Жидкокристаллический полимер

Твердая ЛКП
Удельный вес	от 1,38 до 1,95
Модуль упругости (Е)	от 8530 до МПа 17200
Предел прочности (σ t )	от 52,8 до 185 МПа
Удлинение при растяжении (%)	от 0,26 до 6,2
Зубчатый Изод Импакт	82,5 кДж от 21,0 до / м 2

Жидкокристаллические полимеры (ЖКП) — это полимеры со свойствами жидких кристаллов , обычно содержащие ароматические кольца в качестве мезогенов . Несмотря на несшитые LCP, полимерные материалы, такие как жидкокристаллические эластомеры (LCE), ^[1] и жидкокристаллические сети (LCN) также могут проявлять жидкокристалличность. Оба они представляют собой сшитые LCP, но имеют разную плотность поперечных связей. ^[2] Они широко используются на рынке цифровых дисплеев. ^[3] Кроме того, LCP обладают уникальными свойствами, такими как термическое срабатывание, анизотропное набухание и мягкая эластичность. Следовательно, они могут быть хорошими исполнительными механизмами и датчиками. ^[4] Одним из самых известных и классических применений LCP является кевлар , прочное, но легкое волокно, широко применяемое, в частности, в бронежилетах .

Фон

Жидкостная кристалличность в полимерах может возникать либо при растворении полимера в растворителе ( лиотропные жидкокристаллические полимеры), либо при нагревании полимера выше точки стеклования или плавления ( термотропные жидкокристаллические полимеры). ^[6] Жидкокристаллические полимеры присутствуют в расплавленной/жидкой или твердой форме. ^[7] В твердой форме основным примером лиотропных LCP является коммерческий арамид, известный как кевлар . Химическая структура этого арамида состоит из линейно замещенных ароматических колец, связанных амидными группами. Аналогичным образом несколькими компаниями серийно производятся несколько серий термотропных ЖКП.

Большое количество ЖКП, произведенных в 1980-х годах, демонстрировало порядок в расплавленной фазе, аналогичный тому, который наблюдается в неполимерных жидких кристаллах . Обработка ЖКП из жидкокристаллических фаз (или мезофаз) приводит к образованию волокон и инжектируемых материалов, обладающих высокими механическими свойствами вследствие самоукрепляющихся свойств, обусловленных ориентацией макромолекул в мезофазе .

LCP можно обрабатывать из расплава на обычном оборудовании на высоких скоростях с превосходным копированием деталей пресс-формы. Высокая простота формования LCP является важным конкурентным преимуществом по сравнению с другими пластиками, поскольку компенсирует высокую стоимость сырья. ^[8]

Полярные и чашеобразные LCP, обладающие уникальными свойствами и потенциальным применением. ^{[ нужны разъяснения ]}, не получили широкого распространения в промышленных целях. ^[9]

Мезофазы

Как и мелкомолекулярные жидкие кристаллы, жидкокристаллические полимеры также имеют разные мезофазы. Мезогенные ядра полимеров объединяются в различные мезофазы: нематики , холестерики , смектики и соединения с высокополярными концевыми группами. ^[10] Более подробную информацию о мезофазах можно найти на странице жидких кристаллов .

Классификация

LCP классифицируются по расположению жидкокристаллических ядер. В связи с созданием и исследованием различных классов LCP для классификации LCP используются разные префиксы. ^[10] Жидкокристаллические полимеры с главной цепью (MCLCP) имеют жидкокристаллические ядра в основной цепи. Напротив, жидкокристаллические полимеры с боковой цепью (SCLCP) имеют подвесные боковые цепи, содержащие жидкокристаллические ядра. ^[10]

Основная цепь LCP

LCP основной цепи имеют жесткие стержнеобразные мезогены в основных цепях полимера, что косвенно приводит к высокой температуре плавления этого типа LCP. Чтобы сделать этот вид полимера простым в обработке, применяются различные методы снижения температуры перехода: введение гибких последовательностей, введение изгибов или изломов или добавление групп заместителей к ароматическим мезогенам.

Боковая цепь LCP

В LCP с боковой цепью мезогены находятся в боковых цепях полимера. ^[11] Мезогены обычно связаны с остовами посредством гибких спейсеров, хотя для некоторых LCP боковые цепи напрямую связаны с остовами. Если мезогены напрямую связаны с остовами, спиральная конформация остовов будет препятствовать образованию мезогенами ориентационной структуры. И наоборот, вводя гибкие прокладки между остовами и мезогенами, порядок мезогенов можно отделить от конформации остовов.

Механизм

Мезогены в ЖКК могут самоорганизовываться с образованием областей жидкого кристалла в различных условиях. LCP можно грубо разделить на две подкатегории в зависимости от механизма агрегации и упорядочивания, но это различие не определено жестко. LCP можно превратить в жидкие кристаллы несколькими способами. ^[10]

Лиотропные системы

Лиотропные LCP основной цепи имеют в основной цепи жесткие мезогенные ядра (такие как ароматические кольца). ^[12] Этот тип ЖКП образует жидкие кристаллы благодаря своей жесткоцепочечной конформации, а не только за счет агрегации мезогенных ядер. Из-за жесткой структуры для растворения лиотропных полимеров основной цепи необходим сильный растворитель. Когда концентрация полимеров достигает критической концентрации, начинают образовываться мезофазы и вязкость раствора полимера начинает уменьшаться. Лиотропные LCP основной цепи в основном использовались для получения высокопрочных волокон, таких как кевлар.

LCP боковой цепи обычно состоят как из гидрофобных, так и из гидрофильных сегментов. Обычно концы боковых цепей гидрофильны. Когда они растворяются в воде, мицеллы за счет гидрофобных сил образуются . Если объемная доля полимеров превышает критическую объемную долю, мицеллярные сегрегаты будут упакованы с образованием жидкокристаллической структуры. Поскольку концентрация превышает критическую объемную долю, образующийся жидкий кристалл может быть упакован в различные структуры. Температура, жесткость полимеров и молекулярная масса полимеров могут влиять на превращение жидких кристаллов.

Лиотропные LCP с боковой цепью, такие как алкилполиоксиэтиленовые поверхностно-активные вещества, присоединенные к полисилоксановым полимерам, могут использоваться в продуктах личной гигиены, таких как жидкое мыло.

Термотропные системы

Катализатором изучения термотропных ЛКП стал успех лиотропных ЛКП. ^[13] Термотропные ЖКП можно перерабатывать только в том случае, если температура плавления намного ниже температуры разложения. Когда температура выше температуры плавления, но ниже точки просветления , термотропные ЖКП образуют жидкие кристаллы. Выше точки просветления расплав снова станет изотропным и прозрачным.

Замороженные жидкие кристаллы можно получить путем закалки жидкокристаллических полимеров ниже температуры стеклования. Сополимеризацию можно использовать для регулирования температуры плавления и температуры мезофазы.

Жидкокристаллические эластомеры (ЖКЭ)

Финкельманн впервые предложил LCE в 1981 году. LCE привлекли внимание исследователей и промышленности. ЛХЭ могут быть синтезированы как из полимерных предшественников, так и из мономеров . LCE могут реагировать на тепло, свет и магнитные поля. ^[2] Наноматериалы могут быть введены в матрицы LCE (композиты на основе LCE), чтобы обеспечить различные свойства и адаптировать способность LCE реагировать на различные стимулы. ^[4]

Приложения

LCE имеют множество применений. Например, пленки LCE можно использовать в качестве оптических замедлителей благодаря их анизотропной структуре. Поскольку они могут контролировать состояние поляризации проходящего света, они обычно используются в 3D-очках, узорчатых замедлителях для трансфлективных дисплеев и плоских ЖК-дисплеях. Модификация LCE азобензолом позволяет ему проявлять свойства светочувствительности. Его можно применять для контролируемой смачиваемости, автономных линз и тактильных поверхностей. ^[3] Помимо применения дисплея, исследования были сосредоточены на других интересных свойствах, таких как его особые термические и фотогенерируемые макромеханические реакции, что означает, что они могут быть хорошими приводами. ^[2]

LCE используются для изготовления приводов и искусственных мышц для робототехники . Их изучали на предмет использования в качестве легких поглотителей энергии с потенциальным применением в шлемах, бронежилетах, бамперах транспортных средств с использованием многослойных наклонных балок из LCE, зажатых между жесткими несущими конструкциями. ^[14]

Синтез

Полимерные прекурсоры

ЛХЭ, синтезированные из полимерных предшественников, можно разделить на две подкатегории: ^[4]

Поли(гидросилоксан): Для получения LCE из поли(гидросилоксана) применяется метод двухэтапной сшивки. Поли(дидросилоксан) смешивают с моновинилфункциональным жидкокристаллическим мономером, многофункциональным виниловым сшивающим агентом и катализатором. Эту смесь используют для создания слабосшитого геля, в котором мономеры связаны с поли(дидросилоксановыми) остовами. Во время первого этапа сшивания или вскоре после этого в мезогенные ядра геля придается ориентация с помощью методов механического выравнивания. После этого гель обезвоживается и реакция сшивки завершается. Следовательно, ориентация в эластомере сохраняется за счет сшивки. Таким способом можно получить высокоупорядоченные LCE с боковой цепью, которые также называют монокристаллическими или монодоменными LCE.

LCP: Используя LCP в качестве предшественников, можно применить аналогичный двухэтапный метод. Выровненные LCP, смешанные с многофункциональными сшивающими агентами, непосредственно генерируют LCE. Смесь сначала нагревают до изотопного состояния. ^{[ нужны разъяснения ]} Волокна вытягиваются из смеси, а затем сшиваются, таким образом, ориентация может быть зафиксирована в LCE. Однако он ограничен трудностью переработки, вызванной высокой вязкостью исходного материала.

Мономеры с низкой молярной массой

Жидкокристаллические мономеры с низкой молярной массой смешивают со сшивающими агентами и катализаторами. Мономеры можно выровнять, а затем полимеризовать, чтобы сохранить ориентацию. Одним из преимуществ этого метода является то, что мономеры с низкой молярной массой можно выравнивать не только путем механического выравнивания, но также путем диамагнитного, диэлектрического выравнивания поверхности. Например, тиол-енового ступенчатая полимеризация радикала и присоединение Михаэля дают хорошо упорядоченные LCE. ^[15] Это также хороший способ синтеза стеклообразных LCN от умеренной до плотной сшивки.

Основное различие между LCE и LCN заключается в плотности поперечных связей. LCN в основном синтезируются из многофункциональных мономеров на основе (мет)акрилата, тогда как LCE обычно получают из сшитых полисилоксанов. ^[16]

Характеристики

уникальный класс частично кристаллических ароматических полиэфиров на основе п-гидроксибензойной кислоты и родственных мономеров Жидкокристаллические полимеры, представляющие собой , способны образовывать области высокоупорядоченной структуры, находясь в жидкой фазе. Однако степень порядка несколько меньше, чем у обычного твердого кристалла. Как правило, LCP обладают высокой механической прочностью при высоких температурах, чрезвычайной химической стойкостью, огнестойкостью и хорошей устойчивостью к атмосферным воздействиям. Жидкокристаллические полимеры выпускаются в различных формах: от спекаемых при высоких температурах до , пригодных для литья под давлением компаундов . ЛКП можно сваривать, однако линии, образующиеся при сварке, являются слабым местом конечного изделия. LCP имеют высокий коэффициент теплового расширения по оси Z.

LCP исключительно инертны. Они устойчивы к растрескиванию под напряжением в присутствии большинства химических веществ при повышенных температурах, включая ароматические или галогенированные углеводороды , сильные кислоты, основания, кетоны и другие агрессивные промышленные вещества. Гидролитическая стабильность в кипящей воде отличная. Средами, которые разрушают полимеры, являются высокотемпературный пар, концентрированная серная кислота и кипящие едкие материалы.

Полярные и чашеобразные LCP являются сегнетоэлектриками , время реакции которых на порядок меньше, чем у обычных LC, и их можно использовать для создания сверхбыстрых переключателей. Колончатые полимеры чашеобразной формы имеют длинные полые трубки; если добавить в трубку атомы металлов или переходных металлов, они потенциально могут образовывать сверхпроводники со сверхвысокой температурой . ^[17]

Использование

Благодаря своим различным свойствам LCP полезны в электротехнике. ^[18] механические детали, пищевые контейнеры и любые другие изделия, требующие химической инертности и высокой прочности. LCP особенно хорош для СВЧ-электроники из-за низких относительных диэлектрических проницаемостей, низких коэффициентов рассеяния и коммерческой доступности ламинатов. Упаковка микроэлектромеханических систем (МЭМС) — еще одна область, которой в последнее время LCP уделяет больше внимания. Превосходные свойства LCP делают их особенно подходящими для компонентов автомобильной системы зажигания, разъемов свечей обогрева, патронов ламп, компонентов системы передачи, компонентов насосов, форм катушек, датчиков солнечного света и датчиков для автомобильных ремней безопасности. LCP также хорошо подходят для компьютерных вентиляторов , поскольку их высокая прочность на разрыв и жесткость обеспечивают более жесткие конструктивные допуски, более высокую производительность и меньший уровень шума, хотя и при значительно более высокой стоимости. ^[19]^[20]

Торговые названия

LCP продается производителями под различными торговыми марками. К ним относятся:

Zenite
Вектра
Лаперос
Зенит 5145Л

Ссылки

^ Кэрролл, Грегори Т.; Ли, Кён Мин; МакКонни, Майкл Э.; Холл, Харрис Дж. (2023). «Оптический контроль выравнивания и формирования рисунка в азобензольном жидкокристаллическом фоторезисте» . Журнал химии материалов C. 11 (6): 2177–2185. дои : 10.1039/D2TC04869H . ISSN 2050-7526 . S2CID 256151872 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Уайт, Тимоти Дж.; Броер, Дирк Дж. (ноябрь 2015 г.). «Программируемая и адаптивная механика с жидкокристаллическими полимерными сетками и эластомерами» . Природные материалы . 14 (11): 1087–1098. Бибкод : 2015NatMa..14.1087W . дои : 10.1038/nmat4433 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 26490216 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Лю, Даньцин; Броер, Дирк Дж. (22 апреля 2014 г.). «Жидкокристаллические полимерные сети: получение, свойства и применение пленок с узорчатым молекулярным выравниванием» . Ленгмюр . 30 (45): 13499–13509. дои : 10.1021/la500454d . ISSN 0743-7463 . ПМИД 24707811 . S2CID 10109504 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Куларатне, Рувини С.; Ким, Хён; Бутби, Дженнифер М.; Уэр, Тейлор Х. (2017). «Приводы из жидкокристаллического эластомера: синтез, выравнивание и применение» . Журнал науки о полимерах, часть B: Физика полимеров . 55 (5): 395–411. Бибкод : 2017JPoSB..55..395K . дои : 10.1002/polb.24287 . ISSN 1099-0488 .
^ «Молекулярная структура вектрана» . Архивировано из оригинала 5 июня 2012 г. Проверено 22 ноября 2012 г.
^ Шибаев, Валерий П.; Лам, Луи, ред. (1994). Жидкокристаллические и мезоморфные полимеры . Нью-Йорк: Спрингер.
^ Каллистер (2007): «Материаловедение и инженерия - Введение», 557-558.
^ Чарльз А. Харпер, изд., Справочник по современным пластмассам , ISBN 0-07-026714-6 , 2000 г.
^ Лам, Луи (1988). «Чашечные и полярные жидкокристаллические полимеры». Мол. Крист. Лик. Крист . 155 , 531.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Коллайер, А.А. (1992). Жидкокристаллические полимеры: от структур к применению . Лондон; Нью-Йорк: Elsevier Applied Science. ISBN 978-1-85166-797-0 . ОСЛК 25409693 .
^ Ганич, Томаш; Станьчик, Влодзимеж (март 2009 г.). «Жидкокристаллические полимеры с боковой цепью (SCLCP): методы и материалы. Обзор» . Материалы . 2 (1): 95–128. Бибкод : 2009Mate....2...95G . дои : 10.3390/ma2010095 . ПМЦ 5445690 .
^ Ноэль, Клодин; Навард, Патрик (1 января 1991 г.). «Жидкокристаллические полимеры» . Прогресс в науке о полимерах . 16 (1): 55–110. дои : 10.1016/0079-6700(91)90007-8 . ISSN 0079-6700 .
^ Шибаев Валерий П.; Плате, Николай А. (1984), «Термотропные жидкокристаллические полимеры с мезогенными боковыми группами» , Liquid Crystal Polymers II/III , Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 173–252, Bibcode : 1984lcp2.book..173S , doi : 10.1007/3-540-12994-4_4 , ISBN 978-3-540-12994-3 , получено 8 мая 2021 г.
^ Ирвинг, Майкл (11 марта 2022 г.). «Новый амортизирующий материал, прочный, как металл, но легкий, как пенопласт» . Новый Атлас . Проверено 11 марта 2022 г.
^ Уэр, Тейлор Х.; Биггинс, Джон С.; Шик, Андреас Ф.; Уорнер, Марк; Уайт, Тимоти Дж. (23 февраля 2016 г.). «Локализованная мягкая эластичность жидкокристаллических эластомеров» . Природные коммуникации . 7 (1): 10781. Бибкод : 2016NatCo...710781W . дои : 10.1038/ncomms10781 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4766422 . ПМИД 26902873 .
^ Броер, Дирк; Кроуфорд, Грегори П.; Зумер, Слободан, ред. (24 января 2011 г.). Сшитые жидкокристаллические системы: от жестких полимерных сеток к эластомерам . ЦРК Пресс. дои : 10.1201/b10525 . ISBN 978-0-429-14395-3 . Информацию о синтезе, свойствах и применении LCN и LCE можно найти в этой книге, опубликованной в 2011 году.
^ См. [2], [5].
^ FCI (2000): «Metral Signal Header 1 Mod, 4-рядная прессовая посадка», [1] , 8 (примечание 2)
^ Ноктуа . «Жидкокристаллический полимер (ЖКП) Sterrox®» . Проверено 25 апреля 2020 г.
^ Фенлон, Уэс (5 июня 2018 г.). «Компания Noctua потратила четыре с половиной года на разработку самого тихого и мощного вентилятора» . ПК-геймер . Проверено 25 апреля 2020 г.

Внешние ссылки

Старатель
Жидкий кристалл Bowlic из Государственного университета Сан-Хосе.

[1] Кэрролл, Грегори Т.; Ли, Кён Мин; МакКонни, Майкл Э.; Холл, Харрис Дж. (2023). «Оптический контроль выравнивания и формирования рисунка в азобензольном жидкокристаллическом фоторезисте» . Журнал химии материалов C. 11 (6): 2177–2185. дои : 10.1039/D2TC04869H . ISSN 2050-7526 . S2CID 256151872 .

[:23-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Уайт, Тимоти Дж.; Броер, Дирк Дж. (ноябрь 2015 г.). «Программируемая и адаптивная механика с жидкокристаллическими полимерными сетками и эластомерами» . Природные материалы . 14 (11): 1087–1098. Бибкод : 2015NatMa..14.1087W . дои : 10.1038/nmat4433 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 26490216 .

[:33-3] Перейти обратно: ^а ^б Лю, Даньцин; Броер, Дирк Дж. (22 апреля 2014 г.). «Жидкокристаллические полимерные сети: получение, свойства и применение пленок с узорчатым молекулярным выравниванием» . Ленгмюр . 30 (45): 13499–13509. дои : 10.1021/la500454d . ISSN 0743-7463 . ПМИД 24707811 . S2CID 10109504 .

[:13-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Куларатне, Рувини С.; Ким, Хён; Бутби, Дженнифер М.; Уэр, Тейлор Х. (2017). «Приводы из жидкокристаллического эластомера: синтез, выравнивание и применение» . Журнал науки о полимерах, часть B: Физика полимеров . 55 (5): 395–411. Бибкод : 2017JPoSB..55..395K . дои : 10.1002/polb.24287 . ISSN 1099-0488 .

[Vectran-5] «Молекулярная структура вектрана» . Архивировано из оригинала 5 июня 2012 г. Проверено 22 ноября 2012 г.

[6] Шибаев, Валерий П.; Лам, Луи, ред. (1994). Жидкокристаллические и мезоморфные полимеры . Нью-Йорк: Спрингер.

[Callister-7] Каллистер (2007): «Материаловедение и инженерия - Введение», 557-558.

[8] Чарльз А. Харпер, изд., Справочник по современным пластмассам , ISBN 0-07-026714-6 , 2000 г.

[9] Лам, Луи (1988). «Чашечные и полярные жидкокристаллические полимеры». Мол. Крист. Лик. Крист . 155 , 531.

[:03-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Коллайер, А.А. (1992). Жидкокристаллические полимеры: от структур к применению . Лондон; Нью-Йорк: Elsevier Applied Science. ISBN 978-1-85166-797-0 . ОСЛК 25409693 .

[11] Ганич, Томаш; Станьчик, Влодзимеж (март 2009 г.). «Жидкокристаллические полимеры с боковой цепью (SCLCP): методы и материалы. Обзор» . Материалы . 2 (1): 95–128. Бибкод : 2009Mate....2...95G . дои : 10.3390/ma2010095 . ПМЦ 5445690 .

[12] Ноэль, Клодин; Навард, Патрик (1 января 1991 г.). «Жидкокристаллические полимеры» . Прогресс в науке о полимерах . 16 (1): 55–110. дои : 10.1016/0079-6700(91)90007-8 . ISSN 0079-6700 .

[13] Шибаев Валерий П.; Плате, Николай А. (1984), «Термотропные жидкокристаллические полимеры с мезогенными боковыми группами» , Liquid Crystal Polymers II/III , Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 173–252, Bibcode : 1984lcp2.book..173S , doi : 10.1007/3-540-12994-4_4 , ISBN 978-3-540-12994-3 , получено 8 мая 2021 г.

[14] Ирвинг, Майкл (11 марта 2022 г.). «Новый амортизирующий материал, прочный, как металл, но легкий, как пенопласт» . Новый Атлас . Проверено 11 марта 2022 г.

[15] Уэр, Тейлор Х.; Биггинс, Джон С.; Шик, Андреас Ф.; Уорнер, Марк; Уайт, Тимоти Дж. (23 февраля 2016 г.). «Локализованная мягкая эластичность жидкокристаллических эластомеров» . Природные коммуникации . 7 (1): 10781. Бибкод : 2016NatCo...710781W . дои : 10.1038/ncomms10781 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4766422 . ПМИД 26902873 .

[16] Броер, Дирк; Кроуфорд, Грегори П.; Зумер, Слободан, ред. (24 января 2011 г.). Сшитые жидкокристаллические системы: от жестких полимерных сеток к эластомерам . ЦРК Пресс. дои : 10.1201/b10525 . ISBN 978-0-429-14395-3 . Информацию о синтезе, свойствах и применении LCN и LCE можно найти в этой книге, опубликованной в 2011 году.

[17] См. [2], [5].

[18] FCI (2000): «Metral Signal Header 1 Mod, 4-рядная прессовая посадка», [1] , 8 (примечание 2)

[noctua-sterrox-19] Ноктуа . «Жидкокристаллический полимер (ЖКП) Sterrox®» . Проверено 25 апреля 2020 г.

[pcgamer-noctua-20] Фенлон, Уэс (5 июня 2018 г.). «Компания Noctua потратила четыре с половиной года на разработку самого тихого и мощного вентилятора» . ПК-геймер . Проверено 25 апреля 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]