液晶高分子(LCP)材料是近年來研究較多的一種功能高分子，它是兼有液體和晶體兩種性質(zhì)的一種中間過渡態(tài)聚合物。電子電氣的表面裝配焊接技術(shù)對材料的尺寸穩(wěn)定性和耐熱性有很高的要求（能經(jīng)受表面裝配技術(shù)中使用的氣相焊接和紅外焊接），成為LCP的主要應(yīng)用領(lǐng)域，另外還有柔性印刷電路板、人造衛(wèi)星電子部件、噴氣發(fā)動機(jī)零件、汽車機(jī)械零件、醫(yī)療等領(lǐng)域都用到了LCP材料。

圖片來源：泰沃科

那么LCP的具體物理性能特點(diǎn)如何？在實(shí)際模具設(shè)計(jì)、注塑加工中又有那些需要注意的工藝條件呢？

• LCP的分子結(jié)構(gòu)和功能特性

  
  

LCP的基本結(jié)構(gòu)是一種全芳族聚酯，它的主要單體是對-羥基苯甲酸(p-HBA)，其分子結(jié)構(gòu)如圖所示。

p-HBA的分子結(jié)構(gòu)

實(shí)踐證明，由p-HBA單體聚合得到的LCP材料不能熔化，因此也不能被加工。但是，如果將該單體與其他不同的單體進(jìn)行共聚，從而在熔態(tài)和液晶態(tài)中找到一種平衡，這種LCP材料就可以被加工，而且還具有良好的加工性能，可以進(jìn)行注塑、擠出、拉伸、成膜等。

p-HBA和不同單體的共聚產(chǎn)物分為主鏈型和側(cè)鏈型兩種，而從應(yīng)用的角度又可分為熱致型和溶致型兩大類。但這兩種分類方法是相互交叉的，即主鏈型LCP包括熱致型和溶致型兩種，而熱致型LCP同樣存在主鏈型和側(cè)鏈型。這種p-HBA與不同單體的聚合，也給LCP新材料的不斷開發(fā)提供了無限發(fā)展空間。

在LCP成型時，由于熔融狀態(tài)下分子間的纏結(jié)很少，所以只需很輕微的剪切應(yīng)力就可以使其沿流動方向取向，從而產(chǎn)生自增強(qiáng)效果。特別是在流動方向上，LCP材料的線性膨脹系數(shù)與金屬相當(dāng)。另外LCP材料厚度越薄，其表面取向?qū)铀嫉谋壤驮酱笄以浇咏肀?，材料就越能獲得高強(qiáng)度和高模量，同時材料還具有優(yōu)異的振動吸收特性。

1 物理性質(zhì)

LCP的吸濕性非常小，在23℃和相對濕度50%的條件下，其吸水率為0.03%左右。所以成型前原料最好在140~160℃的溫度下干燥4h以上(最長可達(dá)24h)。下圖為LCP材料的干燥曲線(140℃)和吸濕曲線(40℃/相對濕度80%)。

       LCP材料的干燥、吸濕曲線

盡管LCP材料的熔點(diǎn)相對比較低，但由于其所具有的特殊結(jié)晶結(jié)構(gòu)，材料仍然具有良好的熱穩(wěn)定性。LCP材料的熱變形溫度為160~340℃，連續(xù)使用溫度220~240℃，耐焊錫溫度為260~310℃(焊接時間10s)。

2 熔體流動性

LCP的流動性測試可采用棒式流動性測試法，該方法與阿基米德螺線測定法相似。圖3為幾種不同等級的LCP(牌號分別為S475、E473i、T130、S135和A130，其中，英文字母T代表超高耐熱和高熔點(diǎn)，S代表超高耐熱和高剛性，E代表高耐熱和高流動性，A代表標(biāo)準(zhǔn)型，英文后數(shù)字1代表的是該系列的玻璃纖維標(biāo)準(zhǔn)型，而4代表的則是低翹曲性)，在模具型腔厚度(t)分別為0.2和0.3mm時的流動長度-注射速度關(guān)系曲線。測試條件：機(jī)筒溫度300~380℃，模具溫度80℃。

       幾種不同等級LCP的流動長度

可以看出，與通用工程塑料相比，LCP的棒流動長度相當(dāng)長，即使當(dāng)t為0.2mm時，也可輕松獲得30mm以上的流動長度，而在t為0.3mm時，流動長度甚至可以達(dá)到50mm以上，所以LCP材料非 常適用于生產(chǎn)薄壁制品。

3 成型收縮率

下表為相同測試條件下(樣品尺寸80mm×80 mm×1 mm，澆口尺寸2mm×2 mm×1 mm，注射壓力60 MPa，150℃退火2h)得到的不同等級LCP材料的成型收縮率?？梢钥闯?，LCP材料總體上收縮率都很小，但同樣遵循高分子材料收縮的規(guī)則，即：在流動方向上收縮率小，在垂直方向上收縮率大。

表2 不同等級LCP的成型收縮率        

另外，退火溫度對LCP制品的收縮率亦有所影響。對LCP樣品進(jìn)行退火處理時，處理溫度高反而會導(dǎo)致收縮率增大；但對于不同退火溫度的樣品，當(dāng)退火時間超過2h后，樣品的后收縮均達(dá)到飽和狀態(tài)。因此如對LCP制品有特殊要求，一定要合理設(shè)定工藝條件。

• LCP制品模具設(shè)計(jì)

由于LCP為各向異性，故LCP制品的物性受其自身及填充材料取向的支配，而這種取向是由材料熔體在流動時受到的剪切應(yīng)力所決定的。因此在模具設(shè)計(jì)時，必須將型腔內(nèi)材料的流動狀態(tài)，結(jié)合制品所要求的具體性能進(jìn)行綜合考慮。一般情況下，LCP制品的厚度越薄，其取向性就越顯著；而LCP制品的接縫部分對其強(qiáng)度有很大影響，所以在模具設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡可能避免產(chǎn)生熔接縫。

1 流道

流道按加工難易程度依次分為半圓形、梯形和圓形，而從截面積和壓力損失的角度由好到壞則依次為圓形、梯形和半圓形，因此建議使用圓形或梯形流道。

對于LCP模具的流道直徑設(shè)計(jì)，須考慮流道長度、塑件尺寸及經(jīng)濟(jì)性等多個因素，但通?？蓪⒘鞯乐睆皆O(shè)計(jì)為2~5mm。另外，流道長度原則上應(yīng)盡量縮短，其中對于多型腔模具，為了減少模腔間的差異，最好使到各個模腔的距離保持相等。

如果主流道尺寸遠(yuǎn)大于注射機(jī)的噴嘴孔徑，主流道內(nèi)就容易出現(xiàn)噴射痕，還可能卷入空氣，從而使制品產(chǎn)生氣泡。因此最好把主流道的最小直徑，設(shè)計(jì)成比噴嘴孔徑大0.5mm左右，并將斜度設(shè)為0.5~1°。

       熱流道

LCP不但具有良好的脫模性，而且也具有很好的流動性。如果在模具表面出現(xiàn)劃痕，就會影響制品的脫模性。因此須對直接澆口和流道進(jìn)行研磨拋光，并且在直接澆口和流道的末端設(shè)置冷料穴結(jié)構(gòu)。

2 澆口

在LCP的模具設(shè)計(jì)中，澆口設(shè)計(jì)尤為重要。由于LCP具有各向異性，因此必須在考慮填充方式的基礎(chǔ)上來確定澆口形式和澆口位置。另外為充分發(fā)揮LCP所具有的優(yōu)異特性，原則上須將澆口設(shè)置在熔體流動方向上。

       側(cè)澆口

如果制品形狀復(fù)雜，那么在熔體流動方向上就容易產(chǎn)生亂流。這時可以忽略澆口位置對LCP分子排列產(chǎn)生的影響，只能采取調(diào)整速度和壓力的方法來補(bǔ)救。LCP模具設(shè)計(jì)中，一般可采用側(cè)澆口、 點(diǎn)澆口和潛伏式澆口的澆口形式。

3 排氣槽

LCP在成型時可產(chǎn)生微量氣體。為了更好地填充型腔，有必要設(shè)置排氣槽。排氣槽(長100~200 mm)深度以1~2mm為宜，如果低于這個深度，排氣槽的截面積就會更小，從而達(dá)到氣體流動的下限， 可能會造成排氣不暢。因此凡是在氣體容易滯留 之處都應(yīng)該設(shè)置排氣槽。

• LCP的成型加工工藝

  
  

1 加工溫度

冷料或塑化不充分，都會造成LCP成型制品力學(xué)性能的下降，這時須提高機(jī)筒溫度。雖然LCP熔料在機(jī)筒中滯留時間過長不會引起材料老化或產(chǎn)生腐蝕性氣體，但當(dāng)間隔時間超過30min時，應(yīng)將成型溫度調(diào)低50℃，而當(dāng)再次成型時最好排出一些存料。為了防止噴嘴流涎，噴嘴溫度可比通常設(shè)定溫度低10℃，也可以根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行平直設(shè)定和反向設(shè)定。

LCP成型溫度設(shè)置（℃）

需要注意的是，熔體溫度過高雖然對LCP物性不會產(chǎn)生影響，但可使其分子呈劇烈運(yùn)動狀態(tài)，這將不利于分子取向，實(shí)踐證明，高溫對LCP加工反而不利

2 模具溫度

一般注塑模具溫度設(shè)定原則是，將模溫控制在低于熔體溫度100~150℃為宜。而對于LCP材料，通常將模具溫度設(shè)定在70~110℃的范圍內(nèi)。

       注塑機(jī)模具

為了縮短成型周期、防止飛邊及變形，應(yīng)選擇較低的模具溫度。如果要求制品尺寸穩(wěn)定，特別是用于高溫條件下的制品，為減少熔接痕及解決充填不足等問題時，則應(yīng)提高模具溫度。

3 可塑性

如果原料中含有玻璃纖維或碳纖維，為防止纖維被剪切斷，注塑成型時應(yīng)該選擇比較低的螺桿轉(zhuǎn)速(通常為100r/min)，背壓也盡可能低一點(diǎn)(為防止流涎和纖維折損，宜將背壓設(shè)為0~2 MPa)。當(dāng)原料中沒有添加物時，也可采用高轉(zhuǎn)速，以加快循環(huán)和提高計(jì)量穩(wěn)定性。

       注塑機(jī)

LCP具有固化速度快、脫模性好的特點(diǎn)。為充分發(fā)揮這一優(yōu)勢以縮短成型周期，應(yīng)盡量選用塑化能力強(qiáng)的注射機(jī)；另外，噴嘴直徑須為1~2mm，并且配有完好的止逆閥，噴嘴前端須設(shè)置大功率加熱圈(前端設(shè)有熱電偶)。

4 注射壓力和注射速度

LCP成型時需要一定的注射壓力，但壓力及成型速率不宜過高，否則將導(dǎo)致熔體流動不均、制品出現(xiàn)瑕疵以及增加內(nèi)應(yīng)力。注塑成型中，注射壓力與注射容積有關(guān)，一般注射容積宜設(shè)置為機(jī)筒容積的50%~70%。

最佳注射壓力的設(shè)定取決于材料、制品形狀、模具設(shè)計(jì)(特別是澆口和流道)以及其他一些成型條件。但LCP(所有等級)的熔體黏度都非常低，所以其成型時的注射壓力明顯低于普通熱可塑性樹脂。

當(dāng)LCP成型時，開始須采用低注射壓，然后再慢慢增大壓力。對于一般成型品，在15~45 MPa的注射壓力下即可成型。由于LCP固化較快，所以加快注射速度有利于取得較好的成型效果。

5 成型周期

成型周期取決于成型品的大小、形狀、厚薄、模 具結(jié)構(gòu)及成型條件。由于LCP熔體具有良好的流動性，所以其填充時間比較短，另外由于其固化速 度也比較快，因此可以取得較短的成型周期。代表性的LCP成型周期為10~30s。

LCP不僅具有其他高分子不可比擬的物理性能和力學(xué)性能，而且熱致型LCP還具有良好的加工性。目前，熱致型LCP已成為電子電氣中高精密、 高性能、特殊注塑件的首選材料。LCP制件的模具和塑件設(shè)計(jì)異于其他通用工程塑料制品，而且其性能與成型工藝參數(shù)成函數(shù)關(guān)系，所以壓力、溫度、時間等參數(shù)也應(yīng)相互匹配，這樣才能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

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