1、高分子液晶（LCPLCP）王桂林LCP概念 LCP,中文名称叫液晶聚合物。LCP是介于固体结晶和液体之间的中间状态聚合物，其分子排列虽然不像固体晶态那样三维有序，但也不是液体那样无序，而是具有一定（一维或二维）的有序性。它是一种新型的高分子材料，在熔融态时一般呈现液晶性。这类材料具有优异的耐热性能和成型加工性能.LCp 高分子化学注重对高聚物合成以及性质的研究，而高分子物理则重点研究高聚物的结构与性能，二者相辅相成，近年来研究较多的高分子液晶材料就是两者结合的典范.从高分子液晶诞生到现在只有50多年的历史，是一门很年轻的学科。作为液晶自增强塑料、高性能纤维、板材、薄膜及光导纤维包覆层，被广泛应
2、用于电子电器、航天航空、国防军工、光通讯等高新技术领域以及汽车、机械、化工等国民经济各工业部门。但目前对它的研究仍处于较低的水平，理论研究较狭隘，液晶高分子尚存在制品的机械性能各向异性、接缝强度低、价格相对较高等缺点，这些都有待于进一步的改进，所以高分子液晶仍是高分子科学研究的一个热点。高分子液晶材料的发现与发展 1)1937年Bawden和Pirie1在研究烟草花叶病病毒时，发现其悬浮液具有液晶的特性。这是人们第一次发现生物高分子的液晶特性.2)1950年，Elliott与Ambrose第一次合成了高分子液晶，溶致型液晶的研究工作至此展开。3)50年代到70年代，美国Duponnt公司投入大
3、量人力才力进行高分子液晶方面的研究，并于1959年推出芳香酰胺液晶，但分子量较低，1963年，用低温溶液缩聚法合成全芳香聚酰胺，并制成阻燃纤维Nomex，1972年研制出强度优于玻璃纤维的超高强.高模量的Kevlar纤维，并付注实用，以后，高分子液晶的研究则从溶致型转向为热致型。在这一方面Jackson等作出了较大贡献，他们合成了对苯二甲酸已二醇酯与对羟基苯甲酸的共聚物，可注塑成型，这是一种模量极高的自增强液晶材料。LCPLCP分类天然高分子液晶：自然界存在的液晶高分子。天然液晶高分子主要有纤维素衍生物，多肽及蛋白质，脱氧核糖核酸和核糖核酸等生物大分子。合成高分子液晶：它们是液晶高分子的研究重
4、点，已商品化的合成液晶高分子主要有芳香族聚酰胺(如Kevlar)、热致液晶共聚酯(如Xydar、VectraA等)、热致液晶聚酯酰胺(如VectraB等)。LCP的特性 1）LCP具有自增强性：具有异常规整的纤维状结构特点，因而不增强的液晶塑料即可达到甚至超过普通工程塑料用百分之几十玻璃纤维增强后的机械强度及其模量的水平。如果用玻璃纤维、碳纤维等增强，更远远超过其他工程塑料。2）液晶聚合物还具有优良的热稳定性、耐热性及耐化学药品性，对大多数塑料存在的蠕变特点，液晶材料可以忽略不计，而且耐磨、减磨性均优异。3）LCP的耐气候性、耐辐射性良好，具有优异的阻燃性，能熄灭火焰而不再继续进行燃烧。其燃烧
5、等级达到UL94V-0级水平。4）LCP具有优良的电绝缘性能。其介电强度比一般工程塑料高，耐电弧性良好。在连续使用温度200-300，其电性能不受影响。间断使用温度可达316左右。5）LCP具有突出的耐腐蚀性能，LCP制品在浓度为90%酸及浓度为50%碱存在下不会受到侵蚀，对于工业溶剂、燃料油、洗涤剂及热水，接触后不会被溶解，也不会引起应力开裂。6）卓越的热老化性能，在高温下保持固有特性。卓越的流动性-薄壁，复杂的形状。尺寸稳定性极佳，模塑收缩率低，热膨胀系数极小，可与金属相媲美。在成型时，分子链朝着流动的方向排列，产生一种好似其分子自身将其增强的自增强效果可获得极高的强度和弹性模量。LCP液
6、晶高分子聚合物的成型加工：1）具温度100260；成型压力7100MPa，压缩比2.54，成型收缩率0.10.6%。2）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。3）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
7、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。4）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。5）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
8、，尺寸稳定性好。成型加工条件参考为：成型温度300390；模注射体积有关，一般注射容量为料筒容积的5070%较适宜。LCP的应用 液晶高分子材料在电子电气行业中需求量最大且发展迅速，2019年可达3600 吨，平均年增长23.1%；其次是通讯业，需求量约1540 吨，增长21.1%；工业界及运输业总需求量不到1700 吨，平均年增长率约为I1%。主要用于接插件、开关、继电器、模塑印刷电路板、光缆结构件、复合材料、机械手、泵/阀门组件、功能件等，极大地推动了液晶高分子技术及其它高新技术的发展。LCP的应用 1）电子电气是LCP的主要市场：电子电气的表面装配焊接技术对材料的尺寸稳定性和耐热性有很高
9、的要求（能经受表面装配技术中使用的气相焊接和红外焊接）；2）LCP：印刷电路板、人造卫星电子部件、喷气发动机零件、汽车机械零件、医疗方面。3）LCP加入高填充剂或合金（PSF/PBT/PA）。作为集成电路封装材料、代替环氧树脂作线圈骨架的封装材料。4）作光纤电缆接头护套和高强度元件。5）代替陶瓷作化工用分离塔中的填充材料。代替玻璃纤维增强的聚砜等塑料（宇航器外部的面板、汽车外装的制动系统）。6）LCP已经用于微波炉容器，可以耐高低温。LCP还可以做印刷电路板、人造卫星电子部件、喷气发动机零件：用于电子电气和汽车机械零件或部件；还可以用于医疗方面。LCP产业国内外发展现状国外：在工业上进入90年
10、代，液晶高分子以前所未有的惊人速度发展，美、日、欧洲等国家和地区竞相致力于液晶高分子的开发与工业生产，新的品种和应用领域不断扩大。国内：我国的液晶高分子 研究始于七十年代初，至今在理论研究方面已取得显著成绩，某些方面的成就具有世界先进水平。如“刚性链侧链型液晶高分子”概念的提出及其证实；有关侧链型液晶高分子的WangW2arner 理论的提出；然而在液晶高分子 的工业化进程上，由于种种原因国内水平与美、日、德等发达国家相比差距甚大。到九十年代中期国内还没有一套液晶高分子的工业化装置，只有一些小试设备。此外，我国液晶高分子研究开发队伍分散，故到目前为止很少有满意的中试结果。液晶材料行业发展现状
11、目前韩国、日本和中国台湾是TFT-LCD技术较先进、产业体系较发达的国家和地区，代表LCD厂商有韩国三星、LGD，日本夏普，台湾友达、奇美等。液晶材料方面，目前日本TFT-LCD配套材料产业链最为完整，拥有液晶材料领先厂商CHISSO和DIC。德国液晶MERCK依靠其强大化工技术基础和先进的研发创新能力，在德国没有强大面板厂商情况下，在高档TFT液晶材料市场上处于绝对领先地位。在本土下游厂商带动下，韩国和中国台湾正在加大对液晶材料的投入，努力突破德国、日本企业的垄断，液晶材料厂商如台湾大立高分子、韩国东进等目前具备一定的液晶材料生产能力。液晶材料行业特点 液晶材料行业技术水平较高，液晶材料生产
12、需经过液晶单体合成、提纯、混配三个过程，液晶材料对热稳定性、化学稳定性、光电稳定性、电压保持率、电阻率等指标要求严格，液晶材料生产中设备的选择、化学反应和生产流程的确定、提纯和检测技术的掌握以及新产品的持续研发难度较大。行业内企业需要长期的研究和经验的积累，才能达到下游液晶面板厂商的需求标准。因此，液晶材料行业的进入壁垒较高，行业具有一定的垄断特征。同时，高技术水平与垄断的存在，使液晶材料行业得以长期保持高于下游的利润水平。在经营模式方面，液晶材料的研发、生产和销售普遍采用定制模式。行业下游发展迅速，产品种类不断丰富，科技含量不断提高，从而对液晶材料的要求不断发展；液晶材料为液晶面板的核心材料
13、之一，液晶材料的稳定性与性能对液晶面板的显示质量有直接影响，液晶面板厂商对液晶材料的采购有严格的要求。因此，在液晶显示产业链中，通常液晶面板厂商根据生产需要，向液晶材料厂商定制液晶材料产品，液晶材料厂商按照定制标准进行研发、生产，并向面板厂商销售产品。LCP主要生产公司 Du Pont、Eastman、Solvay、Ticona、三菱工程塑料公司、住友、宝理塑料(为Ticona和日本大赛珞化学公司的合资公司)、东丽,此外还有上野精细化工公司和Unitika公司等。液晶高分子趋势与展望 作为功能材料,研究并开发液晶高分子材料特别是共聚酯类自增强材料；发展高强度和耐高温液晶高分子纤维；研究和开发原
14、位复合材料；开发基础和应用基础研究；加强单体等原料的开发及加工成型技术和设备的研究。这些前沿领域是我国发展液晶高分子科学和技术的中近期战略目标。但是LCP的高价格限制了它的普及。随着人们对一些低价格材料、低价格高分子材料与LCP合金的研究,LCP 材料会代替目前使用的部分金属、非金属材料。低价位聚合物与LCP 的合金可大大降低材料价格,而对液晶性能的损失较小。此外,大多数生物体组织,如脑、神经、肌肉、血液等和生命现象关系密切的主要组织是由溶致型大分子液晶构成的。而且生物体活动的基本单元蛋白质、核酸都已证实可形成胆甾型液晶。不久,随着科学技术的发展,人们将逐渐掌握蛋白质、核酸、酶和类脂化合物的合成,并了解生物体活动中使这些大分子发生结构相变的环境,即形成液晶的环境,从而合成或“加工”出各种生物体组织,进而能够得到各种人造器官、人造血液,为人类服务。人们还可以细胞为蓝本,设计并制造出具有自检测、自判断、自结论和自指令的新型“智能”材料,服务于人类生命。
