滑石粉填充热致液晶聚合物材料的性能研究

 周广亮¹， 宋彩飞² ，刘尧² ，肖中鹏³， 姜苏俊¹

1.珠海万通特种工程塑料有限公司,广东 珠海 519050;金发科技股份有限公司企业技术中心,塑料改性与加工国家工程实验室,广东 广州 510663；2.珠海万通特种工程塑料有限公司,广东 珠海 519050；3.金发科技股份有限公司企业技术中心,塑料改性与加工国家工程实验室,广东 广州 510663

摘要：采用1250目和3000目两种滑石粉对热致液晶聚合物进行填充改性,比较两者纯填充与不同复配比例填充的尺寸稳定性、机械性能及表面发尘性能。结果发现,纯1250目滑石粉填充时,机械性能优异,但尺寸稳定性、表面发尘性能更差;纯3000目滑石粉填充时,正好相反,机械性能更差,但尺寸稳定性、表面发尘性能更优;最后综合比较多个不同复配比例,得到两者复配比例为1∶1时,可以获得一款尺寸稳定性高、机械性能优异、表面发尘性能优良的热致液晶聚合物材料.

关键词：滑石粉，热致液晶聚合物，表面发尘性

液晶高分子聚合物是80年代初期发展起来的一种新型高性能工程塑料，它的形成一般需要以下三个条件：分子构型有很大的长宽比；刚性链轴向比横向上有更明显的偏光现象；结构中刚性单元有很好的分子平行性。一般根据出现液晶相的物理条件分类，可将液晶大体可分为热致液晶和溶致液晶两大类，其中热致液晶是指在达到一定温度后，材料显现出液晶相；而溶致液晶是指在一定浓度溶液条件下会出现液晶相。

热致液晶聚合物因具有刚性分子单元，获得优异的熔融流动性、耐热性、强度和刚度，特别适合制作薄壁、结构复杂、采用表面安装工艺的产品，因而被广泛用作电子电气零部件及光学零部件。然而，不同应用领域有着不同的要求，需要对其进行专门的改性。在照相机(摄影机)模块的镜筒、安装支架、CMOS(图像传感器)框架、快门及快门架等产品上应用热致液晶聚合物时，对材料尺寸稳定性、机械性能以及表面发尘性有很高要求。材料尺寸稳定性对产品装配的精度有直接影响；在产品生产和组装过程中会承受一定外力，这就要求材料具有足够的机械性能来抵抗外力而不被破坏或产生明显的尺寸变化；若生产或使用过程中产生粉尘，将有可能污染图像传感器，从而影响拍摄质量，所以对制件的表面发尘性能有极高要求。

基于以上这些要求，本文选择1250目滑石粉和3000目滑石粉作为填料，固定滑石粉总填充重量比40%不变，对热致液晶聚合物进行改性；深入研究不同粒径滑石粉对液晶聚合物尺寸稳定、机械性能、表面发尘性等性能的影响规律，并最终获得尺寸稳定性、机械性能、表面发尘性等综合性能优异的热致液晶聚合物，对照相机模块相关部件用热致液晶聚合物材料开发具有重要指导意义。

2实验部分

2.1原材料、测试仪器及设备

2.2实验方案

本文保持滑石粉重量占比40%不变的情况下，选择1250目和3000目数两个规格的滑石粉进行填充，实验方案包括纯1250目、纯3000目及两者不同比例复配；另外为了更好的观察样板表面发尘性，添加0.5%炭黑进行着黑色；具体实验方案如表2所示。

2.3尺寸稳定性表征

将实验所得样品，用一端进胶的70mm长*30mm宽*1.5mm厚样板模具进行注塑，二次元量测长度方向(流动方向)实际长度x和宽度方向(垂直流动方向)实际长度y，进而计算出材料两个方向的收缩率，每个样品测试5块样板，取平均值；用平均收缩率的大小来表征材料的尺寸稳定性优劣。

2.4机械性能测试

将实验所得样品，注塑ISO标准测试所需的拉伸强度、弯曲强度、无缺口冲击强度的样条，测试材料的拉弯冲性能，来表征材料机械性能。

2.5表面发尘性表征

将实验所得样品，采用注塑成型方法制备厚1.0mm方板；将方板的固定区域，裁剪为2块，保留一块不做任何处理，一块置于150mL蒸馏水的烧杯；再将烧杯放入超声清洗器(540W，42kHz)中，进行超声清洗30min后取出；自然晾干，再用扫描电镜放大200倍观察表面变化情况，根据表面恶化程度来定性地考察材料的表面发尘性。

3结果与讨论

3.1尺寸稳定性

为更好比较重量比40%滑石粉填充对热致液晶聚合物树脂尺寸稳定性的影响，将纯树脂及各实验配方样品的平均收缩率数据列于表3中。

滑石粉因具有片状结构，而广泛应用到热塑性材料中，其中一个主要目的就是用来降低材料两个方向的收缩率，从而达到改善材料尺寸稳定性效果；本文也正是为了获得尺寸稳定性高的液晶聚合物材料，故选择两款不同目数滑石粉进行填充研究。

比较各组实验数据，可看到，在重量比40%滑石粉填充后，热致液晶聚合物材料两个方向的平均收缩率均明显小于热致液晶聚合物树脂，说明热致液晶聚合物材料尺寸稳定性得到明显改善，譬如1#样品与热致液晶聚合物纯树脂比较，流动方向平均收缩率从0.197%减小到0.095%，垂直流动方向平均收缩率从0.844%减小到0.413%。

在保持重量比40%滑石粉填充不变情况下，综合比较两种滑石粉的效果，可看到，2#样品纯3000目滑石粉填充的热致液晶聚合物材料收缩率最小(流动方向平均收缩率为0.064%，垂直流动方向平均收缩率为0.323%)，即尺寸稳定性最优；而1#样品纯1250目滑石粉填充的尺寸稳定性最差(流动方向平均收缩率为0.095%，垂直流动方向平均收缩率为0.413%)；当两种滑石粉进行复配填充时，两个方向的平均收缩都随随3000目滑石粉比例增大而变小，说明尺寸稳定性随3000目滑石粉比例增大而变好。

热致液晶聚合物树脂具有刚性棒状的分子链结构，在注塑过程中，刚性分子链会沿着流动方向高度取向；所以采用一端进胶的70mm长*30mm宽*1.5mm厚样板模具进行注塑时，分子链将会得到充分取向，从而导致热致液晶聚合物树脂在流动方向与垂直流动方向上收缩率存在较大差异，数据上看，热致液晶聚合物纯树脂垂直流动方向收缩率是流动方向收缩率的4.3倍；通过添加重量比40%滑石粉后，虽然两个方向上收缩率得到大幅降低，但两个方向的收缩率比值，并无明显变化。譬如1#样品纯1250目滑石粉填充液晶聚合物两个方向收缩率比值为4.3与纯树脂一样，2#样品纯3000目滑石粉填充液晶聚合物两个方向收缩率比例为5.0，考虑到测试误差(尤其是流动方向收缩率极小，测试误差会更大)，可认为不同粒径滑石粉填充，液晶聚合物两个方向收缩率比值接近。

3.2机械性能

为更好比较重量比40%滑石粉填充对热致液晶聚合物树脂机械性能影响，将纯树脂及各实验方案样品的机械性能数据列于表4中。

对于机械性能，在重量比40%滑石粉填充后，热致液晶聚合物机械性能明显劣化，譬如1#样品与热致液晶聚合物纯树脂比较，拉伸强度从137MPa降低到87MPa，弯曲强度从149MPa降低到105MPa，无缺口冲击强度从66.1kJ/m²降低到26.6kJ/m²。

在滑石粉填充重量比40%不变情况下，比较不同粒径滑石粉对机械性能的影响，可看到，纯3000目滑石粉填充的热致液晶聚合物材料机械性能最差(拉伸强度仅为44MPa，弯曲强度为73MPa，无缺口冲击强度为7.6kJ/m²)；纯1250目滑石粉填充的最优异；当两种滑石粉进行复配填充时，机械性能随3000目滑石粉比例增大而变差。

针对以上机械性能变化规律进一步探究，由于此体系中滑石粉作为超微粉体必然存在团聚现象，将形成较多应力集中点，在进行机械性能测试时，应力集中点即为缺陷点，因此滑石粉的加入势必弱化热致液晶聚合物的机械性能。另外，在共混改性过程中，微粉粒径越小，将越难分散均匀，越容易出现团聚问题。

由于1250目滑石粉的平均粒径是3000目的2.5倍左右，那么在相同重量比情况下，3000目滑石粉的粉体颗粒数量是1250目的6倍以上，因此在滑石粉总填充重量比40%不变情况，3000目滑石粉含量越多，越容易出现团聚问题，存在越多缺陷点，从而导致机械性能衰减更大；纯3000目滑石粉填充相比纯1250目滑石粉填充，拉伸强度从87MPa下降到44MPa，下降幅值将近50%。以上很好地解释了机械性能随3000目滑石粉比例增大而减弱的原因。

3.3表面发尘性

上面已详述表面发尘性的表征方法，下面通过比较SEM照片来定性考察发尘性。

由图1比较，可看到，初始状态1#样品的表面比2#样品的表面更粗糙；超声清洗后，1#样品表面变得非常粗糙，而2#样品表面只有微小的变化；说明3000目滑石粉填充的液晶聚合物材料比1250目滑石粉填充的液晶聚合物材料，具有更优良的表面，且更耐超声清洗，即表面发尘性更优。

比较图2可看出，超声30min后，3#样品表面变得比较粗糙但还是优于1#样品，5#样品表面略优于4#样品表面。综合来看，可得出，重量比40%滑石粉填充体系，随着3000目滑石粉比例增加，样品耐超声清洗性能更优，即表面发尘性更优。

液晶聚合物超声清洗后表面变粗糙，是由于样板表面滑石粉脱落导致，那为何不同粒径滑石粉填充液晶聚合物材料的耐超声清洗性能会有如此大差异呢？此现象同样可从不同目数滑石粉粒径差异得到合理解释，虽然3000目滑石粉占比越高，存在团聚体比例会更高，但注塑过程中样板模具的表面对高速流动物料存在强剪切作用，会使团聚体进一步分散；通过观察原始样板表面，未发现明显的滑石粉团聚体，也证实模具表面强剪切会带来良好的分散效果；在良好分散状态下，因为3000目滑石粉粒径小，其比表面积远大于1250目滑石粉，使得3000目滑石粉更容易被聚酯浸润或包埋，从而在超声清洗中更不易脱落，因而3000目滑石粉比例越大，表面发尘性能越优异。

4结论

(1)对于尺寸稳定性，热致液晶聚合物在填充重量比40%滑石粉后，流动方向及垂直流动方向的收缩率大幅降低，说明尺寸稳定性得到显著幅提高；其中3000目滑石粉填充的尺寸稳定性明显优于1250目滑石粉填充；当两种不同目数滑石粉复配使用时，尺寸稳定性随3000目滑石粉比例增加而更优。

(2)对于机械性能，热致液晶聚合物在填充重量比40%滑石粉后，材料机械性能会大幅降低；其中1250目滑石粉填充的机械性能明显优于3000目滑石粉填充；当两种不同目数滑石粉复配使用时，机械性能随3000目滑石粉比例增加而变差。

(3)对于表面发尘性能，热致液晶聚合物在填充重量比40%滑石粉后，3000目滑石粉填充样品比1250目填充的更耐超声清洗，即表面发尘性能更优；当两者复配使用时，表面发尘性能随3000目滑石粉比例增加而变好。

文章转自《广东化工》2023年第50卷第15期