成核剂
你有没有发现，有的塑料餐盒又脆又易裂，有的却又韧又耐摔？同样是PP材质，为啥性能差这么多？
答案藏在“结晶”里：高分子材料的结晶形态，直接决定了它的强度、耐热性甚至透明度。而“成核剂”，就是调控这一过程的“隐形工程师”——它像无数个“结晶种子”，让高分子链在更短时间、更均匀地排列成规整结构，既能让塑料更坚韧，也能让透明包装更透亮。
今天我们就来拆解这个“小助剂”如何撬动高分子材料的性能升级。
成核过程的本质是什么？
在所有高分子材料开始结晶之前，都要从完全无序的链段 → 形成第一个有序的小区域（晶核）。
而这个“从0到1”的过程，是整个结晶里最难的一步。
难度在于——一个晶核的形成，会同时发生两种自由能的变化，他们的方向相反，恰如一对“动力”与“阻力”
驱动力——体积自由能 ΔGᵥ（负值）：
链段排成有序晶格会降低体系自由能
阻力——表面自由能 ΔGₛ（正值）：
但晶核周围与熔体之间会产生新的界面，存在界面能
当晶核还非常小的时候，表面能占主导，使得总自由能变化变成正值：
ΔG = ΔGᵥ + ΔGₛ > 0
晶核不稳定，马上又“融”回去
只有当晶核长到某一个“临界尺寸 r”时，体积自由能的贡献才会压过表面能，使得体系的总 ΔG 才真正变成负值：
ΔG < 0 → 晶核才能稳定成长。
成核剂之所以能够显著改变材料性能，就是因为它降低了这道能量山丘的高度，让体系更容易完成“从0到1”的这一步。
成核剂是如何发挥作用的
成核剂 就是提供一个晶格规整、表面能更低的“模板”，让高分子更容易完成第一次排列。
而相比于均相成核，全靠分子的热运动相互碰撞，成核效率低，而且结晶体是球形的
虽然每个晶束有一个非常明确的结晶结构和特定取向，但净取向是零，这是因为微晶的球形性质。如果一个来自球晶的片晶束可以被放大，它的外形如上图所示。晶体的B轴是收缩率最高的方向，而A轴和C轴是收缩率最小的方向。
成核剂是一种能够加快结晶速度，使塑料形成细小致密的球晶颗粒的助剂。
它不是制造晶核，而是降低 ΔG，主要有以下两个机理
（1）晶格匹配：几何结构越像，越好贴合
如果成核剂的晶格间距和高分子晶胞相近，高分子 链就能以最小应变在其表面排队。
这会大幅降低新界面的表面能，让 ΔG直接掉半截。
（2）表面能更低：让高分子觉得“靠着你更省力”
无论是 CaCO₃、硅晶还是有机盐类，它们的表面能往往远低于熔体，高分子也就愿意在其表面结晶，而不是在熔体中“无依无靠”。
它不是制造晶核，而是降低 ΔG，主要有以下两个机理
（1）晶格匹配：几何结构越像，越好贴合
如果成核剂的晶格间距和高分子晶胞相近，高分子 链就能以最小应变在其表面排队。
这会大幅降低新界面的表面能，让 ΔG直接掉半截。
（2）表面能更低：让高分子觉得“靠着你更省力”
无论是 CaCO₃、硅晶还是有机盐类，它们的表面能往往远低于熔体，高分子也就愿意在其表面结晶，而不是在熔体中“无依无靠”。
成核剂的分类
颗粒成核剂
颗粒状成核剂通常是高熔点化合物，通过混合分散在聚合物熔体中。这些颗粒充当独特的“点核”，聚合物晶体可以在其上开始生长。
高浓度的晶核会导致更快的结晶（更短的循环时间）和更高的结晶度，从而提高聚合物的强度、刚度和 HDT。如果晶体聚集体（球晶）尺寸较小，可减少光散射并提高清晰度。常用的颗粒成核剂包括盐类和矿物质，如滑石粉、苯甲酸钠、磷酸酯和其他有机盐。
其中滑石粉和苯甲酸钠被认为是低性能、低成本的成核剂，并且对强度、刚度、HDT和循环时间有适度的改善。
高性能、高成本的成核剂，例如磷酸酯和双环庚烷盐，可提供更好的物理性能并在一定程度上改善透明度。
可溶性成核剂
可溶性成核剂，也称为“熔融敏感型”，通常具有较低的熔点并溶解在熔融的PP中。当聚合物熔体在模具中冷却时，这些成核剂首先结晶出来，形成具有极高表面积的精细分布网络。随着温度持续下降，构成该网络的纤维作为核心，引发聚合物结晶。
极高的晶核浓度导致PP晶体聚集体非常小，从而产生最低水平的光散射和最佳的清晰度。
所有澄清剂都是成核剂，但并非所有成核剂都是良好的澄清剂。一些常见的成核剂，例如苯甲酸钠和滑石粉，无法充分减小球晶尺寸，从而无法获得低雾度、高透明度的成型部件。通常，使用可溶性成核剂才能获得最佳的透明度。可作为澄清剂的可溶性有机化合物包括山梨醇、壬醇、三酰胺。
虽然这些成核剂主要用于实现高清晰度和低雾度，但它们也能改善物理性能并缩短循环时间。
v其他分类
1.无机和有机成核剂
无机助剂例如滑石粉或硫酸钡，纳米粘土（例如蒙脱石）对聚丙烯、热塑性聚酯和聚酰胺具有成核作用，可加快成核速度并提高整体结晶度。此外，还推荐使用金属氧化物（例如二氧化钛或氧化镁）、磷酸盐、碳酸盐或硫酸盐（优选碱土金属）。
有机添加剂种类繁多，从山梨糖醇衍生物到单羧酸或多羧酸及其盐，如4-叔丁基苯甲酸、苯甲酸钠或苯甲酸钠、有机磷酸盐或磷酸酯、己二酸、二苯乙酸、琥珀酸钠或苯甲酸钠；降冰片烷羧酸盐、聚合物，如离子共聚物（离聚物）、氮和或多或少复杂的分子，例如三苯并二噻嗪、二环己基-2,6-萘二甲酰胺、庚二酸与硬脂酸钙或喹吖啶酮染料永久红。
2.晶体类型分类：α、β、γ……
例如，最有效的α-成核剂是山梨醇基衍生物和有机磷酸盐，而 β-成核剂包括三苯并二噻嗪、庚二酸与硬脂酸钙或喹吖啶酮染料永久红。
