Нуклеаторы повышают оптические свойства полимера
Чтобы понять, как «работают» нуклеаторы, разберемся в самом термине. Слово «нуклеатор» происходит от английского «nucleator» — «зародыш», «затравка» и, в данном случае, указывает на то, что он является центром кристаллизации полимера.
Нуклеаторы — структурообразователи. Введение их в полимер приводит к образованию более мелкой кристаллической структуры. Они создают в расплаве большое количество «зародышей», за счёт чего начинают формироваться кристаллы (сферолиты), не имеющие достаточного пространства для роста. Отметим, что физико-механические и оптические свойства тем выше, чем меньше размер сферолита.
Сферолиты — это структура, которая образуется при кристаллизации полимеров. Они представляют собой сферические образования, состоящие из множества фибрилл, ориентированных вдоль одной оси. Сферолиты являются одним из видов микроструктур, которые могут формироваться в процессе охлаждения расплавленных полимеров. Они играют важную роль в определении физических свойств полимерных материалов, таких как прочность, жёсткость и термостойкость.
Скорость роста сферолитов зависит от температуры: она максимальна в середине между температурами стеклования и плавления. Скорость роста увеличивается по мере понижения температуры. Также отметим, что она падает за счёт снижения подвижности полимерных цепей.
Теперь, когда нам ясен принцип действия нуклеатора, рассмотрим, какие вообще бывают нуклеаторы и в чём их различие.
Обычный нуклеатор — это кварц, каолин, тальк. Его мелкие частицы и становятся такими центрами, образователями «зародышей». Его основная задача:
- увеличить жёсткость материала,
- увеличить температуру кристаллизации (изделие быстрее застывает и скорость ТПА можно увеличить).
Но при всех этих позитивных моментах он отрицательно влияет на прозрачность. Тальк, минеральные наполнители делают полимер мутным. Длябюджетных решений, где нет повышенных требований к внешнему виду продукции, этовполне подойдет. Но в продукции классом повыше, где важна визуальная эстетика, нужно искать другие решения.
И это решение — просветлитель, тоже нуклеатор, но органический (бензоаты натрия и калия, сорбитолы и т.д.). Принцип его действие тот же:
- образование центров кристаллизации,
- ускорение их образования.
Но, так как они органические, они не ухудшают оптику полимера. За счёт образования более мелких кристаллов, прозрачность полимера даже увеличивается. При этом, жёсткость материала тоже растет.
Однако, здесь не обошлось без ложки дёгтя: морозостойкость изделия падает. Получается, что за прозрачность и эстетику мы платим более высокую цену, в прямом и переносном смысле. Чем выше класс, поколение нуклеатора-просветлителя, тем он дороже. Последние разработки доходят до 40-50 долларов за килограмм.
Выделим основные преимущества нуклеаторов:
- способствует повышению жёсткости литьевых изделий, увеличивают их усадку;
- уменьшают время цикла при переработке расплава за счёт более высокой температуры кристаллизации;
- влияют на оптические свойства ПП
- увеличивают прозрачность этих материалов
- влияют на прочностные свойства пролипропилена
Модуль упругости при изгибе литьевого образца увеличивается в среднем на 15-20%, ударная вязкость снижается на 20-25%.
Эффективность нуклеаторов зависит от следующего:
- условия переработки и охлаждения;
- качество диспергирования;
- температурная предыстория;
- размер частиц;
- молекулярно-массовое распределение;
- тип полимера;
- показатель текучести расплава;
- технология полимеризации
При использовании нуклеатора в толстостенных полипропиленовых изделиях, которые получают литьём под давлениемили экструзией листа, повышается прозрачность с 80-82% (при толщине 1 мм) до86-88%, снижается мутность практически в 2 раза — с 25-30% до 12-18%.
Параметры прозрачности и мутности замеряются спектрофотометром на стандартной плоской пластине толщиной 1 мм. Лаборатория МИКСАР оснащена современным аналитическим и испытательным оборудованием, в том числе спектрофотометром, позволяющим оценивать качество выходной продукции.
При оценке работы нуклеатора учитывают не только физико-механические свойства и прозрачность полученного материала, но и органолептику. Это обусловлено тем, что достаточно большое количество прозрачных полимеров используется в качестве упаковочных материалов для косметики, продуктов питания и медицинских препаратов.
Говоря об эффективности нуклеаторов в отношении ПП, стоит отметить, что эффективность просветлителей достаточно высока только для гомополипропилена. Для блок- и рандом-сополимеров пропилена их эффективность сильно снижается.
Если говорить о полиэтилене высокого или низкого давления, то прозрачность изделий из него повысить не получится, поскольку скорость кристаллизации полиэтилена слишком высока.
Использование просветлителей в ПП-волокнах (моно- и мультифиламентных) значительно увеличивает блеск и жёсткость волокна и нити.
Стандартный ввод просветлителя — 0,1-0,2%. Так как скорость нуклеации очень зависит от температуры, чтобы добиться максимальной прозрачности, необходимо обеспечить температуру расплава 230-250 °C и затем резкое и быстрое охлаждение изделия. Быстрое охлаждение изделия является важным условием для получения максимальной прозрачности, так как при медленном охлаждении микрокристаллическая структура полимера начинает расти, сферолиты увеличиваются и рассеяние света, т.е. мутность изделия, возрастает. При экструзии листа необходимо использовать охлаждаемый каландр (35-50 °C), при литье — охлаждаемую пресс-форму (15-25 °C). Температура охлаждающей воды желательна не выше 12 °C.
Ниже приведём пару случаев из нашей практики, которые наглядно продемонстрируют плюсы использования нуклеатора для решения определённых задач.
Примеры из практики
Задача 1
Производитель литьевых изделий из ПП столкнулся с проблемой и обратился к нам за решением:
При раскрытии литьевой формы ТПА-толкатели деформировали изделие.
Наши специалисты выяснили причину этого:
к моменту раскрытия, полимер не имел достаточной жёсткости.
Решение
Посоветовали добавить нуклеатор. Он позволил повысить температуру кристаллизации ПП. И к моменту раскрытия литьевой формы изделие уже приобретало достаточную жёсткость, проблема деформации устранена.
Задача 2
Крупный производитель литьевых изделий взял у нас тестовую партию нуклеатора. Но на пластиковых контейнерах тесты показали недостаточную прозрачность.
Решение
Для решения этой задачи за месяц специалисты MIXAR создали для клиента нуклеирующий суперконцентрат с использованием осветляющей добавки 3-го поколения, который отлично прошёл испытания и уже успешно используется на производстве.
Результат на лицо: получаемые с помощью нашей добавки контейнеры уже закупает крупная сеть по продаже бытовых товаров.
Нужен совет по нуклеаторам? Звоните нашим техническим специалистам!