Polimer ciekłokrystaliczny

Solidny LCP
Środek ciężkości 1,38 do 1,95
Moduł sprężystości (E) 8530 do 17200 M Pa
Wytrzymałość na rozciąganie (σ t ) 52,8 do 185 MPa
Wydłużenie przy rozciąganiu (%) 0,26 do 6,2
Uderzenie Izoda z karbem 21,0 do 82,5 kJ / m2

Polimery ciekłokrystaliczne (LCP) to polimery o właściwościach ciekłych kryształów , zwykle zawierające pierścienie aromatyczne jako mezogeny . Pomimo nieusieciowanych LCP materiały polimerowe, takie jak elastomery ciekłokrystaliczne (LCE) i sieci ciekłokrystaliczne (LCN), również mogą wykazywać ciekłą krystaliczność. Oba są usieciowanymi LCP, ale mają różną gęstość usieciowania. Są szeroko stosowane na rynku wyświetlaczy cyfrowych. Ponadto LCP mają unikalne właściwości, takie jak aktywacja termiczna, pęcznienie anizotropowe i miękka elastyczność. Dlatego mogą być dobrymi siłownikami i czujnikami. Jednym z najbardziej znanych i klasycznych zastosowań LCP jest Kevlar , mocne, ale lekkie włókno o szerokim zastosowaniu, zwłaszcza kamizelki kuloodporne .

Tło

Struktura molekularna kevlaru
Struktura molekularna LCP Vectran

Ciekła krystaliczność polimerów może wystąpić albo przez rozpuszczenie polimeru w rozpuszczalniku ( liotropowe polimery ciekłokrystaliczne), albo przez ogrzewanie polimeru powyżej jego temperatury zeszklenia lub topnienia ( termotropowe polimery ciekłokrystaliczne). Polimery ciekłokrystaliczne występują w postaci stopionej/ciekłej lub stałej. Głównym przykładem liotropowych LCP w postaci stałej jest komercyjny aramid znany jako kevlar . Budowa chemiczna tego aramidu składa się z liniowo podstawionych pierścieni aromatycznych połączonych grupami amidowymi. W podobny sposób kilka serii termotropowych LCP zostało wyprodukowanych komercyjnie przez kilka firm (np. Vectra / Celanese ).

Duża liczba LCP wyprodukowanych w latach 80. wykazywała uporządkowanie w fazie stopu analogiczne do tego, jakie wykazują niepolimerowe ciekłe kryształy . Przetwarzanie LCP z faz ciekłokrystalicznych (lub mezofaz) prowadzi do powstania włókien i materiałów wtryskiwanych o wysokich właściwościach mechanicznych w wyniku właściwości samowzmacniających wynikających z orientacji makrocząsteczek w mezofazie .

Obecnie LCP można przetwarzać w stanie stopionym na konwencjonalnym sprzęcie przy dużych prędkościach z doskonałym odwzorowaniem szczegółów formy. W rzeczywistości duża łatwość formowania LCP jest ważną przewagą konkurencyjną nad innymi tworzywami sztucznymi, ponieważ równoważy wysokie koszty surowców.

Klasa polarnych i misowych LCP, o unikalnych właściwościach i ważnych potencjalnych zastosowaniach, pozostaje do wykorzystania.

mezofazy

Podobnie jak małe cząsteczkowe ciekłe kryształy, polimery ciekłokrystaliczne mają również różne mezofazy. Rdzenie mezogenów polimerów będą agregować w różne mezofazy: nematyki , cholesteryki , smektyki i związki z wysoce polarnymi grupami końcowymi. Więcej informacji na temat mezofaz można znaleźć na poświęconej ciekłym kryształom .

Klasyfikacja

Struktura LCP

LCP są podzielone na kategorie według lokalizacji rdzeni ciekłokrystalicznych. Polimery ciekłokrystaliczne łańcucha głównego (MCLCP), jak sama nazwa wskazuje, mają ciekłokrystaliczne rdzenie w łańcuchu głównym. Dla kontrastu, polimery ciekłokrystaliczne z łańcuchami bocznymi (SCLCP) mają boczne łańcuchy boczne zawierające rdzenie ciekłokrystaliczne. Podstawowe struktury tych dwóch rodzajów LCP pokazano na rysunku.

Główny łańcuch LCP

LCP łańcucha głównego mają sztywne, podobne do prętów mezogeny w szkieletach polimerowych, co pośrednio prowadzi do wysokiej temperatury topnienia tego rodzaju LCP. Aby uczynić ten rodzaj polimeru łatwym w obróbce, stosuje się różne metody obniżania temperatury przejścia: (1) Wprowadzenie elastycznych sekwencji; (2) Wprowadzenie zakrętów lub załamań; (3) Dodanie podstawników do aromatycznych mezogenów...

LCP łańcucha bocznego

W LCP z łańcuchem bocznym mezogeny znajdują się w łańcuchach bocznych polimeru. Mezogeny są zwykle połączone ze szkieletami za pomocą elastycznych przekładek (chociaż w przypadku kilku LCP łańcuchy boczne bezpośrednio łączą się ze szkieletami). Jeśli mezogeny są bezpośrednio połączone ze szkieletami, cewkowata konformacja szkieletów będzie utrudniać mezogenom tworzenie struktury orientacyjnej. Jednak wprowadzając elastyczne przekładki między szkieletami a mezogenami, uporządkowanie mezogenów można oddzielić od konformacji szkieletów.

Dzięki wysiłkowi badacza syntetyzowanych jest coraz więcej LCP o różnych strukturach. Dlatego litery łacińskie są używane, aby pomóc w klasyfikacji LCP.

Mechanizm

Mechanizm układów liotropowych (L oznacza ciecz, LC oznacza ciekły kryształ, Vp oznacza udział objętościowy polimeru, T oznacza temperaturę).

Mezogeny w LCP mogą samoorganizować się, tworząc regiony ciekłokrystaliczne w różnych warunkach. W oparciu o mechanizm agregacji i porządkowania LCP można z grubsza podzielić na dwie podkategorie, jak pokazano poniżej. Jednak to rozróżnienie nie jest sztywno zdefiniowane. LCP można przekształcić w ciekłe kryształy za pomocą więcej niż jednej metody.

Układy liotropowe

Liotropowe LCP łańcucha głównego mają sztywne rdzenie mezogenowe (jak pierścienie aromatyczne) w szkieletach. Ten rodzaj LCP tworzy ciekłe kryształy ze względu na ich sztywną konformację łańcucha, ale nie tylko agregację rdzeni mezogenu. Ze względu na sztywną strukturę do rozpuszczenia liotropowych polimerów łańcucha głównego potrzebny jest silny rozpuszczalnik. Gdy stężenie polimerów osiągnie stężenie krytyczne, zaczynają tworzyć się mezofazy i lepkość roztworu polimeru zaczyna się zmniejszać. Liotropowe łańcuchy główne LCP były używane głównie do wytwarzania włókien o wysokiej wytrzymałości, takich jak kevlar.

LCP łańcucha bocznego zwykle składają się zarówno z segmentów hydrofobowych, jak i hydrofilowych. Zwykle końce łańcuchów bocznych są hydrofilowe. Po rozpuszczeniu w wodzie micele utworzą się z powodu siły hydrofobowej. Jeśli udział objętościowy polimerów przekroczy krytyczny udział objętościowy, segregaty micelarne zostaną upakowane, tworząc strukturę ciekłokrystaliczną. Ponieważ stężenie zmienia się powyżej krytycznej frakcji objętościowej, wytworzony ciekły kryształ może mieć różne sposoby upakowania. Temperatura, sztywność polimerów, masa cząsteczkowa polimerów mogą wpływać na przemianę ciekłego kryształu. Liotropowe LCP z łańcuchem bocznym, takie jak alkilopolioksyetylenowe środki powierzchniowo czynne przyłączone do polimerów polisiloksanowych, można stosować w produktach higieny osobistej, takich jak mydło w płynie itp.

Układy termotropowe

Badanie termotropowych LCP jest inspirowane sukcesem liotropowych LCP. Ten rodzaj LCP można przetwarzać tylko wtedy, gdy temperatura topnienia jest znacznie niższa od temperatury rozkładu. Powyżej temperatury topnienia i temperatury zeszklenia oraz poniżej punktu klarowania termotropowe LCP będą tworzyć ciekłe kryształy. Po punkcie klarowania stop będzie ponownie izotropowy i klarowny. Tym, co różni się od małocząsteczkowych ciekłych kryształów, jest to, że możemy uzyskać zamrożone ciekłe kryształy poprzez hartowanie polimerów ciekłokrystalicznych poniżej temperatury zeszklenia. Ponadto możemy wykorzystać kopolimeryzację do dostosowania temperatury topnienia i temperatury mezofazy.

Istnieją inne systemy, takie jak systemy fototropowe.

Elastomery ciekłokrystaliczne (LCE)

Finkelmann po raz pierwszy zaproponował LCE w 1981 roku. LCE przyciągnęły uwagę naukowców i przemysłu. LCE można syntetyzować zarówno z polimerowych prekursorów, jak iz monomerów . LCE mogą reagować na ciepło, światło i pola magnetyczne. Nanomateriały można wprowadzać do matryc LCE (kompozytów opartych na LCE), aby zapewnić różne właściwości i dostosować zdolność LCE do reagowania na różne bodźce.

Aplikacje

LCE mają wiele zastosowań. Na przykład folie LCE mogą być stosowane jako opóźniacze optyczne ze względu na ich strukturę anizotropową . Ponieważ mogą kontrolować stan polaryzacji przepuszczanego światła, są powszechnie stosowane w okularach 3D, wzorzystych opóźniaczach do wyświetlaczy transfleksyjnych i płaskich wyświetlaczach LC. Modyfikacja LCE azobenzenem , pozwala mu pokazać właściwości reakcji na światło. Może być stosowany do kontrolowanej zwilżalności, autonomicznych soczewek i powierzchni haptycznych. Oprócz aplikacji do wyświetlania, badania koncentrowały się na innych interesujących właściwościach, takich jak specjalne termiczne i fotogenerowane odpowiedzi mechaniczne w makroskali, co oznacza, że ​​mogą być dobrymi siłownikami.

LCE są używane do produkcji siłowników i sztucznych mięśni dla robotyki . Zostały zbadane pod kątem zastosowania jako lekkie pochłaniacze energii, z potencjalnymi zastosowaniami w hełmach, kamizelkach kuloodpornych, zderzakach pojazdów, przy użyciu wielowarstwowych, pochylonych belek LCE, umieszczonych pomiędzy sztywnymi konstrukcjami nośnymi.

Synteza

Prekursory polimerowe

LCE syntetyzowane z prekursorów polimerowych można podzielić na dwie podkategorie:

Poli(hydrosiloksan): W celu uzyskania LCE z poli(hydrosiloksanu) stosuje się dwuetapową technikę sieciowania. Poli(dydrosiloksan) jest mieszany z ciekłokrystalicznym monomerem funkcjonalizowanym monowinylem, wielofunkcyjnym winylowym środkiem sieciującym i katalizatorem. Ta mieszanina służy do wytworzenia słabo usieciowanego żelu, w którym monomery są połączone ze szkieletami poli(dydrosiloksanowymi). Podczas pierwszego etapu sieciowania lub krótko po nim wprowadza się orientację do mezogenowych rdzeni żelu metodami mechanicznego wyrównywania. Następnie żel jest odwadniany i reakcja sieciowania jest zakończona. Dlatego orientacja jest utrzymywana w elastomerze przez sieciowanie. W ten sposób można wytwarzać wysoce uporządkowane łańcuchy boczne LCE, które są również nazywane LCE monokrystalicznymi lub monodomenowymi.

LCP: z LCP jako prekursorami można zastosować podobną metodę dwuetapową. Wyrównane LCP zmieszane z wielofunkcyjnymi środkami sieciującymi bezpośrednio generują LCE. Mieszaninę najpierw ogrzewa się do izotopu. [ wymagane wyjaśnienie ] Włókna są wyciągane z mieszanki, a następnie sieciowane, dzięki czemu orientacja może zostać zatrzymana w LCE. Jest to jednak ograniczone trudnością przetwarzania spowodowaną dużą lepkością materiału wyjściowego.

Monomery o małej masie cząsteczkowej

Monomery ciekłokrystaliczne o niskiej masie cząsteczkowej są mieszane ze środkami sieciującymi i katalizatorami. Monomery można wyrównać, a następnie polimeryzować, aby zachować orientację. Jedną z zalet tej metody jest to, że monomery o niskiej masie cząsteczkowej można wyrównać nie tylko przez wyrównanie mechaniczne, ale także diamagnetyczne, dielektryczne wyrównanie powierzchniowe. Na przykład polimeryzacja stopniowego wzrostu rodników tiolenowych i dodatek Michaela dają dobrze uporządkowane LCE. Jest to również dobry sposób na syntezę średnio lub gęsto usieciowanych szklistych LCN.

Główną różnicą między LCE i LCN jest gęstość usieciowania. LCN są głównie syntetyzowane z wielofunkcyjnych monomerów na bazie (met)akrylanu, podczas gdy LCE zwykle pochodzą z usieciowanych polisiloksanów.

Nieruchomości

Unikalna klasa częściowo krystalicznych aromatycznych poliestrów opartych na kwasie p-hydroksybenzoesowym i pokrewnych monomerach , polimery ciekłokrystaliczne są zdolne do tworzenia obszarów o wysoce uporządkowanej strukturze w fazie ciekłej. Jednak stopień uporządkowania jest nieco mniejszy niż w przypadku zwykłego stałego kryształu. Zazwyczaj LCP mają wysoką wytrzymałość mechaniczną w wysokich temperaturach, ekstremalną odporność chemiczną, nieodłączną trudnopalność i dobrą odporność na warunki atmosferyczne. Polimery ciekłokrystaliczne występują w różnych postaciach, od spiekanych w wysokiej temperaturze po formowalne wtryskowo związki. LCP można spawać, chociaż linie utworzone przez spawanie są słabym punktem powstałego produktu. LCP mają wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej w osi Z.

LCP są wyjątkowo obojętne. Są odporne na naprężeniowe w obecności większości chemikaliów w podwyższonych temperaturach, w tym węglowodorów aromatycznych lub fluorowcowanych , mocnych kwasów, zasad, ketonów i innych agresywnych substancji przemysłowych. Stabilność hydrolityczna we wrzącej wodzie jest doskonała. Środowiska niszczące polimery to para o wysokiej temperaturze, stężony kwas siarkowy i wrzące materiały żrące .

LCP polarne i miski są ferroelektrykami , których czas reakcji jest o rząd wielkości mniejszy niż w przypadku konwencjonalnych LC i może być używany do tworzenia ultraszybkich przełączników. Miskowe polimery kolumnowe mają długie, puste w środku rurki; z atomami metali lub metali przejściowych dodanymi do rurki mogą potencjalnie tworzyć nadprzewodniki o ultrawysokiej Tc .

Używa

Ze względu na swoje różnorodne właściwości LCP są przydatne do produkcji części elektrycznych i mechanicznych, pojemników na żywność i wszelkich innych zastosowań wymagających obojętności chemicznej i wysokiej wytrzymałości. LCP jest szczególnie dobry w elektronice o częstotliwości mikrofalowej ze względu na niskie względne stałe dielektryczne, niskie współczynniki rozpraszania i komercyjną dostępność laminatów. Pakowanie systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) to kolejny obszar, któremu LCP poświęca ostatnio więcej uwagi. Doskonałe właściwości LCP sprawiają, że są one szczególnie przydatne w elementach samochodowego układu zapłonowego, złączach wtykowych grzejników, oprawach lamp, elementach układu napędowego, elementach pomp, formach cewek oraz czujnikach nasłonecznienia i czujnikach pasów bezpieczeństwa w samochodzie. LCP są również dobrze przystosowane do wentylatorów komputerowych , gdzie ich wysoka wytrzymałość na rozciąganie i sztywność umożliwiają ściślejsze tolerancje projektowe, wyższą wydajność i mniejszy hałas, aczkolwiek przy znacznie wyższych kosztach.

Nazwy handlowe

LCP jest sprzedawany przez producentów pod różnymi nazwami handlowymi. Obejmują one:

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Liquid-crystal_polymer&oldid=1136039120 ”