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热致性液晶聚合物工程塑料 |
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作者：北京科方创业科技企业孵化器有限公司 竺朝山 |
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液晶聚合物（LCP）是一种由刚性分子链构成的，在一定物理条件下能出现既有液体的流动性又有晶体的物理性能各向异性状态（此状态称为液晶态）的高分子物质。液晶聚合物有溶致性液晶聚合物（LLCP）、热致性液晶聚合物（TLCP）和压致性液晶聚合物三大类。
热致性液晶聚合物
热致性液晶聚合物在实验室被开发的品种已达几十例，但真正实现工业化的并不多。美国Dartco公司首先将“Xydar”的液晶聚合物投放市场，之后美国、日本等数家公司也相继研究出液晶聚合物。表1列举了已成功商业化的几种主要TLCP的商品名、化学组成等。表1 部分已商业化的TLCP
 美国是TLCP的主要生产国，其产量约占世界总产量的80%，其次是日本、西欧和俄罗斯等国。
性能特点
TLCP与其它有机高分子材料相比，具有较为独特的分子结构和热行为，它的分子由刚性棒状大分子链组成，受热熔融或被溶剂溶解后形成一种兼有固体和液体部分性质的液晶态。TLCP的这种特殊相态结构，导致其具有如下特征：具有自增强效果；线膨胀系数小；耐热性优良；具有自阻燃性；熔体粘度低，流动性好；成型收缩率小；耐化学药品性好等。
TLCP产品因化学结构和改性方法不同，性能差异甚大，但仍有许多如下共同的优异特性。
机械性能
由于TLCP具有自增强特性，未经增强即可达到甚至超过普通工程塑料玻纤增强后的机械强度和弹性模量水平。TLCP还有优良的耐摩擦、磨耗性能，蠕变性可忽略不计。
耐热性
Xydar的熔点421℃，在空气中560℃、在氮气中567℃才开始分解，其热变形温度高达355℃，Ekonol热变形温度为293℃。Xydar可在-50℃~240℃连续使用，仍有优良的冲击韧性和尺寸稳定性，Xydar不受锡焊合金熔化的影响，Ekonol耐320℃焊锡浸渍5分钟，玻纤增强级Vectra也可耐260℃~280℃焊锡完全浸渍10秒。
阻燃性
在不添加阻燃剂的情况下，TLCP材料对火焰具有自熄性，可达UL-94 V-0级的阻燃性，在火焰中不滴落，不产生有毒烟雾。Xydar按烟法NBS-D4测定的烟密度达3~5。这些在塑料中都是少见的，它们是防火安全性最好的塑料之一。
尺寸稳定性
TLCP流动方向的线膨胀系数一般为10-5cm/cm．℃，可与金属匹敌，比一般塑料小一个数量级。由于TLCP在熔融状态下已有结晶性，不像普通结晶性塑料那样加工成制品后冷却时发生体积收缩，故制品尺寸精度高。
耐气候老化性和耐辐射性
TLCP的耐气候优于多数塑料，Xydar加速气候老化4000小时仍保持优良性能。Vectra气候老化照射2000小时，性能指标保持90%~100%，高温（200℃）老化180天，拉伸强度和伸长率仍保持50%以上。TLCP经碳弧加速紫外线照射6700小时，或Co60核辐射10兆拉德，性能不显着下降。对微波辐射透明，不易发热。
电性能
TLCP有较高的电性能指标，厚度小时的介电强度比一般工程塑料高得多。
耐化学腐蚀性
TLCP在很宽的温度范围内不受所有工业溶剂、燃料油、洗涤剂、漂泊剂、热水和浓度90%的酸、50%的硷液腐蚀或影响，在溶剂作用下也不发生应力开裂，如Xydar浸于50℃的20%硫酸中11天，拉伸强度保持98%，在82℃热水中浸4000小时，性能不变。
成型加工性能
TLCP熔体粘度低，流动性好，故成型压力低，周期短，可加工成壁薄、细长和形状复杂的制品；加工TLCP时也不需脱模剂和后处理，且由于TLCP材料的分子在与金属模具相接触的表面形成了坚固的定向层，因此加工工件的表面非常平整光滑。
TCLP材料也存在一些不足之处：由于TLCP材料取向在流向上强而在垂直方向上弱，因此工件的表面强烈地表现出各向异性；在模腔内二股物料汇聚处，由于结晶的形成是依焊线取向，故其强度降低，因此设计模具时对此应加以考虑；薄型成型品存在脆性；由于TLCP材料本身不透明，所以对其进行着色加工的可能性有限；售价昂贵，成本较高。
热致性液晶聚合物的加工
TLCP可通过熔纺、注射、挤出、模压、涂覆等工艺加工成型。虽然加工方法各异，但均是利用在液晶态时分子链高度取向进行成型再冷却固定取向，从而获得高机械性能。
液晶聚合物加工成型一般不需特殊的设备，常规的聚合物加工设备均可利用。但由于液晶聚合物加工温度较高，故设备选型时应充分考虑其加热系统的能力和设备材质，必须经受得住长时间的高温烘烤。另一方面，由于液晶分子的棒状取向作用，加大模具出口的长径比有利于分子取向，利于提高材料的力学性能。
温度影响聚合物的粘度，从而影响流动的均匀性。加工过程必须保证熔体温度均一，有适宜的流动形态。熔体温度过高将导致分子运动太剧烈，取向序损失，反而不利；温度偏低则不能保证分子链充分伸展，失去液晶态的优越性。一般可将模温控制在低于熔体温度100℃~150℃。
液晶聚合物成型时也需要一定的压力，但压力及成型速率不宜过高，否则将导致熔体流动不均、制品出现瑕疵和增加内应力。注射成型中压力与注射体积有关，一般注射容量为料筒容积的50%~70%较适宜。
热致性液晶聚合物的应用
热致性液晶聚合物具有优异的综合性能，被广泛用于化学工业、电子通讯、军工机械、航空航天、汽车制造等领域中。TLCP的主要用途列于表2。表2 TLCP的主要用途
 另外，TLCP具备的许多独特的性能使它在塑料加工助剂行业中的应用日益广泛。利用它的液晶性，可以将其作为PET的结晶成核剂，改善PET工程塑料加工性；利用它的高强度、高模量的特性，将其制作成纤维，替代玻纤、矿物填料，达到减轻对设备的磨耗及降低材料比重的目的，或者直接将TLCP与其它树脂形成原位复合，起到提高强度和模量的效果，实现通用塑料的高性能化；利用它的高流动性的特点，可将其作为难于加工成型的塑料的流动改性剂等。
液晶聚合物性能优异，越来越受到人们的关注，其应用领域不断扩大，新产品不断被研制，且工业化的液晶聚合物种类越来越多，今后在工业、科技及人们生活中必将发挥更大作用。(end)
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(10/26/2005) |
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