聚丙烯材料改性中成核剂技术的应用研究

孙亚光

（ 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃二分公司，宁夏 银川750411）

聚丙烯作为塑料材料中最轻材料的一种， 是由于其密度小的特点，具有高效的结晶性能，具有良好的电性能和高频绝缘性，且不受湿度的影响，是较好的机械零件、耐腐蚀零件及绝缘零件的制作材料。 成核剂的主要工作原理是将聚丙烯不完全结晶的性质进行改性，改变结晶行为，从而提高结晶速率、结晶密度，使结晶的尺寸变小，从而改善塑料材料的结晶周期，增强材料的冲击强度、刚性、透明性以及光泽性。 下面将对于聚丙烯材料及成核剂进行分析，并将二者结合的原理进行探讨。

1 简述聚丙烯材料的生产工艺方法

在聚丙烯材料生产的过程中主要的工艺方法有几大类：a.淤浆法，b.液相本体法，c.气相法，在科技快速发展的现阶段，很多传统的工艺都将被取代， 淤浆法就是如今被淘汰的一种。 在现如今的市场上，气相法的生产工艺是在进行聚丙烯材料制作中最常用的，在市场销售的聚丙烯材料中，气相法是最普遍的，该工艺方法生产的占据了差不多50%的份额。

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃二分公司聚丙烯装置引进Lummus Novolen 的气相法聚合工艺包，新鲜丙烯与主催化剂、助催化剂三乙基铝、硅烷及氢气被送入反应器。 聚合反应以气相形式进行， 通过螺带式反应器搅拌器对反应器床层中的聚合物粉末进行搅拌， 在设计压力和温度下生产出聚丙烯粉料，粉料进入挤压造粒机组，按照产品配方分别加入不同比例的成核剂、抗氧剂等固体添加剂，以提升产品质量。

2 成核剂的特点分析

聚合物是由多种物质构成的，里面还含有大量的杂质，这些杂质的性能不稳定，对于聚合物的结晶产生着一定的影响，有些在结晶过程中产生着积极的作用的，是促进结晶的杂质，例如，成核剂就是一种促进结晶的杂质。 有些是起着消极作用，是阻碍结晶的杂质。 成核剂在添加到聚丙烯材料中时，促进的结晶的整体质量，将结晶的晶体体积改变，体积变小，晶体颗粒更加的紧密，从而使结晶的速率也有很大的提升。 成核剂的特点主要有几个方面：a.对拉伸强度的影响；b.对抗冲击强度的影响；c.对抗冲击强度的影响；d.提升材料自身的强度；e.提升材料的自身的光滑度；f.缩短注射周期的长度，使生产效率得到增强；g.防止注射产品产生收缩；h.对产品光稳定性的影响；i.对产品长期耐热的提升。

3 对于成核剂的成核原理进行探究

对于聚丙烯在使用成核剂之后的结晶变化的研究， 可以通过成核原来进行分析，当前较为先进的应是异相成核理论。

在异相成核理论中， 成核剂发挥着异相晶核的影响作用它的非极性部分在聚丙烯结晶的过程中会形成凹型表面，从而使聚丙烯的分子包裹进来，形成较为规整的分子链，反应成核。 并且，成核分子的性能与聚丙烯材料自身分子的性能相近，也会促进结晶成核作用。 在聚丙烯材料中，加入一种类型的成核剂，可以看到晶核形成的速度是瞬间。 晶核的密度受温度的影响发生变化，每升高4℃的结晶温度，晶核的密度会相应的增加一个等级。 成核的密度不受熔融温度影响的。 此结晶现象引发了一系列的猜想，可能成核剂表面的台阶是晶核形成的地方。 在聚丙烯自身的材料中，只有聚丙烯溶体自身分子进行运动，才会产生晶核，完成结晶行为。 整个结晶过程慢且质量不高的原因主要有两方面，一种是由于结晶的晶核数量较少，另一种是成核的速率较慢，从而导致晶体的形态影响材料本身的性能。 成核剂添加完后，晶核的数量增加，聚丙烯自身的球晶在碰撞中分裂，尺寸就会缩小。 添加成核剂提高结晶程度和速度的变化，如图1 所示。

图1

4 成核剂技术在聚丙烯材料改性中的实际应用

4.1 成核剂的种类

成核剂在聚丙烯的改性中起着至关重要的作用， 在目前市场上比较常见的有两大类：α 晶型和β 晶型，并且这两种成核剂已经完全在市场上可以售卖。 这两种成核剂的分法主要的依据是其在合成改性聚丙烯时所产生的作用，结合产生的晶体不同，α 晶型的成核剂主要用于产生α 晶型的聚丙烯材料，而β 晶型成核剂主要用于产生β 晶型的聚丙烯材料。

芳香族羧酸金属盐类、磷酸金属盐类、二（ 苯亚甲基）山梨醇（ 1+/）及其衍生物以及松香类等都是比较常见的成核剂。在要求环保的生产中，松香类是比较好的选择，因为其组成为天然无刺激的物质。相比于α 晶型成核剂的普遍引用，β 晶型成核剂没有完全的被开发研制出来，主要的种类比较有限。

4.2 将不同成核剂应用在聚丙烯材料中的对比效果

在进行试验的同时， 我们选取了不同的成核剂应用在聚丙烯材料中，进行反复对比，找出应用中所产生的不同，主要选择多种不同的α 晶型成核剂，以及β 晶型成核剂。

4.2.1 观察成核剂加入的时间长短于聚丙烯材料本身的收缩情况的关系，通过记录不同时间作用下，材料的收缩率，可以得出结论，添加成核剂的时间越长，收率下降的越快。

4.2.2 对于添加成核剂之后的聚丙烯材料自身所改变的性能进行测试。 将聚丙烯材料与成核剂按照说明书上规定的比例进行拌和，并添加其他类别的反应助剂，然后冷却干燥后，进行试样的制备，从而通过研究试件测试聚丙烯材料的性能。 主要涉及到改性后材料的刚性、 韧性及流动性三个方面。 主要的测试标准为：拉伸断裂应力：50mm/min；屈服拉伸应变：50mm/min；透光率和雾度：GB/T2410-2008；加入成核剂对聚丙烯材料流动性的影响，单位g/10min，通过实验的数据记录我们可以看出，在加入成核剂之后，聚丙烯树脂材料所展现出的流动性与没有加入成核剂之前差距性很小，几乎可以忽略不计，但是，在加入到可控流变剂之后，聚丙烯树脂材料的流动性明显加快。 同样，在测试成核剂的加入对于聚丙烯材料拉伸性能影响的时候，验证了两种情况，熔融速率相同与不同的情况，相同的熔融速率下，聚丙烯的材料拉伸性能是改变的，不同的熔融速率下，成核剂的添加会提升拉伸强度的数值，但是具有一个最高点，也就是在最高用量之后，在添加成核剂，对于材料的拉伸性能影响微乎其微。

4.2.3 加入成核剂对聚丙烯材料光学性能的影响（ 雾度数值小代表效果好）， 根据实验数据加入不同成核剂时改性的聚丙烯材料的雾度以及透光度，从实验现象中可以看出，加入成核剂以后，雾度以及透光度等光学性能明显改善。

结束语

综合各类试验数据我们可以明显的看到成核剂的加入对于聚丙烯材料性能的影响，材料的性能提升了，就会使材料的质量更加满足于使用者的要求。 由于改性的聚丙烯材料的应用范围十分的广泛，所以加入成核剂之后材料的性能提升研究将会持续进行中，作为一个永久的研究课题，让技术人员对于聚丙烯材料的质量更完善。