聚丙烯材料改性中成核劑技術的應用研究

孫亞光

（ 國家能源集團寧夏煤業有限責任公司烯烴二分公司，寧夏 銀川750411）

聚丙烯作為塑料材料中最輕材料的一種， 是由于其密度小的特點，具有高效的結晶性能，具有良好的電性能和高頻絕緣性，且不受濕度的影響，是較好的機械零件、耐腐蝕零件及絕緣零件的制作材料。 成核劑的主要工作原理是將聚丙烯不完全結晶的性質進行改性，改變結晶行為，從而提高結晶速率、結晶密度，使結晶的尺寸變小，從而改善塑料材料的結晶周期，增強材料的沖擊強度、剛性、透明性以及光澤性。 下面將對于聚丙烯材料及成核劑進行分析，并將二者結合的原理進行探討。

1 簡述聚丙烯材料的生產工藝方法

在聚丙烯材料生產的過程中主要的工藝方法有幾大類：a.淤漿法，b.液相本體法，c.氣相法，在科技快速發展的現階段，很多傳統的工藝都將被取代， 淤漿法就是如今被淘汰的一種。 在現如今的市場上，氣相法的生產工藝是在進行聚丙烯材料制作中最常用的，在市場銷售的聚丙烯材料中，氣相法是最普遍的，該工藝方法生產的占據了差不多50%的份額。

國家能源集團寧夏煤業有限責任公司烯烴二分公司聚丙烯裝置引進Lummus Novolen 的氣相法聚合工藝包，新鮮丙烯與主催化劑、助催化劑三乙基鋁、硅烷及氫氣被送入反應器。 聚合反應以氣相形式進行， 通過螺帶式反應器攪拌器對反應器床層中的聚合物粉末進行攪拌， 在設計壓力和溫度下生產出聚丙烯粉料，粉料進入擠壓造粒機組，按照產品配方分別加入不同比例的成核劑、抗氧劑等固體添加劑，以提升產品質量。

2 成核劑的特點分析

聚合物是由多種物質構成的，里面還含有大量的雜質，這些雜質的性能不穩定，對于聚合物的結晶產生著一定的影響，有些在結晶過程中產生著積極的作用的，是促進結晶的雜質，例如，成核劑就是一種促進結晶的雜質。 有些是起著消極作用，是阻礙結晶的雜質。 成核劑在添加到聚丙烯材料中時，促進的結晶的整體質量，將結晶的晶體體積改變，體積變小，晶體顆粒更加的緊密，從而使結晶的速率也有很大的提升。 成核劑的特點主要有幾個方面：a.對拉伸強度的影響；b.對抗沖擊強度的影響；c.對抗沖擊強度的影響；d.提升材料自身的強度；e.提升材料的自身的光滑度；f.縮短注射周期的長度，使生產效率得到增強；g.防止注射產品產生收縮；h.對產品光穩定性的影響；i.對產品長期耐熱的提升。

3 對于成核劑的成核原理進行探究

對于聚丙烯在使用成核劑之后的結晶變化的研究， 可以通過成核原來進行分析，當前較為先進的應是異相成核理論。

在異相成核理論中， 成核劑發揮著異相晶核的影響作用它的非極性部分在聚丙烯結晶的過程中會形成凹型表面，從而使聚丙烯的分子包裹進來，形成較為規整的分子鏈，反應成核。 并且，成核分子的性能與聚丙烯材料自身分子的性能相近，也會促進結晶成核作用。 在聚丙烯材料中，加入一種類型的成核劑，可以看到晶核形成的速度是瞬間。 晶核的密度受溫度的影響發生變化，每升高4℃的結晶溫度，晶核的密度會相應的增加一個等級。 成核的密度不受熔融溫度影響的。 此結晶現象引發了一系列的猜想，可能成核劑表面的臺階是晶核形成的地方。 在聚丙烯自身的材料中，只有聚丙烯溶體自身分子進行運動，才會產生晶核，完成結晶行為。 整個結晶過程慢且質量不高的原因主要有兩方面，一種是由于結晶的晶核數量較少，另一種是成核的速率較慢，從而導致晶體的形態影響材料本身的性能。 成核劑添加完后，晶核的數量增加，聚丙烯自身的球晶在碰撞中分裂，尺寸就會縮小。 添加成核劑提高結晶程度和速度的變化，如圖1 所示。

圖1

4 成核劑技術在聚丙烯材料改性中的實際應用

4.1 成核劑的種類

成核劑在聚丙烯的改性中起著至關重要的作用， 在目前市場上比較常見的有兩大類：α 晶型和β 晶型，并且這兩種成核劑已經完全在市場上可以售賣。 這兩種成核劑的分法主要的依據是其在合成改性聚丙烯時所產生的作用，結合產生的晶體不同，α 晶型的成核劑主要用于產生α 晶型的聚丙烯材料，而β 晶型成核劑主要用于產生β 晶型的聚丙烯材料。

芳香族羧酸金屬鹽類、磷酸金屬鹽類、二（ 苯亞甲基）山梨醇（ 1+/）及其衍生物以及松香類等都是比較常見的成核劑。在要求環保的生產中，松香類是比較好的選擇，因為其組成為天然無刺激的物質。相比于α 晶型成核劑的普遍引用，β 晶型成核劑沒有完全的被開發研制出來，主要的種類比較有限。

4.2 將不同成核劑應用在聚丙烯材料中的對比效果

在進行試驗的同時， 我們選取了不同的成核劑應用在聚丙烯材料中，進行反復對比，找出應用中所產生的不同，主要選擇多種不同的α 晶型成核劑，以及β 晶型成核劑。

4.2.1 觀察成核劑加入的時間長短于聚丙烯材料本身的收縮情況的關系，通過記錄不同時間作用下，材料的收縮率，可以得出結論，添加成核劑的時間越長，收率下降的越快。

4.2.2 對于添加成核劑之后的聚丙烯材料自身所改變的性能進行測試。 將聚丙烯材料與成核劑按照說明書上規定的比例進行拌和，并添加其他類別的反應助劑，然后冷卻干燥后，進行試樣的制備，從而通過研究試件測試聚丙烯材料的性能。 主要涉及到改性后材料的剛性、 韌性及流動性三個方面。 主要的測試標準為：拉伸斷裂應力：50mm/min；屈服拉伸應變：50mm/min；透光率和霧度：GB/T2410-2008；加入成核劑對聚丙烯材料流動性的影響，單位g/10min，通過實驗的數據記錄我們可以看出，在加入成核劑之后，聚丙烯樹脂材料所展現出的流動性與沒有加入成核劑之前差距性很小，幾乎可以忽略不計，但是，在加入到可控流變劑之后，聚丙烯樹脂材料的流動性明顯加快。 同樣，在測試成核劑的加入對于聚丙烯材料拉伸性能影響的時候，驗證了兩種情況，熔融速率相同與不同的情況，相同的熔融速率下，聚丙烯的材料拉伸性能是改變的，不同的熔融速率下，成核劑的添加會提升拉伸強度的數值，但是具有一個最高點，也就是在最高用量之后，在添加成核劑，對于材料的拉伸性能影響微乎其微。

4.2.3 加入成核劑對聚丙烯材料光學性能的影響（ 霧度數值小代表效果好）， 根據實驗數據加入不同成核劑時改性的聚丙烯材料的霧度以及透光度，從實驗現象中可以看出，加入成核劑以后，霧度以及透光度等光學性能明顯改善。

結束語

綜合各類試驗數據我們可以明顯的看到成核劑的加入對于聚丙烯材料性能的影響，材料的性能提升了，就會使材料的質量更加滿足于使用者的要求。 由于改性的聚丙烯材料的應用范圍十分的廣泛，所以加入成核劑之后材料的性能提升研究將會持續進行中，作為一個永久的研究課題，讓技術人員對于聚丙烯材料的質量更完善。