聚氯乙烯润滑剂树脂润滑性能的系统测试评价方法

吴茂英，汪立君，胡 朔

（广东工业大学轻工化工学院，广东广州510006）

聚氯乙烯润滑剂树脂润滑性能的系统测试评价方法

吴茂英，汪立君，胡 朔

（广东工业大学轻工化工学院，广东广州510006）

研究了聚氯乙烯（PVC）润滑剂的树脂润滑性能（包括内润滑、主效外润滑及辅助外润滑性能）的系统测试评价方法，结果表明，通过用转矩流变仪在常规条件下测定常规用量不同润滑剂单独使用及与高性能主效树脂外润滑剂并用对PVC塑化时间的影响，并综合比较单独使用时对PVC塑化时间影响的程度及与高性能主效树脂外润滑剂的并用效应的类型（加和效应、协同效应或对抗效应）及强弱，即既可判别其树脂润滑功能，又可区分其性能高低。

聚氯乙烯；润滑剂；树脂润滑性能；转矩流变仪；测试评价

0 前言

PVC是五大通用塑料之一，具有强度高、可增塑、耐腐蚀、难燃、绝缘性好、透明性高等优点，其制品具有广泛的用途［1］。但是，PVC由于极性较强，其各层级结构单元（包括各层级粒子和分子）以及它们与加工设备金属表面间均具有较强的相互作用和摩擦力，因此存在熔体黏度高、物料剪切摩擦生热大以及熔体对加工设备金属表面黏附严重等加工性问题［2］。这些加工性问题和对热不稳定叠加导致PVC非常难于热塑加工。因此，要对PVC进行热塑加工，除必须使用热稳定剂外，同时还必须使用润滑剂。目前，市场上已有脂肪酸、金属皂、羧酸酯、脂肪酰胺、脂肪醇和烃蜡等类型润滑剂可供选用［3－5］。可惜的是，由于对这些润滑剂的特性和作用原理的认识还不甚充分，直到当前，PVC加工中润滑剂的应用在很大程度上仍是经验性的。根据笔者的系统调研，这主要归因于PVC润滑剂是多功能的［就目前已认识到的而言，包括金属润滑（通常称为脱模）和树脂润滑，而树脂润滑包括内润滑、外润滑及辅助外润滑］［57］，而目前尚未建立能有效区别这些功能并区分其强弱的测试评价方法。为给合理利用现有品种和研发具有更高性价比的新品种提供更有力的原理依据，笔者最近尝试对PVC润滑剂的性能测试评价方法、性能递变规律以及作用机理进行进一步的探索研究，获得了一些新认识。本文报道了一种用转矩流变仪系统测试评价PVC润滑剂树脂润滑性能（包括内润滑、主效外润滑及辅助外润滑性能）的新方法。

1 实验部分

1．1 主要原料

PVC，SG5，工业品，天津大沽化工有限股份公司；

硫醇甲基锡热稳定剂，YT－181，工业品，云南锡业股份有限公司；

硬脂酸钙（CaSt2）、硬脂酸镁（MgSt2），一级品，广州华立化工实业有限公司；

聚乙烯蜡，A－C 6A、A－C 617A，工业品，美国Honeywell公司；

单硬脂酸甘油酯（GMS），分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；

硬脂酸（HSt），1801，工业品，印度尼西亚PT Sumi Asih油脂化学工业公司。

1．2 主要设备及仪器

高速万能粉碎机，FW 100，天津市泰斯特仪器有限公司；

转矩流变仪，RM 200B，哈普电气有限责任公司。

1．3 样品制备

将100份PVC（质量份，下同）、1份YT－181分别与不同种类润滑剂置于高速万能粉碎机捏合均匀，制成配混料。

1．4 性能测试与结构表征

用转矩流变仪于混炼室设置温度为190℃、转子转速为45r／min的条件下混炼配混料，记录流变曲线，至塑化峰后3min停机结束测试。

2 结果与讨论

2．1 新方法的设计思路

根据已建立的理论认识［5－7］，PVC润滑剂的树脂润滑作用包括内润滑、主效外润滑和辅助外润滑。在PVC润滑剂中，有的品种可在加工条件下溶于PVC熔体从而具有削弱熔体内PVC分子间吸引力的作用，这一作用即树脂内润滑作用，具有这一功能的润滑剂即树脂内润滑剂；有的品种在加工条件下不溶于PVC熔体但可在PVC粒子表面铺展因而具有降低PVC粒子间吸引力的作用，这一作用即主效树脂外润滑作用，具有这一功能的润滑剂即主效树脂外润滑剂；而有的品种既不明显具有树脂内润滑作用也不明显具有主效树脂外润滑作用，但却具有协同增强主效树脂外润滑剂性能的作用，这一作用即辅助树脂外润滑作用，具有这一功能的润滑剂即辅助树脂外润滑剂。

显然，建立测试评价方法以系统判别不同PVC润滑剂所实际具有的树脂润滑功能并区分其性能强弱，对于PVC润滑剂的研究、开发和应用具有基础性意义。可惜的是，至今尚未见有关报道。最近，经深入的理论探究和大量的实验摸索，笔者逐步理清了思路并最终认识到，通过用转矩流变仪在常规条件下测定常规用量不同润滑剂单独使用及与高性能主效树脂外润滑剂并用时对PVC塑化时间（tf）的影响并进行比较分析，即既可判别其树脂润滑功能又可区分其性能强弱：

（1）单独使用即可延长PVC塑化时间而与高性能主效树脂外润滑剂并用只存在加和效应（两组分并用的性能等于它们各自单独使用的性能之和）者为主效树脂外润滑剂，单独使用时延长PVC塑化时间越显著则性能越高。

原理依据：

①主效树脂外润滑剂通过降低PVC粒子间吸引力可减少PVC粒子间的摩擦热、减慢物料升温速度并降低机械力在物料中的传递效率，因此单独使用即可延长PVC塑化时间；

②主效树脂外润滑剂与高性能主效树脂外润滑剂具有同样的功能，因此其并用只存在加和效应；

③主效树脂外润滑剂单独使用时延长PVC塑化时间越显著，表明其降低PVC粒子间吸引力的能力越强，也即主效树脂外润滑性能越高。

（2）单独使用对PVC的塑化时间影响不明显但与高性能主效树脂外润滑剂并用具有协同效应（两组分并用的性能高于它们各自单独使用的性能之和）者为辅助树脂外润滑剂，与高性能主效树脂外润滑剂并用的协同效应越强则性能越高。

原理依据：

①辅助树脂外润滑剂既不明显具有树脂内润滑作用也不明显具有主效树脂外润滑作用，因此单独使用对PVC的塑化时间影响不明显；

②辅助树脂外润滑剂的功能即在于协同提高主效树脂外润滑剂延长PVC塑化时间的性能；

③辅助树脂外润滑剂与高性能主效树脂外润滑剂并用的协同效应越强，表明其协同增强主效树脂外润滑剂性能的能力越强，也即辅助树脂外润滑性能越高。

（3）单独使用对PVC的塑化时间影响不明显但与高性能主效树脂外润滑剂并用产生对抗效应（两组分并用的性能低于它们各自单独使用的性能之和）者为树脂内润滑剂，与高性能主效树脂外润滑剂并用的对抗效应越强则性能越高。

原理依据：

①虽然树脂内润滑剂因可削弱熔体内PVC分子间吸引力从而具有促进PVC塑化（缩短塑化时间）的作用，但由于PVC树脂本身的塑化时间很短，因此单独使用时树脂内润滑剂对PVC塑化时间的影响不明显；

②高性能主效树脂外润滑剂能有效延长PVC塑化时间，而树脂内润滑剂的功能恰好相反（促进塑化），因此，两者并用会产生对抗效应；

③树脂内润滑剂与高性能主效树脂外润滑剂并用的对抗效应越强，表明其削弱熔体内PVC分子间吸引力的能力越强，也即树脂内润滑性能越高。

之所以要测定不同润滑剂与“高性能”主效树脂外润滑剂并用时对PVC塑化时间的影响来评价PVC润滑剂树脂润滑性能，是因为“高性能”主效树脂外润滑剂有利于更有效区别不同PVC润滑剂的树脂润滑功能及区分其性能强弱。

基于新方法是通过用转矩流变仪测定不同润滑剂单独使用及与高性能主效树脂外润滑剂并用时对PVC塑化时间的影响来评价PVC润滑剂树脂润滑性能的，笔者觉得，为便于交流，可简称为“转矩流变仪塑化时间法”。

2．2 新方法的实验验证

为验证新方法的可行性，我们用新方法对聚乙烯蜡A－C 6A和A－C 617A、硬脂酸钙（CaSt2）、硬脂酸镁（MgSt2）、单硬脂酸甘油酯（GMS）和硬脂酸（HSt）等典型PVC润滑剂进行了反复的测试。

依据有关的理论和测试结果［5－9］，可以判断，上述典型PVC润滑剂具有以下功能和性能特点：

（1）聚乙烯蜡A－C 6A和A－C 617A是典型的主效树脂外润滑剂，其中，A－C 617A作为A－C 6A的改进型产品，具有更高的主效树脂外润滑性能。

（2）CaSt2和MgSt2是典型的辅助树脂外润滑剂，而相比之下，MgSt2性能更高。CaSt2和MgSt2是作为表面活性剂通过界面吸附作用稳定主效树脂外润滑剂—PVC粒子界面而发挥主效树脂外润滑作用的。之所以MgSt2具有比CaSt2更高的辅助树脂外润滑性能，是因为两者结构相似，Mg2＋与Ca2＋虽电荷相同但前者半径更小，因此相比之下，MgSt2的极性头极性更强，表面活性也就更强，可以更有效稳定主效树脂外润滑剂与PVC粒子界面。

（3）GMS和HSt是典型的树脂内润滑剂，而相比之下，HSt性能更高。树脂内润滑剂因可削弱熔体内PVC分子间吸引力，因此不但具有促进PVC塑化的作用，同时还可降低PVC熔体黏度。树脂内润滑剂可降低PVC熔体黏度表现在转矩流变特性上，就是可降低物料温度（因摩擦生热减少）和扭矩。显然，降低物料温度和扭矩程度越大，说明润滑剂的树脂内润滑性能越高。用转矩流变仪在相同条件下测定不含润滑剂及分别含GMS和HSt的PVC配混料，所得转矩流变曲线如图1所示。

图1 不含润滑剂及分别含GMS和HSt的PVC配混料的转矩流变曲线Fig．1 Torque rheological curves of PVC compounds containing GMS，HSt and no lubricant respectively

由图1可见，与不含润滑剂的空白PVC配混料相比，含GMS和HSt的PVC配混料的物料温度和扭矩均下降，表明GMS和HSt的确具有树脂内润滑作用。而由图1还可看到，通过测定单独含GMS和HSt的PVC配混料的转矩流变特性，当用量在常规范围（0．8份）时，无法有效区分其性能差别；要有效区分性能，用量必须提高到非常规范围。比较用量为5份分别含GMS和HSt的PVC配混料的转矩流变特性，可以确定，HSt具有比GMS更高的树脂内润滑性能。

根据如上所述的功能和性能特点推测，如果用新方法测定上述典型树脂润滑剂，应该得到以下结果：

（1）聚乙烯蜡A－C 6A和A－C 617A单独使用即可延长PVC的塑化时间，与高性能主效树脂外润滑剂并用存在加和效应，而相比之下，A－C 617A延长PVC塑化时间的能力强于A－C 6A。

（2）CaSt2和MgSt2单独使用对PVC的塑化时间影响不明显，与高性能主效树脂外润滑剂并用具有协同效应，而相比之下，MgSt2与高性能主效树脂外润滑剂的协同效应强于CaSt2。

（3）GMS和HSt单独使用对PVC的塑化时间影响不明显，与高性能主效树脂外润滑剂并用产生对抗效应（即导致PVC塑化时间缩短），而相比之下，HSt与高性能主效树脂外润滑剂的对抗效应强于GMS。

以A－C 617A为高性能主效树脂外润滑剂（A组分），用新方法测定上述典型树脂润滑剂（B组分），固定润滑剂的总含量（A＋B）为0．8份，详见图2［塑化时间差（Δtf）＝tf（PVC＋润滑剂）－tf（PVC）］。

图2 几种典型树脂润滑剂单独使用及与A－C 617A并用对PVC塑化时间的影响Fig．2 Effect of several typical resin lubricants used alone and combined with A－C 617Aon fusion time of PVC

根据图2的实验结果，几种典型树脂润滑剂单独使用及与聚乙烯蜡A－C 617A按最佳并用比（质量比1∶4，具有最强并用效应）并用对PVC塑化时间影响的具体效应见表1。

表1 几种典型树脂润滑剂单独使用及按质量比1∶4并用与A－C 617A对PVC塑化时间的影响Tab．1 Effect of several typical resin lubricants used alone and combined with A－C 617Aby mass ratio 1∶4on fusion time of PVC

由图2和表1可以看到，实验结果与上述根据功能和性能特点所作的推测正相吻合。这就表明，用新方法进行测试评价，确可系统性地有效判别PVC润滑剂的树脂润滑功能并区分其性能强弱。

另外，如前所述，通过用转矩流变仪测定树脂内润滑剂对物料温度和扭矩的影响，虽也可判别其功能，但要有效区分其性能，却必须将用量提高到非常规范围。然而，由图2的实验结果看见，若用新方法进行测试，则当用量在常规范围时就既可判别其功能又有效区分其性能。基于当用量在常规范围时得到的测试结果应能更好反映受测对象在实际加工条件下的作用，可以认为，新方法更具科学性。

3 结论

（1）单独使用即可延长PVC塑化时间而与高性能主效树脂外润滑剂并用只存在加和效应者为主效树脂外润滑剂，单独使用时延长PVC塑化时间越显著则性能越高；

（2）单独使用对PVC的塑化时间影响不明显但与高性能主效树脂外润滑剂并用具有协同效应者为辅助树脂外润滑剂，与高性能主效树脂外润滑剂并用的协同效应越强则性能越高；

（3）单独使用对PVC的塑化时间影响不明显但与高性能主效树脂外润滑剂并用产生对抗效应（即导致PVC塑化时间缩短）者为树脂内润滑剂，与高性能主效树脂外润滑剂并用的对抗效应越强则性能越高。

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［4］威尔克斯C E，萨默斯J W，丹尼尔斯C A．聚氯乙烯手册［M］．乔 辉，丁 筠，盛平厚，等译 ．北京：化学工业出版社，2008：102－112．

［5］吴茂英．PVC润滑剂及其应用——原理与技术［M］．北京：化学工业出版社，2016：112－133．

［6］Lindner R A．A New Characterization of Lubricants for PVC［C］／／Itasca：Vinyltec Conference Proceedings，2002：417－434．

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［9］Rabinovitch E B，Lacatua E，Summers J W．The Lubrication Mechanism of Calcium Stearate／Paraffin Wax Systems in PVC Compounds［J］．J Vinyl Technol，1984，6（3）：98－103．

关于举办“2017中国国际氟塑料加工发展论坛”的通知（第一轮）

今年是实施“十三·”规划的重要一年，氟塑料作为新材料被列入《中国制造2025》重点发展领域，无疑给行业带来了巨大的发展空间。“十三·”期间，氟塑料行业面临着严峻挑战，国家经济发展进入新常态后，整个行业面临着转变发展方式、优化调整结构、产业升级的繁重任务，如何把握新机遇，推动氟塑料产业健康可持续发展，是全行业关心的问题。中国塑协氟塑料加工专业委员会定于2017年上旬在合肥举办“2017中国国际氟塑料加工发展论坛”，论坛的主题定为“中国氟塑料2025”。作为氟塑料行业机具影响力和号召力的行业盛会，已经引起了业内外广泛的关注与期待，我们诚挚的邀请贵公司参加。现将有关事项通知如下：

一、论坛主要议题（论文征集内容）：

1、世界氟塑料市场现状与发展趋势；

2、“中国制造2025”和“一带一路”战略给氟塑料产业带来的发展机遇；

3、氟塑料产业创新与应用领域开发；

4、氟塑料在节能环保、过滤、汽车、密封、半导体、电线电缆和光伏等领域的应用；

5、氟塑料行业如何落实国家“三品”战略（增品种、提品质、创品牌）；

6、环保法规对氟塑料行业的影响；

7、改性氟塑料制品的加工与应用；

8、氟塑料加工行业的上下游产业链的对接与需求发展；

9、氟塑料加工企业的智能管理；

10、氟塑料制品二次加工的发展趋势；

11、最新氟树脂、氟塑料制品加工设备发展介绍。

二、会议时间、地点：

时间：2017年11月上旬

地点：合肥

三、会刊

稿件要求5000字以下，并附有中英文摘要。请相关人员踊跃投稿，来稿一律不退，稿件请用word文件格式编写，通过电子邮件方式发到专委会邮箱（邮件主题处请注明文章的题目）。征文截止日期为2017年9月15日，为便于会议宣传，请有意向投稿的作者先将稿件提纲传至专委会。

四、联系方式

电话：（010）64030431，64034804 传真：（010）64068094

联系人：吕 方，陈 生 E－mail：fuxiehui＠fscpa．com．cn

Systematic Test and Evaluation Methods for Resin Lubrication Performance of PVC Lubricants

WU Maoying，WANG Lijun，HU Shuo
（School of Chemical Engineering and Light Industry，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

This paper reported an investigation on systematic tests and evaluation methods for resin lubrication performance of poly（vinyl chloride）（PVC）lubricants．It was found that the resin lubrication functions，the internal lubrication，primary external lubrication and secondary external lubrication，and the efficiencies of these functions of PVC lubricants could be identified by determining their effects on the fusion time of PVC when used alone and in combination with a high－performance resin external lubricant at the common use level using a torque rheometer under the common processing condition，and comparing comprehensively the results．

poly（vinyl chloride）；lubricant；resin lubrication performance；torque rheometer；test and evaluation

TQ325．3

B

1001－9278（2017）07－0070－05

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．012

2017－03－06

联系人，wumy＠gdut．edu．cn