Agenti nucleanti
Gli agenti nucleanti sono utilizzati per modificare le proprietà dei polimeri, nonchè ottimizzare il tempo ciclo del processo. La quantità di cristallizzazione e la dimensione dei cristalli o sferuliti, hanno un forte impatto sulle proprietà meccaniche e ottiche del polimero. L’aggiunta di agenti nucleanti ai polimeri semicristallini, determina una maggior crescita degli sferuliti con maggior velocità, la formazione rapida di cristalli, si tradurrà in molti sferuliti di piccole dimensioni, che a seconda del tipo di nucleante aumenteranno le proprietà meccaniche, come modulo a flessione, resistenza, temperatura di deformazione termica e durezza. La trasparenza e la trasmittanza miglioreranno, in quanto fungono anche da chiarificatori ottici, la trasparenza dipenderà dalla dimensione finale degli sferuliti e dall’orientamento nello spazio. Il nucleante è un agente insolubile, durante la fase di raffreddamento di un processo peremtte di formare complesse macrostrutture chiamate sferuliti. Questi sferuliti continuano a crescere fino a quando un urta un sferulite adiacente. Ovviamente più son piccoli gli sferuliti creati e maggiore sarà la densità di nucleazione. Figura 1 mostra un esempio del processo di nucleazione eterogenea vs. una resina non nucleata:
Alcune caratteristiche delle materie plastiche semicristalline (in particolar modo le resinea cetaliche) sono determinate dal tipo e dalla quantità della percentuale cristallina. Gli agenti nucleanti (o germinatori) sono cariche inorganiche insolubili (ossidi di metalli, salimetallici, silicati) che influenzano la cristallinità e la struttura cristallina. Questi provocano:
- un rialzo della temperatura, durante il quale si avvia la cristallizzazione del fuso (solidificazione più veloce del fuso).
– un aumento della velocità dicrescita degli sferoliti (10 fino a 5000 micron/min).
– un aumento della percentuale cristallina con conseguente riduzione delle dimensioni degli sferuliti.
– Cicli molto più rapidi fino al 25%.
Grazie ai nucleanti è possibile modificare e controllare la morfologia cristallina per controllare i cristalli o sferuliti o germinazione. Per essere efficaci le molecole introdotte nella massa fusa dover modificare la cinetica di cristallizzazione del polimero. Questo è il motivo per cui un agente nucleante deve avere le seguenti caratteristiche:
– Insolubile in polimero
– Melt punto più alto del polimero
– Dimensioni Particule tra 1 e 10 micron
– Dispersione omogenea
Il meccanismo di nucleazione è molto complessa e l’effetto di un agente nucleante dipende da numerosi parametri come la natura del polipropilene (omopolimero, copolimero ramdom, copolimero a blocchi), l’indice di fusione, l’indice di polidispersità, le condizioni di trasformazione e persino il processo di polimerizzazione. Il ruolo di questi agenti nucleanti è migliorare le proprietà fisiche e meccaniche dei pezzi finiti. In alcuni casi, ciclo-tempo può essere ridotto del 30%. E’ stato dimostrato che nerofumo, silice, talco koalin o possono essere usati come agenti nucleanti per alcuni polimeri, però questi minerali sono meno efficienti dei composti organici. Inoltre, questi minerali funzionano solo con omopolimeri, poco con copolimeri a blocchi e completamente inattivo per copolimeri random di PP.
Sali di sodio, potassio o litio
Uno dei primi agenti nucleanti è stato il benzoato di sodio, anche il benzoato di potassio e naphtenoate b-sodio hanno un eccellente effetto, aumentando la temperatura di cristallizzazione e riducendo il diametro degli sferuliti, per avere un elevato effetto gli sferuliti devono avere dimensioni inferiori a 1 micron, per questo durante la fase di compound è richiesto un elevato shear, per aumetare la dispersione del benzoato, l’aggiunta di un GMS aiuta a omogeneizzare meglio il nucleante.
Derivati del Sorbitolo
Grazie alla loro altissima efficienza, i derivati del sorbitolo sono oggi gli agenti più comunemente utilizzati utilizzati peril PP. Il meccanismo di azione è molto complesso, tra gli agenti più efficienti troviamo:
- DBS 1,2,3,4 – dibenzilidene sorbitolo
- MDBS 1,2,3,4 – di- para – metilbenzilidene sorbitolo
- EDBS 1,2,3,4 – di- para – ethylbenzylidene sorbitolo
- DMDBS 1,2,3,4 – di- meta, para- metilbenzilidene sorbitolo
L’utilizzo di un unico agente nucleante PP non consente un equilibrio ottimale delle proprietà meccaniche, particolarmente per il modulo a flessione e la resistenza all’urto. Una combinazione di agenti nucleanti (sorbitolo derivati + Minerali) può dare effetti complementari migliorando significativamente le proprietà meccaniche. Combinazione di DBS o MDBS con piccole quantità di talco e Sodio benzoato permettono di preparare materiali con prestazioni superiori a quelli ottenuti dutilizzando da solo il DBS.