液晶聚合物增韧热固性树脂

液晶聚合物增韧热固性树脂

摘要：简要介绍液晶聚合物的基本概念，综述了近年来液晶聚合物的研究进展。由于现有的热固性树脂增韧方法存在种种缺陷，热致型液晶正取代橡胶性体、热塑性塑料等成为新一类热固性树脂增韧剂，与其它方法相比，该法增韧果好，改性体系衬热性、模量高。从液晶聚合物增韧、液晶单体/低聚物增韧、液晶固化剂增韧三个方面综述了现阶段热致型液晶增韧热固性树脂的研究进展。

关键词：液晶聚合物，增韧，热致型液晶，液晶单体/低聚物，液晶固化剂

1.液晶聚合物

1.1液晶聚合物的分类及性能

液晶聚合物是一种兼有固体和液体部分性质的过渡中间态---液晶态，其分子排列介于理想的液体和晶体之间，呈一维或二维的远程有序----分子排列在位置上显示无序性，但在分子取向上任有一定程度的有序性，表现出良好的各向异性。

根据分子排列有序性不同，大致可分为向列型（nematic）、近晶型（sematic）和胆甾型（cholesteric）三种类型。按液晶的形成条件又可分为溶致性、热致性和压敏性液晶。

液晶聚合物材料具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率以及良好的介电性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能。在电子电器、航空航天、光纤通讯、汽车工业、机械制造和化学工业等领域具有广阔的应用前景[1]。

1.2国内外液晶高分子聚合物的研究进展

1972年美国Du Pont公司研究成功的Kevlar系列溶致液晶纤维标志着合成高分子液晶开始走向市场,并引起人们广泛的兴趣。1984年Darto和Manufacturing 公司开发聚芳酯热致LCP并首次实现了热致LCP的工业化。

英国ICI公司的VICTRES-SRP LCP已经有4个品种投入生产,新一种拉伸强度高达200 MPa,悬臂缺口冲击强度为130 J/m2的新品种[2]。德国BASF公司的ULTRAX已经研制出三种基本新品种,其中两种是耐高温的特种工程塑料.另外,德国Hoechst公司将新型Vectra LCP作为热塑性工程塑料在世界X围内推广,目前投放市场的有30余种商品级及专用级产品[3]。

周其凤等[4]从分子设计的角度提出了“含二维液晶基元的液晶高分子”概念,并合成了一系列T型、X型二维液晶基元的液晶高分子.这类液晶高分子材料有别于一维液晶基元的液晶高分子材料,经过精心的分子设计,比如将二维液晶基元的其中一维方向的结构部分固定于分子主链之中而构成主链的结构成分,而使另一维方向上的结构部分作为侧基,因而可望制得力学各向异性较弱的高强度、高

模量材料。

树枝状高分子为美国Dow化学公司的Tomalia和South Florida大学的Newkome在80年代中期提出的[5-6].这类新的树枝状高分子具有规整的分子结构,其分子体积、形状和功能基团可在分子水平上精确设计和控制.后来Percec[7]首次合成了树枝状液晶高分子,由于Percec未采用逐步发散或收敛法,产品结构不规整,分子量不单一.X其震等[8]合成了结构规整的硅碳烷的树枝状液晶高分子,但分子量偏低。

今后LCP发展的主要方向可以归纳为:(1)降低成本，(2)降低制件的各向异性，(3)在改善加工性的同时取得耐热性和机械性能的综合平衡。

2 热固性树脂的增韧

固化后的热固性树脂是一类具有高交联密度的网络结构聚合物，具有良好的机械性能、电性能和粘接性能。其主要代表有环氧树脂(EP)、不饱和聚醋树脂(UP)、双马来酞亚胺树脂(BMI)等，它们广泛用于机械、化工、电子电气和航空航天等领域。然而，热固性树脂交联结构的最大弱点在于固化产物性质较脆、耐冲击和耐应力开裂性较差，因此应用受到了一定的限制。为此，国内外科研工作者针对热固性树脂的增韧改性进行了大量的研究。

最初采用橡胶弹性体增韧热固性树脂，树脂韧性成倍提高，但这往往以牺牲耐热性和弹性模量为代价。80年代研究的热点转向用热塑性聚合物增韧热固性树脂，树脂的韧性、模量等都有不同程度地升高，耐热性下降不大;但是，由于热塑性聚合物的溶解性和流动性较差，其混熔体的粘度较高、成型工艺性较差。80年代末，人们又提出了互穿网络(IPN)增韧热固性树脂这一技术，取得了较好的效果;美中不足的是，该法同样会导致改性树脂耐热性下降，限制了材料在高温领域的应用。

3 热致型液晶增韧热固性树脂的研究

随着对热致型液晶(TLC)研究的广泛深入，TLC增韧热固性树脂的研究引起了科学界的普遍关注。该法的优点在于在提高树脂韧性的同时，耐热性、模量等也有一定程度的提高。目前，TLC增韧热固性树脂的方法主要可以分为热固性树脂与液晶聚合物(LCP)共混/共聚、热固性树脂与液晶单体/低聚物(LCM)聚以及热固性液晶固化剂(LCC)共聚等。

3.1 与液晶聚合物共混、共聚

LCP具有热稳定性好收缩应力低机械性能和耐候性能优良等特点，在其液晶相转变区域，LCP能形成微纤取向结构，产生高度的自增强、增韧作用。与热塑性聚合物相比，LCP增韧热固性树脂体系在增韧效果相同的情况下，其用量仅为热塑性树脂的25%~30%，因此显示出良好的应用前景。

3.1.1增韧机理

关于LCP增韧热固性树脂的增韧机理，目前有以下几种见解。Cafagna等[9]认为，LCP在改性树脂中起到了裂纹钉锚作用。LCP作为第二相(刚性与基体接近)，具有一定的韧性和较高的断裂伸长率，只要LCP体积分数适当，就可以对裂纹扩展起到约束闭合的作用，从而阻止了裂纹的进一步扩展，达到增韧的目的。也有人发现[10]，LCP在改性树脂中还可以起到引发银纹和剪切带作用。LCP具有自增强、易取向的特性，在外力作用下易形成颗粒或微纤，以分散相形式存在于树脂基体中，在应力作用下，作为分散相的LCP可以引发银纹和剪切带，使裂纹端部的应力集中得到松弛，阻碍裂纹的扩展，体系消耗了大量能量，从而使树脂韧性得到提高。

3.1.2研究现状

Cafagna[9]将聚对苯二甲酸乙二醇一对经基苯甲酸共聚酷PET/PHB60与可溶于环氧树脂的芳香聚醋(PAr)ARDEL-D100共混、熔融纺丝，使LCP在热塑性塑料中原位生成微纤结构，然后将这些细丝添加到Epon825中;在固化过程中，起载体作用的PAr溶解到环氧树脂中，剩下的LCP则以微纤形式保存下来。实验表明，仅加入2%的LCP，环氧树脂的断裂韧性就已提高了20写，Tg及弹性模量则基本没有变化;在一定X围内，随着LcP含量的增加，材料韧性明显改善。王惠民等[11]采用同样的成型工艺，将PET/PHB与PAr或聚碳酸醋(PC)共混、熔融纺丝所制得的细丝添加到环氧树脂中，当LCP含量为4%时，环氧树脂的韧性提高到原来的2.73倍，断裂能(Gic)提高到3.82倍，并且耐热性和模量均有提高。

直接将EP、LCP、增容剂以及固化剂熔融共混后固化，同样可以获得较好的增韧效果。梁伟荣[10]、陈秋明[l2]等用热致液晶聚合物KU9221增韧环氧树脂E 一51，当LCP含量为2写~4写时，环氧树脂的冲击强度提高近2倍，拉伸破断功提高2~4倍，弹性模量和玻璃化转变温度(Tg)也有所提高。曹有名等[l3]用PET 一PHB增韧环氧树脂E一44，当PET一PHB用量为10%时，拉伸强度增加了99%，冲击强度增加了150%，弹性模量也有所增加。姚康德等[l4]发现，少量PET 一PHB的存在同样可以改善环氧树脂几附近的伸长率。

米军等[15]提出用LCP与热固性树脂复合形成半互穿网络(SIPN)的思路，采用含柔性链的热致型液晶聚醋酞亚胺(LCPEI)与二苯甲烷双马来酞亚胺(BMD在溶液中充分混合，使之发生一定的共聚反应，然后干燥、加热，使BMI交联形成SIPN结构。该产物具有较好的耐热性，用SEM可以观察到液晶的簇状结构，表现出液晶相的增韧增强特性。

3.2 与液晶单体/低聚物共聚

尽管LCP增韧热固性树脂能取得令人满意的效果，但是LCP的熔点高、熔体粘度大、溶解性差、取向条件苛刻，因此该技术的成型工艺性较差。LCM与LCP