泡沫之困：润滑油的隐藏危机
日常工作中常遇到润滑油的气泡和泡沫问题，这看似不起眼的现象，却会带来一系列严重危害，对设备的正常运行和使用寿命构成极大威胁。气泡和泡沫会加速润滑油氧化变质。它们使油液与空气的接触面积大幅增加，促进氧化反应的进行，导致润滑油的粘度、酸值等性能指标发生不良变化，降低其润滑性能，缩短使用寿命。同时，氧化过程还会加速添加剂的消耗，使润滑油逐渐失去应有的保护作用，如抗磨、防锈等性能大打折扣。
在散热方面，气泡和泡沫的存在会严重影响润滑油的散热效果。润滑油的比热容和导热系数远高于空气，而泡沫中含有大量空气，会降低油液的整体导热能力。设备运行时产生的热量无法及时通过润滑油散发出去，导致机器温度过高，不仅会影响设备的运行精度，还可能使润滑油因高温而进一步劣化，形成恶性循环。
更严重的是，气泡和泡沫会破坏润滑油膜的完整性。油膜是保证设备各摩擦副之间良好润滑的关键，一旦油膜被气泡割裂或稀释，就无法形成连续、稳定的润滑层，导致零部件之间直接接触产生摩擦磨损。长期如此，会使设备的精度下降、效率降低，甚至引发严重的故障和事故。
气蚀现象也是气泡和泡沫带来的一大危害。当润滑油中存在气泡时，在高压作用下，气泡会迅速破灭，产生强烈的冲击波和微射流。这些冲击力不断作用在金属表面，会使金属表面逐渐出现微小的凹坑和裂纹，随着时间的推移，这些损伤会不断扩大，导致金属表面剥落、设备失效。例如，在液压系统中，油泵吸油口如果产生气泡，随着油液进入高压区，气泡破灭产生的气蚀会严重损坏油泵的叶片和泵体，降低油泵的使用寿命和工作效率。
曾有一家汽车制造工厂的冲压设备液压系统出现异常。设备在运行过程中，液压油温度持续升高，且出现了明显的振动和噪音。维修人员检查发现，液压油中含有大量泡沫。进一步分析得知，由于油箱设计不合理，回油管路直接将油液冲入油箱，带入了大量空气，形成的泡沫破坏了液压油膜，导致液压泵和液压缸等部件出现严重磨损。同时，泡沫引发的气蚀现象使得液压泵的叶片表面出现了许多细小的麻点，严重影响了液压系统的正常工作。这次故障导致生产线停机三天，造成了巨大的经济损失。
还有一家化工厂的反应釜搅拌系统，因润滑油受到污染混入了水分和杂质，导致油中产生大量稳定泡沫。这些泡沫使得搅拌轴与轴承之间的润滑不良，产生了严重的磨损，同时泡沫带来的气蚀作用还损坏了轴承的滚道和滚动体。最终，搅拌系统无法正常运转，反应釜被迫停止工作，影响了生产进度。
此类例子众多，气泡和泡沫给工业生产造成的损失巨大。因此，解决润滑油中的气泡和泡沫问题，是润滑工程师们关注的重点。然而，在与业主、设备厂家及油品厂家技术人员反复交流时我们发现，大家的关注点主要集中在消泡剂，极少会从泡沫形成机理上去分析研究影响气泡及泡沫的根本因素。
润滑油起泡是一种看似复杂的现象，通常被认为仅仅是油层表面的气泡。然而，经验丰富的润滑工程师和摩擦学家深知起泡对润滑油性能和设备可靠性构成的关键威胁。在本文中，我们深入探讨了泡沫形成的机制、其不利影响、标准化测试方法、消泡添加剂技术以及如何有效解决这一普遍存在的行业挑战的可行解决方案。
为了有效控制润滑油起泡，区分泡沫特性和空气释放特性至关重要。空气释放是指润滑油快速分离并释放夹带气泡的能力，从而保持油的完整性。而泡沫的形成则涉及油表面气泡的稳定。想象一下一瓶啤酒——啤酒中的气泡代表空气释放行为，而啤酒顶部的泡沫则象征着润滑油起泡（见图1）。
如果你是一滴油，从涡轮轴承流经回油管，回到油箱，就会看到这样的景象。周围那些明亮闪烁的光芒其实是气泡。如果汽轮机油的抗起泡性能较差，很容易就能看出泡沫的形成！
润滑油由基础油和添加剂组成，基础油决定其基本性能，添加剂则用于改善某些特性。纯净的基础油因分子结构均匀、表面张力大，不易产生泡沫。但加入添加剂或受到污染后，情况就会改变。除少数例外，油中极性添加剂（例如抗磨剂、极压剂、分散剂等）以及混入的水分、杂质等，会降低油的表面张力，使空气更易形成气泡。越多，起泡问题通常就越多。
从物理学角度看，油液界面张力与气泡的大小和稳定性密切相关。液体界面张力越小，气泡形成时阻力越小，气泡就越小，且相互作用力大，易聚集形成稳定泡沫；反之，界面张力越大，气泡形成阻力大、体积大，相互作用力小，泡沫不稳定，易破裂。就像肥皂水表面张力小，能吹出小而稳定的泡泡；清水表面张力大，难吹泡泡且泡泡易破。同理，润滑油界面张力越小，越易产生小而稳定的气泡和泡沫；界面张力越大，越不易产生，即便产生也会很快消失。油中的水污染会降低界面张力，进而导致空气夹带和起泡问题。仅200 ppm的水就足以在许多油中形成稳定的泡沫。
此外，度越高，气泡越小，空气释放时间越长（斯托克斯定律），油中能容纳的空气量也就越大。气泡尺寸加倍，油浮到表面所需的时间就缩短至原来的四分之一。泡沫大小与粘度成反比。低粘度油品容易产生较大的泡沫，这些泡沫会迅速破裂和崩塌。高粘度油品产生的泡沫较小，不易破裂，因此泡沫更稳定（持续时间更长），这也是为什么很多齿轮箱中存在很多泡沫的重要原因之一。而低粘度油品（ISO VG10 至 32）在冷启动温度（-10°C 至 10°C）下起泡倾向最强。相反，高粘度油品（ISO VG460 至1,000）在工作温度（30°C 至 60°C）下起泡倾向最强。对于粘度在ISO VG32 至 1,000 范围内的油，在100°C 以上时起泡倾向并不常见。
泡沫是气体分散在液体中的分散体系，气泡被液膜分隔。形成气泡需要做功，当气体被搅入油品时，会形成新的气 - 液界面，形成单位面积新界面所需的能量就是油品的表面张力（对于油 - 气界面）。油品表面张力越低，形成新气泡所需能量越小，在同样搅拌、混合或湍流条件下，越容易产生大量细小气泡，即起泡倾向更高。
2. 泡沫稳定性（持久性）
泡沫稳定性关键在于分隔气泡的液膜能否抵抗破裂，液膜破裂主要有液膜变薄（排液）和液膜破裂（Marangoni 效应、Gibbs 弹性等机制失效）两个过程。低界面张力通过 Gibbs-Marangoni 效应促进液膜稳定性，当液膜受扰动局部拉伸变薄时，该处表面积增大，表面活性物质浓度降低，局部表面张力瞬时升高，由于表面张力梯度存在，周围液体自发流向高张力区域，修复变薄液膜，阻止其破裂，稳定泡沫。
同时，低界面张力本身虽不能直接阻止液膜排液，但能使液膜在受扰动时产生足够强的 Marangoni 回流效应自救，且降低界面张力的物质会在界面形成有一定粘弹性的吸附膜，抵抗变形和破裂，增强泡沫稳定性。
由此可见，界面张力是油中气泡 / 泡沫产生的根本原因，它决定着气泡的大小和稳定性，进而影响润滑油的泡沫特性。要解决相关问题，需从控制界面张力入手。
大多数第三方实验室通过以下三个测试之一来确定油品分析中的起泡趋势和稳定性：
1. ASTM D892（或GB/T 12579）
该测试于20世纪中期开发。它测量起泡趋势和泡沫稳定性，分三个阶段进行：24°C、93.5°C，然后再次回到24°C。在每个阶段，将空气吹入油中5分钟，然后立即测量泡沫（起泡趋势），并在10分钟后再次测量泡沫（泡沫稳定性）。结果以毫升为单位，并根据每个序列的趋势/稳定性进行区分。例如，450/0 表示初始产生 450 毫升泡沫（趋势），10 分钟后剩余 0 毫升泡沫（稳定性）。国内主要都是采用该测试方法来测量油品的泡沫特性。但该测试方法极易受到气体扩散头的影响。
有关气体扩散头对泡沫特性的影响请参考本公众号“知识分享”栏中的《【好文分享】气体扩散头对润滑油泡沫特性测定结果的影响》一文。
2. ASTM D6082：高温发泡特性
该测试方法专为测量较高工作环境下的泡沫而开发，因为测试在 150°C 下进行。该测试的解读方式与ASTM D892 类似。第一个值表示泡沫趋势，以毫升为单位，在吹气 5 分钟后测量；第二个值表示泡沫稳定性，同样以毫升为单位，在静置 10 分钟后测量。该测试方法国内较少采用。
3. 弗兰德泡沫测试，ISO 12152:2002
弗兰德泡沫测试模拟弗兰德齿轮箱的工况，测量润滑油在高温机械应力下的起泡行为（起泡性和稳定性）。测试中，润滑油在专用齿轮试验台中承受压力，温度为90°C，持续5小时，齿轮转速为1,450 rpm。它通常用于ISO VG 150 至 320工业齿轮油。结果通常报告为泡沫形成高度（毫米）、泡沫消散时间（秒）、空气夹带（目测/主观）以及溢流或油损（通过/未通过）。国际上风电行业的主齿轮箱泡沫特性较多采用此标准。
有关泡沫特性的测试方法及差异请参考本公众号“知识分享”栏中的《你知道泡沫特性检测有“静态”和“动态”之分吗？》一文。
由于气泡膜表面吸附了表面活性剂，表面张力降低。因此，当气泡膜因局部压力而局部变薄时，由于表面活性剂变薄，表面张力会增大。正是由于新表面与原表面的表面张力差异，使得气泡膜在受到外界冲击而变薄时，会产生弹性恢复力，使气泡膜不会破裂，起到稳定气泡的作用。如果破坏了这种弹性，就会破坏泡沫的稳定性。有专家认为，消泡剂的作用就是破坏气泡膜的弹性。当消泡剂加入到泡沫体系中后，它会扩散到气液界面，使稳泡表面活性剂难以恢复气泡膜的弹性。
常见的抗泡剂有有机硅型、非硅型和复合抗泡剂。有机硅型主要成分是聚硅氧烷（硅油），常用聚二甲基硅油，无臭无味，在润滑油和水中溶解度小，热稳定性好、凝固点低、黏温性能佳、挥发性低、型号多，适用于多种发泡体系。但要注意的是硅油是直链状结构，是由无机物的硅氧键（Si-O）和有机物（R）组成。当R为甲基时，该化合物称甲基硅油，也就是目前所应用的主要抗泡剂；若R是乙基、丙基时，该化合物会变成乙基或丙基硅油，因逐渐丧失了甲基硅油的特性而接近有机物，表面张力也逐渐增大，从而丧失了抗泡能力。因此硅基在润滑油中，只有处于不溶状态时，才具有抗泡性，若处于溶解状态，不但无抗泡作用，反而会起发泡剂作用。硅基抗泡剂粒径一般为5~7μm，任何高于5μm过滤精度的常规过滤器均有极大可能过滤掉该消泡剂。
非硅型多为聚合物，以丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的均聚物或共聚物为主，效果不如硅油，加剂量大，但对油品空气释放值影响小，在油品中不易析出，抗泡持久性好，对调和工艺要求低。复合抗泡剂则平衡了前两者的优缺点，由两者按适当比例组成，能取长补短。
但抗泡剂也有局限性。它主要处理已形成的表面泡沫，对润滑油内部微小气泡作用不佳。其使用效果还受油品组成、使用环境等多种因素影响，不同类型抗泡剂在不同油品体系中消泡性能差异大。有时，抗泡剂可能与其他添加剂相互作用，影响油品整体性能，且添加量需严格控制，过多或过少都可能达不到预期效果。例如，在某些精密液压系统中，过量添加有机硅型抗泡剂可能会导致油液的空气释放值变差，影响系统的响应速度。
抗泡剂和提高界面张力，一个是控制泡沫的常规武器，一个是影响泡沫的根本解决方式，在解决润滑油气泡和泡沫问题上各有特点，两者的差异值得深入对比。
抗泡剂的显著优势是快速消泡。当润滑油出现大量泡沫时，它能通过降低表面张力、扩张和渗透等作用，快速破坏泡沫结构，使泡沫破裂，有效控制泡沫产生和积累，保证润滑油正常使用。比如在液压系统、润滑系统等对泡沫敏感的工业设备中，加入抗泡剂后能短时间看到明显消泡效果，确保设备稳定运行。在一些紧急情况下，如设备突然出现大量泡沫危及运行时，抗泡剂能起到立竿见影的作用。
但抗泡剂是治标之法，能短期解决泡沫问题，它主要处理已形成的表面泡沫，对润滑油内部微小气泡作用不佳。这些微小气泡在油液循环过程中，可能会随着压力和温度的变化再次形成泡沫，导致问题反复出现。其使用效果还受多种因素影响，如油品的类型、工作温度、压力等，不同类型抗泡剂在不同油品体系中消泡性能差异大。而且，抗泡剂可能与其他添加剂相互作用，影响油品整体性能，如某些抗泡剂可能会降低润滑油的极压抗磨性能。此外，抗泡剂的添加量需严格控制，过多或过少都可能达不到预期效果，过多可能导致油液产生其他不良现象，过少则无法有效消泡。抗泡剂本身也是一种牺牲剂，随着时间的消耗会逐步减少直至全部消耗殆尽。
而提高界面张力是治本之策，从根本上解决问题。如前所述，界面张力是油中气泡 / 泡沫产生的根本原因，提高界面张力能增加气泡形成阻力，使气泡难以形成，即便形成也不易聚集形成稳定泡沫，能有效减少泡沫产生，从源头上解决泡沫对润滑油性能和设备运行的影响，更为彻底。通过提高界面张力，不仅能减少泡沫的产生，还能改善油液的其他性能，如提高油膜的强度和稳定性，减少设备的磨损。这种方法的效果更为持久，一旦界面张力得到有效提高，只要油液不受到新的污染或劣化，泡沫问题就能得到长期的控制。
抗泡剂就像消防员，火灾发生时（泡沫出现时）能迅速灭火（消泡），但火灾根源（界面张力低）未消除，条件合适可能再次发生；而提高界面张力则像改善建筑物防火性能（从根本上改善泡沫特性），从源头上降低火灾发生可能性（减少泡沫产生）。实际应用中，应根据具体情况综合考虑两者作用，采取有效措施解决问题。在一些对泡沫问题要求不高、需要快速解决的场合，可以优先使用抗泡剂；而在一些对泡沫问题要求严格、希望长期稳定解决的场合，则应着重考虑提高界面张力的方法。
提高界面张力的方法多种多样，包括优化基础油的选择、控制添加剂的种类和用量、加强油品的净化和管理等。
优化基础油的选择是提高界面张力的重要途径。不同类型的基础油具有不同的表面张力，一般来说，精炼深度高的基础油，其极性物质含量少，表面张力相对较高，天然抗泡性好。因此，在配制润滑油时，应根据设备的使用要求和泡沫控制目标，选择合适精炼深度的基础油。例如，在对泡沫性能要求较高的高速透平机中，通常会选用精炼深度高的加氢基础油。
控制添加剂的种类和用量也能有效提高界面张力。添加剂中的一些极性成分会降低油的表面张力，因此在选择和使用添加剂时，应充分考虑其对界面张力的影响。可以优先选择对界面张力影响较小的添加剂，或者通过调整添加剂的用量，在满足其他性能要求的前提下，尽量减少对界面张力的降低作用。同时，还可以采用添加剂复配技术，通过不同添加剂之间的协同作用，在保证润滑油其他性能的同时，提高界面张力。
加强油品的净化和管理也是提高界面张力的重要措施。在油品的贮存、运输和使用过程中，应防止水分、杂质、其他油类或化学物质等污染物混入。这些污染物往往会降低油的表面张力，增加泡沫产生的可能性。可以通过定期过滤、脱水等净化手段，去除油中的污染物，保持油的清洁度，从而提高界面张力。此外，还应建立完善的油品管理制度，定期对油品的性能进行检测，及时发现和处理油品劣化、污染等问题。
新型纳米级过滤能通过去除降低界面张力的物质来间接提升油品的界面张力，从而显著改善泡沫性能（减少起泡倾向，加速泡沫消退）。新型纳米全效精滤作为一种先进的纳米级过滤方式，在提高界面张力方面表现突出， 例如某国内知名燃煤电厂汽轮机DEH系统EH油泡沫特性超标，在经过集亿思“啄木鸟”GP3000新型纳米全效精滤系统处理后，界面张力从过滤前的 7.6mN/m 大幅提升到了过滤后的 23.1mN/m；与此同时，其泡沫特性（GB/T 12579标准）也得到了显著改善，从过滤前的 420/0ml、10/0ml、410/60ml改善为滤后的 20/0ml、10/0ml、30/0ml，同时空气释放性在滤后也没有明显上升。这组数据有力地证明了新型纳米全效精滤在提高界面张力和改善泡沫特性上的显著效果。新型纳米全效精滤是如何工作的呢？
1. 核心机制：移除 “罪魁祸首”
目标物质：新型纳米全效精滤主要去除油品中的胶质、沥青质、氧化副产物（如有机酸、醛、酮）、部分添加剂降解物、漆膜、细菌、亚微米固体颗粒杂质等。
这些物质的危害：它们大多是表面活性物质或极性化合物；会强烈吸附在油 - 气界面，显著降低油品的表面张力（油 - 气界面张力）；能在界面形成有一定强度和弹性的吸附膜，阻碍气泡合并和液膜破裂，稳定泡沫。
过滤的作用：新型纳米全效精滤通过范德华力物理过滤和化学键合吸附原理，可有效去除这些微小的、起泡的极性物质和杂质；移除这些 “表面活性剂” 后，油品（主要是基础油成分）的表面张力会升高，趋近于纯净状态下的较高值；同时，移除这些物质也破坏了气泡液膜上具有稳定作用的吸附层结构。
2. 如何改善泡沫性能？
降低起泡倾向：更高的表面张力意味着形成新气泡需要更多能量，在同样搅动条件下，过滤后的油品产生泡沫的数量会大幅减少，就像之前电厂案例中泡沫特性的显著变好，气泡平均尺寸可能变大。
加速泡沫破灭（提高消泡性）：移除表面活性物质后，液膜局部变薄时产生的表面张力梯度变弱或消失，缺乏 Marangoni 回流修复液膜，液膜更易破裂；移除形成吸附膜的物质，气泡液膜机械强度下降，更易被破坏；有助于液膜液体更快排出，加速气泡合并和破灭，更主要的是液膜稳定性本身的下降使排液过程更易导致最终破裂；亚微米级的固体颗粒杂质有时会成为泡沫的稳定 “支架”，过滤掉它们也有助于泡沫破灭，案例中泡沫特性的改善也印证了这一点。
3. 效果与优势
显著改善泡沫特性：如上述案例所示，对于因氧化劣化、污染或添加剂降解导致泡沫问题严重的在用油或再生基础油，新型纳米全效精滤能有效降低泡沫体积和稳定性（泡沫寿命）。
“治本” 方法：与添加抗泡剂（“治标”）不同，新型纳米全效精滤是从根本上移除导致问题的物质，效果通常更持久（只要油品不再被污染或严重氧化）。
提升油品整体质量：除改善泡沫，新型纳米全效精滤还能移除酸性物质（减缓腐蚀），降低酸值、亚微米级的固体颗粒（减少三体磨损）、部分饱和气体、水分、漆膜、部分氧化产物（提升氧化安定性）等，带来多重效益。
适用于特定场景：尤其适用于高端润滑油 / 特种油的再生精制、对泡沫性能要求极其苛刻的应用（如高速透平油、液压油、压缩机油、齿轮油）、因杂质污染或氧化导致泡沫失控的故障油处理，上述实际案例也体现了其在改善泡沫问题上的适用性。
4. 重要澄清与局限性
“提升” 界面张力的本质：新型纳米全效精滤不是直接提升基础油分子本身的固有界面张力，而是移除人为降低它的外来物质，使其恢复到接近纯净基础油的、较高的本征值。说 “提升” 是从实际油品表现的角度出发，如同上述案例中界面张力的明显变化。
过滤精度和结构是关键：并非所有 “过滤” 都能达到此效果。普通精滤无法有效去除纳米级的极性分子和胶体，新型纳米全效精滤凭借其合适的精度及结构，能较好地发挥作用；需要根据目标去除物的分子尺寸利用毛细管原理有效去除。
无法移除溶解的离子或极小分子：极小的极性分子或离子型表面活性剂可能穿透这种特殊滤芯。
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