全 文 ：* 收稿日期:2013 － 04 － 24
基金项目:国家科技支撑计划项目课题(2009BAI84B05);新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-11-0152);广州市珠江科技新星专项
(2011J2200058)。
作者简介:刘荣亮(1987 －)，男，在读硕士研究生。
通信联系人:潘映雪(1981 －)，女，硕士，主要从事高分子材料成型加工的研究工作。E-mail:panyxue@ scut． edu． cn。
改性与合金
不同润滑剂对剑麻 /聚乳酸复合材料流变性能的影响*
刘荣亮，冯彦洪，潘映雪* ，瞿金平，何和智
(华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东，广州 510640)
摘要:利用转矩流变仪测定了不同润滑剂、不同润滑剂含量下，聚乳酸(PLA)/剑麻(SF)复合材料的流变性能，分
析了不同润滑剂所属类型，讨论了不同润滑剂类型对植物纤维复合材料流变性能的影响。结果表明:内润滑剂可明显
降低加工转矩，其润滑效果具有饱和性;外润滑剂的润滑效果还与转速有关，当转速过高，润滑膜受到的机械剪切作用
过大，加上高剪切作用下产生的摩擦热使复合材料温度升高，润滑膜容易被破坏，润滑效果大大降低。
关键词:PLA;剑麻纤维;内润滑;外润滑;流变性能
中图分类号:Q946. 816 文献标志码:A 文章编号:1001 － 9456(2013)06 － 0038 － 03
Effect of Different Lubricants on Ｒheological Properties of Sisal Fiber /Polylactic Acid Composite
LIU Ｒong-liang，FENG Yan-hong，PAN Ying-xue* ，QU Jin-ping，HE He-zhi
(National Engineering Ｒesearch Center of Novel Equipment for Polymer Processing，Guangzhou，Guangdong 510640，China)
Abstract:Ｒheological properties of polylactic acid (PLA)/ sisal fiber composite with different lubricants were evaluated
by the torque rheometer． The types of these two different lubricants were analyzed． The effect of different lubricants on the
rheological properties was discussed． The results showed that the internal lubricant had an apparent effect on the torque． The
effect of the internal lubricants was related to the dosage and there was a saturated value． The effect of the external lubricant
was tightly related to the rotate speed． When the rotate speed was too high，the lubricant effect lessened greatly． This was
because that the mechanical shearing force became so large that it tore the lubricant film;In addition，the high-speed shearing
force produced too much friction heat which increased the temperature of the material，and then the adsorption strength of
lubricating film decreased，thus lubricant film was easily destroyed．
Key words:PLA;sisal fiber;internal lubricant;external lubricant;rheological property
木塑复合材料(WPC)是一种以植物纤维和热塑性塑料为
主要原料，并加入某些助剂共混制成的复合材料。作为一种新
型的环保材料，近年来木塑复合材料发展势头强劲［1 － 2］。热塑
性塑料加入植物纤维后，熔体流动性变差，生产效率很低，造成
加工成本降低难，而且制品表面容易出现粗糙的问题［3 － 4］，因此
WPC在加工过程中往往需要采用润滑剂。润滑剂是减少塑料
熔体的摩擦，赋予塑料润滑性，防止制品对设备的粘附而加入的
物质［5］，是重要的塑料加工助剂之一。润滑剂分为内润滑剂和
外润滑剂。内润滑剂与材料有较好的相容性，可降低树脂内分
子间的内聚能，削弱了分子间的相互摩擦，主要表现为塑化时间
的缩短和塑化温度的降低。外润滑剂是在塑料熔体与加工设备
之间形成润滑剂分子层，促进树脂粒子的滑动，表现为塑化时间
的延长和塑化温度的提高［6 － 12］。转矩流变仪能测量出随时间
变化的转矩和温度，并且集混炼与测量于一体，可以较为真实地
反映不同混炼条件下复合体系流变性能的影响［13 － 14］。同一润
滑剂在不同基体中起到的作用往往不同，例如，聚乙烯蜡在 PVC
加工中呈现外润滑性，而在 PE 加工中又显示良好的内润滑效
果，所以对于聚乳酸(PLA)体系有必要利用转矩流变仪考察不
同润滑剂的种类和效果。文章采用 2 种不同的润滑剂类型以及
不同润滑剂含量，研究其对 PLA 复合材料流变性能的影响，为
木塑复合材料的加工提供指导。
1 实验部分
1． 1 原料、仪器及设备
剑麻纤维:8 mm短切纤维，广东省东方剑麻集团有限公司;
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刘荣亮等———不同润滑剂对剑麻 /聚乳酸复合材料流变性能的影响
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PLA:3051D，Natural works，美国 Blair Nebraska公司;
润滑剂:复配润滑剂，美国 Straktol公司;
TPW609、TPW665 脂肪酸类:熔点为 124 ℃，复配润滑剂，美
国 Straktol公司;
二氯甲烷:分析纯试剂，江苏强盛化工有限公司;
Brabender转矩流变仪:Plaste-Corder，德国 Brabender公司。
1． 2 转矩流变测试
将经充分干燥后的 SF和 PLA，按设定配比混合，固定 SF的
质量分数为 50 %，润滑剂质量分数分别为 0、0． 5 %、1 %、2 %、
3 % (TPW665 加做 4 %)，相对应的 PLA 质量分数分别为
50 %、49． 5 %、49 %、48 %和 47 %，共 10 种配比方案在转矩流
变仪中进行密炼。
取已充分干燥后的物料加入转矩流变仪中进行密炼。转矩
流变仪的预热温度设定为 180 ℃，转矩流变仪的转子转速分别
为 10、20、30、40、50 r /min，为了让实验值在同一基准上，要保证
复合材料密炼时间一定，因此，从 SF 被完全加进密炼室开始计
时，记录 9 min后的转矩及温度。
2 结果和讨论
2． 1 两种润滑剂润滑作用类型的分析
2． 1． 1 塑化曲线图的分析
图 1 所示为润滑剂质量分数为 1 %时，分别加入 TPW609
和 TWP665 复合体系与不加润滑剂复合材料的塑化曲线。由图
1(a)可见，加入润滑剂 TPW609 后材料的塑化时间较无润滑剂
缩短，塑化时间由 266 s减少至 244 s，熔融峰比无润滑剂复合材
料的熔融峰尖锐，熔融峰后转矩下降迅速，终止转矩较低。由图
1(b)可知，加入润滑剂 TPW665 后，转矩较无润滑剂略有下降，
熔融峰出现的时间也较无润滑剂晚。因此可初步推测润滑剂
TPW609 为内润滑剂，润滑剂 TPW665 为外润滑剂。
(a)加入 TWP609;(b)加入 TWP665。
1 －无润滑剂;2 － TPW609;3 － TWP665。
图 1 不同润滑剂对复合材料体系的塑化曲线的影响
(润滑剂质量分数 1 %)
2． 1． 2 终止温度的分析
图 2 所示为相同润滑剂含量下，不同转矩速度下，转矩终止
温度示意图。从图 2 可知，在相同润滑剂含量下，TPW609 的转
矩终止温度均低于 TPW665 的终止温度，且随着转速的增加，两
者的温差越来越大。说明 TPW609 与物料相容性较 TPW665
好，较容易有效分散在 PLA熔体内，降低了 PLA与剑麻、剑麻与
剑麻之间的摩擦，摩擦放热少。而 TPW665 与物料相容性差，容
易迁移至熔体表面，无法降低材料内摩擦，因此 TPW665 体系内
PLA与剑麻、剑麻与剑麻间的摩擦比 TPW609 体系内的摩擦大，
放热多，且随着转速的增加，摩擦放热越大，故 TPW665 体系的
终止温度均高于 TPW609 体系，且随着转速的增加，两者的温差
越大。
从图 2 可知，TPW609 与物料相容性较 TPW665 好，根据内
润滑剂与物料的相容性要比外润滑剂的好，因此可进一步判断
TPW609 为内润滑剂，TPW665 为外润滑剂。
－■ － TPW609;－● － TPW665。
图 2 设定温度 180 ℃下，转子转速为 10 r /min时，
PLA /SF复合材料终止温度的关系图
2． 2 不同润滑剂对复合体系流变性能的分析
图 3 反映了 2 种润滑剂体系终止转矩与润滑剂质量分数的
变化关系图。图 3 可见，在同一含量和转子转速下，加入
TPW609 复合体系的终止转矩急剧下降，而 TPW665 体系则先上
升后减小，而且终止转矩下降的幅度远低于 TPW609 体系，可见
对于 PLA木塑复合材料而言，TPW609的作用明显优于 TPW665。
－■ － TPW609;－● － TPW665。
图 3 180 ℃下，转速为 10 r /min下加入不同润滑剂含量及类型，
PLA /SF复合材料终止转矩的关系图
图 4 反映了不同转速下终止转矩随 TPW609 含量的变化关
系图。图 4 可知，随着润滑剂 TPW609 含量的增加，终止转矩出
现大幅下降，且当润滑剂质量分数达 2 %后转矩变化甚微，这主
要是因为内润滑剂与复合材料有一定相容性，能有效分散在复
合材料熔体内，降低分子间作用力，减少复合材料各组分之间的
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刘荣亮等———不同润滑剂对剑麻 /聚乳酸复合材料流变性能的影响
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摩擦力，从而降低熔体黏度，加速熔融。但是，润滑剂与复合材
料的相容性是有限的，故润滑剂用量达到一定时，由于过量的润
滑剂并不能分散在复合材料内，无法进一步降低树脂内分子间
的内聚能，因此润滑作用不明显。此外，当润滑剂质量分数为
2 %时的终止转矩仅为 4 N·m ，转矩过低，不利于物料的分散，
因此润滑剂用量不能太高，用量为 0． 5 % ～ 1 %较为适宜。
－■ －10 r /min;－● －20 r /min;－▲ －30 r /min;
－ －40 r /min;－ －50 r /min。
图 4 在 180 ℃下，不同转速下润滑剂 TPW609 质量分数
与 PLA /SF复合材料终止转矩的关系图
图 5 所示为不同转速下终止转矩随润滑剂含量变化的关系
图，由图 5 可知，TPW665 体系终止转矩变化不稳定，在低转速
下(10 r /min)，TPW665 的润滑效果非常明显，润滑剂用量越多，
润滑效果越好。但是，随着转速的增大，转矩的下降幅度越来越
小，在高转速(50 r /min)的体系下，终止转矩几乎与润滑剂用量
无关，可见外润滑剂 TPW665 的润滑效果还与转子转速相关。
这是因为 TPW665 是外润滑，其润滑机理是在加工过程中会迁
移到物料表面形成一层润滑膜，从而降低聚合物与设备之间的
相互摩擦，因此外润滑剂的润滑作用还与润滑膜的抗撕裂强度
和粘附强度有关［15］。当转子转速增加时，物料内 PLA 与剑麻、
剑麻与剑麻间的摩擦作用不断增大，润滑膜受到的机械剪切作
用不断增加，接近甚至超过其润滑膜的抗撕裂强度极限，润滑膜
遭到破坏并开始失效。此外高剪切作用下产生的摩擦热使温度
升高，润滑膜的粘附强度随之下降，这也造成润滑剂 TPW665 润
滑效果的降低。
－■ －10 r /min;－● －20 r /min;－▲ －30 r /min;
－ －40 r /min;－ －50 r /min。
图 5 在 180 ℃下，不同润滑剂 TPW665 质量分数的
PLA /SF复合材料终止转矩的关系
3 结论
内润滑剂和外润滑剂均能降低植物纤维复合材料加工过程
中的黏度，两者对复合材料的润滑作用与机理各有不同。对于
PLA复合体系，TPW609 这种脂肪酸类润滑剂为内润滑剂，其润
滑效果与用量有关，润滑剂用量存在一个“饱和值”，润滑剂含
量不宜太多，过多的润滑剂使材料的混炼效果降低，影响制品性
能。TPW665 为外润滑剂，其润滑效果与复合材料加工过程中
的转速有关，当转速过高，润滑膜受到的机械剪切作用过大，加
上复合体系在高剪切作用下产生的摩擦热使温度升高，润滑膜
遭到破坏，润滑效果大大降低。
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