與其他普通有機(jī)高分子相比，LCP具有獨(dú)特的一維或二維遠(yuǎn)程分子取向，兼容高分子、液晶兩者特性，使其擁有高耐熱、高模量、低熔融粘度、極小的熱膨脹系數(shù)、低介電損耗、高強(qiáng)度等優(yōu)異性能，發(fā)展極為迅速。

科學(xué)家們從合成、工藝參數(shù)等方面不斷改進(jìn)，促進(jìn)LCP高分子工程、高分子化學(xué)不斷發(fā)展的同時(shí)，性能、成本也不斷優(yōu)化。美國杜邦公司、塞拉尼斯、日本寶理公司、中國普利特、中國沃特、中國聚嘉等公司，在LCP樹脂、纖維、薄膜等方面擁有30余種商品。

這些商品廣泛應(yīng)用于5G通訊、插件、開關(guān)、繼電器、光纜結(jié)構(gòu)件、復(fù)合材料、機(jī)械手、泵／閥門組件、功能件等領(lǐng)域，不斷推動(dòng)LCP技術(shù)及相關(guān)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

目前，LCP材料在性能研究、應(yīng)用開發(fā)方面取得了很大進(jìn)展，但是，對LCP進(jìn)行系統(tǒng)性論述的文獻(xiàn)還較少。本文概述了LCP材料的分類、領(lǐng)域、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并展望了未來的發(fā)展趨勢。

• 液晶高分子分類

大多數(shù)液晶化合物由棒狀分子構(gòu)成，分子結(jié)構(gòu)有兩個(gè)特征：

根據(jù)LCP的形成條件，可將其分為溶致LCP、熱致LCP。溶致LCP在一定濃度溶劑中呈液晶態(tài)，熱致LCP在一定溫度下呈液晶態(tài)。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)，LCP可分為主鏈型、側(cè)鏈型、甲殼型、復(fù)合主側(cè)鏈型、網(wǎng)型、碗型、星型七類。按液晶分子在空間的排列可分為向列相、盤狀柱相、近晶相、膽甾相。

三種分類方法互相交叉，主鏈LCP中可包含溶致LCP或熱致LCP，熱致LCP中也可包括主鏈型LCP或側(cè)鏈LCP。本文按其形成條件進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 溶致LCP

溶致液晶高分子含有半剛性鏈高分子，在合適溶劑、一定濃度范圍內(nèi)，產(chǎn)生液晶相。常見溶致型LCP有兩種，一種是生物溶致型LCP，如多肽、纖維素、DNA等；另一種是合成溶致型LCP，如聚芳酰胺LCP、聚芳雜環(huán)LCP。

LCP在分子鏈剛性、分子間強(qiáng)相互吸引力作用下，主鏈一維取向，制備的LCP纖維具有高強(qiáng)度、高模量、高耐熱、耐輻射、耐老化等優(yōu)良性能，在高性能纖維行業(yè)應(yīng)用廣泛。

液晶高分子溶液粘度低，成膜、紡絲能耗低，1972年美國Dupont公司實(shí)現(xiàn)了“纖維之王”芳綸(全芳香聚酰胺，Kevlar)的商品化，該商品具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫的優(yōu)異性能，在防彈衣、輪胎、飛機(jī)結(jié)構(gòu)等方面得到廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，He等進(jìn)一步開發(fā)出耐溫性能更高的對亞苯基苯并二噻唑(PBZT)、聚對亞苯基苯并二唑(PBO)纖維，結(jié)構(gòu)如圖所示。

2 熱致LCP

熱致LCP滯后于溶致LCP，屬于特種工程塑料，具有力學(xué)強(qiáng)度更高、熔融粘度較低、熱膨脹系數(shù)低、介電損耗低等優(yōu)異性能，不但可制成高強(qiáng)度、高模量纖維，還可以進(jìn)行注塑／擠出加工精密鑄件。熔融加工過程中，熱致LCP易發(fā)生分子鏈取向而產(chǎn)生一些微纖結(jié)構(gòu)，使得材料擁有類似纖維增強(qiáng)材料的形態(tài)、性質(zhì)，因此也被稱為“自增強(qiáng)塑料”，在工業(yè)方面進(jìn)展迅速，代表產(chǎn)品是全芳香族聚酯。

典型熱致LCP大致有三種代表性結(jié)構(gòu)，如圖所示。其中，Ⅰ類LCP、Ⅱ類LCP、Ⅲ類LCP的熔點(diǎn)溫度分別為285~355℃、180~260℃、64~215℃。

Ⅰ型LCP主合成單體為對羥基苯甲酸、對苯二甲酸、4，4′?聯(lián)苯二酚，耐熱性好、但加工性差，主要商品化產(chǎn)品有Solvay Advanced Polymers公司的Xydar系列、Sumitomo公司的Ekonol系列。

Ⅱ類LCP單體為6?羥基?2?萘甲酸、對羥基苯甲酸，萘環(huán)產(chǎn)生的“側(cè)步”效應(yīng)降低了分子鏈段的剛性，耐熱性、加工性介于Ⅰ類、Ⅲ類之間。主要商品化的產(chǎn)品有Polyplastics公司Vectra系列。

Ⅲ類LCP單體為對苯二甲酸乙二醇酯、對羥基苯甲酸共聚物，因主鏈含脂肪族結(jié)構(gòu)、柔性段增加，溫度較高會發(fā)生明顯的分解、水解現(xiàn)象，耐溫、耐潮濕差，但加工性好，主要商品化產(chǎn)品為Unitika公司Rodrun系列。

• 液晶高分子的加工工藝

作為各向異性的聚合物材料，LCP具有加工流動(dòng)性好、成型壓力低等加工優(yōu)勢，可兼容傳統(tǒng)的注塑、擠出、拉絲等成型工藝，制備的產(chǎn)品具有拉伸強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)異性能。

1 擠出成型工藝

擠出成型在塑料加工中有具有要地位，是聚合物加工成型的主要方法之一。1845年英格蘭的Richard Brooman、Hen?ry Bewley研制成功了世界上第一臺柱塞式擠出機(jī)，1876年美國的William Kiel、John Prior研制成功了第一臺單螺桿擠出機(jī)。經(jīng)過一個(gè)半世紀(jì)發(fā)展，塑料制品總量的60％以上采用擠出成型。

LCP擠出成型也引起了廣泛關(guān)注，Tchoudakov 等研究結(jié)果表明提高加工溫度或剪切速率會增大LCP／炭黑的電阻率；Filipea等研究表明LCP／PP的彈性模量、綜合粘度隨著螺桿的推進(jìn)不斷減小。Zhang等研究表明納米陶土填料可以明顯改善LCP?尼龍6復(fù)合材料的相容性。

2 注塑成型工藝

注塑成型具有器件尺寸精確、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品生產(chǎn)可行性高、自動(dòng)化程度高、周期短等優(yōu)勢，是重要的塑料制品加工方法，在汽車、電子電器、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

注塑成型過程包括合模、注射、保壓、冷卻、開模、頂出等復(fù)雜步驟，產(chǎn)品容易出現(xiàn)縮孔、銀紋、翹曲、氣泡、熔裂紋等缺陷，但隨著技術(shù)人員的不斷努力，微孔注塑、納米注塑、電磁注塑、發(fā)泡注塑、氣輔注塑、振動(dòng)注塑等新設(shè)備、新技術(shù)層出不窮，如圖所示的微孔起泡注射設(shè)備可有效改善材料的輕質(zhì)化、功能化。

                                        泡注塑成型設(shè)備及工藝對應(yīng)兩相形態(tài)簡圖

Chen等通過注塑成型研究了玻璃纖維、LCP對聚丙烯增強(qiáng)復(fù)合材料循環(huán)次數(shù)的影響，結(jié)果表明多次循環(huán)注塑后，玻璃纖維增強(qiáng)循環(huán)注塑三次拉伸強(qiáng)度下降50％，LCP增強(qiáng)性能無明顯變化。Li等研究表明不到10％的LCP可以使得PA在拉伸強(qiáng)度增加17.7％、抗沖擊強(qiáng)度增加45.5％。

3 纖維成型工藝

液晶高分子纖維分為溶致LCP纖維、熱致LCP纖維兩大類。溶致型LCP纖維具有耐化學(xué)腐蝕、耐氣候老化、耐輻射等優(yōu)異性能，在軍工、宇航、民用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如杜邦公司1972年工業(yè)化的芳香族聚酰胺(Kevlar)、Toyobo公司1998年工業(yè)化的聚對苯撐苯并雙噁唑纖維(Zylon)。

同時(shí)，熱致LCP纖維也發(fā)展迅速，在耐紫外、染色兼容性、力學(xué)強(qiáng)度、耐磨性等方面表現(xiàn)優(yōu)異，已在航空航天、重型船舶、特種繩索等方面得到應(yīng)用，如Kuraray公司2008年推出的VectranHT纖維、研究熱度較高的甲殼型LCP纖維等。此外，為了優(yōu)化LCP的拉絲工藝或進(jìn)一步復(fù)合不同材料，出現(xiàn)了共混纖維工藝，如圖所示。

       共混紡絲裝置圖

Kim等研究了LCP對聚(2，6?萘二甲酸乙二醇酯)纖維性能的影響，結(jié)果表明引入少量的LCP可以極大地改善纖維的熱穩(wěn)定性，同時(shí)拉伸比、紡織速度、加熱方式等參數(shù)對纖維力學(xué)性能也有較大影響。Choi等研究了LCP對聚對苯二甲酸丙二醇酯纖維性能的影響，結(jié)果表明，LCP跟聚對苯二甲酸丙二醇酯有很好的相容性，隨著LCP含量的增加，纖維的拉伸強(qiáng)度／模量不斷增加。

• LCP的應(yīng)用領(lǐng)域、研究現(xiàn)狀

1  LCP在通信領(lǐng)域的應(yīng)用、現(xiàn)狀

近年來，隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，萬物互聯(lián)承載的數(shù)據(jù)流量越來越大，這對相關(guān)電子設(shè)備、基礎(chǔ)材料也提出進(jìn)一步要求。作為承載信息傳輸?shù)挠≈齐娐钒?PCB)，從4G的MHz、到5G的GHz、再到未來的更高頻率，面臨的挑戰(zhàn)逐漸升級，不斷向高頻化、高速化、數(shù)字化方向發(fā)展。

研究表明，為了保證信息高速傳輸、低時(shí)延，除要求低的銅箔傳輸損耗，也要求PCB基板材料具有低的介質(zhì)傳輸損耗(TLD)，介質(zhì)傳輸損耗跟頻率、板材介電常數(shù)(Dk)、板材介電損耗(Df)的關(guān)系如式所示?？芍?，板材Dk、Df降低，能有效降低介質(zhì)傳輸損耗，保證信號的高速傳輸。

不同材料的Dk、Df如下圖所示，綜合性能優(yōu)異的材料包括聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚苯醚(MPPE)、改性PI(MPI)、LCP。PTFE材料存在彈性模型低、加工難度大、膨脹系數(shù)高等缺陷，MPPE存在耐熱性、尺寸穩(wěn)定性差等缺陷，改性PI存在介電損耗高、跟金屬箔粘結(jié)性差等問題。

綜合比較，LCP介電常數(shù)低，介電損耗小，綜合性能優(yōu)異，具有較好的應(yīng)用前景，目前在5GHz通信已有較多應(yīng)用。

Thompson等研究了30~110GHz液晶高分子的介電常數(shù)、介電損耗、插損等性能，LCP的介電常數(shù)穩(wěn)定在3.16附近、Df小于0.0048。

Hosono等在40GHz、60GHz、70GHz下研究LCP的PCB加工性能、插損性能，優(yōu)異的加工性、低插損使得LCP在陳列天線方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。

Zhang等采用LCP制備一款天線，該天線在0．51~14．4GHz具有優(yōu)異性能。Hiroshi等在毫米波領(lǐng)域研究LCP膜、SiO2膜在硅載體上的性能，結(jié)果表明，LCP膜的插損只有SiO2膜的1／2。Yung等研究結(jié)果表明，等離子處理可以明顯改善LCP惰性對PCB加工帶來的負(fù)面影響。

2 液晶LCP在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用、現(xiàn)狀

生物醫(yī)用材料，在取代、修復(fù)生物組織／器官功能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，需具備無毒性、耐腐蝕性、力學(xué)性能長期保持率高、易加工成各種形狀、生物相容強(qiáng)等特征。LCP符合這些特征，具有高強(qiáng)度、高模量、易加工、自增強(qiáng)等優(yōu)異性能。此外，研究表明，許多生物組織具有液晶態(tài)有序結(jié)構(gòu)，而LCP結(jié)構(gòu)在分子層次上正好與生物膠原纖維一致。

Lee 等以LCP為載體，探究抗原檢測儀器的可性能。Ha等采用 LCP 作為載體，制備了可以有效監(jiān)測老鼠眼內(nèi)壓的微型傳感器。Gwon等綜述了LCP在神經(jīng)修復(fù)材料方面的現(xiàn)狀、前景。Jeong等采用LCP材料制備了一款視網(wǎng)膜修復(fù)裝置，此裝置在磷酸緩沖生理鹽水中可以保持絕緣 400 d。Lee等采用LCP制備了一款神經(jīng)探針傳感器，在沒有導(dǎo)入工具的情況下，可有效地深入到動(dòng)物大腦神經(jīng)深處；Ko?er等采用LCP制備一種網(wǎng)絡(luò)，模擬細(xì)胞外環(huán)境，研究細(xì)胞的遷移特性。

3 液晶LCP在原位復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用、現(xiàn)狀

無機(jī)纖維增強(qiáng)聚合物基體，存在熔融粘度高、加工能耗高、設(shè)備磨損大等問題，同時(shí)無機(jī)纖維跟聚合物基體之間的相容性差，極大地降低了材料的抗沖擊性能。LCP原位復(fù)合材料在21世紀(jì)80年代中期提出，LCP、熱塑性聚合物熔融共混后，擠出／注射成型過程中，在熱流、應(yīng)力誘導(dǎo)下，LCP取向形成直徑亞微米到納米的纖維結(jié)構(gòu)。制品冷卻后在分子水平形成LCP纖維原位增強(qiáng)復(fù)合材料，具有熔融粘度低、能耗低等優(yōu)異加工性能，可有效改善無機(jī)纖維增強(qiáng)存在的問題。

秦嶺等研究表明LCP能以纖維狀較均勻地分散在PET中；Jiang等通過LCP自增強(qiáng)PP，復(fù)合材料的柔韌性、強(qiáng)度得到大幅增加。Mubashir等研究使用LCP增強(qiáng)PPS，制備的纖維拉伸模量高于已報(bào)道的連續(xù)纖維。

4 液晶LCP在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

LCP在光學(xué)器件、導(dǎo)熱、形狀記憶等領(lǐng)域也有較多應(yīng)用研究。于穎敏綜述了苯并菲類液晶高分子的合成方法及其在光電材料方面的應(yīng)用。紀(jì)凡策等制備了不同交聯(lián)度的液晶高分子，研究了剛性交聯(lián)劑、柔性交聯(lián)劑對液晶高分子形狀記憶性能的影響。Sun等研究了LCP對水泥彎曲強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明0．1％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的LCP可將水泥的彎曲強(qiáng)度從5．5MPa提高到28.1MPa。

Chen等研究了液晶單元對環(huán)氧熱導(dǎo)率的影響，結(jié)果表明環(huán)氧中引入液晶后，材料的熱導(dǎo)率(0．292W／(mK))是傳統(tǒng)環(huán)氧熱導(dǎo)率的1．5倍。劉春波等分別采用Maier－Saupe理論與Doi－Edwards理論對LCP的粘滯系數(shù)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明Maier－Saupe理論模擬值跟實(shí)際值更加接近。

• 展望與未來

液晶高分子(LCP)具有優(yōu)異的力學(xué)性能、介電性能、加工性能，在高頻高速電子通訊、生物醫(yī)用、復(fù)合材料等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。但LCP目前在加工性、應(yīng)用性等方面仍然存在問題。

(1)  加工性方面。熔融粘度、加工溫度、拉伸比等工藝參數(shù)仍需要優(yōu)化；理論模擬、循環(huán)利用率、界面相容性對成本／性能的影響，會是重要研究方向。

(2)  應(yīng)用性方面。(a)通信領(lǐng)域。LCP具有優(yōu)異介電、耐熱性能，LCP復(fù)合材料、LCP表面改性、應(yīng)用場景開發(fā)是未來研究的主要方向；(b)生物醫(yī)用領(lǐng)域。LCP的生物相容性強(qiáng)，科研人員會繼續(xù)青睞其在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生物探測器、生物實(shí)驗(yàn)組件等方面的開發(fā)；(c)復(fù)合材料領(lǐng)域。鑒于LCP良好的原位增強(qiáng)能力，復(fù)合材料加工工藝參數(shù)會持續(xù)優(yōu)化、應(yīng)用場景會不斷開發(fā)；(d)其他領(lǐng)域。LCP的光學(xué)、導(dǎo)熱、形狀記憶等新功能不斷被開發(fā)，未來在光學(xué)、導(dǎo)熱、記憶器件等領(lǐng)域也會得到關(guān)注。

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