润滑脂流变性研究现状及展望

润滑脂流变参数的影响，发现基础 油黏度较低的润滑脂，其强度极限
五 期
为基础的学科，逐步发展成为一 滑脂的结构比较稳定；当温度大于 和塑性黏度都较高，而塑性指数较
门介于力学、化学、物理与工程
130 ℃时，润滑脂的结构被破坏。
小。李光明 等 [20] 借助铝基润滑脂，
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科学之间的新兴交叉学科。流变学
有学者以纳米二氧化硅[ 为 9，10] 稠化
学。1928年，流变学的奠基人宾 汉根据古希腊哲学家赫拉克利特 “一切皆流”，提出了“流变学” （Rheology）这一学科名[3]。他 定义流变学为物质流动和变形的科 学，并研究了胶体、油漆和水泥等 材料的流变特性。后人根据他对油漆 流变性的研究，总结了宾汉流体[4]。 第一次世界大战之后，荷兰、英国 等国家对流变学进行了卓有成效的 研究。
丹[8]等以锂皂为稠化剂，从分子作
分散介质，其对润滑脂流变性能的
的技术突破[5]。
用力上分析了剪切速率对黏度的影 影响主要体现在其种类和黏度上。
19世纪以来，大规模数控和
响以及温度对黏度、触变性和储存
王晓力等[7]考察了基础油黏度对锂基
第
计算机的使用，使流变学得到了 较快发展。流变学由一门以试验
模量的影响，发现当剪切速率低于 10-2和温度低于130 ℃时，锂基润
目前，从润滑脂的流变性来探 究润滑脂在某些使用过程中出现的
润滑脂流变性模型研究现状
国内相关的研究文献很少，国外学 问题是润滑脂研究中的一个重要方
为了定量描述润滑脂的流变
者则多以高分子材料作为添加剂来 面，也是研究润滑脂流变性的源动 性，学者们提出了较多经验公式和
改进润滑脂的流变性。Martín- 力，推动着对润滑脂流变性研究的 流变模型。后人在宾汉研究的基础
第
五 期
润滑脂的流变性是指润滑脂在
受到外力作用时所表现出来的流动
向黏性转变并开始流动。润滑脂所 具有的这种复杂的流变性，使其在
和变形的性质，其主要是从应力、
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应变、剪切速率、时间和温度等因
实际使用过程中出现的流失等现象 未能得到较合理的解释。研究润滑
素来研究润滑脂在实际使用过程的
脂的流变性能，可以更好地理解润
Alfonso[22]等研究了以低密度聚乙烯
深入。
上，总结出了润滑脂的流变模型，
（LDPE）作为改进剂对锂基润滑脂 流变性的影响，发现当皂和LDPE的
米红英等研究了在高原条件下 车辆轮毂轴承润滑脂的流失现象[27]，
称为Bingham模型[32，33]，见公式 （1）：
含量增加时，LDPE作为填充物进入 皂结构中，扭曲了皂结构，使其损
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基基础油＞中间基基础油＞石蜡基 段（90 ℃）加入PBTDI对润滑脂黏 脂的低温流动性能，发现加入了硼
基础油。目前，系统地研究润滑脂 弹性的改进效果最明显，而在制脂 化酯的锂基润滑脂具有更宽的低温
基础油种类和黏度对润滑脂流变性 的初期加入，会因为有水而失去其 流动温度范围，且泵送性能更好。
流变性，见公式（3）：
和聚环氧乙烷对苯二甲酸二丁酯 锂基润滑脂的流变性能与摩擦参数
（PBTDI-PEO-PBTKI）3种高聚物 之间的关系，发现摩擦参数受到润 式中：
对锂基润滑脂流变性的影响[25]，发
滑脂配方和生产工艺的影响，摩擦
τ ——剪切应力；
现低分子量的高聚物对锂基润滑脂 的黏弹性影响明显，并指出在制备 锂基润滑脂的冷却过程中的最后阶
影响的文献还没有见到。
效果[26]。
Mark Horton[31]研究了纳米碳管对润
添加剂 添加剂作为润滑脂的重要组 分，可以改进润滑脂本身的性质或
润滑脂流变性与使用性能的 关系
滑脂流动性能的影响，发现润滑脂 仍具有假塑性，纳米碳管含量能显 著增大其表观黏度。
增加其原来不具有的性质。有关添 加剂与润滑脂流变性的关系，至今
润滑脂在常温和低负荷下以微 流变学的发展
其流变过程进行了描述，见图1[2]。
形变保持一定的形状而不流动，并
在传统观念中，弹性和黏性
其 中 ：·γ 为 剪 切 速 率 ， τ y为 屈 服 应 力，t为时间，τ为剪切应力。
黏附在接触表面不滑落；当温度升 高或者达到其屈服应力时，润滑脂
是作为区分材料的重要方面。实 际上，大量的材料都不只是简单
综述 Review
2014 October
本文综述了国内外润滑脂流变性研究领域的最 新研究进展，包括润滑脂组成对流变性的影响、润 滑脂流变性与使用性能的关系、润滑脂流变模型及 润滑脂流变性测定仪的发展等，展望了润滑脂流变 性研究的发展方向。
润滑脂流变性研究 现状及展望
周维贵 郭小川 蒋明俊 王晶 何燕 中国人民解放军后勤工程学院
认为较大屈服剪应力、较高表观黏 度、较小流变指数是润滑脂流失的主
τ = τy + k·γ n 式中：
（1）
耗模量增加，此时锂基润滑脂的黏 要因素，增加稠化剂含量、增大基础
τ ——剪切应力；
弹性明显增加。Martín-Alfonso 还进一步研究了不同性质的LDPE、 线性低密度聚乙烯（LLDPE）、
τ ——剪切应力；
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最高效的润滑脂流变性改性剂[23]。 Moreno[24]等探讨了高聚物含量和平
多的研究工作。Paul A.Bessette研 究了润滑脂分油与其表观黏度的关
τy ——屈服应力； ·γ ——剪切速率；
均分子量对锂基润滑脂的触变性、 系，发现稠化剂含量高的润滑脂，
q ——增黏指数。
因数与润滑脂的黏弹性参数存在线 性关系[13]。Lorimor[30]比较了加入硼 化酯的锂基润滑脂和普通锂基润滑
·γ ——剪切速率; X1——剪切表面所占面积的比率； α1 ——剪切应力倒数；
综述 Review
β1 ——松弛时间。
此外，比较常用的模型还有：
◇四参数模型[37]，见公式（4）：
τ = τy + k1·γ + k2·γ n
（4）
式中：
型[43，44]，见公式（9）、公式（10）：
τ = τy + k·γ n τ = τy eαp 式中：
（9） （10）
τ ——剪切应力；
公式来描述润滑脂的流变性，还有 待进一步的研究。
润滑脂流变性测定仪的发 展概况
τ ——剪切应力； τy ——屈服应力； ·γ ——剪切速率;
τy ——屈服应力； k ——表观黏度； ·γ ——剪切速率；
合物和不同分子量的聚合物对锂基 验后，基础油和稠化剂均发生老化 性，从理论上对滚子轴承的刚性润滑
润滑脂流变性的改进作用，发现含 反应，此时基础油分子氧化断链， 问题进行了分析。之后，又有学者提
HDPE、LDPET和PP的锂基润滑脂
稠化剂氧化分解，浓度减少，润滑
Hale Waihona Puke 出了黏性增强Bingham模型[35]，见公
变形和流动特性。润滑脂是一种由
滑脂在使用过程中的状态变化，从
稠化剂和润滑液体所组成的具有塑
而指导实际应用。
性的润滑剂[1]，这种多相介质的润滑
本文从流变学入手，介绍润滑
脂在微观结构上不是均匀连续的统
脂流变性的研究现状，探讨润滑脂
一体，因而在宏观力学上表现出非
流变性的发展趋势。
牛顿流体的性质。对于润滑脂这种 具有黏弹性的润滑材料，有学者对
表观黏度、黏弹性和损耗模量的影 其表观黏度易受分油影响；含聚合
1956年，Ering H [36]率先采用
响，发现高聚物对润滑脂流变性的 物的润滑脂，其表观黏度较易受分 Ree-Eyring非牛顿模型描述润滑脂
改进作用明显。Moreno具体研究 了聚对苯二甲酸（PBTDI）、LDPE
油影响；聚脲润滑脂的表观黏度不 易受分油影响 。 [29] Delgado研究了
油黏度、适度加入黏度指数改进剂 能够增大储能模量，减少润滑脂流 失。2011年，沈铁军[28]研究了热老
τy ——屈服应力； k ——黏度指数； ·γ ——剪切速率。
高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯 化对锂钙基润滑脂流变性的影响，
1 9 6 0 年 ， S a s a k i 等 [34]用
（PPor）、乙烯醋酸盐（EVA）聚 发现经120 ℃、360 h静态热老化试 Bingham模型描述润滑脂的流变特
脂有较好的黏弹性；当皂均化后， 形成较短的皂纤维和更高的结晶 表面度，润滑脂具有更好的黏性。 Arizona[14]等主要研究了锂基润滑 脂的流变性，指出屈服应力是皂浓 度的二次方，当皂含量小时，润滑 脂由抗应力强的材料变成抗应力差 的材料。
目前，润滑脂稠化剂正朝着适 用高温和环境友好型方向发展，复 合锂[15，16]、复合磺酸钙[17]、复合 钛[18]、聚脲基和有机膨润滑土将是 发展前景广阔的稠化剂[19]。研究者 主要研究了锂皂稠化剂对润滑脂流 变性的影响，对于由其他较有前途 的稠化剂制备的润滑脂的流变性至 今报道很少。
2014 October
流变学从边缘学科成长为一门交叉
减小；同时使用不同稠化剂的润滑
基础油
新学科。经过半个世纪的研究，我
脂的屈服应力、塑性黏度和触变性
基础油是润滑脂中含量最多的
国流变学研究取得了较大成就，在 存在较大的差异。2011年，姚立 组分，是润滑脂胶体分散体系中的
化工、石油和医学等方面均有重要
除此之外，国外Sa'nchez [11]
甲基硅油含量增加，润滑脂表观黏
变性、剪切变稀和壁滑移等。润滑
等研究了以纤维衍生物（甲基和乙
度上升。岳利义[21]等研究了分别以
脂所具有的独特的流变性，是其区 基纤维）作为稠化剂的可生物降解 石蜡基、中间基、环烷基基础油制
别于润滑油得到广泛运用的重要原 润 滑 脂 的 流 变 性 和 机 械 安 定 性 。 备的3种锂基润滑脂的触变性，发现
的黏弹性提高2～4倍；同时发现聚 脂易于从润滑部位流失，使润滑脂 式（2）：
第 五 期
合物结晶度与润滑脂的流变性有较 大关系，LLDPE结晶度低，对润滑
失效。 国外学者在润滑脂流变性与实
τq = τyq +（gμ·γ ）q 式中：
（2）
脂的流变性影响不明显，而HDPE是 际应用之间的关联方面也进行了较
因，这也使其能在不适宜用油润滑 特 定 含 量 的 纤 维 衍 生 物 及 其 相 转 随着温度的升高，3种锂基润滑脂的
的部位进行润滑，同时起到密封和 变温度对润滑脂的流变性影响较 触变性都出现下降，且温度变化对
保护作用。
大，并且具有较好的机械安定性。 润滑脂触变性影响的大小为：环烷
综述 Review
研究了甲基硅油质量分数对润滑脂
的主要研究对象是非牛顿流体。润 剂来改善润滑脂的高低温性能，所 表观黏度的影响，发现当甲基硅油
滑脂属于非牛顿流体，复杂的结构 制备的润滑脂的剪切安定性、抗水 含量增加到2.5%（质量分数）时，
决定了其几乎具有非牛顿流体所有 性也相对较好。
润滑脂表观黏度达到最小值；之后
的特性，如黏弹性、屈服应力、触
中国古人在早期的建筑结构和 河流治理方面记载了流动与变形的 知识。近代以来，我国最早从事流 变学研究的可能是地质学家。1985 年，我国成立了流变学学会，同年 召开了第一届学术交流会。从此，
润滑脂是在基础油中加入稠 化剂和添加剂而形成的一类具有重 要用途的润滑材料，因此稠化剂是 润滑脂中不可缺少的固体组分，其 对润滑脂流变性的影响一直受到学 者们的广泛关注。蒋明俊、郭小川 [6]等研究了半流体锂基润滑脂和复 合锂基润滑脂的流变性，发现随着 稠化剂含量的增加，润滑脂表观黏 度增大；而随着温度升高，润滑脂 表观黏度降低；在低剪切速率下， 半流体润滑脂呈现出塑性流体的性 质。王晓力等[7]考察了稠化剂结构、 含量对润滑脂流变参数的影响，发 现润滑脂具有触变性，随着稠化剂 含量的增加，润滑脂强度极限和塑 性黏度逐渐增大，而塑性指数逐渐
“工欲善其事，必先利其器。” 润滑脂是非牛顿流体，对其流变性的 测量不只是测定单项黏度，而是测定
k1 ——流变参数； k2 ——流变参数。 ◇Casson模型[38，39]，见公式
n ——流动指数。 ◇触变性Herschel-Bulkley模 型 ， [45] 能够描述被测润滑脂的屈服
数个流变参数，并且这种复杂材料的 流变性要使用旋转流变仪进行测量。 旋转流变仪式样多样，主要有锥板
综述 Review
具有弹性或黏性，而是具有黏弹 性，而要恰如其分地解释这些同
润滑脂流变性研究现状
Delgado [12，13]等研究指出锂基润 滑脂的流变性与其皂含量以及冷
时具备黏弹性和时变效应的复杂
润滑脂组成对其流变性的影响 却过程、微观结构有较大的关系：
材料的力学性能，就要使用流变
稠化剂
当皂结晶没有完全形成时，润滑