淺談PVC潤滑劑的選用和配方技術(shù)
PVC加工中最重要的助劑是穩(wěn)定劑和潤滑劑， 由于大多穩(wěn)定劑基本都能滿足穩(wěn)定的效果，潤滑劑體系在PVC配方中的設計成為了PVC加工中最關(guān)鍵的技術(shù)。潤滑劑體系的設計及使用直接影響到制品的性能、外觀、工藝參數(shù)設計、設備耗能、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等等，往往實際現(xiàn)場生產(chǎn)技術(shù)人員最難把握與控制的就是潤滑劑的使用與調(diào)配，PVC塑料制品質(zhì)量問題出現(xiàn)原因最多也是在潤滑劑的使用上。可以這么說，掌握了PVC加工潤滑體系的設計及應用就等于掌握了PVC配方的核心技術(shù)。
“選擇大于努力”，“藥材好，藥才好”。設計一個好的配方，首先要選擇對的材料，好的材料。根據(jù)生產(chǎn)制品特性、機器設備、工藝條件，選擇對的、選擇好的潤滑劑，是做一個好配方的基礎。如果選擇的潤滑劑有缺陷，有一定的局限性，或不合適，任工程師配方技術(shù)再好都難做出好的產(chǎn)品。 所以，潤滑劑種類、具體品種的選用是配方技術(shù)的一個重要而基礎的步驟！
一、潤滑劑的基礎概念
如何才能選用到好的、合適的潤滑劑，首先要對潤滑劑的基礎概念和理論有個大致和正確的認識和了解。如果對基本概念和理論有大的認識偏差，要想選用到好的、對的潤滑劑可能會比較難，或者會花出更多的時間去試驗驗證和實踐。在此，先簡單的介紹下潤滑劑的基本概念和理論：
1、外滑劑
潤滑劑熔融后，在螺筒、模具、螺桿等表面 與PVC熔體表面之間形成一層膜，起到潤滑作用的物質(zhì)我們稱之為外滑劑。外滑劑在PVC加工生產(chǎn)中中有以下的表現(xiàn)和特征：
一、提高制品表面光澤度，防止物料粘附在熱的金屬表面。
二、調(diào)整物料塑化點。通過增加外滑劑，可以延遲物料塑化點，推后塑化時間。
三、用的劑量太高，會導致析出現(xiàn)象。外滑劑添加量太大，會造成加工過程中模頭析出、定性槽、制品等析出。
四、如果劑量太高，會降低抗沖等機械物理性能。因為外滑劑添加量太高（塑稱過滑），將影響物料塑化效果，同時也影響了物料混煉的均勻程度，所以生產(chǎn)的制品將不能得到良好的抗沖等物理機械性能。
五、不影響或降低維卡軟化點。外滑劑總的來說基本不影響制品維卡軟化溫度，這點與內(nèi)滑劑不同。
六、過高的添加量，對型材焊接強度有消極的影響，會造成管件烘箱起皮，影響制品透明性等。
2、內(nèi)滑劑
潤滑劑熔融后， 融進PVC熔體的內(nèi)部，在熔體內(nèi)分子間起到潤滑、減少摩擦的物質(zhì)我們稱之為內(nèi)滑劑。內(nèi)滑劑在PVC加工生產(chǎn)中中有以下的表現(xiàn)和特征：
一、降低熔融后樹脂中的摩擦。如上面定義，內(nèi)滑劑有降低摩擦，避免螺筒內(nèi)熔體內(nèi)焦料現(xiàn)象。
二、降低熔體粘度和減少離模膨脹。 加工中熔體粘度過大，會造成熔壓太大。熔壓過大，扭矩升高，剪切力變大，產(chǎn)品同樣容易焦料。同時，螺筒內(nèi)熔壓過大，容易造成離模膨脹，離模膨脹太大，則容易有析出現(xiàn)象。所以添加內(nèi)滑劑，可以避免焦料和減少析出。
三、降低維卡軟化點。 添加1PHR固體內(nèi)滑劑大概會降低1~2度的維卡軟化溫度，液體的內(nèi)滑劑對維卡軟化點影響更大些。
四、減少熔體破裂。內(nèi)潤滑能幫助物料更加均勻更好塑化， 提高物流的流動性，可以較好的減少或消除熔體破裂現(xiàn)象，尤其高速擠出的情況下。
五、在制品中需要較高添加量起效果
六、有利于提高沖擊強度/有利于通過二氯甲烷浸泡實驗。
3、內(nèi)/外滑劑
同時具有內(nèi)滑劑和外滑劑表現(xiàn)和特征的單體滑劑，我們稱之為內(nèi)/外滑劑。這在酯類潤滑劑中較多。有的表現(xiàn)為外滑和內(nèi)滑相對均衡些，有的表現(xiàn)為外滑較強，內(nèi)滑弱些。而氧化聚乙烯蠟是蠟類的一種外滑較強，稍微有內(nèi)滑的內(nèi)/外滑劑。
對內(nèi)滑劑、外滑劑基本概念和表現(xiàn)特征的了解與明晰，有利于我們在做配方設計做正確方向性的調(diào)整。
二、潤滑劑的基本理論
1、相似相溶原理
結(jié)構(gòu)或者極性相似相近的兩種物質(zhì)（可以互看為溶質(zhì)與溶劑）能夠彼此互溶，這就是化學中重要的相似相溶原理。在指導潤滑劑使用的理論中，應用最廣泛的就是相似相溶原理。把PVC熔體看做是一個溶劑體系，潤滑劑熔體就是溶質(zhì)。
相似相溶從而也引出了溶解度及飽和度的概念。任何物質(zhì)在另外一種物質(zhì)里都是有一定的溶解度，超過了溶解的飽和度就會不相溶，就會析出。同樣，任何同一類物質(zhì)的總量在另外一種物質(zhì)里也是有一定的溶解度，總量超出了飽和度，也會析出。
我們在設計配方時圍繞這一指導性的理論，只要滿足生產(chǎn)和制品性能，盡量減少所有潤滑劑的添加總量，包括盡量減少同一類潤滑劑的添加總量，這樣就可以有效的減少或避免析出現(xiàn)象。
2、界面化學理論
把PVC熔體看做是一個相體系，把外滑劑或 內(nèi)／外滑劑看作一種表面活性劑，潤滑劑在生產(chǎn)中表現(xiàn)及特征就用界面化學理論來解釋．
把非極性的ＰＥ蠟＼石蠟等的純外滑劑看成兩端都是非極性的物質(zhì)．
把像酯類外潤滑劑，氧化聚乙烯蠟等有一端有極性，另一端非極性的產(chǎn)品看做是表面活性劑．
３、層流滑移模型
假定不同類型的外潤滑劑，在熔體表面和金屬表面之間形成的膜的運動行為，符合流體層流和表面滑移的模型理論。
由此實踐而得出：不同種類的外潤滑劑協(xié)同使用，比單獨使用同一種類的潤滑劑，效果更佳。
酯、蠟復合潤滑劑，要比單獨蠟類潤滑體系或單獨酯類潤滑體系效果佳！
三、潤滑劑的種類
1、酸類潤滑劑
以硬脂酸為代表的一元羧酸是最普通與常用的外潤滑劑。
脂肪酸（硬脂酸)由于雙分子共軛現(xiàn)象消除了大部分的極性，實際體現(xiàn)出來為非極性的物質(zhì)，是外滑的效果。
由于長期的誤解與認知的局限，有相當普遍一部分技術(shù)人員在實際應用中把硬脂酸當做內(nèi)潤滑使用，因此很多工廠生產(chǎn)的PVC制品存在先天的性能與外觀的不足。
同時，硬脂酸因為是十六酸與十八酸的混合物，其耐熱性和耐揮發(fā)性有較大的不足與局限。所以如果除去成本價格低廉的因素，在配方中我們提倡盡量少用硬脂酸。
2、醇類潤滑劑
脂肪醇以硬脂醇為代表，是一個非常優(yōu)秀的內(nèi)滑劑。但由于其較大的揮發(fā)性和成本較高，現(xiàn)在PVC加工生產(chǎn)中已極少用到脂肪醇類的內(nèi)潤滑劑了。
3、酯類潤滑劑
醇與酸的化合物---羧酸酯類潤滑劑簡稱為"酯類潤滑劑”。
由于合成酯的酸可以由是一元羧酸、二元羧酸、三元羧酸......,酸的碳鏈長可以從碳四到碳三十幾。同樣的，合成酯的醇也可以由是一元醇、二元醇、三元醇....,醇的碳鏈長也可以幾十個變化。 而且，酸和醇還存在不同官能團與支鏈。所以酸與醇合成酯這種排列組合的可能性、種類是驚人之多的。筆者有幸接觸國外專業(yè)生產(chǎn)酯類潤滑劑企業(yè)，實際生產(chǎn)合成的酯類產(chǎn)品就有達兩三千種之多。
由于酯類產(chǎn)品具體品種數(shù)量驚人之多，其中就有非常優(yōu)秀的內(nèi)潤滑劑和外潤滑劑。由于酯類結(jié)構(gòu)的特殊性，酯類的外潤滑劑與PVC的相溶性一般較好，而且具有比較高效的外滑效果，添加量較小。
酯類潤滑劑一般熔點在45~65C之間，最高不超過88C。但酯類潤滑劑普遍具有較好的耐熱性，一般耐熱范圍從200C~320C, 完全可以滿足PVC任何工藝溫度的要求。
同時，我們目前所知應用的PVC內(nèi)潤滑劑，都是酯類的潤滑劑。
4、金屬皂類潤滑劑
以硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、硬脂酸鋇等為代表的高級脂肪酸鹽，是PVC加工中重要的熱穩(wěn)定劑成分，又是PVC的潤滑劑的一類。
值得注意提的是，硬脂酸鈣一直被誤認為是內(nèi)潤滑，其實硬脂酸鈣是一外潤滑劑。它之所以有“促進塑化”的表現(xiàn)，是因為其自身由較大的粘度，摩擦大，類似加工助劑。在生產(chǎn)中表現(xiàn)為使加工電流升高。
硬脂酸鈣與霍尼韋爾公司的氧化聚乙烯蠟AC316一樣，都是強外潤滑劑，也有很高的熔體粘度，在很多技術(shù)工程師實際使用也誤認為是內(nèi)潤滑劑。這造成在配方設計中南轅北轍，一直存在的缺陷與不合理而不知。
5、烴類潤滑劑（ 俗稱：蠟類潤滑劑）
石蠟、聚乙烯蠟等非極性烴化合物和氧化聚乙烯等帶極性化合物稱為烴類潤滑劑（俗稱：蠟類潤滑劑）。
沒有氧化的石蠟、聚乙烯蠟基本都是外滑劑。
氧化后的乙烯蠟, 屬于略帶有內(nèi)滑的外滑劑.
一般熔點低（100。C以下）的蠟類潤滑劑，熱穩(wěn)定性較差，180~200。C開始分解。工廠一般把這類低熔點的蠟類潤滑劑當作“前期潤滑劑”或“中期潤滑劑＂
同時，蠟類潤滑劑的熱穩(wěn)定性與合成的方式關(guān)系較大：由聚合方式合成的蠟比熱裂解生成的蠟熱穩(wěn)定性要好。
６、脂肪酰胺潤滑劑
硬脂酸乙撐二酰胺，油酸酰胺和芥酸酰胺等在ＰＶＣ中有爽滑作用，屬于外滑劑，但由于相對容易造成析出和游離氨基會導致ＰＶＣ變色，現(xiàn)在市場上相對在ＰＶＣ上使用酰胺類潤滑劑較少了。
酰胺類潤滑劑在聚烯烴樹脂使用較為廣泛。國內(nèi)目前廠商也在酰胺潤滑劑上做結(jié)構(gòu)改良，取得了良好的使用性能。
７、其他類型潤滑劑
硅油、含氟類聚合物等，由于析出影響印刷、生產(chǎn)加工難以控制、成本相對較高等因素，并未被廣泛使用。丙烯酸類潤滑劑成本也相對較高，潤滑作用基理與一般潤滑也略有不同。
四、潤滑劑的選用
潤滑劑的種類繁多，每個具體產(chǎn)品又有具體不同的特點，能熟悉每個具體的潤滑劑產(chǎn)品性能優(yōu)缺點、使用方法，有利于我們更好設計出優(yōu)秀的配方。這需要現(xiàn)場技術(shù)人員長期的實踐和驗證，并不斷總結(jié)實際應用的經(jīng)驗。
關(guān)于如何選用合適的潤滑劑，我們在實踐探索了一定的方法和根據(jù)：
1、潤滑劑得分子結(jié)構(gòu)
對使用潤滑劑的分子結(jié)構(gòu)的了解，包括官能團、鏈長、單雙鍵、分支鏈、異構(gòu)化等的了解，有助于對潤滑劑性能做初步的判定。
但在化學上，同一種類的物質(zhì)，結(jié)構(gòu)上有微小的不同，可能導致性能上會有天壤之別。比如：同一分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有時順式與反式化學結(jié)構(gòu)的性能和作用，就會很大不同。所以在考察某個潤滑劑時，分子結(jié)構(gòu)只能是初步性能的判定，不能過于匆忙武斷。
2、潤滑劑的極性
如前面介紹，根據(jù)相似相溶的原理，PVC是極性材料，潤滑劑是極性還是非極性物質(zhì)，大致可以作為內(nèi)潤滑、外潤滑的界定。
極性上須把握“相似”或稱為“相近”兩字。如果同為極性材料，但與PVC極性相差較大，也不會很好的相溶。
3、潤滑劑的耐熱性
潤滑劑的耐熱性一直以來是被大多生產(chǎn)技術(shù)人員所忽視的一個重要指標！ 潤滑劑的耐熱性指潤滑劑抵抗受熱分解或受熱材料性能改變的能力。
潤滑劑的使用環(huán)境是在高溫的物料、機器螺桿、螺筒、模具中，如果潤滑劑在使用的溫度下已經(jīng)受熱分解或材料性能改變了，那將無法起到潤滑的作用。同時，受熱分解的殘留物質(zhì)分解物還將影響PVC制品的性能和外觀。我們常常看到模頭焦料、制品表面有拉絲等缺陷，往往與潤滑劑耐熱不足分解有極大的關(guān)系。
所以我們常常看到，如果使用耐熱性差的潤滑劑，比如硬脂酸、石蠟、熔點低的PE蠟等，加工后期往往潤滑不足，造成加工困難，或是制品表面光澤度差等現(xiàn)象，那是因為分解失效了后期潤滑不足。如果這時我們再加入耐熱好的PE蠟、酯類外滑劑或高品質(zhì)耐熱好的氧PE蠟，就能解決問題。
很多技術(shù)員在設計配方時，經(jīng)常會搭配“前期潤滑劑”，“中期潤滑劑”，“后期潤滑劑”。以經(jīng)驗言之：如此才保證加工的前中后期有完整的潤滑體系，使加工順利。 其實，這是因為大部分的“前期潤滑劑”在加工中期就開始分解失效了，大部分“中期潤滑劑”在加工后期開始分解失效了。
假如有一種潤滑劑，有極好的耐熱性，在前期就起外潤滑作用，中期、后期都不分解失效，那么這一個潤滑劑就同時具備了“前期潤滑劑”，“中期潤滑劑”，“后期潤滑劑”的作用。
如前面我們介紹酯類潤滑劑知道：酯類潤滑劑熔點低，在45~65C之間，但酯類潤滑劑具有良好的耐熱性，一般耐熱溫度范圍從200C~320C, 在PVC加工基本不會失效和分解。所以酯類外潤滑劑可以同時具有前期、中期、后期潤滑的效果。這也是酯類潤滑劑在PVC配方總體添加量要少近一半的原因，因為基本沒有消耗掉和分解。
如何測試和知道一個潤滑劑的耐熱性，規(guī)范嚴格一些的做法是進行熱失重測試（TGA測試），但由于TGA測試相對復雜和設備昂貴，一般工廠有條件可以進行烘箱熱測試簡單的評估。
4、潤滑劑的耐揮發(fā)性
同樣的，潤滑劑的耐揮發(fā)性一直以來也被大多生產(chǎn)技術(shù)人員所忽視。耐揮發(fā)性指在一定溫度下材料抵抗由固態(tài)或液態(tài)變?yōu)闅怏w的能力。
如果一個潤滑劑，有良好的潤滑效果，同時也有良好的耐熱性， 但是在加工中大部分氣化揮發(fā)掉了，那么這個潤滑劑也不是一個好的潤滑劑。比如十六十八醇，硬脂酸等。
判定或測試潤滑劑的揮發(fā)度，一般可以參考一個指標：閃點。閃點越高，一般耐揮發(fā)性越好。
特別也提到下，酯類潤滑劑都有比較好的耐揮發(fā)性，閃點大致都在210~240度，甚至更高。一般在PVC加工溫度下極少有揮發(fā)。
實際生產(chǎn)中，如果抽真空口析出嚴重，一般是由潤滑劑揮發(fā)造成的。
5、潤滑劑的熔點
潤滑劑的熔點，常常被很多技術(shù)人員作為對潤滑劑的唯一評判標準，其實這是一個認識的誤區(qū)。熔點作為潤滑劑的各種評價中的一個指標，其有一定的局限性和不準確性。
熔點只能作為潤滑劑起效的一個判定指標，而不能作為起潤滑效果溫度范圍的判定。如上面兩小節(jié)講，起潤滑效果加工溫度范圍更重要的指標是潤滑劑的耐熱性和耐揮發(fā)性。
很多技術(shù)人員形成一個模糊不準確的概念：低熔點的潤滑劑對應“前期潤滑”，中等熔點的潤滑劑對應“中期潤滑”，高熔點的潤滑劑對應“后期潤滑”。其實準確的說法應該是：低耐熱性和低耐揮發(fā)性的潤滑劑對應“前期潤滑”，高耐熱耐揮發(fā)的潤滑劑對應“后期潤滑”。
我們從化學物質(zhì)中知道，物質(zhì)熔點高低與物質(zhì)的耐熱性耐揮發(fā)性高低并沒有相對應的關(guān)系。只能在某一品類的物質(zhì)可能有如此對應的關(guān)系。比如：同是裂解法的PE蠟，熔點高些，分子量會較高，耐熱也較好些。但是如果同樣是PE蠟，低熔點的聚合法PE蠟有可能會比高熔點的PE蠟耐熱性更好，后期潤滑更好。
而作為熔點只有45~65C的酯類潤滑劑，因為其優(yōu)秀的耐熱性和耐揮發(fā)性，它能同時具有良好的前期、中期和后期的潤滑性！ 此與有些技術(shù)人員以熔點來判定潤滑功效的認識是相反的。
四、PVC配方潤滑體系設計的要點
1、完整的潤滑體系= 外滑劑+外/內(nèi)滑劑 +內(nèi)滑劑
2. 潤滑體系成分越簡單越好，組分越多，可能出現(xiàn)問題副作用越多
3. 內(nèi)滑劑添加量要比外滑多才起作用。
4.添加內(nèi)滑劑有利提高物性，一定程度減少析出作用
5.酯、蠟協(xié)同使用，增加潤滑效果。可以減少添加總量，同時減少析出。
總而言之，PVC潤滑劑的選用和配方技術(shù)是一門實踐經(jīng)驗積累的學問，需要技術(shù)人員不斷在實際生產(chǎn)中不斷總結(jié)、思考與探索，期望中國的塑料加工行業(yè)經(jīng)過一、兩代人的實踐與技術(shù)經(jīng)驗的積累，逐步走向世界的先進行列！
- 上一篇：各類PVC潤滑劑的作用及品種介紹 2022/6/26
- 下一篇：PVC板材生產(chǎn)過程中的常見問題及處理分析 2022/6/24