PVCU异型材中润滑体系的选择及应用.doc

PVC-U异型材中润滑体系的选择及应用吉祥辉在PVC-U异型材的配方研究中，除稳定体系和加工改性体系的设计外，还有一个较重要的就是润滑体系的设计，它自始至终都影响着产品的加工性能及综合性能，是决定塑料异型材性能的至关重要的因素。本文依据选用的稳定体系及加工方式来选择合适的润滑体系，并探讨其对异型材性能的影响。以此认识异型材加工过程中的润滑体系并使其能达到最佳的效能匹配。润滑剂的分类1润滑剂是为了改善聚氯乙烯熔体的流动性，防止物料与成型设备金属表面粘附，提高润滑性，减少有害摩擦，成型易进行而添加的一类助剂。按润滑剂功能分类为：内润滑剂、外润滑剂以及兼具有外润滑功能的内、外润滑剂。如下表： 表1润滑剂内滑比例%外滑比例%脂肪醇1000硬脂酸钙1000硬脂酸2080PE蜡2080脂肪酸酯1000硬脂酸铅5050石醋0100注：此表仅供参考，且随用量及温度变化，内外滑作用可能发生变化。一般内润滑剂有一定的极性，与PVC有一定的相溶性，它可以浸润到PVC粒子内部，降低大分子的内聚力和摩擦，从而促进塑化，降低熔体粘度，提高熔体流动性，一般添加量为0.2-0.5Phr，如硬脂醇，单甘油酯等。一般外润滑剂为非极性物质，与PVC相容性差，在成型过程中易析出塑料表面，与成型设备与塑料物料之间形成润滑膜，从而减少了物料对设备的摩擦与粘附，一般添加量为0.2-0.5Phr，如石蜡、低分子聚乙烯蜡等。另外，内、外润滑剂指兼具内润滑和外润滑双重功能的润滑剂，主要是指金属皂类。润滑机理内润滑剂的润滑机理与增塑剂的增塑机理相似。主要是它能促进树脂大分子间的相互滑移，减少了树脂内部的抗性变能力，克服了两固体间粗糙凸凹不平处的表面滑动摩擦和因范德华力及色散力面产生的粘附力。外润滑剂的滑润机理主要是通过调整PVC配方中的润滑剂，在加工中起到边界润滑而非油膜润滑。2边界润滑是指润滑表面，通过物理吸附或化学吸附，在表面形成仅几个分子层厚度的润滑剂吸附膜，这层吸附膜可以减少聚合物熔体与金属表面的粘附性，减少摩擦力，通过控制吸附膜的厚度与吸附膜的粘附性，有可能呈聚合物既不粘住金属表面，又不至于沿金属表面滑移的状态，物料仍可受到加工机械的剪切作用，仍然顺着螺槽向前输送。而油膜润滑情况，往往在润滑剂过量时发生，聚合物不能粘附金属，会沿金属表面滑移，物料既受不到剪切作用，也能沿螺槽输送，处于过度润滑状态。边界润滑的形成是有条件的，首先，润滑剂要熔化成液态，并能湿润摩擦表面形成膜，润滑剂还应与摩擦面结合，具有足够的结合强度，最好是形成化学键。温度过高、压力过大或聚合物流动速度过大，都会使润滑剂与金属表面的结合破坏，进面由边界润滑状态变化为欠润滑状态。为了增加润滑与金属的结合力，润滑剂应带有极性的较活泼的基因。同时，为了在聚合物熔体高速流动时，润滑剂吸附膜仍能保持，润滑剂的分子链应较长，且柔顺性较好，呈柔软的长毛刷子态结合在金属表面上。综上可知，硬脂酸及其皂类的润滑性比石蜡好，部分氧化聚乙烯蜡比普通聚乙烯蜡好，聚乙烯蜡又比石蜡润滑性好。另外，含有可与金属表面化学结合的极性基因，相对分子质量较高，分子链柔软的直链型润滑剂，可在较宽的温度范围内、较高的熔体压力和熔体流动速率下，保持边界润滑状态。润滑体系的选择与确定1、 确定原则如何能充分发挥润滑体系的作用并保证异型材的加工及内在性能，较大程度上依赖于润滑体系的选择与匹配，确定原则如下：（1） 能很好地分散于PVC树脂中，并与其它助剂相容性好，且不降低制品性能。（2） 不影响塑料的塑化性能，润滑效率高且持久，使制品表面光洁。（3） 能控制好熔化速率，可适合不同口模的要求。（4） 能与所选用的树脂、抗冲击改性剂、稳定体系及其它填料匹配。2、 常用的润滑体系（1） 石蜡-硬脂酸钙2单纯增加石蜡或硬脂酸钙的用量，均会使塑化温度提高或塑化转矩降低，二者并用后，外润滑效果更显著。在石蜡存在时，增加硬脂酸钙的用量，会导致塑化温度降低，塑化转矩提高，或在熔体温度相同时，塑化度提高。当总用量为2份时，改变两者的比例，发现石蜡/硬脂酸钙为3/1时，外润滑性最强；等量并用时，既可降低挤出机的工作电流，又可获得良好的力学性能和制品外观。（2） 硬脂酸铅-硬脂酸钙（钡）二者配合效果与石蜡-硬脂酸钙相似。但为提高塑化应采用以钙皂为主的配合，同时配合使用石蜡、PE蜡或硬脂酸，以保证挤出各段处于边界润滑状态，但其用量不可过大，以免影响挤出机的固体输送段的输送效率。此为较为常用的润滑体系。（3） 硬脂酸铅-二碱式硬脂酸铅3单独使用时，用量增加会使塑化时间延长，二者并用后，塑化速度比单独使用某一种时明显提高，等量并用时的塑化转矩和平衡转矩最低，塑化峰较窄，熔体结构均匀性较好，表现了边界润滑的特点。（4） 聚乙烯蜡-酯-硬脂酸钙2配合使用时具有明显的协同效果，高密度（氧化）PE蜡比低密度（氧化）PE蜡具有明显的促进塑化作用，若异型材断面复杂，要求流动性好，应以硬钙为主。综合上述，几种润滑剂配合使用后，难熔与易熔润滑剂会相互渗透，且易熔润滑剂的增稠和表面迁移能力降低，使加工范围变宽，提高熔体结构的均匀性并能提高制品的力学性能和外观质量，充分保证挤出过程中物料润滑平衡。3、 润滑剂的配合使用原则（主要指外润滑剂配合）（1） 根据确定的稳定剂来选择润滑剂配合，主要应考虑确定的稳定剂系统本身的润滑性特点。a) 有机锡类多与PVC相容性好，往往不仅有促进塑化的特点，而且还有严重的粘附金属倾向，特别是含硫链较短的有机锡，如甲基硫醇锡。且有机锡用量越高，熔体粘性往往也越高，加工机械承受的载荷就越大，这时可选用石蜡为主的石蜡-硬钙配合。b) 铅盐仅附在PVC粒子的表面，其作用相当于阻碍了PVC粒子间的融合，会明显推迟塑化，降低PVC粒子间的摩擦力，减少PVC内的剪切作用，加工设备承受载荷较低。铅盐用量越多，铅盐的颗粒越细，此种作用越明显。同时，铅盐本身没有防止物料粘附金属的能力，因此，为了获得结构均匀的熔体，为了防止PVC粘附金属，应选择在加工过程中可以熔化，分布于PVC粒子之间及PVC与金属界面上的含极性基因的外润滑剂，同时兼具辅助稳定作用。宜选择硬铅-硬钙组合为主，同时辅以石蜡、硬脂酸以及聚乙烯蜡的润滑体系。c) 液体皂类稳定剂（如Ba-Cd皂，Ca-Zn皂），常配合酯类助稳定剂使用。液体皂的外润滑性不如固体皂，酯类会帮助皂类向树脂内扩散。其润滑性介于有机锡与铅盐之间，多用于透明制品，使用的润滑剂也多为兼具内、外润滑作用的润滑体系，如高级脂肪酸酯，高级脂肪酸，也可配合使用石蜡、聚乙烯蜡。（2） 根据加工方式选择润滑剂的配比。以铅盐稳定系统为例，Pbst-Cast配合比例要随加工方式的改变成随制品类型的改变而改变。a) 用于单螺杆挤出机，物料受热时间较长，要使用的三碱式硫酸铅（三盐）较多，但用量过大会使塑化速度变慢。为了促进塑化应采用以钙皂为主的配合，同时，石蜡、聚蜡或硬脂酸的用量不可过大，以免影响挤出机固体输送段的输送效率，影响挤出速度。b) 用于双螺杆挤出机，物料受热时间较短，铅盐用量较少。而双螺杆的剪切能力较差，常采用较高的加工温度，防止物料粘附金属，适当降低口模阻力是润滑的主要目的，所以铅-钙皂配合可以铅皂为主，用量不可过大。同时石蜡的熔体粘度较小，对口模处润滑效率较低，可采用聚乙烯蜡代替。c) 制品种类不同，润滑剂的比例不同。如采用双螺杆挤出机挤出，异型材生产时要求熔体流动性要好、口模润滑要好，因此聚乙烯蜡用量比管材要多些，同时钙皂用量也应大些。铅皂-钙皂配合中以钙皂为主。d) 设备剪切能力不同，润滑剂的比例也不同。对剪切能力较低的设备，为保证塑化质量，可以采用促进塑化的润滑剂配比。e) 改性剂的不同也会影响润滑剂的用量。选用低表面活性的填料，如CaCo3，常会推迟塑化，宜采用促进塑化的润滑剂配比。选用高表面活性填料，如炭黑，填料对润滑剂的吸附吸收作用往往会导致熔体粘性增加，对设备的载荷会急剧增加，剪切摩擦热很大，此时就增加外润滑剂用量或采用适当推迟塑化的润滑剂配比。而使用抗冲击改性剂时，因会促进塑化，增加了粘附金属的倾向，剪切热较大，此时也应适当增加润滑剂用量，采用推迟塑化的润滑剂配比，以获得理想的塑化状态。另外，在采用表面积较大的成型设备或采用较高的加工温度时都应采用较多的润滑剂用量，这都是日常生产时应注意的问题。润滑体系在PVC-U异型材中的应用润滑体系在异型材中使用后，主要表现在对加工过程和产品综合性能的影响上。1、 对加工过程的影响（1） 可以显著影响熔化速率。主要表现在充分分散的外润滑剂通过摩擦生热量的减少，以物理方式推迟粒子的聚结和熔化；而充分分散的内润滑剂扩散到树脂粒子内部，减少限制分子扩散的极性力，从而促进熔化过程。（2） 可以影响聚氯乙烯熔体的温度。主要是通过对剪切力效能的减少和摩擦生热量的减少来降低熔体的温度。（3） 选用不同的润滑剂还会有不同的加工工艺。石蜡、聚乙烯蜡由于与PVC缺乏相容性，对凝胶化有推迟作用，温度设定要高一些。而具有极性基因的如酯类化合物、酯基的羰基可与PVC的-H形成氢键，可以促进凝胶化；温度设定宜低些。2、 对产品性能的影响润滑剂的使用能显著影响制品的拉伸强度，断裂伸长率和低温冲击强度，焊角强度等力学性能；也能影响制品的热变形温度和加热后状态；同时更能直观地影响到制品的外观及表面特性。因而润滑体系在异型材生产中自始至终占据着一个举足轻重的地位。（1） 对低温落锤冲击的影响润滑剂对制品低温冲击的影响，主要是通过对制品塑化效果的影响反映出来的。塑化程度越好，低温冲击强度越高。另外，内润滑剂的使用可以削弱聚合物分子间的内聚力，用量过多时，会显著降低异型材的抗冲击性。因此，选择润滑体系时一定要选择合适匹配的润滑体系。而在实际生产中，尤其应注意的是在使用CPE型作为抗冲击改性剂的配方中，应尽量减少蜡类润滑剂的用量。因为石蜡易溶于CPE型改性剂中，不仅会降低润滑效果，还会影响增韧效果，明显影响其低温抗冲性。（2） 对制品焊角强度的影响试验证明，在充分保证物料塑化的前提下，随润滑剂量的增加，焊角强度有减小的趋势。且内润滑性越强，焊角强度就越小3。主要原因是润滑剂有降低界面粘接能的特性。润滑剂用量越大，表面越不易粘合，焊角强度越小。详见下表：表2润滑剂用量(Phr)1.2Phr1.5Phr2.0 Phr2.5 Phr焊角强度（N）6324598352704532注：稳定体系采用铅盐，润滑体系采用铅皂-钙皂为主辅以石蜡、硬脂酸等，型材为80框，设备为北汽福田SJZ60/125挤出机组。（3） 对加热后状态的影响GB/T8814-1998中规定加热后状态指标为试验条件下不出现点泡、裂纹、麻点。而当润滑体系过量时，会使加热后状态时出现起泡和脱层现象4。（4） 对型材表面质量的影响润滑体系合理，就会充分保证物料的塑化度，表面光洁度就