Nestekidemuovit (LCP) Tampereen teknillinen yliopisto Sanna Nykänen Nestekidemuovit voidaan luokitella kiteisiksi erikoismuoveiksi, jotka ovat suhteellisen kalliita materiaaleja. Niiden luokitteluperiaate eroaa muista muoviryhmistä, kuten esim. styreenimuoveista ja polyolefiineistä, siinä, että nestekiteisyydellä ei tarkoiteta koostumuksen samankaltaisuutta, vaan materiaalien samankaltaisia fysikaalisia käyttäytymis ja rakenneominaisuuksia. Nestekiteisyydellä tarkoitetaan kiteisen, kiinteän materiaalin ja isotrooppisen (amorfisen) nesteen välitilaa. Nestekide nimitys perustuu materiaalien nestemäisiin virtausominaisuuksiin. Sulina nestekidemuovien molekyylit säilyttävät osan järjestäytyneisyydestään. Nestekidemuoveja kutsutaankin itselujittuviksi materiaaleiksi johtuen niiden orientoitumisesta. Kuvassa 1. on esitetty nestekidemuovin ja tavallisen muovin kiinteytyessä muodostuva morfologia. Kuva 1: Muovin kiinteytyessä syntyvä morfologia. a) nestekidemuovi, b) tavallinen muovi. Valmistus Nestekidemuovien valmistuksessa käytetään pääasiassa polyestereitä. Myös esim. polyesterikarbonaatteja, polyesteriamideja ja imidejä voidaan käyttää niiden valmistuksessa. Yleensä valmistusmateriaalit ovat aromaattisia yhdisteitä. Nestekiteiden muodonmuutokseen tarvitaan hyvin vähäinen määrä energiaa, joten hyvinkin pienet epäpuhtauden materiaalissa voivat muuttaa nestekiteiden rakennetta huomattavasti. Kuvassa 2. on esitetty nestekidemuovien valmistukseen soveltuvien materiaalien rakenteita. LCP 1
Kuva 2: Nestekidemuovien valmistukseen soveltuvien materiaalien rakenteita. Jaottelu Nestekidemuovit voidaan jaotella kolmeen eri perusryhmään: lyotrooppiset ja termotrooppiset nestekidemuovit sekä polymeerien ja pienimolekyylisten nestekiteiden seokset. Lyotrooppiset nestekidemuovit. Aine on saatettava nestekidetilaan liottamalla, jos molekyyliketjujen väliset sidosvoimat ovat niin suuret, että riittävä lämpöenergian tuonti hajottaa materiaalin kemiallisen rakenteen. Tällaista nestekidemuovia kutsutaan lyotrooppiseksi. Nestekiteinen tila on saatu aikaan tietyllä liuottimen konsentraatiolla. Termotrooppiset nestekidemuovit. Termotrooppisia nestekidemuoveja voidaan prosessoida lämmön avulla. Niiden valmistus tapahtuu pääasiassa aromaattisesta kopolyesteristä. Polymeeriketjut sisältävät jäykkiä, sauvamaisia osia (mesogeenejä). Prosessoinnin aikana nämä sauvamaiset osat käyttäytyvät kuitulujitteen tavoin ja muovin rakenteesta tulee kuitulujitetun kaltainen. Polymeerien ja pienimolekyylisten nesteiden seokset. Seoksia, jotka ovat nestekidemäisiä, saadaan aikaan kun sulatyöstettäviin polymeereihin sekoitetaan pienimolekyylisiä nestekiteitä. Ominaisuudet Termotrooppiset nestekidemuovit ovat yksi lupaavimmista uusista erikoismuovien ryhmistä, sillä suurin osa niiden ominaisuuksista on nykyään käytettyjen kestomuovien ominaisuuksia parempia. Toisaalta itselujittuvien polymeerien fysikaaliset ominaisuudet eivät juuri eroa täytettyjen tai lujitettujen teknisten muovien ominaisuuksista. Nestekidemuoveilla on yhtä hyvät mekaaniset ominaisuudet kuin kuitulujitetuilla komposiiteilla, erinomainen lämmönkesto ja kemiallinen kestävyys. Nestekidemuovien käytön pääasiallisia syitä ovat Hinta/ suorituskyky suhde Suhteellisen matala prosessointilämpötila Hyvä kemiallinen kestävyys Sulan juoksevuus Hyvä palonkesto Mittapysyvyys korkeissa lämpötiloissa Mahdollisuus saavuttaa erinomaiset ominaisuudet jossain tietyssä suunnassa (virtaussuunnassa). Tämä ei ole mahdollista tavallisilla muoveilla. Alhainen lämpölaajenemiskerroin Jäykkyys pienillä seinämänpaksuuksilla LCP 2
Mekaaniset ominaisuudet Nestekidemuovit ovat ominaisuuksiltaan anisotrooppisia ja siksi niiden ominaisuudet ovat parempia pituus kuin leveyssuunnassa. Anisotropiaa voidaan vähentää lisäaineiden käytöllä. Nestekidemuovien heikkoja ominaisuuksia ovatkin ominaisuuksien anisotrooppisuus, yhtymäsaumojen heikko lujuus sekä alhainen murtovenymä (1,2 6,9 %). Nestekidemuoveilla on suuri jäykkyys ja lujuus (etenkin virtaussuunnassa) sekä korkea iskulujuus. Jäykkyyttä voidaan vielä lisätä lujitteiden avulla, mutta tällöin vetomurtolujuus sekä iskulujuus pienenevät. Termiset ominaisuudet Nestekidemuovien käyttölämpötila alue on laaja. Erittäin hyvät mekaaniset ominaisuudet säilyvät jopa lämpötilaan 160 C saakka. Esimerkkinä iskulujuus pysyy lähes muuttumattomana lämpötilaan 80 C asti ja HDT lämpötilat (1,8 MPa) ovat välillä 120 355 C. Nestekidemuovien lämmönkesto riippuu mm. molekyylirakenteesta, kidevirheistä, epäpuhtauksista materiaalissa ja prosessointiolosuhteista. Amorfiset nestekidemuovit ovat pysyviä n. + 185 C saakka ja osittain kiteiset nestekidemuovit kestävät n. + 275 C lämpötiloja. Nestekidemuoveilla on erittäin pieni lämpölaajenemiskerroin. Se on vain n. 0,1 0,5 kertainen verrattuna normaaleihin kestomuoveihin. Sulamislämpötilat vaihtelevat välillä + 275 + 435 C. Nestekidemuovien sulattamiseen tarvittava lämpömäärä on vain n. 1/10 tavallisten kestomuovien sulattamiseen tarvittavasta lämpömäärästä. Näin ollen myös niiden jäähdyttäminen vaatii vähemmän energiaa, joten niiden työstökustannukset ovat tavallisten muovien työstökustannuksia pienemmät. Lisäksi lyhyet valmistusajat mahdollistaa sulan nopea jähmettyminen. Kemialliset ominaisuudet Nestekidemuoveilla on erinomaiset kemialliset ominaisuudet johtuen niiden molekyylirakenteesta (aromaattisuus). Ne ovat liukenemattomia kaikkiin yleisiin liuottimiin myös korotetuissa lämpötiloissa. Niillä on myös hyvä kestävyys väkeviä happoja ja emäksiä vastaan. Nestekidemuoveilla on erittäin pieni veden absorptio sekä hyvä jännityssäröilyn kesto. Niillä on myös hyvä säänkesto. Sähköiset ominaisuudet Nestekidemuoveilla on erittäin hyvät sähköiset ominaisuudet ja ne säilyvät laajalla lämpötila alueella. Reologiset ominaisuudet Nestekidemuoveilla on hyvä sulan massan juoksevuus, joka on riippuvainen ruiskutuspaineesta ja seinämänpaksuudesta. Niiden viskositeetti on 0,25 0,5 kertainen tavallisiin kestomuoveihin verrattuna. Tämän takia pitkien, yhtenäisten osien ruiskuvalaminen on mahdollista ja ruiskutusnopeus ruiskuvalussa voi olla erittäin suuri. Myös hyvin pieniä yksityiskohtia voidaan ruiskuvalaa, sillä sula virtaa pieniinkin muotin onkaloihin. LCP 3
Muita ominaisuuksia Erittäin pieni muottikutistuma Ei muottikutistumaa virtaussuunnassa Kutistuma voi olla negatiivinen virtaussuunnassa, jos orientaatio on suuri Suurten täyteainepitoisuuksien käyttö mahdollista Pieni kitkakerroin Hyvä kulumiskestävyys Pieni läpäisevyys Ruiskuvaletut kappaleet eivät tarvitse jälkikäsittelyä Prosessointi Termotrooppisia nestekidemuoveja prosessoidaan pääasiassa ruiskuvalulla tai ekstruusiolla. Nestekidemuovit tarvitsevat melko korkeita lämpötiloja sulaakseen. Niillä on kuitenkin suhteellisen pieni entalpia, joten niiden plastisointi on melko helppoa. Muottilämpötilojen vaihtelu voi olla erittäin suurta, + 50 180 C, riippuen käytettävästä nestekidemuovilajikkeesta. Myös massalämpötila riippuu nestekidemuovityypistä. Prosessoitaessa nestekidemuoveja havaitaan niiden tyypilliset ominaisuudet; matala viskositeetti ja rakenteen voimakas orientoituminen. Nestekidemuovien orientoitumisesta johtuen niistä valmistettavat ruiskuvalettavat kappaleet on suunniteltava mahdollisimman ohutseinämäisiksi. Jos kappaleella on paksut seinämät, kappaleen sisemmät osat eivät orientoidu ja niiden lujuusominaisuudet jäävät mataliksi. Myös yhtymäsaumojen lujuus on heikko johtuen voimakkaasta orientaatiosta. Nämä edellä mainitut tekijät vaikeuttavat nestekidemuovikappaleiden suunnittelua. Nestekidemuovien kiinteytyminen tapahtuu hyvin nopeasti, sillä molekyylirakenne on järjestäynyt valmiiksi jo sulatilassa. Tämä mahdollistaa hyvin nopeat (10 s) valmistusajat ruiskuvalussa. Suurilla seinämänpaksuuksilla virtaussuuntaiset ominaisuudet heikkenevät. Nestekidemuoveilla on hyvin pienet kutistumat, sillä niiden kiderakenne säilyy kiinteässäkin olomuodossa. Kiteet eivät järjestäydy uudelleen sulatilassa, kuten tapahtuu normaaleilla osittain kiteisillä polymeereillä. Nestekidemuovien pienet kutistumat mahdollistavat pienien päästökulmien käyttämisen. Jos muotti on hyvin kiillotettu, on mahdollista työntää päästöttömiä kappaleita muotista ulos onnistuneesti. Erittäin herkkäjuoksuinen materiaali kopioi muotin pinnan hyvin tarkasti, joten yleissuosituksena on kuitenkin käyttää 0,5 päästökulmaa. Toisaalta nestekidemuovit ovat hyvin jäykkiä lujittamattominakin ja vastapäästöjä ei voida käyttää ilman liikkuvia keernoja. Muotin suuttimen portin olisi oltava pieni, jos ruiskuvalettava kappale on ohutseinäinen. Nestekidemuovien ruiskutusnopeus muottiin on suuri ja näin ollen muotin kaasunpoiston on oltava hyvä. Kaasunpoistokanavien syvyys tulisi olla 0,015 0,025 mm ja leveys 2 3 mm. LCP 4
Käyttökohteet Tyypillisiä nestekidemuovien käyttökohteita ovat mm. Nestekidenäytöt Optiset suodattimet Optinen lämpötilanmittaus Kuidut Kalvot Pinnoitteet Muotokappaleet Kauppanimiä Vectra (Hoechst; Ticona, DE) Laxtar (LATI S.p.A., IT) Zenite (Du Pont, USA) Xydar (Solvay Advanced Polymers, USA) Lähteet Järvelä P. et al., Ruiskuvalu, Plastdata, Tampere, 2000. Plastic materials and their technical applications, Course material, Tampere University of technology; Plastics and elastomers laboratory. LCP 5