一种用于船舶闭式水润滑轴承的水基润滑液

技术领域

本发明属于润滑材料技术领域，具体涉及一种用于船舶闭式水润滑轴承的水基润滑液。

背景技术

水路运输是现代我国运输体系的重要组成部分，我国约90％的进出口货物量都需要依靠水路运输完成，因此船舶航行的可靠性对于整个水路运输系统具有极其重要的作用。艉管轴承是船舶推进系统的关键部件，用于支撑螺旋桨轴，其可靠性、稳定性、可维修性和使用寿命与船舶的航行密切相关。传统艉轴承使用润滑油进行润滑和冷却，但润滑油的泄露会污染航行水域。随着环境污染问题的日益严重，中国船级社发布了《绿色生态船舶规范》、交通运输部出台了《内河航运发展纲要》，都对艉轴承等船舶油水界面设备提出了环保要求。美国瑞安勃等先进材料公司近年来开始大力发展用于艉轴承的新型绿色润滑材料。

水是一种良好的润滑介质，无毒害且成本低，自然资源丰富，获取方便。水的粘度较低，只有油粘度的1/20～1/100，因此具有摩擦阻力小和摩擦系数低等优点。此外，水的比热容较高，还是一种良好的冷却剂。因此，船舶水润滑艉轴承被认为是解决船舶污染问题的重要技术手段。水润滑轴承又分为开式水润滑轴承和闭式水润滑轴承，前者直接使用航行环境中的水作润滑液，一般适用于水质洁净、不含泥沙的水域。而对于内河及沿海含泥沙水域的船舶，必须使用闭式水润滑轴承防止泥沙的侵入，使用的润滑液为船舶自身所携带的循环水。

然而，水的粘度较低，形成的水膜厚度只有油膜的1/3，因此承载能力有限，通常只有在高速或者轻载的工况下才能形成流体动压润滑。在水润滑轴承的低速重载工况下，很难形成稳定的润滑润滑膜，需加入增稠剂，增大水的体相粘度；但粘度过大又会导致闭式轴承的水循环系统泵送阻力过大，增加船舶能耗，因此需对其粘度进行合适的调控。其次，水润滑轴承通常采用聚氨酯、聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯等聚合物材料，与使用优质碳钢的油润滑轴承相比耐磨性较差，其在摩擦接触过程中易形成较为严重的磨损，需加入减摩抗磨添加剂，降低表面磨损。此外，所有加入的改性材料除必须在水中可以稳定分散外，其自身也必须是生物相容性和可降解性良好的绿色材料，以满足船舶航行的环保要求。因此，设计研发出合适的材料对水进行改性，是闭式水润滑轴承亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决传统水润滑轴承以纯水作润滑液的水膜承载能力不足和摩擦表面磨损严重的问题，本发明目的在于提供一种用于船舶闭式水润滑轴承的水基润滑液，通过引入纤维素类的稠化剂对水进行改性，使其具备更高的粘度和承载能力，同时又可以在摩擦表面进行填充修复，减小轴承的摩擦磨损。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种用于船舶闭式水润滑轴承的水基润滑液，由水、纤维素醚和纤维素纳米晶组成，纤维素醚与纤维素纳米晶的质量比为(5～10)：1，二者的质量之和占润滑液总质量的百分数为0.1％～5％；所述纤维素醚是纤维素羟基中的氢被烃基取代而成的纤维素醚类衍生物；所述纤维素纳米晶是纤维素去掉无定形区域而得到的刚性纳米粒子。

按上述方案，所述的纤维素醚为水溶性的烷基纤维素醚、羟烷基纤维素醚、羧烷基纤维素醚的一种或两种。

按上述方案，所述的纤维素醚具有以下分子结构：

结构式中3个羟基取代位的R为醚化取代基团或未被取代的H，取代度为0.8～1.1；所述醚化取代基团为C

按上述方案，所述的纤维素纳米晶具有以下分子结构：

其中，聚合度n为3000～20000。

相对于现有技术，本发明有益效果如下：

(1)与以往对水简单增稠的改性方法相比，本发明针对船舶闭式水润滑轴承的工作特点，利用纤维素醚将水的粘度调控至合适的范围，既提高水的承载能力，又不增大循环水的泵送压力。

(2)考虑到船舶艉轴处于重载的苛刻工况条件，而水的粘度又不能增大过多，因此除了使用纤维素醚增稠之外，还引入了纤维素纳米晶作为减摩抗磨添加剂作用于摩擦表面，从而由润滑体系的体相和表面两个方面同时进行改善增强。

(3)纤维素纳米晶由于自身与水不能相溶，且密度较大(约1.4g/cm

(4)本方法对水的改性，所加入的纤维素类材料具有良好的生物相容性和可降解性，二者互为协同，免去了其他化学类表面改性剂或添加剂，保证了该水基润滑液的环境友好性，满足船舶艉轴承的环保要求。

(5)本发明解决了传统水润滑轴承以纯水作润滑液的水膜承载能力不足和摩擦表面磨损严重的问题，可显著提升水润滑轴承的可靠性和使用寿命。同时，本发明的水基润滑液中的各个组分均为环境友好型材料，不仅有助于船舶水润滑艉轴承在长江等内河流域的应用，也有望推广至金属加工液或机床电主轴等其他水润滑领域。

附图说明

图1：实施例1纯水与水基润滑液的粘度-剪切速率曲线。

图2：实施例1纯水与水基润滑液的粘度-温度曲线。

图3：实施例1纯水与水基润滑液的摩擦系数-时间曲线。

图4：实施例1纯水和水基润滑液摩擦试验后聚合物轴承的磨损量和磨损面的粗糙度。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

具体实施方式提供了一种用于船舶闭式水润滑轴承的水基润滑液，由水、纤维素醚和纤维素纳米晶组成，纤维素醚与纤维素纳米晶的质量比为(5～10)：1，二者的质量之和占润滑液总质量的百分数为0.1％～5％；所述纤维素醚是纤维素羟基中的氢被烃基取代而成的纤维素醚类衍生物；所述纤维素纳米晶是纤维素去掉无定形区域而得到的刚性纳米粒子。

具体地，所述的纤维素醚为水溶性的烷基纤维素醚、羟烷基纤维素醚、羧烷基纤维素的一种或两种。所述的纤维素醚具有以下分子结构：

结构式中3个羟基取代位的R为醚化取代基团或未被取代的H，取代度为0.8～1.1；所述醚化取代基团为C

具体地，所述的纤维素纳米晶具有以下分子结构：

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其中，聚合度n为3000～20000。

实施例1：

将羟乙基纤维素(Ⅰ，醚化取代基团为C

水基润滑液的增稠效果由旋转流变仪进行测试。粘度随剪切速率的变化如图1所示，实验证实纯水为典型的牛顿流体，粘度不随剪切速率变化；而水基润滑液呈现明显的剪切变稀行为，在0.1～1000s

水基润滑液的减摩抗磨效果由摩擦试验机进行测试。为模拟船舶艉轴承的工作条件，摩擦副选用水润滑轴承常用的聚氨酯材料与黄铜对磨，比压设定为0.8MPa，转速250rpm，环境温度25℃，测试时长2h。摩擦系数随测试时间的变化如图3所示，水基润滑液比纯水的摩擦系数低37％。聚氨酯的磨损如图4所示，与纯水相比，使用水基润滑液可以是聚氨酯的磨损质量降低约60％，磨损面粗糙度降低约34％。

实施例2

本实施案例与实施案例1不同的是，羟乙基纤维素和纤维素纳米晶的质量比为9:1,其它步骤、试剂和参数与实施案例1相同。水基润滑液的增稠效果由旋转流变仪证实，减摩抗磨效果由摩擦试验机证实。

实施例3

本实施案例与实施案例1不同的是，羟乙基纤维素和纤维素纳米晶的总质量占水基润滑液的3％，其它步骤、试剂和参数与实施案例1相同。水基润滑液的增稠效果由旋转流变仪证实，减摩抗磨效果由摩擦试验机证实。

实施例4

本实施案例与实施案例1不同的是，羟乙基纤维素的取代度为0.8，其它步骤、试剂和参数与实施案例1相同。水基润滑液的增稠效果由旋转流变仪证实，减摩抗磨效果由摩擦试验机证实。

实施例5

本实施案例与实施案例1不同的是，所使用的纤维素醚为羟甲基纤维素(Ⅰ，醚化取代基团为CH

实施例6

本实施案例与实施案例1不同的是，所使用的纤维素醚为羧甲基纤维素(Ⅰ，醚化取代基团为CH

实施例7

本实施案例与实施案例1不同的是，所使用的纤维素醚为羟丙基甲基纤维素的混合醚(Ⅰ，醚化取代基团为C