液晶高分子分子複合材料

液晶高分子分子複合材料(Molecular composite)是一種新型的高分子複合材料，其概念是由日本的Takayanagi和美國的 Helminiak等人差不多同時在20世紀80 年代初提出來的。它通常是指將纖維與樹脂基體的巨觀複合擴展到分子水平的微觀複合，也就是用剛性高分子鏈或微纖作增強劑，並以接近分子水平的分散程度分散到柔性高分子基體中的複合材料。

基本介紹

• 中文名：液晶高分子分子複合材料
• 屬性：複合材料
• 提出時間：20世紀80 年代初
• 英文名字：Molecular composite

背景

樹脂基複合材料通常是以玻璃纖維、 碳纖維等巨觀纖維作為增強成分，以熱固性或熱塑性樹脂為基質複合而成的。其產品的品質等級很多，用途十分廣泛，但仍存在一些問題。例如纖維與基質材料間的粘合力不夠理想，以及兩者的熱漲係數相差較大，而這兩個問題正是材料破壞的關鍵，導致其抗衝擊性能較低。此外，特別是在使用玻璃纖維作為增強體的場合，配料的高粘度和高摩擦不僅要求很高的能量消耗，而且很容易造成設備的損壞。由於傳統纖維增強複合材料的這些局限性，們開始尋求一種新的複合材料體系。液晶高分子分子複合材料的出現為人們獲得具有高模量、 高性能、 易加工的新型複合材料提供了一條嶄新的途徑和方法。

製備方法

共沉澱法

此方法是先將棒狀聚合物與柔性鏈聚合物溶解在共同的溶劑中。在低於液晶形成的臨界濃度下沉澱。在臨界濃度以下，溶液為各向同性。將各向同性溶液擠出到凝固浴中，儘可能避免結晶的生成最理想的情況是，混合溶液通過凝固劑排除溶劑之後，棒狀分子以分子分散在柔性鏈分子中。但實際上，用此法製備的分子複合材料，其棒狀分子形成很細的微纖網路，其尺寸約為 30nm左右。

懸浮法

塗覆在玻璃板上的 PPTA 薄層溶液用丙酮浸漬後用超音波輻射，從丙酮的懸浮液中得到直徑為幾十納米的微纖，然後用聚氯乙烯的四氫呋喃溶液置換丙酮，並採用溶液澆鑄的方法製得 PPTA 微纖增強PVC的複合材料薄膜。當複合薄膜的微纖形成纏結時，斷裂表面的掃描電鏡照片有許多大孔隙形成。這說明微纖呈均勻分散狀態。原則上講，此種方法不能製備理想結構的分子複合材料。

原位聚合法

原位聚合是可使剛性分子鏈均勻分散的一種分子複合的新途徑。在撓曲性聚合物(或單體)中溶解剛直棒狀聚合物分子單體，然後就地聚合，生成的剛棒聚合物分子均勻地分散在高分子基體中而形成原位分子複合材料。這種方法稱為原位聚合法。也就是將可形成剛性高分子鏈的單體溶解於基材聚合物（或單體）中，在一定條件下就地聚合而對基體起到增強的作用，從而達到兩種高分子的分子水平的接觸。

原位複合法

原位複合法是指用熱致液晶高分子與熱塑性聚合物熔融共混。由於液晶高分子有易於取向的特點，共混物熔體在加工剪下應力下注射或擠出成型時，液晶微區取向成微纖結構，這種結構在制品冷卻過程中能有效地被凍結起來。液晶高分子能起到加工助劑和增強劑的雙重作用，取向液晶相對熔體流動起潤滑作用，使熔體粘度降低。這對改進熱塑性複合材料的加工很有益處。

嵌段 - 共聚法

嵌段 - 共聚法是實現分子複合的一種有效途徑。由於嵌段與接枝液晶高分子其分子鏈上同時具有液晶段和非液晶段，從而可以在原位複合材料的兩相界面上起到 “橋樑” 的作用，增進兩相界面的相互粘結，阻止了聚合物共混在溶液中發生的相分離。其溶液加工方法是先合成ABA嵌段成 “毛狀棒” 懸掛嵌段共聚物，其中一段是剛棒狀聚合物，另一段為熱塑性聚合物。然後用該共聚物進行溶液加工製備分子複合材料。

液晶高分子分子複合材料的優越性

①分子複合材料是短纖維增強複合材料向分子水平的延伸，因此要求增強劑應該是具有高的長徑比的剛棒狀分子。分子單元應具有高強度、 高模量，以達到最大的增強效果。剛性棒狀的液晶高分子則具有很大的長徑比。比如，分子量等於 30000 和 41000 的PBZT分子的長徑比分別高達 300 和 400。理想的液晶高分子複合材料是以單個分子作為增強劑，長徑比可達到最大值，因此可以實現最大的增強效果；

②熱致液晶高分子的微纖增強是一個顯微層次上的增強技術，在加工過程中形成纖維(所謂原位) 。與巨觀纖維相比，它沒有纖維與基體材料間的粘合困難，也不存基質相和增強劑相在熱膨脹係數方面的差異，能充分發揮增強劑分子的內在優異力學性能 ，高溫環境穩定性和高耐熱性等。此外 ，少量的液晶高分子的加入可以降低共混物的加工粘度，減少了對設備的磨損，從而提高了製備的經濟性；

③由於增強劑的分散程度達到了分子級別，所以能夠充分發揮材料的協同效應。同時，較少用量的增強劑就可以實現大量巨觀纖維的增強效果。例如 1983 年道氏公司的黃文芳等人用剛性棒狀高分子聚苯並噻唑增強柔性高分子聚苯並咪唑，成功地製得了高性能分子複合材料。其抗拉強度達 700MPa，模量達62GPa，能耐 550 ℃高溫，綜合性能超過鋁合金，而比重僅為鋁合金的 50 %；

④由於液晶高分子分子複合材料通常是通過共聚或與極少量的硬段分子共混，其加工性能與基體的加工性能相當。它們適應於各種成型方法，而不需要特別的加工設備。傳統的纖維複合材料存在著加工污染大、 設備磨損嚴重、 難於加工、 流動性差等不足；

⑤可用作熱塑性工程塑膠，也可製成適合於不同用途的纖維和薄膜，可見液晶高分子分子複合材料有著廣泛的套用前景。

液晶高分子分子複合材料的發展前景

液晶高分子分子複合材料將液晶高分子的特性如鏈剛性，大的長徑比，高取向性 ,優秀的耐熱性等和其他複合成分的有用性質結合起來 ,有利於改善材料的性能 ,擴大材料的套用領域。另外分子複合材料在加工性和性能方面也有許多潛在的優點。相信在不久的將來 ,液晶高分子分子複合材料將具有更加喜人的發展前景。

但是 ,液晶高分子分子複合材料也有它的不足 ,例如它的壓縮強度遠遠低於碳纖維複合材料。這限制了它在高性能複合材料某些領域的套用。於是 ,兼用兩類纖維製造的複合材料以克服各自的缺點和發揮其優點已成為工業界的共識和實踐。何嘉松提出的原位混雜增強複合材料的概念可謂這一思想的體現。它是指一個由高性能樹脂、 熱致液晶聚合物和碳纖維組成的三元體系中形成的增強結構。這種複合體系就充分發揮了熱致液晶聚合物和巨觀纖維的各自優勢。可見 ,從分子增強複合材料向原位混雜增強複合材料過度是複合材料發展的又一重大趨勢。