随着社会的发展，润滑脂的需求量也越来越大。为此，在润滑脂的生产上，不仅要考虑其使用性能，而且还应当考虑经济性、环保性和可持续性。随着人们的环境保护意识日益增强，研发出高性能的“环境友好型”润滑脂是今后发展的方向。

碳酸钙的化学式为CaCO3，是一种白色固体，无味，是自然界中一种重要的无机化合物。在自然界中，碳酸钙主要存在于石灰石、方解石、大理石、白云石等矿产资源之中，其中以石灰石最多。根据生产方法的不同，碳酸钙可以分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙。

重质碳酸钙简称为重钙（GCC）。重钙以优质石灰石、方解石、大理石、白垩等为原料进行破碎和研磨（细粉碎和超细粉碎）加工直接得粉体。重钙粉体具有颗粒形状不规则、粒径分布较宽、粒径较大的特点。重钙的白度及晶形因原料的不同而有所差别，其粒度大小与粉体工艺设备有关，最细可达0.1μm。

轻质碳酸钙简称轻钙，又称沉淀碳酸钙（PCC）。它是以石灰石为原料，通过煅烧、消化、碳化生产的碳酸钙产品。它具有粒度细（初级粒径平均达到0.07μm）、白度高、晶形可调的特点。轻质碳酸钙分为普通轻质碳酸钙、活性轻质碳酸钙和纳米碳酸钙等3种类型。轻钙的晶体形貌多达几十种，常见的有纺锤形、立方形、针状形、链锁形、球形、片状形、无定形等7种晶形。

纳米碳酸钙是轻钙的一种，它是指碳酸钙粉体至少有一维粒度控制在1～100nm的碳酸钙分子聚合体，其粒子尺度处于团簇分子和宏观物体交替的过渡区域。单个的纳米碳酸钙原生粒子（也称一次粒子）用肉眼甚至用普通的光学显微镜都是无法看到的，必须使用高分辨率的电子显微镜才能看清楚其结构与形状。其粒径尺寸小、比表面积大，具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性，在磁性、催化剂、光热阻和熔点等方面表现出与普通轻钙所不同的物理化学性质。

用稠化剂稠化基础油制备的半流体状到固体状的润滑剂称为润滑脂。稠化剂、基础油和添加剂是润滑脂的三大主要组分，它们与润滑脂制备工艺条件同为决定和影响润滑脂性能的重要因素。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。

3.1作为钙类润滑脂稠化剂的原料

钙皂是钙类润滑脂的重要组成部分，碳酸钙是其基础原料之一。碳酸钙经过高温分解得到氧化钙，氧化钙再与水反应得到氢氧化钙（作为皂化剂），最后，氢氧化钙与脂肪酸发生皂化反应制得钙皂。由钙皂制备得到的钙类润滑脂具有良好的抗水性、胶体安定性、可泵送性等特点，在日常生活和生产中得到广泛应用。钙类润滑脂拥有不错的性能的同时，相比其他金属皂基润滑脂，生产成本更低。这主要是因为制备钙皂的原料碳酸钙，来源广泛，价格低廉。

3.1.1皂基稠化剂原料氢氧化钙

氢氧化钙（Ca(OH)2）是一种白色粉末状固体，俗称熟石灰，是非常重要的工业原料。在润滑脂的生产中，氢氧化钙被作为皂化剂使用。

在工业上，氢氧化钙由生石灰加水消化得到。生石灰是由碳酸钙（CaCO3）煅烧得到，其化学反应方程式为：

CaCO3=CaO+CO2↑（放热）。（1）

在得到生石灰之后，便可以制备氢氧化钙。生石灰同水作用生成氢氧化钙悬浮液的过程，称为生石灰的消化，俗称化灰。将生石灰与水按一定比例消化，生成氢氧化钙料液，经净化分离除渣，再经离心脱水，于较高温度下干燥，再筛选可获得氢氧化钙成品。其化学反应方程式为：

CaO+H2O=Ca(OH)2。（2）

在润滑脂的生产上，活性好的氢氧化钙能更好地与脂肪酸发生皂化反应生成稠化剂。

3.1.2钙皂的应用

钙皂由氢氧化钙与脂肪酸或脂肪（在部分基础油中）反应生成，起到稠化基础油的作用。稠化剂是润滑脂的重要组分，很大程度地影响着润滑脂的性能。根据原料和工艺的不同，钙皂可以应用于钙基润滑脂、无水钙基润滑脂、复合钙基润滑脂、混合钙基润滑脂和复合磺酸钙基润滑脂等多种润滑脂的制备。

3.1.2.1钙基润滑脂、无水钙基润滑脂

钙基润滑脂由钙皂稠化基础油而得，具有良好的润滑性、抗水性、胶体安定性，在我国被广泛使用。制备钙基润滑脂，要对钙皂进行水化，与水形成水化物。钙皂只有在水化物的状态下，才能在基础油中形成高度分散的纤维。钙基润滑脂中含有结合水作稳定剂，当温度较高时，水分会蒸发损失，脂的结构会遭到破坏而失去润滑作用。因此，钙基润滑脂的耐温性比较差。

无水钙基润滑脂由12-羟基硬脂酸钙稠化基础油而得。它不含水，最高使用温度比钙基润滑脂要高；抗水性和机械安定性比混合钙基润滑脂好；也不存在复合钙基润滑脂的硬化问题；且制备工艺较为简便和成本更低。无水钙基润滑脂被广泛应用于严寒区车辆的润滑和食品机械的润滑。

3.1.2.2复合钙基、锂-钙基、聚脲-乙酸钙基、聚脲-乙酸钙/碳酸钙基、钙-铅基润滑脂

复合钙皂由脂肪酸钙和低分子酸钙复合而成，是复合皂中最早产生的一种皂基。与之对应的复合钙基润滑脂由复合钙皂稠化基础油而得，具有滴点高、极压性好、机械安定性好、使用温度范围宽等优点。复合钙基润滑脂拥有十分优异的综合性能，某些方面甚至优于复合锂基润滑脂，很有发展前景。

复合锂-钙基润滑脂是在制备复合锂基润滑脂时引入脂肪酸钙皂而制得复合锂-钙基润滑脂。目前有两种不同组分的复合锂-钙基润滑脂。一类是12-羟基硬脂酸与有机二元酸制备的复合锂-钙基润滑脂；另一类是12-羟基硬脂酸与有机二元酸、无机酸制备的复合锂-钙基润滑脂。与混合锂-钙基润滑脂不同，复合锂-钙基润滑脂中的钙皂不是独立存在，而是与其他成分形成了共晶体，符合美国润滑脂学会关于复合皂的定义。复合锂-钙基润滑脂的结构与复合锂基润滑脂相似，但其使用性能得到了提高。

聚脲-乙酸钙复合润滑脂是第一个工业上应用的复合聚脲润滑脂，它是由聚脲和乙酸钙制成。在预制好聚脲稠化剂后，将氢氧化钙与乙酸反应，制

成聚脲-乙酸钙复合稠化剂，并以此稠化基础油制成聚脲-乙酸钙复合润滑脂。其具有良好的极压抗磨性能，且滴点高。此外，它还具有低剪切条件下软化、高剪切条件下又返回到原来的稠度的特点，特别适用泵送系统末端的工作设备润滑要求。

聚脲-乙酸钙和碳酸钙（超细活性粉体）混合形成复合稠化剂。这种稠化剂对低剪切力下的软化或高剪切力下的硬化，具有良好的抑制性能，并能制成低温性能良好的润滑脂。将其稠化基础油，可制成复合钙基润滑脂，该脂具有良好的极压性能和高温性能。

复合钙-铅基润滑脂采用乙酸钙和脂肪酸制备的复合钙-铅皂稠化中等黏度的矿物润滑油并添加添加剂制成，具有良好的耐热性、抗水性、机械安定性和极压性，并具有良好的泵送性。

3.1.2.3钙-钠基、合成钙-钠基、锂-钙基润滑脂

混合皂基润滑脂是指在润滑脂内包含两种以上的金属皂类稠化剂，另一种皂基的加入通常是为了改善脂的某种性能。钙皂由于原料易得、物美价廉，为提高润滑脂的性能，常与其他金属皂基混合得到混合钙皂，如（合成）钙-钠、锂-钙。

钙-钠基润滑脂是一类比较普遍的混合脂，它兼具钙基润滑脂和钠基润滑脂的性能。钙皂作为主皂，钙-钠基润滑脂的结构和性质与钙基润滑脂相似，但钠皂的加入，起到了改善某种性能的效果。例如，钙基润滑脂滴点低、抗水性好；钠基润滑脂滴点高、抗水性差，但钙-钠基润滑脂同时具有钙基润滑脂的优良抗水性和钠基润滑脂的良好耐温性。钙-钠基润滑脂（SH/T0368—92）由脂肪酸钙-钠皂稠化矿物油制得。它具有一般钙-钠基润滑脂的通性，滴点高于钙基润滑脂，抗水性优于钠基润滑脂，适用于各种滚珠轴承的润滑。

合成钙-钠基润滑脂是采用合成脂肪酸钙-钠皂稠化基础油而制成。在合成脂肪酸钙-钠基配方中，氢氧化钙与氢氧化钠的比例通常与天然脂肪酸钙-钠基润滑脂相同。因为使用温度要求不同，所以润滑脂组分中氢氧化钙与氢氧化钠的比例可以允许在0.8～1.1范围内变化。

锂-钙基润滑脂从结晶角度来说，它不是简单的机械混合物，而是具有一种混晶结构的锂基润滑脂。可以认为：是在制备过程中，钙皂分子进入锂皂纤维内部，有可能发生部分钙离子取代锂离子，形成以锂皂晶体为骨干、钙离子填补的混晶。此外，晶体的角、棱等极性基团外露部分已被钙皂占据，可阻止水分子的侵入。因为锂-钙皂是一种混晶，通常会出现一个钙离子拖曳两个负离子，所以，可导致纤维变得不整齐，但仍可保持锂皂纤维的基本形状的尺寸。混合基润滑脂既保留锂基润滑脂的高熔点与高机械剪切安定性，又拥有了钙基润滑脂的良好抗水性和胶体安定性。

3.1.2.4复合磺酸钙基润滑脂

制备复合磺酸钙基润滑脂基础脂的原料包括基础油、高碱值磺酸钙、转化剂、脂肪酸、硼酸、石灰或氢氧化钙或碳酸钙和水。其中，高碱值磺酸钙是其主要原料，它是在促进剂的存在下，先由磺酸与过量的氧化钙或氢氧化钙反应，再通入二氧化碳进行反应得到。

以高碱值磺酸钙为原料，在转化剂的作用下，将牛顿体高碱值磺酸钙转化为非牛顿体高碱值磺酸钙，然后加入基础油、热水与硼酸的混合物、石灰或氢氧化钙悬浮液和脂肪酸反应，即可得到复合磺酸钙基润滑脂。非牛顿体高碱值磺酸钙及其方解石碳酸钙颗粒以及反应得到的硼酸钙和脂肪酸钙是复合磺酸钙基润滑脂的主要组成，它们影响着整个润滑脂体系的性质。制备出来的复合磺酸钙基润滑脂具有优良的高低温性能、机械安定性、抗水性以及突出的抗磨性和防锈性等优点。

3.2作为润滑脂添加剂

润滑脂添加剂是指添加到润滑脂中可以改进其使用性能的物质，它可以提高润滑脂本身具有的性质或增加其原来不具有的性质。纳米材料科学技术的兴起，人们对润滑添加剂的研究逐渐由传统常规材料转向纳米材料，新型纳米润滑添加剂也进入了大家的视野。作为润滑脂添加剂的纳米材料，主要包括单质类、氧化物类、硫化物类和无机盐类。单质类包括铜、铝、铋、石墨烯等；氧化物类包括氧化铝、氧化镁、二氧化硅等；硫化物包括二硫化钨、二硫化钼等；无机盐类包括硅酸盐、碳酸钙等。目前应用于润滑添加剂的纳米材料种类较为丰富，它们能够在润滑脂中发挥抗磨、减摩、抗极压等优异的性能。

人们在追求更好的润滑性能的同时，也在迫切研发环境友好型润滑脂。因此，纳米材料在作为润滑脂添加剂时，不仅要考虑其摩擦学性能，还应考虑其对环境的影响。对于润滑脂纳米添加剂，可以选择绿色可降解的纳米材料替代一些含有磷、硫或者重金属等对环境有害的元素的纳米材料。在众多纳米材料中，纳米碳酸钙具有成本较低、对环境友好、摩擦学性能良好的优点，适合作为润滑脂添加剂使用。目前，纳米碳酸钙在润滑脂中的应用研究已取得一定的成果，众多试验结果也表明，纳米碳酸钙可以提高润滑脂的使用性能。

3.2.1作用机理

纳米碳酸钙作为添加剂加入润滑脂中，发挥了良好的摩擦学性能。纳米碳酸钙之所以在脂中具有良好的抗磨减摩性能，主要是因为在摩擦表面起了滚动、形成保护膜、表面修复和化学反应等的作用。

1）滚动效应。纳米碳酸钙可以填充在摩擦副之间，避免摩擦表面的直接接触，摩擦方式由滑动摩擦变为滚动摩擦或者滑动-滚动混合摩擦。碳酸钙微粒在摩擦副之间发挥着“滚动轴承”的效应，增强了润滑脂的抗磨减摩性能。如果纳米碳酸钙粒子的形状为球形，摩擦阻力更小，可以更好地发挥滚动效应。

2）形成保护膜效应。纳米碳酸钙可以通过吸附摩擦表面的方式，在摩擦表面形成一层具有良好摩擦学性能的润滑保护膜。该保护膜粘附在摩擦表面，有效地避免了摩擦表面之间的直接接触，可以在一定程度上减少磨损，增强了润滑脂的抗磨性能。碳酸钙的晶型会影响保护膜的生成，层状结构的方解石晶型碳酸钙可以在摩擦表面形成较厚的保护膜，而不定形碳酸钙相对不易在摩擦表面吸附，难以形成较厚的保护膜。

3）表面修复效应。纳米碳酸钙可以通过沉积的方式，填充到摩擦表面的缺陷或磨损之处，起到修复摩擦表面的作用。纳米碳酸钙能否起到表面修复的作用，还要看碳酸钙微粒的尺寸是否要比摩擦表面缺陷的尺寸小，如果碳酸钙微粒尺寸更大，则无法沉积到缺陷处，而是起到“滚动轴承”的作用。

4）化学反应。摩擦是一个产热升温的过程，随着摩擦的进行，润滑脂中的部分纳米碳酸钙会在摩擦、高温、压力等因素的共同作用下发生分解，并且与其他物质在摩擦表面形成保护膜。邱孙青等在探讨碳酸钙纳米粒子作为润滑油添加剂的抗磨机理时认为，磨斑表面同时含有CaCO3和CaO，可以形成保护膜并起到抗磨作用。尹继辉等在研究纳米碳酸钙对复合钛基润滑脂摩擦学性能的影响时发现，钢球磨斑表面形成了一层由CaO、TiO2、Fe2O3和FeO等无机化合物组成的多孔状保护膜。多孔状保护膜与润滑脂油膜的共同作用，能够有效避免摩擦副表面的直接接触，减少摩擦和磨损。

3.2.2研究现状

覃玲意等以大分子改性剂ABM对碳酸钙晶须进行改性，得到晶粒分布更加均匀的纳米碳酸钙，并以其为添加剂，研发了一种复合磺酸钙基润滑脂。该脂各方面性能均有不同程度的提升，同时解决了抗硬化老化和耐高温性的技术问题。该改性纳米碳酸钙表面有性能稳定的碳氧键，在高温热老化过程中可以保护脂的其他化学键，从而减缓脂的老化速度以及提升脂的耐高温性能。

曹文通过使用纳米碳酸钙，发明了一种防水型复合磺酸钙基润滑脂。纳米碳酸钙的加入，增加了脂的表面致密度。具体防水形式表现为：当水与脂接触时，会从表面滑落，从而避免了水与脂相融合。冯克权等利用纳米碳酸钙作为组分，研制了一种复合磺酸钙基润滑脂，其中纳米碳酸钙质量分数为1%～10%，经分析，纳米碳酸钙的应用，提高了脂的热稳定性和极压抗磨性能。

王勐以脂肪酸对纳米碳酸钙进行表面改性处理，并将改性后的纳米碳酸钙以3%的质量分数添加到复合钛基润滑脂。使用高温摩擦磨损试验机对该脂进行试验，发现纳米碳酸钙复合钛基润滑脂在各种温度（常温、100℃、200℃、250℃)下都有非常好的减摩效果，特别在250℃时，摩擦系数降低了25.9%。纳米碳酸钙的加入，使脂在各个温度水平的摩擦系数非常稳定，没有发生大的跳动。

尹继辉等使用四球摩擦磨损试验机研究纳米碳酸钙作为复合钛基润滑脂添加剂的摩擦磨损性能。通过观察钢球的磨斑表面形貌，发现纳米碳酸钙作为复合钛基润滑脂的添加剂具有显著效果。其中，纳米碳酸钙质量分数为3%时，抗磨减摩效果最佳。与纯钛基润滑脂相比，含纳米碳酸钙的复合钛基润滑脂使平均摩擦因数降低了14.9%，磨斑直径降低了35.1%。

王先会等以通用锂基润滑脂为基础、改性纳米碳酸钙和亲油性纳米铜粉作为主要减磨添加剂、并复配具有减磨、防腐、抗氧等其他添加剂，研制一种具有高减磨性以及优良的抗氧化、防腐蚀性的锂基润滑脂组合物。将具有高分散性的纳米碳酸钙与纳米铜粉复合应用到该润滑脂，可以提高纳米固体材料在润滑脂中的分散性，从而提高润滑脂在摩擦副中的减磨性能。

3.3作为润滑脂增容增重填充剂

在润滑脂的生产中，也会应用到填充剂，它们是非油溶性的固体添加物，大多是一些有润滑作用和增强密封性和防护性效果的非油溶性的固体粉末。其中，大部分润滑脂填充剂本身具有固体润滑剂的作用，加入润滑脂中可以提高润滑脂的润滑性能。润滑脂常用的填充剂有石墨、二硫化钼、氧化锌、二氧化钛、一氧化铅、氮化硼等，它们的加入可以在脂中起到补强的作用，提高抗水性和流失性，增强密封性和防护性等。

碳酸钙粉体因其绿色无毒、价格低廉，在工业上被广泛应用，特别是在塑料、橡胶、涂料等行业作为填充剂使用。相比上述产品的原料（树脂、炭黑及白炭黑、钛白粉），使用碳酸钙作为填充剂，成本要更低。随着碳酸钙的粒径细化、晶形可控、表面改性等的发展，碳酸钙作为填充剂，可以实现由普通的增容增重材料发展到功能性增强材料，使产品的质量得到提升。

以作为润滑脂添加剂为研究基础，碳酸钙要成为润滑脂增容增重的填充剂，有以下几点需要考虑：

1）表面改性。碳酸钙是一种极性无机物，表面亲水疏油，与油的亲和性差，并具有团聚性。基础油是润滑脂中质量占比最多的组分，为增强与油的亲和性，碳酸钙在作为润滑脂的填充剂前，应需要进行表面改性。

2）粒径超细化。纳米材料具有独特的优异性能，如今已有不少学者对其应用于润滑脂进行研究。纳米微粒可以作为润滑脂添加剂，主要是有以下3点优势：一是纳米微粒的扩散和自扩散能力强，可以更好地在金属摩擦表面形成良好的渗透层或扩散层，达到抗磨效果；二是粒径小的微粒在外形上近似球形，在摩擦表面发挥类似“滚动轴承”的作用，改变摩擦副的润滑方式，达到降低摩擦系数的效果；三是微粒可对摩擦表面进行抛光和强化，支撑外界负荷，提高润滑脂的承载能力。

3）碳酸钙的晶体形貌。对碳酸钙来说，晶形是非常重要的技术指标，决定了用途。碳酸钙在作为润滑脂的填料时，也要选择合适的晶形。目前，碳酸钙在润滑领域的应用中，其形貌主要有立方形、球形和不定形。

碳酸钙作为润滑脂的填充剂，具有绿色和价廉的优势。在不影响润滑脂性能的前提下，以碳酸钙对润滑脂增容增重，可以减少润滑脂原料的使用，有利于环境的保护以及降低生产成本。