Polypropylen ist aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften ein weit verbreitetes Polymer mit vielfältigen Anwendungsgebieten. Seine physikalischen, mechanischen und optischen Eigenschaften lassen sich durch den gezielten Einsatz von Nukleierungs- und Klärungsmitteln weiter verbessern. Diese Additive fördern die Kristallisation von PP während der Verarbeitung und verstärken so die bereits vorhandenen Eigenschaften.

Lernen Sie, wie Sie Nukleierungsmittel und Klärungsmittel einsetzen und erhalten Sie Auswahltipps, um die Produktionsrate effektiv zu steigern, die Struktur und Morphologie zu modifizieren und die Trübung Ihrer Polypropylen-Formulierungen zu reduzieren.

I. Rolle von Nukleierungs- und Klärungsmitteln in PP

Die Kristallinität von teilkristallinen Polymeren ist für viele ihrer Eigenschaften verantwortlich, wie zum Beispiel Dimensionsstabilität, Klarheit und Zähigkeit.

Bei einem definierten Bauteil und Prozess wird die Kristallinität durch die Polymerstruktur, die Rezeptur und die Verarbeitungsbedingungen gesteuert, die zu einem spezifischen Gleichgewicht zwischen Wärmeentwicklung und Abkühlung führen. Folglich ist die Kristallinität oft heterogen, da die Wärmebehandlung in der Außenschicht und im Kern der Bauteile oder Produkte unterschiedlich ist.

Nukleierungsmittel und Klärungsmittel beschleunigen und steuern die Kristallisation und ermöglichen so die Anpassung der Endprodukteigenschaften von teilkristallinen Polymeren an die funktionellen Anforderungen.

•Bei Polypropylen-Formulierungen führt die Zugabe von Nukleierungsmitteln (auch Nukleatoren genannt) zu verbesserten Leistungs- und Verarbeitungseigenschaften, wie zum Beispiel:

• Verbesserte Klarheit und reduzierter Dunst

• Verbesserte Festigkeit und Steifigkeit

• Verbesserte Wärmeablenktemperatur (HDT)

• Verkürzte Zykluszeit

• Reduzierter Verzug und gleichmäßigere Schrumpfung

• Verringerte Pigmentempfindlichkeit hinsichtlich Eigenschaftsänderungen bei unterschiedlichen Farben

•Verbesserte Verarbeitbarkeit in bestimmten Anwendungen

Die Nukleation ist somit eine wirksame Methode zur Verbesserung der physikalischen, mechanischen und optischen Eigenschaften von Polypropylen. Transparenz, Dimensionsstabilität, Verzug, Schrumpfung, Wärmeausdehnungskoeffizient (CLTE), Wärmeformbeständigkeit (HDT), mechanische Eigenschaften und Barrierewirkung lassen sich durch die gezielte Auswahl von Nukleations- oder Klärungsmitteln optimieren.

II. Polypropylen und seine Kristallinität

Polypropylen ist ein weit verbreitetes, kristallines Standardpolymer, das durch Polymerisation des Propenmonomers hergestellt wird. Bei der Polymerisation kann PP je nach Position der Methylgruppen drei grundlegende Kettenstrukturen ausbilden (ataktisch, isotaktisch, syndiotaktisch). Die Kristallinität des Polymers ist charakterisiert durch:

•Die Formen und Größen der Kristallite

•Die Kristallinitätsverhältnisse und schließlich

•Die Orientierung der Kristallite

Isotaktisches Polypropylen (iPP) ist ein teilkristallines Polymer. Es zeichnet sich durch ein hervorragendes Kosten-Nutzen-Verhältnis aus und ist daher in einer Vielzahl von Anwendungen wie der Automobilindustrie, Haushaltsgeräten, Rohrleitungen, Verpackungen usw. sehr attraktiv.

Der Isotaktizitätsindex von iPP steht in direktem Zusammenhang mit dem Kristallinitätsgrad, der einen wesentlichen Einfluss auf die Polymereigenschaften hat. Isotaktizität erhöht die Kristallisationskinetik, den Biegemodul, die Härte und die Transparenz, verringert jedoch die Schlagfestigkeit und die Permeabilität.

Die folgende Tabelle vergleicht die Eigenschaften zweier Polypropylen-Homopolymere mit unterschiedlichem Isotaktizitätsindex.

III. Kristallisation von Polypropylen
Isotaktisches Polypropylen kann je nach Bedingungen in vier verschiedene Phasen kristallisieren, die als α-, β-, γ- und mesomorph-smektische Phase bezeichnet werden. Die α- und β-Phasen sind die wichtigsten.

α-Phase

1. Diese Phase ist stabiler und besser bekannt.

2. Diese Kristalle gehören zum monoklinen Kristallsystem.

β-Phase

1. Diese Phase ist metastabil, und ihre Kristalle gehören zum pseudohexagonalen Kristallsystem.

2. Die β-Phase existiert hauptsächlich in blockcopolymerisiertem Polypropylen und kann durch Zugabe spezifischer Nukleierungsmittel erzeugt werden.

3. Diese Kristallform wurde 1953 von Padden und Keith entdeckt; sie kann durch Kristallisation zwischen 130°C und 132°C, durch Orientierung unter hoher Scherung oder durch die Zugabe spezifischer Keimbildner gefördert werden.

4. Das Vorhandensein der β-Phase in Polypropylen-Homopolymeren verbessert üblicherweise die Duktilität des Endprodukts, wobei der Effekt am deutlichsten ist, wenn der β-Phasenanteil 65 % erreicht.

γ-Phase

1. Diese Phase ist auch metastabil und bildet trikline Kristalle.

2. Diese Kristallform ist ungewöhnlich; sie tritt hauptsächlich in niedermolekularem Polypropylen auf und entsteht durch Kristallisation unter extrem hohem Druck und extrem niedrigen Abkühlgeschwindigkeiten.

IV. Nukleationsprozess in Polypropylen

Es ist allgemein anerkannt, dass der Ausgangspunkt der Polymerkristallisation kleine Keime (kleine Partikel) sind, die natürlicherweise in der Schmelze enthalten sind, wie Katalysatorreste, Verunreinigungen, Staub usw. Durch die Zugabe von „künstlichen“ Keimen in die Polymerschmelze lässt sich die Kristallmorphologie modifizieren und steuern. Dieser Vorgang wird als Nukleation bezeichnet.

Es werden Nukleatoren oder Keimbildungsmittel eingesetzt, die Stellen für die Kristallisation bereitstellen.

Klärungsmittel sind eine Untergruppe der Keimbildner, die kleinere Kristallite erzeugen, welche weniger Licht streuen und dadurch die Klarheit bei gleicher Wandstärke eines Bauteils verbessern.

Die Rolle dieser Nukleierungsmittel besteht darin, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der fertigen Teile zu verbessern.

V. Nukleierungsmittel und Klärungsmittel: Eine breite Palette an Additiven

Partikelförmige Nukleierungsmittel

Partikuläre Nukleierungsmittel sind typischerweise hochschmelzende Verbindungen, die durch Compoundierung in der Polymerschmelze dispergiert werden. Diese Partikel wirken als dispergierte „Punktkeime“, an denen das Polymerkristallwachstum beginnen kann.

Die hohe Konzentration an Kristallisationskeimen führt zu einer schnelleren Kristallisation (kürzere Zykluszeiten) und einem höheren Kristallinitätsgrad, was die Festigkeit, Steifigkeit und Wärmeformbeständigkeit des PP verbessert.

Die geringe Größe der Kristallaggregate (Sphärolithe) führt zu einer reduzierten Lichtstreuung und verbesserter Klarheit.

Zu den üblicherweise verwendeten partikulären Nukleierungsmitteln gehören Salze und Mineralien wie Talkum, Natriumbenzoat, Phosphatester und andere organische Salze.

Talkum und Natriumbenzoat gelten als leistungsschwache, kostengünstige Nukleierungsmittel und bieten nur eine mäßige Verbesserung der Festigkeit, Steifigkeit, Wärmeformbeständigkeit und Zykluszeit.

Die leistungsstarken, aber kostspieligen Nukleierungsmittel, wie beispielsweise die Phosphatester und die Bicycloheptansalze, führen zu besseren physikalischen Eigenschaften und einer gewissen Verbesserung der Klarheit.

Lösliche Nukleierungsmittel

Lösliche Nukleierungsmittel, die auch als „schmelzempfindlich“ bezeichnet werden, haben typischerweise niedrige Schmelzpunkte und lösen sich im geschmolzenen PP auf.

Beim Abkühlen der Polymerschmelze in der Form kristallisieren diese Keime zuerst aus und bilden ein fein verteiltes Netzwerk mit extrem großer Oberfläche.

Mit weiter sinkender Temperatur fungieren die Fibrillen dieses Netzwerks als Kristallisationskeime, die die Polymerkristallisation einleiten.

Die extrem hohe Konzentration an Kristallisationskeimen führt zu sehr kleinen PP-Kristallaggregaten, die die geringste Lichtstreuung und die beste Klarheit gewährleisten.

Alle Klärungsmittel sind Keimbildner, aber nicht alle Keimbildner sind gute Klärungsmittel.

Gängige Nukleierungsmittel wie Natriumbenzoat und Talkum reduzieren die Sphärolithgröße nicht ausreichend, um ein trübungsarmes und hochtransparentes Formteil zu erzielen. Die beste Transparenz wird im Allgemeinen mit löslichen Nukleierungsmitteln erreicht.

Zu den löslichen organischen Verbindungen, die als Klärungsmittel wirken, gehören Sorbitole, Nonotole und Trisamide.

Obwohl diese Nukleierungsmittel hauptsächlich zur Erzielung hoher Klarheit und geringer Trübung eingesetzt werden, verbessern sie auch die physikalischen Eigenschaften und verkürzen die Zykluszeit.

Partikelform und Aspektverhältnis

Nucleant-Partikel mit nadelförmiger Gestalt (wie ADK STAB NA-11) können zu unterschiedlichen Schwindungswerten in Maschinen- und Querrichtung führen. Diese Schwindungsanisotropie kann Verzug im fertigen Bauteil verursachen. Nucleant-Partikel mit planarer Geometrie hingegen bewirken eine gleichmäßigere Schwindung in beiden Richtungen und somit weniger Verzug.

Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung

Kleinere Partikelgrößen verbessern zwar die Nukleation, sind aber auch schwieriger zu dispergieren. Manche Nukleationskeime, wie beispielsweise Natriumbenzoat, neigen zur Reagglomeration.

Säurefänger verwendet

Einige Säurefänger, wie beispielsweise Fettsäuresalze (z. B. Calciumstearat), können gegenüber bestimmten Nukleationsmitteln, wie Phosphatestern und Natriumbenzoat, antagonistisch wirken. Bei diesen Nukleationsmitteln sollte Dihydrotalcit verwendet werden.

Calciumstearat darf niemals zusammen mit Natriumbenzoat verwendet werden, da das Calciumstearat die Nukleation des Natriumbenzoats vollständig verhindert.

Dispersionsgrad und Vorhandensein undispergierter Agglomerate

Natriumbenzoat neigt zur Agglomeration und lässt sich nur schwer richtig dispergieren.

Schmelztemperatur

Sorbitole benötigen höhere Schmelztemperaturen, um die beste Klarheit zu erzielen, da sie sich vollständig in der Polymerschmelze auflösen müssen.

Synergien und Antagonismen zwischen Nukleationsmitteln und anderen Zusatzstoffen

Säurefänger können synergistisch oder antagonistisch wirken. Fettsäuresalze beeinträchtigen den Modul von mit Phosphatestern nukleiertem PP negativ.

Wählen Sie das RichtigeNukleantienund Klärungsmittel für PP

Bevor Sie das geeignete Nukleierungs- oder Klärmittel für Ihre PP-Anwendung auswählen, sollten Sie festlegen, welche Eigenschaftsverbesserung Ihnen am wichtigsten ist:

a. Wenn geringe Trübung und hohe Klarheit wichtig sind, dann wählen Sie einen der löslichen Klärungsmittel.

b. Bei geringeren Anforderungen an die Verständlichkeit,Phosphatesterkann verwendet werden.

c. Wenn ein hoher Modul von größter Bedeutung ist, dann wählen Sie einen der Phosphatester.

d. Wenn niedrige Kosten oberste Priorität haben, dann wählen Sie Natriumbenzoat.

e. Wenn geringe Verformung und geringe Pigmentempfindlichkeit von größter Bedeutung sind, dann wählen Sie das Bicycloheptansalz.

Es ist außerdem unerlässlich, festzulegen, wie das Nukleierungsmittel in das PP-Harz eingearbeitet wird. Führen Sie stets geeignete Tests durch, um eine gute Dispersion und Nukleierung sicherzustellen.

Führen Sie eine DSC-Analyse des nukleierten PP-Harzes durch. Verbesserungen der Zykluszeit korrelieren im Allgemeinen mit einem Anstieg der Kristallisationstemperatur (Tc). Prüfen Sie die Eigenschaften des Formteils.

Wenn Sie sich nach Produkten im Zusammenhang mit Nukleierungsmitteln erkundigen möchten, können Sie sich gerne an uns wenden.Kontaktieren Sie unsjederzeit.