PVC配方質(zhì)量好壞，看潤滑？
大量的研究與實(shí)踐表明：PVC-U的塑化程度在65%左右時，其各項力學(xué)性能最好，這就要求在加工PVC-U時必須掌握適當(dāng)?shù)乃芑潭龋瑑?nèi)潤滑劑在降低塑化扭矩的同時能促進(jìn)塑化(縮短塑化時間)，而外潤滑劑在改善PVC-U的流動性的同時又能延遲塑化。
因而在設(shè)計PVC-U配方時，調(diào)整內(nèi)、外潤滑劑的比例及加入總量，就能調(diào)控PVC-U的塑化速率(塑化時間)，而調(diào)控塑化速率則是內(nèi)、外潤滑作用平衡的重要研究內(nèi)容。
但是，由于塑料潤滑作用的多變性及潤滑平衡的多樣性，至今在國內(nèi)尚未見到關(guān)于潤滑平衡方面的專論文章，筆者就塑料潤滑作用平衡(以下簡稱潤滑平衡)提出一些觀點(diǎn)，供廣大讀者參考。
一、潤滑平衡的設(shè)計
潤滑平衡的設(shè)計是PVC-U配方設(shè)計的最關(guān)鍵的一環(huán)。
1.1 潤滑劑及潤滑作用目前尚沒有真正意義的理論及規(guī)律
對―般PVC-U配方設(shè)計而言，筆者認(rèn)為配方設(shè)計的難點(diǎn)及主要內(nèi)容是內(nèi)、外潤滑劑種類的選擇及它們的比例和加入總量的設(shè)計。潤滑劑加入總量應(yīng)適宜，而內(nèi)、外潤滑劑的比例更重要，盡管總量足夠，但如果比例失調(diào)，也不合連續(xù)地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。
然而對于PVC-U加工過程至關(guān)重要的潤滑體系，在目前還沒有可稱為理論的理論，甚至連可以有效地指導(dǎo)配方實(shí)驗的規(guī)律也沒有。唯一的所謂規(guī)律是借鑒普通化學(xué)中“相似相溶”規(guī)律，也就是潤滑劑的極性與pvc樹脂的極性越相似，其相容性越奸，因而其內(nèi)潤滑作用也越好;反之外潤滑作用較強(qiáng)，但是這個規(guī)律對于配方設(shè)計的指導(dǎo)性亦很有限。
因為判斷潤滑劑的極性的根據(jù)是潤滑劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)，即潤滑劑分子中含有的羥基、酯基、羧基、酰胺基以及醚基、酮基等極性官能團(tuán)的種類、數(shù)量及其與長鏈烷基的比例。由于潤滑劑化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多樣，以及相鄰官能團(tuán)的相互影響，使得對潤滑劑的極性大小的判斷更為困難，這就造成了單憑潤滑劑的極性來推斷潤滑劑的潤滑作用與潤滑劑實(shí)際上所起的潤滑作用之間的差異性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。
1.2 潤滑作用的多變性
問題的復(fù)雜性還不僅如此，更為重要的是潤滑劑與樹脂的相容性(即潤滑作用)還受其他條件的影響，尤其是其他潤滑劑與增塑劑等助劑的影響更為顯著，這種改變甚至可使內(nèi)潤滑劑變成外潤滑劑，也就是說，同一種潤滑劑的潤滑作用會隨著添加量的不同，隨著配方中其他助劑組成的不同，隨著加工條件的不同而改變。
1.3 內(nèi)、外潤滑平衡的多樣性
事實(shí)上，不同類型的加工設(shè)備如雙螺桿及單螺桿擠出、注塑、壓延等設(shè)備，均要求各自不同的潤滑平衡。嚴(yán)格地講，同類設(shè)備、不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，甚至同一臺設(shè)備，舊的與新的設(shè)備，對潤滑平衡均有不同的要求。不同類型的產(chǎn)品，如管材、片材、膜以及異型材，要有各自不同的潤滑平衡。如斷面復(fù)雜的異型材、擠出片材、注塑制品、中空制品、吹塑膜及高透明制品均要求有較高的塑化程度，更好的熔體流動性，因而要求內(nèi)、外潤滑劑，尤其是內(nèi)潤滑劑的加入量要多一些，而管材則對熔體黏度及流動性要求相對不太高，塑化程度以60%～70%為宜，因而外潤滑劑相對可以比內(nèi)潤滑劑的用稍多。但是注塑制品則要求盡可能少用非極性外潤滑劑，以便盡可能減少外潤滑劑對熔接痕強(qiáng)度的影響。
上述內(nèi)容均說明了潤滑平衡的多樣性。這就造成潤滑作用理論的研究較為困難，在實(shí)際配方設(shè)計時，也極大地增加了潤滑劑配方設(shè)計的難度。
筆者認(rèn)為，對于一般PVC-U而言，配方設(shè)計的關(guān)鍵是內(nèi)、外潤滑劑種類、比例及加入總量的設(shè)計，就是潤滑平衡的設(shè)計。
二、潤滑平衡的研究方法
對于潤滑平衡的設(shè)計來講，既不精楚內(nèi)、外潤滑劑在配方中實(shí)際的潤滑作用強(qiáng)度，又不知其他潤滑劑及其他助劑對其潤滑作用影響的具體情況。最簡單的方法，是用只問最后結(jié)果，不管其作用機(jī)理如何的宏觀概括研究方法，即只考慮因素(內(nèi)、外潤滑劑和其他助劑)對最終結(jié)果(潤滑平衡)的貢獻(xiàn)的研究法，也就是不管內(nèi)、外潤滑劑及其他助劑之間如何相互作用及其影響程度的大小，只看它們對潤滑平衡最終結(jié)果的綜合影響的方法。
三、潤滑平衡的定義及其定量表述
內(nèi)、外潤滑劑品種適當(dāng)，內(nèi)、外潤滑劑比例與加入總量適當(dāng)，達(dá)到適當(dāng)?shù)乃芑俾始叭垠w粘度(扭矩流變曲線上適當(dāng)?shù)乃芑瘯r間及塑化扭矩)。也就是能保證特定的加工設(shè)備及工藝經(jīng)濟(jì)地、連續(xù)地生產(chǎn)出合格塑料制品的潤滑體系，即為內(nèi)、外潤滑平衡體系。
3.1 適當(dāng)?shù)乃芑瘯r間
潤滑平衡既不是個固定值，又因缺乏潤滑作用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以造成定量表述潤滑平衡很困難。因此，只能用對比類推法對潤滑平衡進(jìn)行研究。也就是首先研究已經(jīng)確認(rèn)是潤滑平衡的體系，把它在塑料加工設(shè)備上的塑化情況與它在扭矩流變曲線上表現(xiàn)出的塑化情況進(jìn)行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：潤滑平衡體系在扭矩流變曲線上的塑化時間對應(yīng)于擠出機(jī)2/3左右的位置，也就是對應(yīng)擠出機(jī)塑化段將結(jié)束、均化段將開始的位置。如果不是潤滑平衡體系，其塑化時間對應(yīng)于擠出機(jī)的位置將有所改變。塑化時間對應(yīng)擠出機(jī)的位置小于2/3時期，則過度塑化，對于PVC-U而言有可能熱分解，物料發(fā)黃;塑化時間對應(yīng)擠出機(jī)的位置大于2/3時，則塑化度不夠，制品較糙、發(fā)脆。
由上述分析可得出結(jié)論：可以用扭矩流變曲線上的塑化時間作為定量判斷潤滑體系是否處于平衡狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 適當(dāng)?shù)乃芑ぞ?/span>
對于PVC-U而言，塑化扭矩的大小比平衡扭矩更接近塑料加工即將結(jié)束時實(shí)際的樹脂熔體扭矩，也就是說，在塑化扭矩處的物料粘度比較接近實(shí)際塑料加工即將結(jié)束時的熔體粘度。所謂內(nèi)、外潤滑劑比例及總量適當(dāng)是指能滿足工藝要求的用量，使樹脂具有較合適的塑化速率、熔體粘度及適當(dāng)粘附性，從而保證加工設(shè)備能經(jīng)濟(jì)地、連續(xù)地生產(chǎn)合格或優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。另外擠出機(jī)雖然也給出了扭矩值或主機(jī)電流值，但它們是表示固體樹脂由玻璃態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)、粘流態(tài)整個過程的平均扭矩值或平均消耗的能量，并不能正確地反映樹脂在塑化時的黏度或扭矩值。
四、生產(chǎn)及實(shí)驗室中如何判斷內(nèi)、外潤滑平衡
外潤滑劑用量不足則有黏附現(xiàn)象，塑化時間短，試樣表面不光滑;外潤滑劑過量則塑化時間明顯延長，力學(xué)性能下降，變脆，可能有析出現(xiàn)象，嚴(yán)重時手拭有油樣感覺。內(nèi)潤滑劑用量不足則塑化扭矩較大、塑化時間較長;內(nèi)潤滑劑過量則塑化時間較短、塑化扭矩較小，但熱穩(wěn)定時間也變短，有熱分解現(xiàn)象，試樣內(nèi)壁不光滑。
五、內(nèi)、外潤滑劑的比例及總量的確定，即潤滑平衡的設(shè)計
內(nèi)、外潤滑劑的品種或牌號確定后，要確定內(nèi)、外潤滑劑的使用比例及在配方中的加入總量。只有確定一個合適的內(nèi)、外潤滑劑的比例及加入總量，才能合理地兼顧pvc樹脂熔體的流動性、防粘性及塑化速率，才能滿足特定的加工設(shè)備、工藝及制品的特殊要求，也只有這樣的潤滑體系才能保證經(jīng)濟(jì)地、連續(xù)地生產(chǎn)合
格或優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，即達(dá)到潤滑平衡。
由于影響潤滑作用的因素眾多，又因潤滑平衡的多樣性，所以配方工作者根據(jù)特定的加工設(shè)備及產(chǎn)品特性設(shè)計一個潤滑平衡體系是比較困難的。因為無法準(zhǔn)確確定塑化時間、塑化扭矩等重要數(shù)值，因而缺乏控制塑化速率、熔體流動性(即熔體黏度)的依據(jù)。如果有一個參照物，即標(biāo)準(zhǔn)樣或近似的標(biāo)準(zhǔn)樣，這個問題就迎韌而解了。所以，確定潤滑平衡的實(shí)驗程序首先是標(biāo)準(zhǔn)樣的測試。標(biāo)準(zhǔn)樣最好選擇加工性能好、品質(zhì)優(yōu)良、同一類加工設(shè)備生產(chǎn)的同一類產(chǎn)品的高速攪拌混合料。
(1)標(biāo)準(zhǔn)樣的測試：把一定質(zhì)量的試樣加到扭矩流變儀中，在一定轉(zhuǎn)速及溫度下測小其塑化時間、塑化扭矩及熱分解時間等參數(shù)。
(2)改變內(nèi)潤滑劑的品種和數(shù)量，改變塑化扭矩值使其接近標(biāo)準(zhǔn)樣的數(shù)值。也就是改變PVC熔體流動性，即熔體粘度。
(3)在基本調(diào)整好樹脂熔體粘度或塑化扭矩的前提下，通過改變外潤滑劑的品種與數(shù)量，調(diào)整塑化時間，使之比標(biāo)準(zhǔn)樣略有延長，大概延長3%左右。外潤滑劑在一定范圍內(nèi)也能影響塑化扭矩，隨著外潤滑劑用量的增加，塑化扭矩值也有所降低。
要特別注意的時的塑化扭矩值絕對不能高于標(biāo)準(zhǔn)樣的數(shù)值，必須比標(biāo)準(zhǔn)樣的塑化扭矩值略低，約降低1%～2%為宜。如果塑化時間已經(jīng)比標(biāo)準(zhǔn)樣延長了3%左右，而塑化扭矩仍然達(dá)不到要求時，可以按比例增加內(nèi)、外潤滑劑的用量，直到塑化時間及塑化扭矩均達(dá)到要求為止。因為從扭矩流變儀實(shí)驗得到數(shù)據(jù)的微小差異均可對實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)造成巨大的影響。
(4)防粘附性：如果塑化扭矩及塑化時間基本滿意以后，防粘附性仍然不足，可以適當(dāng)按比例增加內(nèi)、外潤滑劑的用量，如果感覺物料已經(jīng)不粘流變儀混合頭的轉(zhuǎn)子，則有可能是潤滑劑總量過量，達(dá)到了高水平的潤滑平衡�？砂幢壤m當(dāng)減少內(nèi)、外潤滑劑的用量，直至有些輕微發(fā)粘時為止。在此基礎(chǔ)上以微調(diào)方式適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)加內(nèi)、外潤滑劑，直至不發(fā)粘，再稍多加一點(diǎn)，這是較低水平的潤滑平衡，也是較接近實(shí)用水平的潤滑平衡。高水平的潤滑平衡雖然可以稍提高樹脂混合料的熱穩(wěn)定性，延長熱分解時間，略微降低熱穩(wěn)定劑的用量，減少配方成本，但外潤滑劑的析出現(xiàn)象有可能較嚴(yán)重，對連續(xù)生產(chǎn)不利，停機(jī)次數(shù)有可能增加，生產(chǎn)率有可能下降，并帶來諸多不便，也可能影響產(chǎn)品質(zhì)量及二次加工性能。因為內(nèi)、外潤滑劑畢竟是小分子的加工助劑，能滿足加工及制品質(zhì)量要求即可，入量過多則勢必影響制品的力學(xué)性能。
(5)放大實(shí)驗：把實(shí)驗(4)初步確定的配方在生產(chǎn)中進(jìn)行放大實(shí)驗，考察并發(fā)現(xiàn)存在的問題，如粘附嚴(yán)重或扭矩過大，主機(jī)電流過大，或塑化率過大、過小等。可以有針對性地調(diào)整潤滑體系。如此反復(fù)幾次即可設(shè)計出比較滿意的、并能滿足特定設(shè)備及工藝要求的潤滑平衡體系。
(6)如果沒有標(biāo)準(zhǔn)配方，可向有技術(shù)力量的國外大型熱穩(wěn)定劑或潤滑劑的生產(chǎn)廠商索要參考配方，按參考配方試生產(chǎn)一次，找出加工過程及制品質(zhì)量存在的問題。加工性問題包括熔體黏度是否過高、主機(jī)扭矩值或主機(jī)電流是否過大、操作是否平穩(wěn)、連續(xù)開車時間是否過短、粘附性是否嚴(yán)重等問題。制品質(zhì)量問題包括內(nèi)在質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)、二次加工性是否滿意。
外觀質(zhì)量問題包括：顏色是否泛黃、或有黑點(diǎn)、黑灰色或黃色條紋，表面是否光亮、內(nèi)壁是否凹凸不平等。同時用同一配方在扭矩流變化儀上進(jìn)行實(shí)驗，把流變實(shí)驗結(jié)果與大生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題相互對照，找出內(nèi)潤滑或外潤滑不足，或是內(nèi)、外潤滑均不足的原因。然后按上述實(shí)驗程序進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗，或用價格低的產(chǎn)品對原參考配方中的進(jìn)口潤滑劑進(jìn)行取代實(shí)驗。
六、增加潤滑體系的操作彈性
好的潤滑體系不僅具有潤滑作用強(qiáng)、潤滑劑用量少及前述的一些優(yōu)良性質(zhì)，還應(yīng)具有較寬的操作彈性，如配料比的微小差異、工藝條件波動(如溫度、主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化等)時，塑料加工從業(yè)者希望潤滑體系仍然處于平衡狀態(tài)。這就要求內(nèi)、外潤滑劑不僅要強(qiáng)強(qiáng)搭配，還應(yīng)具有較大的操作彈性。
這可以從兩方面加以解決：
不用或少用易揮發(fā)的潤滑劑(像石蠟、Hst及硬脂酸丁酯等較易揮發(fā))，在整個加工的中、后期，因溫度等工藝參數(shù)的波動而影響了它們揮發(fā)的程度，從而造成平衡系統(tǒng)失衡。
用一些既有極性基團(tuán)又有超長烷基的化合物，如褐煉酸的衍生物，脂肪酸、脂肪醇的低分子聚酯類OPE等內(nèi)、外潤滑劑，內(nèi)、外潤滑劑均能在不同程度上自動調(diào)節(jié)潤滑平衡。一旦因某種原因顯示內(nèi)潤滑作用不足，外潤滑作用過剩;或相反現(xiàn)象，配方中如果有一定數(shù)量的上述內(nèi)、外潤滑劑，可在一定程度上自動調(diào)節(jié)，使過剩的外潤滑作用轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)潤滑作用，或內(nèi)潤滑作用轉(zhuǎn)變?yōu)橥鉂櫥饔谩＿@種現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為工藝條件的變化改變了樹脂熔體與潤滑劑的表觀溶解度所造成的。
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