全球塑料行業的發展非常迅速，年均增長率達到了4%~6%，超過了全球GDP的增長水平。這種增長最主要的原因就是塑料材料繼續在替代著傳統材料如金屬、木材、和礦物。事實上，樹脂中添加的各種添加劑對于塑料材料的成功應用也大有幫助。在使用到的各類型添加劑中，聚合物抗沖擊改性劑和加工助劑為聚合物提供了最獨到和最寶貴的卓越性能，同時還提高了產品的加工性能。增韌處理、流變性能控制、外觀美觀性、加工性能以及經濟因素都是重要的性質屬性。種種這些添加劑已經使用多年，經過長期的發展衍生出了一系列廣泛品種。造成這種情況的一個主要原因是乳液聚合過程多種多樣，這就使得科學家們不斷去設計適合的聚合物組分、聚合物結構、聚合物形態以及聚合物分子量/分子量分布。由于生產成本低，而且所得的乳液產品易于分離，因此，乳液聚合在商業化生產中還是非常有吸引力的。
有很多塑料材料的應用范圍非常有限，這是因為它們要么不具備所需的物理性質，要么其加工性能非常差，加工助劑正是用來增強塑料的熔體加工性、提高產量、減少停車檢修時間以及提供產品更好的質量的。20世紀50年代，羅門哈斯公司率先開發出了第一種商業化生產的加工助劑產品，該產品被用于硬質PVC生產。在此之后，這種前所未有的技術很快被業界所熟知，并且因而引發了PVC工業的生產熱潮。自從20世紀80年代起，這樣的研究開發工作開始針對其他的熱塑性材料和聚合物共混產品開展起來。大部分的加工助劑通常還是添加在PVC中的，而在其他熱塑性塑料中使用的加工助劑卻很少(只占0.5%~5%)，但是盡管如此，這些加工助劑卻能顯著地改善加工性能，同時又不會對其他應用性能造成太大的影響。根據功能性不同，加工助劑可以分為助熔劑、熔體流變改性劑、潤滑劑和分散促進劑。其實，每一類加工助劑又都有不止一種的功效。任何一種加工助劑的功能性和應用效果都要取決于其化學組份、聚合物構造、聚合物分子量以及聚合物的基體類型。
PVC用加工助劑
眾所周知，對于熱塑性樹脂，最終制品的機械性能是與聚合物熔體在轉化過程中的均一性息息相關的。不同于其他大多數的熱塑性樹脂，硬質PVC由于其固有的粒子結構致使其無法直接進行加工。它需要在高溫下持續很長的加工時間，而這又往往會導致熱降解。加工助劑為PVC樹脂帶來了很多好處，主要是與加工過程中的熔化過程和熔體流變性相關。加工助劑有助于提高熔體的結合力和均一性，增強熔體強度、熔體延展性和熔體彈性。加工助劑的組分及其聚合物結構會影響到助劑與PVC的相容性，并會改變一些性質，如助熔性能和潤滑性能。另一方面，加工助劑的分子量及分子量分布在控制熔體流變性質時會起到關鍵作用。最通用的加工助劑是甲基丙烯酸酯類的聚合物。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)類的聚合物具有較高的玻璃化溫度(Tg)，并且它與PVC材料具有極好的相容性，這些性質有利于產生和傳遞局部剪切熱，從而在熔融階段促進PVC的熔化。
除了熔體流變性質外，提高分散性能、改善加工效率、增強各種性能的總體均衡性(特別是對應于粘度的熔體強度)，這些都是新型加工助劑研發的主要方向和目標。這種發展趨勢一方面要求加工助劑在用量少的前提下能獲得相同的效果，另外，在需要色澤均勻、透明材料的應用中，也要求材料更容易分散且更加均勻透明。
1、加速熔融和熔體均一性
監測PVC熔融過程最普通的方法就是使用塑性流變儀(Brabender Plasticorder)或Haake流變儀。圖2.1顯示了PVC塑化過程中，塑化扭矩對應時間的曲線圖。每一個階段熔體的溫度都被記錄下來。“A”點顯示的是壓縮峰，反映了粉末受到的壓縮和增稠情況。“B”點表示開始塑化，隨后出現的是塑化峰。“C”點出現在PVC塑化成熔體的一刻。從“A”點到“C”點之間的時間差值被稱作“塑化時間”。“C”點處測到的扭矩被稱作“塑化扭矩”。在這個階段PVC并不會完全熔融，大部分的熔體處于初級粒子狀態。塑化持續進行，扭矩開始下降，在“D”點后扭矩幾乎呈現為常數，這個扭矩被稱作平衡扭矩。平衡扭矩可以粗略地表征為熔體粘度的估計值。當繼續加熱和剪切，到“E”點后，PVC鏈會發生脫氯化氫作用以及發生交聯，扭矩會再次上升。“A”點到“E”點之間的時間差值被稱作“降解時間”。PVC配方類型、加工溫度、剪切速率和負載水平等因素都會強烈地影響熔融曲線。
若縮短熔化時間，結果顯示PVC粒子結構并不會完全斷裂，而且與熔體的均一性好壞沒有太大關系。但是，輥筒混煉機的平面擋板上的表面光潔度卻能夠提供一個粗略的估計。在用錫穩定的PVC(K=61)中只加入2%的丙烯酸類加工助劑，在180℃加工溫度下，存留在壓輥上的PVC料非常透亮、光滑且均勻，同時擋板表面同樣光滑。相反，如果不添加加工助劑，那么在輥筒上的熔體非常不均勻，而且擋板表面會出現很多裂紋。這兩種情況加工出的片材如圖2.2所示。使用了加工助劑的片材強度好、沒有針孔缺陷，并且沒有空氣條紋和熔體破裂產生。然而未經過加工助劑改性的PVC膜易于撕裂、破碎，失去了其整體性。PVC熔體的均一性可以通過透射電子顯微鏡(transmission electron microscope)檢測。另外，通過示差掃描量熱(DSC)的方法，可以確定PVC的熔化程度。這種技術實際上反映了凝膠化程度，并與PVC樣品的塑化程度相關。
2、熔體強度、延展性和彈性
熔體強度是一個反映彈性形變和伸長率粘度的參數，延展性描述了PVC熔體在不出現破裂的前提下經受伸長或拉伸形變的性能，彈性是指當移除應力后恢復至原始狀態的趨勢。這三種流變學性質關聯性很大，很難分開描述。將抗張強度、伸長率和彈性三種性質綜合考慮，就是我們定義的熔體的“堅韌度”。如果不使用聚合物加工助劑，PVC將無法承受較高的應力和拉伸。通常用作加工助劑的丙烯酸類共聚物，一般來說都與PVC有很好的相容性，借助其分子長鏈和相互作用，生成了更堅硬、彈性更好的熔體。破裂應力和延展性的提高，使得PVC材料能抵御破裂誘導產生的缺陷。
對于加工者來說，定量地測定熔體強度是很困難。Gottfert Rheotens熔體強度測量儀采用了一種類似齒輪傳動的依靠應變計控制的牽引裝置，將完全熔化的熔體從一臺直角(垂直落差)擠出機中牽引出來。當擠出機的擠出速率保持穩定時，受傳動的出料速度就會開始加速，直到熔體(擠出型材)破裂為止。正因為如此，PVC熔體的各種流變性質都可以定量地進行測量、記錄。擠出脹大是檢測熔體彈性的另一種方法。當聚合物發生形變時，在外力撤銷后聚合物有回復至原始狀態的趨勢。通常我們可以觀察到這種行為：當擠出材料在離開模具口時會出現脹大現象。脹大的程度與聚合物的可恢復形變(x)或彈性密切相關，這種程度一般被定義為脹大比(擠出材料的直徑/離開模具后的直徑)，或者也有被表示為固定長度擠出材料的重量比值。如圖2.3所示，擠出材料的重量取決于與加工助劑濃度相關聯的加工狀況。正如預測的一樣，擠出脹大還與聚合物的分子量有非常密切的聯系。由于熔體在擠出加工時要進出模具，因此，熔體的彈性是確定熔體穩定性非常重要的一個因素。在添加了加工助劑的情況下，模具進口處的壓力越高，顯示出的熔體彈性就越高。
就目前的加工助劑來說，開發專門用于PVC發泡應用的超高分子量材料是更加領先的一種方向。如果使用了適當的加工助劑，那么擠出泡沫的泡孔結構會更加均勻，并且破裂的情況也會減少。在碎裂之前，由于PVC熔體能夠承受非常大的延展、伸長，因此可以得到泡孔結構良好、同時具有良好表面質量(外觀質量)的低密度泡沫材料。如圖2.4所示，對于發泡材料的發泡密度、泡孔均勻性以及表面質量來說，分子量達到8×106的超高分子量加工助劑與分子量達6×106的同類型加工助劑相比，效果幾乎要好30%。加工助劑的分子量對于PVC熔體強度的影響效果在圖2.4中顯示。如果使用了不適當的加工助劑，那么泡沫材料就會具有非常大的泡孔、糟糕的外觀結構、而且空氣氣密性會很差(會爆裂)。
3、熔體粘度
許多的熱塑性樹脂都具有優異的物理性質和很高的使用溫度，但是，它們的熔體粘度通常也很高。熔體粘度高不利于材料的加工，常常會降低生產效率、影響產品質量。尤其是在注射成型中，熔體粘度高絕對是個重要的挑戰，因為無論什么材料都必須填充滿薄壁結構、流過狹長的澆道或充滿復雜的結構形狀。絕大多數的超高分子量加工助劑會提高熔體粘度。不過有資料表明，低濃度的標準丙烯酸類加工助劑對熔體粘度不會產生顯著影響。另一方面，多種功能助劑的結合使用也可以平衡熔體的流變性質和熔體的均一性能。硬質PVC復合物已經成功地解決了這個問題。很多應用部件、經營設備、電子電器外殼都是由添加了加工助劑和抗沖擊改性劑的PVC樹脂制備的。就像前面提到的，只要采取適當的控制，由Haake流變計測定出的平衡扭矩能夠看作是熔體粘度的粗略體現，也可以通過許多現代的分析流變儀器如毛細管流變儀來測定熔體粘度。
4、潤滑
潤滑劑常常在加工過程中用來防止塑料熔體粘結在金屬表面。使用非聚合物型的潤滑劑有許多不利方面，包括模具的結垢、影響透明度、遷移和延遲熔化等。潤滑型加工助劑有利于金屬脫模、減少模具的結垢、改善熔體均一性以及對熔化延遲產生的影響最小。潤滑型加工助劑既具有潤滑劑的功效也具有加工助劑的功能。與傳統的加工助劑相比，這類的加工助劑與聚合物基體的相容性要差一些。由于與樹脂不混溶，因此出現了明顯的霧狀混濁。不過，這種混濁可以通過折射率的適當調節進行校正。工業化應用的PVC潤滑型加工助劑，例如Paraloid K-175，能夠減少熔體的破裂、降低剪切應力、改善表面質量，還不會影響聚合物基體的透明度。
近些年來，越來越多的加工助劑被用來改善除PVC以外的樹脂的加工性能。一些聚合物型加工助劑是通過乳液聚合方法制備的，而另一些則采用其他方法。已經證明，丙烯酸類加工助劑可以改善熱塑性塑料如聚烯烴、聚酯、聚碳酸酯以及ABS/SAN共混物的熔體強度和熔體均一性。據報導，甲基丙烯酸酯類聚合物可以增強聚乙烯的軋制加工性能。烷基碳數更高的甲基丙烯酸烷基酯類加工助劑能夠改善聚丙烯的熔體強度，并且在制造容器和電器外殼時有利于熱成型操作。較低分子量的甲基丙烯酸酯類加工助劑可以在ABS樹脂中充當流變改性劑，降低熔體粘度并使熔體更易于加工。在對線性低密度聚乙烯(LLDPE)擠出薄膜時添加超低濃度的氟碳類加工助劑，既可以降低熔體粘度還能夠消除熔體破裂的情況。由于強度高、阻隔性能好，因此聚偏二氯乙烯(PVDC)樹脂常用于包裝應用，特別是多層薄膜和片材。但是，PVDC的穩定性明顯不如PVC，而且在必要的加工溫度下PVDC通常會快速降解。丙烯酸類添加劑能夠減少它的熱降解，同時還能保留其大部分的重要性質。聚乙烯醇(PVOH)是另一種具有良好阻隔性能的熱塑性塑料，但是該材料在高溫下和受剪切應力條件下加工性能非常差。為此，在PVOH中使用高分子量聚合物充當加工助劑能夠使熔體加工非常順暢，還不會降低PVOH的剛性和阻隔性能。芳香族聚酯如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)中添加了低濃度的加工助劑后，其熔體強度和熔體粘度都能夠顯著提高。
