LCP-液晶高分子的物理化学性能及成型加工.docx

LCP-液晶高分子的物理化学性能及成型加工LCP-液晶高分子的物理化学性能及成型加工LCP-液晶高分子的物理化学性能物理性能 PropertiesLCP比重Specific Gravity1.38 1.88熔体质量流动速率MFR(g/10 min)14弯曲模量Flexural Modulus (psi)1.26E+6 2.88E+6拉伸强度Tensile Strength (psi)7660 26800断裂伸长率Tensile Elongation (%)0.40 3.5洛氏硬度Rockwell Hardness53 105缺口冲击强度Notched Izod Impact (ftlb/in)0.393 1.55热变形温度 0DTUL at 66 psi (0.45 MPa) (F)527 572热变形温度 DTUL at 264 psi (1.8 MPa) (F)368 564线性热膨胀系数CLTE, Flow (in/in/F)2.1E-6 5.8E-6LCP-液晶高分子的成型加工LCP 的成型温度高，因其品种不同，熔融温度在300425范围内。LCP熔体粘度低，流动性好，与烯烃塑料近似。LCP具有极小的线膨胀系数，尺寸稳定性好。成型加工条件参考为： 成型温度：300390； 模具温度：100260； 成型压力：7100MPa； 压缩比：2.54； 成型收缩率： 0.10.6%。 LCP加工成型可通过熔纺、注射、挤出、模压、涂复等工艺。虽然加工方法各异，但有一共同点是均利用在液晶态时分子链高度取向下进行成型再冷却固定取向态，从而获得高机械性能，所以除分子结构和组成因素外，材料性能与受热和机械加工的历程史、加工设备及工艺过程密切相关。1.加工设备：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，故设备选型时因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，以利于提高材料的力学性能。2.加工温度：温度影响聚合物的粘度，从而影响到流动的均匀性。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100150。3.压力：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5070%较适宜。TLCP的加工成型条件EkonolXydarVectraRodrun预干燥条件120150，3h150，38h140160，38h120，4h成型温度（）370400360400290300240330注射压力（MPa）127961434模具温度（）1001602402807011055120LCP-液晶高分子成型工艺设计1. 料筒温度通常料筒温度、喷嘴温度、材料熔融温度如表所示。各品级成型时的料筒温度（）ABCEi后 部250-290250-290280-340300-360中 部270-290270-290300-340310-350前 部290-310290-310320-340330-350喷 嘴290-310290-310320-340330-350树脂温度290-320290-320320-350340-360如考虑到螺杆的使用寿命，可以缩小后部、中部、前部的温差。为了防止喷嘴流涎，喷嘴温度可以比表中所示的温度低10，如果要提高流动性的话，所设温度可以比表中所示的温度高出20，但是必须注意下列情况。降低料筒温度时：滞留时间过长，不会引起粒料在料筒中老化，也不会产生腐蚀性气体，所以滞留时间长一般不会产生什么大的问题。但是，如果长时间中断成型的话，请降低料筒温度，再次成型时，以扔掉几模为好。2. 模具温度LCP 可成型的模具温度在30-150之间。但是我们一般将模具温度设定在70-110左右。为了缩短成型周期、防止飞边及变形，应选择低的模具温度；如果要求制品尺寸稳定（特别是用于高温条件下的制品），减少熔接缝的产生及解决充填不足等问题时，则应选择高的模具温度。3. 可塑化螺杆的转速一般为100rpm。如果是含玻纤或者含碳玻纤的材料，为了防止玻纤被折断，我们必须选择比较低的转速。此外，背压也尽可能低一点。料筒温度设定为300时，材料在料筒内滞留时间对机械性能、颜色的影响如图1至-图3所示。无充填级A950在料筒内滞留15分钟，其机械性能略有降低。而A130在料筒内滞留60分钟，其机械性能基本保持不变。4. 注射压力和注射速度最合适的注射压力必须取决于材料、制品形状、模具设计（特别是直浇口、流道、浇口）及其他的成型条件。但是LCP无任何品级其熔融粘度都是非常低的，所以注射压力比一般的热可塑性树脂要低。成型刚开始时采用低压，然后慢慢地增加压力，这是一种比较好的方法。大抵的成型品在15MPa-45MPa的注射压力下即可成型。另外，LCP的固化时间比较快，所以注射速度快则易得到好的结果。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。正如上面所说的那样LCP具有良好的流动性，所以它的填充时间比较短，且固化速度也比较快，所以我们可以得到较短的成型周期。代表性的成型周期为10秒-30秒。LCP-液晶高分子模具设计由于LCP具有各向异性，所以在模具设计时不但要遵守一般的设计原则，而且还必须考虑到LCP的各向异性。成型品的物性受LCP本身及充填材取向的支配，这种取向是由材料在流动时的剪切应力所决定的。所以，我们在模具设计时必须将模芯内材料的流动状态同最终成型器所要求的性能相对应起来考虑，通常厚度越薄取向性越显著。为了满足成型品性能的要求，零件设计者和模具设计者必须精诚合作。在熔接缝部分不一定能发挥出LCP自身的强度。所以在模具设计时尽可能避免有熔接缝产生。1. 模具用材料LCP不会腐蚀模具，凡标准的金属材料都可以使用。但是充填级材料易引起模具磨损，所以我们对模具用金属材料用金属材料要进行适当的选择，必要时要对模具进行淬火。各模具对A130的耐磨损性模 具 材 料模具表面状态1000次后2000次后3000次后HPM31(SKD11)无变化无变化无变化STAVAX无变化无变化无变化2. 流 道流道加工的易难须序为半圆、台形和圆形。但是从端面积和压力损失上来考虑，流道的顺序应为圆形、台形、半圆。我们一般建议采用圆形或者台形的流道直径因流道的长度、制品尺寸等不同而不同。不能一概而论。一般流道的直径为2-5mm，流道长度要尽可能短一些。如果是一模多个的模具，为了减少模芯间的误差，希望从各流道到模芯之间的长度是均等。从材质上来说LCP不但具有良好的脱模性，而且LCP也具有很好的流动性。如果在模具表面有划痕的话，有可能会影响制品的脱模性。同样我们也不可疏忽对直浇口和流道进行研磨。在直浇口、流道的末端必须设有树脂停留端，防止冷料流入制品中。3. 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，所以必须考虑浇口的位置，如果要想充分发挥LCP所具有的优异特性，原则上必须将浇口设置在流动方向上。如果制品形状复杂，充填方向很混乱的话，则不需要考虑浇口位置对其产生的影响。浇口的形式一般为侧浇口，针点式浇口，潜伏式浇口。4. 排气槽LCP 在成型时基本不会有气体产生，但是为了排出模腔内的气体，使充填过程能顺利进行，有必要设置排气槽。排气槽的深度以1/1002/100mm左右最为合适。由于这种深度的排气槽对由空气回路形成的断面积有限制作用，排气槽不仅是气体容易停留的场所，所以我们必须尽可能在较广的范围内设置排气槽。5. 流动性与原来的各种超级工程塑料、通用工程塑料及通用塑料的流动性相比，LCP的条式流动长度相当长，这也是LCP的特性之一。象0.3mm这样薄的制品它的条式流动长度竟然可以达到50mm以上，所以LCP非常适用于薄壁制品，作为零件设计，模具设计的参考资料请随时利用。LCP-液晶高分子聚合物成型技术探讨广西轻工业2007年第4期（总第101期） 张瑞华（陕西长岭电子科技有限责任公司塑料分厂，陕西宝鸡，721006 ）摘 要：介绍液晶聚合物（LCP）的工艺特性，指出注射模结构的要点，阐述成型中料筒温度、模具温度、注射压力、注射速度和时间等工艺参数确定的原则。并结合生产产品，介绍LCP材料注射成型工艺、成型加工要点和注意事项。液晶聚合物（LCP）是20世纪80年代出现的新型聚合物，具有独特的分子结构和热行为。它的分子由刚性棒状分子链组成，在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，分子排列介于液体和晶体之间。LCP具有高强度、高模量和自增强性能，有杰出的耐高温和冷热交变性能，优异的阻燃性、耐腐蚀性、耐磨性、电性能、阻隔性和成型加工性能，线障系数和摩擦系数小，尺寸稳定性高，抗辐射，耐微波，综合性能十分优异，被誉为超级工程材料。但因原材料价格昂贵，合成困难使其推广应用受到了一定的限制。但近几年，关于液晶聚合物的应用研究越来越引起人们的重视。本文以HX系列液晶聚合物为例对其注射成型工艺进行了研究。一、 LCP的工艺特性1 优良的方向性LCP在加工过程中，大多数刚性棒状大分子链沿流动方形排列，因此顺流动方向的强度和模量很大，可达一般工程塑料加入30玻纤的水平，垂直于注射方向的强度仅为流动方向的1/3，成型收缩率和线胀系数约为流动方向的23倍（见表1），所以，可利用此性能进行原位复合或者增强。表1： LCP制品的方向特性、项 目平行注射方向垂直注射方向拉伸强度/Mpa断裂伸长率/%弯曲强度/Mpa弯曲弹性模量/Mpa缺口冲击强度/KJ.m-2成型收缩率/%108.581111200035030103416003.50.32 溶体粘度低，流动性好LCP虽为方向结构但熔体粘度不高，仅为一般聚合物的几分之一，但是LCP保持了优良的性能，又降低了成型温度，流动性好，易于成型，用较低的成型压力就可成型薄壁制件和形状复杂的制件，且越是薄壁制件其强度越高，这是由于分子高度定向所致。3 固化快、周期短、不易产生飞边LCP流动性较大，固化速度快，因此成型周期短，生产效率高，且很少出现溢边现象。4 成型收缩率和线胀系数很小LCP受热熔融后形成一种兼有固体和液体部分性质的液晶体，其分子链僵直，相互间填塞更紧密，不同基团之间联结更强，从而严重的限制了分子链在注射方向排列。在成型过程中仅发生部分相变而无结晶引起的体积收缩，因此收缩率小，线胀系数很低，接近金属，是一种良好的低线胀系数和低收缩率材料，见表2。表2：LCP与几种材料的线胀系数对比材 料线胀系数/10-5KLCP30GF增强LCPPPS-R-4PBT301-G30铝软钢黄铜-0.1-0.50.60.82.22.52.62.02.85 熔融强度低LCP熔接强度低，这种缺陷在LCP模具结构中应加以注意，将熔接痕设在强度要求不高的部位。6 原材料应该严格干燥在成型条件下微量水分就会使LCP降解，故成型前应将材料严格干燥，使水分降低到0.03以下方可使用。二、模具结构和成型设备1 模具结构、 LCP流动性优良，适用注射成型，但是模具结构应该根据材料的工艺特性开设。LCP具有各向异性和熔接强度低的特性，在设计时应考虑在模腔中的流动方向与成型零件的特性要求的关系，以确保零件的强度。同时考虑熔接强度不足，在模具结构中应尽量避免熔接痕。 浇口系统考虑到压力损失，浇道的形状优先采用圆形和梯形浇道。浇道直径为25，长度应尽可能短，在多位模中型腔距离应相等。主浇道和分浇道应将零件强度要求高的尺寸放在平行流动方向上，要求不高的放在垂直流动方向上。 排气槽LCP在成型时会产生微量气体，设计排气槽不仅可随时排除成型时产生的气体，而且也有利于型腔内空气的排除，有利于成型。排气槽应设在气体汇集处。 成型收缩率LCP成型收缩率很小，且平行流动方向的收缩率小于垂直流动方向的收缩率。在设计型腔尺寸时，流动方向不能确定时，采用垂直与平行收缩率的平均值。 2 注射机LCP最高成型温度在350左右，一般螺杆式注射机均可使用。注射量是注射机注射容量的5070。可选用普通开放式喷嘴，压力损失小，可靠性好。喷嘴的加热应能单独控制，若出现料流可适当降低温度。LCP流动性好，固化快，可选用具有高塑化能力的注射机，实行高速成型。三、工艺参数的选定我们选用了HX1100、HX1330、HX6130、HX7130四种液晶材料在立式与卧式两种型号的注塑机上分别进行了注射加工。1 加工设备以SYS25克立式注塞式注射机成型各种小样件，以TTI260F卧式注射机成型大型零件。2 成型零件较大，在工装上采用了加热棒，使模具能够精密控制在100130，小制件采用电热板传热方式。3 工艺参数的控制热致性液晶聚合物在熔融态进行注射成型时，刚性伸直链液晶微区受到剪切力作用时，发生了沿剪切力方向的宏观取向，由于其刚性链松弛时间大于冷却时间，使定向部分就地成纤，在固态材料中起到了增强作用。总之，刚性分子链熔融态因受应力作用发生的取向和流变行为，决定了制件成型后的性能，所以说制件的性能（尤其是力学性能）是与成型中的工艺参数成函数关系的。3.1 温度其中包含料筒温度、喷嘴温度和模具温度参数。无论是立式SYS25柱塞注射机，还是TTI350F卧式注射机，其料筒温度都应控制在310350之间。不过对于柱塞式机床而言，相应的温度应高于螺杆式注射机。由于液晶聚合物一旦达到粘流温度便表现出很好的流动性，若用直通式喷嘴的话，流延情况较为严重。所以喷嘴温度比料筒温度低10左右。适宜的模温对保证制件的质量是必要的；既能保证冲模性，又能得到较高的表面质量。料温和模温越高，表面光洁度越高；料温过低时，材料的强度和伸长率急剧下降，但模具温度较高时，若保压时间和冷却时间不够，制件表面易起泡。在成型图2所示的较大制件时，情况就和成型小制件有所不同。首先是温度偏低时大制件表面易出现显著的“焊缝”（一种细微的料流熔接痕，为LCP所独有），对以玻纤增强的LCP制件表现的尤, 为明显（制件表面表现出显明的沿流动方向的纹路）；其次温度对大制件表面质量影响比小制件来的大。为了获得较好表面质量，模具温度适宜控制在100130之, 间。图1的小制件模温控制在110130。3.2 压力由于LCP在合适的温度下具有良好的流动性，使得LCP在较低的注射压力、较短的时间即可冲模成型。由于成型小制件的工装采用直浇口，所以可以在较低的注射压力下成型。但以玻纤增强的材料应采用较大的注射压力：如HX1330是以滑石粉为填充剂的，应力稍低些，这可能是由于短纤在其熔体中与分子刚性链侧面（液晶取向单元）发生了“纠缠”所导致。在成型大型制件时，若压力不够大则制件表面粗糙、手感发麻，制件表面的焊缝愈明显，制件的致密性也较差。盒体因注射压力的不同造成最大重量差达25克，当然其力学性能也同样比较差，这在通用工程塑料中是不多见的。HX系列的注射压力易控制在50MPa100 Mpa（比其它含刚性链大分子的塑料低一些），对大型制件易采用较大的注射压力和保压压力。3.3 时间从几种不同牌号的LCP成型来看，该材料熔体冷却速度比其它工程材料速度快，因而可以采用较短的模塑周期来成型。当然注射时间、保压时间和冷却时间对制件质量影响与其它工程塑料是相同的。3.4 工装针对工装我们结合实际只讨论浇注系统和模具加热装置。在成型盖制件时，曾采用点式浇口，但因为不易注满制件，且表面质量差。后来工装改为直浇道，情况大为改善，无论表面质量还是力学性能都得到了很大的提高（浇口尺寸在一定范围内越大，制件的表面光洁度越高）。因此得出这样一个结论：对于以玻纤增强的LCP大制件不宜采用点浇口，对大型制件应采用直浇口成型，浇口用机械加工方法去除；浇口结构对LCP制件表面质量和力学性能影响很大