不同類型的加工設備,如擠出(又分單、雙螺桿) 、注塑、壓延, 均要求有不同的潤滑平衡。嚴格地講,同類設備,不同生產廠家的產品, 甚至同一個設備新的與舊的對潤滑平衡均有不同的要求。不同類型的產品,如管、膜、片以及型材, 也有各自不同的潤滑平衡。例如, 生產異型材、擠出片材、注塑制品、中空制品、吹塑膜及高透明制品均要有較高的塑化程度,較高的流動性,因而要求較高的塑化速率,所以內潤滑劑要多一些;而對于管材的生產而言, 它的塑化程度以60 %～70 %為宜[8 ,9 ] , 因而要求塑化速率低一些, 外潤滑劑應相對多一點;對于壓延工藝,為了熔融的PVC 易于剝離壓延輥, 外潤滑劑亦應多一些;而注塑工藝則要盡可能少用外潤滑劑,盡可能地減少外潤滑對熔接痕強度下降的影響。

      實驗室中如何評價內、外潤滑平衡

      內、外潤滑劑用量均不足

      其特點是塑化扭矩較大, 熔體粘附性較嚴重,有可能提前熱分解。

      內、外潤滑劑用量均過量

      其特點是析出較嚴重, 制品力學性能下降(如試樣較脆) ,二次加工性能較差,但其他實驗數(shù)據(jù)均與內、外潤滑平衡時相似。

      內潤滑劑較少,外潤滑劑較多

      其特點是塑化時間較長,塑化扭矩較大,有可能出現(xiàn)析出現(xiàn)象(外潤滑劑過量) 。

      內潤滑劑較多,外潤滑劑較少

      其特點:塑化時間較短,有較重的粘附現(xiàn)象,有可能熱穩(wěn)定性變差。總之外潤滑劑用量不足則有粘附現(xiàn)象,塑化時間短;過量則力學性能下降,有可能有析出現(xiàn)象。內潤滑劑用量不足, 則塑化扭矩較大, 塑化時間較長; 過量則塑化時間較短,塑化扭矩較小,熱穩(wěn)定性有可能變差。

      關于從流變儀得到數(shù)據(jù)的分析

      熔體的流動性與粘度成反比, 粘度又與扭矩成正比。所以,熔體流動性越好,扭矩越低。在扭矩流變儀的結果中給出三種扭矩值,即最小扭矩,最大扭矩(塑化扭矩) 及平衡扭矩。筆者認為,塑化扭矩是評價潤滑劑改善pvc 樹脂流動性的最重要指標。當然,最小扭矩及平衡扭矩也有一定的參考意義, 但它們均與塑化扭矩有很好的對應關系, 一般塑化扭矩大,最小扭矩及平衡扭矩也較大,反之亦然。筆者還認為, 塑化扭矩對實際加工設備轉動裝置能量消耗的影響遠大于平衡扭矩的影響。原因有二: ①在一般接近實用硬PVC配方中均有ACR 加工助劑, 在這種情況下,不同的潤滑體系的塑化扭矩值的變化較大,而平衡扭矩值變化卻很不顯著[8 ] ; ②由于多種原因(如盡量避免熱分解,提高生產率等) ,加工者希望熔融物料在平衡扭矩所對應的時間盡可能地短一些,即達到預期塑化程度后,塑料熔體盡早離開加工設備。雖然塑化扭矩只是一個峰值, 但整個塑化峰所對應的時間的積分面積(能量消耗) 卻遠大于平衡扭矩所對應的時間的積分面積(能量消耗) 。事實亦證明:塑化扭矩只大百分之幾,因它積分面很大,所以消耗的能量亦很大,加工設備因不堪重負,而有可能“報警”[10 ]。

      對于塑化峰的峰值(塑化扭矩, 塑化時間) 常見于報道中, 但對塑化峰的形狀(即半峰寬度及半坡斜率) 卻少見評論, 事實上, 半峰寬度及后半坡斜率亦是潤滑體系影響樹脂熔化特性一個重要標志。
相對而言, 能耗較少, 較充分地利用了摩擦熱,進一步促進了樹脂塑化, 減少樹脂在設備中停留時間,有利樹脂的熱穩(wěn)定化,并為進一步提高生產效率提供了可能性。

      潤滑劑的選擇

      前已述及內、外潤滑劑平衡的多樣性以及“相容度”影響潤滑劑的作用和屬性。這些均給配方工作者在選擇和應用潤滑劑時帶來諸多不便。因為選擇潤滑劑既沒有“理論”指導, 也沒有帶有普遍意義的規(guī)律可供參考。雖然如此,仍然有一些經驗可供參考。

      選擇潤滑劑的一般原則

      如前所述, 要合理兼顧PVC 樹脂的流動性、防粘性及塑化速率。也就是一定要使內、外潤滑作用平衡,達到能經濟、連續(xù)生產的目的。

      研究與實踐表明: 并不是100 %塑化的制品質量最好,力學性能最高[8 ,9 ]。另外,出于多種原因的考慮, 不同的制品對塑化程度均有不同的要求。不完全塑化,不僅質量好,產量高, 能耗低, 并且可以降低熱穩(wěn)定劑用量,有利于降低成本, 提高產量。在充分考慮熱穩(wěn)定劑及其他助劑等因素對潤滑劑影響的前提下,通過調整內、外潤滑劑品種與數(shù)量可以調控塑化速率, 增加樹脂流動性及改善粘附性。

      選擇潤滑體系的一般實驗程序

      (1) 標準樣

      用一個加工性能好, 品質優(yōu)良的同一類設備生產同一類產品的高速攪拌料, 用扭矩流變儀做實驗。測試其塑化時間, 塑化時扭矩及塑化峰寬度和峰后坡斜率。然后調整內、外潤滑劑品種及數(shù)量,使其與標準樣盡量接近。

      (2) 首先通過改變內潤滑劑品種及用量來改變PVC 熔體流動性即熔體粘度(塑化扭矩值) 。

      ( 3) 在基本調整好熔體粘度(塑化扭矩值) 的前提下,通過改變外潤滑劑的品種與數(shù)量調整塑化時間(即塑化速率) 。當然, 增減外潤滑劑的數(shù)量或改變其品種時, 對塑化峰值亦有所影響。

      (4) 防粘性

      在熔體的流動性、塑化時間(速率) 基本滿意以后,應考察防粘附性是否足夠,如果防粘性仍然不足,可適當按比例增加內、外潤滑劑的用量。如果感覺防粘性已經可以(不粘流變儀混合頭的轉子) ,這表明潤滑劑總量有可能過量(這是高水平的潤滑平衡) , 可適當減少一些內、外潤滑劑的用量,直至有輕微的發(fā)粘為止。在此基礎上適當補加一些內、外潤滑劑使它不發(fā)粘, 這是較低水平的潤滑平衡, 也是較接近實際應用水平的潤滑平衡。高水平的潤滑平均雖然可以改善PVC 體系的熱穩(wěn)定性、降低熱穩(wěn)定劑用量、減少配方成本,但外潤滑劑的析出現(xiàn)象有可能較嚴重,對連續(xù)產不利。同時,有可能使停機率增加、生產率下降、廢品率上升, 增大了生產成本,并帶來諸多操作不便, 甚至會影響二次加工性能。

      (5) 放大實驗

      把上述初步確定的配方在生產中進行放大試驗,發(fā)現(xiàn)有何不足處,再有針對性調整體系, 如此反復幾次即可設計出一組較滿意的潤滑平衡體系,達到經濟、連續(xù)生產優(yōu)質產品的目的。

      如果沒有標準配方, 可以向熱穩(wěn)定劑或潤滑劑的生產商索要參考配方, 按參考配方試生產一次,找出存在問題,并按參考配方做Brabender 流變實驗, 參照流變實驗結果按上述試驗程序進行改進, 或用便宜的產品對原參考配方中潤滑劑進行取代。

      實驗數(shù)據(jù)對實際生產的影響

      由于實驗物料量與大生產的物料量比例過于懸殊、實驗設備與實際生產設備差別太大、實驗中的物料與大生產中的物料所受的熱及剪切力的經歷差別也太大等原因, 從扭矩流變儀上所得到的實驗數(shù)據(jù)有微小的差異均有可能對大生產造成嚴重影響。下面列舉了三個配方的實驗結果及在生產中情況, 以供參考[7 ]。

      配方是山東某廠用平行雙螺桿正常生產管材的混合料測得數(shù)據(jù)。2 #配方是外國某生產熱穩(wěn)定劑公司推薦配方, 據(jù)稱在美國已經廣泛地用于錐形雙螺桿擠出有機錫熱穩(wěn)定劑的管材,但是在平行雙螺桿擠出時,只能在遠低于正常轉速時才能生產出合格管材,主機轉速稍一提高, 即會因主機扭矩太大而自動報警, 不能正常生產。分析一下上面的實驗數(shù)據(jù): 2 #配方較1 #配方塑化時間短了12s , 即短了414 %的時間; 雖然2 #配方的塑化扭矩只比1 #配方大了2 %。但在用于實際生產時差別卻非常之大。
3 #配方是筆者在2 #配方基礎上改進的配方, 塑化時間3 #比1 #延長20s , 延長7 %;塑化扭矩3 #比1 #小013N m, 小了018 %。結果3 #配方可以正常地使用平行雙螺桿擠出合格管材。

      評價單獨潤滑劑的標準及實驗設備

      評價潤滑體系的標準前文已提及, 要合理地兼顧熔體流動性, 防粘附性及塑化速率。但在有些情況下, 即使達到上述標準也不能滿足現(xiàn)代化大生產的要求,不能經濟地、連續(xù)生產優(yōu)質產品。如注塑制品還要求有很好的脫模性, 在模具中既要形成一層潤滑薄膜, 同時在熔體表面又不能有與樹脂完全不相容的潤滑薄膜存在, 否則就影響熔體熔合線處的力學強度。因此評價某種潤滑劑的優(yōu)劣不能僅僅以其潤滑作用的強弱為標準, 優(yōu)良的潤滑劑還應具有如下的一些性能。

      潤滑劑還應具有的其他性能

      對塑料性能無不良影響

      如對光、熱穩(wěn)定性、力學性能、電性能、透明性、毒性及二次加工性能均無不良影響。

      優(yōu)良的光、熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性

      如果熱穩(wěn)定性低或化學穩(wěn)定性差, 在加工時有可能分解成其他物質, 可能影響潤滑體系平衡而給加工帶來不便。兼有良好潤滑作用的熱穩(wěn)定劑———金屬皂, 它們在參與熱穩(wěn)定化反應以后生成金屬氯化物及硬脂酸,這兩種物質在PVC 中的相容度與原來的硬脂酸鹽差異較大,其潤滑性差異亦很大,有可能造成內、外潤滑失衡。

      分散性好

      潤滑劑加入總量一般不超過2. 5phr , 所以要求它必須有良好的分散性。分散性除與潤滑劑的內聚力、相容度有關外,也與熔點有關, 如果熔點高于加工溫度, 相容性又差, 潤滑劑很難均勻地分散在PVC 樹脂中。熔點最好在115 ℃以下, 這樣在高速攪拌時即已熔化,使其更均勻地分散在PVC 樹脂中。

      低揮發(fā)性

      一般熔點越高揮發(fā)性越小。硬脂酸及石蠟價格便宜,潤滑作用強;石蠟的熔點隨品種而異,在選用時應選高熔點石蠟,用量亦不宜太多, 否則因其揮發(fā)而破壞中、后期潤滑平衡,甚至影響連續(xù)開車時間。

      與其他助劑的協(xié)同效應

      一些多羥基部分酯化物的內潤滑劑, 可以絡合不穩(wěn)定氯原子, 從而有一定輔助熱穩(wěn)定劑作用, 同時也能起到防霧滴及抗靜電作用; 作為熱穩(wěn)定劑的金屬皂類, 只要使用得當,也可以起很好的潤滑作用。

      有較好的質量價格比

      事無萬全, 一個潤滑劑要完全達到上述各項要求幾乎是不可能的, 也沒有必要。只要能滿足特定的設備及工藝要求, 正常生產即可。例如異型材一般不要求透明度、電性能等特性。因此, 就無需選用具備這些性能的品種。

      使用潤滑劑的操作彈性

      好的潤滑劑不僅具有潤滑作用強及上述的一些性能外, 還應有較寬的操作彈性。如配料比的微小差異、工藝條件的變動(溫度的波動、壓力增減等) , 尤其是為了提高產出率而提高擠出速度等情況時, 生產者希望潤滑體系仍然處于平衡狀態(tài), 保證更經濟地高速連續(xù)化產。

      選擇潤滑劑時所需的實驗

      (1) 雙輥混煉機實驗

      稱取100g PVC 樹脂, 按設計配方加入待考察的潤滑劑及其他助劑, 并把粉料基本混均勻, 在雙輥溫度達到180 2 ℃時, 啟動雙輥把粉料倒入雙輥間,并開始掐秒表計時,測定其抱輥時間,觀察粘輥情況。

      (2) 扭矩塑化儀(Brabender) 實驗試驗在相同實驗條件下考察配方中不同潤滑劑的潤滑特性,測試其塑化時間、塑化扭矩及半峰寬度。轉速低或設定溫度低時, 塑化時間較長, 塑化扭矩較低, 半峰較寬; 轉速高或溫度高時其結果與上述情況相反。

      (3) 析出實驗

      在待測配方中加入一些顏色較深的顏料" target="_blank">顏料(例如紅色顏料" target="_blank">顏料) , 在雙輥混煉機上混煉5～7min , 然后用加有30phr DOP 及4phr TiO2 的軟片清洗雙輥。比較軟片上紅色程度, 確定析出程度。