液晶高分子材料的开发应用研究的论文

时间:2020-07-04 16:35:45 材料毕业论文 我要投稿

液晶高分子材料的开发应用研究的论文

  液晶高分子(LCP)材料是近年来研究较多的一种功能高分子,它是兼有液体和晶体两种性质的一种中间过渡态聚合物。

液晶高分子材料的开发应用研究的论文

  LCP材料不但具有不同数量等级的机械强度,而且还具有很高的弹性模量,以及优良的振动吸收等特性;其制品还呈现壁厚越薄,强度反而越大的独有特征;此外,LCP材料是目前线性热膨胀率最逼近金属材料的新时代超级工程塑料,这种正处于不断开发状态的高分子材料,已完全超越了原有的工程塑料的概念。

  1LCP的分子结构和功能

  LCP的基本结构是一种全芳族聚醋,它的主要单体是对-羟基苯甲酸(p-HBA)。实践证明,由p-HB A单体聚合得到的LCP材料不能熔化,因此也不能被加工。但是,如果将该单体与其他不同的单体进行共聚,从而在熔态和液晶态中找到一种平衡,这种LCP材料就可以被加工,而且还具有良好的加工性能,可以进行注塑、挤出、拉伸、成膜等。

  p-HB A和不同单体的共聚产物分为主链型和侧链型两种,而从应用的角度又可分为热致型和溶致型两大类。但这两种分类方法是相互交叉的,即主链型LCP包括热致型和溶致型两种,而热致型LCP同样存在主链型和侧链型。这种p-HBA与不同单体的聚合,也给LCP新材料的不断开发提供了无限发展空间。

  不论哪种类型的LCP均具有刚性分子结构,其分子链的长宽比例均大于1,分子链呈棒状构象。LCP除具有刚性基元外,还具有柔性基元,这种分子之间的强极性基团,使之形成了超强凝聚力的液晶基元。其中芳香族聚醋液晶中,芳环是刚性基元,醋基是柔性键,在一定条件下就可形成液晶相。

  因此在LCP成型时,由于熔融状态下分子间的缠结很少,所以只需很轻微的剪切应力就可以使其沿流动方向取向,从而产生自增强效果。特别是在流动方向上,LCP材料的线性膨胀系数与金属相当。另外LCP材料厚度越薄,其表面取向层所占的比例就越大且越接近表壁,材料就越能获得高强度和高模量,同时材料还具有优异的振动吸收特性。LCP既能在液态下表现出结晶的性质,又可以在冷却或固化后保持其原来的状态。而其他结晶性塑料在经过加工后,其原结晶部分则会被打乱,分子将再次排列而重新结晶。

  2材料特性

  2.1物理性质

  LCP的吸湿性非常小,在23℃和相对湿度50%的条件下,其吸水率为0.03%左右。所以成型前原料最好在140160℃的温度下干燥4h以上(最长可达24 h)。

  尽管LCP材料的熔点相对比较低,但由于其所具有的特殊结晶结构,材料仍然具有良好的热稳定性。LCP材料的热变形温度为160340 ℃,连续使用温度为220240 ℃,耐焊锡温度为260310 ℃(焊接时间10 s) 。

  此外,使用了回收料的LCP制品,其性能仍可保持在较高水平。表1为两种不同牌号LCP(T130和5475),反复使用5次后的物性保持率。,即使是反复使用了5次的LCP回收料,其静态强度和弹性模量也能保持在初始值75 %~90%的范围内。

  但是回收料的使用会使LCP制品轻微变黑。为了防止色相的变化,回收料用量应保持在25%左右为宜。这是因为25%的回收料掺混量,可使LCP新料和1次回料的总量始终保持在90%左右,从而大大降低原料中多次回料的比例。另外,如果回收料颗粒大小不一,有时会导致计量不稳,还容易混入气体使制品产生气泡。因此在使用回收料前,最好将其再生造粒;如果使用粉碎料,则应去除超大颗粒和粉末,以保证粉碎料颗粒尺寸的均匀性。

  2.2熔体流动性

  LCP的流动性测试可采用棒式流动性测试法,该方法与阿基米德螺线测定法相似。可以看出,LCP材料总体上收缩率都很小,但同样遵循高分子材料收缩的规则,即:在流动方向上收缩率小,在垂直方向上收缩率大。但是测试时采用的是特定规格和尺寸的样品,而在生产实践中,制品往往形状复杂且熔体流向紊乱,因此在设计型腔尺寸时,须根据两个方向上的平均收缩率来确定模腔尺寸。

  另外,退火温度对LCP制品的收缩率亦有所影响。以A130样品为例,在150和200℃两个温度下对其进行后收缩试验。结果显示:两个温度下的样品,其在垂直方向上的后收缩率均随着退火时间的延长而不断增大,并均在退火2h时达到最大值(0.5%),此后收缩率不再发生变化,这时后收缩达到饱和状态。但在流动方向上,两个温度下样品的后收缩率则有所不同:退火2h之前,退火温度为200 ℃的样品,其后收缩率最大值为0.24%,而退火温度为150℃的样品,其后收缩率最大值仅为0.15%;但当退火时间超过2h后,样品的收缩率均不再发生变化。这说明对LCP样品进行退火处理时,处理温度高反而会导致收缩率增大;但对于不同退火温度的样品,当退火时间超过2h后,样品的后收缩均达到饱和状态。因此如对LCP制品有特殊要求,一定要参照以上后收缩试验结果,合理设定工艺条件。

  3LCP制品模具设计

  由于LCP为各向异性材料,故LCP制品的物性受其自身及填充材料取向的支配,而这种取向是由材料熔体在流动时受到的剪切应力所决定的。因此在模具设计时,必须将型腔内材料的流动状态,结合制品所要求的具体性能进行综合考虑。一般情况下,LCP制品的厚度越薄,其取向性就越显著;而LCP制品的接缝部分对其强度有很大影响,所以在模具设计时,应尽可能避免产生熔接缝。

  3.1流道

  流道按加工难易程度依次分为半圆形、梯形和圆形,而从截面积和压力损失的角度由好到坏则依次为圆形、梯形和半圆形,因此建议使用圆形或梯形流道。

  对于LCP模具的流道直径设计,须考虑流道长度、塑件尺寸及经济性等多个因素,但通常可将流道直径设计为2~5 mm。另外,流道长度原则上应尽量缩短,其中对于多型腔模具,为了减少模空间的差异,最好使到各个模腔的距离保持相等。

  如果主流道尺寸远大于注射机的喷嘴孔径,主流道内就容易出现喷射痕,还可能卷入空气,从而使制品产生气泡。因此最好把主流道的最小直径,设计成比喷嘴孔径大0.5 mm左右,并将斜度设为0.5~1。

  LCP不但具有良好的脱模性,而且也具有很好的流动性。如果在模具表面出现划痕,就会影响制品的.脱模性。因此须对直接浇口和流道进行研磨抛光,并且在直接浇口和流道的末端设置冷料穴结构。

  3.2浇口

  在LCP的模具设计中,浇口设计尤为重要。由于LCP具有各向异性,因此必须在考虑填充方式的基础上来确定浇口形式和浇口位置。另外为充分发挥LCP所具有的优异特性,原则上须将浇口设置在熔体流动方向上。

  如果制品形状复杂,那么在熔体流动方向上就容易产生乱流。这时可以忽略浇口位置对LCP分子排列产生的影响,只能采取调整速度和压力的方法来补救。LCP模具设计中,一般可采用侧浇口、点浇口和潜伏式浇口的浇口形式。

  3.3排气槽

  LCP在成型时可产生微量气体。为了更好地填充型腔,有必要设置排气槽。排气槽(长100200mm)深度以1~2 mm为宜,如果低于这个深度,排气槽的截面积就会更小,从而达到气体流动的下限,可能会造成排气不畅。因此凡是在气体容易滞留之处都应该设置排气槽。

  4LCP的成型加工

  4.1加工温度

  对于高分子材料来说,成型温度是直接影响聚合物私度的主要因素。而控制聚合物熔体流动的均匀性,是设定加工温度的最终目标。对于LCP材料,其加工过程中尤须保证熔体流动的均一性。

  冷料或塑化不充分,都会造成LCP成型制品力学性能的下降,这时须提高机筒温度。虽然LCP熔料在机筒中滞留时间过长不会引起材料老化或产生腐蚀性气体,但当间隔时间超过30 min时,应将成型温度调低50 ℃,而当再次成型时最好排出一些存料。为了防止喷嘴流涎,喷嘴温度可比通常设定温度低10 ℃,也可以根据实际情况,进行平直设定和反向设定。 需要注意的是,熔体温度过高虽然对LCP物性不会产生影响,但可使其分子呈剧烈运动状态,这将不利于分子取向,实践证明,高温对LCP加工反而不利。但是,温度偏低则又不能保证分子链的充分伸展,从而失去其液晶态的优越性。所以熔体温度不但影响其流动的均匀性,而且还影响到分子的结构形态。因此如何保证机筒和模具内熔体温度的均一性,成为LCP加工成型的关键之一。

  4.2模具温度

  一般注塑模具温度设定原则是,将模温控制在低于熔体温度100150℃为宜。而对于LCP材料,通常将模具温度设定在70110℃的范围内。

  为了缩短成型周期、防止飞边及变形,应选择较低的模具温度。如果要求制品尺寸稳定,特别是用于高温条件下的制品,为减少熔接痕及解决充填不足等问题时,则应提高模具温度。

  4.3可塑性

  如果原料中含有玻璃纤维或碳纤维,为防止纤维被剪切断,注塑成型时应该选择比较低的螺杆转速(通常为100 r/min),背压也尽可能低一点(为防止流涎和纤维折损,宜将背压设为0~2 MPa)。当原料中没有添加物时,也可采用高转速,以加快循环和提高计量稳定性。

  LCP具有固化速度快、脱模性好的特点。为充分发挥这一优势以缩短成型周期,应尽量选用塑化能力强的注射机;另外,喷嘴直径须为1~2 mm,并且配有完好的止逆阀,喷嘴前端须设置大功率加热圈(前端设有热电偶)。

  4.4注射压力和注射速度

  LCP成型时需要一定的注射压力,但压力及成型速率不宜过高,否则将导致熔体流动不均、制品出现瑕疵以及增加内应力。注塑成型中,注射压力与注射容积有关,一般注射容积宜设置为机筒容积的50%~70% 。

  最佳注射压力的设定取决于材料、制品形状、模具设计(特别是浇口和流道)以及其他一些成型条件。但LCP(所有等级)的熔体私度都非常低,所以其成型时的注射压力明显低于普通热可塑性树脂。

  当LCP成型时,开始须采用低注射压,然后再慢慢增大压力。对于一般成型品,在1545 MPa的注射压力下即可成型。由于LCP固化较快,所以加快注射速度有利于取得较好的成型效果。

  4.5成型周期

  成型周期取决于成型品的大小、形状、厚薄、模具结构及成型条件。由于LCP熔体具有良好的流动性,所以其填充时间比较短,另外由于其固化速度也比较快,因此可以取得较短的成型周期。代表性的LCP成型周期为1030 s 。

  4.6其他

  成型开始时,如果机筒内存其他树脂,当其成型温度在LCP成型温度范围内,则可直接将机筒加热至LCP的成型温度,然后用LCP进行清洗。不过,由于LCP的熔体私度很低,机筒内的残留树脂难以被完全清洗掉,因此需要反复彻底清洗。一个简单有效的方法是:先用含有玻璃纤维的聚碳酸醋(PC)清洗,然后再用LCP清洗。

  如果长期滞留在机筒内,LCP有时也会劣化成异构物,此时必须充分清洗。如果残留树脂为黑色等深色材料,难以彻底清洗时,建议采用含有玻璃纤维的PC和HDPE进行反复交替清洗。

  5LCP的应用

  5.1电子领域

  主链型LCP多用于制备一些高强度和高模量的结构材料,而侧链型LCP则能比较好地将小分子的液晶性和高分子的良好加工性融为一体,是具有极大应用潜力的新型材料,如应用在光信息存储、非线性光学和色谱等领域。

  采用了LCP材料的液晶显示屏已为大家所熟知。另外,LCP还大量应用在AV机、OA机,以及电子信息设备和音响设备上,以发挥其力学特性和吸振特性;还可用作组装电子部件等,以发挥其耐焊接和耐热特长;随着信息通信技术的发展,LCP在微波和毫米波的高频领域得到了广泛应用,其中在高频电子部件的应用上,现已开发出了具有适宜介电常数和低介电损耗特性的LCP。此外,LCP在超强高分子纤维和非线型高分子材料中也得到了很好的应用。

  5.2液晶LB膜

  LB技术是分子组装的一种重要手段,即利用不同转移方式将水亚相上的膜转移到固相基质上,从而制得单层或多层LB膜。在非线性光学、集成光学以及电子学等领域,LB膜均具有重要的应用价值。将LB技术引入到高分子液晶体系,则可得到高分子液晶LB膜,其具有不同于普通LB膜和液晶的特殊性能,并将在各领域得到进一步开发和应用。另外高分子液晶LB膜由于其超薄性和功能性,可望在波导领域得到应用。

  6结语

  LCP不仅具有其他高分子不可比拟的物理性能和力学性能,而且热致型LCP还具有良好的加工性。目前,热致型LCP已成为电子电气中高精密、高性能、特殊注塑件的首选材料。

  LCP制件的模具和塑件设计异于其他通用工程塑料制品,而且其性能与成型工艺参数成函数关系,所以压力、温度、时间等参数也应相互匹配,这样才能生产出合格的产品。

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