Preparation, characterisation and optimisation of liquid crystalline polymer and thermoplastic blends

Abstract

Liquid Crystalline Polymers (LCP) are often added to thermoplastics (TP) in order to improve their mechanical performance. This improvement arises from the formation of fibrillar structures of the LCP (due to the fact that both components are immiscible), which are oriented along the thermoplastic and which lead to the formation of in-situ composites. In this work LCP/TP blends were studied not only in terms of their final morphological, rheological and mechanical properties, as in the great majority of the work already performed with these kind of blends, but also with respect to the evolution of their morphological and rheological properties at different stages of the extrusion process. The later study was performed by resorting to a special home-built collecting device system, developed and built at University of Minho [Covas 2001] and was carried out for compatibilised and non-compatibilised systems, based on Rodrun LC3000 and Polypropylene. This work was firstly devoted to non-compatibilised systems and included the study of the influence of different liquid crystalline polymer contents. Due to the fact that compatibilisation is often needed for these systems, different compatibilisers were added in order to choose the best compatibiliser(s). After choosing two different compatibilisers their contents, as well as the contents of the LCP were varied in order to establish the best compatibiliser and LCP contents, i.e., those that lead to the achievement of the best ratio mechanical performance/cost. The blends obtained with the optimum LCP/compatibiliser contents were used for the optimisation of the processing conditions, which consisted on the variation of the screw speed, output and temperature and which constituted the last part of the work. During all this steps, correlations were established between the morphological and rheological evolution along the extruder length and the final mechanical performance of compatibilised and non-compatibilised LCP/TP systems. Apart the unusual collecting device system used for the analysis of the kinetic of mixture, several techniques were used in addition to the ordinary rheological measurements under steady shear and oscillatory shear (in the linear regime), namely transient shear and Fourier Transform Rheology (FTR), which allowed for a more insightful description of the deformation and break-up processes of the LCP structures dispersed in the thermoplastic matrix, along the extruder lenght. Additionally, the analysis performed in terms of the influence of the application of different screw speeds, outputs and temperatures was very important for a more detailed description of the extrusion of this kind of systems and was essential for the optimisation process.

Polímeros Líquido Cristalinos (PLC) são usualmente adicionados a termoplásticos de modo a melhorar a sua performance mecânica. Esta melhoria tem origem na formação de estruturas fibrilares de PLC (devido à imiscibilidade entre os dois polímeros), que se orientam ao longo da matriz termoplástica e que levam à formação de compósitos in-situ. Neste trabalho estudaram-se misturas de Polímeros Líquido Cristalinos e Termoplásticos (PLC/TP), não só em termos das propriedades morfológicas, reológicas e mecânicas finais, como tem acontecido na grande maioria dos trabalhos já realizados com este tipo de misturas, mas também no que respeita à evolução das suas propriedades morfológicas e reológicas, nas diversas etapas do processo de extrusão. O estudo referido anteriormente foi efectuado recorrendo a um sistema especial de recolha de amostras, desenvolvido e construído na Universidade do Minho [Covas 2001] e foi levado a cabo para misturas compatibilizadas e não-compatibilizadas, de Rodrun LC3000 e Polipropileno. Este trabalho foi inicialmente dedicado ao estudo de sistemas não-compatibilizados e incluiu o estudo da influência de diferentes conteúdos de polímero líquido cristalino. Devido ao facto de que neste tipo de sistemas a compatibilização é usualmente necessária, foram adicionados diferentes compatibilizantes com a finalidade de encontrar o melhor ou melhores compatibilizantes. Depois de escolher dois compatibilizantes, variaram-se as percentagens de PLC e de compatibilizante, de modo a escolher a melhor percentagem de PLC/compatibilizante, i.e., aqueles que levam à obtenção da melhor razão performance mecânica/custo. As misturas obtidas com a percentagem óptima de PLC e compatibilizante foram posteriormente utilizadas no processo de optimização das condições de processamento, que consistiu na variação destas, nomeadamente velocidade de rotação, caudal e temperatura, e que constituiu a última parte do trabalho. Durante todas estas etapas foram estabelecidas correlações entre a evolução morfológica e reológica ao longo da extrusora e a performance mecânica final de misturas compatibilizadas e não-compatibilizadas. Para além do invulgar sistema de recolha usado na análise da cinética de mistura, foram usadas diversas técnicas, nomeadamente, corte em regime transiente e FTR (Fourier Transform Rheology), para além de outras normalmente usadas para a caracterização deste tipo de sistemas, tais como, corte em regime estacionário e oscilatório em regime linear. Através destas foi possível descrever com maior detalhe os processos de deformação e quebra das estruturas dispersas de PLC na matriz termoplástica, ao longo do comprimento da extrusora. Adicionalmente, a análise levada a cabo em termos da influência da aplicação de diferentes velocidades de rotação, caudais e temperaturas foi muito importante para a descrição do processo de extrusão deste tipo de sistemas e essencial para o processo de optimização.