Los polímeros de cristal líquido (LCP) son polímeros con la propiedad de cristal líquido, que generalmente contienen anillos aromáticos como mesógenos . A pesar de los LCP no reticulados, los materiales poliméricos como los LCE (elastómeros de cristal líquido) y los LCN (redes de cristal líquido) también pueden exhibir cristalinidad líquida. Ambos son LCP entrecruzados pero tienen diferente densidad de entrecruzamiento. [1] Ya se utilizan ampliamente en el mercado de las pantallas. [2] Además, los LCP tienen propiedades únicas como activación térmica, hinchamiento anisotrópico y elasticidad suave. Por tanto, pueden ser buenos actuadores y sensores. [3] Una de las aplicaciones más famosas y clásicas de los LCP es el Kevlar, una fibra resistente pero ligera con amplias aplicaciones, como un chaleco antibalas.
LCP sólido | |
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Gravedad específica | 1,38 a 1,95 |
Módulo de elasticidad (E) | 8530 a 17200 M Pa |
Resistencia a la tracción (σ t ) | 52,8 hasta 185 MPa |
Alargamiento a la tracción (%) | 0,26 hasta 6,2 |
Impacto Izod con muescas | 21,0 a 82,5 k J / m 2 |
Fondo
La cristalinidad líquida en los polímeros puede ocurrir disolviendo un polímero en un solvente ( polímeros liotrópicos de cristal líquido) o calentando un polímero por encima de su vidrio o punto de transición de fusión ( polímeros termotrópicos de cristal líquido). [5] Los polímeros de cristal líquido están presentes en forma fundida / líquida o sólida. [6] En forma sólida, el principal ejemplo de LCP liotrópicos es la aramida comercial conocida como Kevlar . La estructura química de esta aramida consiste en anillos aromáticos linealmente sustituidos unidos por grupos amida. De manera similar, varias empresas (por ejemplo, Vectra / Celanese ) han producido comercialmente varias series de LCP termotrópicos .
Un gran número de LCP, producidos en la década de 1980, mostraron un orden en la fase de fusión análogo al exhibido por los cristales líquidos no poliméricos . El procesamiento de LCP a partir de fases de cristal líquido (o mesofases) da lugar a fibras y materiales inyectados con altas propiedades mecánicas como consecuencia de las propiedades de autorrefuerzo derivadas de la orientación macromolecular en la mesofase .
Hoy en día, los LCP se pueden procesar por fusión en equipos convencionales a altas velocidades con una excelente reproducción de los detalles del molde. De hecho, la alta facilidad de formación de los LCP es una ventaja competitiva importante frente a otros plásticos, ya que compensa el alto costo de la materia prima. [7]
La clase de LCP polares y de arco, con propiedades únicas e importantes aplicaciones potenciales, queda por explotar. [8]
Mesofases
Al igual que el cristal líquido de pequeño peso molecular, los polímeros de cristal líquido también tienen diferentes mesofases. Los núcleos mesógenos de los polímeros se agregarán en diferentes mesofases: Nemáticos (N), Colestéricos (Ch), Esmecticos (S), compuestos con grupos terminales altamente plar. [9] Puede encontrar más información sobre las mesofases en la página de cristal líquido .
Clasificación
Los LCP se clasifican según la ubicación de los núcleos de cristal líquido. Los polímeros de cristal líquido de cadena principal (MCLCP), como su nombre indica, tienen núcleos de cristal líquido en la cadena principal. Por el contrario, los polímeros de cristal líquido de cadena lateral (SCLCP) tienen cadenas laterales pedantes que contienen los núcleos de cristal líquido. Las estructuras básicas para estos dos tipos de LCP se muestran en la figura. [9]
Cadena principal LCP
Los LCP de la cadena principal tienen mesógenos rígidos en forma de varillas en las cadenas principales del polímero, lo que indirectamente conduce a la alta temperatura de fusión de este tipo de LCP. Para que este tipo de polímero sea fácil de procesar, se aplican diferentes métodos para bajar la temperatura de transición: (1) Introducción de secuencias flexibles; (2) Introducción de dobleces o torceduras; (3) Adición de grupos sustituyentes a los mesógenos aromáticos ...
LCP de cadena lateral [10]
En los LCP de cadena lateral, los mesógenos se encuentran en las cadenas laterales del polímero. Los mesógenos generalmente están vinculados a la columna vertebral a través de espaciadores flexibles (aunque para algunos LCP, las cadenas laterales se unen directamente a la columna vertebral). Si los mesógenos están directamente vinculados a las cadenas principales, la conformación en espiral de las cadenas principales impedirá que los mesógenos formen una estructura de orientación. Sin embargo, mediante la introducción de espaciadores flexibles entre la columna vertebral y los mesógenos, el orden de los mesógenos se puede desacoplar de la conformación de la columna vertebral.
Gracias al esfuerzo del investigador, se sintetizan cada vez más LCP de diferentes estructuras. Por lo tanto, las letras latinas se utilizan para ayudar a clasificar los LCP. [9]
Mecanismo
Los mesógenos en los LCP pueden autoorganizarse para formar regiones de cristal líquido en diferentes condiciones. Según el mecanismo de agregación y ordenación, los LCP se pueden dividir aproximadamente en dos subcategorías, como se muestra a continuación. Sin embargo, la distinción no está definida de manera rígida. Los LCP se pueden transformar en cristales líquidos con más de un método. [9]
Sistemas liotrópicos [11]
Los LCP de la cadena principal liotrópica tienen núcleos mesógenos rígidos (como anillos aromáticos) en la columna vertebral. Este tipo de LCP forma cristales líquidos debido a su conformación de cadena rígida, pero no solo a la agregación de núcleos mesógenos. Debido a la estructura rígida, se necesita un solvente fuerte para disolver los polímeros liotrópicos de la cadena principal. Cuando la concentración de los polímeros alcanza una concentración crítica, las mesofases comienzan a formarse y la viscosidad de la solución de polímero comienza a disminuir. Los LCP de cadena principal lyotrópica se han utilizado principalmente para generar fibras de alta resistencia como el Kevlar.
Los LCP de cadena lateral suelen constar de segmentos fotofóbicos y fotofílicos. Por lo general, los extremos de la cadena lateral son hidrófilos. Cuando se disuelven en agua, se forman micelas debido a la fuerza hidrofóbica. Si la fracción volumétrica de los polímeros excede la fracción volumétrica crítica, los segregados micelares se empaquetarán para formar una estructura de cristal líquido. Como la concentración varía por encima de la fracción de volumen crítica, el cristal líquido generado puede tener diferentes formas de empaquetamiento. La temperatura, la rigidez de los polímeros, el peso molecular de los polímeros pueden afectar la transformación del cristal líquido. Los LCP de cadena lateral lyotrópica como los tensioactivos de alquil polioxietileno unidos a polímeros de polisiloxano se pueden aplicar a productos de cuidado personal como jabón líquido, etc.
Sistemas termotrópicos [12]
El estudio de los LCP termotrópicos se inspira en el éxito de los LCP liotrópicos. Este tipo de LCP solo se puede procesar cuando la temperatura de fusión está muy por debajo de la temperatura de descomposición. Por encima de la temperatura de fusión y la temperatura de transición vítrea y por debajo del punto de aclaramiento, los LCP termotrópicos formarán cristales líquidos. Después del punto de aclaramiento, la masa fundida será isotrópica y clara nuevamente. Lo que es diferente de los cristales líquidos moleculares pequeños es que podemos obtener cristales líquidos congelados apagando los polímeros de cristal líquido por debajo de la temperatura de transición vítrea. Además, podemos utilizar la copolimerización para justificar la temperatura de fusión y la temperatura de mesofase.
Existen otros sistemas como los sistemas fototrópicos.
Elastómeros de cristal líquido (LCE) [3]
Las LCE fueron propuestas por primera vez en 1981 por Finkelmann. Después de eso, las LCE han atraído mucha atención de las investigaciones y la industria. Los LCE se pueden sintetizar tanto a partir de precursores poliméricos como exclusivamente a partir de monómeros. Los LCE pueden mostrar propiedades especiales cuando responden al calor, la luz y los campos magnéticos. [1] Además, se pueden introducir diferentes nanomateriales en la matriz LCE (compuestos basados en LCE) para proporcionar a las LCE diferentes propiedades y adaptar la capacidad de las LCE para responder a diferentes estímulos. [3] Las LCE tienen muchas aplicaciones. Por ejemplo, las películas de LCE se pueden utilizar como retardadores ópticos debido a su estructura anisotrópica. Debido a que pueden controlar el estado de polarización de la luz transmitida, se utilizan comúnmente en gafas 3D, retardadores estampados para pantallas transflectivas y televisores LC de pantalla plana. Si el LCE se modifica con azobenzen, puede mostrar propiedades de respuesta a la luz y, por lo tanto, se puede aplicar para humectabilidad controlada, lentes autónomos y superficies hápticas. [2] Además de la aplicación de visualización que ya se ha convertido en un producto básico, ahora las investigaciones se han centrado en otras propiedades interesantes de los LCE, como sus respuestas mecánicas especiales a macroescala térmicas y fotogeneradas, lo que significa que pueden ser buenos actuadores. Un artículo reciente revisó sistemáticamente la mecánica programable y adaptativa con elastómeros y redes de polímeros de cristal líquido. [1]
Existen diferentes rutas sintéticas para obtener LCE. [3]
LCE sintetizados a partir de precursores poliméricos
Las LCE sintetizadas a partir de precursores poliméricos se pueden dividir en dos subcategorías:
Los LCE se pueden sintetizar a partir de poli (hidrosiloxano). Se aplica una técnica de reticulación de dos pasos para obtener LCE a partir de poli (hidrosiloxano). El poli (didrosiloxano) se mezcla con un monómero cristalino líquido funcionalizado con monovinilo, un reticulante de vinilo multifuncional y un catalizador. Esta mezcla se utiliza para generar un gel débilmente reticulado, en el que los monómeros están unidos a las cadenas principales de poli (didrosiloxano). Durante el primer paso de reticulación o poco después, se introduce la orientación en los núcleos de mesógeno del gel con métodos de alineación mecánica. Después de eso, el gel se deshidrata y se completa la reacción de reticulación. Por tanto, la orientación se mantiene en el elastómero por reticulación. De esta manera, podemos obtener LCE de cadena lateral altamente ordenadas, que también se denominan LCE de monocristal o monodominio.
Los LCE se pueden sintetizar a partir de LCP. Con los LCP como precursores, podemos utilizar el método de dos pasos que se muestra en la subcategoría anterior. Además, podemos usar LCP alineados mezclados con reticuladores multifuncionales para generar LCE directamente. La mezcla se calienta primero a isotópica. Las fibras se extraen de la mezcla y luego se reticulan, por lo que la orientación puede quedar atrapada en el LCE. Este método se usa ampliamente para generar una gran cantidad de LCE. Sin embargo, está limitado por la dificultad de procesamiento provocada por la alta viscosidad del material de partida.
LCE sintetizados a partir de monómeros de baja masa molar
Los monómeros de cristal líquido de baja masa molar se mezclan con reticulantes y catalizadores. Los monómeros se pueden alinear y luego polimerizar para mantener la orientación. Una ventaja de este método es que los monómeros de baja masa molar se pueden alinear no solo mediante alineación mecánica, sino también mediante alineación de superficie diamagnética, dieléctrica. En los últimos años, los métodos para obtener una estructura bien definida en las LCE han atraído mucha atención. Por ejemplo, la polimerización de crecimiento por pasos de radicales tiol-eno y la adición de Michael se utilizan para obtener LCE bien ordenados. [13] Esta es también una buena forma de sintetizar LCN vítreos de moderada a densamente reticulados.
La principal diferencia entre LCE y LCN es la densidad de enlace cruzado. Los LCN se sintetizan principalmente a partir de monómeros multifuncionales basados en (met) acrilato, mientras que los LCE generalmente provienen de polisiloxanos reticulados. Se puede encontrar más información sobre la síntesis, propiedades y aplicaciones de LCN y LCE en este libro publicado en 2011. [14]
Propiedades
Una clase única de poliésteres aromáticos parcialmente cristalinos basados en ácido p-hidroxibenzoico y monómeros relacionados , los polímeros de cristal líquido son capaces de formar regiones de estructura muy ordenada mientras se encuentran en la fase líquida. Sin embargo, el grado de orden es algo menor que el de un cristal sólido normal. Por lo general, los LCP tienen una alta resistencia mecánica a altas temperaturas, una resistencia química extrema, un retardo de llama inherente y una buena resistencia a la intemperie. Los polímeros de cristal líquido vienen en una variedad de formas, desde compuestos sinterizables a alta temperatura hasta compuestos moldeables por inyección . Los LCP se pueden soldar, aunque las líneas creadas por la soldadura son un punto débil en el producto resultante. LCP tienen un alto eje Z coeficiente de expansión térmica .
Los LCP son excepcionalmente inertes. Resisten el agrietamiento por tensión en presencia de la mayoría de los productos químicos a temperaturas elevadas, incluidos los hidrocarburos aromáticos o halogenados , ácidos fuertes, bases, cetonas y otras sustancias industriales agresivas. La estabilidad hidrolítica en agua hirviendo es excelente. Los entornos que deterioran los polímeros son el vapor a alta temperatura, el ácido sulfúrico concentrado y los materiales cáusticos en ebullición .
Los LCP polares y de arco son ferroeléctricos , con un tiempo de reacción en orden de magnitudes más pequeño que el de los LC convencionales y podrían usarse para hacer interruptores ultrarrápidos. Los polímeros columnares bowlic poseen tubos largos y huecos; con átomos de metal o de metal de transición agregados al tubo, podrían formar superconductores de Tc ultra alta . [15]
Usos
Debido a sus diversas propiedades, los LCP son útiles para piezas eléctricas [16] y mecánicas, contenedores de alimentos y cualquier otra aplicación que requiera inercia química y alta resistencia. El LCP es particularmente bueno para la electrónica de frecuencia de microondas debido a las constantes dieléctricas relativas bajas, los factores de disipación bajos y la disponibilidad comercial de laminados. El envasado de sistemas microelectromecánicos (MEMS) es otra área en la que LCP ha ganado más atención recientemente. Las propiedades superiores de los LCP los hacen especialmente adecuados para componentes de sistemas de encendido de automóviles, conectores de calentadores, portalámparas, componentes de sistemas de transmisión, componentes de bombas, formas de bobinas y sensores de luz solar y sensores para cinturones de seguridad de automóviles. Los LCP también son adecuados para los fanáticos de las computadoras , donde su alta resistencia a la tracción y rigidez permiten tolerancias de diseño más estrictas, mayor rendimiento y menos ruido, aunque a un costo significativamente mayor. [17] [18]
Nombres comerciales
Los fabricantes venden LCP con una variedad de nombres comerciales. Éstas incluyen:
- Zenita
- Vectra
- Zenite 5145L es un polímero de cristal líquido con un 45% de relleno de fibra de vidrio , desarrollado originalmente por DuPont , que se utiliza para piezas moldeadas por inyección con características intrincadas. Los usos típicos incluyen embalaje electrónico, carcasa. etc. La temperatura de deflexión térmica es 290 ° C. El índice de temperatura relativa (RTI considerando la fuerza pero no el impacto o la flexión) es 130 ° C. La densidad es de aproximadamente 1,76 g / cm 3 . La resistencia a la tracción típica a temperatura ambiente es de 130 MPa (19 ksi). Temperatura de fusión 319 ° C. La temperatura de deflexión bajo carga (DTUL) es 275 ° C.
Referencias
- ^ a b c White, Timothy J .; Broer, Dirk J. (noviembre de 2015). "Mecánica programable y adaptativa con elastómeros y redes de polímeros de cristal líquido" . Materiales de la naturaleza . 14 (11): 1087–1098. Código bibliográfico : 2015NatMa..14.1087W . doi : 10.1038 / nmat4433 . ISSN 1476-4660 . PMID 26490216 .
- ^ a b Liu, Danqing; Broer, Dirk J. (22 de abril de 2014). "Redes de polímeros de cristal líquido: preparación, propiedades y aplicaciones de películas con alineación molecular modelada" . Langmuir . 30 (45): 13499-13509. doi : 10.1021 / la500454d . ISSN 0743-7463 . PMID 24707811 .
- ^ a b c d Kularatne, Ruvini S .; Kim, Hyun; Boothby, Jennifer M .; Ware, Taylor H. (2017). "Actuadores de elastómero de cristal líquido: síntesis, alineación y aplicaciones" . Journal of Polymer Science Parte B: Física de polímeros . 55 (5): 395–411. Código bibliográfico : 2017JPoSB..55..395K . doi : 10.1002 / polb.24287 . ISSN 1099-0488 .
- ^ "Estructura molecular de Vectran" . Archivado desde el original el 5 de junio de 2012 . Consultado el 22 de noviembre de 2012 .
- ↑ Shibaev, Valery P .; Lam, Lui, eds. (1994). Polímeros líquidos cristalinos y mesomórficos . Nueva York: Springer.
- ^ Callister (2007): "Ciencia e ingeniería de materiales: una introducción", 557-558.
- ^ Charles A. Harper, ed., Manual de plásticos modernos , ISBN 0-07-026714-6 , 2000.
- ^ Lam, Lui (1988). "Polímeros de cristal líquido polares y bowlic". Mol. Cryst. Liq. Cryst . 155 , 531.
- ^ a b c d Collyer, A. A (1992). Polímeros de cristal líquido: de las estructuras a las aplicaciones . Londres; Nueva York: Elsevier Applied Science. ISBN 978-1-85166-797-0. OCLC 25409693 .
- ^ Ganicz, Tomasz; Stańczyk, Włodzimierz (marzo de 2009). "Polímeros de cristal líquido de cadena lateral (SCLCP): métodos y materiales. Una descripción general" . Materiales . 2 (1): 95-128. Código Bib : 2009Mate .... 2 ... 95G . doi : 10.3390 / ma2010095 . PMC 5445690 .
- ^ Noël, Claudine; Navard, Patrick (1 de enero de 1991). "Polímeros de cristal líquido" . Progreso en ciencia de polímeros . 16 (1): 55-110. doi : 10.1016 / 0079-6700 (91) 90007-8 . ISSN 0079-6700 .
- ^ Shibaev, Valery P .; Platé, Nicolai A. (1984), "Polímeros líquidos-cristalinos termotrópicos con grupos laterales mesogénicos" , Liquid Crystal Polymers II / III , Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, págs. 173–252, Bibcode : 1984lcp2.book..173S , doi : 10.1007 / 3-540-12994-4_4 , ISBN 978-3-540-12994-3, consultado el 8 de mayo de 2021
- ^ Ware, Taylor H .; Biggins, John S .; Shick, Andreas F .; Warner, Mark; White, Timothy J. (23 de febrero de 2016). "Elastómero suave localizado en elastómeros de cristal líquido" . Comunicaciones de la naturaleza . 7 (1): 10781. Bibcode : 2016NatCo ... 710781W . doi : 10.1038 / ncomms10781 . ISSN 2041-1723 . PMC 4766422 . PMID 26902873 .
- ^ Broer, Dirk; Crawford, Gregory P; Zumer, Slobodan, eds. (24 de enero de 2011). Sistemas cristalinos líquidos reticulados: desde redes de polímeros rígidos hasta elastómeros . Prensa CRC. doi : 10.1201 / b10525 . ISBN 978-0-429-14395-3.
- ^ Ver [2], [5].
- ^ FCI (2000): "Metral Signal Header 1 Mod, 4 Row Press-Fit", [1] , 8 (nota 2)
- ^ Noctua . "Polímero de cristal líquido Sterrox® (LCP)" . Consultado el 25 de abril de 2020 .
- ^ Fenlon, Wes (5 de junio de 2018). "Noctua pasó cuatro años y medio diseñando su ventilador más silencioso y potente hasta el momento" . Jugador de PC . Consultado el 25 de abril de 2020 .
enlaces externos
- Prospector
- Cristal líquido Bowlic de la Universidad Estatal de San José