顯。

(3)基礎油烴類組成對鋰基潤滑脂的影響，在根本上仍是傾點、黏度的緣故。隨鏈烷烴含量增加，基礎油傾點升高，潤滑脂的表觀黏度隨之增大；而芳烴影響則相對復雜，芳烴含量增加時在降低油品傾點的同時，卻增大了黏度，兩者的綜合作用決定著潤滑脂的表觀黏度。

(4)皂量越高，鋰基潤滑脂的表觀黏度越大，但隨溫度變化的總體趨勢卻基本一致，也即皂量升高，只是單純增加了單位體積內稠化劑的量，從而提升了固油能力，但并未從實質上改變潤滑脂的流變性。