杨 凡
河南联塑实业有限公司 河南周口 466700
摘要：润滑剂是聚氯乙烯(PVC)尤其是硬质聚氯乙烯(PVC-U)配混料中必不可少，而且其作用最为复杂、最为微妙的一类助剂，它不但对PVC配混料的加工性能有举足轻重的作用，而且对PVC制品的使用性能也有显著的影响。润滑剂有3大功能———脱模性;调节和平衡加工过程中产生的摩擦热;调控PVC的熔合行为，即熔合速率、熔合程度和熔体粘度。本研究重点针对润滑剂结构对于聚氯乙烯加工性能的影响展开了一系列的探究，以实验的方式进行探究，通过转矩流变仪测定了采用不同润滑剂PVC-U体系的加工性能和热稳定性能，引用“铆钉作用”概念从润滑剂结构的角度分析了实验数据。结果表明，PVC润滑剂的润滑作用与其本身极性相关，在使用非极性聚乙烯蜡和强极性硬脂酸时，PVC-U体系不能形成较高抗撕裂强度的润滑膜，极性适中的硬脂酸季戊四醇酯与PVC粒子形成稳定的络合点，并组成较高抗撕裂强度的润滑膜，起到“铆钉”作用，即极性适中的脂肪酸酯润滑剂兼具内-外润滑作用，提高了体系的加工性能和热稳定性能。
关键词：润滑剂；聚氯乙烯；加工性能；影响；热稳定性
前言
对于聚氯乙烯（PVC）而言，润滑剂是能减少树脂与加工设备之间的摩擦力和粘附性，并能调控树脂塑化速率的加工助剂。而硬质聚氯乙烯（PVC-U）加工用润滑剂的作用机理与一般意义上的润滑剂有显著不同，这是由PVC树脂本身两大性质决定的：（1）PVC是强极性高分子，分子间较强的作用力造成其粘度较高，对加工设备粘附性强；（2）PVC的加工温度高于分解温度，在热和剪切作用下容易分解。关于PVC润滑剂的理论研究进展缓慢，具有代表性的规律很少，唯一所谓的公认规律是借鉴普通化学的相似相容规律：润滑剂作用的强弱，作用方式或作用机理取决于润滑剂与树脂的相容性，相容性取决于润滑剂的极性，润滑剂的极性又决定于其极性基团（羧基，酯基，羟基）的极性和长链烷基长度的比值。由此理论得到结论：化学结构决定润滑剂的作用方式，当润滑剂的极性不大于PVC时，其极性与PVC越接近，内润滑作用越好，反之，则外润滑作用较强。关于润滑剂极性和润滑作用的精确定量测试方法是L.F.金在1972年提出的测定玻璃化温度降低值（△tg）求PVC内润滑指数法，该测试方法是目前国内外测定内润滑剂极性和润滑作用较为公认的方法，但通过实验对比，此方法灵敏度太低，在润滑剂加入量5份以下与实际情况有较大出入。由于润滑剂化学结构复杂，相邻官能团之间存在相互影响，因此仅凭润滑剂极性来判断润滑剂的润滑作用与实际作用存在一定的差异。目前论述PVC用润滑剂结构及其性能相关理论的文章甚少，笔者就PVC-U配方基础上等量加入3种典型的不同极性润滑剂分别代表脂肪族烷烃、脂肪酸、脂肪酸酯，研究润滑剂结构对PVC-U加工性能等的影响，并试图从理论角度对其进行分析。
1 实验部分
1.1实验原料
聚氯乙烯（PVC），工业级，SG-5，中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司；甲基锡热稳定剂HTM 2012，工业级，浙江海普顿化工科技有限公司；碳酸钙（CaCO3），氯化聚乙烯（CPE）丙烯酸酯类共聚物（ACR），二氧化钛（TiO），润滑剂，聚乙烯蜡，硬脂酸，硬脂酸季戊四醇酯，市售。
1.2实验设备
转矩流变仪，RM-200A，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司。
1.3试样制备
为了方便研究，在表1的PVC-U配方基础上分别再加入聚乙烯蜡、硬脂酸和硬脂酸季戊四醇酯3种润滑剂，加入量为0.3份。再将各组分混合均匀以后加入到转矩流变仪中进行测试，实验时间为10 min。
1.4性能测试
1.4.1流变性能
准确称量相同质量的PVC混合料，加入到转矩流变仪进行流变行为测试，记录流变数据。实验条件：混炼器温度185℃，转子速度40 r/min。
1.4.2热稳定性能
从转矩流变仪中取出测试结束后的物料，观察其表面色泽。
2 结果与讨论
2.1润滑剂对PVC-U加工性能的影响
图1为不同润滑剂PVC-U体系流变曲线图，表2为各体系相应的流变参数。从图1中可以看出，随着润滑剂的加入，PVC-U体系的加工性能均得到改善，具体表现为塑化扭矩和平衡扭矩明显减小，塑化时间有所增加。三种润滑剂降低塑化扭矩和提高塑化时间的能力为：硬脂酸季戊四醇酯＞聚乙烯蜡＞硬脂酸。
聚乙烯蜡的化学组成是长链饱和脂肪族烷烃，是一种通用非极性外润滑剂。在PVC塑化以前，它包覆在PVC粒子表面使粒子相互滑动，塑化以后，在熔体外表面形成液体润滑薄膜，减少PVC熔体和设备金属表面的粘附性和摩擦力，延迟塑化。对于熔体粘度和流动特性要求相对不太高的PVC-U体系而言，聚乙烯蜡所表现出的外润滑作用效果相对较为明显。但是由聚乙烯蜡组成的外润滑膜的抗撕裂强度及对基体的粘附强度太小，容易受热及剪切力的破坏，不能均匀地润湿全部树脂微粒，导致其润滑效果受到一定程度的限制。硬脂酸与聚乙烯蜡相比多一个极性基团（羧基），是一种中前期极性内润滑剂。在PVC-U体系中，硬脂酸所形成的湿润膜与PVC树脂微粒表面之间的作用力较强于树脂内分子链段之间的相互作用力—范德华力，因此降低了熔体黏度，有加速PVC塑化的趋势，同时降低了平衡扭矩。然而，硬脂酸的非极性基团-长链烷基含量比聚乙烯蜡低，导致其在PVC内部所构成的微观两相界面（润滑薄膜）不能均匀包覆在PVC粒子之外，PVC熔体与金属设备之间不易于相互滑动，增加了粘附性，导致过多的摩擦生热，从而加速PVC的降解。硬脂酸季戊四醇酯是硬脂酸和季戊四醇的酯化产物，属于硬脂酸多元醇酯类润滑剂，其极性和长链烷烃的比例适中，因此极性介于聚乙烯蜡和硬脂酸之间。在PVC塑化时，硬脂酸季戊四醇酯的极性基团与PVC粒子表面的极性结合点相互络合，非极性的长链烷基部分则与体系中的非极性组分互容，从而形成润滑薄膜，润湿并包覆在树脂粒子表面，增强了润滑膜的抗撕裂强度和粘附性，起到“铆钉”作用，把润湿膜均匀固定在金属及PVC树脂表面，这样既降低了PVC分子间的作用力，又减少PVC熔体和金属表面的粘附性，兼具内-外润滑效果，使得体系的加工性能达到最优，这一点可以从该体系的扭矩和塑化时间数据得到证实。
2.2润滑剂对PVC-U稳定性能的影响
PVC的降解主要由热作用和剪切作用导致，润滑剂的加入能减少在加工过程中由于PVC粒子之间、PVC和加工设备之间的摩擦生热，延缓PVC降解，因此在PVC加工中，润滑剂是热稳定剂的增效剂，良好的润滑体系能减少稳定剂用量和提高稳定效率。图2为PVC-U体系热稳定效果图。从图2可以看出，硬脂酸季戊四醇酯体系的热稳定性能较好。其原因是硬脂酸季戊四醇酯的加入减少了PVC-U体系中树脂分子之间的相互作用力和树脂与加工设备间的摩擦力，降低塑化扭矩，延长塑化时间，减少体系局部过热的现象，并且它的多羟基结构络合部分不稳定氯原子，起到辅助稳定剂作用，有效延缓PVC的热降解。
3 结语
综上所述，蜡和硬脂酸分别加强了PVC-U体系的外润滑作用和内润滑作用，硬脂酸季戊四醇酯兼具内-外润滑作用。硬脂酸季戊四醇酯在PVC-U体系中形成的润滑膜抗撕裂强度和粘附性高，如“铆钉”一样把润滑膜固定在PVC粒子和金属表面，对体系的加工性能和热稳定性能有明显的提高。
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论文作者:杨凡
论文发表刊物:《知识－力量》2017年9月上
论文发表时间:2017/12/25
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