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超級工程塑料—液晶聚合物

2022-11-11 來源:高分子物理學(xué)公眾號

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 這是一張風(fēng)冷式散熱器渦輪風(fēng)扇的圖片,  常用于筆記本電腦散熱器模塊中。

    仔細(xì)觀察這張圖片,你會發(fā)現(xiàn)這枚風(fēng)扇并不簡單,因為這枚僅厚5mm的風(fēng)扇上排布了90片厚度僅為0.2mm的葉片,全速工作時,這些葉片轉(zhuǎn)速可以達到8000r/min。

    0.2mm厚度還要設(shè)計成如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu),同時還要滿足8000r/min的使用轉(zhuǎn)速,對材質(zhì)強度,穩(wěn)定性,加工精度的要求可想而知。能夠同時滿足這些苛刻的要求,正是得益于液晶聚合物的出色性能。

 

液晶與液晶聚合物

    對于液晶的概念,想必各位都不會陌生,某些固體,在熔融或溶解后,盡管已經(jīng)具有流動性,卻還能部分保留晶體的結(jié)構(gòu),組元排布存在一定的規(guī)整性。具有這種性質(zhì)的聚合物,自然也就被稱為液晶聚合物(Liquid CrystallinePolymer),LCP。常規(guī)高分子在熔融或溶解后,分子鏈會卷曲而相互交叉纏繞,而液晶分子則還是保持著晶態(tài)的有序取向。

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    就像小分子液晶的取向性為其帶來獨特的響應(yīng)性一樣,聚合物液晶分子的取向性,也帶來了高強度,優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性,耐熱性,良好的加工性能。

    1941Kargin提出液晶態(tài)是聚合物體系的一種普遍存狀態(tài),學(xué)界開始對液晶聚合物開展研究。在1966年杜邦公司首次利用向列型液晶聚合物溶液制造出高強度,高模量纖維FiberB,開始了對聚合物液晶特性的應(yīng)用。1972年開發(fā)出的大名鼎鼎的凱夫拉纖維,就是高分子液晶技術(shù)應(yīng)用的典范,并由此促進了液晶紡絲技術(shù)的應(yīng)用和成熟。

液晶聚合物結(jié)構(gòu)

    聚合物,或者說高分子,在形成液晶時,不可能一整個高分子鏈作為單元,形成一定取向性,因為高分子鏈實在是太大了,實際過程中形成液晶單元的是高分子鏈上某些部分,這些高分子主鏈或側(cè)鏈上的單元往往具有一定剛性,因而較穩(wěn)定,不易變形,可視作一個單元,高分子主鏈上其他部分,往往較為柔軟,可以彎折,從而可以使剛性單元有規(guī)則的周期性排列。如果剛性單元在主鏈上,就稱作主鏈高分子液晶,相應(yīng)的在側(cè)鏈上就是側(cè)鏈高分子液晶。

    液晶剛性單元也可以有很多形狀,例如棒形,碟形,碗形,棒形的基元最多,目前商用的液晶聚合物也基本都是這類單元,其他類型的很少,碗形基元的液晶聚合物還在摸索,所以在探討液晶聚合物時,可首先把它的剛性基元想象成棒形。

    液晶聚合物的液晶結(jié)構(gòu),主要有三種,近晶型,向列型,膽甾型,近晶型是剛性基元并排排列,形成類似片層結(jié)構(gòu),基元可在本層內(nèi)運動,但不能跨層運動,向列形,是剛性基元平行排列但并沒形成并列的片層,反而像樹木的導(dǎo)管那樣,形成一維的線性結(jié)構(gòu),膽甾型,基元平行排列成片層,而非豎直并列成片層,每一層取向都是各異的兩個取向相同的片層間的距離稱作膽甾型液晶的螺距,因為這種扭轉(zhuǎn)作用,膽甾型液晶的旋光性能很強,常呈現(xiàn)五彩斑斕的顏色。

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三種商用液晶聚合物:

I是多苯環(huán)剛性分子單體之間通過共聚而成;

II型是在分子結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入萘環(huán);

III型是在分子鏈中使用脂肪族鏈段

可以看到無論是哪一種類型的商用LCP,其分子主鏈上都擁有大量的剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu),這決定了其特殊的物化特征和加工性質(zhì)。其典型結(jié)構(gòu)便是液晶,由于分子鏈保持著高度的規(guī)整性,所以加熱到晶化溫度以后,只要稍微給一點剪切力,LCP溶體的流動性便會變得像水一樣,這一特性使得LCP更容易成型薄壁小型化的一些連接器制件。

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液晶聚合物特性

    液晶聚合物突出的強度,來源于其自增強性,在成型時,液晶分子鏈會朝著流動方向排列取向, 產(chǎn)生一種好似其分子自身將其增強的自增強效果,可獲得極高的強度和彈性模量。

    雖然其彈性模量很高,卻顯示出非常優(yōu)良的振動吸收特性。

    流動方向上線性熱膨脹率變化非常小, 比一般塑料的值低一個數(shù)量級, 與金屬材料的值相當(dāng)。這是其優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性的體現(xiàn)之一。

    出色的溶融流動性,在熔融成型時,液晶分子鏈在流動方向上取向排列,液晶基元在取向中可以相互穿越,因此流動性極佳,易于進行精度較高的程成型。

    厚度較薄, 其表面取向?qū)铀嫉谋壤驮酱?/font>,因此, 其壁厚越薄,相對強度和彈性模量就越大。

液晶聚合物應(yīng)用

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                           LCP制成的復(fù)雜電路加工件

 

 

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