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Polímero de cristal líquido

Los polímeros de cristal líquido (LCP) son polímeros con propiedades de cristal líquido , que generalmente contienen anillos aromáticos como mesógenos . A diferencia de los LCP ...

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Los polímeros de cristal líquido (LCP) son polímeros con propiedades de cristal líquido , que generalmente contienen anillos aromáticos como mesógenos . A diferencia de los LCP no reticulados, los materiales poliméricos como los elastómeros de cristal líquido (LCE) [ 1 ] y las redes de cristal líquido (LCN) también pueden exhibir cristalinidad líquida. Ambos son LCP reticulados, pero tienen diferente densidad de reticulación. [ 2 ] Se utilizan ampliamente en el mercado de pantallas digitales. [ 3 ] Además, los LCP tienen propiedades únicas como actuación térmica, hinchamiento anisotrópico y elasticidad suave. Por lo tanto, pueden ser buenos actuadores y sensores. [ 4 ] Una de las aplicaciones más famosas y clásicas de los LCP es el Kevlar , una fibra fuerte pero ligera con amplias aplicaciones, especialmente en chalecos antibalas .

Fondo

Estructura molecular del Kevlar
Estructura molecular del LCP Vectran [ 5 ]

La cristalinidad líquida en polímeros puede ocurrir disolviendo un polímero en un solvente ( polímeros de cristal líquido liotrópicos ) o calentando un polímero por encima de su punto de transición vítrea o de fusión ( polímeros de cristal líquido termotrópicos ). [ 6 ] Los polímeros de cristal líquido se presentan en forma fundida/líquida o sólida. [ 7 ] 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 sustituidos linealmente unidos por grupos amida. De manera similar, varias series de LCP termotrópicos han sido producidas comercialmente por varias empresas.

Un elevado número de LCP, producidos en la década de 1980, mostraron un orden en la fase fundida 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 elevadas propiedades mecánicas como consecuencia de las propiedades de autorrefuerzo derivadas de la orientación macromolecular en la mesofase .

Los LCP se pueden procesar por fusión en equipos convencionales a altas velocidades con una excelente reproducción de los detalles del molde. La gran facilidad de conformado de los LCP es una importante ventaja competitiva frente a otros plásticos, ya que compensa el alto coste de la materia prima. [ 8 ]

Los LCP polares y en forma de cuenco, que tienen propiedades únicas y aplicaciones potenciales , no se han producido ampliamente con fines industriales. [ 9 ]

Mesofases

Al igual que los cristales líquidos de moléculas pequeñas, los polímeros de cristal líquido también presentan diferentes mesofases. Los núcleos mesógenos de los polímeros se agregan formando distintas mesofases: nemáticas , colestéricas , esmécticas y compuestos con grupos terminales altamente polares. [ 10 ] Para obtener más información sobre las mesofases, consulte la página de cristales líquidos .

Clasificación

Estructura de los LCP

Los LCP se clasifican según la ubicación de los núcleos de cristal líquido. Debido a la creación e investigación de diferentes clases de LCP, se utilizan diferentes prefijos para facilitar su clasificación. [ 10 ] Los polímeros de cristal líquido de cadena principal (MCLCP) tienen núcleos de cristal líquido en la cadena principal. Por el contrario, los polímeros de cristal líquido de cadena lateral (SCLCP) tienen cadenas laterales colgantes que contienen los núcleos de cristal líquido. [ 10 ]

LCP de cadena principal

Los polímeros de cadena principal LCP presentan mesógenos rígidos en forma de varilla en sus esqueletos poliméricos, lo que indirectamente contribuye a su alta temperatura de fusión. Para facilitar el procesamiento de este tipo de polímeros, se emplean diferentes métodos para reducir la temperatura de transición: la introducción de secuencias flexibles, la incorporación de curvaturas o dobleces, o la adición de grupos sustituyentes a los mesógenos aromáticos.

LCP de cadena lateral

En los LCP de cadena lateral, los mesógenos se encuentran en las cadenas laterales del polímero. [ 11 ] Los mesógenos suelen estar unidos a las cadenas principales mediante espaciadores flexibles, aunque en algunos LCP, las cadenas laterales se unen directamente a las cadenas principales. Si los mesógenos están unidos directamente a las cadenas principales, la conformación en espiral de estas impedirá que los mesógenos formen una estructura orientacional. Por el contrario, al introducir espaciadores flexibles entre las cadenas principales y los mesógenos, el ordenamiento de los mesógenos puede desacoplarse de la conformación de las cadenas principales.

Mecanismo

Mecanismo para sistemas liotrópicos (L significa líquido, LC significa cristal líquido, Vp significa fracción de volumen del polímero, T significa temperatura).

Los mesógenos en los LCP pueden autoorganizarse para formar regiones de cristal líquido en diferentes condiciones. Los LCP se pueden dividir a grandes rasgos en dos subcategorías según el mecanismo de agregación y ordenamiento, pero la distinción no está definida de forma rígida. Los LCP se pueden transformar en cristales líquidos mediante más de un método. [ 10 ]

Sistemas liotrópicos

Los LCP liotrópicos de cadena principal poseen núcleos mesógenos rígidos (como anillos aromáticos) en sus esqueletos. [ 12 ] Este tipo de LCP forma cristales líquidos debido a la rigidez de su conformación de cadena, y no solo a la agregación de los núcleos mesógenos. Debido a su estructura rígida, se requiere un disolvente fuerte para disolver los polímeros liotrópicos de cadena principal. Cuando la concentración de los polímeros alcanza una concentración crítica, comienzan a formarse las mesofases y la viscosidad de la solución polimérica comienza a disminuir. Los LCP liotrópicos de cadena principal se han utilizado principalmente para generar fibras de alta resistencia, como el Kevlar.

Los polímeros de cristal líquido (LCP) de cadena lateral suelen constar de segmentos hidrofóbicos e hidrofílicos. Generalmente, los extremos de la cadena lateral son hidrofílicos. Al disolverse en agua, se forman micelas debido a la fuerza hidrofóbica. Si la fracción volumétrica de los polímeros supera la fracción volumétrica crítica, los agregados micelares se compactan formando una estructura de cristal líquido. A medida que la concentración varía por encima de la fracción volumétrica crítica, el cristal líquido generado puede adoptar diferentes estructuras. La temperatura, la rigidez y el peso molecular de los polímeros pueden influir en la transformación a cristal líquido.

Los polímeros conductores liotrópicos de cadena lateral, como los tensioactivos de alquil polioxietileno unidos a polímeros de polisiloxano, pueden utilizarse en productos de cuidado personal como el jabón líquido.

Sistemas termotrópicos

El estudio de los LCP termotrópicos fue impulsado por el éxito de los LCP liotrópicos. [ 13 ] Los LCP termotrópicos solo pueden procesarse cuando la temperatura de fusión está muy por debajo de la temperatura de descomposición. Cuando está por encima de la temperatura de fusión pero por debajo del punto de transición a la fase líquida , los LCP termotrópicos formarán cristales líquidos. Por encima del punto de transición a la fase líquida, la masa fundida será isotrópica y transparente nuevamente.

Los cristales líquidos congelados se pueden obtener enfriando rápidamente polímeros de cristal líquido por debajo de la temperatura de transición vítrea . La copolimerización permite ajustar la temperatura de fusión y la temperatura de la mesofase.

Elastómeros de cristal líquido (LCE)

Finkelmann propuso por primera vez los LCE en 1981. Los LCE atrajeron la atención de investigadores e industria. Los LCE se pueden sintetizar tanto a partir de precursores poliméricos como de monómeros . Los LCE pueden responder al calor, la luz y los campos magnéticos. [ 2 ] Se pueden introducir nanomateriales en matrices de LCE (compuestos basados ​​en LCE) para proporcionar diferentes propiedades y adaptar la capacidad de los LCE para responder a diferentes estímulos. [ 4 ]

Aplicaciones

Los LCE tienen muchas aplicaciones. Por ejemplo, las películas de LCE pueden usarse como retardadores ópticos debido a su estructura anisotrópica . Debido a que pueden controlar el estado de polarización de la luz transmitida, se usan comúnmente en gafas 3D, retardadores con patrones para pantallas transflectivas y pantallas planas de cristal líquido. La modificación de LCE con azobenceno permite que muestre propiedades de respuesta a la luz. Se puede aplicar para humectabilidad controlada, lentes autónomas y superficies hápticas. [ 3 ] Además de la aplicación en pantallas, la investigación se ha centrado en otras propiedades interesantes, como sus respuestas mecánicas macroscópicas especiales generadas térmica y fotoquímicamente, lo que significa que pueden ser buenos actuadores. [ 2 ]

Los LCE se utilizan para fabricar actuadores y músculos artificiales para robótica . Se han estudiado para su uso como absorbedores de energía ligeros, con posibles aplicaciones en cascos, chalecos antibalas y parachoques de vehículos, utilizando vigas inclinadas multicapa de LCE, intercaladas entre estructuras de soporte rígidas. [ 14 ]

Síntesis

precursores poliméricos

Los LCE sintetizados a partir de precursores poliméricos se pueden dividir en dos subcategorías: [ 4 ]

Poli(hidrosiloxano): Se aplica una técnica de reticulación en dos etapas para obtener LCE a partir de poli(hidrosiloxano). El poli(hidrosiloxano) se mezcla con un monómero cristalino líquido monovinílico, un reticulante vinílico multifuncional y un catalizador. Esta mezcla se utiliza para generar un gel débilmente reticulado, en el que los monómeros se unen a las cadenas principales de poli(hidrosiloxano). Durante la primera etapa de reticulación, o poco después, se introduce orientación en los núcleos mesógenos del gel mediante métodos de alineación mecánica. Posteriormente, el gel se deshidrata y se completa la reacción de reticulación. Por lo tanto, la orientación se mantiene en el elastómero gracias a la reticulación. De esta forma, se pueden producir LCE con cadenas laterales altamente ordenadas, también conocidos como LCE monocristalinos o monodominio.

LCP: Utilizando LCP como precursores, se puede aplicar un método similar de dos pasos. Los LCP alineados, mezclados con reticulantes multifuncionales, generan directamente LCE. La mezcla se calienta primero a temperatura isotópica. Se extraen fibras de la mezcla y luego se reticulan, de modo que la orientación queda atrapada en el LCE. Sin embargo, este método se ve limitado por la dificultad de procesamiento derivada de la alta viscosidad del material de partida.

monómeros de baja masa molar

Los monómeros de baja masa molar de cristal líquido 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 mecánicamente, sino también diamagnéticamente, dieléctricamente y superficialmente. Por ejemplo, la polimerización por crecimiento escalonado de radicales tiol-eno y la adición de Michael producen LCE bien ordenados. [ 15 ] Este también es un buen método para sintetizar LCN vítreos con reticulación moderada a densa.

La principal diferencia entre los LCE y los LCN radica en la densidad de entrecruzamiento. Los LCN se sintetizan principalmente a partir de monómeros multifuncionales basados ​​en (met)acrilato, mientras que los LCE suelen provenir de polisiloxanos entrecruzados. [ 16 ]

Propiedades

Los polímeros de cristal líquido (LCP), una clase única de poliésteres aromáticos parcialmente cristalinos basados ​​en ácido p-hidroxibenzoico y monómeros relacionados, son capaces de formar regiones de estructura altamente ordenada en fase líquida. Sin embargo, el grado de orden es algo menor que el de un cristal sólido regular. Por lo general, los LCP tienen una alta resistencia mecánica a altas temperaturas, extrema resistencia química, retardo de llama inherente y buena resistencia a la intemperie. Los polímeros de cristal líquido se presentan en una variedad de formas, desde compuestos sinterizables de 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. Los LCP tienen un alto coeficiente de expansión térmica en el eje Z.

Los polímeros conductores laminares (LCP) son excepcionalmente inertes. Resisten el agrietamiento por tensión en presencia de la mayoría de los productos químicos a temperaturas elevadas, incluidos hidrocarburos aromáticos o halogenados , ácidos fuertes, bases, cetonas y otras sustancias industriales agresivas. Su 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 en forma de cuenco son ferroeléctricos , con tiempos de reacción varios órdenes de magnitud menores que los de los LC convencionales, y podrían utilizarse para fabricar interruptores ultrarrápidos. Los polímeros columnares en forma de cuenco poseen tubos largos y huecos; al añadir átomos de metal o de metales de transición al tubo, podrían formar superconductores de temperatura crítica ultraalta . [ 17 ]

Usos

Debido a sus diversas propiedades, los LCP son útiles para piezas eléctricas [ 18 ] y mecánicas, envases de alimentos y cualquier otra aplicación que requiera inercia química y alta resistencia. Los LCP son particularmente buenos para la electrónica de frecuencia de microondas debido a sus bajas constantes dieléctricas relativas, bajos factores de disipación y disponibilidad comercial de laminados. El empaquetado de sistemas microelectromecánicos (MEMS) es otra área en la que los LCP han ganado más atención recientemente. Las propiedades superiores de los LCP los hacen especialmente adecuados para componentes de sistemas de encendido automotriz, conectores de enchufes de calentadores, portalámparas, componentes de sistemas de transmisión, componentes de bombas, bobinas y sensores de luz solar y sensores para cinturones de seguridad de automóviles. Los LCP también son muy adecuados para ventiladores de computadora , 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 más alto. [ 19 ] [ 20 ]

Nombres comerciales

El LCP es vendido por fabricantes bajo una variedad de nombres comerciales. Estos incluyen:

  • Zenite
  • Vectra
  • Láperos
  • Zenite 5145L
  • Xydar

Referencias

  1. ↑ Carroll, Gregory T.; Lee, Kyung Min; McConney, Michael E.; Hall, Harris J. (2023). "Control óptico de alineación y modelado en una fotorresina de cristal líquido de azobenceno" . Journal of Materials Chemistry C. 11 ( 6): 2177– 2185. doi : 10.1039/D2TC04869H . ISSN 2050-7526 . S2CID 256151872 .  
  2. 1 2 3 White, Timothy J.; Broer, Dirk J. (noviembre de 2015). "Mecánica programable y adaptativa con redes de polímeros de cristal líquido y elastómeros" . Nature Materials . 14 (11): 1087– 1098. Bibcode : 2015NatMa..14.1087W . doi : 10.1038/nmat4433 . ISSN 1476-4660 . PMID 26490216 .  
  3. 1 2 Liu, Danqing; Broer, Dirk J. (2014-04-22). "Redes de polímeros de cristal líquido: preparación, propiedades y aplicaciones de películas con alineación molecular estructurada". Langmuir . 30 (45): 13499– 13509. doi : 10.1021/la500454d . ISSN 0743-7463 . PMID 24707811 . S2CID 10109504 .   
  4. 1 2 3 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 Part B: Polymer Physics . 55 (5): 395– 411. Bibcode : 2017JPoSB..55..395K . doi : 10.1002/polb.24287 . ISSN 1099-0488 . 
  5. ↑ "Estructura molecular de Vectran" . Consultado el 22 de noviembre de 2012 .{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  6. ↑ Shibaev, Valery P.; Lam, Lui, eds. (1994). Polímeros cristalinos líquidos y mesomórficos . Nueva York: Springer.
  7. ↑ Callister (2007): "Ciencia e ingeniería de materiales: una introducción", 557-558.
  8. ↑ Charles A. Harper, ed., Manual de plásticos modernos , ISBN 0-07-026714-6, 2000.
  9. ↑ Lam, Lui (1988). "Polímeros de cristal líquido polares y en forma de cuenco". Mol. Cryst. Liq. Cryst . 155 , 531.
  10. 1 2 3 4 Collyer, A. A (1992). Polímeros de cristal líquido: de las estructuras a las aplicaciones . Londres; Nueva York: Elsevier Applied Science. ISBN 978-1-85166-797-0OCLC 25409693​​ 
  11. ↑ Ganicz, Tomasz; Stańczyk, Włodzimierz (marzo de 2009). "Polímeros de cristal líquido de cadena lateral (SCLCP): métodos y materiales. Una visión general" . Materials . 2 (1): 95–128 . Bibcode : 2009Mate....2...95G . doi : 10.3390/ma2010095 . PMC 5445690 . 
  12. ↑ Noël, Claudine; Navard, Patrick (1991-01-01). "Polímeros de cristal líquido". Progress in Polymer Science . 16 (1): 55– 110. doi : 10.1016/0079-6700(91)90007-8 . ISSN 0079-6700 . 
  13. ↑ Shibaev, Valery P.; Platé, Nicolai A. (1984), "Polímeros termotrópicos de cristal líquido con grupos laterales mesogénicos", Polímeros de cristal líquido II/III , Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 173–252 , Bibcode : 1984lcp2.book..173S , doi : 10.1007/3-540-12994-4_4 , ISBN  978-3-540-12994-3
  14. ↑ Irving, Michael (11 de marzo de 2022). "Nuevo material amortiguador tan resistente como el metal pero ligero como la espuma" . New Atlas . Consultado el 11 de marzo de 2022 .
  15. ↑ Ware, Taylor H.; Biggins, John S.; Shick, Andreas F.; Warner, Mark; White, Timothy J. (23 de febrero de 2016). "Elasticidad suave localizada en elastómeros de cristal líquido" . Nature Communications . 7 (1) 10781. Bibcode : 2016NatCo...710781W . doi : 10.1038/ncomms10781 . ISSN 2041-1723 . PMC 4766422. PMID 26902873 .   
  16. ↑ Broer, Dirk; Crawford, Gregory P; Zumer, Slobodan, eds. (24 de enero de 2011). Sistemas de cristales líquidos reticulados: de redes poliméricas rígidas a elastómeros . CRC Press. doi : 10.1201/b10525 . ISBN 978-0-429-14395-3.En este libro, publicado en 2011, se puede encontrar información sobre la síntesis, las propiedades y las aplicaciones de los LCN y los LCE.
  17. ↑ Véase [2],[5].
  18. ↑ FCI (2000): "Encabezado de señal Metral 1 Mod, 4 filas Press-Fit",, 8 (nota 2)
  19. ↑ Noctua . "Polímero de cristal líquido Sterrox® (LCP)" . Consultado el 25 de abril de 2020 .
  20. ↑ Fenlon, Wes (5 de junio de 2018). "Noctua dedicó cuatro años y medio al diseño de su ventilador más silencioso y potente hasta la fecha" . PC Gamer . Consultado el 25 de abril de 2020 .
  • Prospector
  • Cristal líquido Bowlic de la Universidad Estatal de San José