一种新润滑机理的水基链板润滑剂的研制

马 杰，林 璟

（1.广州泰晟生物科技有限公司，广东 广州，511470；2.广州大学，广东 广州，510006）

一种新润滑机理的水基链板润滑剂的研制

马 杰1，林 璟2

（1.广州泰晟生物科技有限公司，广东 广州，511470；2.广州大学，广东 广州，510006）

通过长EO链AEO型非离子表面活性剂与短EO链AEO型非离子表面活性剂、增溶剂的复配，制备出一种适合于非极性、弱极性材质塑料界面使用的新型水基链板润滑剂。

非离子表面活性剂；EO链；增溶剂；水基链板润滑剂

食品饮料行业的快速发展，包装物更新换代频率加快，透明、韧性较好的PET/PE材质的大量应用，给客户带来美观和通透性的同时，也给润滑剂行业带来了挑战。常用塑料材质的类型一般为PET(聚对苯二甲酸乙二酯，sp:10.7)或PE(聚乙烯，sp:7.9-8.1)，其溶解度参数较低，非极性为主，而常见水基链板润滑剂由于采用水溶液这种强极性为连续相的溶剂，故存在极性差别大所导致的润滑剂有效成分在被润滑介质表面的润湿、吸附、成膜效率的降低，因此，针对PET/PE材质包装物的食品饮料包装行业的链板润滑需要，开发出润滑性能优异的润滑剂，是当前行业的迫切需要。

1 实验部分

1.1 试剂仪器

市售多种表面活性剂

BZY自动表面张力仪，自己设计的润滑指数测定仪。

1.2 实验用材

PET瓶—模仿生产现场用塑料瓶。

PE塑料链板—模仿生产现场用塑料链板。

1.3 实验条件

表面张力：采用0.3%～0.5%自来水稀释的水基链板润滑剂溶液在铂金版上的的表面张力；

润滑力指数：采用0.3%～0.5%自来水稀释的水基链板润滑剂在仪器上两相界面间的润滑力指数。

1.4 试验方法

表面张力检测依据《GB/T 22237－2008 表面活性剂 表面张力的测定》的相关条款检测方法进行检测。表面张力越低，润滑剂稀释液在界面上的润湿渗透效果越佳（但其数值不一定润滑性能越好）。

润滑力指数，采用公司自己设计的链板摩擦力测试仪进行PETPE塑料瓶与塑料链板的摩擦力测试，采用如下公式进行摩擦力指数换算：

摩擦力指数=（水摩擦力－待测润滑剂摩擦力）/水摩擦力

式中：采用相同包装物瓶及内容物，保证要对比的瓶底与塑料链板间有相同的压力；

待测润滑剂摩擦力：采用润滑剂以0.2%浓度水溶液为工作液，连续喷淋，在600s内摩擦力的平均值，mN;

水摩擦力：采用自来水溶液为工作液，连续喷淋，在600s内摩擦力的平均值，mN。

摩擦力指数越高，代表界面上润滑剂相对于自来水摩擦力的差值越大，润滑性能越好。

倒瓶率：采用生产车间的固定线路上，以恒定生产速度(45000瓶/小时)，每小时统计不同部位的倒瓶率总和，排除机械故障或链道不平整导致的倒瓶。

倒瓶率越小，代表单位时间链板上倒瓶越少，润滑性能越好。

1.5 实验过程及方法

1.5.1 新润滑理论的试验研究及推理应用

① 脂肪醇聚氧乙烯醚与非极性、弱极性材质的吸附理论验证

研究了：脂肪醇聚氧乙烯醚分子中，亲油端烷基链的不同长度及支链结构对极性偏移贡献大小的研究；脂肪醇聚氧乙烯醚分子中烷基与非极性、弱极性塑料材质色散力的分析及不同溶解度参数的对比研究；脂肪醇聚氧乙烯醚分子中聚氧乙烯链的长度对吸附作用的研究；脂肪醇聚氧乙烯醚分子中聚氧乙烯链中氢键（H..O）的作用研究，及对吸附性能及润滑性能的作用研究。

② 长EO链脂肪醇聚氧乙烯醚分子膜厚度与阳离子表面活性剂成膜作用的比较

通过电子显微镜检测界面膜的分子结构及厚度；通过界面成膜后的表面张力及溶液临界胶束浓度的测试，对比长EO链脂肪醇聚氧乙烯醚分子膜与阳离子表面活性剂成膜作用的强弱。

③ 长EO链脂肪醇聚氧乙烯醚与短EO链脂肪醇聚氧乙烯醚成膜作用的增强

长EO链脂肪醇聚氧乙烯醚与短EO链脂肪醇聚氧乙烯醚复配后，通过电子显微镜及成膜后界面/表面张力的大小及与阳离子表面活性剂的吸附膜对比，溶液临界胶束浓度的检测，以及润滑力的性能测试，研究其最优复配比例及润滑力的贡献。

1.5.2 新型润滑耦合抗菌性的刷型表面活性剂的研究与开发

① 刷型表面活性剂的分子结构的调控与抗菌性、润滑性关联性的规律研究

刷型表面活性剂的抗菌活性和润滑性，亲水亲油性基团结构和碳链长度，具有双亲结构的不同抗菌性和润滑性的特殊结构的刷型表面活性剂研究；研究刷型表面活性剂水溶液表面性质；研究分析刷型表面活性剂分子结构与对革兰氏阳性和阴性细菌的抗菌活性的关联性规律和润滑性的关联性规律。

②刷型表面活性剂的水溶液性质及界面性质研究

●水溶液性质研究：

研究不同季铵化度的刷型表面活性剂分子溶液体系的表面张力的变化规律、润滑特性、自组装聚集性质、形成胶束的能力、胶束大小和微观形貌。

●界面性质研究：

通过扫描电镜SEM等表征手段,表征刷型表面活性剂在PE塑料基底表面吸附的定向排列分子形貌;研究浓度和分子结构与在PE塑料基底表面的聚集体结构和排列方式的关系。为研究刷型表面活性剂在PE塑料基底的杀菌活性和润滑性研究奠定基础。

③刷型表面活性剂在不同极性表面基底表面的抗菌性研究

● 分子结构与抗菌活性的关联性规律研究：

通过研究具有不同典型结构（链节）的刷型表面活性剂对大肠杆菌和黄色葡萄球菌的抗菌活性，分析和研究分子结构与抗菌活性的关联性规律。

● 分子结构与润滑性的关联性规律研究：

研究不同结构的表面活性剂对PE塑料基底的自组装形态，探究分子结构与润滑性的关联性规律，构建其作用模型。

1.5.3 活性组分在不同极性材质表面的润湿铺展及其界面自组装研究

① 表面活性剂的甄选和复合溶液体系的表面张力变化规律研究

基于分子结构和HLB值，甄选出具有良好复配性的阳离子、非离子表面活性剂。研究单一表面活性剂的表面张力和临界胶束浓度，研究浓度对复配表面活性剂溶液体系的表面张力和临界胶束浓度的影响性规律。

② 活性组分在不同极性材质表面的润湿铺展规律

基于润湿铺展机理，研究活性组分在不同极性材质（PET、PE、PP）表面的润湿铺展过程，测定其润湿铺展速率和动态接触角等参数。

③ 活性组分在不同极性材质表面的界面自组装行为研究

通过扫描电镜或原子力显微镜测定活性组分在不同极性材质（PET、PE、PP）界面的微观形貌，构建活性组分在界面的自组装模型，揭示活性组分分子自组装行为形成机制。

1.5.4 活性组分在不同极性材质表面的润滑作用机制及其协同增效研究

通过自主研发设计的动态相对摩擦力测定仪，结合润湿铺展规律和界面自组装行为研究结果，针对筛选出的表面活性剂和高分子助剂，测定其构成系列不同配方的动态摩擦力指数，研究各组分及其含量与动态摩擦力指数的关联性规律和协同增效作用。基于摩擦学机理，提出活性组分在不同极性材质表面的润滑作用机制。通过产品储存稳定性测试及配方现场试验，最后确定产品最优化配方。

2.结果与讨论

2.1 传统润滑理论

图1 传统普通型润滑剂润滑机理

现有在使用的传统普通型润滑剂中，一般采用阳离子表面活性剂和高分子聚合物的搭配，其原理为阳离子表面活性剂与被润滑材质的润湿、吸附，高分子聚合物与亲水基端的连接，从而，形成单分子层的润滑膜，以降低两相界面在相对移动时产生的摩擦力。但其缺陷是阳离子表面活性剂与高分子形成的复合膜的单分子层较薄，能提供的润滑力有限；并且阳离子表面活性剂的表面张力较大，其在塑料表层的润湿力有限，从而导致吸附能力的不足。

表1 不同表面活性剂的表面张力对比

在现有润滑剂应用技术中，干膜润滑剂使用得也较为普遍。干膜润滑的原理为：配方技术采用悬浮稳定剂技术，稳定固态球状的树脂聚合物于溶液中，在使用时，溶剂挥发导致聚合物球状体在两相界面的沉淀存在，改变两相界面的滑动摩擦为滚动摩擦，从而降低摩擦力。其存在的问题为有效物球状颗粒的配方原液不稳定性，并且在稀释后以及在被润滑介质表面浓度分配不均匀，因此，干膜润滑剂也存在润滑力的不足。

综上所述，针对PET/PE材质包装物的食品饮料包装行业的链板润滑原理，开发润滑性能优异的润滑剂仍是当前行业的迫切需求。

2.2 新润滑机理的推出

经过项目新配方组分的筛选及反复实验，发现脂肪醇聚氧乙烯醚在塑料材质界面间的润滑力较好。相对于胺类阳离子表面活性剂，脂肪醇聚氧乙烯醚具有较低的表面张力，润湿性能，在被润滑介质间的作用下可以快速润湿、铺展。

新润滑理论：

①由于脂肪醇聚氧乙烯醚无可以电离的基团，疏水基烷基端与非极性、弱极性塑料材质的极性及溶解度参数比较接近，故在界面塑料材质上易富集，而长EO链则适当的加厚了非离子表面活性剂在塑料上的分子膜厚度，产生较好的降低界面的相对摩擦力。

②分子偏移或成键理论：由于脂肪醇聚氧乙烯醚与弱极性、非极性材质间存在范德华力（色散力、诱导力），氢键力，通过分子间力的作用，脂肪醇聚氧乙烯醚可以通过电子云的偏移或成键（氢键力）与非极性界面材质更好地吸附成膜。

另外，脂肪醇聚氧乙烯醚由于氢键的作用表现为水溶性，所以适合在水基链板润滑剂中使用。进一步的实验中发现：若将烷基醇聚氧乙烯醚与短EO链脂肪醇聚氧乙烯醚复配后，两者能够产生协同作用，增强了界面的吸附作用，显著降低润滑剂的摩擦力。以上为本项目不同于传统润滑剂理论的新发现，经过润滑性能的实验验证，新润滑机理润滑剂在提升水基链板润滑剂在软饮料包装瓶与塑料链板间的润滑性能的同时，显著降低了生产线上的倒瓶率，并改善了水基润滑剂的清洗作用。

图2 新型水基链板润滑剂在链条输送带上的润滑机理示意图

本项目通过对新润滑理论的研究和技术扩展，引入长碳链的双季铵盐表面活性剂和特殊刷型结构的阳离子表面活性剂，其容易通过自组装在容器瓶和链条输送带的表面形成柔性链段朝外的单分子层，以及引入具有柔性链段的有机硅非离子表面活性剂使之插层至胶束（由阳离子和非离子表面活性剂形成的混合胶束），和有机硅非离子表面活性剂自组装嵌入在容器瓶和链条输送带的表面形成的单分子层，同理，有机硅非离子表面活性剂的柔性链段亦朝外，并显著降低了容器瓶和链条输送带表面的表面张力；再则，高分子聚合物保水剂具有良好的保水性，使得在链条输送带形成水膜，保持一定数量的胶束，使得胶束不断供给分子于链条输送带和容器瓶的表面（通过以上自组装过程），并保持一定的平衡。由于链条输送带和容器瓶界面处吸附有规整的柔性链段和水分子膜，使得容器瓶在链条输送带上相对运动时，柔性链段和水分子膜取得了相当效果的润滑作用，其润滑效果取决于双季铵盐表面活性剂和特殊刷型结构的阳离子表面活性剂和有机硅非离子表面活性剂三者的协同效应和三者分子在空间的自组装排列状态及水膜层辅助作用，改善并提升了水基润滑剂的抑菌功效。

本项目配方选用：油醇聚氧乙烯（65）醚、脂肪醇聚氧乙烯（3）醚、双子季铵盐、刷型阳离子表面活性剂、脂肪醇醚、异构醇醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、有机硅表面活性剂、PPA、NaCA、EDTA、A92R等组分进行筛选复配，研究其润滑微观机理和宏观润滑效果，从而获得新润滑机理复合多功能水基润滑剂，

2.3 结果与分析

本项目产品与传统理论产品的性能对比。从上表数据对比看出：本项目产品具备较中性的酸碱度，对设备线路的腐蚀性很小；本项目产品具备较低的表面张力，赋予了润滑剂中有效成分在弱极性、非极性介质表面更好的润湿作用、成膜效应、润滑效应；从摩擦力指数中看出：本项目产品具备优秀的润滑性能，极大程度上减少了传输链板上PET瓶的倒瓶现象。

表2.实验室数据对比

表3 XX厂PET生产线上48000瓶/小时的中试对比

0.3 %使用浓度自来水溶液在PET车间饮料生产线上的性能对比。

从上述数据对比可以看出：本项目产品在PET生产线生产中，具有气味小、倒瓶率低、泡沫低的优点，更适合于生产线的正常连续稳定使用。

3结论

1.新润滑理论在弱极性、非极性材质间的作用优于传统老的润滑理论；

2.采用长短EO链、复配增溶剂的链条润滑剂，具备气味小、腐蚀低、润滑性能好等优点。

A Water-based Scraping Belt Lubricant with New Lubricating Mechanism

Ma Jie1, Lin Jing2
(1 Guangzhou Taisheng Biological Technology Co., Ltd. Guangzhou Guangdong 511470; 2 Guangzhou University, Guangzhou Guangdong 510006)

Through combination of AEO nonionic surfactants with long EO chain and short EO chain and solubilizer, a new water-based scraping belt lubricant suitable for nonpolar and weak-polar plastic interfaces was prepared.

nonionic surfactant; EO chain; solubilizer; water-based scraping belt lubricant

TQ423.2

A

1672-2701（2017）03-54-05