成核剂与增透剂的优势,从何而来？

随着塑料工业寻求提高可持续发展能力，材料配方师正在寻找减少材料消耗和更多利用回收树脂的方法。增透剂和成核剂是有效手段之一，能实现物理性能的增强，以支持用料的减量、回收树脂性能的提升、以及透明度的提高（在有增透剂的情况下）。

增透剂和成核剂也能带来生产率方面的好处。通过加速聚合物的结晶化，降低加工温度和缩短周期时间以节省能源和降低生产成本成为可能。从滑石、金属氧化物、苯甲酸钠和有机磷，到可溶性非意大利醇和山梨醇，包括DMBDS（二甲基二本山梨醇），市面上有广泛的成核化学品可供选择。

成核剂和增透剂被广泛地使用在PP当中，它们对聚合物进行改性的能力常常可以使该种聚合物（PP）用于替代其他更昂贵或可能更不易被回收的树脂。PP在包装等领域的持续增长推动了成核剂更广泛的应用。

“在包装领域，PP因成核剂而得以提高物理性能，能够取代聚苯乙烯(PS)和高冲击聚苯乙烯(HIPS)，这一点在薄壁注塑应用中尤为明显，”美利肯公司塑料添加剂公司全球产品线经理Bhavesh Gandhi表示，“美利肯针对PE和PP的Hyperform HPN高性能添加剂有助于改善收缩性能，以避免翘曲变形，还有助于优化刚度和抗冲击性能之间的平衡。”

美利肯最新针对热成型PP的成核剂Hyperform产品是HPN909ei和HPN500ei。Gandhi称，这两种产品都改善了光学性能，包括减少起雾和黄变，以提供“更清晰和更新的外观”。Hyperform HPN 500ei成核剂提高了刚度，同时保持抗冲击性能，帮助改善材料的热变形温度。Hyperform HPN 909ei成核剂旨在解决迁移问题，特别是在食品接触应用中。Gandhi指出：“它消除了一种必须得到监控和测试的‘特定迁移限制’的物质，从而减轻了客户在合规方面的负担。”

Gandhi称，除了包装应用之外，用于PP和PE的成核剂在汽车应用中也获得了强劲增长。

轻量化驱动下的成核剂

轻量化是汽车业客户的关键目标。美国Amfine化学公司（Adeka公司和三菱公司组成的合资企业）负责成核剂和增透剂的产品线经理Amit Gupta说：“零部件有着轻量化的要求，但也必须通过排放和碰撞测试。成核剂可以提高刚度和耐热性，以及加速成型周期。”例如，Adeka的成核剂ADK StabNA-27应用在滑石粉填充型配方中，但也可以用于代替滑石粉，在不增加密度的情况下提高了弯曲模量。

来自Amfine和Adeka的最新产品之一是ADK Stab NA-908HT。它被描述为一种经济高效的配方，应用有机磷技术来提高刚度，以替代苯甲酸钠，而苯甲酸钠在潮湿条件下可能引发皮肤刺激和流动性不足。

“对于NA-908HT，配方的成本和收缩性能与苯甲酸钠相匹配，因此用户不必更换工装。此外，用户不需要增加一个单独的酸清除剂，”Gupta说，“NA-908T的用量可以只有苯甲酸钠用量水平的一半，或也可以添加更多NA-908T来调整性能，改善刚度与抗冲击性能之间的平衡。”与苯甲酸钠相比较的关键性能如图1所示。

可供选择的增透剂

增透剂是成核剂的一个子类，用途是使PP变得透明，以取代包装应用中的PET和PS等聚合物。增透PP甚至可以在某些用途中取代玻璃。全球新冠疫情导致的居家办公风潮带旺了食品包装的使用，消费者采购更多的食品杂货，也推动着外卖包装的增加。Gupta说，包装的完整性（最明显的是刚度）、可持续性、美观度（包括透明度）和负担能力在这些应用中都很重要。

Amfine公司目前正在扩大其肯塔基州制造工厂的ADK STAB NA-71增透剂的生产能力，新的产能预计将在2021年底上线。Gupta称这种添加剂在市场上已得到了广泛接受，并且在需要更佳热稳定性的杀菌包装中特别有效，这样包装在高杀菌温度下也不会变形。他称NA-71增透剂是一种有机磷化学品，比同类产品相比，具有相近的透明度和更低的迁移水平。迁移水平偏低和透明度在食品包装中很重要，对于一些医疗应用则尤为关键，例如注射器和滴注袋。

美利肯（Milliken）公司塑料添加剂全球产品线经理Zach Adams表示，电子商务和消费者对于可持续包装的关注是两个重大趋势，为透明、轻质的包装材料开辟了新机会。美利肯提供Millad NX8000增透剂和含有增透剂的NX超透明母料。他说道：“这两种蕴含巨大机遇的产品正以更具可持续性的解决方案取代PS包装，以满足品牌方的环保目标，以及取代由于重量和破损不能满足日益增长的电子商务市场的玻璃包装。”

增透剂被公认为有助于加工商节省能源。Adams解释说，品牌商们通过应用被美利肯增透剂Millad NX8000 ECO增透改性过的PP材料，可以在其注塑部件上标识UL环境声明验证标签。美利肯也同样认证了一些Hyperform牌号的成核剂，通过提高树脂结晶温度，使加工商缩短周期时间并降低能耗。

美利肯正在美国北卡罗来纳州的布莱克斯堡（Blacksburg）建造一个新的制造工厂，Millad NX8000增透剂的产能有望扩大50%。这项目预计将于今年启动。

改善回收性能的成核剂

改善PP回收的流程 - 收集与再生 - 对于实现可持续发展目标是非常重要的。在美国，PET材料的消费后回收已相当成熟，但PP材料尚有局限性。该国的PP回收联盟（美利肯是该联盟成员之一）正在努力筹集3500万美元来安装分拣设备，以便从消费后的回收物中回收PP包装。

Adams表示：“目前，美国的许多材料回收设施只对PET瓶（排第一位）和HDPE瓶（排第二位）设有分拣站。根据美国化学委员会的数据，这就是为什么去年消耗的77吨PP材料中只有大约1%被回收利用的原因之一。我们的目标是确保更多的回收商能够有效地在其材料回收设施中分拣PP废料。”

同样是为了改善回收利用，Adeka公司在去年推出其ADK CycloAid品牌产品，其中包括用于回收树脂的添加剂包。ADK CycloAid UPR-011是稳定剂和成核剂的组合，可用于聚烯烃回收料，包括PP回收料。成核剂的设计旨在改善机械性能，以实现所用再生树脂的更高用量（图2）。“当回收料的含量达到70%时，你就可以用4000ppm用量的UPR--011达到类似原生料的品质，”Gupta说，“在我们所评估的回收树脂料中，应用了辅助性抗氧化剂，其有着更多的金属杂质。ADK CycloAid添加剂包能把配方‘加满’，来弥补这一不足。”

β成核剂

β成核剂的作用不同于其他成核添加剂，它改变了晶体结构，诱导薄膜或片材中β结晶相的结晶，当被拉伸时(如在热成型或者BOPP生产过程中)，会转化为α晶体。独立咨询师兼Jacoby聚合物咨询公司总裁Philip Jacoby博士解释说，这种固态转化产生出一些空隙，会散射光线，使制品看上去呈白色。

Jacoby促进了β成核剂的商业化，并在为Mayzo公司工作期间，开发出一种β成核剂改性的母料。这种母料可用于热成型PP中，以减少或消除 TiO2 ，因为β成核剂产生出不含颜料的白色制品（不含颜料的回收树脂其价值更高）。

然而，据Jacoby介绍，一个比替代 TiO2 更重要的可持续性驱动因素是提高轻量化水平的能力。“在热成型过程中，产品刚性取决于工艺条件，以及材料是如何进入模具的。这些β晶体在整个制品（比如饮水杯产品）中创造出一种更均匀的材料分布，这使得该产品整体上更加的坚固。”由于刚度得到提高，可以在不牺牲功能和质感的情况下对制品进行减量。“减少树脂的用量既有利于环境，又可以节约成本。”

PP吹膜用增透剂

Constab聚烯烃添加剂公司是Kafrit集团的成员，与巴斯夫（BASF）公司合作开发出了一种增透和成核添加剂技术，它能在标准PE吹膜生产线上生产PP吹膜。根据Constab公司技术服务与研发经理Michael Weber的说法，PP吹膜的生产通常需要为PP材料专门设计挤出生产线。

他说：“尽管几十年来，PP树脂的生产商们一直在优化薄膜和注塑中PP材料的结晶，但我们决定研究一种可能性，即为终端用途设计母料配方时额外应用那些结晶优化方面的专业经验。”

含有巴斯夫Irgaclear增透剂的Constab NC 00607 PP母料可以较低用量应用于PP吹膜中，以减少起雾，去除流痕和视觉缺陷，并提高沿机器纵向和横向的刚度与机械性能。Weber警告说，它不是一个“拿来即用”的解决方案，但它确实提高了流动性，实现了稳定的加工，并改进了加工窗口。他看到了来自业界的兴趣，因为这项技术可以为更多的PP加工商赋能。

PA成核剂

美国分销商CAI高性能添加剂公司最近面向北美市场引入了一种用于聚酰胺（PA）的成核剂。ST NA22D以砂状粉料的形式销售，可用于包括PA6、PA66、PA11和PA12在内的PA材料的配混。该公司的CEO Richard Marshall指出，这是一种PA22的添加剂混料，含有经特殊处理的高功能性矿物，可以在低剂量下使用。据说它在未增强型和增强型聚合物中皆可用，在玻纤填充的PA树脂料中形成精细且均匀的晶体结构。在成型过程中，成核剂缩短了成型周期，提高了尺寸稳定性、力学性能和抗应力开裂性。

“虽然不是每个大批量的PA材料都需要这种高性能添加剂，但许多应用正在继续扩展着添加剂性能的边界，”Marshall称，“我们越来越多听到的一个应用是汽车电气化。人们正在推动应用更轻薄、更难成型的部件。对于非结构性用途，他们正在寻找更轻巧又更坚固的部件。”

矿物型成核剂

滑石在半结晶聚合物中被广泛地用作成核剂，特别是在PP和其它聚烯烃、聚酰胺、聚酯和聚甲醛材料中。Imerys公司技术服务经理Michael Schmidt介绍说：“通常，精细（最大尺寸10微米)和超细(最大尺寸3微米）牌号的滑石被用于半结晶聚合物的成核，因为这些牌号含有更多的细颗粒，都可用作晶种（译者注：在结晶法中，通过加入不溶的添加物即晶种，形成晶核，加快或促进与之晶型或立体构型相同的对映异构体结晶的生长）。”

Imerys公司的Crys-Talc滑石粉据说是为成核而优制的。Schmidt称这种滑石具有微薄层状形态，比类似细度的传统滑石含有更多的超细颗粒。“95%的Crys-Talc颗粒小于1微米。超过50%的颗粒都在0.5微米以下，而具有相同细度的传统滑石根本不包含这种细颗粒。如此独特的特性使Crys-Talc滑石粉成为了一种高性能的成核添加剂，”他说。

如图3所示，滑石的重量添加比例低至0.5%的聚丙烯成核会导致再结晶温度升高，结晶半时长缩短。这使加工更快速，从而提高挤出和注塑的生产率。

应用滑石的成核也提高了许多聚合物的性能，包括模量、强度以及抗冲击性。“此外，塑料成型件的尺寸稳定性可以大幅提高，只有很低的翘曲，特别是与玻纤/矿物混合物这样的纤维增强物结合使用时，”Schmidt说。在重量添加比率高于0.5%时，Crys-Talc滑石将作为一种起到增强作用的添加剂，刚度的提高程度几乎与滑石粉含量的提高程度相对应。

Imerys公司的成核剂组合还包括针对聚合物回收料的Steagreen滑石。它作为消费后再生树脂中PP成分的成核剂和增强剂。该公司的HAR滑石粉也经常用于PLA、PBS和PHA等生物聚合物的成核剂。Schmidt说：“滑石主要用来提高结晶速度，对于一些生物基聚酯而言，结晶速度通常相当低。”

改善泡沫塑料的成核性

对于塑料泡沫的成核，Imerys公司推荐其出品的Mistrocell牌号滑石。Schmidt说：“在这个应用中，除了充当强大的聚合物结晶促进剂以外，滑石颗粒还扮演着泡沫成长促进物的角色。”

成核剂在泡沫塑料中的一个关键作用是帮助创建一个均匀的晶格结构。“良好的泡沫成核实现了成品的晶格结构，而成品是一种尽可能小和均匀分散的封闭结构。通过泡沫成核来改进气体的使用，有助于获得更大的密度降低，同时保持刚度和强度等关键特性。滑石粉、碳酸钙和化学成核剂都是备选的成核剂。成核剂的粒度和分散能力也会影响成核作用，”Reedy化学泡沫公司总裁Peter Schroeck表示，“泡沫成核必须考虑PP本身的成核剂（非泡沫成核）组合。我们设计的产品考虑到了PP配方中发泡剂的影响。”

西班牙Cellmat技术公司的新产品和研发经理Cristina Arroyo承认，在设计泡沫成核系统时，必须把聚合物、发泡剂和发泡技术一并考虑。她说，虽然传统发泡解决方案的功能性强，但在对成核现象的更深入理解以及考虑分散性的基础上发展成核系统，还是有显著改进空间的。她声称：“我们已经开发了几种基于纳米粒子和有机相的成核系统，它们可极为有效地将基于XPS、PU、PE和PP的泡沫材料尺寸缩小好几倍。”

与此同时，SABIC公司新推出的LNP ColorComp WQ117945化合物旨在改善对用作夹层结构核心材料的PET泡沫的成核和晶格生长的控制。该公司称，由此产生的晶格尺寸变小和均匀、更狭窄的晶格尺寸分布，可以通过尽量减少夹层结构中的树脂吸收来减轻泡沫的重量，并有可能提高剪切强度/应变性能，以获得更好的抗疲劳性能。据介绍，与传统的滑石粉成核剂相比，WQ117945可以将泡沫尺寸缩小三倍，并将泡沫尺寸差异缩小5倍。PET泡沫可被用作如风力涡轮机叶片的核心成分，在这个应用里轻量化和强度很重要。SABIC公司表示，应用了纳米技术的成核剂也可以用于其他聚合物中。

本文翻译自AMI《配混世界》杂志

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