Flytande kristallpolymer
| Solid LCP | |
|---|---|
| Specifik gravitation | 1,38 till 1,95 |
| Elasticitetsmodul (E) | 8530 till 17200 M Pa |
| Draghållfasthet (σ t ) | 52,8 till 185 MPa |
| Dragförlängning (%) | 0,26 till 6,2 |
| Naggad Izod Impact | 21,0 till 82,5 k J / m 2 |
Flytande kristallpolymerer (LCP) är polymerer med egenskapen flytande kristaller , vanligtvis innehållande aromatiska ringar som mesogener . Trots icke tvärbundna LCP kan polymera material som flytande kristallelastomerer ( LCE) och flytande kristallnätverk (LCN) också uppvisa flytande kristallinitet. De är båda tvärbundna LCP men har olika tvärbindningsdensitet. De används i stor utsträckning på den digitala displaymarknaden. Dessutom har LCP unika egenskaper som termisk aktivering, anisotropisk svullnad och mjuk elasticitet. Därför kan de vara bra ställdon och sensorer. En av de mest kända och klassiska applikationerna för LCP är Kevlar , en stark men lätt fiber med breda applikationer, särskilt skottsäkra västar .
Bakgrund
Flytande kristallinitet i polymerer kan uppstå antingen genom att lösa en polymer i ett lösningsmedel ( lyotropa flytande kristallpolymerer) eller genom att värma en polymer över dess glas- eller smältpunkt ( termotropiska flytande kristallpolymerer). Flytande kristallpolymerer är närvarande i smält/flytande eller fast form. I fast form är det främsta exemplet på lyotropa LCP:er den kommersiella aramiden känd som Kevlar . Den kemiska strukturen hos denna aramid består av linjärt substituerade aromatiska ringar sammanlänkade med amidgrupper. På liknande sätt har flera serier av termotropiska LCP:er tillverkats kommersiellt av flera företag (t.ex. Vectra / Celanese ) .
Ett stort antal LCP, producerade på 1980-talet, visade ordning i smältfasen analogt med den som uppvisas av icke-polymera flytande kristaller . Bearbetning av LCP från flytande kristallfaser (eller mesofaser) ger upphov till fibrer och injicerade material som har höga mekaniska egenskaper som en konsekvens av de självförstärkande egenskaperna som härrör från den makromolekylära orienteringen i mesofasen .
Idag kan LCP smältbearbetas på konventionell utrustning vid höga hastigheter med utmärkt replikering av formdetaljer. Faktum är att den höga lättheten att bilda LCP:er är en viktig konkurrensfördel gentemot andra plaster, eftersom det kompenserar för höga råvarukostnader.
Klassen av polära och bowla LCP:er, med unika egenskaper och viktiga potentiella tillämpningar, återstår att utnyttja.
Mesofaser
Samma som små molekylära flytande kristaller har flytande kristallpolymerer också olika mesofas. Polymerernas mesogena kärnor kommer att aggregeras till olika mesofas: nematika , kolesteriska , smektiska och föreningar med mycket polära ändgrupper. Mer information om mesofaserna finns på sidan med flytande kristaller .
Klassificering
LCP:er kategoriseras efter placeringen av flytande kristallkärnor. Huvudkedjans flytande kristallpolymerer (MCLCPs), som namnet indikerar, har flytande kristallkärnor i huvudkedjan. Som kontrast har sidokedjevätskekristallpolymerer (SCLCP) vidhängande sidokedjor som innehåller vätskekristallkärnorna. De grundläggande strukturerna för dessa två typer av LCP visas i figuren.
Huvudkedja LCP
Huvudkedjans LCP har stela, stavliknande mesogener i polymerens ryggrader, vilket indirekt leder till den höga smälttemperaturen för denna typ av LCP. För att göra denna typ av polymer lätt att bearbeta, används olika metoder för att sänka övergångstemperaturen: (1) Införande av flexibla sekvenser; (2) Införande av böjar eller veck; (3) Lägga till substituentgrupper till de aromatiska mesogenerna...
Sidokedja LCP
I sidokedje-LCP finns mesogenerna i polymersidokedjorna. Mesogenerna är vanligtvis kopplade till ryggraden genom flexibla distanser (även om sidokedjorna för några få LCP länkar direkt till ryggraden). Om mesogenerna är direkt kopplade till ryggraden, kommer den spolliknande konformationen av ryggraden att hindra mesogenerna från att bilda en orienteringsstruktur. Genom att införa flexibla distanser mellan ryggraden och mesogenerna kan emellertid ordningen av mesogener frikopplas från ryggradens konformation.
På grund av forskarens ansträngning syntetiseras fler och fler LCP med olika strukturer. Därför används latinska bokstäver för att hjälpa klassificeringen av LCP.
Mekanism
Mesogener i LCP kan självorganisera sig för att bilda flytande kristallregioner under olika förhållanden. Baserat på mekanismen för aggregering och beställning kan LCP grovt delas in i två underkategorier som visas nedan. Skillnaden är dock inte strikt definierad. LCP kan omvandlas till flytande kristaller med mer än en metod.
Lyotropa system
Lyotropa huvudkedje-LCP har stela mesogenkärnor (som aromatiska ringar) i ryggraden. Denna typ av LCP bildar flytande kristaller på grund av deras stela kedjekonformation men inte bara aggregationen av mesogenkärnor. På grund av den stela strukturen behövs starkt lösningsmedel för att lösa upp de lyotropa huvudkedjepolymererna. När koncentrationen av polymererna når kritisk koncentration börjar mesofaserna att bildas och polymerlösningens viskositet börjar minska. Lyotropa huvudkedje-LCP har huvudsakligen använts för att generera höghållfasta fibrer som Kevlar.
Sidokedje-LCP består vanligtvis av både hydrofoba och hydrofila segment. Vanligtvis är sidokedjeändarna hydrofila. När de löses i vatten bildas miceller på grund av hydrofob kraft. Om volymfraktionen av polymererna överstiger den kritiska volymfraktionen kommer de micellära segregaten att packas för att bilda en flytande kristallstruktur. Eftersom koncentrationen varierar över den kritiska volymfraktionen kan den alstrade flytande kristallen ha olika packningssätt. Temperatur, polymerernas styvhet, polymerernas molekylvikt kan påverka flytande kristallomvandlingen. Lyotropa sidokedjor LCP som alkylpolyoxietylen tensider fästa på polysiloxanpolymerer kan appliceras på personliga vårdprodukter som flytande tvål etc.
Termotropiska system
Studiet av termotropa LCP är inspirerat av framgången med lyotropa LCP. Denna typ av LCP kan endast bearbetas när smälttemperaturen är långt under nedbrytningstemperaturen. Över smälttemperaturen och glasövergångstemperaturen och under klarningspunkten kommer de termotropiska LCP:erna att bilda flytande kristaller. Efter klarningspunkten kommer smältan att vara isotrop och klar igen. Det som skiljer sig från de små molekylära flytande kristallerna är att vi kan få frysta flytande kristaller genom att kyla de flytande kristallpolymererna under glasövergångstemperaturen. Dessutom kan vi använda sampolymerisation för att justera smälttemperaturen och mesofastemperaturen.
Det finns andra system som fototropiska system.
Flytande kristallelastomerer (LCE)
Finkelmann föreslog LCE för första gången 1981. LCE:er väckte uppmärksamhet från forskare och industri. LCE kan syntetiseras både från polymera prekursorer och från monomerer . LCE:er kan reagera på värme, ljus och magnetfält. Nanomaterial kan introduceras i LCE-matriser (LCE-baserade kompositer) för att ge olika egenskaper och skräddarsy LCE:ers förmåga att svara på olika stimuli.
Ansökningar
LCE har många applikationer. Till exempel kan LCE-filmer användas som optiska retarderare på grund av deras anisotropa struktur. Eftersom de kan styra polariseringstillståndet för transmitterat ljus, används de ofta i 3D-glasögon, mönstrade retarder för transreflektiva skärmar och platta LC-skärmar. Genom att modifiera LCE med azobensen kan den visa ljusresponsegenskaper. Den kan appliceras för kontrollerad vätbarhet, autonoma linser och haptiska ytor. Förutom displayapplikationen har forskningen fokuserat på andra intressanta egenskaper såsom dess speciella termiskt och fotogenererade mekaniska reaktioner i makroskala, vilket innebär att de kan vara bra ställdon.
LCE:er används för att tillverka ställdon och konstgjorda muskler för robotik . De har studerats för användning som lätta energiabsorbenter, med potentiella tillämpningar i hjälmar, kroppsskydd, fordonsstötfångare, med flerskiktade, lutande balkar av LCE, inklämda mellan styva bärande strukturer.
Syntes
Polymera prekursorer
LCE:er syntetiserade från polymerprekursorerna kan delas in i två underkategorier:
Poly(hydrosiloxan): En tvåstegs tvärbindningsteknik används för att härleda LCE från poly(hydrosiloxan). Poly(dydrosiloxan) blandas med en monovinylfunktionaliserad flytande kristallin monomer, en multifunktionell vinyltvärbindare och katalysator. Denna blandning används för att generera en svagt tvärbunden gel, i vilken monomererna är kopplade till poly(dydrosiloxan)-ryggraden. Under det första tvärbindningssteget eller kort därefter införs orientering i geléns mesogena kärnor med mekaniska inriktningsmetoder. Därefter dehydratiseras gelén och tvärbindningsreaktionen är fullbordad. Därför hålls orienteringen i elastomeren genom tvärbindning. På så sätt kan högordnade sidokedje-LCE:er produceras, vilka också kallas enkristall- eller monodomän-LCE:er.
LCP:er: Med LCP:er som prekursorer kan en liknande tvåstegsmetod tillämpas. Justerade LCP:er blandade med multifunktionella tvärbindare genererar direkt LCE:er. Blandningen upphettas först till isotop. [ förtydligande behövs ] Fibrer dras från blandningen och tvärbinds sedan, så att orienteringen kan fångas i LCE. Den är emellertid begränsad av svårigheten att bearbeta orsakad av utgångsmaterialets höga viskositet.
Monomerer med låg molmassa
Flytande kristallmonomerer med låg molmassa blandas med tvärbindare och katalysatorer. Monomererna kan inriktas och sedan polymeriseras för att behålla orienteringen. En fördel med denna metod är att monomererna med låg molmassa kan inriktas inte bara genom mekanisk inriktning, utan även diamagnetisk, dielektrisk ytinriktning. Till exempel tiol- enradikal stegtillväxtpolymerisation och Michael-addition välordnade LCE:er. Detta är också ett bra sätt att syntetisera måttligt till tätt tvärbundna glasartade LCN.
Huvudskillnaden mellan LCE och LCN är tvärlänkstätheten. LCN syntetiseras primärt från (met)akrylatbaserade multifunktionella monomerer medan LCE vanligtvis kommer från tvärbundna polysiloxaner.
Egenskaper
En unik klass av delvis kristallina aromatiska polyestrar baserade på p-hydroxibensoesyra och besläktade monomerer , flytande kristallpolymerer kan bilda områden med högt ordnad struktur medan de är i vätskefasen. Ordningsgraden är dock något mindre än för en vanlig solid kristall. Vanligtvis har LCP:er en hög mekanisk hållfasthet vid höga temperaturer, extrem kemisk beständighet, inneboende flamskydd och god väderbeständighet. Flytande kristallpolymerer finns i en mängd olika former från sintringsbara högtemperaturer till formsprutbara föreningar. LCP kan svetsas, även om linjerna som skapas genom svetsning är en svag punkt i den resulterande produkten. LCP har en hög värmeutvidgningskoefficient på Z-axeln .
LCP är exceptionellt inerta. De motstår spänningssprickor i närvaro av de flesta kemikalier vid förhöjda temperaturer, inklusive aromatiska eller halogenerade kolväten , starka syror, baser, ketoner och andra aggressiva industriella ämnen. Hydrolytisk stabilitet i kokande vatten är utmärkt. Miljöer som försämrar polymererna är högtemperaturånga, koncentrerad svavelsyra och kokande kaustikmaterial .
Polära och bowla LCP:er är ferroelektriska , med reaktionstid i storleksordningar som är mindre än den i konventionella LC:er och kan användas för att göra ultrasnabba switchar. Bowliska kolumnära polymerer har långa, ihåliga rör; med metall- eller övergångsmetallatomer tillsatta i röret kan de potentiellt bilda ultrahög- Tc supraledare.
Används
På grund av deras olika egenskaper är LCP:er användbara för elektriska och mekaniska delar, livsmedelsbehållare och andra applikationer som kräver kemisk tröghet och hög hållfasthet. LCP är särskilt bra för mikrovågsfrekvenselektronik på grund av låga relativa dielektriska konstanter, låga förlustfaktorer och kommersiell tillgänglighet av laminat. Förpackning av mikroelektromekaniska system (MEMS) är ett annat område som LCP nyligen har fått mer uppmärksamhet. De överlägsna egenskaperna hos LCP:er gör dem särskilt lämpliga för fordons tändsystemkomponenter, värmekontaktdon, lampsockel, transmissionssystemkomponenter, pumpkomponenter, spolformar och solljussensorer och sensorer för bilsäkerhetsbälten. LCP:er är också väl lämpade för datorfläktar , där deras höga draghållfasthet och styvhet möjliggör snävare designtoleranser, högre prestanda och mindre buller, om än till en betydligt högre kostnad.
Handelsnamn
LCP säljs av tillverkare under en mängd olika handelsnamn. Dessa inkluderar:
- Zenite
- Vectra
- Laperos
- Zenite 5145L är en flytande kristallpolymer med 45 % glasfiberfyllmedel , ursprungligen utvecklad av DuPont , som används för formsprutade delar med intrikata egenskaper. Typiska användningsområden inkluderar elektronisk förpackning, hölje. etc. Värmeavböjningstemperaturen är 290 °C. Relativt temperaturindex (RTI med hänsyn till styrka men inte slag eller böjning) är 130 °C. Densiteten är cirka 1,76 g / cm3 . Den typiska draghållfastheten vid rumstemperatur är 130 MPa (19 ksi). Smälttemperatur 319 °C. Avböjningstemperaturen under belastning (DTUL) är 275 °C.
externa länkar
- Malmletare
- Bowlic flytande kristall från San Jose State University
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
