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Hochleistungskunststoffe - Flüssigkristalline Polymere (LCP)

Struktur und Verarbeitung von Flüssigkristallinen Polymeren (LCP)

Auszug aus
Wolfgang Kaiser

Kunststoffchemie für Ingenieure

11/2015, 630 Seiten, € 39,99
ISBN: 978-3-446-44774-5
S. 476ff.

Flüssigkristalline Polymere, im englischen als Liquid Crystal Polymers (LCP) bezeichnet, besitzen im Vergleich zu den üblichen Thermoplasten bereits im schmelzflüssigen und/oder im gelösten Zustand geordnete, meist kristalline Bereiche. Voraussetzung ist das Vorhandensein linearer, starrer/steifer Strukturelemente, so genannter mesogener Gruppen. LCP sind im festen Zustand selbstverstärkend durch die hochorientierten Strukturen. Ihre Eigenschaften, besonders die mechanischen weisen eine starke Richtungsabhängigkeit auf. In Richtung der Orientierung sind die LCP hochfest und biegesteif. Die Anwendungsmöglichkeiten liegen wegen der höheren Preise dort, wo ihre besonderen technischen und physikalischen Eigenschaften ausgenutzt werden können (High-Tech-Kunststoffe). LCP, die nur aus mesogenen Gruppen in der Hauptkette bestehen, sind thermoplastisch nicht verarbeitbar, da sie erst oberhalb ihrer Zersetzungstemperatur schmelzen, d. h. sie lassen sich nur aus ihren Lösungen verarbeiten, so genannte lyotrope LCP. Durch den gezielten Einbau von Störstellen zwischen den mesogenen Gruppen gelingt es jedoch, schmelzbare und damit thermoplastisch verarbeitbare LCP herzustellen. Schmelzbare flüssigkristalline Polymere nennt man thermotrop.

Die Makromoleküle der LCP orientieren sich wegen ihres starren, stabförmigen Aufbaues (mesogene Gruppen) bereits in der Schmelze oder Lösung, z. B. in einer bestimmten Raumrichtung parallel zueinander. Diese Ordnung liegt zwischen der des kristallinen und des amorphen Zustandes, und wird daher auch als mesomorph bezeichnet.

Molekulare Struktur und Morphologie bei thermotropen LCP

Der Einbau der mesogenen Gruppen kann dabei in der Hauptkette oder in den Seitenketten erfolgen. Baut man die mesogenen Gruppen in der Hauptkette ein, ergeben sich Polymere mit besonders günstigen mechanischen Eigenschaften. Besteht die Hauptkette allerdings nur aus mesogenen Gruppen, so erhält man unschmelzbare und nur über ihre Lösungen verarbeitbare LCP. Befinden sich die mesogenen Gruppen über flexible Spacereinheiten („Abstandshalter“) an eine flexible Hauptkette angeheftet, weisen diese Seitenketten-LCP interessante optische, insbesondere nichtlineare, sowie elektronische Eigenschaften auf. Damit finden sie Einsatz als Funktionspolymere.

Verarbeitung

Thermotrope LCP lassen sich durch Extrusion, Extrusionsbeschichten, Spritzgießen und Thermoformen verarbeiten. Sie können mit Ultraschall geschweißt werden und sind klebbar. Auch sind LCP galvanisch metallisierbar. Spritzgießwerkzeuge müssen entsprechend der gewünschten Orientierung konstruiert und auf höhere Temperaturen (z. T. bis 280 °C) beheizbar sein. Die Verarbeitungstemperaturen liegen etwa bei 220 bis 450 °C. Eine Vortrocknung vor der Verarbeitung ist erforderlich. Typisch sind die kurzen Kühl- und damit Zykluszeiten, weil die Schmelzwärme gering und damit die beim Erstarrungsprozess abzuführende Wärmemenge klein ist. Die Schmelzviskosität ist ebenfalls sehr niedrig, weil durch die nahezu fehlende Verknäuelung der Makromolekülketten die „innere Reibung“ gering ist. Ebenso sind die Schwindungswerte und damit die Verzugsneigung der Spritzgussteile klein. Infolge der niedrigen Schmelzviskosität sind lange Fließwege möglich und damit filigrane Gestaltungselemente, also komplizierte Miniaturteile, formbar, wobei wegen der raschen Abkühlung keine Gratbildung auftritt. Latente Schwachstellen sind Fließ- und Bindenähte. An Modifikationszusätzen sind üblich: Glas- und Kohlenstofffasern, Mineralfüllstoffe (z. B. bis über 50% Talkum) sowie PTFE.

Auszug aus
Wolfgang Kaiser

Kunststoffchemie für Ingenieure

11/2015, 630 Seiten, € 39,99
ISBN: 978-3-446-44774-5
S. 476ff.
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