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塑料润滑剂全面解析:原理、分类与应用指南

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塑料添加剂,又叫塑料助剂,是合成树脂进行成型加工时为改善其加工性能或为改善树脂本身性能的不足而必须添加的化合物。


目前各种塑料及塑料制品皆由合成树脂热塑化加工而成。由于原材料纯树脂在加工时具有易分解、流动性差、抗冲击强度低、耐候性差的特点,为了得到符合不同应用要求的塑料制品,生产加工过程中就需要添加不同的塑料助剂以提高或改变其原料的性能。


因此,塑料助剂行业是伴随着塑料应用的普及和塑料工业的发展而兴起的,与塑料行业息息相关。


另一方面,由于塑料制品性能的优异表现和持续改进能力在很大程度上取决于其加工过程中使用的各种助剂,因此塑料助剂在一定程度上决定了塑料应用的范围,而助剂品种的多少和质量的优劣也直接决定了塑料制品的品质。


因此,塑料助剂对塑料工业又有着举足轻重、不可或缺的作用。



目前,现代塑料工业中应用到的助剂品种多达数十类,按照塑料助剂发挥的功能和作用,主要包括有:

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几种较为常见的塑料助剂及其主要功能



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本文的内容将围绕塑料润滑剂展开。


01

润滑剂的定义及作用




能减少树脂内部及树脂混合物与加工设备金属表面的摩擦力及黏附性,并能调控树脂塑化速率的加工助剂称为润滑剂。


塑料加工中所用的润滑剂,尤其是强极性树脂如硬质聚氯乙烯加工时所用的润滑剂,作用机理及其功能都与一般意义上的润滑剂有显著的不同。这是由树脂结构所决定的,强极性树脂的树脂链上带有众多电负性较强的氯原子、氧原子、氮原子等。


同时,为了减少树脂熔体与加工设备金属表面的摩擦热 及对金属表面的黏附性,必须加入外润滑剂或加入以外润滑作用为主的内、外润滑剂。


如何控制塑化速率即塑化时间,合理的润滑体系是调控树脂塑化速率常用的有效方法。这也是高温易分解树脂必须使用润滑剂的重要原因,更是塑料润滑剂不同于一般意义上的润滑剂的重要功能和属性,这也表明润滑剂是一种特殊的加工助剂。


润滑剂不仅可以减少摩擦力,增大树脂的流动性,还有一个重要功能,即调控塑化速率。过早塑化对于一般的树脂来说,意味着处于熔融状态的时间较长,能耗较大,生产周期延长。


02

润滑剂的分类




润滑剂可以分为外润滑剂与内润滑剂,它们的作用机理不同。


外润滑剂一般是非极性或极性较低的有机化合物,因而表面张力很小,与强极性的树脂相容性也很小,极易被强极性树脂排斥到体系的界面上,形成薄层外润滑膜。


它与聚合物相容性较差,容易从熔体内往外迁移,所以能在塑料熔体与金属的交界面形成润滑的薄层。常用的外润滑剂是硬脂酸及其盐类。


内润滑剂通常是带有极性基团的小分子有机化合物。根据相似相容原理,内润滑剂与极性树脂具有很好的相容性,它在聚合物内部起到降低聚合物分子间内聚力的作用,从而改善塑料熔体的内摩擦生热和熔体的流动性。


实际每一种润滑剂都有可以实现某一要求的作用,总是内外润滑共同作用,只是在某一方面更突出一些。同一种润滑剂在不同的聚合物中或不同的加工条件下会表现出不同的润滑作用,如高温、高压下,内润滑剂会被挤压出来而成为外润滑剂。


一般润滑剂的分子结构中,都会有长链的非极性基和极性基两部分,它们在不同的聚合物中的相容性是不一样的,从而显示不同的内外润滑的作用。按照化学组分,常用的润滑剂可分为如下几类:脂肪酸及其酯类、脂肪酸酰胺、金属皂、烃类、有机硅化合物等。


03

塑料润滑剂VS机械润滑剂




塑料润滑剂全面解析:原理、分类与应用指南(图3)

润滑界面的物理状态不同


机械行业中的润滑界面均是两个连续的坚固固体之间的界面,而塑料加工润滑界面是高分子混合物与塑料加工设备(连续固体)之间的界面。

2

塑料润滑剂全面解析:原理、分类与应用指南(图3)

润滑作用不同


由于高分子在塑化后成为高黏度流体,流动性极差,为了用一般加工设备加工不易加工成型的高分子,如超高分子聚乙烯、硬质聚氯乙烯以及超薄、超硬质工程塑料制品,就必须在高分子混合物中加入能降低高分子黏度的内润滑剂。


这些内润滑剂在树脂尚未塑化以前能进入树脂粉末内部,即内润滑剂必须能润湿树脂微粒,并能进入微粒之间、分子之间、分子链段之间,与树脂分子形成络合键,被高分子化学吸附,从而构成树脂内部的微观润滑界面,降低了分子间的摩擦力。这是与机械行业润滑作用本质的不同点。


为了降低高分子熔体与塑料加工设备表面的摩擦力,还必须加入与高分子相容性更差的外润滑剂。而这种外润滑剂作用与机械润滑剂作用也有所不同。

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塑料润滑剂全面解析:原理、分类与应用指南(图3)

降低摩擦力的要求不同


机械用润滑体系,要求润滑剂尽可能地减少摩擦力,其润滑作用越强越好。而塑料润滑体系则要求润滑体系必须有适度的摩擦力,便于高分子混合物的输送、混合、塑化、均匀,因而要求“适度的润滑作用”。

4

塑料润滑剂全面解析:原理、分类与应用指南(图3)

对润滑剂膜厚度要求不同


由于机械润滑体系是两个坚固固体表面的润滑,为了使加入润滑剂的次数较少并保证长时间的充分润滑作用,可以一次加入较多的润滑剂,其润滑膜厚度可达hnm左右。而塑料润滑体系要求尽可能少地使用润滑剂,其润滑膜越薄越好,最好是分子级厚度的润滑膜。

5

塑料润滑剂全面解析:原理、分类与应用指南(图3)

对润滑膜形成的速度、润滑膜强度要求不同


一般高分子混合物在热及剪切力作用下从玻璃态的粉料或颗粒经高弹态变成黏流态,最后均化、定型的整个加工过程其实很短,这要求塑料润滑剂在高分子混合物塑化前的几分钟内能润湿高分子微粒并被高分子微粒所吸附(化学吸附),这就要求润滑膜能快速形成。


又因为塑料加工成型是在高温、强剪切力作用下进行的,所以不仅要求润滑剂能快速地润湿、铺展在树脂微粒表面及加工设备的金属表面,同时还要求润滑剂所形成的润滑膜要有足够的抗撕裂强度及黏附强度,以抵抗高温热能转变为分子运动的动能减弱润滑膜分子间作用力或润滑膜与树脂表面、金属表面间的黏附力以及强剪切力对润滑膜的破坏,以免破坏树脂及金属表面润滑膜的完整性,降低润滑剂的润滑作用。而机械润滑剂却不需要考虑这些因素。


04

润滑剂的选择




塑料制品已应用到工业及生活的各个领域,并且应用领域还在不断扩大,尤其是热塑性工程塑料及其共混合金更是发展迅速,正在不断地取代金属制品。因此,对塑料制品的质量要求越来越苛刻。如高保真光盘及计算机软件、高抗冲击高透明无毒制品等均对润滑剂有严格的要求。


一些特殊工程塑料的加工,如超高分子量聚乙烯的加工,又如具有高抗冲击强度及硬度、高导电性能、超薄手机外壳的加工,均提出了相互矛盾的要求:既要有高熔体强度、高熔体黏度,又要有很好的流动性。


事实上,不仅是一些工程塑料及其共混合金对润滑剂的选择有很高的要求,普通的塑料制品,或因工艺的要求、设备的特殊性,或因制品的一些特殊性能的需要,也会增加选择润滑剂及调整润滑平衡的难度。


因而,选择润滑剂的标准,不能仅仅以润滑作用强弱为标准,优良的润滑剂还应具有如下一些性能。


(1) 对塑料性能应无不良影响

如对塑料的光、热稳定性、力学性能、电性能、透明性、毒性及二次加工性等均无不良影响。

(2) 润滑剂本身要有优良的光、热稳定性及化学稳定性

光稳定较差,在塑料制成成品被光照以后颜色会变深,甚至分解的润滑剂是不可取的;如果润滑剂的热稳定性及化学稳定性较差,在热加工时,会分解成其他的物质,可能会影响体系平衡而给加工带来不便。

(3)良好的分散性

一切助剂的加入量均很有限,内、外润滑剂的加入总量一般不超过2.5份,所以要求润滑剂必须有良好的分散性。这当然与润滑剂的内聚力,与树脂的相容度有关,但也与润滑剂的熔点有关。如果润滑剂的熔点高于塑料加工温度,相容度又差,润滑剂就很难达到分子级分散在树脂熔体中。如果润滑剂熔点在120P以下,则在树脂高速混合时即已经熔化,有可能更均匀地分散在树脂中。

(4) 低挥发性

一般润滑剂的熔点越高,其挥发性越低。

(5) 与其他助剂的协同效应

如果一种助剂有多种功能,当然好,但必须是在不影响本助剂的主要功能或特性的条件下能达到一种助剂起多种助剂的作用,或者与其他助剂有协同作用并且性能价格比较好时才是可行的。金属皂类是热稳定剂,也是常用的润滑剂。它们均能加强其他助剂的作用,只要使用得当,可视为与其他助剂有正协同作用。

(6) 要有较好的质量价格比

一种润滑剂要完全达到上述要求几乎是不可能的,也是没有必要的。润滑剂是一种加工助剂, 只要能满足特定的设备及工艺要求正常生产岀质量满意的产品即可。


05

润滑剂在热塑性工程塑料中的应用




热塑性工程塑料涉及范围较广,主要有聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、热塑性聚酯(PET、PBT)、热塑性聚氨酯(TPU)等。


在一般的聚酰胺PA制品中,中性的硬酯酸金属盐类及酰胺 蜡润滑剂目前仍然占主导地位。


在玻璃纤维增强材料中,用褐煤酸乙二醇酯(E蜡)作为润滑剂可以提高制品的力学性能,如果事先把玻璃纤维用合适的助剂预处理,用改性EBS完全有可能达到同样或更好的效果。


在聚碳酸酯PC树脂中,一般用硬脂醇的硬脂酸酯作为润滑剂,而季戊四醇四硬脂酸酯可以作为透明聚碳酸酯制品的润滑剂,对于质量要求更高的PC光盘可用褐煤酸酯作为润滑剂。


另外,在工程塑料加工中,还常采用涂覆方式使一些聚合物在熔体与设备界面上形成具有润滑性的薄膜。


表1 工程塑料常用的聚合物润滑剂

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06

国内部分塑料润滑剂生产厂家




润滑剂与其他塑料助剂一样,其发展和进步取决于塑料加工技术的现代化,取决于助剂理论和检测手段的现代化。随着通用塑料工程化以及塑料合金的广泛开发及应用,必将促进润滑剂的新发展。


表2 国内部分塑料润滑剂生产厂家及产品

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