新型热增粘润滑油脂的制备及其润滑机理研究

摘要

随着全球能源需求的不断上升，传统能源对环境的影响以及对人类的健康构成了严重的挑战，开发新能源和可再生能源是十分紧迫的，同时节约能源、提高能源效率以及减少排放也是必不可少的手段。润滑油和润滑脂是两个最重要的节能减排材料，改善润滑油脂的粘温性能，可以解决因需要预加热而损失能源的问题，是节能减排的新思路，对环保有显著的意义。
　　本论文首先通过将辐照交联法制备的具有交联结构的硅橡胶(Si-ENP)乳液与硅油乳液共破乳，制备了一种以硅油为基础油的润滑油脂，其中硅橡胶粒子以纳米尺度分散在硅油中。这种新型润滑油脂具有高温高粘度、低温低粘度的热增粘特点。与纯硅油和含有5 wt％传统低分子量乙丙共聚物的改性硅油相比（100℃时的粘度较40℃时的粘度分别下降55％和95％），含有5wt％和10 wt％硅橡胶粒子的新型润滑油和润滑脂在100℃时的粘度较40℃时的粘度分别提高了0.4％和50％。不同制备工艺条件的研究结果表明，硅油粘度越高，硅橡胶粒子在其中分散性越好，所制备改性润滑油的稳定性越高。其中在1000 cP的基础油中只需要添加3wt％的硅橡胶，就能起到优异的高温增粘效果。与共破乳的方法相比，利用高压均质机制备润滑油脂的方法更为简单，具有更好的工业化前景。
　　研究发现硅橡胶使得硅油粘度增加的机理是分散在硅油中的硅橡胶粒子的粒径随温度升高而增大，由于硅橡胶粒子表面交联度高，低温溶胀小，高温溶胀大，实验数据表明40℃时硅橡胶粒子的粒径为87.4 nm，100℃时增加至146 nm，这意味着橡胶的体积分数随温度的升高而增加，因此在不显著提高硅油低温粘度的同时，可以大幅提高其高温时的粘度。
　　本论文研究发现，在合成烃基础油当中，丁苯橡胶粒子的溶胀性能优于硅橡胶粒子在硅油中的溶胀性能，在高温时粒径增加更多，体积分数增加更多，对基础油的热增粘效果也更明显。本文用辐照交联方法制备的具有交联结构的丁苯橡胶粒子(SBR-ENP)，用于1b150合成烃基础油的粘温性能改性剂，热增粘性能十分优异。
　　丁苯橡胶在基础油中的初次溶胀是部分不可逆的，丁苯橡胶溶胀后，体系粘度增大，并且溶胀后团聚粒子间的相互作用减弱，有利于丁苯橡胶在高压均质机中的二次分散。研究发现分散—热处理—再分散的方法可使丁苯橡胶粒子以纳米尺度分散在基础油中。用这种方法制备的改性润滑油中，丁苯橡胶粒子的溶胀更充分，热增粘效果更明显。以4 wt％的橡胶加入量为例，100℃时改性润滑油的粘度是纯基础油100℃时粘度的77倍，比其自身40℃时的粘度提高了339％。而用传统的粘温性能改进剂氢化苯乙烯—双烯共聚物、低分子量乙丙共聚物制备的改性润滑油，100℃时的粘度比40℃时的粘度下降了88.5％和91.6％。
　　另外，本论文分别采用共破乳和高压均质机法，通过改变橡胶粒子的添加量，制备了一系列硅润滑脂和烃润滑脂。研究结果发现丁苯橡胶粒子和硅橡胶粒子同时兼备了增粘和改性粘温系数的作用，与传统的润滑脂相比，在基础油中添加更少的橡胶粒子，就可以同时提高粘度和粘温性能。而且不同橡胶用量的改性润滑油脂粘度变化明显，可以满足任何粘度下的使用要求。在触变性测试中，制备的烃脂和硅脂受到剪切作用后，粘度恢复迅速，表明橡胶粒子的加入还能提高润滑脂的触变性能。
　　最后本论文利用Materials Studio软件包对高粘温性能润滑油的制备进行了分子动力学模拟研究。用Amorphous Cell模块对分散相模型进行预先处理，用Forcite模块以COMPASS力场进行MD模拟，得到了分散相分子的平衡构象。通过Blends模块考察了硅油与硅橡胶粒子、丁苯橡胶粒子、低分子量乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶;考察了1b150烃质润滑油与丁苯橡胶粒子、低分子量乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶的可混合性。模拟结果表明硅油与硅橡胶粒子体系的混合能，以及1b150基础油与丁苯橡胶粒子体系的混合能最低，可混合性明显高于其他体系。通过MD模拟了改性润滑油组分间的结合能，硅油与硅橡胶粒子、1b150基础油与丁苯橡胶粒子的结合能最大，说明它们所形成的体系更稳定，橡胶粒子的分散更均匀。模拟结果与实验结果十分吻合，很好的支持了实验的结论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 润滑油基础油的分类与选择

1．2．1 矿物基础油

1．2．2 合成基础油

1．3 润滑油粘温系数改进剂的研究进展

1．3．1 粘度指数的定义

1．3．2 粘温系数改进剂的种类

1．3．3 粘温系数改性剂的作用原理

1．3．4 粘温系数改进剂的分散方法

1．4 弹性纳米粒子的研究进展

1．4．1 弹性纳米粒子的制备及特点

1．4．2 弹性纳米粒子的应用

1．5 论文选题的意义和目的

1．6 论文研究内容

1．7 论文创新点

参考文献

第二章 以硅油为基础油的新型热增粘润滑油的制备及其机理研究

2．1 前言

2．2 实验原料

2．3 实验设备

2．4 以硅油为基础油的高粘温性能润滑油的制备

2．4．1 使用共破乳法制备

2．4．2 使用超高压均质机制备

2．4．3 使用三辊研磨机制备

2．4．4 使用超声分散法制备

2．5 测试与表征

2．5．1 润滑油的粘度测试

2．5．2 ENP粒子分散粒径测试

2．5．3 扫描电子显微镜分析

2．5．4 改性硅润滑油的稳定性测试

2．5．5 ENP粒子的凝胶含量测试

2．6 Si-ENP热增粘硅油基础油的机理

2．7 不同粒径的Si-ENP对硅油粘温性能的影响

2．8 不同含量的Si-ENP对不同种类硅油粘温性能的影响

2．8．1 使用共破乳法制备硅润滑油的性能

2．8．2 使用高压均质机制备硅润滑油的性能

2．8．3 使用三辊研磨机制备硅润滑油的性能

2．8．4 使用超声机制备硅润滑油的性能

2．9 SBR-ENP对硅油基础油的热增粘效果

2．9．1 SBR-ENP对硅油基础油的热增粘效果

2．9．2 不同含量SBR-ENP改性500cP硅油的粘温性能

2．9．3 不同含量SBR-ENP改性1000cP硅油的粘温性能

2．9．4 SBR-ENP改性硅润滑油的稳定性

2．10 总结

参考文献

第三章 以合成烃为基础油的新型热增粘润滑油的制备及其机理研究

3．1 前言

3．2 实验原料

3．3 实验设备

3．4 以合成烃为基础油的高粘温性能润滑油的制备

3．4．1 改性烃润滑油母料的制备

3．4．2 改性烃润滑油的高温处理

3．4．3 改性烃润滑油的二次分散

3．4．4 稀释母料

3．5 测试与表征

3．5．1 润滑油的粘度测试

3．5．2 SBR-ENP分散粒径测试

3．5．3 扫描电子显微镜分析

3．5．4 改性烃润滑油的稳定性测试

3．5．5 改性烃润滑油的摩擦测试

3．5．6 改性烃润滑油的黄色指数测试

3．6 分散方法对SBR-ENP在烃类基础油中分散效果的影响

3．6．1 SBR-ENP在烃类基础油中分散方法的建立

3．6．2 SBR-ENP二次分散后对粘温性能的影响

3．7 不同增粘剂对烃类基础油粘度的影响

3．8 SBR-ENP含量对烃润滑油粘温性能的影响

3．8．1 SBR-ENP含量为0．5 wt％改性烃润滑油的粘温性能

3．8．2 SBR-ENP含量为1 wt％i改性烃润滑油的粘温性能

3．8．3 SBR-ENP含量为2 wt％改性烃润滑油的粘温性能

3．8．4 SBR-ENP含量为3 wt％改性烃润滑油的粘温性能

3．8．5 SBR-ENP含量为5 wt％改性烃润滑油的粘温性能

3．9 改性烃润滑油的稳定性

3．10 改性烃润滑油的润滑性能

3．11 改性烃润滑油的抗老化性能

3．12 结论

参考文献

第四章 高粘温性能润滑脂的制备及其性能研究

4．1 前言

4．2 实验原料

4．3 实验设备

4．4 高粘温性能润滑脂的制备

4．4．1 利用共破乳的方法制备硅润滑脂

4．4．2 利用高压均质机制备烃润滑脂

4．5 测试与表征

4．5．1 润滑脂的粘度测试

4．5．2 润滑脂触变性能的测试

4．6 硅润滑脂的粘温性能和触变性

4．6．1 硅润滑脂的粘温性能

4．6．2 硅润滑脂的触变性能

4．7 烃润滑脂的粘温性能和触变性

4．7．1 烃润滑脂的粘温性能

4．7．2 烃润滑脂的触变性能

4．8 结论

参考文献

第五章 制备高粘温性能润滑油的分子动力学模拟研究

5．1 分子模拟理论

5．2 Materials Studio

5．3 改性硅润滑油的模拟研究

5．3．1 分散相模型的构建

5．3．2 改性硅润滑油的可混合性模拟

5．3．3 改性硅润滑油模型的构建

5．3．4 改性硅润滑油的MD模拟

5．3．5 改性硅润滑油组分间的结合能

5．4 改性烃润滑油的模拟研究

5．4．1 分散相模型的构建

5．4．2 改性烃润滑油的可混合性模拟

5．4．3 改性烃润滑油模型的构建

5．4．4 改性烃润滑油的MD模拟

5．4．5 改性硅润滑油组分间的结合能

5．5 结论

参考文献

第六章 结论

致谢

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