Oktatási és Tudományos Minisztérium Orosz Föderáció
Kazan (Volga régió) szövetségi egyetem
Vegyészeti Intézet. A. M. Butlerova
osztály szervetlen kémia
Absztrakt a témában:
« Folyékony kristály polimerek »
A munka befejeződött
diák 714 csoport
Hikmatova G.Z.
Ellenőrizte a munkát
Ignatieva K.A.
Kazan-2012.
Bevezetés……………………………………………………………………………..3
1. Folyékony kristályok……………………………………………………………
1.1. A felfedezés története………………………………………………………………4
1.2. A kristályos fázis típusai………………………………………..…….7
1.3. Folyadékkristályok vizsgálati módszerei……………………………………..11
2. Folyadékkristályos polimerek……………………………………………….13
2.1. LC polimerek molekuláris tervezésének elvei……………14
2.2. A folyadékkristályos polimerek fő típusai……………………….18
2.3. LC polimerek szerkezete és tulajdonságai…………………….….20
2.4. Alkalmazási területek………………………………………………………..
2.4.1. Az elektromos tér szabályozása - a vékonyréteg optikai anyagok előállításának módja…………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………
2.4.2. Koleszterikus LC polimerek – spektrális-zónás szűrők és cirkuláris polarizátorok…………………………………………………………….23
2.4.3.LC polimerek, mint ellenőrzött optikailag aktív adathordozók információrögzítéshez……………………………………………….…………………..24
2.4.4. Szuper nagy szilárdságú szálak és önerősített műanyagok………………………………………………………………………………….25
Felhasznált irodalom…………………………………………………………………28
Függelék.
Bevezetés.
A polimertudományban az 1980-as éveket egy új terület – a folyadékkristályos polimerek kémiája és fizikája – születése és gyors fejlődése jellemezte. Ez a szintetikus vegyészeket, elméleti fizikusokat, klasszikus fizikai kémikusokat, polimertudósokat és technológusokat tömörítő terület egy intenzíven fejlődő új irányzattá nőtte ki magát, amely nagyon gyorsan gyakorlati sikereket hozott a nagy szilárdságú vegyi szálak létrehozásában, és mára felkelti a figyelmet optikusok és mikroelektronikai szakemberek. De nem is ez a lényeg, hanem az, hogy a folyadékkristályos állapot a polimerekben és a polimer rendszerekben, mint kiderült, nemcsak rendkívül gyakori – ma már sok száz polimer folyadékkristályt írtak le –, hanem egy stabil egyensúlyt is jelent. polimer testek fázisállapota.
Ebben még egy paradoxon is van. 1988-ban volt a 100. évfordulója annak, hogy F. Reinitzer osztrák botanikus leírta az első folyadékkristályos anyagot, a koleszteril-benzoátot. A múlt század 30-as éveiben alakult ki a kis molekulatömegű szerves folyadékkristályok fizikája, a 60-as években már több millió ilyen kristályra épülő készülék működött a világon. Az 1960-as és 1970-es években azonban a polimerkutatók többsége nem tudta elképzelni például a koleszterikus típusú termotróp folyadékkristályos polimerek létezését, és általában az ilyen rendszerek az atipikus makromolekuláris objektumok egzotikus képviselőinek tűntek. Valójában az elmúlt években egyfajta információ-robbanás zajlott le, és ma már senki sem lepődik meg a havonta több tucatszor szintetizált liotróp és termotróp folyadékkristályos polimereken.
Ebben a munkában arról szerettem volna beszélni, hogy mikor és hogyan fedezték fel a folyadékkristályos állapotot, mi a folyadékkristályok egyedisége más tárgyakhoz képest, a folyadékkristályos polimerekről, és miért érdekesek és figyelemre méltóak.
folyadékkristályok.
A legtöbb anyag csak három halmazállapotban létezhet: szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú. Egy anyag hőmérsékletének változtatásával egymás után egyik állapotból a másikba vihető át. A szerkezetet általában figyelembe veszik szilárd anyagok, amelyek kristályokat és amorf testeket tartalmaznak. A kristályok megkülönböztető jellemzője a hosszú távú sorrend és a tulajdonságok anizotrópiája (kivéve a szimmetriaközéppontú kristályokat). Az amorf szilárd anyagokban csak kis hatótávolságú rend létezik, és ennek következtében izotrópok. A kis hatótávolságú rend folyadékban is létezik, de a folyadék viszkozitása nagyon alacsony, azaz folyékonysága van.
Ezen a három aggregált halmazállapoton kívül van egy negyedik, az ún folyékony kristály. Közbenső a szilárd és folyékony között, és más néven mezomorf állapot. Ez az állapot nagyon lehet nagyszámú szerves anyagok összetett rúd- vagy korong alakú molekulákkal. Ugyanakkor hívják folyadékkristályok vagy mezofázis.
Ebben az állapotban az anyag a kristály számos tulajdonságával rendelkezik, különösen a mechanikai, elektromos, mágneses és optikai tulajdonságok anizotrópiája jellemzi, ugyanakkor folyadék tulajdonságaival is rendelkeznek. A folyadékokhoz hasonlóan áramlanak, és felveszik az edény alakját, amelybe helyezik őket.
A sajátjuk által általános tulajdonságok Az LCD két nagy csoportra osztható. Hőmérsékletváltozáskor keletkező folyadékkristályokat nevezzük termotróp. Olyan folyadékkristályokat nevezünk, amelyek az oldatokban jelennek meg, ha koncentrációjuk megváltozik liotróp.
1.1. A folyadékkristályokat 1888-ban fedezték fel. F. Reinitzer osztrák botanikaprofesszor az általa szintetizált új anyag, a koleszterin-benzoát tanulmányozásában, amely a koleszterin és a benzoesav észtere.
Megállapította, hogy 145 °C-ra melegítve a kristályos fázis (fehér por) furcsa zavaros folyadékká megy át, és további 179 °C-ra melegítve átmenetet figyelhető meg egy közönséges átlátszó folyadékká. Megpróbálta megtisztítani ezt az anyagot, mivel nem volt biztos benne, hogy tiszta koleszteril-benzoátja van, de ennek ellenére ez a két fázisátalakulás újratermelődött. Ebből az anyagból mintát küldött barátjának, Otto von Lehmann fizikusnak. Lehman közönséges kristályok tanulmányozásával foglalkozott, beleértve a műanyag kristályokat is, amelyek puha tapintásúak, különböznek a szokásos kemény kristályoktól. A fő vizsgálati módszer a polarizáló optikai mikroszkóp volt - ez egy olyan mikroszkóp, amelyben a fény áthalad egy polarizátoron, áthalad egy anyagon, majd egy analizátoron - egy vékony anyagrétegen. Ha egy polarizátor és egy bizonyos anyag kristályok analizátora közé helyezzük, akkor textúrákat láthatunk - jellemző képeket a különböző kristályos anyagokra -, és így tanulmányozhatjuk a kristályok optikai tulajdonságait. Történt ugyanis, hogy Otto von Lehmannt segítették megérteni, mi az oka a köztes állapotnak, a téveszmének. Otto von Lehmann komolyan meg volt győződve arról, hogy a kristályos anyagok, kristályok minden tulajdonsága kizárólag a molekulák alakjától függ, vagyis nem mindegy, hogyan helyezkednek el ebben a kristályban, fontos a molekulák alakja. A folyadékkristályok esetében pedig bebizonyosodott, hogy igaza volt - a molekulák alakja határozza meg a folyadékkristályos fázis kialakításának képességét (főleg a molekulák alakja). 1888-ban Reinitzer azt írta, hogy vannak kristályok, amelyek lágysága olyan, hogy folyékonynak nevezhető, majd Lehman írt egy cikket a folyadékkristályokról, valójában ő alkotta meg a kifejezést. folyadékkristályok. Megállapítást nyert, hogy a folyadékkristályok nagyon nagy számban fordulnak elő, és fontos szerepet játszanak a biológiai folyamatokban. Ezek például az agy, az izomszövet, az idegek, a membránok részei. A „folyékony kristályok” kifejezés, amely két, bizonyos értelemben ellentétes szó – „folyékony” és „kristályos” – együttes használatán alapul, jól meghonosodott, bár a „mezofázis” kifejezést J. Friedel francia fizikus vezette be. harminc évvel F. Reinitzer felfedezése után, a görög "mesos" (köztes) szóból eredeztethető, úgy tűnik, helyesebb. Ezek az anyagok a kristályos és a folyadék közötti köztes fázis, a szilárd fázis olvadása során jelennek meg, és egy bizonyos hőmérsékleti tartományban léteznek, amíg további melegítés hatására közönséges folyadékká nem alakulnak. Fontos történelmi epizód: a 20-30-as években Frederiks szovjet fizikus a különféle mágneses és elektromos terek folyadékkristályok optikai tulajdonságaira gyakorolt hatását tanulmányozta, és felfedezett egy fontos dolgot, hogy a folyadékkristályokban a molekulák orientációja nagyon könnyen megváltozik. a külső mezők hatása, és ezek a mezők nagyon gyengék és a változások nagyon gyorsak. A 60-as évek végétől kezdődött a folyadékkristályos rendszerek, a folyadékkristályos fázisok kutatásának fellendülése, és ez összefügg azzal, hogy megtanulták ezeket használni. Kezdetben a hagyományos elektronikus digitális órák információmegjelenítő rendszereinél, majd a számológépeknél, és a számítástechnika megjelenésével világossá vált, hogy a folyadékkristályok aktívan felhasználhatók kijelzők készítésére. Természetesen egy ilyen technológiai ugrás ösztönözte a folyadékkristályok kutatását az alaptudomány szemszögéből, de meg kell jegyezni, hogy mekkora időkülönbség van a folyadékkristályokkal kapcsolatos tudományos felfedezések között. Valójában az emberek kíváncsiságból érdeklődtek irántuk, nem volt haszonelvű érdeklődés, senki nem tudta, hogyan kell használni őket, ráadásul azokban az években (20-30-as években) sokkal érdekesebb volt a relativitáselmélet. Fredericks egyébként a relativitáselmélet népszerűsítője a Szovjetunióban, majd elnyomták és a táborokban halt meg. Valójában 80 év telt el a folyadékkristályok felfedezése óta, amíg megtanulták használni őket.
1.2. A folyadékkristályok tanulmányozása során a negyedik fizikai okai az összesítés állapota anyagokat. A legfontosabb a molekulák nem gömb alakú formája. Ezekben az anyagokban a molekulák egy irányban megnyúltak vagy korong alakúak. Az ilyen molekulák egy bizonyos vonal mentén vagy egy kiválasztott síkban helyezkednek el. A kristályos fázisnak három fő típusa van: nematikus(a görög "nema" szóból - fonal), smectic(a görög "smegma" szóból - szappan), koleszterikus.
A nematikus folyadékkristályokban a molekulák tömegközéppontjai véletlenszerűen helyezkednek el és mozognak, mint a folyadékban, és a molekulák tengelyei párhuzamosak. Így hosszú távú sorrend csak a molekulák orientációja tekintetében létezik. Valójában a nematikus molekulák nemcsak transzlációs mozgások, hanem az orientációs ingadozások is. Ezért nincs a molekula szigorú párhuzamossága, hanem dominál az átlagos orientáció (7.19. ábra) Az orientációs rezgések amplitúdója a hőmérséklettől függ. A hőmérséklet emelkedésével az orientáció párhuzamosságától egyre több eltérés következik be, és a fázisátmenet pontján a molekulák orientációja kaotikussá válik. Ebben az esetben a folyadékkristály közönséges folyadékká alakul.
A legnagyobb érdeklődés iránt praktikus alkalmazások olyan anyagokat képviselnek, amelyek szobahőmérsékleten a nematikus mezofázisban léteznek. Jelenleg keverékek készítése folyik különféle anyagok, nematikát a -20 és +80 fok közötti tartományban, sőt szélesebb hőmérsékleti tartományban is kapnak.
A folyadékkristályok orientációs sorrendjének jellemzésére általában két paramétert vezetnek be: igazgatója és foka tájékozódási rend, amelyet rendelési paraméternek is neveznek. A rendező egy I egységvektor, amelynek iránya egybeesik a molekulák hosszú tengelyeinek átlagos orientációjának irányával. Nematikus folyadékkristályokban a rendező egybeesik az optikai tengely irányával. Az I. vektor fenomenológiailag jellemzi a molekulák elrendezésének nagy hatótávolságú sorrendjét. Csak a molekulák orientációjának irányát határozza meg, de nem ad információt arról, hogy mennyire tökéletes a mezofázis rendezettsége. A hosszú távú tájékozódási rend mértéke az rendelési paraméter S, a következőképpen definiálható: S=1/2(3 ² θ -1) (*), ahol θ az egyedi molekula tengelye és a folyadékkristály rendező közötti szög. Az átlagolás (*) a teljes molekula-együttesen történik. Az S=1 érték a teljes tájékozódási rendnek, azaz ideális folyadékkristálynak felel meg, míg az S=0 teljes tájékozódási zavart jelent, és az izotróp folyadékba átment nematikusnak felel meg.
Koleszterikus folyadékkristályok Nevüket a koleszterinről kapták, mert a legtöbb esetben koleszterin-észterek. Ugyanakkor a koleszterin-észtereken kívül számos más anyag is alkotja a koleszterikus mezofázist. Minden vegyület molekulája, amely koleszterint alkot, tartalmaz egy aszimmetrikus szénatomot, amelyet négy köt össze. kovalens kötések különböző atomokkal vagy atomcsoportokkal. Az ilyen molekulák nem kombinálhatók önmagukkal egyszerű szuperpozícióval, akárcsak a bal és a jobb kéz. Úgy hívják királis molekulák (az ókori görög "örökös" - kéz).
A királis molekulákból álló koleszterikus folyadékkristályok szerkezetükben hasonlóak a nematikához, de alapvető különbségük van. Abból áll, hogy a nematikussal ellentétben a molekulák egyenletes orientációja a koleszterikusban energetikailag kedvezőtlen. A királis koleszterikus molekulák egymással párhuzamosan is elhelyezhetők vékony egyrétegű rétegben, de a szomszédos rétegben a molekulákat valamilyen szögben el kell forgatni. Egy ilyen állapot energiája kisebb lesz, mint egyenletes orientáció esetén. Minden következő rétegben az I. rendező, amely a réteg síkjában fekszik, ismét egy kis szögben elfordul. Így egy koleszterikus folyadékkristályban a molekulák spirális rendeződése jön létre (7.20. ábra). Ezek a spirálok lehetnek bal- vagy jobboldaliak. A szomszédos rétegek I vektorai közötti α szög általában a teljes fordulat századrésze, azaz. α≈1®. Ebben az esetben a koleszterikus hélix hangmagassága R több ezer angström, és összehasonlítható a spektrum látható részén lévő fény hullámhosszával. A nematikus folyadékkristályok a végtelenül nagy hélix-emelkedésű (Р→∞) koleszterikus folyadékkristályok speciális esetének tekinthetők. A molekulák spirális rendeződését a hélix tengelyére merőlegesen alkalmazott elektromos vagy mágneses tér tönkreteheti.
A szmektikus folyadékkristályok rendezettebbek, mint a nematikus és koleszterikus kristályok. Olyanok, mint a kétdimenziós kristályok. A molekulák orientációs rendezése mellett, ami hasonló a nematikában tapasztalható rendezéshez, létezik a molekulák tömegközéppontjainak részleges rendeződése. Ebben az esetben az egyes rétegek rendezője már nem a réteg síkjában fekszik, mint a koleszterikusoknál, hanem szöget zár be vele.
A rétegekben a molekulák sorrendjének jellegétől függően a szmektikus folyadékkristályok két csoportra oszthatók: smectics a nem szerkezetiÉs smectics szerkezeti rétegekkel.
BAN BEN smektikus folyadékkristályok nem szerkezeti rétegekkel a molekulák tömegközéppontjai a rétegekben véletlenszerűen helyezkednek el, akár egy folyadékban. A molekulák meglehetősen szabadon mozoghatnak a réteg mentén, de tömegközéppontjaik egy síkban vannak. Ezek a smektikus síkok egymástól azonos távolságra helyezkednek el, megközelítőleg a molekula hosszával. ábrán A 7.21 a a molekulák elrendezését mutatja egy ilyen szmektikában. Az ábrán látható szmektikus folyadékkristálynál az I rendező és a síkra vonatkozó normál n iránya egybeesik. Más szóval, a molekulák hosszú tengelyei merőlegesek a szmektikus rétegekre. Az ilyen folyadékkristályokat A szmektikumoknak nevezzük. A 7.21b egy nem szerkezeti rétegekkel rendelkező szmektikát mutat be, amelyben a rendező nem a normál mentén irányul a réteghez, hanem bizonyos szöget zár be vele.Az ilyen molekulaelrendezésű folyadékkristályokat C szmektikának nevezik. smektikus folyadékkristályok esetében bonyolultabb a rendezés, mint az A és C szmektikában. Ilyen például az F smectic, amelyben a rendezés részletei még nem teljesen ismertek.
BAN BEN smectics szerkezeti rétegekkel már háromdimenziós statisztikai rendezéssel foglalkozunk. Itt a molekulák tömegközéppontjai is szmektikus rétegekben helyezkednek el, de kétdimenziós rácsot alkotnak. A kristályos anyagoktól eltérően azonban a rétegek egymáshoz képest szabadon csúszhatnak (mint más smecticsekben!). A rétegek szabad csúszásának köszönhetően minden smectikum szappanos tapintású. Innen a nevük (a görög „smegma” szó szappan) Számos smektikában a molekulák tömegközéppontjainak olyan sorrendje van, mint a B szmektikában, de az I rendező és a normál szöge között van n a rétegekre nullától eltérő. Ebben az esetben pszeudohexagonális monoklin rendeződés jön létre. Az ilyen szmektikumokat H szmektikának nevezik. Vannak olyan D szmektikumok is, amelyek közel állnak egy testközpontú rácsos kockaszerkezethez. Az újonnan szintetizált folyadékkristályok között vannak olyanok, amelyek nem tulajdoníthatók nematikának, koleszterikának és szmetikának. Ezeket általában egzotikus mezofázisoknak nevezik. Ilyenek például az úgynevezett korong alakú folyadékkristályok, vagy diszkotikumok, amelyeket intenzíven kutatnak.
1.3. A polarizációs mikroszkópia az első módszer a folyadékkristályok vizsgálatára, vagyis már abból a képből, amit a kutató a keresztezett polarizátorok polarizációs mikroszkópjában megfigyel, meg lehet ítélni, hogy milyen mezofázis, milyen típusú folyadékkristályos fázis képződik. Ez a tipikus kép egy nematikus fázisra, amelynek molekulái csak orientációs rendet alkotnak. Így néz ki a smectic fázis. Úgy, hogy képzeld el ennek az egésznek a léptékét, vagyis sokkal nagyobb, mint a molekuláris lépték: a kép szélessége több száz mikron, vagyis makroszkópos képről van szó, sokkal nagyobb, mint a látható fény hullámhossza. És az ilyen képeket elemezve meg lehet ítélni, hogy milyen szerkezetről van szó. Természetesen léteznek pontosabb módszerek ezeknek a mezofázisoknak a szerkezetének és egyes szerkezeti jellemzőinek meghatározására - például röntgendiffrakciós analízis, különféle spektroszkópia -, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy megértsük, hogyan és miért vannak ilyen vagy olyan módon csomagolva a molekulák.
A koleszterikus mezofázis így néz ki - az egyik tipikus kép.
A hőmérséklet változásával a fénytörés változása figyelhető meg, így a színek megváltoznak, közeledünk az átmenethez - és egy izotróp olvadékba való átmenet figyelhető meg, vagyis minden elsötétült, sötét kép látható a keresztezett polarizátorokban.
folyadékkristályos polimerek.
A folyadékkristályos (LC) polimerek olyan nagy molekulájú vegyületek, amelyek bizonyos körülmények között (hőmérséklet, nyomás, oldatkoncentráció) képesek LC állapotba átalakulni. A polimerek LC állapota egy egyensúlyi fázisállapot, amely az amorf és a kristályos állapot között köztes helyzetet foglal el, ezért gyakran nevezik mezomorfnak vagy mezofázisnak is (a görög mezo - intermedier szóból). A mezofázis jellemzője az orientációs rend jelenléte a makromolekulák (vagy fragmenseik) elrendezésében és az anizotrópia. fizikai tulajdonságok külső hatások hiányában. Nagyon fontos hangsúlyozni, hogy az LC fázis spontán módon alakul ki, míg a polimerben az orientációs rend könnyen bevezethető a minta egyszerű nyújtásával a makromolekulák nagy anizodiametriája (aszimmetriája) miatt.
Ha a polimerek hőhatás (hevítés vagy hűtés) hatására LC állapotba vagy mezofázisba kerülnek, akkor termotrop LC polimereknek nevezzük, ha az LC fázis polimerek bizonyos oldószerekben való feloldásával jön létre, akkor liotróp LC polimereknek nevezzük.
Az első tudósok, akik megjósolták a polimerek általi mezofázisképződés lehetőségét, V.A. Kargin és P.Flory.
MOSZKVA, augusztus 21. – RIA Novosztyi. A Moszkvai Állami Egyetem Kémiai Karának és Alapvető Fizikai és Vegyészmérnöki Karának alkalmazottai, M.V. Lomonoszov külföldi kollégákkal együttműködve új fényérzékeny folyadékkristályos polimereket szintetizált és vizsgált. A munkát az Orosz Tudományos Alapítvány támogatásával támogatott projekt részeként végezték, eredményeit a Macromolecular Chemistry and Physics folyóiratban publikálták.
A Moszkvai Állami Egyetem tudósai a Prágai Fizikai Intézet cseh kollégáival együttműködve olyan új LC polimereket szintetizáltak és tanulmányoztak, amelyek egyesítik a folyadékkristályok optikai tulajdonságait és a polimerek mechanikai tulajdonságait. Az ilyen polimerek külső mezők hatására gyorsan megváltoztathatják a molekulák orientációját, és ugyanakkor képesek bevonatokat, filmeket és összetett formájú részeket képezni. Az ilyen rendszerek fontos előnye a kis molekulatömegű folyadékkristályokkal szemben, hogy az LC polimerek szobahőmérsékleten üveges állapotban léteznek, amely rögzíti a molekulák orientációját.
© Alexey Boblrovsky, Moszkvai Állami Egyetem
© Alexey Boblrovsky, Moszkvai Állami Egyetem
Az LC polimerek olyan molekulákból állnak, amelyek nagy molekuláris tömeg amelyeket makromolekuláknak nevezünk. Fésűszerű felépítésük van: a fényérzékeny "kemény" azobenzol-fragmensek (C₆H₅N=NC₆H₅) a fő rugalmas polimerlánchoz kapcsolódnak egymás után egymáshoz kapcsolódó CH2 molekulák "lecsatolása" segítségével. Ezek a töredékek általában rendezettek, és a legtöbbet alkothatnak különböző típusok"csomagok" - folyadékkristályos fázisok. Ha az ilyen polimereket fénynek teszik ki, az azobenzolcsoportok átrendeződnek, ami a polimerek optikai tulajdonságainak megváltozását okozza. Az ilyen polimereket fotokrómnak nevezik.
A tudósok különös figyelmet fordítottak a fotoizomerizáció és a fotoorientáció folyamataira. A fotoizomerizáció a polimer molekulán belüli kötések fény hatására bekövetkező átrendeződése. A fotoorientáció a merev azobenzol (ebben az esetben) fragmensek orientációjának változása lineárisan polarizált fény hatására, amelynek nyalábjában az oszcilláció iránya elektromos mező szigorúan meghatározott. A polarizált fény hatására végbemenő fotoizomerizációs ciklusok során az azobenzol-fragmensek megváltoztatják a szögüket. Ez addig a pillanatig történik meg, amíg orientációjuk merőleges lesz a beeső fény polarizációs síkjára, és a töredékek már nem képesek elnyelni a fényt.
Először a Moszkvai Állami Egyetem tudósai a Cseh Tudományos Akadémia Fizikai Intézetének munkatársaival együttműködve monomereket szintetizáltak, amelyekből LC polimereket nyertek a Moszkvai Állami Egyetemen. Fázis viselkedés és hőmérséklet fázisátmenetek A polimereket a szerzők polarizációs optikai mikroszkóppal és differenciális pásztázó kalorimetriával tanulmányozták. A fázisok részletes szerkezetét röntgendiffrakciós elemzéssel tanulmányozták a Moszkvai Állami Egyetem Alapvető Fizikai és Vegyészmérnöki Karán.
© Orosz Tudományos Akadémia
© Orosz Tudományos Akadémia
Magyarázza a cikk egyik szerzője, az Orosz Tudományos Akadémia professzora, a kémiai tudományok doktora, főnök Kutató A Moszkvai Állami Egyetem Kémiai Karának Makromolekuláris Vegyületek Tanszéke M.V. Lomonoszov Alekszej Bobrovszkij: "A fotoizomerizáció és a fotoorientáció nagy távlatokat nyit az úgynevezett intelligens anyagok létrehozására. Különféle külső hatásokra reagálnak, és különböző bonyolultságú optikai eszközökben tárolhatók, rögzíthetők és továbbíthatók információk. Ezek a polimerek valószínűleg nem használhatók a gyakorlatban ", mert túl drágák, szintézisük pedig nem egyszerű. Másrészt korántsem mindig lehet előre megjósolni, hogy mely rendszereket, mikor és hogyan fogják használni" - összegzett a tudós.
A folyadékkristályos polimerek (LCP) az egyedülálló hőre lágyuló műanyagok egy osztálya, amelyek elsősorban benzolgyűrűket tartalmaznak polimerláncokban, amelyek nagy, párhuzamos mátrixokba szerveződő rúdszerű szerkezetek. Erősen kristályos, természetesen égésgátló, termotróp (olvadékorientált) hőre lágyuló műanyagok. Bár hasonlóak a félkristályos polimerekhez, az LCP-k saját jellegzetes jellemzőkkel rendelkeznek.
Rizs. 1. Tipikus szerkezetfolyadékkristályos polimer - Ticona.A hagyományos félkristályos polimerek olvadáskor kaotikus (rendellenes) szerkezettel rendelkeznek, amely lehűléskor erősen rendezett kristályos régiókat képez, amelyeket egy amorf mátrix vesz körül. Az LCP molekulák még az olvadékban is jól rendezettek maradnak, és nyíráskor könnyen elcsúsznak egymás mellett. Ennek eredményeként nagyon alacsony olvadékviszkozitásuk van, ami megkönnyíti a nagyon vékony falak kitöltését és a legbonyolultabb formák reprodukálását. Nagyon csekély (vagy egyáltalán nem) zsugorodást mutatnak az áramlás irányában, és nagyon kevés időt vesz igénybe a megkötésük vagy a megkötésük. A folyamat pontosságának megőrzése érdekében sok gyártó és tervező folyadékkristályos polimereket használ vékony falú alkatrészek előállításához, amelyeknek esetleg magas hőmérsékletnek kell ellenállniuk.
Vectra E130: LCP elektromos márkák
A Ticona (a Celanese/Hoechst AG mérnöki polimer részlege) által gyártott Vectra Liquid Crystalline Polymers (LCP) erősen kristályos, termotróp (olvadékorientált) hőre lágyuló műanyagok, amelyek kivételesen pontos és stabil méreteket, kiváló magas hőmérsékleti teljesítményt, nagy merevséget és ütésállóság vegyi anyagok amikor nagyon vékony falak készítésére használják. A polimer hőtágulási együtthatója alacsony, mindhárom tengelyirányú méretben (x, y, z) azonos. Ellenáll a felületre szerelt forrasztási hőmérsékleteknek, beleértve az ólommentes forrasztáshoz szükséges hőmérsékleteket is. Ezek a tulajdonságok vezettek a Vectra LCP használatához számos elektronikus alkalmazáshoz, mint például: aljzatok, tekercsek, kapcsolók, csatlakozók és érzékelők. Sok minőség felülmúlja a kerámiákat, hőre keményedő és más magas hőmérsékletű műanyagokat anélkül, hogy szénmaradványt (vagy elhanyagolható mennyiséget) termelt volna.
Amikor a Vaupell Industrial Plasticsnak belső akkumulátorburkolatot kellett készítenie egy katonai precíziós éjjellátó készülékhez, a Vectra E130i LCP-t használta a termékfejlesztés megkönnyítésére, gyakorlatilag kiküszöbölve a penészzsugorodást. A termék széles hőmérsékleti tartományban is kiváló tartósságot biztosított.
Az akkumulátorház belső tömítése az alumínium külső burkolatba van behelyezve, a köztük lévő rés legfeljebb 0,05 mm. A lóherelevél formájú rész maximális keresztmetszete 5,08 cm, hossza szintén 5,08 cm, a falak alul és felül nyitottak, vastagsága 0,56 mm. A felső él körül lekerekített karima tartja a helyén a külső héjon belül.
Következő generációs nagy szilárdságú LCP-k
A DuPont következő generációs folyadékkristályos polimer gyanta minőségi osztályai, a Zenite LCP nagyobb szilárdságot, merevséget és pontosságot ígérnek az elektronikus eszközök csatlakozóiban és más öntött alkatrészekben. A tesztek kimutatták, hogy a Zenite 6130LX-ből öntött csatlakozók kiválóan ellenállnak a sérüléseknek az automatikus tűbehelyezés és a kártya összeszerelés során. Az új gyantával kevésbé deformálódó alkatrészek is előállíthatók, ami javítja az alkatrészek illeszkedését és növeli a forrasztási folyáshatárt. A hátlapfej roncsolásos tesztelése során az új gyanta 21%-kal növeli a törésállóságot, 32%-kal növeli az elhajlást a meghibásodás előtt, és rugalmasabb/kevésbé rideg törésmintázatot ad. A teszt során egy kúpos végű szerszámmal felszerelt prést használnak a csatlakozók falának széttolása érdekében. Mértük a falak törőerejét és kihajlását. A szilárdság és a merevség javulása a szakítószilárdság, a szakítószilárdság, a hajlítási modulus és a hajlítószilárdság szabványos adataihoz képest is nyilvánvaló.
A Zenite 6130LX-ből készült öntött csatlakozó minták szintén jelentős javulást mutattak a vonalszilárdságban. Amikor az érintkezőket a korai generációs LCP-ből készült próbatestekbe helyezték, apró repedések jelentek meg a forrasztási vezetékeken. Az új gyantából öntött részeken nem találtak repedést. Más tesztek kimutatták, hogy az új gyantából készült alkatrészek kevésbé deformálódnak. A vizsgált csatlakozó oldalfalainak konvergenciája 23%-kal kisebb volt, mint a korai generációs LCP-ből öntött alkatrész konvergenciája. A Zenite 6130LX a különféle forrasztási körülményekkel szemben is jobban ellenáll. Hajlítási hőállósága 280ºC, ami 15ºC-kal magasabb, mint a többi LCP. A legjellemzőbb alkalmazások az alkatrészek széles skáláját foglalják magukban: elektromos/elektronikai ipar, világítás, telekommunikáció, gépjármű-gyújtás és üzemanyag-betöltő rendszerek, repülőgépipar, száloptika, motorgyártás, képalkotó eszközök, érzékelők, kemenceberendezések, üzemanyag-szerkezetek és gázgátak stb.
Vectra MT LCP orvosi fokozatok
A Vectra folyadékkristályos polimer az orvosi alkalmazások széles körében váltotta fel a rozsdamentes acélt. A Vectra LCP egyes típusai megfelelnek az USP VI. osztályú előírásainak, és ellenállnak a gamma-sugárzásnak, a gőzautoklávnak és a legtöbb kémiai sterilizációs módszernek.
A Ticona nyolc osztályú Vectra LCP MT-vel rendelkezik az orvostechnikai (MT) alkalmazásokhoz, például orvosi eszközökhöz, csomagoló- és szállítórendszerekhez. gyógyszerekés egyéb alkalmazások az egészségügyi rendszerben. A Ticona MT minőségei megfelelnek az USP 23 Class VI követelményeinek a bőr, a vér és a szövetek biokompatibilitására vonatkozóan. A Ticona orvosi felhasználásra szánt minőségei megfelelnek az Európai Közösség élelmiszerekkel érintkezésbe kerülő alkalmazásokra vonatkozó 2002/72/EK irányelvének, illetve a BfR szabványoknak. A BfR a Német Szövetségi Kockázatértékelési Intézet rövidítése (korábban BgVV, Német Szövetségi Fogyasztó-egészségügyi és Állatorvosi Intézet). Az orvostechnikai Ticona Vectra LCP gyanták a gyógyszer- és berendezésgyártók számára a tervezési és feldolgozási lehetőségek széles skáláját kínálják. Ide tartoznak a fröccsöntéshez és extrudáláshoz használt töltött és töltetlen minőségek, valamint a különböző folyási tulajdonságokkal rendelkező minőségek és adalékanyagok, amelyek alacsony súrlódású és nagy kopásállóságú alkatrészeket állítanak elő, továbbfejlesztve kinézet, nagyobb merevség és egyéb tulajdonságok. A Vectra LCP MT minőségek kiváló szilárdságot, merevséget, kúszásállóságot, méretstabilitást és nagy áramlást biztosítanak hosszú vékony szakaszokhoz. Kiváló hő- és vegyszerállósággal rendelkeznek, és képesek ellenállni az ismételt sterilizálási ciklusoknak. Kiválthatják a fémet az orvosi és fogorvosi berendezésekben, felhasználhatók a gyógyszeradagoló rendszerek magasan strukturált alkatrészeiben, és kielégítik a minimálisan invazív sebészeti és egyéb területeken alkalmazott eszközök igényeit.
A táblázat vége. 2
Lineáris polimerek esetében az üvegesedési hőmérséklet a molekulatömegtől függ, és a növekedéssel növekszik. A hálózati polimerekben a térhálósított szerkezet kialakulása növekedéshez vezet T s, minél nagyobb, annál sűrűbb a térháló.
Az üvegesedés folyamatát a polimer számos tulajdonságának megváltozása kíséri: hővezető képesség, elektromos vezetőképesség, törésmutató, és ezek a tulajdonságok hirtelen megváltoznak T tól től.
Amikor a hőmérséklet alá csökken T c a polimerben a makromolekulák kinetikus fragmentumainak hőmozgása csökken. Ahhoz, hogy az üvegesített polimer kis deformációját is előidézzük, nagy mechanikai terhelést kell rá gyakorolni. Ebben az esetben a polimer rugalmas vagy rugalmas-viszkózus testként viselkedik. A hőmérséklet további csökkenésével a polimer elpusztul, mint egy rideg test, szinte eltűnő deformációval. Azt a hőmérsékletet, amelyen a polimer rideg repedése bekövetkezik, ridegségi hőmérsékletnek nevezzük. T gerinc A polimereket általában üveges állapotban üzemeltetik, ami megfelel a területnek én a termomechanikai görbén (lásd 8. ábra).
Rendkívül rugalmas állapot A polimer (HES) makromolekulák szegmenseinek viszonylag nagy mobilitása jellemzi. Csak akkor nyilvánul meg, ha a makromolekulák jelentős hosszúságúak (nagy tömegűek), és különösen jellemző a kis intermolekuláris kölcsönhatási erőkkel rendelkező rugalmas láncú polimerekre.
Jelentős intermolekuláris kölcsönhatás (dipólusok, hidrogénkötés) mellett a HEA emelkedett hőmérsékleten figyelhető meg, pl. amikor az intermolekuláris kölcsönhatás erői gyengülnek. A fenti nagy deformációk magyarázata az, hogy a makromolekula viszonylag könnyen felveszi a legkülönfélébb konformációkat külső mechanikai igénybevétel hatására. T s (több száz százalék). A terhelés megszüntetése után a szegmensek termikus elmozdulása következtében a makromolekulák visszaállnak eredeti konformációjukba és az elért nagy rugalmasságú deformáció megszűnik, i. visszafordítható. Ha egy lineáris polimer deformációs folyamata lassan megy végbe, hogy a makromolekuláknak legyen idejük átmenni egyik egyensúlyi konformációból a másikba, akkor a polimer a HEA helyett viszkózus állapot(VTS). A hőre lágyuló műanyagok esetében a HEA a hőmérsékleti tartományban figyelhető meg T tól től - T hova
T k - a polimer folyékonysági (olvadási) hőmérséklete a területen II
(lásd a 8. ábrát).
A HTS-ben a hőre lágyuló polimer folyadék, és viszonylag kis külső erők hatására visszafordíthatatlan áramlásra képes, pl. képlékeny deformációt mutatnak. Az áramlás során az egyes makromolekulák egymáshoz viszonyított elmozdulása következik be. A VTS deformációja korlátlan ideig fejlődhet, és visszafordíthatatlan. A viszkózus-folyékony állapot a területnek felel meg IIIábrán. 8.
Egyes hálózati polimerek HEA-kba is átjuthatnak. Ahogy azonban a hőmérséklet fölé emelkedik T enyhén megpuhulnak, majd visszafordíthatatlanul megsemmisülnek.
Kristály állapot polimerek. Számos hőre lágyuló polimer létezhet kristályos állapotban. Tehát a polietilén, a polipropilén, a poliamidok mikroszkopikus kristályokat képezhetnek.
Kristályos, folyadékkristályos és orientált amorf polimerek, mint az egykristályok, jelennek meg anizotrópia tulajdonságok(9. ábra).
A polimerek a folyadékból (olvadék, oldat) a hőmérséklet csökkenésével kristályos állapotba kerülnek. A kristályosítás az egyes szegmensek helyzetének rögzítése és a nagy hatótávolságú háromdimenziós sorrendű elemek elrendezésükben való megjelenése eredményeként megy végbe.
A polimerek kristályosítási folyamatának megvalósításához bizonyos szükséges, de nem mindig elégséges feltételeket be kell tartani.
Rizs. 9. Rendezett makromolekulák anizotrópiája. A detektor által meghatározott mutatók jelentősen eltérnek a teszt irányától.
Először is, egy kristályszerkezet felépítéséhez szükséges, hogy a polimer molekulák legyenek szabályos, azaz A lánc lineáris felépítésével rendelkezett, a láncszemek bizonyos váltakozásával és a főlánchoz képest azonos típusú térbeli elrendezéssel.
Másodszor, a fázistranszformáció során a láncok vagy szegmensek egymásra helyezésének a szoros tömörítési elv szerint kell történnie. A legtöbb kristályos polimer tömítési tényezője (a makromolekulák belső térfogatának és a test valódi térfogatához viszonyított aránya) a 0,62...0,67 tartományba esik, és közel állnak a közönséges szilárd anyagok tömörítési tényezőihez. Nyilvánvaló, hogy az elágazásokat és terjedelmes oldalsó szubsztituenseket tartalmazó makromolekulák esetében nehéz a szoros tömörítés, amelyek sztérikus akadályokat okoznak.
Harmadszor, a kristályosítás megvalósításához a polimer molekuláknak bizonyos mobilitást kell biztosítaniuk ahhoz, hogy a láncok el tudjanak mozogni és beilleszkedjenek a kristályszerkezetbe. A gyakorlatban a kristályosodás az olvadáspont közelében és alatt is megtörténhet T négyzetméter A folyadékkristályos polimerek még magasabb hőmérsékleten is megőrzik kristályos szervezetüket T négyzetméter
De még ha mindezen feltételek teljesülnek is, a polimerek nem teljesen kristályosak.
A polimerek a kristályossággal együtt mindig tartalmaznak amorf régiókat, ezért ezeket kristályosodásnak is nevezik. Így a kristályos fázis tartalma a nagy sűrűségű polietilénben eléri a 75…90%-ot, míg a kis sűrűségű polietilénben nem haladja meg a 60%-ot. A kristályszerkezetek viszont morfológiailag mindig hibásak (formában és térbeli szerveződésben).
A kis molekulatömegű vegyületekkel ellentétben a polimerek olvadása nem egy bizonyos hőmérsékleten, hanem a kémiai szerkezetük, molekulatömegük és kinetikai jellemzőik által meghatározott hőmérsékleti tartományban megy végbe. Ennek az intervallumnak az átlagos hőmérsékletét veszik olvadáspontnak.
A kristályosság foka, a kristályszerkezetek morfológiája és a polimer olvadási hőmérséklet-tartománya összefügg a kristályosodási folyamat időbeli, valamint relaxációs jellegével. Ha a hőmérsékletet lassan csökkentjük, akkor változatosabb kristályszerkezetek képződnek.
táblázatban. A 3. ábra egyes polimerek átlagos olvadáspontját mutatja.
3. táblázat
Olvadási hőmérséklet átlagok
néhány polimer
Ezekből az adatokból egyértelműen kiderül T mp növekszik a polimerek elemi egységeinek polaritásának, szerkezetük szabályosságának növekedésével és a makromolekulák rugalmasságának csökkenésével.
A polimerek szupramolekuláris szerkezete(NMS) a makroláncok fizikai szerveződését tükrözi, és minden polimerre jellemző, függetlenül azok fizikai és fázisállapotától. Az NMS előfordulásának oka a makroláncok intermolekuláris kölcsönhatásában rejlik. Morfológiailag a polimerek NMS-ei összetett, térben megkülönböztethető, különböző méretű és formájú aggregátumok, amelyeket makromolekulák meghatározott módon egymásra rakásával hoznak létre. A szupramolekuláris struktúrák létrehozásában megnyilvánul a rugalmas lánc alapvető tulajdonsága - a redőkbe (csomagokba) vagy golyókba való összehajtás képessége „magukon”.
A rugalmas makromolekulák tekercsek formájában lehetnek. Ennek a formának a stabilitása meghatározott a legkisebb értékeket felületi és felületi energia. A tekercs egy vagy több makromolekulából áll, míg a benne lévő lánc egyes szakaszai véletlenszerűen helyezkednek el. Az ilyen NMS a legtöbb amorf polimerre jellemző, és előállításuk során képződik.
A polimerekben M> 10 4 struktúrák széles körben elterjedtek, általában az olvadás vagy oldódás szakaszában keletkeznek intermolekuláris erők hatására, akár egy makromolekula vagy szegmenseinek felhajtásakor, akár a szomszédos makromolekulák lineáris fragmentumai közeledve egymáshoz. Hajtogatott formációk ( csomagokat) nagyobb és morfológiailag bonyolult szerkezeti aggregátumokat képezhetnek - rostok(10. ábra,
de, b). Szintetizált polimerekben köteg-fibrilláris szerkezet (10. ábra, ban ben) megelőzi a fejlettebb szupramolekuláris struktúrák kialakulását - lamellák(10. ábra, G).
Rizs. 10. de– a polimerekben a csomag és a fibrillum képződésének sémája; b– makromolekulák egymásra rakása orientált kristályos polimerbe; ban ben egy kristályos fibrillum szerkezetének diagramja, majd lamellákba fektetve ( G)
A kristályosodás körülményeitől függően az NMS fibrilláris maradhat, vagy átalakulhat lamellás (lamelláris) ill. szferulit(11. ábra, ban ben, G).
| de) |
| G) |
| ban ben) |
| b) |
Rizs. 11. A polimerek kristályos képződményeinek típusai: de– krisztallit;
b- rostszál; ban ben– radiális szferulitok; G– gyűrűs szferulitok
Utóbbiak az egyik központból gömb alakúra fejlődő fibrillákból keletkeznek, amelyeket az ún. láncokon keresztül, azaz a szomszédos szferulitok részét képező makromolekulák területei. A láncokon keresztül amorf régiókat képeznek a kristályos polimerben. Szferulitok nem csak fibrillák egymásra rakásával, hanem lamellákkal is előállíthatók.
A kristályokban a polimer sűrűsége a makromolekulák sűrűbb pakolódása miatt nagyobb, mint a rendezetlen makroláncokkal teli interstrukturális zónákban és nagyobb, mint az amorf régiókban. Egyes polimerek átlagos sűrűségének (ρ), a kristályos (ρ cr) és amorf (ρ am) komponensek sűrűségének értékeit a táblázat tartalmazza. 4.
4. táblázat
Polimer sűrűség értékek, kg/m 3
Az OLENTA cég polimer anyagok széles választékát forgalmazza. Mindig rendelkezésre állnak kiváló minőségű hőre lágyuló műanyagok, beleértve a folyadékkristályos polimereket is. Az OLENTA dolgozói felsőfokú szakirányú végzettséggel rendelkeznek, és jól ismerik a polimergyártás sajátosságait. Nálunk mindig kaphat tanácsot és bármilyen segítséget az anyagválasztással és a technológiai folyamat megszervezésével kapcsolatban.
A folyadékkristályos polimerek nagyon nagy merevséggel és szilárdsággal rendelkeznek. Ne adj vakut dobás közben. Precíziós öntéshez ajánlott. Kiváló méretstabilitásuk van. Nagyon rövid hűtési idő jellemzi. Különbözik a csomópontok rendkívül alacsony tartósságában. Itt találja a Toray folyadékkristályos polimer céget. Az anyagot egy japán gyárban állítják elő.
Toray folyadékkristályos polimer
| Töltő | márka | Leírás | Alkalmazás |
| Üveg töltelék | Nagy szilárdságú polimer, 35% üveg töltet | Mikroelektronika |
|
| rövid üveg | Nagy folyású polimer, 35%-ban üveggel töltve | Mikroelektronika |
|
| Rövid üveg és ásványok | Szuper nagy folyású polimer, 30%-ban üveggel töltve | Mikroelektronika |
|
| Antisztatikus polimer, 50%-os töltet | Mikroelektronika |
||
| Üveg és ásványok | Alacsony vetemedés, 50%-os töltöttség | Mikroelektronika |
|
| Ásványok | Alacsony vetemedés, 30% töltött | Mikroelektronika |
A folyadékkristályos polimerek jellemzői
A hagyományos polimer vegyületekkel ellentétben ezek az anyagok számos jellegzetes tulajdonsággal rendelkeznek. A folyadékkristályos polimerek nagy molekulatömegű vegyületek, amelyek külső körülmények hatására megváltoztathatják állapotukat. A rugalmas molekuláris kötésnek köszönhetően a makromolekulák lánca széles tartományban képes megváltoztatni alakját, és stabil és erős kristályszerkezetet alkotni.
Ezek a polimerek az olvadáspontig megőrzik stabil szilárdsági tulajdonságaikat. Nagyon magas kémiai ellenállással és dielektromos tulajdonságokkal rendelkeznek.
A folyadékkristályos polimereket széles körben használják elektronikai alkatrészek, mikrohullámú sütőnek ellenálló edények és orvosi műszerek gyártásában.
OLENTA-ról
Cégünk számos előnnyel rendelkezik:
- elfogadható árak;
- nagy tapasztalattal rendelkező szakemberek;
- a határidők és megállapodások pontos betartása;
- műszaki műanyagok széles választéka;
- együttműködés a legnagyobb polimer gyártókkal.
Az OLENTA folyadékkristályos polimereket kizárólag megbízható gyártóktól szállít. Ez nemcsak a kifogástalan minőség garanciájaként szolgál, hanem minimalizálja az ellátási zavarokkal vagy a kötelezettségek nem megfelelő teljesítésével járó kockázatokat is.