第四章　潤滑劑及其在塑料配方中的應用

第一節　潤滑劑概述及作用機理

一、潤滑劑概述

高分子材料在成型加工時，存在著熔融聚合物分子間的摩擦和聚合物熔體與加工設備表面間的摩擦，前者稱為內摩擦，后者稱為外摩擦。內摩擦使聚合物的熔融流動黏度增大，其流動性下降，嚴重時產生的熱量導致材料過熱、老化；外摩擦則使聚合物熔體與加工設備及其他接觸面間產生黏附，隨著溫度的升高，摩擦系數顯著增大。

為了減少這兩類摩擦，改進塑料熔體的流動性，減少高分子材料在加工過程中對設備的黏附現象，保證制品表面光潔度而加入的物質稱為潤滑劑。

若材料本身具有自潤滑作用，如聚乙烯、聚四氟乙烯等，加工時可不加潤滑劑；而聚氯乙烯，特別是硬質聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS樹脂等，則必須加入潤滑劑才能很好地加工。

根據摩擦類型的不同，所需的潤滑劑又分為內潤滑劑和外潤滑劑兩種。

內潤滑劑：在塑料加工前的配料中，加入與聚合物有一定相容性的潤滑劑，并使其均勻地分散到材料中，能使樹脂分子之間的摩擦力減小而起潤滑作用。

外潤滑有兩種方法：一種是在高分子材料成型加工時，將潤滑劑涂布在加工設備的表面上，讓其在加工溫度下熔化，并在金屬表面形成“薄膜層”，將塑料熔體與加工設備隔離開，不致黏附在設備上，易于脫膜或離輥；另一種是將與聚合物相容性較小的物質在加工前配料時加入，使其分散到塑料中，在加工過程中從聚合物內部容易遷移到制品表面上，形成隔離層，起到潤滑作用。

外潤滑與內潤滑是相對而言的，表4-1為常用潤滑劑的內、外潤滑作用比例，實際上，大多數潤滑劑兼具兩種作用，只是相對強弱不同。就一種潤滑劑而言，其作用可能隨著聚合物種類、加工設備和條件以及其他助劑的種類和用量的不同而發生變化，因此內外潤滑劑并沒有特別嚴格的劃分，只是常用的分類方法。

不管是內潤滑劑還是外潤滑劑，其作用機理均是：降低聚合物熔體的黏度，防止聚合物在加工過程中和加工機械的粘連，降低聚合物的加工溫度，提高產品內在和外觀質量，提高加工速率。因此，潤滑劑是塑料加工中不可缺少的一類助劑。

一般情況下，潤滑劑的分子結構中都含有長鏈的非極性基和極性基兩部分，它們在不同聚合物中表現不同的相容性，從而顯示不同的內外潤滑作用。如聚乙烯蠟雖然是非極性的，但與非極性樹脂的相容性好，主要起內潤滑作用。

不同的應用環境對潤滑劑有不同的要求，理想的潤滑劑應滿足如下要求：①潤滑效能高且持久；②與樹脂的相容性大小適中，內外潤滑作用平衡，不噴霜、不易結垢；③表面張力小，黏度小；④不降低聚合物的力學性能及其他性能；⑤熱穩定性和化學穩定性好，高溫加工中不分解、不揮發、不與其他助劑發生反應；⑥不腐蝕設備，不污染制品，無毒。

市場上提供的潤滑劑品種繁多，常用潤滑劑見表4-2。

二、潤滑劑的作用機理

關于潤滑劑的作用機理比較被人們接受的是塑化機理、界面潤滑機理和涂布隔離機理。

1.內潤滑——塑化機理

內潤滑劑的結構及其在聚合物中的狀態類似于增塑劑，所不同的是潤滑劑分子中，一般碳鏈較長、極性較低。由于較長的碳鏈，內潤滑劑與聚合物相容性較好，可以穿插在聚合物分子鏈之間，削弱分子間的吸引力，其作用機制如圖4-1所示，以聚氯乙烯為例，潤滑劑和材料的相容性較增塑劑低很多，因而僅有少量的潤滑劑分子能像增塑劑一樣，穿插于聚氯乙烯分子鏈之間，略為削弱分子間的相互吸引力。

聚合物發生形變時，分子鏈間能夠相互滑移和旋轉，從而分子間的內摩擦減小，熔體黏度降低，流動性增加，易于塑化。但潤滑劑不會過分降低聚合物的玻璃化溫度T_g和強度等，這是與增塑劑作用的不同之處。

2.外潤滑——界面潤滑機理

外潤滑劑與聚合物相容性很小，潤滑劑分子很容易從聚合物內部遷移至制品表面，并在界面處定向排列，在熔融聚合物和加工設備、模具間形成潤滑界面，對聚合物熔體和加工設備起到隔離作用，使材料不黏附在設備上，減少兩者之間的摩擦。圖4-2為外潤滑劑作用示意圖。

潤滑界面膜的黏度大小會影響它在金屬加工設備和聚合物上的附著力，適當大的黏度，可產生較大的附著力，形成的界面膜較好，隔離效果和潤滑效率較高。

潤滑界面膜的黏度和潤滑效率，取決于潤滑劑的熔點和加工溫度。一般潤滑劑的分子鏈愈長，兩個摩擦面愈遠離，潤滑效果愈好，潤滑效率愈高。

3.外潤滑——涂布隔離機理

對加工模具和被加工材料完全保持化學惰性的物質稱為脫模劑。

將其涂布在加工設備的表面上，當聚合物成型時，脫模劑便在模具與聚合物間的表面上形成連續的薄層，達到完全隔離的目的，由此減少聚合物熔體與加工設備之間的摩擦，避免聚合物熔體對加工設備的黏附，易于脫模、離輥，提高加工效率和質量。脫模劑的作用機理如圖4-3所示。

一種好的脫模劑應滿足如下要求：

①表面張力小，易于在被隔離材料的表面均勻鋪展；

②熱穩定性好，不會因溫度升高而失去防粘性質；

③揮發性小，沸點高，不會在較高溫度下因揮發而失去作用；

④黏度要盡可能高，涂布一次可用于多次脫模；同時在脫模后較多黏附在模具上而不是在制品上。

有機硅的表面張力小，一般二甲基硅油表面張力為0.20～0.21N/m，沸點為150～250℃，故它經常作為脫模劑使用，具有優良的脫模性能。