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.

1. 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.
2. 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.
3. 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:

1. کاهش ضخامت و کاهش وزن قطعات نهایی
2. کاهش زمان سیکل و افزایش بهره وری
3. بهینه ­سازی ثبات ابعادی در حل مسائل جمع­ شدگی و تاب­ خوردگی
4. در بین کاربردهای PP، برخی از حوزه­ هایی که در آن­ ها PP هسته ­زایی شده و شفاف محبوبیت بالاتری دارد عبارتند از:
5. محصولات مصرفی مانند مبلمان، اسباب بازی­ ها، وسایل ورزشی، گلدان­ های گل، آویزهای لباس، جعبه ابزار، لوازم منزل / اداره / صنایع دستی، چمدان، لوازم التحریر …
6. 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
7. 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
8. 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.

منبع : فرا پلیمر شریف