成核剂对聚丙烯线性膨胀系数的影响有多大？

摘要：它凭借着密度低、加工性能好、环保无毒以及易回收等优点，成为了材料界的“明星”。但PP材料存在线性膨胀系数（CLTE）较大、尺寸稳定性差的问题，尤其用于汽车领域大型制件时，如保险杠、仪表板、门板等，往往难以满足对制件装配的要求。

在我们日常生活的方方面面，从汽车的外壳到家电的外壳，从食品的包装到各种塑料制品，聚丙烯（PP）都扮演着不可或缺的角色。

它凭借着密度低、加工性能好、环保无毒以及易回收等优点，成为了材料界的“明星”。但PP材料存在线性膨胀系数（CLTE）较大、尺寸稳定性差的问题，尤其用于汽车领域大型制件时，如保险杠、仪表板、门板等，往往难以满足对制件装配的要求。

降低PP材料的线性膨胀系数（CLTE）值的方法有很多，引入成核剂的方式具有用量低、改善效果明显且不影响其他性能的优势，因此被广泛应用。然而，成核剂对降低PP材料CLTE值的根本原因仍然有待我们进一步研究。

成核剂特别是NA1类型，显著促进了PP基复合材料中(040)晶面沿b轴的取向生长。从而实现了CLTE值的降低。这种取向生长为研究成核剂类型对PP基复合材料CLTE值的影响，在空白样的基础上分别添加了2份NA1和A2成核剂。同时，为了保证总组分不变，需要减掉等量的PP，具体组成列于表1。材料在受热膨胀时，能够更有效地抵抗来自各个方向的变形，从而提高了尺寸稳定性。

成核剂改性后的PP基复合材料的CLTE值按照测试温度分为三个区段分别进行计算，详细数值如图 1 所示。复合材料的FD CLTE 和 TD CLTE 值均随温度区段的升高逐渐增大，且熔体流动CLTE 较垂直方向CLTE 升高幅度更大。此外，芳基磷酸盐类成核剂(NA1)可明显降低各温度段熔体流动和垂直方向CLTE 值，且垂直方向CLTE值对温度变化表现不明显。相反，山梨醇类成核剂(NA2)可显著提高各温度段熔体流动和垂直方向CLTE值，而且CLTE值对温度变化表现较为明显。由上分析可知，成核剂NA1有利于降低PP基复合材料的CLTE值，增强复合材料的尺寸稳定性。

苏州维本工程塑料Wintone Z63塑胶弹簧专用料是一款与PP、PE属于同一类的聚烯烃类半结晶性塑料，在塑胶弹簧的应用上，Z63材料主要的优势在以下四点：

第一点：Z63材料回弹力度大（我们有些客户原来要用2到3克左右重量的普通弹簧料来达到需要的回弹力度，Z63材料只需要非常简单的弹簧结构和0.5克左右的料重就能达到同样的回弹力；

第二点：Z63材料注塑的塑胶弹簧，回弹速度比较快；

第三点：Z63材料注塑的塑胶弹簧，耐疲劳性比较好；

第四点：Z63材料属于和PP、PE同一大类的聚烯烃类半结晶性塑料，非常环保，不含甲醛。

在乳液泵、粉泵、泡沫泵、喷雾泵的各类塑胶弹簧的应用上，苏州维本工程塑料Wintone Z63强韧型、高回弹、耐腐蚀性工程塑料，可以帮助解决传统的PP、尼龙、POM等塑胶材料回弹性和抗形变能力不够、回弹力不够强、复原速度不够快、耐疲劳性和耐腐蚀性不够等问题，与金属弹簧相比，Z63塑胶弹簧具有更好的耐腐蚀性，重量轻，不污染乳液，同时便于回收利用。

苏州维本工程塑料Wintone Z63材料在塑胶弹簧应用上的特点是：强韧且不受水份影响、优异的回弹性和抗形变能力、回弹力强并且复原速度快、耐腐蚀（包括耐酸碱、耐盐、耐水解等各类化学物质）、优异的耐疲劳性、环保可回收。可以帮助您大幅提升塑胶弹簧的使用寿命和可靠性。

在2份NA1成核剂的基础上，改变 NA1 成核剂的含量（组成见表 1），研究了成核剂含量对 PP 基合材料 CLTE 值的影响，如图 2 所示。当成 NA1 成核剂含量从 0.5% 增加至 2% 时，复合材料 FD 和 TD CLTE 值逐渐降低。当成核剂含量超过 1% 后，CLTE 降低幅度趋于平缓，进一步增加成核剂含量对降低 CLTE 值无明显帮助。成核剂对 CLTE 值的影响可能归因于成核剂对 PP 晶体的作用。

为进一步分析成核剂对PP晶体的作用机理，我们采用WXAD对聚丙烯基复合材料的晶体结构进行分析，图3所示，衍射角 2θ=14°、16.8° 处出现衍射峰，分别对应(110)和 (040) 晶面，为α晶体特征峰。由图3(a)可以看出，引入成核剂NA1可以明显降低(110)晶面衍射强度，提高 (040) 晶面衍射强度；引入成核剂NA2可显著提高 (110) 晶面衍射强度，降低 (040) 晶面衍射强度。表明两种成核剂对 PP 基复合材料晶体结构影响作用相反。

由图3(b)可以看出，成核剂 NA1引入量为0.5份时即可显著降低复合材料 (110) 晶面衍射强度，提高(040)晶面衍射强度；随着成核剂 NA1含量超过 1% 后，成核剂含量对复合材料晶体结构影响作用趋于平缓，这与成核剂对 CLTE 值的作用一致。综合上文分析可知，成核剂 NA1降低PP基复合材料CLTE值的根本原因在于抑制 (110) 晶面的生长，同时促进 (040) 晶面的生长。

由图3可知，(040) 晶面是复合材料的主要生长方向，且随组成变化表现出明显差异。因此，可以选择计算 (040) 晶面生长方向的晶粒尺寸来进一步分析成核剂对晶体结构的影响。计算方法根据 Scherrer公式：

Dhkl ：晶面 (hkl) 法线方向的晶粒尺寸；

k ：与晶粒尺寸有关的常数（对于结晶性聚合物一般取值 0.89）；

λ ：X 射线的波长（λ=0.154nm）；

β：衍射峰的半峰宽；

θ ：晶面 (hkl) 与入射线之间的衍射角。

(040)晶面的晶粒尺寸计算结果由表2可知， (040) 晶面生长方向中晶粒尺寸随NA1成核剂含量的增多而逐渐增大，而随NA2成核剂的引入而减小，这说明成核剂的引入会使微晶的尺寸发生改变。有研究表明，晶面的法向厚度反映了晶体的生长情况。因此，引入成核剂NA1后，(040) 晶面沿 b 轴生长。

进一步分析结晶对 CLTE 值的影响机理，如图 4 所示。(040) 晶面平行于 a、c 轴，垂直于 b 轴 [图 4(a)]。由此说明，成核剂 NA1 引入后，(040) 晶面沿 b 轴取向生长 [图 4(b)]，这与晶粒尺寸分析结果一致。有研究表明，晶胞中 b 轴平行于厚度方向（ND），即垂直于流动方向（FD），而 c 轴平行于 FD。因此，样品中晶体主要生长方向与 ND 一致，垂直于 FD[图 4(c)]。同时也有研究表明，b 轴方向的热膨胀最大，是 a 轴方向的 2.6 倍，c 轴方向最小，为 a 轴方向的 10%。因此，成核剂 NA1 引入后，FD 和 TD 方向的 CLTE 值明显减小。

结论

通过静态热机械分析和广角 X 射线衍射分别研究了两种成核剂与复合材料 CLTE 的关系，以及成核剂对复合材料晶体结构的影响。实验得出结论如下：

1.成核剂 NA1 可显著降低 PP 基复合材料的 FD 和 TD CLTE 值，提高了材料的尺寸稳定性；

2.成核剂 NA1 添加量超过 1 份后，其对 CLTE 值的降低效果无明显增强；

3.成核剂 NA1 可显著促进晶胞中 (040) 晶面沿 b 轴取向生长，降低 PP 基复合材料的 CLTE 值。

在各类喷雾泵喷片的应用上，苏州维本工程塑料Wintone Z63材料，可以帮助解决传统的POM和PP塑胶材料，在喷片应用上可能遇到以下问题：

1.聚甲醛POM材料在喷片应用上，在注塑加工和长期使用中，POM容易产生具有刺激性的甲醛气体，POM耐酸碱性不够、不耐含氯类溶液、不耐含酚以及含碘酊类溶液、不耐盐，在使用中易受腐蚀而导致雾化效果不稳定，POM材料刚性良好，韧性不够，POM喷片在自动化装配时，有时会有脆断的问题。

2.聚丙烯PP材料在喷片应用上，PP材料的尺寸稳定性和强韧性不够，在使用一段时间后，喷片的孔径会变化，以导致雾化效果不稳定，以及在极细雾的喷雾泵的应用上有局限。

苏州维本工程塑料Wintone Z63材料在各类喷雾泵喷片应用上的特点是：强韧且不受水份影响、耐腐蚀（包括耐酸碱，耐含氯、含酚、含碘酊类溶液、耐盐等各类化学物质）、优异的注塑加工流动性、尺寸稳定性好、喷雾泵雾化效果稳定、适用于极细雾的喷雾泵喷片、优异的耐磨耐疲劳性、环保可回收。可以帮助您提升喷雾泵的雾化效果、雾化稳定性和可靠性。