Polímeros de cristal líquido (LCP)

Introducción

Los polímeros de cristal líquido (LCP) son una clase de compuestos de poliéster aromático. Son extremadamente inertes y altamente resistentes al fuego. Los LCP resultan útiles para piezas eléctricas y mecánicas, envases de alimentos y aplicaciones que requieran inercia química y alta resistencia. Son una clase de materiales que combinan las propiedades de los polímeros con las de los cristales líquidos. Estos "híbridos" muestran las mismas características de mesofases de los cristales líquidos ordinarios, pero conservando muchas de las propiedades útiles y versátiles de los polímeros. Los LCP son vendidos por fabricantes bajo una variedad de nombres comerciales. Estos incluyen el Zenite desarrollado por DuPont y el Vectran de Ticona

Historia (cronología de los LCP)

1972 - Carborundum (CBO) comercializa EKKCEL 1-2000 (copolímero de ácido p-hidroxibenzoico, ácido tereftálico y 4,4-dihidroxi difenil)

1976 - Eastman Kodak anuncia X-7G, un tipo de poliéster de cristal líquido modificado con ácido p-hidroxibenzoico (p-HBA)

1979 - Sumitomo Chemical desarrolla la serie de LCP Ekonol E2000 con tecnología propia.

1984 - CBO Tecnology se vende a Dart, y su subsidiaria Dartco (ahora Amoco) comercializa un tipo de LCP resistente al calor (Xydar).

1985 - Celanese (ahora Ticona) estrena un LCP Tipo II (VECTRA ® LCP) con un buen equilibrio entre la resistencia al calor y capacidad de procesamiento.

Estructura química y síntesis
La cristalinidad liquida en polímeros puede ocurrir ya sea por disolución de un polímero en un disolvente (polímeros de cristal líquido liotrópicos) o por calentamiento de un polímero por encima de su punto de fusión o temperatura de transición vítrea (polímeros de cristal líquido termotrópicos). Los polímeros de cristal líquido están presentes en forma fundida/líquida o sólida. En forma sólida el principal ejemplo de LCP liotrópico es la aramida comercial conocida como Kevlar. La Estructura química de este aramida consiste en anillos aromáticos linealmente sustituidos unidos por grupos amida.

Estructura molecular de Kevlar

De forma similar, varias series de LCP termotrópicos se han producido comercialmente por varias compañías como, por ejemplo, el Vectran. El monómero utilizado para estos últimos puede ser el p-HBA (ácido para-hidroxibenzoico o ácido 4-hidroxibenzoico).

Los polímeros polimerizados únicamente a partir de p-HBA no se funden y, como tal, no se pueden procesar. Por lo tanto, la copolimerización con monómeros diferentes se lleva a cabo y se adopta un equilibrio entre el punto de fusión y las propiedades de cristal líquido cuando se fabrica el LCP.

Estructura molecular del LCP Vectran

Químicamente, el Vectran es un copoliéster aromático producido por la policondensación de ácido 4-hidroxibenzoico y 6-hidroxinaftaleno 2-carboxílico.

Síntesis del Vectran

Propiedades y características

Un alto número de LCP, producido en la década de 1980, mostraba un orden en la fase de fusión análoga a la mostrada por cristales líquidos no poliméricos. El procesamiento de LCP en fase de cristal líquido (o mesofase) da lugar a fibras y materiales inyectados que tienen altas propiedades mecánicas como consecuencia de las propiedades de auto-refuerzo derivados de la orientación macromolecular en la mesofase.

Hoy en día, los LCP pueden ser elaborados en estado fundido en un equipo convencional a altas velocidades con excelente replicación de detalles del molde. De hecho, la gran facilidad de conformación de los LCP es una importante ventaja competitiva frente a otros plásticos compensando su alto costo.

Existe poco entrelazamiento de las moléculas, y la aplicación de una fuerza de cizalladura ligera las orienta en una dirección. Una vez enfriado y solidificado, mantiene un estado estable.

Cadenas moleculares se alineen una vez moldeado, y esto genera un efecto de auto-refuerzo, lo que da como resultado una extremadamente alta resistencia y módulo elástico.

A pesar de tener un módulo elástico altos, exhibe características de absorción de vibraciones.

El coeficiente de dilatación lineal en la dirección de flujo, es muy pequeña, exhibe un valor menor que los plásticos convencionales, a la par con el acero.

Cuanto más delgada sea el producto, mayor es la proporción de la capa superficial orientada, una resistencia y módulo elástico mayores se puede lograr en el más delgado producto.

Debido a su estructura microcristalina, el LCP posee temperatura de deflexión bajo carga superiores (160-340°C, según el grado), la temperatura de uso continuo (220-240°C), y resistencia al calor de soldadura (260ºC durante 10 s, más de 310°C durante 10 s), a pesar de su punto de fusión relativamente bajo.

Orientación de las moléculas del LCP durante la extrusión/inyección

Detalle de la orientación de las moléculas del LCP

Tabla de propiedades típicas

Propiedades físicas	Valor - Unidad
Densidad	1.38 - 1.82 g/cc
Absorción de humedad en equilibrio	0.0200 - 0.0400 %
Transmisión de vapor de agua	0.00606 - 0.354 cc-mm/m²-24hr-atm
Transmisión de oxigeno	0.0154 - 0.0472 cc-mm/m²-24hr-atm
Contracción lineal en molde	0.00100 - 0.00400 cm/cm
MFI	9.00 - 18.0 g/10 min
Propiedades mecánicas	Valor - Unidad
Resistencia a la tracción	128 - 182 MPa
Elongación a la rotura	0.500 - 3.40 %
Módulo de elasticidad	10.6 - 20.7 GPa
Límite elástico a la flexión	75.8 - 178 MPa
Módulo de flexión	9.10 - 16.5 GPa
Impacto Izod con muesca	0.267 - 4.00 J/cm
Impacto Izod con muesca (ISO)	14.0 - 95.0 kJ/m²
Propiedades térmicas	Valor - Unidad
Punto de fusión	212 - 280 °C
Temperatura de deflexión a 1.8 MPa (264 psi)	105 - 277 °C
Procesamiento	Valor - Unidad
Temperatura de proceso	225 - 366 °C
Temperatura zona posterior	185 - 280 °C
Temperatura zona media	205 - 290 °C
Temperatura zona delantera	225 - 295 °C
Temperatura dado	225 - 295 °C
Temperatura molde	65.6 - 121 °C

Fuente: http://www.matweb.com

Tipos de polímeros de cristal líquido

Los LCP se pueden dividir en tres categorías de acuerdo a la temperatura de deformación por calor: 
1.- Tipo I LCP: HDT superior a 300°C.
2.- Tipo II LCP (A): HDT entre 240°C y 300°C. Tipo II LCP (B): HDT entre 200°C y 240°C.
3.- Tipo III LCP: HDT por debajo de 200°C.
Estas variaciones en el comportamiento de los LCP están íntimamente relacionadas con los comonómeros utilizados en su formulación

Estructura molecular de los distintos tipos de LCP

Aplicaciones
Una aplicación de cristales líquidos poliméricos que se ha desarrollado con éxito para la industria es el área de fibras de alta resistencia como ser:

Cuerdas y Cables
Las fibras de LCP son utilizadas en cuerdas de paracaídas o de rescate, eslingas capaces de soportar grandes pesos o remolque, sistemas de amarre de buques y puentes capaces de reemplazar los cables de acero.

Eslingas con núcleo de fibra Vectran levantando turbina de energía nuclear

 

Cables de puente colgante peatonal autopista interestatal 610 (Texas, EE.UU.)

Industria militar / aeroespacial

El primer uso de fibra de LCP era para aplicaciones militares exigentes y especializadas. La propiedad única de esta fibra de alto rendimiento satisface muchas de las necesidades militares y aeroespaciales de hoy. De hecho, airbags hechos con fibra de Vectran amortiguaron con éxito los aterrizajes de las sondas Pathfinder, Spirit y Opportunity en la superficie de Marte. El Vectran ofrece una excepcional resistencia a la fatiga por flexión, proporcionando las características de manejo de carga superior para cuerdas de remolque, carga amarres e hinchables.

Airbags del Pathfinder (vehículo no tripulado a Marte)

Artículos deportivos

Cada vez más se utiliza el Vectran en aplicaciones civiles como el caso de los artículos deportivos como cuerdas de alpinismo, raquetas, sedales, etc.

Hilos tensores de raquetas

Aplicaciones industriales de fibra de LCP
Además de su utilización en cuerdas y eslingas en la industria, la fibra de LCP, debido a su resistencia, puede ser utilizada para indumentaria de protección personal como ser guantes anti-corte y ropa de trabajo resistente al corte.
Las fibras de Vectran también pueden ser utilizadas para refuerzos de neumáticos para evitar pinchaduras.

Guantes anti-corte

Vectran Breaker - Protección contra los pinchazos en ruedas de bicicletas

Composites
Dada su resistencia puede ser utilizada como material de refuerzo en materiales compuestos de matriz polimérica e incluso como refuerzo del concreto.

Componentes electrónicos y otros productos inyectados
Otro uso importante de los polímeros de cristal líquido se encuentra en la fabricación de micro-piezas mediante procesos de micro-inyección como por ejemplo conectores, partes de auriculares, lectores ópticos, sensores, zócalos y otros componentes electrónicos. Pero también es utilizado para piezas de mayor tamaño como bandejas para instrumental quirúrgico o dental, componentes para el sistema de combustión de automóviles, relleno de columnas de destilación, sellos, etc.

Conectores

Acople de fibra óptica

Piezas de lector óptico de CD

Zócalo SIMM

Bandeja para instrumentos dentales

Film y lámina

Los polímeros de cristal líquido pueden ser extrudados en película tubular o láminas. Estos film pueden ser utilizados para aplicaciones que van desde el envasado de alimentos hasta películas aislantes en placas circuitos eléctricos flexibles. Las láminas de LCP también pueden ser termoformadas.

Aislantes (CT-Z film) de PCB flexible

Diafragma de auricular obtenido por termoformado de lámina de LCP

Fuentes:
http://www.vectranfiber.com
http://www.entecpolymers.com
http://www.interempresas.net
http://www.applied-fiber.com
http://www.polyplastics.com
http://www.gopolymers.com
http://www.matweb.com
http://www.slingmax.com
http://marsrovers.jpl.nasa.gov
http://www.kuraray.co.jp