（机械设计及理论专业论文）低噪音聚脲润滑脂的研制及摩擦学性能研究.pdf

中南大学硕士论文 摘要 摘要 近年来，随着精密滚动轴承应用的逐渐增多，轴承震动和噪音越 来越引起人们的重视。现代精密轴承使用条件越来越苛刻，对润滑脂 的要求也越来越高，主要体现在长寿命、适应高低温、高低速使用、 低噪音等。聚脲润滑脂兼具长寿命、耐高温、低噪音和多效用的特点， 被称为“新一代高效润滑脂，是2 l 世纪最有发展前景的润滑脂品种 之一。 在上世纪9 0 年代初期，由于脲基润滑脂技术的发展，才开发出 脲基型低噪音润滑脂并已获得广泛的应用。市场上销售的低噪音润滑 脂多是国外品牌，仅有的几种国产低噪音脂，其降噪性能与国外同类 产品相比差距较大。目前，有关轴承噪声特性的研究和低噪音润滑脂 的开发成为国外的热门研究方向，而国内的研究报道还很少。因此， 研究轴承润滑脂的噪音特性，开发研制低噪音滚动轴承润滑脂，解决 长期依赖进口的问题，具有重要的经济和社会意义 为了开发研制低噪音聚脲润滑脂，本文主要开展了以下研究工 作。 1 通过大量实验，找到了一种配方模式和工艺制备方法，使聚 脲润滑脂具有较好的降噪性能。 2 研制出一种低噪音聚脲润滑脂，并同其他润滑脂进行了噪音 性能和摩擦学性能对比，试验结果表明，自制聚脲润滑脂降噪效果好， 摩擦学性能好。 3 分析了炼制温度、脲基稠化剂的组成对聚脲润滑脂理化性能 的影响。提高炼制温度可以改善润滑脂的理化性能，提高滴点。 4 讨论了炼制温度、基础油的类型与性质、脲基稠化剂的组成、 后处理工艺和杂质等方面对聚脲润滑脂噪音性能的影响。 关键词：聚脲润滑脂，研制，降噪，摩擦学性能 中南大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ei n c r e a s i n go fa p p l i c a t i o no fe x a c tr o l l i n gb e a r i n g ， b e a r i n g ss h a k ea n dn o i s ea r et h o u g h tm o r ea n dm o r eo fb yp e o p l e n o w e x a c tb e a r i n g s u s i n gc o n d i t i o n sa r em o r ea n dm o r e r i g o r o u s ，t h e r e q u i r e m e n t s t o l u b r i c a t i n gg r e a s eb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r , w h i c h m a i n l y a r el o n gl i f e 、h i g h l o wt e m p e r a t u r ea n dh i g h l o w s p e e du s e a d a p t a b i l i t y 、l o wn o i s ea n ds oo n p o l y u r e ag r e a s ei sc o n s i d e r e da san e w h i g he f f i c i e n c yg r e a s ea n do n eo ft h el u b r i c a t i n gg r e a s e st h a th a v et h e b e s td e v e l o p m e n tf o r e g r o u n di n21t hc e n t u r y , w i t ht h ec h a r a c t e d s t i c so f l o n g - l i f e 、h i 曲t e m p e r a t u r er e s i s t a n c e 、l o w n o i s ea n dm u l t i u s e e a r l i e ri nt h e19 9 0 s ，w i t ht h eu r e ag r e a s et e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t , u r e al o w - n o i s el u b r i c a t i n gg r e a s ew a se x p l o i t e da n dw a sa p p l i e dw i d e l y m o s to ft h el o wl u b r i c a t i n gg r e a s e ss o l di nm a r k e ta r ef r o mt h ef o r e i g n e r c o u n t r i e s ，a n dt h eo n l ys e v e r a lh o m e m a d el o w n o i s eg r e a s e sh a v et h e w o r s en o i s er e d u c i n gp e r f o r m a n c et h a nt h ec o n g e n e rp r o d u c t so v e r s e a s p r e s e n t l y , t h er e s e a r c h e sa b o u tb e a r i n g sn o i s ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h e e x p l o i t a t i o no fl o w n o i s el u b r i c a t i n gg r e b eh a v eb e e nt h ep o p u l a r r e s e a r c hd i r e c t i o no v e r s e a s ，b u tt h e r ei s n t a n yr e s e a r c hr e p o r ti no u r c o u n t r y t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n g 也e n o i s ec h a r a c t e r i s t i co fb e a r i n g l u b r i c a t i n gg r e a s e 、e x p l o i t i n gl o w - n o i s er o l l i n gb e a r i n gl u b r i c a t i n gg r e a s e a n df i n a l l ys o l v i n gt h ep r o b l e mt h a tt h el o w n o i s e g r e a s e sr e l yo n i m p o r t a t i o nh a v ei m p o r t a n te c o n o m i ca n ds o c i e t a ls i g n i f i c a n c e i no r d e rt o e x p l o i tl o w - n o i s ep o l y u r e al u b r i c a t i n gg r e a s e ，t h e f o l l o w i n gr e s e a r c hj o b sh a v eb e e nd o n e 1 t h r o u g hn u m e r o u se x p e r i m e n t s ，f i n d i n gab a t c hf o r m u l aa n d p r e p a r i n gt e c h n o l o g yt h a tm a k et h ep o l y u r e al u b r i c a t i n gg r e a s eh a v e b e t t e rn o i s er e d u c i n gp r o p e r t i e s 2 p r e p a r eal o w - n o i s ep o l y u r e al u b r i c a t i n gg r e b e ，a n dc o n t r a s ti t s n o i s ep r o p e r t i e sa n dt r i b o l o i c a lp r o p e r t i e sw i t ht h a to fo t h e rl u b r i c a t i n g g r e b e ，r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e p a r e dp o l y u r e al u b r i c a t i n gg r e a s e sn o i s e r e d u c i n gp r o p e r t ya n dt r i b o l o g i c a lp m p e r t y i sb e t t e r 3 a n a l y z et h ee f f e c to ft h ep r e p a r i n gt e m p e r a t u r e 、t h ec o m p o n e n to f u r e ag e l a t i n i z e r - - o r g a n i co nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f 中南大学硕士论文a b s t r a c t p o l y u r e al u b r i c a t i n gg r e a s e i n c r e a s e dp r e p a r i n gt e m p e r a t u r ec a ni m p r o v e t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fl u b r i c a t i n gg r e a s e ，r a i s i n gd r o p s p o i n t s 4 d i s c u s s t h ee f f e c to ft h ep r e p a r i n gt e m p e r a t u r e 、t h et y p ea n d p r o p e r t yo fb a s eo i l 、t h ec o m p o n e n to fu r e ag e l a t i n i z e r - - o r g a n i c 、f i n a l t r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sa n di m p u r i t i e so nt h en o i s ep r o p e r t i e so f p o l y u r e a l u b r i c a t i n gg r e a s e k e yw o r d ：p o l y u r e al u b r i c a t i n gg r e a s e ，p r e p a r e ，n o i s er e d u c i n g ， t r i b o l o g i c a lp r o p e r t y 一 - i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：纽 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 互 上 卫 旦 啤埤麓 生聘 益 中南大学硕士论文 第一章 概论 第一章概论 1 1低噪音润滑脂的发展现状与发展趋势 现代润滑脂生产技术和润滑脂的配方是一门科学，润滑脂是一类高技术产 品，在现代科学技术日新月异快速发展的今天，为了满足层出不穷的各类设备和 装置的润滑要求，润滑脂技术获得了极大的发展【l 】。 1 1 1 国内外润滑脂的生产现状 润滑脂的品种结构是现代润滑脂工业水平的标志之- - 1 2 1 。我国润滑脂工业经 过5 0 多年的发展，在产品品种、质量、生产设备、工艺及分析方法、性能评定 等方面经历了一个从无到有、从低到高的过程。目前，润滑脂生产技术已发展到 一个新水平，其产品品种、产量基本满足国内市场需求。 根据美国润滑脂协会( n l g i ) 统计，与2 0 0 0 年相比，2 0 0 1 年全球润滑脂 产量下降了近6 ，2 0 0 0 年产量为6 3 5 6 万t 。我国是全球润滑脂行业唯一的亮点， 产量增加了1 4 ，达到8 0 8 万t 。北美是世界第三大润滑脂生产地区，产量下降 了1 0 5 ，欧洲下降了2 6 。润滑脂产量的降低并非所有品种的情形都一样， 其中钙基脂产量降低，锂基脂、钙基磺酸盐、聚脲脂产量增加，显示了世界性的 润滑脂产品结构正在向先进水平方向发展。 2 0 0 1 年北美润滑脂产量达到了2 2 8 8 万t ，其中锂基脂的产量为15 9 8 万t 。 对美国来说，与2 0 0 0 年相比，润滑脂产量下降了1 0 5 ，但与1 9 9 8 年相比上升 了1 3 。欧洲润滑脂产量达到了1 8 8 9 万t ，其中锂基脂的产量为1 2 6 2 万t ，与 2 0 0 0 年相比，润滑脂产量下降了2 6 ，但与1 9 9 8 年相比下降了4 2 。在日本， 聚脲脂占总产量的比例超过了2 0 ，北美有7 ，欧洲是2 。图l 一1 为n l g i 统计的2 0 0 0 年全球润滑脂产品结构0 - 6 。 ：， i ；。* ，。一i 譬j 芝0 甓攀黪 。 ：j i ” ； ，| _ ，t_ i 7 一z一 一o 7 一蛾 图1 - 1 全球润滑脂产品结构 中南大学硕士论文 第一章概论 美国最先开发了聚脲脂，c h e w o n 公司在聚脲润滑脂的研制和生产方面均占 领先地位。近年来，德国、英国、日本、前苏联、波兰和中国相继开展了聚脲润 滑脂的研制和生产工作。2 0 0 1 年n l g i 发表的润滑脂生产调查统计报告显示， 全世界聚脲润滑脂产量达到3 0 3 k t ，其中美国a n 拿大生产了1 3 3 k t ，日本生产了 1 0 3 k t ，而中国聚脲润滑脂的产量仅有5 0 0 t 左右。表1 1 列出了2 0 0 1 年的聚脲 润滑脂产量【7 】。 表卜12 0 0 1 年中国及其他国家和地区聚脲润滑脂产量统计 鬻旨全世界中国嚣欧洲 印度日本拉丁美洲 嚣耧 聚脲占 润滑脂 总产量 肱 润滑脂 总产量 k t 4 6 2o 7 66 5 02 2 6o 0 02 0 2 7o 0 60 0 0o 0 0 6 5 5 56 5 52 0 4 81 7 5 36 1 15 0 73 2 82 6 02 3 9 近几年，中国润滑脂产量呈逐年增长趋势，质量水平也有所提高。中国润滑 脂协会对我国4 2 个主要润滑脂生产厂的产量、润滑脂产品品种结构的调查统计 数据见表1 2 。 。 表1 - 22 0 0 0 、1 9 9 9 、1 9 9 8 及1 9 9 0 年中国润滑脂产量及品种结构 赫种 产薤2 0 0 0 品雕产麓1 9 9 9 品瞄产麓1 以9 9 气矗麒产麓1 9 9 0 品崩 锅蒸臌2 9 50 4 2 1 4 0 0 23 8 1 0 21 0 20 1 4 笈合锚蒸臌2 3 2 83 。”2 3 j 9 33 石622 5 3 钙基朦 1 4 6 0 72 1 1 81 53 3 92 3 4 51 7 铡 笈台钙基膳 23 憾3 3 i32 8 25 0 22o ll 锈一钠基臌2 lo 粥2 5 80 3 92 1 4 钠基朦l5 观2 1 82 2 3 03 4 l2 加5 镁莲疆4 28 0 36 2 0 23 73 7 85 7 1 43 31 8 1 复合镁蒸艨2 3 7 63 4 42 0 2 73 1 4l3 5 0 聚器膳 5 9 30 拍2 5 20 3 82 6 4 非毫纂魔 3 5o 1 21 0 30 1 6 其缝鹈蒸膊20 6 42 g o21 3 93 2 721 3 l 总产麓t 一鹋9 7 8 l o o 0 06 84 1 51 0 0 。6 14 0 0 22 2 4 熊8 43 2 3 l0 1 7 49 0 9 1 51 0 6 5 9 3 4 4 l1 4 9 7 31 5 5 2 2 2 4 4 3 6 8 8 4 3 2 3 1 0 1 7 4 9 0 9 1 5 1 0 6 5 9 9 4 4 l1 4 9 7 3 1 5 5 3 艄 5 9 。7 2 5 9 l 1 3 9 6 j l 2 0 6 5 o 8 l 0 0 6 1 5 7 h n 舳 调查结果表明，1 0 年内普通钙基脂占润滑脂产品比例减少了6 5 。锂基脂、 聚脲脂产品所占比例迅速增加，普通钙基脂产品比例迅速降低，显小了中国润滑 脂产品结构向先进水平方向发展，这得益于中国润滑脂生产工艺技术及成套润滑 2 中南大学硕士论文第一章概论 脂生产设备的研究开发和推广应用、润滑脂产品标准及分析试验方法标准的制定 及实施取得的巨大成功【6 】。 1 1 2 我国润滑脂生产存在的问题 目前，我国润滑脂产量、质量、品种都有所提高，但高性能、高质量润滑脂 产品品种和产量较少，导致或是依赖进口，或是以低性能润滑脂产品代替高性能 产品，往往造成设备损坏或润滑脂消耗量增大。从表1 3 可以看出，2 1 世纪最有 发展前途的润滑脂品种聚脲润滑脂，中国目前产量仅占润滑脂总产量的 1 2 7 ，少于日本( 1 9 5 8 ) 、美国( 4 2 1 ) 、欧洲( 1 9 1 ) 。而且目前市场上中国生 产的复合聚脲润滑脂产品很少。 表1 - 32 0 0 5 年中国及世界高滴点高质量润滑脂占润滑脂总产量比例 总之，与国外相比，我国润滑脂工业目前还一些问题，主要可以概括为：“一 小一、。二少力、“三低一。“一小即我国润滑脂生产厂平均年产量较小。“二少一 即高性能润滑脂产品品种及产量少，润滑脂性能评定试验方法标准及设备少。“三 低即润滑脂生产硬件质量、相当数量润滑脂产品应用性能、润滑脂包装设备及 包装材料质量低于国际同类产品先进水平【8 - 9 1 。 1 1 3 目前国内外低噪音润滑脂的研究发展现状 润滑脂作为轴承润滑剂具有简化轴承装置，使机械装置小型化的优点，约8 0 的滚动轴承均使用润滑脂进行润滑【1 0 1 。现代精密轴承使用条件越来越苛刻，对润 滑脂的要求也越来越高，主要体现在长寿命、适应高低温、高低速使用、低噪 音等。近年来，随着精密滚动轴承应用的逐渐增多，轴承震动和噪音越来越引起 人们的重视，尤其是在某些新的军用装备和民用精密机械的集中轴承和微小型轴 承中，如计算机工业的磁盘存储驱动器、线形或旋转的读写磁头和打印机驱动器、 影音设备、纺织机械、精密仪器、小型电机、空调、洗衣机、军事电子、精密仪 器等的轴承润滑脂，要求必须使用低噪音润滑脂，这对轴承噪声提出了非常高的 要求。同时，随着轴承材料和生产加工技术的飞速发展，轴承本身产生的噪声己 大大降低【l ，从而使润滑剂成为影响轴承噪声的主要因素。 3 中南大学硕士论文第一章概论 目前，有关轴承噪声特性的研究和低噪声润滑脂的开发成为国外的热门研究 方向，而国内的研究报道还很少。国内市场上销售的低噪声润滑脂多是国外品牌， 仅有的几个国产低噪声脂，其降噪性能与国外同类产品相比差距较大，主要依赖 进口。因此，研究轴承润滑脂的噪声特性，开发研制低噪声滚动轴承润滑脂，解 决长期依赖进口的问题，具有重要的经济和社会意义。 国内外低噪音润滑脂的开发与研究，多是集中在选择合适的基础油、稠化剂、 以及适当的生产工艺来控制皂纤维形状、减少机械杂质等以达到降噪的目的 u 2 。1 5 】。在所有润滑脂中，锂基脂作为低噪音密封滚珠轴承用脂应用最广，这是因 为锂皂在制备时容易除去杂质，一般不容易产生振动和噪音。但这种脂在高温条 件下长期使用时容易产生振动和噪音【1 6 】。国外知名的润滑脂生产商n s k 公司早在 1 9 7 5 年生产出了第一个低噪声脂n s 7 】，然后在1 9 9 8 年推出第二个润滑脂品种 n s c ，这两种润滑脂均为轴承用脂，适用于电脑和家用电器，因其具有优良的低 噪音和低摩擦扭矩，这两种脂至今仍广泛应用于轴承当中、近年来，由于风扇电 动机轴承的广泛使用，n s k 公司在2 0 0 0 年又推出了n s a 型低噪音脂，这种脂不仅具 有更好的静音效果而且其抗腐蚀磨损性能以及高温性能也大大提高，而这二种低 噪音润滑脂均为锂基脂。另据报道，日本知名润滑脂生产公司k o y o s e i k o 最近研 究推出了一种以复合锂皂为稠化剂的低噪音长寿命润滑脂【1 2 】，这种复合锂基脂通 过二次皂化成脂，通过在生产过程中提高脂肪酸在矿物油中的溶解度来延长润滑 脂寿命，并且采用特殊工艺降低稠化剂粒度以达到降噪目的。 脲基脂以前常作为高温脂使用，但是近年来，研制出了以有机尿素作稠化剂 的润滑脂，发现也能获得超静音润滑脂。这种脲基脂是用烯基琥珀酰亚胺与异氰 酸酯反应，并添加烷基苯磺酸金属盐或石油磺酸金属盐清净剂制备的双脲脂【1 8 】， 该脂即使在1 2 0 以上高温下长时间使用也可保持低噪音。市售普通锂基脂在开 始时有较好的降噪效果，但运转一段时间后噪音变大，而脂肪族胺和环烷族胺与 异氰酸盐组合制备的脲基脂具有优良的低噪音性能。可以作为一种较好的高温低 噪音脂【1 9 1 。 1 2 聚脲润滑脂的性能特点及应用 聚脲润滑脂是由分子中含有脲基的有机化合物稠化矿物油或合成油所制备 的润滑脂。由于聚脲稠化剂不同于金属皂基稠化剂，不含金属离子，避免了皂基 稠化剂中金属离子对润滑脂基础油的催化氧化作用，因此聚脲润滑脂具有良好的 氧化安定性和热稳定性，并具有一系列的使用性能，如良好的泵送性、抗氧性、 机械安定性、胶体安定性和抗水淋性，特别适用于高温、高负荷、宽速度范围和 与不良介质接触的润滑场合，现在广泛应用于电器工业、冶金工业、食品工业、 造纸工业、汽车工业、飞机工业等【2 0 】。 4 中南大学硕士论文 第一章概论 1 2 1 聚脲润滑脂的性能特点 聚脲润滑脂是一类优质高温润滑脂，具有许多优良的性质，如良好的抗氧化 安定性、机械安定性和胶体安定性，具有较高的滴点，高温下不易软化，并具有 较宽的使用温度范围和较长的使用寿命，被誉为2 1 世纪最有发展前景的润滑脂 品种之一【2 1 之6 】。 ( 1 )良好的高温抗氧化安定性 高温氧化安定性是润滑脂的主要使用性能之一，对润滑脂的使用和贮存有较 大的影响。因为聚脲稠化剂不含金属离子，可以避免高温下基础油氧化的金属催 化作用，所以聚脲润滑脂具有良好的高温抗氧化性能。 表1 4 列出了几种润滑脂动态氧化试验测试的氧化安定性结果，试验数据显 示锂基润滑脂和复合铝基润滑脂经9 6 h 氧化后变成了流体，而聚脲润滑脂仍保持 润滑脂结构，而且氧化压力降远远小于锂基脂和复合铝基润滑脂。 表1 - 4 用动态氧化试验测试几种润滑脂的氧化安定性 ( 2 ) 较高滴点 表1 5 列出了聚脲润滑脂与其他几种润滑脂的滴点比较。可以看出，聚脲润 滑脂与膨润土润滑脂、复合皂基润滑脂一样具有较高的的滴点，可以用于润滑在 较高温度条件下工作的设备。 表1 - 5 几种润滑脂滴点比较 ( 3 )良好的胶体安定性 润滑脂胶体安定性是衡量一个润滑脂使用性能和贮存性能好坏的一个很重 要指标。聚脲化合物是有机物，与基础油具有良好的亲合能力，并且一般聚脲稠 化剂都含有芳基，所以通常聚脲润滑脂都具有良好的胶体安定性。 5 中南大学硕士论文第一章概论 图卜2 不同种类润滑脂在1 5 0 下的分油量 一复合铝基脂；一极压锂基脂；一膨润土基脂； 一o 号双脲脂； - - 1 号双脲脂；- - 2 号双脲脂 图1 2 列出了聚脲润滑脂、复合铝基润滑脂、膨润土润滑脂和锂基润滑脂在 高温下不同时间的分油量试验数据，可以看出，在相同的实验温度和时间下，聚 脲润滑脂的分油量是所有参加试验的各类润滑脂中最小的，尤其是在高于1 0 0 温度条件下聚脲润滑脂的分油量仍然是最小，说明聚脲润滑脂在高温下具有良好 的胶体安定性。 ( 4 )良好的抗水性 聚脲润滑脂具有良好的抗水性，表1 - 6 为按a s t md1 2 6 4 试验方法对几种 润滑脂进行水淋试验的结果对比数据。试验结果表明，在所有参加试验的润滑脂 试样中，聚脲润滑脂的水淋损失量最低，抗水性能最好。 表1 - 6 不同类型润滑脂的水淋试验结果 ( 5 )良好的抗酸性气体介质的能力 在化工、印染等行业，生产过程中往往会释放出一些酸性气体，一方面造成 轴承腐蚀，同时还会破坏润滑脂结构，使润滑脂变稀流失，导致设备润滑不良或 失效。表1 7 列出了聚脲润滑脂和其他几种润滑脂康h c i 侵蚀的试验结果。试验 结果表明聚脲润滑脂优于其他参加试验的润滑脂产品，具有最好的抗酸性介质的 能力。 6 中南大学硕士论文第一章 概论 ( 6 )良好的轴承工作能力和较长的使用寿命 许多研究结果表明，聚脲润滑脂具有良好的轴承工作能力，具有较长的使用 寿命。表1 8 给出了几种润滑脂的轴承漏失量试验结果。结果表明，聚脲润滑脂 在轴承中的漏失量最小，尤其在开式轴承中表现得最为突出。 表1 - 8 几种润滑脂的轴承漏失量 在试验温度为1 4 9 ，转速为1 0 0 0 0 0 r m i n ，负荷为3 p a 的海军试验装置 ( f i m s 3 3 1 2 ) 上评价了几种采用矿物润滑油作基础油的润滑脂轴承寿命，结果 见表卜9 。试验结果表明，聚脲润滑脂的使用寿命大于4 0 0 0 h ，是参加试验的所 有润滑脂产品中使用寿命最长的产品。 ， 表1 - 9 几种润滑脂的轴承寿命 1 2 2 聚脲润滑脂的应用 聚脲润滑脂具有如此全面的优良性能，可以说没什么明显的缺点。因此，它 的应用领域十分广泛 2 7 - 2 9 1 。特别适用于高温、重载、高速、潮湿、雨淋、核辐射、 存在酸碱等介质的苛刻环境条件下的机械润滑。如钢铁、造纸、汽车、化工、食 品、军事、建材、电力和电子工业等机械润滑。同时也适用于寒区、严寒区的各 种机械的润滑。因为寒区用脂的基础油粘度一般都比较小，若用锂基脂等皂基脂 则胶体安定性较差，润滑性又不良，用聚脲润滑脂便可克服这些不足。 聚脲润滑脂既适用于苛刻条件下的润滑，也适用一般条件下的润滑。但是一 般机械使用聚脲润滑脂是一个成本问题。机械的成本包括原始费用和维修费用， 7 中南大学硕士论文第一章概论 近年来人们越来越注意维修费用。因为聚脲润滑脂的使用寿命是皂基脂的数倍或 更多。虽然聚脲润滑脂成本稍贵了一些，但是使用聚脲润滑脂，可以减少维修机 器，延长开工期，增加了生产时间，提高了效益。就从轴承消耗来说，可降低数 倍或更多，就这项费用来看，用聚脲润滑脂代替普通皂基脂、复合皂基脂和膨润 土脂都是十分合算的。因此，使用聚脲基润滑脂是会降低机械的总成本，对广大 用户是合算的。 1 3 聚脲润滑脂的毒性分析及对策 虽然聚脲润滑脂本身无毒或低毒，但由于生产聚脲润滑脂所用的一些原材料 是有毒的，有的甚至是剧毒的，其反应残留物导致聚脲润滑脂有一定的毒性。因 而工人在使用聚脲润滑脂后，有时会出现头晕、手痒、皮肤发黄等症状【3 0 1 。 1 3 1 聚脲基润滑脂的组成 聚脲基润滑脂主要由基础油、脲化合物稠化剂和添加剂组成。其中脲化合物 稠化剂主要由伯胺( 包括脂肪伯胺和芳香伯胺) 、二元胺和二异氰酸酯等反应而 成。在聚脲润滑脂中，脲化合物稠化剂主要有两种，即四脲和双脲，其化学反应 通式为： 鼍t 嗍l + o ；c = n r l n 嚣c = o + h l n r j 掣一n 丢 一为2 4 ：曩为纛1 囊攘翼蔚r 为蠢i r 减r i 1 3 2 聚脲润滑脂的毒性分析 在聚脲润滑脂中，基础油一般是石油提炼后的矿物油，基本无毒，长期接触 一般不会有不良反应；添加剂一般加剂量很少，其中可能存在有毒物质，但只要 仔细选择，一般不会对人体产生危害；脲化合物本身也是无毒或低毒的，f d a 甚至将一种脲化合物作为h l 级食品润滑脂的稠化剂列入2 1c f r1 7 83 5 7 0 法令 中【3 。这也充分说明脲化合物本身无毒或低毒。但是由于脲化合物稠化剂是由化 学原料直接反应制成的，这些化学原料很多都是有毒的，有的甚至是剧毒的，聚 脲润滑脂中可能残留脲化合物的反应物，这些残留的反应物可能使聚脲润滑脂具 有毒性，而毒性的大小则依据反应物的残留量。下面重点对合成脲化合物的主要 原料进行毒性分析。 脲化合物稠化剂的主要原料为胺类和二异氰酸酯。其中胺类主要有长链脂肪 胺、芳香胺和短链二元胺，长链脂肪胺的代表是十八烷基伯胺，芳香胺的代表是 苯胺，短链二元胺的代表是乙二胺；二异氰酸酯主要有甲苯二氰酸酯( t d i ) 和 中南大学硕士论文 第一章概论 二苯基甲烷二异氰酸酯( m d i ) 。 表1 1 0 和表1 1 1 是脲基中常用的胺类和异氰酸酯的毒性数据3 2 】。 表1 1 0 脲基脂中常用胺类的毒性数据 9 中南大学硕：t 论文第一章概论 分子式 分子量 反应性 毒物性 毒性数据 危险评级 个人防护 安全性措施 c 9 h 6 n 2 0 2 1 7 4 1 5 可从空气中吸收湿气；避免湿气； 可与水、醇、酸起剧烈的反应，可 与碱、胺起不易控制的聚合反应 吸入、吞食或由皮肤吸入有害；会 引起过敏反应；会引起皮肤灼烧： 致癌物质 c l s h l o n 2 0 2 2 5 0 2 6 易燃的；可从空气中吸收湿气；避免湿 气；可与强氧化剂反应，可与醇剧烈反 应 吸入、吞食有害；会引起过敏反应；会 引起皮肤灼烧；致癌物质 老鼠口服半致死量l d s o 为 3 1 6 9 0 m g k g ：老鼠吸入半致死量浓度 l d s o 为1 7 8 m g m 3 ；人类吸入公布最低 毒性浓度t c i d 我为1 3 0 1 0 。6 3 0 m r 2 1 级：皮肤接触有害；r 2 2 级： r 2 0 级：吸入有害；r 3 6 级：对眼睛有 吞食有害：r 4 2 级：吸入会引起不刺激；r 3 7 级：对呼吸系统有刺激；r 3 8 适感：r 4 3 级：皮肤接触会引起不级：对皮肤有刺激；r 4 2 级：吸入会引 适感起不适感 佩戴安全眼镜，适当通风佩戴安全眼镜，适当通风 $ 2 3 级：不要呼吸其蒸气；$ 2 6 级：s 2 级：放置到儿童接触不到的地方； 在与眼睛接触的情况下，立即用大$ 2 6 级：在与眼睛接触的情况下，立即 量的水冲洗，并就医；$ 3 7 级：穿用大量的水冲洗，并就医；$ 2 8 级：皮 戴合适的手套；$ 3 9 级：佩戴防护肤接触后，立即用大量肥皂水清洗；$ 3 8 眼睛和面部的面具；$ 4 5 级：出现级：在通风不足的情况下，穿戴适当的 意外事故或感觉不适时，马上就医呼吸设备；s 4 5 级：出现意外事故或感 觉不适时，马上就医 从表1 1 0 ，1 1 l 中看出，脲基润滑脂中稠化剂脲化合物常用的原料都是有毒 的，所以在实验、生产过程中一定要做好防护工作。 1 3 3 降低聚脲润滑脂毒性的对策 从以上分析可知，虽然聚脲润滑脂本身无毒，但聚脲润滑脂在生产过程中有 很大的毒性，脲基脂中残留有未反应的有毒原料，也会使聚脲润滑脂有毒。因此 在生产聚脲润滑脂的过程中除了要加强劳动保护外，还应采取以下措施： ( 1 ) 反应物的用量要严格按照化学方程式来计算。 ( 2 ) 要保证有足够的反应时间，使反应充分。 ( 3 ) 要保证有足够高的反应温度，这样可以使某些易挥发的反应物挥发掉。 ( 4 ) 加入其它物质以分解残留物。 l o 中南大学硕士论文 第一章概论 1 4 本文研究的背景和主要内容 1 4 1 研究背景 目前，约8 0 9 6 以上的滚动轴承均使用润滑脂润滑【l o l 。现代精密轴承使用条件 越来越苛刻，对润滑脂的要求也越来越高，主要体现在长寿命、适应高低温、 高低速使用、低噪音等。近年来，随着精密滚动轴承应用的逐渐增多，轴承震 动和噪音越来越引起人们的重视，尤其是在某些新的军用装备和民用精密机械的 集中轴承和微小型轴承中，如计算机工业的磁盘存储驱动器、线形或旋转的读写 磁头和打印机驱动器、影音设备、纺织机械、精密仪器、小型电机、空调、洗衣 机、军事电子、精密仪器等的轴承润滑脂，要求必须使用低噪音润滑脂，这对轴 承噪声提出了非常高的要求。同时，随着轴承材料和生产加工技术的飞速发展， 轴承本身产生的噪声已大大降低【1 1 】，从而使润滑剂成为影响轴承噪声的主要因 一-一 系。 目前，有关轴承噪声特性的研究和低噪声润滑脂的开发成为国外的热门研究 方向，而国内的研究报道还很少。国内市场上销售的低噪声润滑脂多是国外品牌， 仅有的几种国产低噪声脂，其降噪性能与国外同类产品相比差距较大，主要依赖 。 进口。 聚脲润滑脂是为满足现代工业技术和设备的快速发展进而对润滑材料提出 的更为苛刻的要求而发展起来的。2 0 世纪9 0 年代初期，由于聚脲润滑脂技术的 发展，开发出低噪音聚脲润滑脂并已获得广泛的应用【3 3 1 。目前低噪音聚脲润滑脂 的技术主要掌握在世界著名的轴承公司和石油公司手中。因此，研究轴承润滑脂 的噪音特性，开发研制低噪音滚动轴承润滑脂，解决长期依赖进口的问题，具有 重要的经济和社会意义。 1 4 2 本文研究的主要内容 ( 1 ) 根据选用的原料和制备工艺的不同，提出多个研制方案，并在实验室逐个 进行合成试验，制备出一系列的聚脲润滑脂，测定其基本理化性能和噪音性能， 找出一种配方模式和工艺制备方法，使聚脲润滑脂具有较好的噪音性能。 ( 2 ) 分析脲基稠化剂的组成、炼制温度对润滑脂结构和性能的影响。研制一种 低噪音聚脲润滑脂。 ( 3 ) 探讨炼制温度、基础油、稠化剂组成、后处理工艺和杂质等因素对聚脲润 滑脂噪音性能的影响，并进行机理研究。 ( 4 ) 用金相显微镜观察磨斑表面形貌，分析聚脲润滑脂的摩擦学性能。 中南大学硕士论文第一章概论 1 5 本章小结 本章论述了当今世界上润滑脂工业发展的现状及发展趋势，对我国润滑脂工 业的现状进行了描述，比较了中国润滑脂行业与世界润滑脂行业的差距。论述了 目前国内外低噪音润滑脂的研究发展现状。对合成脲化合物的主要原料进行毒性 分析，制定了降低聚脲润滑脂毒性的对策。确定了本文研究的主要内容。 1 2 中南大学硕士论文第二章 低噪音聚脲润滑脂的研制 第二章低噪音聚脲润滑脂的研制 2 1制备原料的选择 制备低噪音聚脲润滑脂的主要原料包括：基础油、脲基稠化剂和添加剂。 ( 1 ) 基础油 在润滑脂的组分中，基础油的质量分数大约为7 5 以上，某些润滑脂品种中 甚至含有9 7 左右的基础油【3 4 1 。因此基础油对润滑脂产品的性能影响非常大， 润滑脂的许多性能取决于基础油的性质。润滑脂的低温性，在很大程度受基础油 的低温粘度、凝点和粘温性的影响；润滑脂的高温性能受基础油的闪点、氧化安 定性、热分解温度和蒸发性的影响；润滑脂的稠度和泵送性受基础油粘度的影响； 基础油的粘度还影响润滑脂的分油程度，基础油粘度小，制成的润滑脂滴点低、 分油量大、蒸发损失大、相似粘度小；基础油粘度大，制成的脂滴点高、分油小、 蒸发损失小，但相似粘度大。 通常将润滑脂基础油分为矿物润滑脂基础油( 简称矿物油) 和合成润滑脂基 础油( 简称合成油) 。矿物油通常包括环烷基润滑油，石蜡基矿物油和中间基润 滑油。合成油包括合成烃类油、酯类油、醚类油和硅油等。由日本协同，日本石 油和美国雪弗龙等公司的低噪声润滑脂的基础油大多为矿物油、酯类油、合成烃 及它们之间进行混和得到的混合油。因此，本文基础油主要选定为矿物油、酯类 油、p a o 、硅油以及他们的混合油。其主要性能参数见表2 1 。 表2 - 1 基础油的主要性能参数 ( 2 ) 脲基稠化剂 稠化剂是润滑脂中不可缺少的固体组分，其含量约占润滑脂重量的10 - 3 0 左右【蚓，对润滑脂性能的影响是决定性的，相应的对轴承的振动噪声也有着重要 的影响。稠化剂能在基础油中分散和形成结构骨架，并使基础油被吸附和固定在 结构骨架之中，从而形成具有塑性的半固体状润滑脂。稠化剂粒子或纤维是润滑 脂这种胶体结构分散体系中的分散相，基础油则作为体系的分散介质。 制备脲基稠化剂的主要原料是单胺、双胺、单异氰酸酯、二异氰酸酯和多异 中南大学硕士论文第二章低噪音聚脲润滑脂的研制 氰酸酯等。国外埃索、协同等公司脲基低噪声润滑脂都为二脲，雪弗龙公司脲基 低噪声润滑脂为四脲。本文主要对二脲作一些研究。固体二异氰酸酯和有机胺制 备的聚脲润滑脂是一种噪音性能很差的润滑脂，基于此，本文主要选用2 , 4 - 甲苯 二异氰酸酯、十八胺、对甲苯胺、环己胺作为稠化剂原料来进行试验研究。 2 , 4 甲苯二异氰酸酯 分子式为c 9 h 6 n 2 0 2 ，分子量为1 7 4 1 6 ，简称t d i 。无色至淡黄色液体，有 强烈的刺激性气味。有毒! 易燃。相对密度1 2 2 ，熔点1 3 2 ，沸点1 1 8 ( 1 3 3 k p a ) 。 溶于乙醚、丙酮和其他有机溶剂。遇水产生二氧化碳。易于含有活性氢原子的化 合物作用。主要用于制造合成纤维、聚氨基甲酸酯泡沫塑料、橡胶涂料和粘合剂 等，并可以作聚脲润滑脂的原料。2 ，禾二氨基甲苯与广气作用制得。储存于阴 凉通风处。避免受潮，防止泄露。生产现场保持良好的通风，操作人员应穿戴防 护用具。工作区空气中最大允许含量为0 s m g m 3 。质量指标见表2 - 2 3 5 1 。 表2 - 22 ，4 - pg - ：- 异氰酸酯质量指标 十八胺 化学式为c h 3 ( c h 2 ) 1 7 n h 2 ，分子量为2 6 9 5 1 。白色结晶固体。有毒! 相 对密度0 8 6 1 8 ，凝点5 3 1 ，沸点3 4 8 。不溶于水，微溶于丙酮，溶于乙醚、 乙醇和苯，易溶于氯仿。呈弱碱性，与酸作用生成盐。具有胺的通行。为有机中 间体，可合成多种助剂，并可作聚脲润滑脂的原料。硬脂酸脱水成十八腈，再加 氢转化而得。储存于阴凉通风干燥处。远离火源、热源。防止泄露。本品对皮肤、 粘膜有刺激性，但毒性比低级烷基胺小。使用时应穿戴防护用具，避免与皮肤直 接接触。质量指标见表2 3 t 3 5 1 。 表2 - 3 十八胺质量指标 项目一级品二级品 外观白色淡黄色 凝点 c 之3 7芝3 5 总胺值m gk o h g - 1 _ 1 9 5 _ 1 8 7 堕笪曼! ：! ! q q g ! ：!墅：q垒：q 1 4 中南大学硕士论文第二章低噪音聚脲润滑脂的研制 对甲苯胺 分子式为c 7 h 9 n ，分子量为1 0 7 1 6 。无色片状晶体，含有一分子结晶水。工 业品为白色至黄褐色结晶固体，露于空气中颜色逐渐变深。有毒! 相对密度1 0 4 6 ， 熔点4 2 c ( 失水) ，沸点2 0 0 3 。微溶于水，能溶于乙醇、乙醚和苯。溶于无机 盐并生成盐。能与水蒸气一同挥发。主要用于制造染料，也是农药、医药中间体。 并可作聚脲润滑脂的原料。对硝基甲苯经还原制得。储存于阴凉通风干燥处。隔 离火源、切勿日晒。容器应密闭。使用时必须穿戴劳动保护用具，勿接触皮肤。 工作区空气中最大允许含量为3 0 m g m 3 。质量指标见表2 - 4 3 5 1 。 表2 - 4 对甲苯胺质量指标 环己胺 分子式为c d - i l l n h 2 ，分子量为9 2 1 9 。无色液体，有不愉快的气味。有毒! 相对密度0 8 6 4 7 ，凝点1 7 7 ，沸点1 3 4 。溶于水，可混溶于多数有机溶剂。 通常用作锅炉水处理剂及腐蚀抑制剂，橡胶促进剂，有机合成中间体。并可作聚 脲润滑脂的原料。储存于阴凉通风干燥处。防止日晒。隔绝热源和火源。防止泄 露。本品刺激皮肤和粘膜。生产现场要通风，操作人员应穿戴防护用具。工作区 空气中最大允许含量为1 0 m g m a ( 3 ) 添加剂 添加剂对于润滑脂来说是很重要的一个方面，适量的、恰当的添加剂可以提 高润滑脂的性能指标，延长使用寿命。一些含磷、氯、硫的化合物具有抗磨和极 压性。一般磷化合物具有抗磨性，而氯化物和硫化物具有极压性。滑脂生产中常 用的减磨剂包括油性剂和极压剂。油性剂会在金属表面形成物理吸附膜而改善润 滑条件，极压剂则是在金属表面生成化学反应膜而改善边界润滑条件。润滑脂生 产中常用的极压剂为硫、磷、氯等有机化合物、有机金属化合物、金属皂、脂肪 酸等。硫氯化合物可提高润滑脂的耐负荷能力，而对降低磨损的效果不明显，氯 化物还有使润滑脂变软的倾向，而酸性磷酸酯和脂肪酸等则有较强的腐蚀性。在 金属磨擦表面上，润滑脂添加剂中的氯可以把硫置换出来，因此，在含硫、氯极 压剂复合使用时，含氯极压剂在高温或遇水时会分解生成氯化氢( n c t ) ，给润滑 脂带来较强的腐蚀性，因此，含氯极压剂在润滑脂中很少使用。大多数极压润滑 中南大学硕士论文第二章低噪音聚脲润滑脂的研制 脂生产中所用的极压剂是由d t c 盐和硫化烯烃配合而成【3 6 1 。 含硫化合物首先在金属表面上吸附，减少金属面之间的磨擦，随着负荷增加， 金属之间的接触点温度升高，使油膜破坏，金属表面与有机硫化物迅速发生反应， 生成金属硫化铁膜，起到极压润滑作用。硫化铁膜水解安定性好，熔点高达7 0 0 不失效。 含磷化合物在金属