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LCP的性能特征及模具设计、加工工艺研究

2022-11-09 来源:艾邦高分子公众号 浏览数:1

液晶高分子(LCP)材料是近年来研究较多的一种功能高分子,它是兼有液体和晶体两种性质的一种中间过渡态聚合物。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),成为LCP的主要应用领域,另外还有柔性印刷电路板、人造卫星电子部件、喷气发动机零件、汽车机械零件、医疗等领域都用到了LCP材料。


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图片来源:泰沃科


那么LCP的具体物理性能特点如何?在实际模具设计、注塑加工中又有那些需要注意的工艺条件呢?


LCP的基本结构是一种全芳族聚酯,它的主要单体是对-羟基苯甲酸(p-HBA),其分子结构如图所示。


       图片        

p-HBA的分子结构


实践证明,由p-HBA单体聚合得到的LCP材料不能熔化,因此也不能被加工。但是,如果将该单体与其他不同的单体进行共聚,从而在熔态和液晶态中找到一种平衡,这种LCP材料就可以被加工,而且还具有良好的加工性能,可以进行注塑、挤出、拉伸、成膜等。


p-HBA和不同单体的共聚产物分为主链型和侧链型两种,而从应用的角度又可分为热致型和溶致型两大类。但这两种分类方法是相互交叉的,即主链型LCP包括热致型和溶致型两种,而热致型LCP同样存在主链型和侧链型。这种p-HBA与不同单体的聚合,也给LCP新材料的不断开发提供了无限发展空间。


在LCP成型时,由于熔融状态下分子间的缠结很少,所以只需很轻微的剪切应力就可以使其沿流动方向取向,从而产生自增强效果。特别是在流动方向上,LCP材料的线性膨胀系数与金属相当。另外LCP材料厚度越薄,其表面取向层所占的比例就越大且越接近表壁,材料就越能获得高强度和高模量,同时材料还具有优异的振动吸收特性。


1 物理性质


LCP的吸湿性非常小,在23℃和相对湿度50%的条件下,其吸水率为0.03%左右。所以成型前原料最好在140~160℃的温度下干燥4h以上(最长可达24h)。下图为LCP材料的干燥曲线(140℃)和吸湿曲线(40℃/相对湿度80%)。

       LCP材料的干燥、吸湿曲线


尽管LCP材料的熔点相对比较低,但由于其所具有的特殊结晶结构,材料仍然具有良好的热稳定性。LCP材料的热变形温度为160~340℃,连续使用温度220~240℃,耐焊锡温度为260~310℃(焊接时间10s)。


2 熔体流动性


LCP的流动性测试可采用棒式流动性测试法,该方法与阿基米德螺线测定法相似。图3为几种不同等级的LCP(牌号分别为S475、E473i、T130、S135和A130,其中,英文字母T代表超高耐热和高熔点,S代表超高耐热和高刚性,E代表高耐热和高流动性,A代表标准型,英文后数字1代表的是该系列的玻璃纤维标准型,而4代表的则是低翘曲性),在模具型腔厚度(t)分别为0.2和0.3mm时的流动长度-注射速度关系曲线。测试条件:机筒温度300~380℃,模具温度80℃。

       几种不同等级LCP的流动长度


可以看出,与通用工程塑料相比,LCP的棒流动长度相当长,即使当t为0.2mm时,也可轻松获得30mm以上的流动长度,而在t为0.3mm时,流动长度甚至可以达到50mm以上,所以LCP材料非 常适用于生产薄壁制品。


3 成型收缩率


下表为相同测试条件下(样品尺寸80mm×80 mm×1 mm,浇口尺寸2mm×2 mm×1 mm,注射压力60 MPa,150℃退火2h)得到的不同等级LCP材料的成型收缩率。可以看出,LCP材料总体上收缩率都很小,但同样遵循高分子材料收缩的规则,即:在流动方向上收缩率小,在垂直方向上收缩率大。


表2 不同等级LCP的成型收缩率        

另外,退火温度对LCP制品的收缩率亦有所影响。对LCP样品进行退火处理时,处理温度高反而会导致收缩率增大;但对于不同退火温度的样品,当退火时间超过2h后,样品的后收缩均达到饱和状态。因此如对LCP制品有特殊要求,一定要合理设定工艺条件。



由于LCP为各向异性,故LCP制品的物性受其自身及填充材料取向的支配,而这种取向是由材料熔体在流动时受到的剪切应力所决定的。因此在模具设计时,必须将型腔内材料的流动状态,结合制品所要求的具体性能进行综合考虑。一般情况下,LCP制品的厚度越薄,其取向性就越显著;而LCP制品的接缝部分对其强度有很大影响,所以在模具设计时,应尽可能避免产生熔接缝。


1 流道


流道按加工难易程度依次分为半圆形、梯形和圆形,而从截面积和压力损失的角度由好到坏则依次为圆形、梯形和半圆形,因此建议使用圆形或梯形流道。


对于LCP模具的流道直径设计,须考虑流道长度、塑件尺寸及经济性等多个因素,但通常可将流道直径设计为2~5mm。另外,流道长度原则上应尽量缩短,其中对于多型腔模具,为了减少模腔间的差异,最好使到各个模腔的距离保持相等。


如果主流道尺寸远大于注射机的喷嘴孔径,主流道内就容易出现喷射痕,还可能卷入空气,从而使制品产生气泡。因此最好把主流道的最小直径,设计成比喷嘴孔径大0.5mm左右,并将斜度设为0.5~1°。

       热流道


LCP不但具有良好的脱模性,而且也具有很好的流动性。如果在模具表面出现划痕,就会影响制品的脱模性。因此须对直接浇口和流道进行研磨抛光,并且在直接浇口和流道的末端设置冷料穴结构。


2 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,因此必须在考虑填充方式的基础上来确定浇口形式和浇口位置。另外为充分发挥LCP所具有的优异特性,原则上须将浇口设置在熔体流动方向上。

       侧浇口


如果制品形状复杂,那么在熔体流动方向上就容易产生乱流。这时可以忽略浇口位置对LCP分子排列产生的影响,只能采取调整速度和压力的方法来补救。LCP模具设计中,一般可采用侧浇口、 点浇口和潜伏式浇口的浇口形式。


3 排气槽


LCP在成型时可产生微量气体。为了更好地填充型腔,有必要设置排气槽。排气槽(长100~200 mm)深度以1~2mm为宜,如果低于这个深度,排气槽的截面积就会更小,从而达到气体流动的下限, 可能会造成排气不畅。因此凡是在气体容易滞留 之处都应该设置排气槽。

               

1 加工温度


冷料或塑化不充分,都会造成LCP成型制品力学性能的下降,这时须提高机筒温度。虽然LCP熔料在机筒中滞留时间过长不会引起材料老化或产生腐蚀性气体,但当间隔时间超过30min时,应将成型温度调低50℃,而当再次成型时最好排出一些存料。为了防止喷嘴流涎,喷嘴温度可比通常设定温度低10℃,也可以根据实际情况,进行平直设定和反向设定。

LCP成型温度设置(℃)

       图片        

需要注意的是,熔体温度过高虽然对LCP物性不会产生影响,但可使其分子呈剧烈运动状态,这将不利于分子取向,实践证明,高温对LCP加工反而不利


2 模具温度


一般注塑模具温度设定原则是,将模温控制在低于熔体温度100~150℃为宜。而对于LCP材料,通常将模具温度设定在70~110℃的范围内。

       图片注塑机模具


为了缩短成型周期、防止飞边及变形,应选择较低的模具温度。如果要求制品尺寸稳定,特别是用于高温条件下的制品,为减少熔接痕及解决充填不足等问题时,则应提高模具温度。


3 可塑性


如果原料中含有玻璃纤维或碳纤维,为防止纤维被剪切断,注塑成型时应该选择比较低的螺杆转速(通常为100r/min),背压也尽可能低一点(为防止流涎和纤维折损,宜将背压设为0~2 MPa)。当原料中没有添加物时,也可采用高转速,以加快循环和提高计量稳定性。

       图片注塑机


LCP具有固化速度快、脱模性好的特点。为充分发挥这一优势以缩短成型周期,应尽量选用塑化能力强的注射机;另外,喷嘴直径须为1~2mm,并且配有完好的止逆阀,喷嘴前端须设置大功率加热圈(前端设有热电偶)。


4 注射压力和注射速度


LCP成型时需要一定的注射压力,但压力及成型速率不宜过高,否则将导致熔体流动不均、制品出现瑕疵以及增加内应力。注塑成型中,注射压力与注射容积有关,一般注射容积宜设置为机筒容积的50%~70%。


最佳注射压力的设定取决于材料、制品形状、模具设计(特别是浇口和流道)以及其他一些成型条件。但LCP(所有等级)的熔体黏度都非常低,所以其成型时的注射压力明显低于普通热可塑性树脂。


当LCP成型时,开始须采用低注射压,然后再慢慢增大压力。对于一般成型品,在15~45 MPa的注射压力下即可成型。由于LCP固化较快,所以加快注射速度有利于取得较好的成型效果。


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。由于LCP熔体具有良好的流动性,所以其填充时间比较短,另外由于其固化速 度也比较快,因此可以取得较短的成型周期。代表性的LCP成型周期为10~30s。


LCP不仅具有其他高分子不可比拟的物理性能和力学性能,而且热致型LCP还具有良好的加工性。目前,热致型LCP已成为电子电气中高精密、 高性能、特殊注塑件的首选材料。LCP制件的模具和塑件设计异于其他通用工程塑料制品,而且其性能与成型工艺参数成函数关系,所以压力、温度、时间等参数也应相互匹配,这样才能生产出合格的产品。



 

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