Прозрачная деталь из ПП требует осветлителя; деталь, которой нужно только быть жёстче, сохранять форму при более высокой температуре или быстрее выходить из формы, требует нуклеирующего агента жёсткости, который вводится в меньшей дозировке и не устанавливает нижний предел для температуры расплава.
Каждый осветлитель является нуклеирующим агентом, поэтому он придаёт детали жёсткость и сокращает цикл, тогда как большинство нуклеирующих агентов оставляют прозрачность примерно на том же уровне. (В водоподготовке то же слово обозначает отстойник; здесь речь идёт исключительно о полимерной добавке.)
Что такое нуклеирующий агент для ПП
Нуклеирующий агент — это мелкодисперсное твёрдое вещество, диспергированное в расплаве ПП, которое даёт кристаллизующимся цепям готовую поверхность для роста, поэтому кристаллизация начинается при более высокой температуре, и деталь застывает в виде множества мелких сферолитов вместо нескольких крупных.
Изделия из нуклеированного материала жёстче, сохраняют форму до более высокой температуры и достаточно жёсткие для более раннего извлечения из формы на стадии охлаждения.
В промышленности применяются два семейства. Минералы, прежде всего тальк, дёшевы и легкодоступны, но плохо диспергируются в ПП. Органические соли — бензоат натрия, соли фосфатных эфиров, продаваемые как NA-11 и NA-21, марки HPN и амидные типы, такие как TMB-5, — эффективно нуклеируют при низких дозировках и сейчас занимают большую часть рынка.
β-Нуклеирующие агенты — это третий класс: ударная вязкость заметно улучшается, и мутность растёт вместе с ней, поэтому они отвечают требованиям по ударной прочности и не помогают в прозрачности.
Что такое осветляющий агент
Осветляющий агент — это нуклеирующий агент, который растворяется в расплаве ПП и при охлаждении снова выделяется из раствора в виде сети фибрилл толщиной в несколько нанометров, поверхности которых затем нуклеируют полимер. Поскольку кристаллизация начинается одновременно на множестве центров, кристаллы оказываются меньше длины волны видимого света, и изделие выглядит как прозрачный ПП.
Коммерческая линейка проходит через сорбитоловые ацетали — сначала DBS, затем MDBS, затем DMDBS, продаваемый как Millad 3988 и по-прежнему остающийся рабочей лошадкой. Сорбитоловые ацетали дают проблему вкуса и запаха, которую новая химия на основе ненитоловых ацеталей (Millad NX 8000) была создана, чтобы избежать.
Марки HPN — это органические нуклеирующие агенты, покупаемые ради жёсткости, теплостойкости и низкой коробки; для соответствия требованиям по мутности необходим осветлитель.
Разница между осветлителем и нуклеирующим агентом
Разница, за которую вы платите, — оптическая: осветлитель делает деталь прозрачной, а обычный нуклеирующий агент — нет. Всё остальное, что оба делают с деталью, одинаково по сути и различается лишь по степени.
Прозрачность и мутность
Только осветлитель соответствует требованиям по мутности. Осветлённые марки статистических сополимеров публикуют мутность от 7 до 11 %, измеренную по ISO 14782 на стенке 1 мм. Нуклеатор жёсткости α-типа может немного повысить прозрачность, но опубликованное исследование α-нуклеирующих амидов не выявило значительного влияния на мутность.
Жёсткость и ударная вязкость
Оба повышают модуль упругости при изгибе и температуру тепловой деформации, поскольку оба нуклеируют. Прирост по сравнению с коммерческой маркой составляет несколько процентов: нуклеированный гомополимер одного производителя с ПТР 12 показывает модуль упругости при изгибе 1 655 МПа, тогда как его ненуклеированный аналог с тем же ПТР — 1 586 МПа.
Ударная вязкость по Изоду не обязательно падает. На той сопоставимой коммерческой паре она выросла с 32 до 37 Дж/м, а рецензируемые работы по α-нуклеирующим амидам не выявили значительных изменений; только рост дозировки осветлителя, как сообщается, снижает её.
Время цикла
Оба сокращают цикл формования. Исследование методом ДСК определяет начало при 122 °C для чистого ПП и 133 °C при 0,2 мас% сорбитолового осветлителя, и нуклеаторы жёсткости попадают в тот же диапазон.
Насколько это более раннее застывание отражается на цикле, зависит от толщины стенки и охлаждения формы, и оно наибольшее на тонкостенных деталях где охлаждение доминирует.
Дозировка
Оба вводятся в долях процента в виде чистого порошка или при 1–3 % в виде мастербатча. Разница находится в нижней части диапазона: осветляющий порошок работает при 0,15–0,25 %, тогда как нуклеатор жёсткости — от 0,05 %, поэтому дозировка, обеспечивающая жёсткость, всё равно оставит деталь мутной. Верхние границы близки — около 0,25–0,30 %. Больше осветлителя сверх этого снижает прозрачность.
Температура расплава
Осветлитель устанавливает минимальную температуру расплава, а твёрдый нуклеирующий агент — нет. Milliken определяет точку растворения традиционных сорбитоловых химий примерно при 220 °C; рецензируемые протоколы компаундирования используют 230 °C, чтобы быть уверенными в ней.
Обычное компаундирование ПП уже работает при таких температурах, поэтому это требование ограничивает только холодный конец диапазона — на низкотемпературных тонкостенных и энергосберегающих установках. Осветляющие мастербатчи указывают нижний предел явно — выше 230 °C, тогда как осветляющие порошки утверждают, что стандартные параметры ПП не требуют корректировки.
Работа при значительно более высокой температуре не добавляет прозрачности и ухудшает свойства. Компаунд с 0,7 мас% DMDBS, отформованный при 235 °C вместо 185 °C, потерял 29,8 % своего модуля и 10,6 % прочности при растяжении.
Дефекты переработки
На какую добавку указывает дефект, следует из того, должна ли она была растворяться. Прозрачность, меняющаяся от цикла к циклу, полосы мутности или видимые включения в осветлённой детали означают, что осветлитель не полностью растворился, и температуру расплава следует проверить в первую очередь. Вкус или запах в осветлённой пищевой упаковке указывает на саму сорбитоловую химию, и осветлитель на основе ненитола — выход из этой ситуации.
Твёрдый нуклеирующий агент даёт сбой по дисперсии. Порошок, сухосмешанный в низкосдвиговом оборудовании, даёт неравномерную жёсткость и глянец по детали, и по этой причине паспорта порошков требуют двухшнекового компаундирования или разбавления мастербатча.
Форма, аттестованная на немодифицированном ПП, может дать другие размеры на нуклеированной или осветлённой марке, поэтому перепроверьте усадку, прежде чем считать это дефектом добавки.
Как выбрать правильный
Если деталь имеет требование по прозрачности или мутности, ей нужен осветлитель, и обычно в статистическом сополимере. Если она непрозрачная или пигментированная и требование касается жёсткости, теплостойкости, коробления или времени цикла, ей нужен нуклеатор жёсткости, и это обычно означает гомополимер или ударопрочный сополимер.
Решение перед этим — стоит ли вообще покупать добавку. Производители продают марки ПП уже осветлёнными или нуклеированными, и в паспорте это указано строкой вроде “содержит очень эффективный осветляющий агент”. Для переработчика, который не занимается компаундированием, это решает вопрос: заказывайте готовую марку ПП и перерабатывайте её.
Собственное компаундирование стоит того, когда одна базовая смола должна обеспечивать несколько готовых изделий. Порошковый маршрут требует двухшнекового компаундирования и обычно небольшого количества белого минерального масла в высокоскоростном смесителе, чтобы связать порошок со смолой, тогда как осветляющий или нуклеирующий суперконцентрат при 1–3 % вводится прямо в машине и минует линию компаундирования.
Какой бы маршрут вы ни выбрали, проверяйте заявленные характеристики по строкам, где указаны условия испытаний. Мутность сравнивают только при одинаковой толщине и методе — марка, заявляющая 20 % при 2 мм по ISO 14782, не хуже той, что заявляет 8 % при 1 мм — а модуль изгиба — только по собственному методу испытаний. Температура кристаллизации вообще не является строкой в паспорте смолы: она берётся из собственных данных производителя добавки или из вашего собственного ДСК.
Таблица типичных свойств — это тоже не спецификация, и сертификат анализа не скажет вам, работает ли добавка в вашей смоле, вашем пакет антиоксидантов, и вашей оснастке. Только испытание на вашей собственной рецептуре это покажет.
Допуск к контакту с пищевыми продуктами решается по каждому веществу отдельно, а не по маркетинговой категории. Американское регулирование под названием “Clarifying agents for polymers”, 21 CFR 178.3295, также допускает соли фосфатных эфиров, продаваемые как нуклеаторы жёсткости, каждую при своём максимальном уровне использования.