热致液晶高分子结构性能与应用

热致液晶高分子结构性能与应用

热致液晶高分子结构性能与应用

摘要：热致液晶高分子(TCLP ) 是一类重要的特种工程塑料，在航空航天军事和电子电气等领域有着广泛的应用。本文简要对热致液晶高分子的性能、合成方法以及应用作了重点阐述，总结其缺点并对其发展提出展望。

关键词：热致性，液晶高分子，特种工程塑料，各向异性

1 引言

液晶是一些化合物所具有的介于固态晶体的三维有序和无规液态之间的一种中间相态，又称介晶相，是一种取向有序流体，既具有液体的易流动性，又有晶体的双折射等各向异性。

[1]液晶高分子(Liquid Crystal Polymer，LCP)是具有液晶性的高分子，它们一般是由小分子液晶基元键合而成的。根据液晶相的形成条件，可分为溶致液晶高分子(lyotropic LCP，LLCP )和热致液晶高分子(tropic LCP，TLCP)。

2 热致液晶高分子

20世纪70年代，DuPont 公司著名的纤维Kevlar的问世及其商品化，开创了LCP研究的新纪元。然而由于Kevlar 是在溶液中形成，需要特定的溶剂，并且在成形方面受到限制，人们便把注意力集中到那些不需要溶剂、在熔体状态下具有液晶性、可方便地注射成高强度工程结构型材及高技术制品的TLCP上。1975年Roviello 首次报道了他的研究成果。次年Jackson合成了第一个具有实用性的热致性芳香族共聚酯液晶[1]。

TCLP属于特种工程塑料，拥有优秀的力学性能，较低的熔体粘度热膨胀系数和成型收缩率，出色的耐溶剂性和较低的吸水率，优良的阻隔性能以及能在高温下长期使用等的优秀性能。由于在熔融加工过程中容易发生分子链取向而产生部分微纤结构，从而赋予材料以类似纤维增强复合材料的形态和性质，因此被称为自增强塑料(self-reinforcing plastics )[2]。适于制造精度铸件，广泛应用于电子工业等领域。

3热致液晶高分子的性能

TCLP的分子结构与传统无规线团或者交联网络结构不同，是由长刚棒状的分子链组成当其从液晶态冷却至固态时，分子链的高度取向排列会被保留了下来，形成特有的高度取向结构，并使性能具有各向异性[3]。

3.1力学性能

熔融加工时，长刚棒状的分子链在剪切力的作用下将沿流动方向取向而产生部分微纤结构，从而赋予材料以类似纤维增强复合材料的形态和性质由于长刚棒状分子的松弛时间较长。

这种高度取向的排列在冷却之后被保留了下来，TCLP也因此具有明显的自增强效应，表现出高强度高模量所以即使不添加增强材料，其强度和模量也能达到甚至超过某些玻纤增强材料的强度和模量。

3.2耐热性和阻燃性

TCLP的长刚棒状分子链由大量芳环构成，分子链高度取向且相互作用力大，运动变得困难，致使耐热性突出。

可以承受包括无铅焊接等的表面安装焊的高温，用于普通高分子不适用的高温环境中。。未填充的TLCP是V-O级(立即自动灭火)的阻燃剂，不需要添加其他会渗透出来的添加剂；燃烧时防出的烟和有毒气体非常的少[4]。

3.3成型加工性

TCLP的分子链高度取向排列，分子链间无缠绕。在熔融加工时，熔体粘度低流动性好，十分有利于成型加工。因此一般可用普通的塑料加工设备来挤出或注射成型，特别适合制造薄壁和精密制品。此外，由于液晶态和固态之间的比容变化很小，在其流动方向上的热膨胀系数和成型收缩率都比一般塑料要低。

1）突出的尺寸稳定性——TCLP有着与玻璃和金属相近的低模缩和低膨胀系数，可以精确的模制元件和制造TLCP与玻璃或金属的接触件。另外，低的吸湿性也不会在尺寸上产生明显的变化。，在加工成型过程中保证了制品尺寸的精确性和稳定性。

2)低熔融粘度——即使用于很薄的区域或结构复杂的元件，TLCP的加工性能也十分优良，并且可以用作普通热塑性高分子的加工助剂或填充量非常高原材料。

3）填充容隙——由于TLCP的低粘度，即使填料很多也可以保持宜加工性能，并且可以改善热性能和机械性能，改变各向异性，生产出一大批具有特殊用途、性能广泛的产品，开创了一个研究新领域。

3.4其他

TCLP具有良好的绝缘性和低介电常数，而且两者基本都不会随温度而变化此外的抗电弧性也较高的分子链高度取向且相互作用力大致使结构致密，化学药品和气体难以渗透，从而显示出良好的耐化学药品性和气密性。

1)抗化学药品性能——即使在高温下TLCP也不大受大多数溶剂、酸、碱的影响。即使经过30天的处理之后，其机械性能、质量和尺寸方面也没有明显的变化，水解稳定特别好，120℃下在水气中处理250小时性质也不会受到影响。

2）低渗透性——具有可以与其他任何可熔融加工的高分子阻隔材料相比拟的阻隔性能。

3）优良的电性能——TLCP的介电常数、介电强度、体电阻和电弧电阻在一个很宽的温度和频率范围内都可以与那些耐热性能好的聚合物相比甚至超过它们。

4 TLCP制品的结构与缺陷

在TLCP材料的成型加工中,流动诱导取向影响着制品内部的结构和制品的性能[5]。

4.11. 1微纤结构

大量理论研究指出,普通高分子材料的强度和模量远远低于高分子的理论强度和模量。与柔性链高分子比较,液晶高分子最主要的特点是在力场中容易发生分子链取向,使高分子链呈伸直的刚性链构象,并形成高度有序的微纤结构,且分子间存在较强的相互作用,从而赋予了液晶高分子材料很高的拉伸强度和模量。

4.2皮芯结构

TLCP制品有一个共同的特点就是流动取向造成制品的皮芯结构。

图1为一个已被普遍证实了的注塑片材多层皮芯结构模型示意图。尽管注射流道的入口为平面结构的线浇口，但片材内的组织结构仍然呈三维的不均匀分布.在三个坐标方向上，可以观察到三层或四层结构的明显区别，其表面为极薄的皮层，由高度取向的微纤组织构成,微纤的直径约为1μm；内部为芯层，其取向非常弱，甚至无取向，在皮层与芯层之间，根据制品厚度的不同，根据制品厚度的不同，既可以观察到仅仅单一结构的中间层的薄壁制品结构分布，也可以观察到两个甚至三个中间层的厚壁制品结构分布。

皮芯结构的最大缺点是各层之间脆弱的结合力,在大弯曲变形时,会导致片材迅速发生分