硬聚氯乙烯加工中潤(rùn)滑劑的作用

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213內(nèi)、外潤(rùn)滑平衡的多樣性

事實(shí)上不同類型的加工設(shè)備,如擠出(又分單、雙螺桿)、注塑、壓延,均要求有不同的潤(rùn)滑平衡。嚴(yán)格地講,同類設(shè)備,不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品,甚至同一個(gè)設(shè)備新的與舊的對(duì)潤(rùn)滑平衡均有不同的要求。不同類型的產(chǎn)品,如管、膜、片以及型材,也有各自不同的潤(rùn)滑平衡。例如,生產(chǎn)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(dòng)性,因而要求較高的塑化速率,所以內(nèi)潤(rùn)滑劑要多一些;而對(duì)于管材的生產(chǎn)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(rùn)滑劑應(yīng)相對(duì)多一點(diǎn);對(duì)于壓延工藝,為了熔融的PVC易于剝離壓延輥,外潤(rùn)滑劑亦應(yīng)多一些;而注塑工藝則要盡可能少用外潤(rùn)滑劑,盡可能地減少外潤(rùn)滑對(duì)熔接痕強(qiáng)度下降的影響。

214實(shí)驗(yàn)室中如何評(píng)價(jià)內(nèi)、外潤(rùn)滑平衡

21411內(nèi)、外潤(rùn)滑劑用量均不足

其特點(diǎn)是塑化扭矩較大,熔體粘附性較嚴(yán)重,有可能提前熱分解。

21412內(nèi)、外潤(rùn)滑劑用量均過(guò)量

其特點(diǎn)是析出較嚴(yán)重,制品力學(xué)性能下降(如試樣較脆),二次加工性能較差,但其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均與內(nèi)、外潤(rùn)滑平衡時(shí)相似。

21413內(nèi)潤(rùn)滑劑較少,外潤(rùn)滑劑較多

其特點(diǎn)是塑化時(shí)間較長(zhǎng),塑化扭矩較大,有可能出現(xiàn)析出現(xiàn)象(外潤(rùn)滑劑過(guò)量)。

21414內(nèi)潤(rùn)滑劑較多,外潤(rùn)滑劑較少

其特點(diǎn):塑化時(shí)間較短,有較重的粘附現(xiàn)象,有可能熱穩(wěn)定性變差?？傊鉂?rùn)滑劑用量不足則有粘附現(xiàn)象,塑化時(shí)間短;過(guò)量則力學(xué)性能下降,有可能有析出現(xiàn)象。內(nèi)潤(rùn)滑劑用量不足,則塑化扭矩較大,塑化時(shí)間較長(zhǎng);過(guò)量則塑化時(shí)間較短,塑化扭矩較小,熱穩(wěn)定性有可能變差。

21415關(guān)于從流變儀得到數(shù)據(jù)的分析

熔體的流動(dòng)性與粘度成反比,粘度又與扭矩成正比。所以,熔體流動(dòng)性越好,扭矩越低。在扭矩流變儀的結(jié)果中給出三種扭矩值,即小扭矩,大扭矩(塑化扭矩)及平衡扭矩。筆者認(rèn)為,塑化扭矩是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑改善PVC樹脂流動(dòng)性的重要指標(biāo)。當(dāng)然,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(duì)應(yīng)關(guān)系,一般塑化扭矩大,小扭矩及平衡扭矩也較大,反之亦然。筆者還認(rèn)為,塑化扭矩對(duì)實(shí)際加工設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)裝置能量消耗的影響遠(yuǎn)大于平衡扭矩的影響。原因有二:①在一般接近實(shí)用硬PVC配方中均有ACR加工助劑,在這種情況下,不同的潤(rùn)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(chǎn)率等),加工者希望熔融物料在平衡扭矩所對(duì)應(yīng)的時(shí)間盡可能地短一些,即達(dá)到預(yù)期塑化程度后,塑料熔體盡早離開加工設(shè)備。雖然塑化扭矩只是一個(gè)峰值,但整個(gè)塑化峰所對(duì)應(yīng)的時(shí)間的積分面積(能量消耗)卻遠(yuǎn)大于平衡扭矩所對(duì)應(yīng)的時(shí)間的積分面積(能量消耗)。事實(shí)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(shè)備因不堪重負(fù),而有可能“報(bào)警”[10]。
對(duì)于塑化峰的峰值(塑化扭矩,塑化時(shí)間)常見于報(bào)道中,但對(duì)塑化峰的形狀(即半峰寬度及半坡斜率)卻少見評(píng)論,事實(shí)上,半峰寬度及后半坡斜率亦是潤(rùn)滑體系影響樹脂熔化特性一個(gè)重要標(biāo)志。
相對(duì)而言,能耗較少,較充分地利用了摩擦熱,進(jìn)一步促進(jìn)了樹脂塑化,減少樹脂在設(shè)備中停留時(shí)間,有利樹脂的熱穩(wěn)定化,并為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率提供了可能性。

3潤(rùn)滑劑的選擇

前已述及內(nèi)、外潤(rùn)滑劑平衡的多樣性以及“相容度”影響潤(rùn)滑劑的作用和屬性。這些均給配方工作者在選擇和應(yīng)用潤(rùn)滑劑時(shí)帶來(lái)諸多不便。因?yàn)檫x擇潤(rùn)滑劑既沒有“理論”指導(dǎo),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(jīng)驗(yàn)可供參考。

311選擇潤(rùn)滑劑的一般原則

如前所述,要合理兼顧PVC樹脂的流動(dòng)性、防粘性及塑化速率。也就是一定要使內(nèi)、外潤(rùn)滑作用平衡,達(dá)到能經(jīng)濟(jì)、連續(xù)生產(chǎn)的目的。

研究與實(shí)踐表明:并不是100%塑化的制品質(zhì)量,力學(xué)性能[8,9]。另外,出于多種原因的考慮,不同的制品對(duì)塑化程度均有不同的要求。不完全塑化,不僅質(zhì)量好,產(chǎn)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(chǎn)量。在充分考慮熱穩(wěn)定劑及其他助劑等因素對(duì)潤(rùn)滑劑影響的前提下,通過(guò)調(diào)整內(nèi)、外潤(rùn)滑劑品種與數(shù)量可以調(diào)控塑化速率,增加樹脂流動(dòng)性及改善粘附性。

312選擇潤(rùn)滑體系的一般實(shí)驗(yàn)程序

(1)標(biāo)準(zhǔn)樣

用一個(gè)加工性能好,品質(zhì)優(yōu)良的同一類設(shè)備生產(chǎn)同一類產(chǎn)品的高速攪拌料,用扭矩流變儀做實(shí)驗(yàn)。測(cè)試其塑化時(shí)間,塑化時(shí)扭矩及塑化峰寬度和峰后坡斜率。然后調(diào)整內(nèi)、外潤(rùn)滑劑品種及數(shù)量,使其與標(biāo)準(zhǔn)樣盡量接近。

(2)首先通過(guò)改變內(nèi)潤(rùn)滑劑品種及用量來(lái)改變PVC熔體流動(dòng)性即熔體粘度(塑化扭矩值)。

(3)在基本調(diào)整好熔體粘度(塑化扭矩值)的前提下,通過(guò)改變外潤(rùn)滑劑的品種與數(shù)量調(diào)整塑化時(shí)間(即塑化速率)。當(dāng)然,增減外潤(rùn)滑劑的數(shù)量或改變其品種時(shí),對(duì)塑化峰值亦有所影響。

(4)防粘性

在熔體的流動(dòng)性、塑化時(shí)間(速率)基本滿意以后,應(yīng)考察防粘附性是否足夠,如果防粘性仍然不足,可適當(dāng)按比例增加內(nèi)、外潤(rùn)滑劑的用量。如果感覺防粘性已經(jīng)可以(不粘流變儀混合頭的轉(zhuǎn)子),這表明潤(rùn)滑劑總量有可能過(guò)量(這是高水平的潤(rùn)滑平衡),可適當(dāng)減少一些內(nèi)、外潤(rùn)滑劑的用量,直至有輕微的發(fā)粘為止。在此基礎(chǔ)上適當(dāng)補(bǔ)加一些內(nèi)、外潤(rùn)滑劑使它不發(fā)粘,這是較低水平的潤(rùn)滑平衡,也是較接近實(shí)際應(yīng)用水平的潤(rùn)滑平衡。高水平的潤(rùn)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(rùn)滑劑的析出現(xiàn)象有可能較嚴(yán)重,對(duì)連續(xù)產(chǎn)不利。同時(shí),有可能使停機(jī)率增加、生產(chǎn)率下降、廢品率上升,增大了生產(chǎn)成本,并帶來(lái)諸多操作不便,甚至?xí)绊懚渭庸ば阅堋?BR>
(5)放大實(shí)驗(yàn)

把上述初步確定的配方在生產(chǎn)中進(jìn)行放大試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)有何不足處,再有針對(duì)性調(diào)整體系,如此反復(fù)幾次即可設(shè)計(jì)出一組較滿意的潤(rùn)滑平衡體系,達(dá)到經(jīng)濟(jì)、連續(xù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的目的。

如果沒有標(biāo)準(zhǔn)配方,可以向熱穩(wěn)定劑或潤(rùn)滑劑的生產(chǎn)商索要參考配方,按參考配方試生產(chǎn)一次,找出存在問(wèn)題,并按參考配方做Brabender流變實(shí)驗(yàn),參照流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果按上述試驗(yàn)程序進(jìn)行改進(jìn),或用便宜的產(chǎn)品對(duì)原參考配方中潤(rùn)滑劑進(jìn)行取代。

313實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響

由于實(shí)驗(yàn)物料量與大生產(chǎn)的物料量比例過(guò)于懸殊、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備差別太大、實(shí)驗(yàn)中的物料與大生產(chǎn)中的物料所受的熱及剪切力的經(jīng)歷差別也太大等原因,從扭矩流變儀上所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有微小的差異均有可能對(duì)大生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。下面列舉了三個(gè)配方的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及在生產(chǎn)中情況,以供參考[7]。

1#配方是山東某廠用平行雙螺桿正常生產(chǎn)管材的混合料測(cè)得數(shù)據(jù)。2#配方是外國(guó)某生產(chǎn)熱穩(wěn)定劑公司推薦配方,據(jù)稱在美國(guó)已經(jīng)廣泛地用于錐形雙螺桿擠出有機(jī)錫熱穩(wěn)定劑的管材,但是在平行雙螺桿擠出時(shí),只能在遠(yuǎn)低于正常轉(zhuǎn)速時(shí)才能生產(chǎn)出合格管材,主機(jī)轉(zhuǎn)速稍一提高,即會(huì)因主機(jī)扭矩太大而自動(dòng)報(bào)警,不能正常生產(chǎn)。分析一下上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):2#配方較1#配方塑化時(shí)間短了12s,即短了414%的時(shí)間;雖然2#配方的塑化扭矩只比1#配方大了2%。但在用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)差別卻非常之大。
3#配方是筆者在2#配方基礎(chǔ)上改進(jìn)的配方,塑化時(shí)間3#比1#延長(zhǎng)20s,延長(zhǎng)7%;塑化扭矩3#比1#小013N·m,小了018%。結(jié)果3#配方可以正常地使用平行雙螺桿擠出合格管材。

4評(píng)價(jià)單獨(dú)潤(rùn)滑劑的標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

評(píng)價(jià)潤(rùn)滑體系的標(biāo)準(zhǔn)前文已提及,要合理地兼顧熔體流動(dòng)性,防粘附性及塑化速率。但在有些情況下,即使達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)也不能滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的要求,不能經(jīng)濟(jì)地、連續(xù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)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(rùn)滑薄膜,同時(shí)在熔體表面又不能有與樹脂完全不相容的潤(rùn)滑薄膜存在,否則就影響熔體熔合線處的力學(xué)強(qiáng)度。因此評(píng)價(jià)某種潤(rùn)滑劑的優(yōu)劣不能僅僅以其潤(rùn)滑作用的強(qiáng)弱為標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)良的潤(rùn)滑劑還應(yīng)具有如下的一些性能。

411潤(rùn)滑劑還應(yīng)具有的其他性能

41111對(duì)塑料性能無(wú)不良影響

如對(duì)光、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、電性能、透明性、毒性及二次加工性能均無(wú)不良影響。

41112優(yōu)良的光、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性

如果熱穩(wěn)定性低或化學(xué)穩(wěn)定性差,在加工時(shí)有可能分解成其他物質(zhì),可能影響潤(rùn)滑體系平衡而給加工帶來(lái)不便。兼有良好潤(rùn)滑作用的熱穩(wěn)定劑———金屬皂,它們?cè)趨⑴c熱穩(wěn)定化反應(yīng)以后生成金屬氯化物及硬脂酸,這兩種物質(zhì)在PVC中的相容度與原來(lái)的硬脂酸鹽差異較大,其潤(rùn)滑性差異亦很大,有可能造成內(nèi)、外潤(rùn)滑失衡。

41113分散性好

潤(rùn)滑劑加入總量一般不超過(guò)2.5phr,所以要求它必須有良好的分散性。分散性除與潤(rùn)滑劑的內(nèi)聚力、相容度有關(guān)外,也與熔點(diǎn)有關(guān),如果熔點(diǎn)高于加工溫度,相容性又差,潤(rùn)滑劑很難均勻地分散在PVC樹脂中。熔點(diǎn)在115℃以下,這樣在高速攪拌時(shí)即已熔化,使其更均勻地分散在PVC樹脂中。

41114低揮發(fā)性

一般熔點(diǎn)越高揮發(fā)性越小。硬脂酸及石蠟價(jià)格便宜,潤(rùn)滑作用強(qiáng);石蠟的熔點(diǎn)隨品種而異,在選用時(shí)應(yīng)選高熔點(diǎn)石蠟,用量亦不宜太多,否則因其揮發(fā)而破壞中、后期潤(rùn)滑平衡,甚至影響連續(xù)開車時(shí)間。

41115與其他助劑的協(xié)同效應(yīng)

一些多羥基部分酯化物的內(nèi)潤(rùn)滑劑,可以絡(luò)合不穩(wěn)定氯原子,從而有一定輔助熱穩(wěn)定劑作用,同時(shí)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(dāng),也可以起很好的潤(rùn)滑作用。

41116有較好的質(zhì)量?jī)r(jià)格比

事無(wú)萬(wàn)全,一個(gè)潤(rùn)滑劑要完全達(dá)到上述各項(xiàng)要求幾乎是不可能的,也沒有必要。只要能滿足特定的設(shè)備及工藝要求,正常生產(chǎn)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(wú)需選用具備這些性能的品種。

412使用潤(rùn)滑劑的操作彈性

好的潤(rùn)滑劑不僅具有潤(rùn)滑作用強(qiáng)及上述的一些性能外,還應(yīng)有較寬的操作彈性。如配料比的微小差異、工藝條件的變動(dòng)(溫度的波動(dòng)、壓力增減等),尤其是為了提高產(chǎn)出率

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