润滑

润滑脂化学由增稠剂结构控制

了解管理他们使用的润滑脂和法律

Jeanna Van Rensselar著 2020年10月5日
礼貌:STLE

关键概念

  • 肥皂是90%油脂的主要增稠剂。
  • 普通肥皂有一种金属碱和一种脂肪酸;复合皂有一种金属碱和多种脂肪酸作为络合剂。
  • 这些肥皂自动组装成允许通常不溶于肥皂的化合物的胶束溶解。

润滑脂首先在3000多年前在Chariot Axlles上使用。今天超过80%的轴承用油脂润滑。20世纪40年代初介绍了锂皂润滑脂,最普遍的润滑脂。20世纪60年代介绍的锂复合物润滑脂正在成为北美最普遍的。

根据定义,肥皂是一种脂肪酸的金属盐。美国国家润滑脂协会将润滑脂定义为:“稠化剂在液体润滑剂中分散的固体到半固体产品。”具有特殊性能的添加剂可包括(1)。”

制脂是一个相对简单的时间-温度过程:一锅分批法。对于肥皂油脂,添加脂肪酸;如果不是肥皂,其他成分被加入基础油中。常见的酸包括高分子量脂肪酸、硬脂酸和12-羟基硬脂酸以及短链络合酸,如牛脂、壬二酸和癸二酸。一旦酸达到一定温度(即脂肪酸融化),就加入金属基。这个过程被称为皂化或制皂。所以基本上酸+碱=肥皂+水(参见图1)。

图1.润滑过程:基本上酸+碱=肥皂+水。礼貌:STLE

图1.润滑过程:基本上酸+碱=肥皂+水。礼貌:STLE

然后,因为润滑剂中需要的水非常少,所有的水都被除去。一旦这一步完成,材料就被冷却并凝固——这就是混合物变成油脂的地方。接下来,通过添加基础油来调整混合物的稠度(也可以添加添加剂)。它可能需要重新加热,冷却和测试几次,以获得产品所需的一致性。大多数人认为油脂主要是增稠剂,但实际上它主要是油。肥皂在油脂中的浓度通常为10%-20%。

类型的增稠剂

增稠剂定义了润滑脂的类型。有三到四种不同的材料可以进入增稠器。本文重点介绍了硬脂酸锂、十二烷基硫酸钠和二脲等有机增稠剂。根据所使用的脂肪酸类型,油脂分为简单油脂和复杂油脂。

  • 简单的肥皂。润滑脂中使用的主要增稠剂是金属皂。这些金属包括锂、铝、钠和钙。
  • 复杂的肥皂。具有复杂肥皂增稠剂的润滑脂由于较高的工作温度和卓越的负载承载能力而变得越来越受欢迎。通过将金属皂与络合剂组合来制备复合物润滑脂。最广泛使用的复杂润滑脂是基于锂的,用常规锂皂和低分子量有机酸作为络合剂制成。
  • 非soap。非肥皂增稠剂在特殊应用中是有意义的,如高温下不熔化的膨润土(2)。

常见的增稠剂包括:

肥皂(包括所有润滑脂的约90%)

  • 锂。因为锂皂是非常有效的增稠剂,12-羟基硬脂酸锂润滑脂是最普遍的。锂脂提供良好的润滑性,并有很大的剪切稳定性,耐热性和相对低的油分离。添加抗氧化剂以提高抗氧化性(见图2)。
  • 钙。这些润滑脂比锂润滑脂具有更好的耐水性。它们还具有良好的剪切稳定性。但是,它们滴点低,没有良好的工作温度范围,只能在110℃(230华氏度)以下的工作条件下使用。
  • 钠。这些润滑脂提供高工作温度,高达175℃(347华氏度),但由于氧化稳定性差和高油泄漏,限制在不高于120℃(248华氏度)的工作条件下。它们也不是很耐水。然而,它们确实提供了良好的润滑性和剪切稳定性。
  • 铝。它们具有优异的抗氧化性和良好的耐水性。但它们的低滴点只有110-115摄氏度(230-239华氏度),它们的使用通常限制在低于80摄氏度(176华氏度)的操作条件下,当这些润滑脂在轴承中过热时,它们导致急剧扭矩增加。
图2。增稠剂纤维/胶束结构的两种润滑脂化合物。礼貌:STLE

图2。增稠剂纤维/胶束结构的两种润滑脂化合物。礼貌:STLE

非soap

  • 尿素。聚脲增稠剂是二异氰酸酯与单胺和/或二胺反应的产物。这类包括二脲、四脲、脲-脲烷等。配料的比例决定了增稠剂的特性。由于聚脲增稠剂不含金属元素,因此它们是无灰的,因而氧化稳定性更强。
  • 有机土。这些增稠剂包括膨润土和锂皂石。矿物经过提纯,以去除非粘土物质——磨成所需的颗粒大小——并经过化学处理,使颗粒与有机化学品更相容。粘土增稠剂没有确定的熔点,所以可以在高温条件下使用。
  • 其他。其他非肥皂润滑脂包括聚四氟乙烯,云母和硅胶。
  • 磺酸钙。这不是严格的肥皂,但是磺酸洗涤剂的金属盐。这些润滑脂具有高的操作温度和良好的耐水性。

胶束

增稠剂全部自组装成螺纹状分子结构,称为胶束,使得通常不溶于溶解的化合物。当皂和洗涤剂加入水中时,胶束形式。个体分子具有强极头和非极性烃链尾。当将这种类型的分子加入水中时,非极性尾部聚集到中心中以形成球状结构(胶束)。这种聚合是由于分子之间的范德瓦尔斯(参见van der Waals力)。因为它们是疏水性的,所以分子的极性头部向外面向与胶束外部的水分子相互作用,而尾部面向向内。(见图3)

图3。胶束概念显示离子头/非极性尾形成。非极性的尾部向中心聚集,形成球状胶束结构。礼貌:STLE

图3。胶束概念显示离子头/非极性尾形成。非极性的尾部向中心聚集,形成球状胶束结构。礼貌:STLE

范德华力

根据维基百科,范德华力是相对较弱的,作用在中性原子和分子上的短距离引力,是由于其他粒子在每个粒子中诱发电极化而产生的。这些力包括原子、分子和表面之间的引力和斥力,以及其他分子间的力。这些力是由电子密度的瞬态位移引起的。当电子在原子中绕原子核运动时,电子密度可能倾向于更多地向一边移动。这会产生一个瞬态电荷(即诱导偶极子),附近的原子可以被吸引或排斥。当两个原子的原子间距离大于0.6 nm时,力很弱,不足以观测到。当原子间距离小于0.4 nm时,力变为排斥力。

由于润滑剂是非极性环境,所以这些胶束是反胶束或逆胶束。无极性的尾部面向外,离子头面向内。因此,正是增稠剂中的胶束结构使增稠剂能够留住润滑剂(见图4)。

图4.反向胶束概念。由于润滑剂是非极性环境,所以这些胶束是反胶束或逆胶束。无极性的尾部面向外,离子头面向内。礼貌:STLE

图4.反向胶束概念。由于润滑剂是非极性环境,所以这些胶束是反胶束或逆胶束。无极性的尾部面向外,离子头面向内。礼貌:STLE

达西定律和石油流血

1856年,亨利·达西首先通过多孔介质研究并公布了流动的工作。达西的法律是描述现象的等式。法律是基于达西通过沙床流动水流的实验的结果。这是一个简单的数学陈述,总结了水流的以下属性:

  • 如果在一段距离内没有压力梯度,则条件为流体静力学(不发生流动)。
  • 如果存在压力梯度,则从高压向低压流动。
  • 压力梯度越大,排出速率越大。
  • 即使两种情况(3)中存在相同的压力梯度,流体的排出速率通常在不同方向上的不同的不同形成材料或相同的材料。

达西定律可以用来理解油漏——一个描述油脂如何从稠化剂中释放出来以起到润滑作用的术语。选择润滑脂的主要标准之一是其抽油能力,这取决于增稠剂的微观结构。

有几种方法可以测量石油流出。对于锥形渗出的测试,将润滑脂放入锥形中,在测量油已经滴落多少时,它在100℃(212°F)下持续30小时。锥体流出的日志是肥皂百分比日志的线性函数。

油脂老化

随着增稠剂的加入,润滑脂的老化与润滑油的老化密切相关。增稠剂的结构通过氧化和水解使润滑剂老化。当增稠剂氧化时,羟基可以氧化成酮,然后最终氧化成切断链的酸。当肥皂增稠剂水解成脂肪酸和金属碱时发生增稠剂水解。保持反胶束稳定的静电效应在这个反应中消失了。

转载自《摩擦学与润滑技术》(TLT)的许可,该杂志是摩擦学家和润滑工程师协会(STLE)的月刊,该协会是总部位于伊利诺伊州帕克里奇的国际非营利专业协会。STLE是CFE的媒体内容合作伙伴。

遇到礼物生物

图5。保罗·希勒,阿克伦大学。礼貌:STLE

图5。保罗·希勒,阿克伦大学。礼貌:STLE

这一特点是基于保罗·希勒在网络研讨会上所提供的信息。席勒在克利夫兰的凯斯西储大学获得物理化学博士学位,研究燃料电池电极表面反应。他还在凯斯西储大学(Case Western Reserve University)获得了化学工程硕士学位,在那里他研究了类金刚石薄膜的特性。席勒拥有化学硕士学位,研究表面反应的光谱电化学,并获得扬斯敦州立大学的化学工程学士学位。

Shiller加入Timken Co. 2004年作为润滑油和润滑产品的产品开发专家。然后他成为俄亥俄州北广州Timken Technology Center的摩擦学基础团体的摩擦学专家。2011年,他搬到了阿克伦大学,成为一个研究科学家的工业创新/协作努力。他目前是大学的研究科学家,在土木工程 - Timken工程学实验室工作。

你可以在jps70@uakron.edu.


Jeanna Van Rensselar
作者简介:珍娜·范·伦塞拉(Jeanna Van Rensselar)是伊利诺伊州内珀维尔市(Naperville)一家公关公司Smart PR Communications的负责人。你可以通过jeanna@smartprcommunications.com与她联系。