English
選擇頁面

TITAN液晶聚合體

作者:
作者:
蔡宏斌 國立宜蘭技術學院化工系教授
蔡瑞禧 大華技術學院化工系副教授
林建興 允拓材料科技股份有限公司

TITAN液晶聚合體是由Eastman化學公司所開發出的熱向性液晶共聚酯。TITAN液晶聚合體擁有熱向性液晶聚合體的一些突出特性包括優異的加工性,機械性質,耐燃性,耐熱性,尺寸安定性以及耐化學品性。TITAN液晶聚合體也具有不錯的熔合強度,較其他LCP為高,成型後的異向性也比較低,使其在設計上更具彈性。TITAN液晶聚合體還具有獨特而優異的軔性以及柔曲性。TITAN液晶聚合體的熱變形溫度高達275℃,再加上均衡而優異的特性使得TITAN LCP相當適用於製造SMT(表面黏著技術)電子連接器。其他有潛力的應用包括電氣/電子零件,機械零件,汽車零件,醫療器材,薄膜以及纖維等。

 

前言

自1970年代以來,LCP(液晶聚合體)就深受工業界及學術界的注目。一些LCP在液晶態下加工,可使分子具有高度定向(orientation)。分子定向可使產品具有特出的物性。Du Pont的Kevlar纖維即利用芳香族聚醯胺在液向性液晶態下抽絲而得,高度的分子定向使 Kevlar纖維具有超高強度及彈性係數。熱向性LCP在液晶態下具有極低的熔融黏度,而成型後的分子定向可形成高強度的產品,因而被視為理想的高性能材料。基於此,在1980年代以後陸續有成功的熱向性LCP商品出現:Amoco的Xydar,Hoechst Celanese的Vectra,Sumitomo的Sumikasuper,Du Pont的Zenite,Toray的Siveras,Unitika的Rodrun,Mitsubishi Chemical的Novaccurate以及Ueno Fine Chemical的Ueno LCP等。

這些熱向性LCP的主要特色為加工性佳,強度高,模收縮率極低,尺寸安定性高,耐燃性佳,以及耐熱性優異,可說是相當理想的熱塑性高性能材料。然而,熱向性LCP也有一些令人困擾的缺點。首先,熱向性LCP的熔合強度(welding strength)較差,熔合點或部位常成為零件的弱點。解決熔合強度不佳的問題可在模具設計時避免熔合部位成為著力點或支撐結構。其次,分子定向使產品具有高度的異向性(anisotropic)。譬如說垂直於流動方向的物性遠低於平行方向,也就是說熱向性LCP成品的某些部位常因異向性程度高而成為零件的弱點。添加玻璃纖維作為補強劑可降低異向性至可接受的程度。然而,在經驗上,模具設計還是相當重要的。良好的模具設計可將異向性的問題減至最低。一般的熱向性LCP的單體原料成本高,以是,熱向性LCP常被視為高價位的材料。在這高度競爭的時代裡,價格過高成為熱向性LCP的一大缺點。

在1970年代,Eastman Kodak的Jackson及Kuhfuss對熱向性液晶共聚酯PET/HBA的研究可說是熱向性LCP的里程碑。而擁有數十年相關經驗的Eastman化學公司降低了原料成本,且改進了液晶共聚酯的製程,於二十世紀末期推出了有競爭性的TITAN LCP。

TITAN LCP為基於對羥基苯甲酸(p-hydroxybenzoic acid),2,6-㗎二甲酸 (2,6-naphthalenedicarboxylic acid)以及氫酉昆(hydroquinone)的熱向性液晶共聚酯。其他耐熱性優異的熱向性LCP往往含有一種或多種價格極為昂貴的單體如2,6-羥基㗎甲酸(2,6-hydroxynaphthoic acid)或4,4′-二羥基聯苯(4,4′-biphenol)。而避免使用價格特別高的單體,並且改善聚合製程後,TITAN LCP的價格已有良好的競爭性,在可預見的未來將更具競爭力。

TITAN LCP擁有熱向性LCP原有的優點:加工性佳,耐熱性優異,強度高,模收縮率極低,尺寸安定性高以及耐燃性佳。此外,TITAN LCP具有優異的耐衝擊強度以及絕佳的柔曲性。TITAN LCP的試片可彎曲360°,顯示其絕佳的軔性與柔曲性。TITAN LCP的熔合強度較其他LCP為高,成型後的異向性也比較低,使其在設計上更具彈性。

TITAN LCP的價格可低於每公斤10美元。均衡而優異的特性以及具有競爭力的價格使得TITAN LCP趨近於更為理想的熱塑性高性能材料。TITAN LCP相當適用於製造SMT(表面黏著技術)電子連接器。其他有潛力的應用包括電氣/電子零件,機械零件,汽車零件,醫療器材,薄膜以及纖維等。

 

TITAN LCP的等級與性質

目前,Eastman提供四種等級的TITAN LCP。TITAN LN001為純LCP,較適於薄膜以及纖維的用途,也可用來配製特殊用途的複合材料。TITAN LG431為30%玻璃纖維補強的LCP,被設計為連接器用的標準等級,適用於製造SMT電子連接器。TITAN LG441為45%玻璃纖維補強的等級,而TITAN LGM641為40%玻璃纖維及礦物補強的等級,這兩種等於可應用較特殊的場合。各種等級的TITAN LCP的一些性質如表1所示。

 

TITAN LCP的機械性質

TITAN LCP的機械性質 TITAN LCP具有優良的機械性質,如表1所示。純樹脂TITAN LN001因分子定向的緣故而顯現相當高的抗張強度與曲折強度。經玻璃纖維補強的TITAN LCP的強度雖未見大幅提升,但其曲折模數隨著玻璃纖維含量的增加而提高,顯示玻璃纖維補強後可提高剛性。玻璃纖維的存在還有降低異向性的功效,使其更適於射出成型加工。

TITAN LG431與含30%玻璃纖維補強的其他LCP的一些性質比較如表2所示。TITAN LCP的機械性質約略與其他LCP相當。在機械性質方面,TITAN LCP最突出的地方為其優異的耐衝擊強度與柔曲性。TITAN LG431的耐衝擊強度與斷裂伸長率常較其他LCP為佳,如表2所示。而TITAN LCP的試片可彎曲360°,顯示其絕佳的軔性與柔曲性。此特性在高密度SMT電子連接器上的應用相當有用。當電子連接器的密度很高時,插入接腳所造成的變形比例相對較大,如果材料的柔曲性不佳時,破裂就可能產生。因此,耐溫性優異而軔性與柔曲性絕佳的TITAN LCP就成為高密度SMT電子連接器的最佳選擇之一。

在室溫及低負載下,TITAN LCP具有優異突出的耐蠕變性(creep resistance)。 TITAN LG431在150℃下的蠕變模數曲線如圖1所示。由圖可看出LG431要在相當高的溫度或負載才會顯現明顯的蠕變現象,而其蠕變模數在長時間下仍可維持在穩定的水準。也就是說在較高的溫度與負載下,TITAN LCP仍具有相當優良的耐蠕變。

整體來說,TITAN LCP具有均衡而優異的機械性質。


表一.TITAN LCP的典型性質


表2. TITAN LG431與其他30%玻璃纖維補強的LCP的性質比較


圖1. TITAN LG431在150℃下的蠕變模數曲線

 

TITAN LCP的熱性質

TITAN LCP具有優異的耐熱性。

TITAN LCP的HDT(熱變形溫度;負載為1.82 Mpa)高達275-280℃。與常用30%玻璃纖維補強的其他LCP比較,LG431的HDT是屬於較高者,如表2所示。因此,TITAN LCP的耐溫性相當優異。

HDT為在固定的負載下(譬如說1.82 Mpa),在固定升溫速率下試片的曲折(flexural)變形量到達某特定值(譬如說0.2%的曲折應變量)的溫度,可依據ASTM D648的方法測定出。因此,HDT與材料的曲折模數對溫度的關係有所關聯。也就是說HDT僅可作為耐溫性的設計參考,但不可視為耐溫性的絕對值。在設計上,有些零件或成品會在高溫下,但在低負載下滯留較短的時間。表面粘著技術(SMT)所要求的零件必須能耐流動焊錫的溫度,譬如說有些焊接製程要求零件在250℃下能持續耐45至75秒。這時所要求的耐熱性可能與HDT所指者有所不同。 因此,比較接近實用條件的評估就相當重要了。將試片放置模擬的高溫條件下,觀察試片的變化如是否造成變色,變形,翹曲或起泡,也可評估材料的耐溫性。

Eastman化學公司以高溫起泡測試來模擬組裝作業中材料短時間暴露於高溫所能承受的溫度。其測試過程是將1/16英吋的試片浸於熔化金屬浴中30秒鐘,然後觀察試片是否有起泡或變形。在熔化金屬浴中的測試要較高溫油浴中更為嚴苛。圖2為TITAN LG43l與Vectra LCP的高溫起泡測試結果。由圖2可看出LG43l可耐至280℃的溫度而不會有變形或起泡的現象。也就是說LG43l適用於IR(紅外線)焊接的應用領域,且其可承受至280℃的溫度。


圖2. TITAN與Vectra LCP的高溫起泡測試結果

 

TITAN LCP的電氣性質

TITAN LCP的一些電氣性質如表1所示。TITAN LCP具有優良的電氣絕緣性質。TITAN LCP也具有優良的介電性質,在寬廣頻率範圍可維持穩定的介電常數。此外,TITAN LCP在GHz以上的超高頻範圍仍具有低而穩定的介電常數,如表3所示。對於超高頻範圍的應用領域,低而穩定的介電常數是相當重要的特性。因此,TITAN LCP也適用於超高頻零件的製造。


表3. TITAN LCP在高頻下的介電常數

 

TITAN LCP的耐燃性

TITAN LCP係由芳香族單體單位所構成。如同其他芳香族LCP一樣,TITAN LCP在本質上便具有優異的耐燃性,不需阻燃劑即可通過UL 94 V-0級。

 

TITAN LCP的耐化學品性

TITAN LCP與其他芳香族液晶共聚酯一樣,TITAN LCP具有優異的耐化學品性。TITAN LCP對芳香族溶劑,脂肪族溶劑,氯化溶劑,酯類,酮類,鹼類,鹽類,氧化劑以及弱酸等皆有優良的耐受性,但一些強酸會影響或攻擊TITAN LCP。因此,TITAN LCP應避免應用於強酸,尤其是高濃度強酸的環境。

 

TITAN LCP尺寸安定性

TITAN LCP在熔點(325℃)之下的溫度雖為結晶態,但其結晶度相對較低。更特殊的是其從熔融液晶態下固化後,原有的分子定向仍然可以保持。因此,TITAN LCP的模收縮率很低,如表4所示。低模收縮率使TITAN LCP具有絕佳的尺寸安定性。 TITAN LCP在加工時所造成的分子定向在冷卻固化後仍然可以維持一定的水準。如此固化後的分子定向,除了顯現高強度的特性之外,尚可在廣泛溫度範圍間顯現優良的尺寸安定性。因此,與其他熱向性LCP一樣,TITAN LCP具有優異的高溫尺寸安定性。


表4. TITAN LCP的成型後收縮率

 

TITAN LCP的加工成型

ITAN LCP具有極為優異的流動性質,其熔融黏度很低,模收縮率也很低。因此,TITAN LCP具有優異的加工成型性。

TITAN LG431的熔融黏度曲線如圖3所示。由圖3可看出TITAN LCP的熔融黏度對剪切變率以及溫度都很敏感,溫度提高或剪切變率提高使其熔融黏度大幅降低。在330至355℃間,LG431在剪切變率為1,000 sec-1下,其黏度低於50 Pa.s,可說是市面上熔融黏度最低者之一。


圖3. TITAN LG431的熔融黏度曲線

以螺旋模穴厚度為0.08公分的模具測量TITAN LG431,PCT(聚對苯二甲酸環己烷二甲酯)及尼龍的流動性質,不同溫度下的螺旋流動長度如圖4所示。很明顯的可看出在適切的加工溫度範圍間,LG431的螺旋流動長度要較PCT及尼龍長得多。也就是說TITAN LCP在很薄的模穴中的流動性質相當優異。因此,TITAN LCP特別適合於超薄壁零件的充填,而且不會起毛邊。


圖4. TITAN LG431,PCT及尼龍的螺旋流動長度曲線

TITAN LCP在薄壁的充填性還可利用射速或射壓來加以改進。圖5顯示在340℃下,射速對TITAN LCP的螺旋流動長度的影響。一般而言,提高射速或射壓可增高螺旋流動長度,提升薄壁充填性。值得注意的是圖5也顯示不同等級的TITAN LCP有截然不同的流動性。LG441的流動性較LG431為差,而LGM641的流動性較LG431為佳。


圖5. 射速對TITAN LCP的螺旋流動長度的影響

熱向性LCP的在加工後的分子定向使其具有高度的異向性,因此,其熔合強度,或稱熔合線強度(weldline strength),通常較一般熱塑性塑膠為較差。而TITAN LCP具有不錯的熔合強度。TITAN LG431與其他LCP的熔合強度如圖6及圖7所示。很明顯的可看出LG431的熔合強度及熔合後的強度保持率通常較其他LCP為佳,使其在設計上更具彈性。必須注意的是加工條件也會影響TITAN LCP的熔合強度。在較高的溫度下加工,譬如說高於340℃,可使TITAN LCP具有略高的熔合強度熔。


圖6. TITAN LG431與其他LCP的熔合強度

TITAN LCP的回收性極為優良。TITAN LG431經過多次的成型,再粉碎後成型,測量其無凹口Izod耐衝擊強度,結果如圖8所示。由圖8可看出,LG431經過多次的粉碎與成型後,仍可維持其高軔性。另外,TITAN LCP經過多次的粉碎與成型後,也可維持其優異的抗張強度與曲折性質。


圖8. TITAN LG431經過數次粉碎與成型後的無凹口耐衝擊強度保持率

TITAN LCP的模收縮率很低,如表4所示,再加優異的流動性質,使得TITAN LCP極易於加工成型。TITAN LCP可輕易地利用押出及射出成型法來加工。

TITAN LCP的加工條件如表1所示。以LG431為例,其典型的加工條件如表5所示。


表5. TITAN LG431的典型的射出成型條件

 

TITAN LCP的應用

TITAN LCP具有優異的耐熱性,其耐溫性可達275-280℃。TITAN LCP的機械性質優異,高溫尺寸安定性突出,軔性及柔曲性極佳,耐化學品性優異,耐燃性優異,電氣絕緣性與介電性質佳。而TITAN LCP的熔融黏度低,模收縮率低,加工時釋出氣體及機面析出(plateout)極微,加工窗口寬廣,成型週期快速,顯示其加工性優異。均衡而優異的特性,易於加工以及具有競爭力的價格使得TITAN LCP趨近於更為理想的熱塑性高性能材料。TITAN LCP相當適用於製造SMT電子連接器。

產品及電路的小型化促使電機/電子工業朝向高接腳密度以及表面黏著技術方向發展。TITAN LCP的低熔融黏度使其適用於超薄壁零件的精密成型。TITAN LCP的優異耐熱性使其可承受SMT組裝溫度。另外,TITAN LCP的低模收縮率簡化了模具設計與模具製作的程序而提高了成本效益。因此,TITAN LCP特別適用於製造精密電機/電子零件。在這方面,TITAN LCP的典型的應用例子包括晶片承載器(chip carriers),預燒式插座(burn-in sockets),線圈軸(coil bobbins),接腳柵格陣列(PGA;pin grid array),球格陣列(BGA;ball grid array),DIMM、RIMM及DDR 插座,通訊連接器,開關,智慧卡讀取機,外殼,保險絲座,繼電器以及各種連接器。

傳統上,汽車工業對成本是相當敏感的,然而,使用TITAN LCP將可由其快速的成型週期得到利益。的確,以TITAN LCP製造燃料系統零件,感應裝置以及火星塞絕緣器等零件將可從其加工優勢中獲利。因此,TITAN LCP在各種高性能汽車零件的應用是很有潛力的。

其他有潛力的應用包括,機械零件,醫療器材,薄膜以及纖維等。典型的應用例子包括需要高耐熱性的工業零件如化學填充塔填充材料(tower packing),軸承箱,醫療儀器以及牙科用托盤等。