聚脲脂性能研究

胡斌,续景,张龙华,谢龙,徐红芳

(中国石油兰州润滑油研究开发中心,甘肃兰州 730060)

聚脲脂性能研究

胡斌,续景,张龙华,谢龙,徐红芳

(中国石油兰州润滑油研究开发中心,甘肃兰州 730060)

介绍了一种新型聚脲脂,具有优异的抗剪切性能,锥入度变化率在 3%以内。这种聚脲脂是以矿物油为基础油、以异氰酸酯与脂肪胺和环烷胺合成的脲类化合物为稠化剂的润滑脂,并利用均匀设计优化其组分配比。另外,采用红外光谱(FT-IR)、DSC分析和 SRV测试等多种分析手段对其进行了表征,说明此聚脲脂具有优异的抗氧化性能和润滑作用。

聚脲;润滑脂;剪切;均匀设计;红外光谱

Abstract:A new po lyurea grease w ith excellent anti-shear perfo r m ance w as introduced,and the change rate of penetration w as less than three percent.This polyurea grease w as based on m ineralo il,and the urea compounds as thickenerw ere synthesized by isocyanate,aliphatic am ine and naphthenic am ine.The rat io of components w as op t im ized by uniform design.In addition,the polyurea grease w as characterized by such m ethods as infrared spectroscopy(FT- IR),DSC analysis and SRV testing.It show ed that the po lyurea grease has excellent oxidation resistance and lubrication.

Key words:polyurea;grease;shear;unifor m design; IR

0 前言

聚脲脂是脲类化合物稠化基础油形成的一种具有塑性的润滑剂,具有突出的氧化安定性、热稳定性及长的使用寿命,已广泛应用在钢铁工业、汽车工业、电器设备、军事工业等领域[1]。各国研究人员已经研发出许多种聚脲脂[2-4],以往的研究主要侧重于润滑脂配方和工艺,提高聚脲脂的性能。在实际使用中,润滑脂的纤维结构会由于机械的剪切作用而遭到破坏,而聚脲脂唯一的缺点就是剪切安定性较差,特别是在低剪速下严重软化。研究脲基脂剪切安定性对其应用具有重要的指导意义,笔者合成了一种新型的聚脲脂,从结构层面改善了聚脲脂的剪切安定性,并应用多种分析手段对聚脲脂的结构进行了分析表征。

1 实验部分

目前对于聚脲脂剪切安定性差的原因,在理论上还没有较为明确的解释。根据润滑脂皂油凝胶理论,在遭到剪切作用下容易被破坏,使脂稠度下降。从胶体化学理论来看,笔者合成一种新型的聚脲脂,具有良好的剪切安定性能。

1.1 原料

为工业化需要,实验原料全部采用工业产品,主要有:二苯甲烷二异氰酸酯 (MD I-100)、十二胺(ODA)、乙二胺(EDA)、环己胺(CHA)、MV I150BS。

1.2 试验方法

试验中涉及到的主要试验方法有:工作锥入度, GB/T 269;延长工作锥入度 (105),GB/T 269;润滑脂摩擦磨损性能测定(SRV法)SH/T 0721-2002。

1.3 均匀设计试验

1.3.1 因素与水平

以锥入度的变化百分率为指标,根据预实验中单因素考察的结果,确定ODA、EDA、CHA的加入量为 3个考察因素,每个因素选择 7个水平。

1.3.2 试验方案与试验结果(见表 1)

表1 因素—水平

采用 U7＊(74)均匀设计表的使用表,选用第2、3、4列,D值为 0.2132。根据均匀设计表安排试验:将有机胺三组分加入到MV I150BS油中,在一定温度下融化,再加入过量 1.1倍 (摩尔比)的MD I-100,与有机胺组分反应,充分反应后,物料温度升高到 100～105℃,加入一定量水,待水与MD I完全反应并蒸发后,温度升至 150℃,恒温 20 min,冷却出釜,最后用三辊机研磨两次,得产品。

图1 样品红外光谱

1.4 实验结果与分析

本文采用了 Access数据处理软件结合均匀实验回归软件对实验结果进行了多元线性回归,所得到回归方程式为:Y=254.230-17.115×X1+ 52.496×X2+0.012×X3。Y,产品锥入度变化率; X1,ODA(十二胺)物质的量;X2,EDA(乙二胺)物质的量;X3,CHA(环己胺)物质的量。相关系数 R为0.8954,说明回归方程的拟合效果较好。在此回归方程中,从系数的绝对值可以看出各组分对于剪切安定性能的影响大小顺序为:X2＞X1＞X3;X1的系数为负值,X2的系数为正值,为了达到剪切前后最小值,应增大 X1而减小X2;X3的系数很小,说明 X3对于剪切安定性能的影响较小,基本可以忽略。在试验范围之内,最优条件与所选取的典型数值接近,因此,在典型值中选取最优者,即实验 1条件为最优。按照实验 1条件重复两次,结果重复性较好。

2 样品表征

2.1 红外分析(见图 1、图 2)

图2 文献聚脲脂红外光谱

利用红外光谱对聚脲脂的结构进行研究。图 1为聚脲脂的红外光谱图,从图中可以看出,比正常的N—H振动吸收(3414 cm-1)向低波数位移了约 100 cm-1,脲分子间氢键化 N—H伸缩振动吸收在 3293 cm-1处,与文献报道的 3310～3332 cm-1范围内接近[5]。另外,羰基的振动吸收在 1633 cm-1处与其正常条件下的 1710 cm-1相比也有很明显的移动,氢键化的羰基振动谱带在 1630～1640 cm-1。这些都说明聚脲润滑脂中的脲分子间有较强的氢键缔合。

2.2 DSC分析

利用氧化诱导期测试仪对几种市售聚脲脂的氧化起始温度进行测定。实验条件为:压力 1.5 MPa,温度从40℃加热至400℃,加热速率10℃/min。图3中样品脂为1.3制备的基础脂加入兰州润滑油研究开发中心自主研发的抗氧剂、极压抗磨剂、防锈剂、金属钝化剂等各种功能添加剂,图4～图6分别为国内外三种典型聚脲脂。从图中可以看出,兰州润滑油研究开发中心聚脲脂产品的氧化起始温度优于这三种聚脲脂产品,说明这种新型聚脲脂的具有优异的抗氧化性能。

图3 样品氧化起始温度

图4 市售聚脲脂产品 1氧化起始温度

图5 市售聚脲脂产品 2氧化起始温度

图6 市售聚脲脂产品 3氧化起始温度

2.3 SRV测试

2.2 中聚脲脂样品 SRV测试如图 7所示,从图中看,试验球与摩擦副之间的摩擦系数在刚开始的时候最大为 0.14,这可能是由于摩擦副之间的启动摩擦所致。在整个实验过程中,摩擦系数基本上稳定在 0.108左右,很小,说明此聚脲脂在摩擦副之间具有较好的润滑作用。

图7 样品SRV测试

3 结论

采用脂肪胺、环烷胺和异氰酸酯合成了一种新型的聚脲脂,其锥入度变化率小于 3%,说明其具有优异的抗剪切性能,并采用均匀设计方法对这种聚脲脂的原料组分进行优化,获得了较优的配比。

另外,采用兰州润滑油研究开发中心自主研发的各种功能添加剂与聚脲脂形成了复合配方体系,并利用红外光谱(FT-I R)、DSC分析和 SRV测试等多种分析手段对其进行了表征,说明此聚脲脂具有优异的抗氧化性能和润滑作用。并且,此聚脲脂已在江苏常州某钢厂炉前设备进行使用实验,据用户反映该产品具有优良的耐高温性、粘附性及润滑性,目前使用效果良好。

[1]杨玮,姚立丹,郑善伟.脲基润滑脂的结构及反应机理的研究[J].石油学报,2000,16(4):38-42.

[2]Yugeta T,Kurahashi M.Development and Application of High Perfor mance Urea Grease for SteelMaking Plants[J]. NLGI Spokesman,1987,51(5):167-174.

[3]Washo M. Frictional Characteristics of Greased Rolling ContactBearings[J].NLGISpokes man,1994,57(11):456 -462.

[4]Okamura S,TyotaM.LongLifeUrea Grease for High Temperature and High Speed Application[J].NLGI Spokesman,1992,56(3):94-100.

[5]Yamamoto T,Shibayama M,Nomura S.Structure and Properties of Fatigued Segmented Poly(Urethaneurea)S III Quantitative Analyses of Hydrogen Bond[J].J Polymer, 1989,21(11):895-903.

S tudy on the Prop e rties of Polyurea G rease

HU Bin,XU J ing,ZHANG Long-hua,XIE Long,XU Hong-fang
(PetroChina Lanzhou Lubricating O ilR&D Institute,Lanzhou 730060,China)

TE626.4

A

2009-09-09。

胡斌(1981-),男,工程师,2007年毕业于郑州大学工业催化专业,现从事润滑油脂研究工作,已公开发表论文数篇。

1002-3119(2010)03-0038-03