Verformungsinduzierte Selbstorganisation steifer Makromoleküle in thermotropen flüssigkristallinen Polymerschmelzen

Abstract

Thermotrope flüssigkristalline Polymere werden bei ihrer thermoplastischen Verarbeitung im Spritzguss oder in der Extrusion den makroskopischen Deformationen Scherung und/oder Dehnung unterworfen. Makroskopische Deformationen bewirken die Entwicklung der für die flüssigkristalline Ordnung der Schmelze spezifischen Orientierungszustände steifer Stäbchenmoleküle und damit eine vom Verarbeitungsprozess empfindlich abhängige Anisotropie des thermoplastisch urgeformten LCP-Formteils. Das bei der Verarbeitung von LCP-Schmelzen ungelöste Problem besteht darin, dass der Ablauf der Orientierungs-vorgänge mit den makroskopischen Deformationen nichtaffin erfolgt und dabei das Fließverhalten der LCP-Schmelze von dem jeweils aktuellen lokalen Orientierungszustand der steifen Stäbchenmoleküle determiniert wird.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verknüpfung zwischen den makroskopischen Deformationen in der Scher- und/oder Dehnströmung und der durch sie induzierten Orientierungszustände in der anisotropen LCP-Schmelze zu finden. Mit Hilfe geeignet ausgewählter, in dem verarbeitungsrelevanten Schergeschwindigkeits- und Schubspannungs-bereich arbeitenden Rheometersysteme wird das komplexe, von den scher- und dehninduzierten Orientierungszuständen der Stäbchenmoleküle abhängige Fließverhalten der LCP-Schmelzen untersucht. Die für die thermotropen Hauptketten-LCPs spezifischen Orientierungsvorgänge, Defekte und Texturen werden im Ruhezustand und unter Schereinfluss mittels polarisationsoptischer Durchlichtverfahren analysiert. Unter Zugrunde-legung der für LC-Polymere relevanten Frank’schen Elastizitätstheorie und unter Berücksichtigung der topologischen Eigenschaften von Defekten und Texturen werden einfache Modelle für die Beschreibung der scherinduzierten Ausbildung von Orientierungs-zuständen und Defekten hergeleitet und die bei der rheologischen Charakterisierung der LCP-Schmelze beobachteten Phänomene mit diesem Modell beschrieben.

Thermotropic liquid crystalline polymers are subjected to macroscopic deformations like shear or elongation during their thermoplastic processing in injection molding or extrusion. The macroscopic deformations produce specific orientation states of the stiff rod like molecules in the liquid crystalline phase and lead to a process sensitive anisotropy of the thermoplastic processed LCP parts. The unsolved problem of the thermoplastic processing of LCP melts persist therein, that the orientation processes proceeds non-affine with the macroscopic deformations and thereby the flow behavior of the LCP melt is determined by the local orientation states of the stiff rod like molecules.

The aim of this paper is to find a link between the macroscopic deformations in the shear and elongational flow and the deformation induced orientation states in the anisotropic LCP melt. Using suitable rheometer systems, applied at the processing relevant shear rate and shear stress region, the complex flow behavior of the LCP melt will be investigated depending on the shear and elongation induced orientation states of the rod like molecules. The specific orientation processes, defects and textures in the main chain thermotropic LCPs will be analyzed in non-deformed quiescent state and under shear influence using polarizing optical light microscopy. Based on the for LCPs valid Frank elasticity theory and taking into account the topological properties of the defects and textures, simple models will be derived in order to describe the shear induced development of the orientation states and the defects and to correlate these with the observed phenomena during the rheological characterization of the LCP melt.