一種新潤(rùn)滑機(jī)理的水基鏈板潤(rùn)滑劑的研制

馬 杰，林 璟

（1.廣州泰晟生物科技有限公司，廣東 廣州，511470；2.廣州大學(xué)，廣東 廣州，510006）

一種新潤(rùn)滑機(jī)理的水基鏈板潤(rùn)滑劑的研制

馬 杰1，林 璟2

（1.廣州泰晟生物科技有限公司，廣東 廣州，511470；2.廣州大學(xué)，廣東 廣州，510006）

通過長(zhǎng)EO鏈AEO型非離子表面活性劑與短EO鏈AEO型非離子表面活性劑、增溶劑的復(fù)配，制備出一種適合于非極性、弱極性材質(zhì)塑料界面使用的新型水基鏈板潤(rùn)滑劑。

非離子表面活性劑；EO鏈；增溶劑；水基鏈板潤(rùn)滑劑

食品飲料行業(yè)的快速發(fā)展，包裝物更新?lián)Q代頻率加快，透明、韌性較好的PET/PE材質(zhì)的大量應(yīng)用，給客戶帶來美觀和通透性的同時(shí)，也給潤(rùn)滑劑行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)。常用塑料材質(zhì)的類型一般為PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，sp:10.7)或PE(聚乙烯，sp:7.9-8.1)，其溶解度參數(shù)較低，非極性為主，而常見水基鏈板潤(rùn)滑劑由于采用水溶液這種強(qiáng)極性為連續(xù)相的溶劑，故存在極性差別大所導(dǎo)致的潤(rùn)滑劑有效成分在被潤(rùn)滑介質(zhì)表面的潤(rùn)濕、吸附、成膜效率的降低，因此，針對(duì)PET/PE材質(zhì)包裝物的食品飲料包裝行業(yè)的鏈板潤(rùn)滑需要，開發(fā)出潤(rùn)滑性能優(yōu)異的潤(rùn)滑劑，是當(dāng)前行業(yè)的迫切需要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑儀器

市售多種表面活性劑

BZY自動(dòng)表面張力儀，自己設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑指數(shù)測(cè)定儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)用材

PET瓶—模仿生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)用塑料瓶。

PE塑料鏈板—模仿生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)用塑料鏈板。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

表面張力：采用0.3%～0.5%自來水稀釋的水基鏈板潤(rùn)滑劑溶液在鉑金版上的的表面張力；

潤(rùn)滑力指數(shù)：采用0.3%～0.5%自來水稀釋的水基鏈板潤(rùn)滑劑在儀器上兩相界面間的潤(rùn)滑力指數(shù)。

1.4 試驗(yàn)方法

表面張力檢測(cè)依據(jù)《GB/T 22237－2008 表面活性劑 表面張力的測(cè)定》的相關(guān)條款檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。表面張力越低，潤(rùn)滑劑稀釋液在界面上的潤(rùn)濕滲透效果越佳（但其數(shù)值不一定潤(rùn)滑性能越好）。

潤(rùn)滑力指數(shù)，采用公司自己設(shè)計(jì)的鏈板摩擦力測(cè)試儀進(jìn)行PETPE塑料瓶與塑料鏈板的摩擦力測(cè)試，采用如下公式進(jìn)行摩擦力指數(shù)換算：

摩擦力指數(shù)=（水摩擦力－待測(cè)潤(rùn)滑劑摩擦力）/水摩擦力

式中：采用相同包裝物瓶及內(nèi)容物，保證要對(duì)比的瓶底與塑料鏈板間有相同的壓力；

待測(cè)潤(rùn)滑劑摩擦力：采用潤(rùn)滑劑以0.2%濃度水溶液為工作液，連續(xù)噴淋，在600s內(nèi)摩擦力的平均值，mN;

水摩擦力：采用自來水溶液為工作液，連續(xù)噴淋，在600s內(nèi)摩擦力的平均值，mN。

摩擦力指數(shù)越高，代表界面上潤(rùn)滑劑相對(duì)于自來水摩擦力的差值越大，潤(rùn)滑性能越好。

倒瓶率：采用生產(chǎn)車間的固定線路上，以恒定生產(chǎn)速度(45000瓶/小時(shí))，每小時(shí)統(tǒng)計(jì)不同部位的倒瓶率總和，排除機(jī)械故障或鏈道不平整導(dǎo)致的倒瓶。

倒瓶率越小，代表單位時(shí)間鏈板上倒瓶越少，潤(rùn)滑性能越好。

1.5 實(shí)驗(yàn)過程及方法

1.5.1 新潤(rùn)滑理論的試驗(yàn)研究及推理應(yīng)用

① 脂肪醇聚氧乙烯醚與非極性、弱極性材質(zhì)的吸附理論驗(yàn)證

研究了：脂肪醇聚氧乙烯醚分子中，親油端烷基鏈的不同長(zhǎng)度及支鏈結(jié)構(gòu)對(duì)極性偏移貢獻(xiàn)大小的研究；脂肪醇聚氧乙烯醚分子中烷基與非極性、弱極性塑料材質(zhì)色散力的分析及不同溶解度參數(shù)的對(duì)比研究；脂肪醇聚氧乙烯醚分子中聚氧乙烯鏈的長(zhǎng)度對(duì)吸附作用的研究；脂肪醇聚氧乙烯醚分子中聚氧乙烯鏈中氫鍵（H..O）的作用研究，及對(duì)吸附性能及潤(rùn)滑性能的作用研究。

② 長(zhǎng)EO鏈脂肪醇聚氧乙烯醚分子膜厚度與陽離子表面活性劑成膜作用的比較

通過電子顯微鏡檢測(cè)界面膜的分子結(jié)構(gòu)及厚度；通過界面成膜后的表面張力及溶液臨界膠束濃度的測(cè)試，對(duì)比長(zhǎng)EO鏈脂肪醇聚氧乙烯醚分子膜與陽離子表面活性劑成膜作用的強(qiáng)弱。

③ 長(zhǎng)EO鏈脂肪醇聚氧乙烯醚與短EO鏈脂肪醇聚氧乙烯醚成膜作用的增強(qiáng)

長(zhǎng)EO鏈脂肪醇聚氧乙烯醚與短EO鏈脂肪醇聚氧乙烯醚復(fù)配后，通過電子顯微鏡及成膜后界面/表面張力的大小及與陽離子表面活性劑的吸附膜對(duì)比，溶液臨界膠束濃度的檢測(cè)，以及潤(rùn)滑力的性能測(cè)試，研究其最優(yōu)復(fù)配比例及潤(rùn)滑力的貢獻(xiàn)。

1.5.2 新型潤(rùn)滑耦合抗菌性的刷型表面活性劑的研究與開發(fā)

① 刷型表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)的調(diào)控與抗菌性、潤(rùn)滑性關(guān)聯(lián)性的規(guī)律研究

刷型表面活性劑的抗菌活性和潤(rùn)滑性，親水親油性基團(tuán)結(jié)構(gòu)和碳鏈長(zhǎng)度，具有雙親結(jié)構(gòu)的不同抗菌性和潤(rùn)滑性的特殊結(jié)構(gòu)的刷型表面活性劑研究；研究刷型表面活性劑水溶液表面性質(zhì)；研究分析刷型表面活性劑分子結(jié)構(gòu)與對(duì)革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌的抗菌活性的關(guān)聯(lián)性規(guī)律和潤(rùn)滑性的關(guān)聯(lián)性規(guī)律。

②刷型表面活性劑的水溶液性質(zhì)及界面性質(zhì)研究

●水溶液性質(zhì)研究：

研究不同季銨化度的刷型表面活性劑分子溶液體系的表面張力的變化規(guī)律、潤(rùn)滑特性、自組裝聚集性質(zhì)、形成膠束的能力、膠束大小和微觀形貌。

●界面性質(zhì)研究：

通過掃描電鏡SEM等表征手段,表征刷型表面活性劑在PE塑料基底表面吸附的定向排列分子形貌;研究濃度和分子結(jié)構(gòu)與在PE塑料基底表面的聚集體結(jié)構(gòu)和排列方式的關(guān)系。為研究刷型表面活性劑在PE塑料基底的殺菌活性和潤(rùn)滑性研究奠定基礎(chǔ)。

③刷型表面活性劑在不同極性表面基底表面的抗菌性研究

● 分子結(jié)構(gòu)與抗菌活性的關(guān)聯(lián)性規(guī)律研究：

通過研究具有不同典型結(jié)構(gòu)（鏈節(jié)）的刷型表面活性劑對(duì)大腸桿菌和黃色葡萄球菌的抗菌活性，分析和研究分子結(jié)構(gòu)與抗菌活性的關(guān)聯(lián)性規(guī)律。

● 分子結(jié)構(gòu)與潤(rùn)滑性的關(guān)聯(lián)性規(guī)律研究：

研究不同結(jié)構(gòu)的表面活性劑對(duì)PE塑料基底的自組裝形態(tài)，探究分子結(jié)構(gòu)與潤(rùn)滑性的關(guān)聯(lián)性規(guī)律，構(gòu)建其作用模型。

1.5.3 活性組分在不同極性材質(zhì)表面的潤(rùn)濕鋪展及其界面自組裝研究

① 表面活性劑的甄選和復(fù)合溶液體系的表面張力變化規(guī)律研究

基于分子結(jié)構(gòu)和HLB值，甄選出具有良好復(fù)配性的陽離子、非離子表面活性劑。研究單一表面活性劑的表面張力和臨界膠束濃度，研究濃度對(duì)復(fù)配表面活性劑溶液體系的表面張力和臨界膠束濃度的影響性規(guī)律。

② 活性組分在不同極性材質(zhì)表面的潤(rùn)濕鋪展規(guī)律

基于潤(rùn)濕鋪展機(jī)理，研究活性組分在不同極性材質(zhì)（PET、PE、PP）表面的潤(rùn)濕鋪展過程，測(cè)定其潤(rùn)濕鋪展速率和動(dòng)態(tài)接觸角等參數(shù)。

③ 活性組分在不同極性材質(zhì)表面的界面自組裝行為研究

通過掃描電鏡或原子力顯微鏡測(cè)定活性組分在不同極性材質(zhì)（PET、PE、PP）界面的微觀形貌，構(gòu)建活性組分在界面的自組裝模型，揭示活性組分分子自組裝行為形成機(jī)制。

1.5.4 活性組分在不同極性材質(zhì)表面的潤(rùn)滑作用機(jī)制及其協(xié)同增效研究

通過自主研發(fā)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)相對(duì)摩擦力測(cè)定儀，結(jié)合潤(rùn)濕鋪展規(guī)律和界面自組裝行為研究結(jié)果，針對(duì)篩選出的表面活性劑和高分子助劑，測(cè)定其構(gòu)成系列不同配方的動(dòng)態(tài)摩擦力指數(shù)，研究各組分及其含量與動(dòng)態(tài)摩擦力指數(shù)的關(guān)聯(lián)性規(guī)律和協(xié)同增效作用?；谀Σ翆W(xué)機(jī)理，提出活性組分在不同極性材質(zhì)表面的潤(rùn)滑作用機(jī)制。通過產(chǎn)品儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)試及配方現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最后確定產(chǎn)品最優(yōu)化配方。

2.結(jié)果與討論

2.1 傳統(tǒng)潤(rùn)滑理論

圖1 傳統(tǒng)普通型潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑機(jī)理

現(xiàn)有在使用的傳統(tǒng)普通型潤(rùn)滑劑中，一般采用陽離子表面活性劑和高分子聚合物的搭配，其原理為陽離子表面活性劑與被潤(rùn)滑材質(zhì)的潤(rùn)濕、吸附，高分子聚合物與親水基端的連接，從而，形成單分子層的潤(rùn)滑膜，以降低兩相界面在相對(duì)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。但其缺陷是陽離子表面活性劑與高分子形成的復(fù)合膜的單分子層較薄，能提供的潤(rùn)滑力有限；并且陽離子表面活性劑的表面張力較大，其在塑料表層的潤(rùn)濕力有限，從而導(dǎo)致吸附能力的不足。

表1 不同表面活性劑的表面張力對(duì)比

在現(xiàn)有潤(rùn)滑劑應(yīng)用技術(shù)中，干膜潤(rùn)滑劑使用得也較為普遍。干膜潤(rùn)滑的原理為：配方技術(shù)采用懸浮穩(wěn)定劑技術(shù)，穩(wěn)定固態(tài)球狀的樹脂聚合物于溶液中，在使用時(shí)，溶劑揮發(fā)導(dǎo)致聚合物球狀體在兩相界面的沉淀存在，改變兩相界面的滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，從而降低摩擦力。其存在的問題為有效物球狀顆粒的配方原液不穩(wěn)定性，并且在稀釋后以及在被潤(rùn)滑介質(zhì)表面濃度分配不均勻，因此，干膜潤(rùn)滑劑也存在潤(rùn)滑力的不足。

綜上所述，針對(duì)PET/PE材質(zhì)包裝物的食品飲料包裝行業(yè)的鏈板潤(rùn)滑原理，開發(fā)潤(rùn)滑性能優(yōu)異的潤(rùn)滑劑仍是當(dāng)前行業(yè)的迫切需求。

2.2 新潤(rùn)滑機(jī)理的推出

經(jīng)過項(xiàng)目新配方組分的篩選及反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脂肪醇聚氧乙烯醚在塑料材質(zhì)界面間的潤(rùn)滑力較好。相對(duì)于胺類陽離子表面活性劑，脂肪醇聚氧乙烯醚具有較低的表面張力，潤(rùn)濕性能，在被潤(rùn)滑介質(zhì)間的作用下可以快速潤(rùn)濕、鋪展。

新潤(rùn)滑理論：

①由于脂肪醇聚氧乙烯醚無可以電離的基團(tuán)，疏水基烷基端與非極性、弱極性塑料材質(zhì)的極性及溶解度參數(shù)比較接近，故在界面塑料材質(zhì)上易富集，而長(zhǎng)EO鏈則適當(dāng)?shù)募雍窳朔请x子表面活性劑在塑料上的分子膜厚度，產(chǎn)生較好的降低界面的相對(duì)摩擦力。

②分子偏移或成鍵理論：由于脂肪醇聚氧乙烯醚與弱極性、非極性材質(zhì)間存在范德華力（色散力、誘導(dǎo)力），氫鍵力，通過分子間力的作用，脂肪醇聚氧乙烯醚可以通過電子云的偏移或成鍵（氫鍵力）與非極性界面材質(zhì)更好地吸附成膜。

另外，脂肪醇聚氧乙烯醚由于氫鍵的作用表現(xiàn)為水溶性，所以適合在水基鏈板潤(rùn)滑劑中使用。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：若將烷基醇聚氧乙烯醚與短EO鏈脂肪醇聚氧乙烯醚復(fù)配后，兩者能夠產(chǎn)生協(xié)同作用，增強(qiáng)了界面的吸附作用，顯著降低潤(rùn)滑劑的摩擦力。以上為本項(xiàng)目不同于傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑理論的新發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，新潤(rùn)滑機(jī)理潤(rùn)滑劑在提升水基鏈板潤(rùn)滑劑在軟飲料包裝瓶與塑料鏈板間的潤(rùn)滑性能的同時(shí)，顯著降低了生產(chǎn)線上的倒瓶率，并改善了水基潤(rùn)滑劑的清洗作用。

圖2 新型水基鏈板潤(rùn)滑劑在鏈條輸送帶上的潤(rùn)滑機(jī)理示意圖

本項(xiàng)目通過對(duì)新潤(rùn)滑理論的研究和技術(shù)擴(kuò)展，引入長(zhǎng)碳鏈的雙季銨鹽表面活性劑和特殊刷型結(jié)構(gòu)的陽離子表面活性劑，其容易通過自組裝在容器瓶和鏈條輸送帶的表面形成柔性鏈段朝外的單分子層，以及引入具有柔性鏈段的有機(jī)硅非離子表面活性劑使之插層至膠束（由陽離子和非離子表面活性劑形成的混合膠束），和有機(jī)硅非離子表面活性劑自組裝嵌入在容器瓶和鏈條輸送帶的表面形成的單分子層，同理，有機(jī)硅非離子表面活性劑的柔性鏈段亦朝外，并顯著降低了容器瓶和鏈條輸送帶表面的表面張力；再則，高分子聚合物保水劑具有良好的保水性，使得在鏈條輸送帶形成水膜，保持一定數(shù)量的膠束，使得膠束不斷供給分子于鏈條輸送帶和容器瓶的表面（通過以上自組裝過程），并保持一定的平衡。由于鏈條輸送帶和容器瓶界面處吸附有規(guī)整的柔性鏈段和水分子膜，使得容器瓶在鏈條輸送帶上相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性鏈段和水分子膜取得了相當(dāng)效果的潤(rùn)滑作用，其潤(rùn)滑效果取決于雙季銨鹽表面活性劑和特殊刷型結(jié)構(gòu)的陽離子表面活性劑和有機(jī)硅非離子表面活性劑三者的協(xié)同效應(yīng)和三者分子在空間的自組裝排列狀態(tài)及水膜層輔助作用，改善并提升了水基潤(rùn)滑劑的抑菌功效。

本項(xiàng)目配方選用：油醇聚氧乙烯（65）醚、脂肪醇聚氧乙烯（3）醚、雙子季銨鹽、刷型陽離子表面活性劑、脂肪醇醚、異構(gòu)醇醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、有機(jī)硅表面活性劑、PPA、NaCA、EDTA、A92R等組分進(jìn)行篩選復(fù)配，研究其潤(rùn)滑微觀機(jī)理和宏觀潤(rùn)滑效果，從而獲得新潤(rùn)滑機(jī)理復(fù)合多功能水基潤(rùn)滑劑，

2.3 結(jié)果與分析

本項(xiàng)目產(chǎn)品與傳統(tǒng)理論產(chǎn)品的性能對(duì)比。從上表數(shù)據(jù)對(duì)比看出：本項(xiàng)目產(chǎn)品具備較中性的酸堿度，對(duì)設(shè)備線路的腐蝕性很??；本項(xiàng)目產(chǎn)品具備較低的表面張力，賦予了潤(rùn)滑劑中有效成分在弱極性、非極性介質(zhì)表面更好的潤(rùn)濕作用、成膜效應(yīng)、潤(rùn)滑效應(yīng)；從摩擦力指數(shù)中看出：本項(xiàng)目產(chǎn)品具備優(yōu)秀的潤(rùn)滑性能，極大程度上減少了傳輸鏈板上PET瓶的倒瓶現(xiàn)象。

表2.實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 XX廠PET生產(chǎn)線上48000瓶/小時(shí)的中試對(duì)比

0.3 %使用濃度自來水溶液在PET車間飲料生產(chǎn)線上的性能對(duì)比。

從上述數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：本項(xiàng)目產(chǎn)品在PET生產(chǎn)線生產(chǎn)中，具有氣味小、倒瓶率低、泡沫低的優(yōu)點(diǎn)，更適合于生產(chǎn)線的正常連續(xù)穩(wěn)定使用。

3結(jié)論

1.新潤(rùn)滑理論在弱極性、非極性材質(zhì)間的作用優(yōu)于傳統(tǒng)老的潤(rùn)滑理論；

2.采用長(zhǎng)短EO鏈、復(fù)配增溶劑的鏈條潤(rùn)滑劑，具備氣味小、腐蝕低、潤(rùn)滑性能好等優(yōu)點(diǎn)。

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