polimery ciekłokrystaliczne

Polimery ciekłokrystaliczne (Liquid Crystal Polymers, LCP) to grupa wysokosprawnych tworzyw termoplastycznych, których makrocząsteczki wykazują uporządkowanie charakterystyczne dla faz ciekłokrystalicznych. Wśród tworzyw sztucznych zajmują szczególne miejsce, ponieważ także po stopieniu ich cząsteczki zachowują uporządkowaną, pręcikową strukturę krystalitów. Podczas przepływu stopu makrocząsteczki orientują się w kierunku płynięcia, co silnie wpływa zarówno na właściwości materiału, jak i na sposób jego przetwarzania.

Charakterystyka

LCP należą do tworzyw konstrukcyjnych o bardzo wysokiej płynności stopu, małym skurczu przetwórczym i dobrej stabilności wymiarowej. Wysoka orientacja cząsteczek sprzyja uzyskiwaniu dużej sztywności i wytrzymałości, zwłaszcza w cienkościennych elementach. Właściwości wypraski mogą być jednak anizotropowe, czyli zależne od kierunku przepływu tworzywa w formie.

Do typowych cech polimerów ciekłokrystalicznych należą:

• bardzo dobra płynność, umożliwiająca wypełnianie cienkich i skomplikowanych gniazd formujących,
• wysoka sztywność i wytrzymałość mechaniczna,
• bardzo mała absorpcja wody,
• niski skurcz i dobra stabilność wymiarowa,
• niski współczynnik rozszerzalności cieplnej,
• wysoka odporność cieplna, w wybranych zastosowaniach pozwalająca na pracę w temperaturach zbliżonych do 300°C,
• dobre właściwości elektroizolacyjne,
• odporność chemiczna i odporność na utlenianie,
• samoistna trudnopalność, często spełniająca wymagania UL 94 V-0.

Rodzaje i modyfikacje

Handlowe gatunki LCP są często wzmacniane włóknem szklanym, włóknem węglowym lub wypełniaczami mineralnymi. Dostępne są także odmiany niewzmocnione, typy o bardzo wysokiej płynności, materiały o ograniczonym paczeniu, gatunki ślizgowe, przewodzące oraz wersje przeznaczone do zastosowań medycznych lub elektronicznych.

Przykładami nazw handlowych polimerów ciekłokrystalicznych są m.in. Vectra i Zenite firmy Celanese, Sumikasuper firmy Sumitomo Chemical oraz Xydar firmy Solvay Advanced Polymers.

Przetwórstwo

Polimery ciekłokrystaliczne mogą być przetwarzane typowymi metodami stosowanymi dla termoplastów, przede wszystkim przez formowanie wtryskowe. W wybranych przypadkach stosuje się także wytłaczanie, współwytłaczanie lub formowanie z rozdmuchem.

Wtryskiwanie LCP różni się od przetwórstwa wielu innych tworzyw. Stop ma małą lepkość i bardzo dobrze płynie, a jego płynność zwiększa się wraz ze wzrostem prędkości ścinania. Duża prędkość wtrysku i intensywne ścinanie mogą poprawiać właściwości mechaniczne, ponieważ sprzyjają orientacji cząsteczek. Jednocześnie bardzo mała entalpia stopu powoduje, że przy przestoju materiał szybko krystalizuje.

Przy projektowaniu procesu i formy należy uwzględnić m.in.:

• konieczność szybkiego napełniania gniazda,
• bardzo dobre odpowietrzanie formy,
• krótkie czasy docisku,
• jednorodne termostatowanie powierzchni gniazd,
• dobór położenia przewężek do kierunku orientacji cząsteczek,
• możliwą ścieralność układu uplastyczniającego przy gatunkach wzmacnianych włóknem szklanym lub wypełniaczami mineralnymi.

Granulaty LCP wymagają zwykle suszenia przed przetwórstwem do bardzo niskiej zawartości wilgoci. Parametry suszenia, temperatury cylindra i formy oraz dopuszczalny udział regranulatu powinny być dobierane na podstawie karty technicznej konkretnego gatunku.

Zastosowania

Polimery ciekłokrystaliczne są szczególnie przydatne do produkcji małych, precyzyjnych, cienkościennych i silnie użebrowanych elementów. Ich wysoka płynność umożliwia wykonywanie detali o długich drogach przepływu i niewielkiej grubości ścianek, a stabilność wymiarowa i odporność cieplna pozwalają stosować je w wymagających warunkach.

Typowe obszary zastosowań LCP obejmują:

• elektronikę i elektrotechnikę: złącza, gniazda, cewki, przełączniki, przekaźniki, czujniki, elementy anten i podzespoły telekomunikacyjne,
• motoryzację: czujniki, złącza elektryczne, elementy oświetlenia i części pracujące w podwyższonej temperaturze,
• technikę medyczną: miniaturowe cienkościenne komponenty urządzeń i instrumentów,
• urządzenia przemysłowe oraz inne aplikacje, w których wymagane jest zastępowanie metali lub tworzyw termoutwardzalnych lekkim materiałem termoplastycznym.