几种润滑剂性能比较及其对ABS熔融加工的影响

2014-10-11阳范文杨清华谭铭浩徐克谋

合成材料老化与应用 2014年3期

阳范文，杨清华，谭铭浩，张良，徐克谋

(1广州医科大学生物医学工程系，广东广州510182;2广州源泰合成材料有限公司，广东广州510635)

润滑剂是塑料成型加工不可缺少的成分之一，一种良好的润滑剂不仅能改善材料的润滑性能，而且还能改进色泽、增加光泽、促进熔融、避免降解、增加制品韧性、降低加工能耗和提高加工速率等［1－3］。因此，塑料加工业中的润滑体系的研究和应用显得十分重要。

塑料用润滑剂根据其作用方式可以分为内润滑剂和外润滑剂两大类［4－5］。内润滑剂用来减少聚合物分子链间的内聚力，起到加速熔融、降低熔体粘度、延长加工寿命、改善流动性和提高透明性等作用。外润滑剂起防止熔融聚合物粘附于热加工设备表面的作用，起到降低摩擦、提高外观光泽度和改善脱模性能［6］。一般而言，用于同一塑料的内、外润滑剂的结构组成一般不同，其功能也各异;用于不同塑料的润滑剂因塑料本身的分子结构组成和极性差异较多，要求润滑剂的组成、结构和极性与之匹配才能达到最佳的润滑和分散效果。本文针对ABS塑料中常用的四种润滑剂进行研究，对比其转矩流变性能、熔点和耐热性能，为ABS改性材料的加工应用和ABS色母粒的配方设计提供参考。

1 实验部分

1.1 原材料

ABS HI－121H，宁波甬兴公司生产;EBS，花王公司生产;YY－503A、YY－502A、YY－5502润滑剂由广州源泰合成材料有限公司提供。

1.2 主要设备、仪器

转矩流变仪器:ROTI－55/20，广州普同公司;热压成型机:BL－6170－A型，东莞宝轮公司;红外光谱:6700型，美国NICOLET公司;差示扫描量热仪:DSC 2003F3，德国NETSCH公司;热重分析仪:TG 209F3，德国NETSCH公司。

1.3 试样制备

将ABS在80℃下干燥4h，然后分别添加1%、2%、3%、4%的润滑剂，简单混合后采用普同公司生产的转矩流变仪进行熔融共混，温度设定180℃、混炼时间5～10分钟，扭矩达到平衡即可停止混炼。

1.4 性能测试

将1.3中转矩流变仪测试所得的转矩－时间曲线进行对比分析，分别比较不同润滑剂对应的最大扭矩、熔融扭矩和平衡扭矩来评价其加工性能。

采用红外光谱仪(FT-TR)分别测试四种润滑剂的红外反射光谱，粉末样品直接测试，扫描波数范围为400～4000cm－1。

采用差示扫描量热仪(DSC)分别测试四种润滑剂的DSC曲线，先从20℃升温到200℃消除热历史，升温速度10℃/min;然后从200℃降温到20℃，降温速度10℃/min;测试20℃升温到200℃的DSC曲线，测定润滑剂的熔点。

采用热重分析仪(TG)分别测试四种润滑剂的TG和 TGA曲线，升温速度10℃/min，温度范围:20℃ ～600℃，从而比较其耐热性能。

2 结果与讨论

2.1 润滑剂的红外光谱分析

四种润滑剂的红外光谱见图1所示。从图1中可知，所有润滑剂在 2950cm－1、2850cm－1、1700cm－1、1500cm－1、1100cm－1和 800cm－1出现了吸收峰，图谱的差异性不大。其中2950cm－1、2850cm－1对应甲基和亚甲基的特征吸收峰，1700cm－1、1500cm－1与C=O 基团对应。比较而言，YY －503A 在1700cm－1、1500cm－1处的峰强度比其它润滑剂较弱，推测其极性相对较弱。

图1 几种润滑剂的红外光谱Fig.1 FT-IR curves of lubricants

2.2 润滑剂的DSC分析

四种润滑剂的DSC分析结果见图2所示。从图2中可知，EBS只有一个熔点，大约为143℃;而其它润滑剂有双熔点，如YY－502A的熔点分别为63.2℃ 和 140℃，YY－5502分别为 72.7℃ 和136.9℃，YY－503A分别为75.3℃和152℃。双熔点润滑剂设计的最大优势在于初始熔融阶段低熔点组分可对颜料进行包覆和表面处理，在熔融完成后高熔点组分提供分散和润滑作用，避免低熔点润滑剂在加工初期出现润滑过渡的问题。

图2 四种润滑剂的DSC曲线Fig.2 DSC curves of lubricants

2.3 润滑剂的TG和DTA分析

四种润滑剂的TG和DTG分析结果见图3所示，润滑剂的耐热性能比较见表1。

图3 四种润滑剂的TG和DTG曲线Fig.3 TG and DTG curves of lubricants

表1 润滑剂的耐热性能比较Table 1 Comparison of heat resistance for lubricants

从上述分析可知，EBS和YY－5502的耐热性能相当，5%失重温度为210℃ ～220℃。而 YY－502A和YY－503A的5%失重温度分别为282.7℃和277.5℃，耐热性能明显优于EBS和YY－5502。ABS通常在200～250℃条件下加工，YY－502A和YY－503A更匹配ABS的熔融加工条件。

2.4 润滑剂用量对转矩流变性能的影响

改变润滑剂的种类和用量，研究其转矩－时间曲线，结果如图4所示，图4中(a)、(b)、(c)和(d)分别为EBS、YY－502A、YY－5502和YY－503的转矩流变曲线。

图4 添加不同润滑剂的ABS熔融曲线Fig.4 Melt curves of ABS added with lubricants

从图4中可知，四种研究对象的转矩－时间流变曲线均呈现共混初期扭矩急剧上升，然后降低并再次出现扭矩升高，最后趋于稳定。出现上述现象的原因与熔融共混过程中物料的熔融状态有关:在加料完毕压杆下压过程中，密炼腔中的阻力突然增大，因此出现扭矩突然上升的现象——加料峰;随后，物料压实并在转子的剪切作用下出现破碎和开始熔融。当体系呈现半熔融状态时，体系阻力再次增加;随着物料的进一步熔融，体系阻力逐步减小;当物料达到完全熔融和混合均匀状态时，扭矩趋于稳定。

在润滑剂种类不变的情况下，改变其添加量所得转矩流变曲线存在以下规律:随着润滑剂用量增加，出现最大扭矩所需的时间增加，熔融过程逐渐延长，最大扭矩降低，说明润滑剂加入降低了ABS熔体粘度，改善了材料的加工性能。

不同的润滑剂对熔融塑化的影响存在差异，为了比较其对ABS熔融加工过程的影响，将熔融过程的起始熔融时间、最大扭矩和平衡扭矩进行比较，结果如表2所示。

表2 起始熔融时间、最大扭矩和平衡扭矩比较Table 2 Comparison of Melting starting time，maximum torque and the torque balance

从表2可知，在润滑剂用量为1%的情况下，EBS、YY－502A和YY－5502出现最大扭矩的时间差异不大，说明其外润滑效应基本相当;但EBS和YY－502A的最大扭矩低于YY－5502，它们的平衡扭矩也低于YY－5502和YY－503，说明 EBS和YY－502A内润滑效果比较好。可以推测EBS和YY－502A相对较强，而YY－503A极性相对较弱，与2.1中红外光谱分析结果相一致。YY－503因其极性较弱，对ABS主要起到外润滑作用。