PVC制品潤滑劑加工設計淺談

　　一、潤滑劑的定義

　　能改善塑料各層粒子之間及熔體與加工設備金屬表面的摩擦力和粘附性，增大樹(shù)脂的流動(dòng)性，達到可調控樹(shù)脂塑化時(shí)間，保持連續生產(chǎn)的助劑，即稱(chēng)之為潤滑劑。

　　潤滑劑是一類(lèi)用來(lái)改善塑料，橡膠等聚合物的加工性能和表觀(guān)性能的助劑。除一般意義上的減少磨擦，提高樹(shù)脂或膠料加工過(guò)程中的流動(dòng)性和脫模性作用外，潤滑劑的功能還可延伸到增加制品的表面光潔性，防止制品之間相互粘連等界面性能方面。就加工改性作用而言，潤滑劑在聚合物加工過(guò)程主要降低樹(shù)脂或膠料與加工設備之間和聚合物分子之間的相互磨擦，進(jìn)而達到降低扭矩，節約能耗，促進(jìn)流動(dòng)和提高質(zhì)量的目的。

　　潤滑劑可分為內、外潤滑劑兩種，內、外潤滑劑的區分主要依其與樹(shù)脂的相容性大小。

　　內潤滑劑與樹(shù)脂的親和力大，其作用是降低大分子間的作用力;

　　外潤滑劑與樹(shù)脂的親和力小，其作用是降低樹(shù)與加工機械之間的摩擦。

　　內、外潤滑劑之分只是相對而言，并無(wú)嚴格劃分標準。 在極性不同的樹(shù)脂中，內、外潤滑劑的作用有可能發(fā)生變化。

　　PVC是極性很強的高分子物質(zhì)，它在加工時(shí)具有以下兩個(gè)不同于聚烯烴的特性：①由于它是強極性高分子，分子間、分子內鏈段之間作用力較強，造成熔體粘度較高，流動(dòng)性不好，使剪切作用增大而形成高摩擦熱，并對金屬加工設備有很強的粘附性。②PVC樹(shù)脂極易熱分解，分解溫度在130～140℃，但加工溫度卻在180～200℃左右。極易導致熔體內部及靠近加工設備金屬表面局部過(guò)熱而造成熱分解。為防止熔體內局部過(guò)熱，必須加入能穿插進(jìn)粒子之間、分子之間及分子內鏈段之間的內潤滑劑，降低PVC熔體粘度，增加流動(dòng)性，減少摩擦熱的生成。同時(shí)為了減少熔體對金屬表面的粘附性及摩擦力而必須加入外潤滑劑或加入兼有內、外潤滑作用的內、外潤滑劑。

　　PVC管材管件生產(chǎn)中，為了提高物料與設備接觸面及物料之間的潤滑性，使聚氯乙烯易于加工，提高加工速度和制品表面光潔度，配料時(shí)通常都加入1～5份的潤滑劑。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現，潤滑劑對物料的塑化甚至管件的耐液壓等力學(xué)性能起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

　　二、潤滑劑的化學(xué)結構及作用機理

　　所有的潤滑劑與PVC都只有有限的相容性。潤滑作用的強弱和作用方式(機理)主要取決于潤滑劑與樹(shù)脂的相容性的好壞。相容性又取決于潤滑劑的極性與長(cháng)鏈烷烴長(cháng)度的比值，即化學(xué)結構決定了潤滑劑的作用方式及其功能。

　　1內潤滑劑

　　把潤滑劑分為內潤滑劑、外潤滑劑是一種普遍實(shí)用的分類(lèi)方法。但實(shí)際上沒(méi)有任何一種產(chǎn)品能單純起內潤滑作用或外潤滑作用的。

　　潤滑劑不同于增塑劑，它與PVC的相容性有限。所謂內潤滑劑是指在一般情況下以?xún)葷櫥饔脼橹鞯臐櫥瑒?。其定義：滲入PVC宏觀(guān)粒子中，減少樹(shù)脂初級粒子、分子及分子內部鏈段之間相互作用力，促進(jìn)樹(shù)脂塑化亦能降低熔體粘度的助劑。

　　PVC樹(shù)脂宏觀(guān)粒子是由相互纏繞的線(xiàn)性大分子集團構成(初級粒子)。由化學(xué)結構及立體構象所決定，大分子集團的各部分相互作用力大小不盡相同。從化學(xué)結構觀(guān)點(diǎn)分析：極性較大的部分，其分子間誘導偶極矩也較大，結點(diǎn)處相互作用力比較大。

　　內潤滑劑要插入PVC各層粒子之間以及分子內部鏈段之間方能起到內潤滑作用，這就要求其化學(xué)結構必須有極性集團和長(cháng)鏈烷基的非極性部分組成的化合物。

　　內潤滑劑以化學(xué)的結合鍵方式起內潤滑作用。在PVC塑化前，潤滑劑的極性集團與樹(shù)脂的極性結點(diǎn)有一定的親和力，減弱或消除PVC宏觀(guān)粒子內次層粒子間吸引力，使PVC相互纏繞的鏈段相互易于擴散，分子團之間界限易于消失，促進(jìn)樹(shù)脂塑化。

　　在塑化之后，潤滑劑的極性集團減弱了熔體內分子間及分子內鏈段之間的相互吸引力，使樹(shù)脂易于流動(dòng)，降低了熔體粘度，從而起到內潤滑作用。

　　以屏蔽作用起潤滑作用：潤滑劑的長(cháng)鏈(碳數在12個(gè)以上)烷基部分與PVC樹(shù)脂相容性相差較大，相互親和力較小，它以“屏蔽作用”方式把PVC粒子、分子鏈段彼此隔離開(kāi)，使之易于滑動(dòng)起到純物理的類(lèi)似潤滑油的作用。

　　極性相對比較大的內潤滑劑，在攻擊PVC極性結點(diǎn)時(shí)，較極性小的潤滑劑更容易形成絡(luò )合鍵，其絡(luò )合鍵能亦較大，從而削弱PVC分子間吸引力的作用也較強，極性較強的內潤滑劑更容易穿插(吸附)在PVC初級粒子及分子鏈段之間。所以極性較強的內潤滑劑與PVC相容性更好一些，其內潤滑作用也較強一些。PVC的內潤滑劑：一般為硬脂酸的酯類(lèi)、皂類(lèi)或多羥基的部分酯化物及酰胺類(lèi)化合物：硬脂酸丁酯、單油酸甘油酯、硬脂酸單甘油酯、羥基硬脂酸、硬脂及油酸酰胺、硬脂酸鈣。

　　2外潤滑劑

　　能減少PVC宏觀(guān)粒子之間及熔化的樹(shù)脂與加工設備金屬表面的摩擦力及粘附性、延遲樹(shù)脂塑化時(shí)間的助劑。

　　外潤滑劑極性很小，與PVC的親和力及相容性小。典型的化合物為天然的或合成的直鏈烷烴蠟，它們一般只有C—C及C—H鍵，所以大都被PVC分子排斥在PVC體系以外而起外潤滑作用。PVC的外潤滑劑：OPE蠟、PE蠟、石蠟、硬脂酸鉛、二堿式硬脂酸鉛、硬脂酸與多元醇二元酸的低分子聚合物。

　　外潤滑劑所起的潤滑作用與一般潤滑油的潤滑作用沒(méi)有太大的區別，以物理作用為主。在塑化前它均勻地包覆在PVC粒子表面，使粒子相互滑動(dòng)，阻礙粒子鏈段相互擴散、粘連，延遲塑化。在塑化以后它被排斥在PVC熔體外表面，并形成液體潤滑薄膜，減少PVC熔體與加工設備金屬表面的粘附性及摩擦力，從而減少了局部過(guò)熱現象。提高了PVC熱穩定性。

　　3內、外潤滑劑

　　硬脂酸、硬脂醇、褐煤酸及其衍生物(皂、酯)、三羥基硬脂酸甘油酯、OPE雙硬脂酰胺。商品名為：蒙旦蠟類(lèi)、氫化蓖麻油等。

　　三、影響塑料配料在加工中潤滑性的因素

　　1潤滑劑化學(xué)結構的影響

　　1、環(huán)狀分子比鏈狀分子的潤滑性差。

　　2、在同系鏈狀分子中，分子量越大，碳鏈越長(cháng)，其外潤滑性越好。

　　3、鏈狀分子的極性原子和雙鍵增加其與聚合物的相容性，增強其內潤滑性特征。

　　4、鏈狀分子的極性基團位于分子鏈端部比位于其它位置時(shí)的潤滑性好。

　　5、鏈狀分子中，同碳數分子因存在支鏈會(huì )增加外潤滑作用特征。

　　2樹(shù)脂的影響

　　不同樹(shù)脂與指定潤滑劑的相容性大小不同，表現不同潤滑性。如硬脂酸、硬脂酸酰胺、硬脂酸酯等對極性PVC、聚酰胺其內潤滑作用，但對非極性聚乙烯、聚丙烯則顯示外潤滑作用。

　　潤滑性還與PVC的分子量、分子量分布及聚合方法有關(guān)。這與潤滑劑被樹(shù)脂吸收的速率有關(guān)。

　　3加工條件的影響

　　溫度提高，部分潤滑劑揮發(fā)而使潤滑效果降低，但同時(shí)，提高溫度促進(jìn)潤滑劑與聚合物的相容性，導致原來(lái)的外潤滑劑變成內潤滑劑。如壓延或輥煉初期，金屬皂和硬脂酸主要表現為外潤滑作用，但隨受熱時(shí)間延長(cháng)，外潤滑作用較小，出現粘輥現象。

　　提高加工過(guò)程的剪切作用，強迫相容性增加，外潤滑性下降。

　　4潤滑劑熔點(diǎn)和粘度的影響

　　塑料成型加工中的潤滑性?xún)?yōu)劣與潤滑劑膜層牢度有關(guān)。而潤滑劑膜的形成和崩潰又取決于其熔點(diǎn)和加工溫度下潤滑劑熔體的粘度。

　　在成型溫度下具有最低粘度的潤滑劑的膜層容易破壞。

　　5共混聚合物的影響

　　ABS、CPE、MBS是改善PVC沖擊性的聚合物改性劑。與潤滑劑的相容性大，其中丁二烯組分使流動(dòng)性變小，故必須加大潤滑劑用量。

　　為改善PVC的加工流動(dòng)性和制品的光澤，常添加一定量的氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，由于其與潤滑劑的相容性較大，需配用較多量的潤滑劑。否則，體系過(guò)早凝膠化，發(fā)粘而失去加工性能，或制品表面光澤惡化。

　　6金屬材質(zhì)的影響

　　壓延機的輥子用激冷鑄鐵加工而成，容易黏著(zhù)聚合物。鍍鉻的壓延輥則不易黏附。

　　在橡膠及PVC的壓延加工中，常使用硬脂酸作潤滑劑，其潤滑效果與金屬和脂肪酸經(jīng)化學(xué)作用生成金屬皂膜的潤滑性有關(guān)。

　　對擠出而言，螺桿及機筒內的套筒常用氮化鋼、鉻鋼及鍍鉻鋼，對塑料熔體的黏附性較小。

　　7其它助劑的影響

　　在添加多量填充劑如碳酸鈣、滑石粉、陶土等情況下，體系摩擦性較大，且填充劑對潤滑劑的較大吸收，必修增大內、外潤滑劑的用量才能正常加工。

　　熱穩定劑中，金屬皂本身就是潤滑劑，而鉛鹽和大部分有機錫的潤滑性很差。

　　一般，熱穩定劑的潤滑性大?。?

　　金屬皂>液體復合金屬皂>鉛鹽>月桂酸錫>馬來(lái)酸有機錫～=硫醇有機錫

　　在含增塑劑的半硬質(zhì)和軟質(zhì)PVC配方中，由于增塑劑本身的內潤滑作用，在這類(lèi)配方中一般可以不使用內潤滑劑。

　　其它助劑如抗靜電劑、防霧劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑等會(huì )對塑料的潤滑性產(chǎn)生一定影響。潤滑劑用量過(guò)大，有過(guò)度潤滑的危險，使其由內潤滑轉為外潤滑，延遲PVC樹(shù)脂的塑化。

　　四、PVC管材件配料中潤滑劑的種類(lèi)

　　PVC 潤滑劑可分為兩種,外潤滑劑的作用主要是它與聚合物相容性較差，容易從熔體內往外遷移，所以能在塑料熔體與金屬的交界面形成潤滑的薄層。內潤滑劑與聚合物有良好的相容性，它在聚合物內部起到降低聚合物分子間內聚力的作用，從而改善塑料熔體的內摩擦生熱和熔體的流動(dòng)性。當然大多數的潤滑劑都具有內外潤滑劑的雙重效果，而非單純的一種作用，如硬脂酸，加工初期溫度低或者用量多的情況下外部潤滑特性占主導，溫度升高后與pvc相容性提高用量合適的情況下主要起內部潤滑作用。

　　A、一類(lèi)與聚氯乙烯有一定的相容性，其作用是降低各組份的內摩擦，增強物料的流動(dòng)性，這一類(lèi)為內潤滑劑。如硬脂酸、甘油單硬脂酸酯和硬酯酸木糖醇酯等。

　　B、另一類(lèi)是與聚氯乙烯相容性較差，在加工過(guò)程中會(huì )析出至物料與設備接觸的上，從而降低接觸面上的黏附作用和摩擦力，即外潤滑劑如石蠟、聚乙烯蠟、礦物油和硅油等。

　　實(shí)際生產(chǎn)中兩類(lèi)潤滑劑只是相對而言，并無(wú)嚴格劃分標準。在不同加工溫度下，內、外潤滑劑的作用會(huì )發(fā)生變化，有時(shí)常兼具內外潤滑兩種作用。

　　五、PVC-U制品加工中潤滑劑的存在方式

　　PVC潤滑劑還分為低溫潤滑、中溫潤滑和高溫潤滑。低溫潤滑在加工的初期起作用，如石蠟、硬脂酸、單甘脂、硬脂酸丁酯、硬脂醇等;中溫潤滑在加工中期起潤滑作用，如PE蠟、OPE蠟、硬脂酸鉛、硬脂酸鎘等;高溫潤滑在加工的后期起潤滑作用如硬脂酸鈣、硬脂酸鋇等

　　1)作為PVC管材配料中的組份，為保持內外潤滑性的平衡，通常均加入一定量的內潤滑劑和外潤滑劑。

　　2)大多數穩定劑都有一定程度的潤滑性，PVC管材生產(chǎn)所使用的穩定劑，目前普遍采用復合穩定劑。

　　金屬皂類(lèi)穩定劑內潤滑性好 如硬脂酸鈣，硬脂酸鋇等本身就具有潤滑作用。

　　各種復合穩定潤滑劑應運而生 ，將鉛鹽、稀土及潤滑劑結為一體;

　　六、潤滑劑的選用準則及用量

　　1、依不同加工方法選擇

　　a、壓延成型——目的是防止粘輥、降低熔體粘度及提高流動(dòng)性。潤滑劑應用內潤滑劑和外潤滑劑配合使用，常用品種以金屬皂為主，并適當配以硬脂酸;

　　b、擠出及注塑成型——目的是降低粘度、提高流動(dòng)性及易于脫模。潤滑劑一般以?xún)葷櫥瑒橹?，主潤滑劑一般以酯、蠟配合使?

　　c、模壓及層壓成型——以外潤滑劑為主，常用品種為蠟類(lèi)潤滑劑;

　　d、糊制品的成型——潤滑劑用量較少，以?xún)葷櫥瑒橹?，并以液體潤滑劑為宜。

　　2、依不同制品選用

　　軟制品 (軟制品中因含有大里增塑劑，而增塑劑大都兼其有優(yōu)良的潤滑性，所以潤滑劑的用量較少)

　　a、在透明膜配方中，選用金屬皂類(lèi)和液體復合穩定劑，配合使硬脂酸(用量小于0.5份);

　　b、對于吹塑膜，為防止粘連，可選用硬脂酸單甘油酯;

　　c、在電纜料配方中，如加入填料，可采用高熔點(diǎn)蠟0.3~0.5份為潤滑劑。

　　硬制品(潤滑劑的使用量大于軟制品，對潤滑性能要求較高)

　　a、透明無(wú)毒制品，如吹塑瓶及透明片材等，常用的有OP蠟及 PE蠟等，加入量為 0.3~0.5 份，也可與 0.5 份硬脂酸正丁酯或 0.5 份硬脂酸配合。

　　b、不透明制品如板材及管材等，常用金屬皂、石蠟及硬脂酸并用。金屬皂加入量為 1~2 份，石蠟及硬脂酸加入量為 0.3~0.5 份。

　　3、共混樹(shù)脂的影響

　　a、為改善PVC的沖擊性能，常共混ABS、CPE及MBS等樹(shù)脂;但由于這些共混樹(shù)脂與潤滑劑相容性大，故需相應增加潤滑劑使用量。

　　b、為改善PVC的表面光澤，常加入氯乙烯—乙酸乙烯酯共聚物，也需要相應增加潤滑劑用量。

　　4、潤滑劑與其它助劑的關(guān)系

　　a、PVC中的熱穩定劑有一定的潤滑作用，不同熱穩定劑的潤滑性大小如下： 金屬皂>液體復合金屬皂類(lèi)>鉛鹽>月桂酸錫>馬來(lái)酸錫、硫醇有機錫。因此，對于熱穩定劑潤滑作用大的，在其配方中可相應減少潤滑劑的用量。有機硫醇錫類(lèi)熱穩定劑缺乏外潤滑性，配方中需適當加入外潤滑劑;而二丁基錫羧酸酯熱穩定劑的外潤滑作用突出，配方中可適當減少外潤滑劑的用量。

　　b、加工助劑大都兼有外潤滑功能，可相應減少潤滑劑的加入量。

　　c、配方中含有大量非潤滑填料時(shí)，應相應增加內、外潤滑劑的加入量。

　　5、潤滑劑的用量

　　在一個(gè)配方中，一般應選用內、外潤滑劑并用。潤滑劑的用量隨加工方法不同而異。

　　壓延成型：內潤滑劑--0.3~0.8份，外潤滑劑--0.2~0.8份;

　　擠出及注塑：內潤滑劑--0.5~1.0份，外潤滑劑--0.2~0.4份。

　　七、內外潤滑平衡

　　符合特定的加工設備要求的塑化時(shí)間和熔體粘度的潤滑體系稱(chēng)為潤滑平衡體系

　　1)合適的熔體流動(dòng)性：加入內潤滑劑盡可能降低熔體粘度，增大流動(dòng)性，減少摩擦熱生成。

　　2)合適的塑化時(shí)間：加入內外潤滑劑調節塑化時(shí)間。

　　3)理想的防粘性：物料即不“打滑”影響輸送，又不粘附加工設備。

　　八、 潤滑劑對制品生產(chǎn)的影響

　　PVC管生產(chǎn)廠(chǎng)家經(jīng)常要考慮原料的變化，由于原料的差異，雖然經(jīng)過(guò)調整溫度、螺桿轉速等工藝參數，有時(shí)仍不能獲得良好的塑化度。 目前主要采用復合穩定劑、潤滑劑、PVC樹(shù)脂粉、碳酸鈣等進(jìn)行配制。

　　1、內外潤滑不平衡產(chǎn)生現象

　　1)內外潤滑劑用量不足?，F象是塑化扭矩大，熔體粘附性嚴重，可能發(fā)生熱分解。

　　2)內外潤滑劑用量過(guò)大?，F象是析出嚴重，制品力學(xué)性能下降，二次加工性能差。

　　3)內潤滑劑較少，外潤滑劑較多?，F象是塑化時(shí)間較長(cháng)，塑化扭矩大，有析出現象。

　　4)內潤滑劑較多，外潤滑劑較少?，F象是塑化時(shí)間較短，熔體粘附性嚴重，可能發(fā)生熱分解。

　　2、潤滑在制品配方中匹配性

　　(1)不同穩定劑的潤滑體系匹配性有很大差異，適量的潤滑劑配合有利于良好塑化度的獲得;

　　(2)聚合度高PVC樹(shù)脂粉要求增加內潤滑劑用量以降低熔體粘度;熱穩定性差的樹(shù)脂粉要求增加穩定劑份數，若使用滑潤成份高的穩定劑，則宜適量減少潤滑劑用量;

　　(3)采用活化度低的填料時(shí)，潤滑劑宜少用。

　　九、PVC配方設計中潤滑劑的使用應該遵循以下原則：

　　1、外潤滑在保證制品不粘附金屬表面，制品無(wú)變色糊料現象的前提下，量越少越好;

　　2、內潤滑在保證不影響流動(dòng)性、塑化的前提下，也要少用; 過(guò)量的潤滑劑會(huì )降低物料塑化程度，消弱管材的力學(xué)性。

　　3、同樣都是內潤滑，盡量高中低溫潤滑劑協(xié)同使用，同樣適用外潤滑劑;

　　4、需要流動(dòng)性好的制品，如型材、管件等，內潤滑用量應略多于外潤滑;不需要高的塑化度的制品，如管材，外潤滑量占主導;

　　5、填充劑用量增加，潤滑劑要相應適度增加，輕鈣吸油值高重鈣吸油值低，使用時(shí)應注意;

　　6、發(fā)泡制品盡量減少石蠟等影響發(fā)泡的潤滑劑用量及使用，降低密度或者鈣含量增加等都要適度提高潤滑用量;

　　7、潤滑不平衡，要定住一種潤滑調另一種潤滑的原則，便于快速查明原因，正常生產(chǎn)。避免造成加工困難：

　　8、聚合度高的樹(shù)脂粉，內潤滑劑應適當增加;

　　9、使用內含潤滑成份的復合穩定劑時(shí)，潤滑劑應適當減小;

　　10、穩定性差的樹(shù)脂粉，穩定劑份數增加，潤滑劑應當適當減少;

　　11、當加工溫度高時(shí)，聚合物易與加工設備粘合，潤滑劑應適當增加;

　　12、當使用較大的加工設備時(shí)，聚合物粘接的表面會(huì )增大，潤滑劑應當增加;