Тепло, термо и огнестойкость полимерных материалов
 Скачать 4.94 Mb.
|
|
Фирма Торговая марка ЖКП Производство, т г г г 6000 8400 Polyplastics Vectra 2800 4800 5200 Sumitomo Chemical Sumika Super 2000 5000 5000 Du Pont Zenite 3400 3500 3500 Solvay Xydar 2000 2000 2000 Ueno Ueno LCP 500 2000 2000 Toray Siveras 1000 1500 1500 Sonstige Rodrun, Novaccurate 600 600 Всего 000 28 000 40 Темпы роста производства ЖКП дог. составляли 13% в год. В 2007 г. 55% ЖКП производилось в Азии, 25% — в Северной Америке, 20% — в Европе. Стоимость ЖКП 15–25 долл. США за килограмм. В 2006 г. 58% ЖКП использовано Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость в электронике/электротехнике, 9% — в автомобилестроении, 8% — в осветительных устройствах, 23% — в различных областях потребления. Применение термотропных ЖКП эффективно благодаря широкому спектру свойств в изделиях электротехники, электроники и оптоэлектроники, волоконной оптики, телекоммуникационных приборах, авиакосмическом приборостроении, в аппаратах химических производств, в медицинских приборах, в автомобиле- и машиностроении, высокочастотных бытовых и промышленных устройствах. ЖКП наиболее целесообразно применять для изготовления деталей небольших и средних размеров сложной формы, с тонкими стенками, имеющих небольшие допуски на изменение размеров при изготовлении и эксплуатации. Прежде всего, это изделия электротехники, электроники и оптоэлектроники, где основным требованием стала миниатюризация (элементы для поверхностного монтажа, панели печатных электронных схем вместо листовых эпоксистеклопластиков, штекеры, корпуса светоизлучающих диодов, многоточечные конвекторы, трехразмерные, объемные печатные (рис. 4.15–4.23, 4.25)). ЖКП типа Vectra получают без использования ионных катализаторов, что дает им преимущество, поскольку к материалам, используемым в электронике, предъявляются жесткие требования к содержанию ионов (не более 5 ppm, 5 частей на миллион. Печатные схемы и другие электронные детали из ЖКП отличает легкость, простота сборки, малые размеры, четкий рельеф участков и элементов (благодаря низкой вязкости расплавов легко формируется требуемый рельеф поверхности и элементов изделия, устойчивость к пайке (до 260 С, возможность металлизации, долговечность при эксплуатации, стабильность характеристик, низкое водопогло- щение, большой объем памяти. Штепсельный разъем из ЖКП Vectra Ев виде квадрата со стороной 57 мм может содержать 230 золоченых контактов. Критическим параметром у электронных элементов для поверхностного монтажа является КЛТР ( α), который должен быть согласован с α подложки. Коэффициент теплового расширения ( α·10 –6 К) различных материалов составляет стекло, сталь, керамика — 10–12, эпоксидные стеклопластики, ЖКП в направлении течения потока при литье под давлением 15–20 (регулируемый диапазон 15–70, в поперечном направлении — 80, регулируемый диапазон 80–140), медь — 20, алюминий — 25, алифатические полиамиды — 40 (регулируемый диапазон Материалы Zenite LCP легко перерабатываются литьем под давлением благодаря низкой вязкости расплавов, что обеспечивает изготовление прецизионных электротехнических и электронных деталей для телекоммуникационной и микроэлектронной отраслей, коррозиестойких деталей (рис. 4.15–4.26) авиакосмической промышленности, волоконно-оптических систем, систем воспроизведения изображений, сенсорных устройств. Применение ЖКП в оптоэлектронике связано с изменением их оптических свойств под действием электрического тока (это характерно для нематиков, в процессе нагревания (смектики, холестерики), при нагрузках (холестерики). Применение нематиков связано с изменением их оптических свойств под действием электрического поля, приводящего к различным физическим эффектам (при на Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.15. Электронный модуль (1 — поверхностный монтаж по технике SMD с делением 1,27 мм) со штекерными соединительными блоками (2 — многоточечные конвекторы) из стеклонаполнен- ного ЖКП Vectra [54] 1) 2) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.16. Микропереключатели (1) для электронных схем и их основания (2, 3, 4) из ЖКП Vectra (2 — из металлизированного и неметаллизированного ЖКП, основание переключателя сенсора принтера, двухкомпонентное литье 3, 4 — из стеклонаполненного ЖКП) [54] 1) 2) 3) 4) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.17. Детали различного назначения из литьевых композиций ЖКП Vectra [54]: 1 — корпус высокочастотной катушки 2 — трехразмерные держатели оптического сенсора со встроенными направляющими из металлизированного Vectra (двухкомпонентное литье под давлением 3 — штекер датчика температуры в подкапотном отсеке автомобиля (воздействие температуры до 180 С 4 — детали медицинского оборудования 5 — блок проигрывателя компакт-дисков со встроенным линзодержателем фокусировки лазерного луча 6 — элемент держателя лазерного диода. 1, 2, 6 — из стеклонаполненного ЖКП Vectra 1) 2) 3) 4) 5) 6) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.18. Компоненты электронных устройств из ЖКП Vectra [54]: 1 — носители интегральных схем металлизированный ЖКП Vectra); 2 — считывающее устройство карточных чипов 3 — контактный блок для считывания электронных карт 4 — плата из металлизированного Vectra для вычислительных устройств с интегральной печатной платой 5 — корпус катушки из Vectra А Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.19. Изделия из жидкокристаллических термотропных полиэфиров: 1 — штекерные соединительные блоки для поверхностного монтажа электронных устройств по технологии SMD [315]; 2 — штепсельные разъемы для проигрывателя MP150 (Grundig, Tigo, Electronics, Бельгия) [316]; 3 — основание процессора с высокой стабильностью размеров [54, 314]; 4 — корпуса вилки и розетки штепсельного разъема переносного компьютера из Xydar G-930 (Solvay S.A.) [54, 316]; 5 — ламповые патроны и их детали, эксплуатируемые при температурах до 240 °C [315] 1) 2) 3) 4) 5) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.20. Изделия электротехнического и электронного назначения из ЖКП Zenite фирмы DuPont [317]: 1 — миниатюрные каркасы, используемые при сборке печатных плат 2 — электронные схемы с держателями керамических и стеклянных предохранителей из ЖКП Zenite; 3 — детали ламповых патронов из металлизированного Zenite; 4 — детали противотуманных ламп из Zenite 6330 BK; 5 — соединительные блоки Canon, используемые в телефонах и компьютерах Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.21. Термоустойчивые полиарилены фирмы Ticona в мобильных телефонах [318]: 1 — рамка дисплея из Fortron; 2 — основание платы из ЖКП Vectra; 3 — PSG чип из ЖКП Vectra; 4 — отсек для батареек из ЖКП Vectra; 5 — рамки панелей отсека для батареек телефона Ericsson T28 (Швеция) из Vectra А D2 black; 6 — держатель дисплея (масса 1–3 г, толщина стенок 0,8 мм) из Fortron 1141L4; 7 — кнопка верхней крышки из Hostaform C13031; 8 — корпус наружной антенны из Hostaform; 9 — антенна из металлизированных ЖКП Vectra E820i Pd, E130i; 10 — входной и выходной разъемы из ЖКП Vectra E130i 1) 2) 5) 3) 4) 6) 7) 8) 9) 10) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.22. Изделия из жидкокристаллических термотропных полимеров 1 — корпуса светоизлучающих диодов (LED) в автомобилях AUDI A5, A8, R8 [54]; 2 — тонкостенная радиопрозрачная крышка датчика расстояния из ЖКП Vectra E820i Pd, E130i [319]; 3 — патроны газоразрядных ламп для тепличных светильников E-Papillon из ЖКП Zenite 7145L [319]; 4 — корпуса кремниевых чипов из ЖКП Vectra 130i [54] 1) 2) 3) 4) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.23. Волоконно-оптический кабель с усиливающей оболочкой из экструзион- ного ЖКП Vectra А Рис. Наполнитель колонны для перегонки муравьиной кислоты (фирма Norton Chemical Process Products) из ЖКП Vectra А [302] пряжении 15–20 В возникновение микроскопических вихрей, кипение ЖК, утрата прозрачности образование вихревых трубок-доменов, ориентационные эффекты. Один и тот же эффект может лежать в основе различных применений (для решения одной задачи могут использоваться различные физические эффекты. На основе нематиков разработаны запоминающие устройства в оптоэлектронике, устройства для регистрации ИК и СВЧ излучений, дифракционные отклонители лазеров, ослабители, индикаторы, модуляторы, среды для изучения спектров ЯМР. Композиции на основе ЖКП перспективны в качестве материалов для магнитоэлектрических запоминающих устройств (элементов памяти компьютеров, для создания эффекта поляризационной ориентации, оптической анизотропии, ориентационной избирательности электромагнитного излучения. При помощи дифракционных решеток, работающих как призмы, можно управлять световым потоком. Индикаторы, основанные на ориентационном эффекте и эффекте рассеяния света в нематических ЖК, используют поворот мезофазы (ориентационный эффект. Конструкция индикатора включает ЖК-пленку между поляроидными пленками, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Под действием электрического тока мезофаза нематика поворачивается и поляризует световую волну. В местах перекрывания электродов ЖК просветляется. Нематические индикаторы потребляют не более нескольких микроватт, выдерживают более 10 млн переключателей, эффективны при больших уровнях внешней освещенности (пленочные конденсаторы для плоских дисплеев и телевизоров). Для ориентации мезофазы по всему объему нематика используют небольшое количество ориентантов и предварительное натирание поверхности ЖК-пленок водном направлении. ЖКП используют в оптических компьютерах сверхвысокого быстродействия (запись информации электрическими сигналами в двоичном коде на ЖК-пленках, оптическое считывание информации лазером) и оптических затворах (модуляторов, изменяющих интенсивность света с изменением электрического напряжения Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.25. Изделия из жидкокристаллических термотропных полиэфиров: А — основание гибкой платы длиной 26 см из Vectra [320]; Б — корпуса сенсоров, фиксирующих поступающие и отраженные световые сигналы, из Vectra E820i PD, E130i [321]; В — микрофонный модуль (1) трубки Asuris (3, фирма Siemens) из ЖКП E820i (тип Vectra, фирма Ticona, для 3D-MID, Molded Interconnect Devices электронных систем, лазерного структурирования) с нанесенными металлическими токопроводя- щими покрытиями (2) после обработки лазером (4, а, б, в) [315, 320] A) Б) В) 1 4 а б в 2 2 2 3 Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.26. Изделия из ЖКП Vectra фирмы Ticona: 1 — цоколь корпуса рефлектора [321]; 2 — цоколь автомобильной ксеноновой лампы фирмы Osram GmbH [322]; 3 — подвижная опора ксеноновой лампы, включающейся при повороте автомобиля [320] 1) 2) 3) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Подавая напряжение на токопроводящее покрытие пленки из ЖКП можно управлять ее оптическими свойствами. При напряжении 6–7 вольт в ЖК возникает электрогидродинамическая нестабильность, вызывая вихреобразные движения ме- зофазы. Вихри работают как система цилиндрических линз, образующих дифракционную решетку (форма которой меняется с изменением напряжения и частоты, что позволяет гибко управлять световым потоком. При напряжении 15–20 вольт пленка из ЖКП становится непрозрачной. В пленке из ЖКП под воздействием различных внешних факторов (механический сдвиг, тепло, излучения, электрическое, магнитное поле) изменяется структура, что приводит к изменениям в отражении света с разной длиной волны, к изменению цвета пленки (контроль распределения температуры поверхности, дефектоскопия, медицинские приборы, контроль качества печатных схем, преобразование ИК-излучения в видимые, цветные ЖК-дисплеи, поляроидные пленки, плоские телевизионные экраны. ЖК-дисплеи широко применяются в репортажных телевизионных камерах, ЖК-мониторах компьютеров, плоских телевизоров, видеокамерах, цифровых фотокамерах, сотовых телефонах. В плоских ЖК-дисплеях компьютеров ЖК-материалы (пленки из ЖКП для гибких дисплеев, покрытия) используются в прозрачных тонкопленочных транзисторных ячейках TFT (матрица, составная часть твист-ячейки). ЖКП применяются в кабелях и соединительных деталях волоконной оптики. Они отвечают жестким требованиям, предъявленным к материалам несущих буферных оболочек оптических волокон высокая прочность и водостойкость, низкий КЛТР, стабильность размеров, гибкость, возможность нанесения оболочек на оптические полимерные или стеклянные волокна высокоскоростной экструзией. Оптические волокна с оболочками из ЖКП (рис. 4.23) имеют меньшие оптические потери при циклическом нагреве и меньшую деформацию по сравнению с оптическими волокнами с оболочками из полиамидов, жесткость которых обеспечивается оплеткой нитями Kevlar, а не покрытием, сформированным экструзией. Химически устойчивые наполнители ректификационных и перегонных колонн рис. 4.24), детали насосов и дозаторов химических производств (например, муравьиной кислоты) из Vectra А сохраняют работоспособность при 100 °C в течение года (керамические наполнители в этих условиях растрескиваются). Металлические листы, к поверхности которых приклеены листы из смесей Ekonol и ПТФЭ (S300) толщиной 0,3–2 мм используют для изготовления крупногабаритных подшипников. Пленки из ЖКП (типа X7G, ПЭФ-3,5) используют в микроволновых бытовых электроприборах, огнестойкой кухонной посуде, пищевой упаковке (отсутствие диффузии кислорода и воды через пленки толщиной 0,01–0,02 мм). Использование в качестве оболочек высотных шаров пленок из полиэтилена, упрочненных волокнами из ЖКП, повышает срок эксплуатации шаров от 1–2 суток до нескольких месяцев. ЖКП эффективны в качестве сенсоров в интеллектуальных материалах (ИМ, регистрация изменения свойств при сдвиговых напряжениях, давлении, изменяющемся тепловом режиме, измерение температуры, концентрации испаряющихся веществ, в том числе специального назначения, радиопоглощающих ИМ (использование Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость анизотропии диэлектрической проницаемости, показателя преломления, изменение радиотехнических характеристик при воздействии электромагнитных полей радиодиапазона. Ткани из волокон Vectran (табл. 4.26) используют в конструкции многослойных космических скафандров, спецодежды, волокна Vectran — для оснастки канатов) гоночных яхт, изготовления спортивных изделий, оболочек оптических волокон. Из волокон Vectran, сохраняющих свойства при криогенных температурах и после поглощенной дозы ионизирующих излучений в 5000 Мрад изготовлена ткань, использованная в конструкции амортизирующих надувных шаров (рис. 4.27) для мягкой посадки космических зондов на поверхность планеты Марс. Полиарилэфиркетоны Полиарилэфиркетоны представляют собой ароматические полимеры (полиарилены), молекулярные цепы которых построены из фениленовых циклов, карбонильных групп и атомов кислорода. Синтезировано несколько типов полиарилэфиркетонов — полиэфирэфирке- тон (ПЭЭК), полиэфирэфирэфиркетон (ПЭЭЭК), полиэфирэфиркетонэфирке- тон (ПЭЭКЭК), полиэфиркетон (ПЭК), полиэфирэфиркетонкетон (ПЭЭКК), полиэфиркетонэфиркетон-кетон (ПЭКЭКК), полиэфиркетонкетон (ПЭКК), свойства которых определяется содержанием кетонных групп (табл. Таблица 4.32. Т с и Т пл полиарилэфиркетонов в зависимости от содержания кетонных групп в структуре полимера [302] Полиэфиркетоны Концентрация кетонных групп, % Т пл , °С Т с , °С Замещенный полифениленоксид 0 285 110 ПЭЭЭК 25 324 129 ПЭЭК 33 335 141 ПЭК 37,5 337 144 ПЭЭКЭК 40 345 148 ПЭК 50 365 152 ПЭЭКК 50 365 150 ПЭКЭКК 60 384 160 ПЭКК 67 391 Ароматические полиэфиркетоны за рубежом производили различные фирмы полиэфиркетон PEEK Victrex (ICI, ICI Americas, Solvay S.A., Comptek Farbbatch und Compounds Kunststoffverarbeitung GmbH, Cte S.A., Gharda Chemicals Limited, IFK-Isofluor GmbH, Lati Industria Termoplastici S.p.A., Lehman und Voss Co., LNP Engineering Plastics Europe BV, Victerex plc); полиэфиркетоны ПЭК (Lehman und Voss Co., LNP Engineering Plastics Europe BV); полиарилэфиркетоны ПАРЭК (Lehman und Voss Co.); полиарил- эфиркетон ПАЭК (Comptek Farbbatch und Compounds Kunststoffverarbeitung GmbH, GE Plastics, Lehman und Voss Co., LNP Engineering Plastics Europe BV; поликетон Kadel (Amoco Perfomance Products), поликристалический Declar (листы толщиной 1–3 мм — Du Pont). Кг. определились основные фирмы разработчики и производители Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость |