هسته ­زاها و شفاف­ کننده­ ها: گروهی غنی از مواد افزودنی

برخی از متداول­ ترین عوامل هسته­ زا برای پلی ­پروپیلن عبارتست از:

• عوامل هسته ­زای ذره ­ای
• عوامل هسته­ زای محلول
• عوامل شفاف ­کننده­ محلول یا شفاف­ سازها

عوامل هسته ­زای ذره ­ای

عوامل هسته­ زای ذره ­ای معمولاً ترکیباتی با نقطه ذوب بالا هستند که از طریق ترکیب با مذاب پلیمر در آن پراکنده می ­شوند. این ذرات به عنوان “هسته­ های نقطه ­ای” متمایز عمل می ­کنند و رشد کریستال پلیمر بر روی آن ها آغاز می ­شود.

• غلظت بالای هسته منجر به تبلور سریع تر (زمان های سیکل کوتاه تر) و بلورینگی بالاتر می­ شود که در نتیجه باعث بهبود مقاومت، سفتی و HDT پلی­ پروپیلن می­ شود.
• هم­چنین، اندازه کوچک تجمعات بلوری (اسفرولایت) منجر به کاهش پراکندگی نور و بهبود شفافیت می­ شود.

عوامل هسته زای ذره ­ای معمولاً شامل نمک ­ها و مواد معدنی مانند تالک، بنزوات سدیم، استرهای فسفات و سایر نمک های آلی هستند.

• تالک و بنزوات سدیم به عنوان هسته ­زاهای با کارایی و قیمت کم در نظر گرفته می ­شوند و بهبود متوسطی را در استحکام، سختی، HDT و زمان سیکل ایجاد می­ کنند.
• هسته­ زاهای با کارایی و قیمت بالا، مانند استرهای فسفات و نمک­ های بی­ سیکلوهپتان، خواص فیزیکی بهتری را ارائه داده و باعث بهبود شفافیت نیز می­ شوند.
• 

عوامل هسته ­زای قابل انحلال

عوامل هسته ­زای محلول، که به آن ها هسته­ زاهای “حساس به ذوب” نیز گفته می­ شود، به طور معمول دارای نقطه ذوب کم هستند و در PP مذاب حل می ­شوند.

• با خنک شدن مذاب پلیمر در قالب، این هسته­ زاها متبلور شده و در ابتدا یک شبکه کاملاً توزیع شده با مساحت سطح بسیار بالا تشکیل می­ دهند.
• هم­چنان که درجه حرارت کاهش می ­یابد، فیبریل­ های متشکل از این شبکه به عملکرد خود به عنوان هسته برای شروع تبلور پلیمر ادامه می­ دهند.
• غلظت فوق العاده زیاد هسته ­ها منجر به کوچک شدن تجمعات بلوری در PP شده و در نتیجه کم­ترین میزان تفرق نور و بهترین حالت از نظر شفافیت را به همراه دارد.

برخی از هسته ­زاهای متداول، مانند بنزوات سدیم و تالک، اندازه اسفرولایت ­ها را به میزان کافی برای داشتن یک قطعه قالب­گیری شده با کدری کم و شفافیت زیاد کاهش نمی ­دهند. به طور کلی شفاف­ترین حالت زمانی حاصل می ­شود که از هسته­زاهای محلول استفاده شود.

اگرچه این هسته­ زاها عمدتاً برای دستیابی به شفافیت بالا و پایین آوردن کدری مورد استفاده قرار می ­گیرند، اما هم­چنین باعث بهبود خواص فیزیکی و کاهش زمان سیکل نیز می­ شوند.

هسته ­زاها و شفاف­کننده ­ها هم­چنین می­ توانند بر اساس خانواده شیمیایی­شان نیز دسته بندی شوند.

عوامل هسته­ زای آلی و غیرآلی

عوامل هسته زای غیر آلی به عنوان مثال تالک یا سولفات باریم هستند. نانوکلی ­ها مانند مونتموریلونیت نیز دارای اثر هسته­زایی بر روی پلی­ پروپیلن، پلی ­استرهای ترموپلاستیک، و پلی ­آمید هستند که منجر به افزایش سرعت هسته­ زایی و نیز افزایش درجه کلی تبلور می ­شوند. اکسیدهای فلزی مانند دی ­اکسید تیتانیوم یا اکسید منیزیم، فسفات ها، کربنات ها یا سولفات­ ها، از فلزات ترجیحاً قلیایی خاکی (گروه دوم جدول تناوبی)، نیز جز این دسته قرار می­ گیرند.

مواد افزودنی آلی از مشتقات سوربیتول گرفته تا اسیدهای مونو یا پلی­ کربوکسیلیک و نمک ­های آن مانند اسید -tert-4بوتیل بنزوئیک، بنزوات­ های سدیم یا لیتیوم، استرهای ارگانوفسفات یا فسفات، اسید آدیپیک، دی فنیل­استیک اسید، سوکسینات سدیم یا بنزوات سدیم، بسیار متنوع هستند.

طبقه بندی با توجه به نوع کریستال: α، β، γ …

به عنوان مثال، مؤثرترین عوامل هسته ­زای α، مشتقات مبتنی بر سوربیتول و فسفات­ های آلی هستند در حالی که عوامل هسته ­زای β، از جمله تری فنودیتیازین، اسید پیملیک همراه با استئارات کلسیم و… هستند.

عوامل تأثیرگذار بر عمل کرد عوامل هسته ­زا و شفاف ­کننده ­ها

شکل ذره و نسبت منظر آن

ذرات هسته ­زا با اشکال سوزن مانند (مثل NA-11) می­ توانند منجر به ایجاد مقادیر مختلفی از جمع­ شدگی در جهت دستگاه و جهت ­های عرضی شوند. این ناهمسان گردی در جمع­ شدگی می ­تواند منجر به تاب­ خوردگی در قطعه­ نهایی شود. ذرات هسته­ زا با هندسه­ صفحه ­ای، مانند HPN-68L، می­ توانند از هر دو جهت جمع­ شدگی یکنواخت­ تری داشته باشند و در نتیجه تاب­ خوردگی کمتری نیز نشان می ­دهند.

اندازه و توزیع اندازه­ ذرات

اندازه ذرات کوچک تر منجر به بهبود هسته ­زایی می­ شود، اما از طرفی، پراکنش ذرات کوچک تر نیز دشوارتر است. برخی از ذرات هسته ­زا مانند بنزوات سدیم تمایل به تجمع مجدد دارند.

اسید جاروب­ کننده­ مورد استفاده

برخی از جاروب ­کننده ­های اسیدی مانند نمک ­های اسید چرب (به عنوان مثال استئارات کلسیم) ممکن است با برخی هسته­زاهای خاص مانند استرهای فسفات و بنزوات سدیم ناسازگار باشند. با این هسته­ زاها باید از دی هیدروتالسیت (DHT-4A)  استفاده کرد.

درجه­ پراکنش و حضور تجمعات پراکنده نشده

بنزوات سدیم غالباً تجمعاتی تشکیل می­ دهد که به سختی قابل پراکنش هستند.

دمای ذوب

سوربیتول ­ها برای داشتن بالاترین شفافیت، به دمای ذوب بالاتری نیاز دارند، زیرا باید کاملاً در مذاب پلیمر حل شوند. شفاف کننده ­های محلول دیگر مانند XT 386 در دمای پایین در PP حل شده و حساسیت کمتری به دمای ذوب دارند.

چگونه عوامل هسته­ زا اضافه می­ شوند؟

شرکت­ های تولیدکننده­ رزین اغلب عوامل هسته ­زا را در PP ترکیب می­ کنند. اگر پودر هسته­ زای خالص در PP ترکیب شده باشد، بهترین روش، استفاده از پرک یا پودر PP و یا  مستربچ ­های هسته ­زا است.

اثرات هم ­افزایی و هم­زدایی عوامل هسته­ زا با دیگر افزودنی­ ها

• جاروب ­کننده ­های اسیدی می ­توانند هم ­افزا و یا هم­ زدا باشند. نمک­ های اسید چرب بر روی مدول PP دارای عامل هسته ­زای استر فسفات تأثیر منفی می­ گذارد. (دی هیدروتالسیت) مدول PP دارای عامل هسته­ زای NA-11 را بهبود بخشیده و این امکان را فراهم می­ آورد که از سطوح کمتری از هسته­ زا استفاده شود.
• در PP تقویت شده با تالک، NA-27 بالاترین مدول را می­ دهد.
• در PP رنگی، HPN-68L اثر تغییرات رنگدانه را بر روی مدول کاهش داده و تاب­ خوردگی و جمع­ شدگی را کاهش می­ دهد.

انتخاب عامل هسته­ زا و شفاف­ کننده­ مناسب برای PP

قبل از انتخاب عامل هسته­ زا یا شفاف­ کننده مناسب برای PP، ابتدا باید مشخص شود که بهبود کدام یک از خواص اهمیت بیشتری دارد:

• اگر شفافیت بالا و کدری کم مهم است، یکی از شفاف کننده­ های محلول را انتخاب کنید.
• برای کدری کمتر، می ­توان از استرهای فسفات استفاده کرد.
• اگر مدول بالا از اهمیت بیش تری برخوردار است، یکی از استرهای فسفات را انتخاب کنید.
• اگر کم ترین هزینه از اهمیت بیشتری برخوردار است، بنزوات سدیم را انتخاب کنید.
• اگر کم ترین تاب­ خوردگی و نیز حساسیت کم به رنگدانه از اهمیت بیشتری برخوردار است، نمک بی­ سیکلوهپتان را انتخاب کنید.

هم­چنین تصمیم ­گیری در مورد نحوه­ ترکیب عامل هسته ­زا در رزین PP نیز ضروری است. همیشه آزمایش­ های مناسب را انجام دهید تا اطمینان حاصل کنید که پراکنش و هسته ­زایی خوبی حاصل شده است.

• به طور معمول باید از اکسترودرهای دوپیچه استفاده شود، مگر اینکه ابتدا مستربچ ­هایی که عامل هسته ­زا کاملاً در آن پراکنده شده است، تهیه شود.
• آزمون DSC را نیز برای رزین PP دارای عامل هسته ­زا انجام دهید. چراکه بهبود در زمان سیکل به طور کلی با افزایش دمای تبلور (Tc) ارتباط دارد.

کاربردها: از خودرو تا کالاهای مصرفی

عوامل هسته ­زا بسیاری از خواص فیزیکی و مکانیکی پلی­ پروپیلن را از جمله سفتی، استحکام ضربه، سختی، درجه حرارت اعوجاج گرمایی و … را افزایش می ­دهند، که منجر به موارد زیر می ­شود:

• کاهش ضخامت و کاهش وزن قطعات نهایی
• کاهش زمان سیکل و افزایش بهره وری
• بهینه ­سازی ثبات ابعادی در حل مسائل جمع­ شدگی و تاب­ خوردگی

در بین کاربردهای PP، برخی از حوزه­ هایی که در آن­ ها PP هسته ­زایی شده و شفاف محبوبیت بالاتری دارد عبارتند از:

• محصولات مصرفی مانند مبلمان، اسباب بازی­ ها، وسایل ورزشی، گلدان­ های گل، آویزهای لباس، جعبه ابزار، لوازم منزل / اداره / صنایع دستی، چمدان، لوازم التحریر …
• لوازم خانگی مانند روتختی و قطعات یخچال و ماشین ظرفشویی، ماشین لباسشویی، وسایل کوچک مانند میکسر، آون توستر، غذاسازها، سشوار، ظروف زباله، ظروف ذخیره مواد غذایی، لباس، آسترهای کولر، ظروف غذاخوری، ظروف نگهداری لباس و غیره
• خودرو و حمل و نقل مانند پانل­ های درب، دستگیره ­ها، پانل ­های بدنه، سپر، باتری، محافظ فن و رادیاتور، ظروف مایع و سایر موارد
• پزشکی مانند سرنگ، وسایل آزمایشگاهی، و سایر وسایل و تجهیزات پزشکی

عوامل هسته ­زا و شفاف کننده ­ها سرعت کریستالیزاسیون را افزایش داده و تنظیم می­ کنند تا امکان تنظیم خواص نهایی پلیمرهای نیمه بلوری مطابق با کاربرد مورد نظر فراهم شود. فارغ از نسبت جامع کیفیت به قیمت، هسته­ زاها و شفاف کننده­ ها به سمت بهره ­وری بهتر پیش می ­روند که امکان صرفه­ جویی در هزینه، افزایش بازدهی، بهبود خواص ارگانولپتیک، سازگاری با فرآیندهای بایوپلاستیک ­ها، بهینه سازی همو و کوپلیمرهای پلی­پروپیلن را برای رقابت با سایر محصولات فراهم می ­کنند.

همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.

info@fara-ps.com

پلیمرها تحت شرایط ذیل از حالت مذاب متبلور می‌شوند:

1. ساختار مولکولی پلیمر باید به اندازه کافی منظم باشد تا اجازه نظم بلورین را فراهم کند.
2. دمای تبلور می‌بایست زیر دمای ذوب و با فاصله از دمای انتقال شیشه‌ای باشد.
3. هسته سازی می‌بایست قبل از تبلور رخ دهد.
4. نرخ تبلور باید به اندازه کافی بالا باشد.

به دلیل اتصال زنجیرها، تنها تبلور مشروط به دست می‌آید. بنابراین اغلب به پلیمرها مواد نیمه بلورین گفته می‌شود. این اتصال زنجیرها دلیل اصلی تبلور پلیمرها در دمای پایین‌تر از دمای ذوب است. هنگام تبلور پلیمرها از حالت مذاب، بلورهای پلیمری (لاملا) از هسته‌ی اولیه سازماندهی می‌شوند و ماکروساختارهای کروی پیچیده را تشکیل می‌دهند که اسفرولایت نامیده می‌شود. اسفرولایت‌ها حاوی لاملا و  همچنین مناطق آمورف بین آن‌ها است. اسفرولایت‌ها به شرد خود ادامه داده تا رشد آن‌ها تحت تاثیر جبهه‌ی اسفرولایت همسایه قرار گیرد. شروع تحول فاز با ظهور ذرات بسیار کوچک فاز جدید نشان داده می‌شود. سرانجام هسته اولیه تشکیل خواهد شد و رشد بلور را به دنبال خواهد داشت. هسته زایی وابستگی شدیدی به دما دارد. تعداد و اندازه اسفرولایت‌های تشکیل شده، تخمین زده می‌شوند تا میزان همگونی هسته مشخص شود. تشکیل هسته‌ها با افزودن ماده خارجی تحت عنوان عامل هسته زا افزایش می‌یابند. از آنجا که هسته‌های بیشتری در حضور عامل هسته زا تشکیل می‌شوند، تحت شرایط خنک سازی مشابه اسفرولایت‌های حاصل به طور قابل توجهی نسبت به حالت عدم استفاده از عامل هسته زا کوچکتر است. این پلیمرها به دلیل هسته‌های تشکیل شده دارای ساختار دانه‌ای ریزتر هستند؛ این موضوع در خواص فیزیکی و مکانیکی منعکس می‌شود. بنابراین در درصد بلورینگی یکسان پلاستیک‌های دارای اسفرولایت درشت، شکننده‌تر و دارای شفافیت کمتر نسبت به پلاستیک‌های با اسفرولایت ریز هستند. هسته سازی باعث افزایش دمای تبلور و سرعت آن می‌شود. بنابراین قطعات را می‌توان در دمای بالاتر از قالب خارج کرد و به این ترتیب سیکل زمانی قالبگیری کاهش می‌یابد. همچنین این مواد دارای مقاومت کششی، سختی، مدول خمشی، دمای HDT بالاتر هستند. اما به طور کلی مقاومت ضربه آن‌ها کمتر است. وضوح با افزایش سرعت خنک سازی افزایش می‌یابد و کاهش اندازه اسفرولایت باعث کاهش تفرق نور هنگام عبور نور از مواد می‌شوند.

عوامل هسته زا را تقریباً می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

1. مواد افزودنی غیر آلی مانند تالک، سیلیس، خاک رس
2. ترکیبات آلی مانند نمک‌های مونور اسیدهای پلی کربوکسیلیک ( مانند بنزوات سدیم) و برخی رنگدانه‌ها
3. پلیمرها مانند کوپلیمرهای استری آکریلیک و کوپلیمرهای اتیلن

مقدار استفاده معمول از این مواد هسته زا تا ۰/۵ است و معمولاً مقادیر بالاتر پیشرفت بیش تری ایجاد نمی‌کند. این مواد به صورت پودر، سوسپانسیون، محلول و یا به صورت مستربچ ترکیب می‌شوند. صرف نظر از روش مورد استفاده پراکنش مناسب عامل هسته زا برای ایجاد یک اثر مطلوب لازم است.

همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.

info@fara-ps.com