润滑

制造油脂的工艺

正在进行研究,以开发改进的产品,并使它们在制造应用中具有更大的灵活性。

安德里亚·r·艾金(Andrea R. Aikin)著 2021年9月12日
STLE礼貌。

学习目标

  • 润滑脂主要由基础油、增稠剂和性能添加剂组成。
  • 添加剂是润滑脂中第二大最重要的成分。
  • 润滑脂可以使用不同的工艺制造,如开式釜、压力下的封闭式釜、热压罐/Stratco承包商工艺和连续工艺。

为特定的应用选择润滑脂需要了解润滑脂在操作条件下(包括可变的压力和温度)的承受能力。确定合适的润滑脂是一项挑战,因为润滑脂的制造过程对最终产品的性能有巨大的影响,并且部分过程需要经验来完全控制。

正如1952年的一篇文章所述:“[油脂]的一个主要实际问题是提供一种结构,能够承受剪切和在使用过程中可能遭受的所有温度。”与此同时,润滑脂必须能够通过润滑脂枪流入轴承,并根据需要从一个点流到另一个点,在润滑的机器中,其本身不能显著增加操作机器所需的功率,特别是在启动时。”1
这些要求并没有随着时间的推移而改变,这意味着每一种商用润滑脂都必须满足一定的要求才能成功地发挥作用。

加州里士满雪佛龙公司的高级职员科学家阿努普·库马尔表示,尽管油脂的制造方法有所进步,“润滑脂制造仍然被认为是一门艺术,因为最终润滑脂产品的性能取决于许多因素,包括所用设备、加工参数和参与制造的人员的经验。”

图1所示。油脂制造是一门艺术,随着最终用户需求的发展和市场需求的完善而不断发展。STLE礼貌。

图1所示。油脂制造是一门艺术,随着最终用户需求的发展和市场需求的完善而不断发展。STLE礼貌。

此外,总部位于俄亥俄州Strongsville的TestOil高级技术顾问Evan Zabawski指出,流变学是材料变形和流动的科学。大多数固体被认为是弹性的(即,当受到应力时会储存变形能并反冲到其原始形状的材料),而大多数液体被认为是粘性的(即,当受到应力时不会储存变形能并开始流动的材料)。换句话说,Zabawski说“润滑脂是粘弹性材料,两者都有一点……润滑脂在静止时很厚,在剪切作用下更薄,因此被称为剪切变稀。”

用于润滑的润滑脂主要由基础油、增稠剂和性能添加剂组成。

基础油

润滑脂中使用的基础油影响高温和低温性能、粘度和增稠效率。关于润滑脂,Zabawski指出,“通常低粘度基础油用于低负荷/高速应用,高粘度基础油用于高负荷/低速应用。”润滑脂具有较高的初始粘度,随着剪切力的应用,粘度会下降至与润滑脂中所用基础油的粘度大致相同。

Kumar指出,“与矿物油制成的润滑脂相比,合成油(如聚α烯烃)制成的润滑脂有望具有更好的高低温特性。”

John S. Kay,位于亚利桑那州凤凰城的STRATCO, Inc.和ECOPATH Holdings, LLC的工程副总裁。他说:“环烷油可以降低增稠剂的含量,从而在特定应用中提高可泵性,并改善其他润滑脂的性能。”某些合成油还可以在特定的操作条件下提供特殊的优势,以及提供与密封材料的兼容性。

增稠剂是如何发挥作用的

增稠剂使润滑脂与液体润滑剂分离。增稠剂是一种分子、聚合物或固体,通常部分溶于润滑液中,并使润滑脂具有半固体稠度。肥皂可以是油脂增稠剂,而非肥皂增稠剂包括聚脲、有机粘土(例如膨润土)和其他材料。增稠剂可为纤维状、球形或片状,并对最终润滑脂性能产生影响。所选增稠剂会影响以下性能:

  • 质地,与润滑脂的外观和手感有关,并影响其粘附性
  • 滴点,即在标准试验条件下,润滑脂释放一滴油的温度
  • 剪切稳定性或机械稳定性,这是抵抗由于工作造成的一致性永久变化的能力
  • 耐水性,即在不影响油脂结构的情况下承受水的能力
  • 可泵性,这是润滑脂在压力下流过润滑脂分配系统的能力。2

简单的或传统的润滑脂是由单一有机酸与一种或多种无机碱反应制备的,而复合增稠剂是由两种或多种有机酸(例如,一种主皂[金属硬脂酸]和一种络合剂[金属盐])制备的。所选的药剂会改变润滑脂的特性,通常会增加滴点,这通常被认为是增稠剂系统失效的温度,这有助于确定润滑脂的最高使用温度。

Kumar表示,增稠剂通常“在基础油中进行原位制备,涉及化学反应,有时对加工参数(如时间、温度、压力/真空和搅拌/混合)高度敏感。”
传统润滑脂基于锂、钙、钠、铝、钡或其复合物。

根据2018年对全球油脂产量的调查,按体积计算,74.18%的油脂含有锂皂增稠剂。4增稠剂的类型影响润滑脂的性能,如与粘度有关的耐温性和水冲性,水冲性是润滑脂在水中仍能发挥作用并保持完整的能力。Kumar指出,与钠基增稠剂相比,基于钙、钙磺酸盐和铝复合增稠剂的润滑脂有望拥有更好的耐水性。粘土增稠剂没有确定的熔点,因此它们被用于高温应用。

Kay指出:“许多人肯定认为增稠剂具有最大的影响,因为该成分是确定润滑脂基本性能和确定其应用的关键。”增稠剂类型决定了润滑脂可用于的应用类型(例如,高温,过度水或潮湿,电气设备适宜性,食品级)。例如,锂不能用于食品级油脂,但铝可以。凯说:“一些增稠剂实际上具有固有的特性优势,避免了对特殊添加剂的需要。”

润滑油添加剂

Kay指出,添加剂是润滑脂中第二大影响成分,因为添加剂补充了增稠剂和基础油未提供的所需性能。添加剂的目标是改善润滑脂在压力工况下的性能。Zabawski说,“一种常见的添加剂是一种粘度调节剂,它可以改变基础流体的性质,以提高在高变温添加剂中的性能。”

Kay说,添加剂“是专门开发来改善成品油脂性能的,以便使它们更适合特殊应用。”添加剂可以提高几种不同的性能,包括承载能力、耐水性、氧化稳定性、机械稳定性、润滑性和油分离性。

根据润滑脂的最终性质,多种材料可作为润滑脂添加剂。添加剂也可以是固体材料,如石墨,在重载下提供保护,或是陶瓷粉末,在静态高压应用中提供保护。

图2。润滑脂添加剂也可以是固体材料,如石墨,在重载下提供保护。STLE礼貌。

图2。润滑脂添加剂也可以是固体材料,如石墨,在重载下提供保护。STLE礼貌。

制造业和油脂

润滑脂可以使用不同的工艺制造,如开式釜、压力下的封闭式釜、热压罐/Stratco承包商工艺和连续工艺。库马尔指出,在最终产品的性能和性能方面,“加工过程会产生相当大的差异”。例如,通过Stratco承包商工艺生产的锂脂很受欢迎,而且是行业标准,而通过连续工艺装置生产的开式釜式锂脂仍然能够高效地大批量生产。

凯说,制造方法会影响成品油脂的性能,包括油分离、热性能、滴点,甚至增稠剂成分的反应效率。

位于密苏里州布兰森市的Covenant工程服务有限责任公司总裁Richard L. Burkhalter指出,“大多数润滑脂制造商利用开式水壶工艺制造润滑脂。”一些制造商使用压力反应器来制造增稠剂,然后在开罐中完成润滑脂产品。伯克哈尔特说,由于润滑脂是“一种非牛顿的伪塑性流体”,润滑脂制造过程的设计包含许多细微差别。其中一些细微差别已经有了很好的文档记录,但还有许多细微差别需要经验来充分处理和控制。

Zabawski说,在油脂离开反应容器后,它们通常会经过均质器或研磨器来分解增稠剂的纤维结构,或者改善增稠剂中基础油的分散性。所需的油量和铣削时间取决于最终润滑脂产品所需的稠度。

未来的变化

凯和库马尔指出,电子产品和电动汽车对锂电池的需求不断增加,导致锂价格和用于油脂的潜在可用性面临压力。5凯报告说,最近印度锂的价格在短时间内上涨了6倍。如果成本继续上升,这可能会给制造商带来压力,要么提高这些油脂的生产效率,要么开发锂的替代品。

Kay认为最具活力的组成部分是添加剂,因为每个特殊添加剂制造商都在寻求改善他们的产品线。

Burkhalter指出,在过去的50年里,油脂的制造过程并没有发生太大的变化,但最近已经开展了利用微波(MW)来加热处理反应堆的工作。

总的来说,这种MW工艺已经接近工业商业化,因为它可以加快制造过程,降低能源成本,同时也减少了所需的工时。伯克哈尔特说,过程控制是目前正在进行重大改进的领域。

结论

所有这些信息表明,润滑脂的制造是一门艺术,随着最终用户需求的发展和市场需求的细化,它将继续发展。

参考文献

1.Vold, m.j., and Vold, R.D.(1952),“润滑与润滑油”,石油技术,38,页155-163。

2Phillips 66 Company(2012),“优质润滑脂指南:适用于所有主要行业细分市场的多功能优质润滑脂系列,”http://lubricamp.com/pdf/conoco.pdf.

3.Moon, M., Turner, D.和Tusznski, B.,“润滑基础:NLGI润滑脂术语表润滑润滑脂工业相关术语的定义”,https://www.stle.org/Shared_Content/End_Users/Lube_Fundamentals/Grease_Articles_FULL/NLGI_Grease_Glossary.aspx.

4Shah,R.和Braff,S.(2018年11月/12月),“锂离子电池需求和锂供应危机的讨论:我们应该有多担心?”NLGI发言人,82,(5),第26-35页。

5.McGuire, N.(2020),“锂的变化格局:锂润滑脂增稠剂市场营销者在2020年代可能会有一点动荡”,TLT, 76(2),第32-39页。

本文首次发表于《摩擦学与润滑技术》(TLT)月刊摩擦学家和润滑工程师协会STLE是一个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 Media的内容合作伙伴。


安德里亚·r·Aikin
作者简介:安德里亚·r·艾金(Andrea R. Aikin)是丹佛地区的自由撰稿人和编辑。你可以通过andrea.r.aikin@gmail.com联系她。