Министерство образования и науки российской федерации
Казанский (приволжский) федеральный университет
Химический институт им. А. М. Бутлерова
Кафедра Неорганической химии
Реферат на тему:
«Жидкокристаллические полимеры»
Работу выполнила
студентка 714 группы
Хикматова Г.З.
Работу проверила
Игнатьева К.А
Казань- 2012.
Введение…………………………………………………………………………..3
1.Жидкие кристаллы…………………………………………………………......
1.1.История открытия…………...……………………………………….……...4
1.2. Виды кристаллической фазы………………...…………………….……....7
1.3.Методы изучения жидких кристаллов………..…………….…………....11
2.Жидкокристаллические полимеры……..…………………………………….13
2.1.Принципы молекулярного конструирования ЖК полимеров……...…...14
2.2. Основные типы жидкокристаллических полимеров…...……………….18
2.3.Структура и особенности свойств ЖК полимеров..………………….….20
2.4.Области применения….……………………………………………………..
2.4.1.Управление электрическим полем – путь к получению тонкопленочных оптических материалов………………...……………………21
2.4.2.Холестерические ЖК полимеры - спектрозональные фильтры и циркулярные поляризаторы…………………………………………………….23
2.4.3.ЖК полимеры как управляемые оптически активные среды для записи информации…………………………………………….………………..24
2.4.4.Супервысокопрочные волокна и самоармированные пластики………………………………………………………………………….25
Используемая литература…………………………………………………….…28
Приложение.
Введение.
80-ые годы в науке о полимерах ознаменовались рождением и бурным развитием новой области - химии и физики жидкокристаллических полимеров. Эта область, объединившая химиков-синтетиков, физиков-теоретиков, классических физико-химиков, полимерщиков и технологов выросла в интенсивно разрабатываемое новое направление, которое очень быстро принесло практические успехи при создании высокопрочных химических волокон, а сегодня привлекает внимание оптиков и специалистов по микроэлектронике. Но главное даже не в этом, а в том, что жидкокристаллическое состояние в полимерах и полимерных системах, как выяснилось, не только чрезвычайно распространено- на сегодня описаны многие сотни полимерных жидких кристаллов,- но и представляет собой устойчивое равновесное фазовое состояние полимерных тел.
В этом заключается даже некоторый парадокс. В 1988 г. отмечалось столетие с момента описания австрийским ботаником Ф. Рейнитцером первого жидкокристаллического вещества-холестерилбензоата. В 30-ых годах прошлого столетия была разработана физика низкомолекулярных органических жидких кристаллов, а в 60-х годах в мире уже работали миллионы устройств на этих кристаллах. Однако в 60-х и 70-х годах большинство полимерщиков не могло представить себе, например, существование термотропных жидкокристаллических полимеров холестерического типа, и вообще такие системы казались экзотическими представителями нетипичных макромолекулярных объектов. И вот фактически в последние годы произошел своеобразный «взрыв» информации, и сегодня никого уже не удивляют лиотропные и термотропные жидкокристаллические полимеры, синтезируемые десятками ежемесячно.
В данной работе я хотела рассказать о том, когда и как было обнаружено жидкокристаллическое состояние, в чем уникальность жидких кристаллов по сравнению с остальными объектами, о жидкокристаллических полимерах и чем они интересны и замечательны.
Жидкие кристаллы.
Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Изменяя температуру вещества его можно перевести последовательно из одного состояния в другое. Обычно рассматривали структуру твердых тел, к которым относятся кристаллы и аморфные тела. Отличительной особенностью кристаллов является существование в них дальнего порядка и анизотропии свойств (кроме кристаллов с центром симметрии). В аморфных твердых телах существует только ближний порядок и, как следствие этого, они изотропны. Ближний порядок существует также и в жидкости, однако жидкость имеет очень низкую вязкость, т. е обладает текучестью.
Кроме перечисленных трех агрегатных состояний вещества существует четвертое, получившее название жидкокристаллического. Оно является промежуточным между твердым и жидким и называется также мезоморфным состоянием . В этом состоянии может находиться очень большое количество органических веществ, обладающих сложными стержнеобразными или дискообразными молекулами. При этом они называются жидкими кристаллами или мезофазой.
В таком состоянии вещество обладает многими особенностями кристалла, в частности, для него характерна анизотропия механических, электрических, магнитных и оптических свойств, и одновременно им присущи свойства жидкости. Подобно жидкостям они текучи и принимают форму сосуда, в который они помещены.
По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры, называются термотропными. Жидкие кристаллы, возникающие в растворах при изменении их концентрации, называют лиотропными .
1.1. Жидкие кристаллы были открыты в 1888г. Австрийским профессором ботаники Ф.Рейнитцером при исследовании синтезированного им нового вещества холестерилбензоата, являющегося сложным эфиром холестерина и бензойной кислоты.
Он обнаружил, что при нагревании до 145° кристаллическая фаза (белый порошок) переходит в странную мутную жидкость, а при дальнейшем нагревании до 179° наблюдается переход в обычную прозрачную жидкость. Он пытался очистить это вещество, так как не был уверен, что имеет чистый холестерилбензоат, но тем не менее эти два фазовых перехода воспроизводились. Он отправил образец этого вещества своему приятелю физику Отто фон Леману. Леман занимался изучением обычных кристаллов, в том числе пластических кристаллов, которые мягкие на ощупь, они отличаются от обычных твердых кристаллов. Основным методом изучения была поляризационная оптическая микроскопия – это микроскоп, в котором свет проходит через поляризатор, проходит через вещество, а затем через анализатор – через тонкий слой вещества. При помещении между поляризатором и анализатором кристалликов определенного вещества можно видеть текстуры - характерные картинки для разных кристаллических веществ - и таким образом изучать оптические свойства кристаллов. Получилось так, что Отто фон Леману помогло понять, в чем же причина промежуточного состояния, заблуждение. Отто фон Леман был всерьез уверен, что все свойства кристаллических веществ, кристаллов зависят исключительно от формы молекул, то есть неважно, как они расположены в этом кристалле, важна форма молекул. И в случае жидких кристаллов он оказался прав - форма молекул определяет способность образовывать жидкокристаллическую фазу (преимущественно форма молекул). В 1888 году Рейницер написал, что существуют кристаллы, мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими, затем Леман написал статью о текучих кристаллах, фактически он придумал термин жидкие кристаллы . Было выяснено, что жидкие кристаллы весьма многочисленны и играют большую роль в биологических процессах. Они входят, например, в состав мозга, мышечных тканей, нервов, мембран. Термин «жидкие кристаллы»,основанный на совместном использовании двух, в определенном смысле, противоположных слов – «жидкий» и «кристаллический», хорошо прижился, хотя введенный французским физиком Ж.Фриделем через тридцать лет после открытия Ф.Рейнитцера термин «мезофаза», образованный от греческого слова «мезос» (промежуточный), является, по-видимому, более правильным. Эти вещества представляют собой промежуточную фазу между кристаллической и жидкой, возникают при плавлении твердой фазы и существуют в некотором интервале температур, пока при дальнейшем нагревании не превратятся в обычную жидкость. Важный исторический эпизод: в 20-30-х годах советский физик Фредерикс изучал влияние различных полей магнитного и электрического на оптические свойства жидких кристаллов, и он обнаружил важную вещь, что ориентация молекул в жидких кристаллах очень легко меняется под действием внешних полей, причем поля эти очень слабые и изменения очень быстрые. С конца 60-х годов начался бум изучения жидкокристаллических систем, жидкокристаллических фаз, и он связан с тем, что научились их использовать. Вначале для систем отображения информации в обычных электронных цифровых часах, затем - в калькуляторах, а с появлением компьютерной техники стало понятно, что жидкие кристаллы можно активно использовать для изготовления дисплеев. Естественно, такой технологический скачок стимулировал изучение с точки зрения фундаментальной науки жидких кристаллов, но следует отметить, какой большой временной разрыв имеется между научными открытиями, связанными с жидкими кристаллами. Фактически люди интересовались ими из любопытства, не было утилитарного интереса, никто не знал, как их использовать, и, более того, в те годы (20-30-е годы) была куда интереснее теория относительности. Кстати, Фредерикс - популяризатор теории относительности в Советском Союзе, потом он был репрессирован и погиб в лагерях. Прошло фактически 80 лет после открытия жидких кристаллов, пока их научились использовать.
1.2. В процессе исследования жидких кристаллов выяснились физические причины четвертого агрегатного состояния вещества. Главная из них – это несферичность формы молекул. Молекулы в этих веществах имеют вытянутую в одном направлении или дискообразную форму. Такие молекулы располагаются либо вдоль определенной линии, либо в выделенной плоскости. Известны три основных вида кристаллической фазы: нематическая (от греческого слова «нема» - нить), смектическая (от греческого слова «смегма» - мыло), холестерическая.
В нематических жидких кристаллах центры масс молекул располагаются и движутся хаотически, как в жидкости, а оси молекул расположены параллельно. Таким образом, дальний порядок существует только по отношению к ориентации молекул. На самом деле молекулы нематика совершают не только поступательные движения, но также и ориентационные колебания. Поэтому строгий параллельности молекулы нет, но есть преимущественная усредненная ориентация (рис. 7.19).Амплитуда ориентационных колебаний зависит от температуры. При увеличении температуры происходят все большие отклонения от параллельности в ориентации, и в точке фазового перехода ориентация молекул становится хаотической. При этом жидкий кристалл превращается в обычную жидкость.
Наибольший интерес для практических применений представляют вещества, существующие в нематической мезофазе при комнатной температуре. В настоящее время, приготовляя смеси различных веществ, получают нематики в области от -20 до +80 градусов и даже в более широком интервале температур.
Для характеристики ориентационного порядка в жидких кристаллах обычно вводят два параметра: директор и степень ориентационного порядка , называемый также параметром порядка. Директор- это единичный вектор I, направление которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. В нематических жидких кристаллах директор совпадает с направлением оптической оси. Вектор I феноменологически характеризует дальний порядок в расположении молекул. Он лишь определяет направление ориентации молекул, но не дает никакой информации о том, насколько совершенна упорядоченность мезофазы. Мерой дальнего ориентационного порядка, является параметр порядка S, определяемый следующим образом:S=1/2(3 ²θ -1) (*), где θ – угол между осью отдельной молекулы и директором жидкого кристалла. Усреднение в (*) ведется по всему ансамблю молекул. Значение S=1 соответствует полной ориентационной упорядоченности, т. е идеальному жидкому кристаллу, а S=0 означает полный ориентационный беспорядок и соответствует нематику, перешедшему в изотропную жидкость.
Холестерические жидкие кристаллы получили своё название от холестерина, потому что в большинстве случаев они представляют собой сложные эфиры холестерина. В то же время, кроме сложных эфиров холестерина, холестерическую мезофазу образует и ряд других веществ. Молекулы всех соединений, образующих холестерик, содержат асимметрический атом углерода, связанный четырьмя ковалентными связями с различными атомами или группами атомов. Такие молекулы нельзя совместить саму с собой простым наложением, так же как левую и правую руки. Они называются хиральными молекулами (от древнереческого «хейр» - рука).
Состоящие из хиральных молеклу холестерические жидкие кристаллы похожи по структуре на нематики, но имеют принципиальное отличие. Оно состоит в том, что, в отличие от нематика, однородная ориентация молекул в холестерике является энергетически невыгодной. Хиральные молекулы холестерика можно расположить параллельно друг другу в тонком монослое, но в соседнем слое молекулы должны быть повернуты на некоторый угол. Энергия такого состояния будет меньшей, чем при однородной ориентации. В каждом последующем слое директор I, лежащий в плоскости слоя, снова поворачивается на небольшой угол. Таким образом, в холестерическом жидком кристалле создается спиральное упорядочение молекул (рис. 7.20). Эти спирали могут быть как левыми, так и правыми. Угол α между векторами I соседних слоев обычно составляет сотые доли полного оборота, т.е. α≈1®. При этом шаг холестерической спирали Р составляет несколько тысяч ангстрем и сравним с длиной волны света в видимой части спектра. Нематические жидкие кристаллы можно рассматривать как частный случай холестерических жидких кристаллов с бесконечно большим шагом спирали (Р→∞). Спиральное упорядочение молекул можно разрушить электрическим или магнитным полем, приложенным перпендикулярно оси спирали.
Смектические жидкие кристаллы являются более упорядоченными, чем нематические и холестерические. Они представляют собой как бы двухмерные кристаллы. Кроме ориентационной упорядоченности молекул, аналогичной упорядоченности в нематиках, существует частичное упорядочение центров масс молекул. При этом директор каждого слоя уже не лежит в плоскости слоя, как у холестериков, а образует с ним некоторый угол.
В зависимости от характера упорядочения молекул в слоях смектические жидкие кристаллы делятся на две группы: смектики с неструктурными и смектики со структурными слоями.
В смектических жидких кристаллах с неструктурными слоями центры масс молекул в слоях расположены хаотично, как в жидкости. Молекулы могут достаточно свободно перемещаться вдоль слоя, но центры масс их находятся на одной и той же плоскости. Эти плоскости, называемые смектическими, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, примерно равном длине молекулы. На рис. 7.21 а показано расположение молекул в таком смектике. Для смектического жидкого кристалла, показанного на рисунке, директор I и нормаль n к плоскости совпадают по направлению. Другими словами, длинные оси молекул перпендикулярны смектическим слоям. Такие жидкие кристаллы называются смектиками А. На рис. 7.21б показан смектик с неструктурными слоями, в котором директор направлен не по нормали к слою, а образует с ним некоторый угол.Жидкие кристаллы с таким расположением молекул получили название смектиков С. В ряде смектических жидких кристаллов существует более сложное упорядочение, чем в смектиках А и С. Примером может служить смектик F, детали упорядочения, в котором до конца ещё не изучены.
В смектиках со структурными слоями мы уже имеем дело с трехмерным статистическим упорядочением. Здесь центры масс молекул также лежат в смектических слоях, но образуют двумерную решетку. Однако в отличие от кристаллических веществ, слои могут свободно скользить друг относительно друга (как и в других смектиках!). Из-за такого свободного скольжения слоев все смектики на ощупь мылоподобны. Отсюда и их название (греческое слово «смегма» - мыло).В ряде смектиков существует упорядочение центров масс молекул такое же, как в смектиках В, но угол между директором I и нормалью n к слоям отличен от нуля. При этом образуется псевдогексагональное моноклинное упорядочение. Такие смектики называются смектиками Н.Существуют также смектики D, близкие к кубической структуре с объемноцентрированной решеткой. Среди вновь синтезируемых жидких кристаллов обнаруживаются такие, которые нельзя отнести к нематикам, холестерикам и смектикам. Их обычно называют экзотическими мезофазами. К ним относятся, например, так называемые дискообразные жидкие кристаллы, или дискотики, которые интенсивно изучаются.
1.3. Поляризационная микроскопия – это первый метод изучения жидких кристаллов, то есть уже по картинке, которая наблюдается исследователем в поляризационный микроскоп скрещенных поляризаторов, можно судить о том какая мезофаза, какой тип жидкокристаллической фазы образуется. Так выглядит характерная картинка для нематической фазы, молекулы которой образуют только ориентационный порядок. Так выглядит смектическая фаза. Чтобы вы представили масштаб всего этого, то есть это намного больше, чем молекулярный масштаб: ширина картинки – сотни микрон, то есть это макроскопическая картинка, намного больше длины волны видимого света. И анализируя такие картинки, можно судить о том, какая там структура. Естественно, существуют более точные методы определения структуры и каких-то структурных особенностей этих мезофаз - такие методы, как рентгеноструктурный анализ, различные виды спектроскопии – это позволяет понять, как и почему молекулы упаковываются таким или иным способом.
Холестерическая мезофаза выглядит таким образом – одна из типичных картинок.
При изменении температуры наблюдается изменение лучепреломления, поэтому цвета меняются, приближаемся к переходу - и наблюдается переход в изотропный расплав, то есть все потемнело, в скрещенных поляризаторах видна темная картинка.
Жидкокристаллические полимеры.
Жидкокристаллические (ЖК) полимеры - это высокомолекулярные соединения, способные при определенных условиях (температуре, давлении, концентрации в растворе) переходить в ЖК состояние. ЖК состояние полимеров является равновесным фазовым состоянием, занимающим промежуточное положение между аморфным и кристаллическим состоянием, поэтому его также часто называют мезоморфным или мезофазой (от греч. мезос - промежуточный). Характерными особенностями мезофазы являются наличие ориентационного порядка в расположении макромолекул (или их фрагментов) и анизотропии физических свойств при отсутствии внешних воздействий. Весьма существенно подчеркнуть, что ЖК фаза образуется самопроизвольно, в то время как ориентационный порядок в полимере может быть легко наведен путем простого растяжения образца за счет высокой анизодиаметрии (асимметрии) макромолекул.
Если полимеры переходят в ЖК состояние или мезофазу в результате термического воздействия (нагревания или охлаждения), их называют термотропными ЖК полимерами, если ЖК фаза образуется при растворении полимеров в определенных растворителях, их называют лиотропными ЖК полимерами.
Первыми учеными, которые предсказали возможность образования полимерами мезофазы, были В.А. Каргин и П.Флори.
МОСКВА, 21 авг — РИА Новости. Сотрудники химического факультета и факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ имени М.В. Ломоносова в сотрудничестве с иностранными коллегами синтезировали и исследовали новые светочувствительные жидкокристаллические полимеры. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, а ее результаты были опубликованы в журнале Macromolecular Chemistry and Physics.
Ученые МГУ в сотрудничестве с чешскими коллегами из Института физики (Прага) синтезировали и исследовали новые ЖК-полимеры, сочетающие в себе оптические свойства жидких кристаллов и механические свойства полимеров. Такие полимеры могут быстро изменять ориентацию молекул под действием внешних полей и одновременно способны образовывать покрытия, пленки и детали сложных форм. Важное преимущество таких систем перед низкомолекулярными жидкими кристаллами заключается в том, что ЖК-полимеры при комнатной температуре существуют в стеклообразном состоянии, фиксирующем ориентацию молекул.
© Алексей Боблровский, МГУ
© Алексей Боблровский, МГУ
ЖК-полимеры состоят из молекул с высокой молекулярной массой, которые называют макромолекулами. Они имеют гребнеобразное строение: к основной гибкой полимерной цепи присоединены с помощью "развязки" из последовательно связанных молекул CH2 светочувствительные "жесткие" азобензольные фрагменты (C₆H₅N=NC₆H₅). Эти фрагменты стремятся упорядочиться и могут образовывать самые разные виды "упаковок" — жидкокристаллических фаз. Когда на такие полимеры падает свет, азобензольные группы перестраиваются, из-за чего оптические свойства полимеров изменяются. Такие полимеры называют фотохромными.
Особое внимание ученые уделили процессам фотоизомеризации и фотоориентации. Фотоизомеризация — это перегруппировка связей внутри молекулы полимера под действием света. Фотоориентация — это изменение ориентации жестких азобензольных (в данном случае) фрагментов под действием линейно-поляризованного света, в луче которого направление колебаний электрического поля строго определено. В ходе циклов фотоизомеризации под действием поляризованного света азобензольные фрагменты меняют свой угол. Это происходит до того момента, пока их ориентация не становится перпендикулярной плоскости поляризации падающего света, и фрагменты уже не способны поглощать свет.
Сначала ученые МГУ в сотрудничестве с коллегами из Института физики Академии наук Чешской Республики синтезировали мономеры, из которых в МГУ получили ЖК-полимеры. Фазовое поведение и температуры фазовых переходов полимеров авторы исследовали методами поляризационно-оптической микроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии. Детальная структура фаз была изучена методом рентгеноструктурного анализа на факультете фундаментальной физико-химической инженерии МГУ.
© Российская академия наук
© Российская академия наук
Поясняет один из авторов статьи, профессор РАН, доктор химических наук, главный научный сотрудник кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Алексей Бобровский: "Фотоизомеризация и фотоориентация открывают большие перспективы для создания так называемых умных материалов. Они отзываются на различные внешние воздействия и могут быть использованы для хранения, записи и передачи информации в оптических устройствах различной сложности. Эти конкретные полимеры вряд ли будут использованы на практике, потому что они слишком дороги и синтез их непрост. С другой стороны, далеко не всегда можно предсказать, какие именно системы, когда и как найдут применение", — заключил ученый.
Жидкокристаллические полимеры (LCP) представляют собой класс уникальных термопластов, которые содержат, в первую очередь, бензольные кольца в полимерных цепях, которые являются стержнеобразными структурами, организованными большими параллельными матрицами. Они являются высоко кристаллическими, огнестойкими от природы, термотропическими (ориентирующими плавление) термопластами. Несмотря на то, что они схожи с полукристаллическими полимерами, LCP обладают своими отличительными признаками.
Рис. 1. Типичная структура жидкокристаллического полимера - Ticona .Традиционные полукристаллические полимеры при плавлении имеют хаотичную (неупорядоченную) структуру, которая, по мере остывания образует высокоупорядоченные кристаллические области, окруженные аморфной матрицей. Молекулы LCP остаются хорошо упорядоченными даже в расплаве, и легко проскальзывают мимо друг друга при срезывании. В результате у них очень низкая вязкость расплава, что позволяет легко заполнять очень тонкие стенки и воспроизводить самые замысловатые очертания. Они дают очень небольшую (или нулевую) усадку в направлении потока, и им требуется очень мало времени для застывания или отвердевания. Для того чтобы процесс протекал с высокой точностью, многие перерабатывающие компании и проектировщики используют жидкокристаллические полимеры для изготовления деталей с тонкими стенками, которым может оказаться необходимым выдерживать воздействие высоких температур.
Vectra E130: LCP электрических марок
Жидкокристаллические полимеры Vectra (LCP), производства компании Ticona (подразделение, занимающееся техническими полимерами Celanese/Hoechst AG) представляют собой высококристаллические, термотропические (ориентирующие плавление) термопласты, которые могут давать исключительно точные и стабильные размеры, отличные рабочие параметры при высоких температурах, высокую жесткость и устойчивость к воздействию химических веществ при использовании для производства очень тонких стенок. Полимер также обладает низким коэффициентом теплового расширения, одинаково во всех трех осевых измерениях (x,y,z). Он выдерживает температуры пайки с поверхностным монтажом, включая температуры, необходимые для безсвинцового спаивания. Такие свойства обусловили использование Vectra LCP для многих электронных применений, таких как: розетки, катушки, выключатели, разъемы и датчики. Многие марки превзошли по своим эксплуатационным характеристикам керамику, термоотверждающиеся материалы и прочие высокотемпературные пластмассы, не образуя при этом угольных остатков (или образуя количество, которым можно пренебречь).
Когда компании Vaupell Industrial Plastics понадобилось создать внутреннее покрытие корпуса батареи для армейского высокоточного прибора ночного видения, она использовала Vectra E130i LCP, чтобы облегчить разработку продукта за счет практически полного исключения усадки при формовании. Продукт также обеспечивал отличную долговечность в широком температурном диапазоне.
Внутренняя прокладка корпуса батареи вставляется в алюминиевую внешнюю оболочку, зазор между ними составляет не более 0,05 мм. Деталь, выполненная в форме листа клевера, имеет максимальный размер поперечного сечения 5,08 см. Длина также составляет 5,08 см, стенки, открытые снизу и сверху, имеют толщину 0, 56 мм. Закругленный фланец по всему верхнему краю удерживает ее в нужном положении внутри внешней оболочки.
Высокопрочные LCP следующего поколения
Рабочие марки жидкокристаллической полимерной смолы нового поколения, Zenite LCP от компании DuPont, позволяют надеяться на большие: прочность, жесткость и точность разъемов электронных устройств и прочих формованных компонентов. Испытания показали, что разъемы, сформованные из Zenite 6130LX, обеспечивают превосходную устойчивость к повреждению во время автоматизированного введения контактов и сборки плат. Из новой смолы также можно производить детали с меньшей деформацией, что улучшает подгонку деталей, и повышает температуру перехода через предел текучести при пайке. При разрушающих испытаниях головки соединительной платы новая смола дает повышение сопротивления разрушению на 21%, повышение отклонения перед повреждением на 32%, а также более эластичный/менее хрупкий тип разрушения. При испытаниях используется пресс, снабженный инструментом с сужающимся концом для того, чтобы раздвигать стенки разъемов. Были измерены сила разрушения и отклонение стенок. Также очевидны улучшение прочности и жесткости по сравнению со стандартными данными для прочности на разрыв, растяжения, модуля упругости при изгибе и предела прочности при изгибе.
Образцы формованных разъемов, изготовленные из Zenite 6130LX, также продемонстрировали значительное повышение прочности лини спая. Когда контакты поместили в испытываемые образцы, изготовленные из LCP раннего поколения, на линиях спая появились мелкие трещинки. На деталях, сформованных из новых смол, никаких трещин обнаружено не было. Другие испытания показали, что детали, изготовленные из новой смолы, меньше деформируются. Сходимость боковых стенок испытываемого разъема была на 23% меньше сходимости детали, сформованной из LCP раннего поколения. Zenite 6130LX также более устойчив к различным условиям пайки. Его теплостойкость при изгибе составляет 280ºC, что на 15ºC выше температуры других LCP. В число наиболее типичных применений входит широкий диапазон компонентов для: электрической/электронной промышленности, освещения, телекоммуникаций, систем зажигания и загрузки топлива автомобилей, для авиационно-космической промышленности, волоконной оптики, производства двигателей, изображающих устройств, датчиков, оборудования для печей, структур топливных и газовых барьеров и т. д.
Vectra MT LCP медицинских марок
Жидкокристаллический полимер Vectra заменил нержавеющую сталь в целом ряде медицинских применений. Некоторые марки Vectra LCP соответствуют инструкциям USP Class VI, и устойчивы к воздействию гамма-излучения, пригодны для обработки в паровом автоклаве и большинством методов химической стерилизации.
Ticona обладает восемью марками Vectra LCP MT для использования при применении медицинских технологий (MT), таких как: медицинские приборы, системы упаковки и доставки лекарственных препаратов, и прочие применения в системе здравоохранения. Марки MT компании Ticona соответствуют требованиям USP 23 Class VI к биологической совместимости с кожей, кровью и тканями. Марки компании Ticona для медицинских применений также соответствуют Директиве Европейского Сообщества 2002/72/EC для применений, входящих в контакт с пищевыми продуктами, и стандартам BfR соответственно. BfR означает Немецкий федеральный институт оценки рисков (ранее BgVV, Немецкий федеральный институт защиты здоровья потребителей и ветеринарии). Смолы компании Ticona Vectra LCP для медицинских технологий предоставляют в распоряжение производителей лекарственных препаратов и оборудования широкие возможности в области проектирования и переработки. Сюда входят наполненные и не наполненные марки для осуществления литьевого формования и обработки экструзией, а также марки с различными свойствами текучести и добавками, из которых производятся детали с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, улучшенным внешним видом, более высокой жесткостью и прочими свойствами. Марки Vectra LCP MT дают отличные прочность, жесткость, сопротивление ползучести, размерную стабильность и высокую текучесть для длинных тонких сечений. У них отличная термостойкость и устойчивость к воздействию химических веществ, они способны выдерживать неоднократные циклы стерилизации. Они могут заменять металл в медицинском и стоматологическом оборудовании, использоваться в высокоструктурированных компонентах систем доставки лекарственных препаратов, и удовлетворять потребности приборов для минимально инвазивной хирургии и в других областях.
Окончание табл. 2
У линейных полимеров температура стеклования зависит от молекулярной массы, увеличиваясь с ее ростом. У сетчатых по-лимеров образование сшитой структуры приводит к повышению Т с, тем большему, чем гуще пространственная сетка.
Процесс стеклования сопровождается изменением многих свойств полимера: теплопроводности, электропроводности, пока-зателя преломления, причем эти свойства меняются скачкообразно при Т с.
При понижении температуры ниже Т с в полимере уменьшается тепловое движение кинетических фрагментов макромолекул. Чтобы вызвать даже небольшую деформацию застеклованного полимера, к нему нужно приложить большую механическую нагрузку. При этом полимер ведет себя, как упругое или упруговязкое тело. При дальнейшем понижении температуры полимер разрушается, как хрупкое тело, при практически исчезающей деформации. Температуру, при которой происходит хрупкое разрушение полимера, называют температурой хрупкости Т хр. Полимеры, как правило, эксплуатируются в стеклообразном состоянии, которому соответствует участок I на термомеханической кривой (см. рис. 8).
Высокоэластическое состояние (ВЭС) полимера характери-зуется относительно высокой подвижностью сегментов макромо-лекул. Оно проявляется только тогда, когда макромолекулы имеют значительную длину (большую массу), и особенно свойственно гибкоцепным полимерам с небольшими силами межмолекуляр-ного взаимодействия.
При значительном межмолекулярном взаимодействии (диполи, водородная связь) ВЭС наблюдается при повышенных темпе-ратурах, т.е. когда ослаблены силы межмолекулярного взаимодействия. Сравнительная легкость принятия макромолекулой самых различных конформаций под влиянием внешнего механического напряжения объясняет большие деформации выше Т
с (сотни процентов). После снятия нагрузки благодаря тепловому перемещению сегментов макромолекулы возвращаются к исходным конформациям и достигнутая высокоэластическая деформация исчезает, т.е. она носит обратимый характер. Если процесс деформации линейного полимера осуществлять медленно, так, чтобы макромолекулы успевали перейти из одной равновесной конформации в другую, вместо ВЭС полимер окажется в вязкотекучем состоянии
(ВТС). У термопластов ВЭС наблюдается в области температур Т
с – Т
к, где
Т
к – температура текучести (плавления) полимера на участке II
(см. рис. 8).
В ВТС термопластичный полимер представляет собой жид-кость и способен необратимо течь под воздействием сравнительно небольших внешних усилий, т.е. проявлять пластическую дефор-мацию. При течении происходит перемещение отдельных макро-молекул относительно друг друга. Деформация в ВТС может развиваться бесконечно и носит необратимый характер. Вязко-текучему состоянию соответствует участок III на рис. 8.
Некоторые сетчатые полимеры также способны переходить в ВЭС. Однако при повышении температуры выше Т с они слегка размягчаются, а затем необратимо разрушаются.
Кристаллическое состояние полимеров. Многие термопла-стичные полимеры могут существовать в кристаллическом состоя-нии. Так, полиэтилен, полипропилен, полиамиды могут образо-вывать микроскопические кристаллы.
Кристаллические, жидкокристаллические и ориентированные аморфные полимеры, подобно монокристаллам, проявляют анизо-тропию свойств (рис. 9).
В кристаллическое состояние полимеры переходят из жидкого (расплав, раствор) при понижении температуры. Кристаллизация протекает в результате фиксации положения отдельных сегментов и возникновения в их расположении элементов дальнего трехмерного порядка.
Для осуществления процесса кристаллизации в полимерах необходимо соблюдать некоторые необходимые, но не всегда достаточные условия.
Рис. 9. Анизотропия упорядоченных макромолекул. Определенные детектором показатели будут значительно отличаться от направления испытания
Во-первых, для построения кристаллической структуры необ-ходимо, чтобы молекулы полимера были регулярными , т.е. об-ладали линейным строением цепи с определенным чередованием звеньев и однотипным расположением их в пространстве отно-сительно главной цепи.
Во-вторых, при фазовом превращении взаимная укладка цепей или сегментов должна происходить по принципу плотной упаковки. Коэффициенты упаковки (отношение собственного объема макромолекул к истинному объему тела) у большинства закристаллизованных полимеров лежат в пределах 0,62…0,67 и близки к коэффициентам упаковки обычных твердых тел. Очевидно, что плотная упаковка затруднена для макромолекул, содержащих разветвления и объемные боковые заместители, которые создают стерические затруднения.
В-третьих, для осуществления кристаллизации молекулы полимера должны обладать определенной подвижностью, чтобы цепи могли перемещаться и укладываться в кристаллическую структуру. Практически кристаллизация может осуществляться вблизи и ниже температуры плавления Т пл. Жидкокристаллические полимеры сохраняют кристаллическую организацию и при тем-пературе выше Т пл.
Но даже при выполнении всех этих условий полимеры не бывают полностью кристаллическими.
Наряду с кристаллическими в полимерах всегда содержатся аморфные области, поэтому их еще называют кристаллизующи-мися. Так, содержание кристаллической фазы в полиэтилене вы-сокой плотности достигает 75…90%, а в полиэтилене низкой плотности не превышает 60%. Кристаллические структуры, в свою очередь, всегда морфологически дефектны (по форме и прост-ранственной организации).
В отличие от низкомолекулярных соединений плавление полимеров происходит не при определенной температуре, а в температурном интервале, определяемом их химическим строением, молекулярной массой, кинетическими особенностями. За температуру плавления принимают некоторую среднюю температуру этого интервала.
Степень кристалличности, морфология кристаллических стру-ктур и интервал температуры плавления полимера связаны с вре-менным, а также релаксационным характером процесса кристал-лизации. Если температуру понижать медленно, то образуются бо-лее разнообразные кристаллические структуры.
В табл. 3 приведены усредненные температуры плавления не-которых полимеров.
Т а б л и ц а 3
Усредненные значения температуры плавления
некоторых полимеров
Из этих данных видно, что Т пл растет с увеличением полярности элементарных звеньев полимеров, регулярности их строения и с уменьшением гибкости макромолекул.
Надмолекулярная структура полимеров (НМС) отражает физическую организацию макроцепей и свойственна всем полимерам, независимо от их физического и фазового состояния. Причина возникновения НМС заключается в межмолекулярном взаимодействии макроцепей. Морфологически НМС полимеров представляет собой сложные, пространственно выделяемые агрегаты разных размеров и формы, созданные укладкой макромолекул определенным образом. В создании надмолекулярных структур проявляется фундаментальное свойство гибкой цепи – способность складываться в складки (пачки) или сворачиваться в клубки «сами на себя».
Гибкие макромолекулы могут принять форму клубков. Устой-чивость такой формы определяется наименьшими значениями по-верхности и поверхностной энергии. Клубок состоит из одной или нескольких макромолекул, при этом отдельные участки цепи внутри него расположены беспорядочно. Такая НМС типична для большинства аморфных полимеров и формируется в процессе их получения.
В полимерах с М
> 10 4 широко распространены структуры, возникающие обычно на стадии расплава или раствора в ре-зультате действия межмолекулярных сил либо при складывании одной макромолекулы или ее сегментов, либо при сближении линейных фрагментов соседних макромолекул. Складчатые обра-зования (пачки
) могут образовывать более крупные и морфоло-гически усложненные структурные агрегаты – фибриллы
(рис. 10,
а
, б
). В синтезируемых полимерах пачечно-фибриллярная
структу-ра (рис. 10, в
) предшествует формированию более развитых над-молекулярных структур – ламелей
(рис. 10, г
).
Рис. 10. а – схема возникновения пачки и фибриллы у полимеров; б – укладка макромолекул в ориентированном кристаллическом полимере; в – схема структуры кристаллической фибриллы с последующей укладкой в ламели (г )
В зависимости от условий кристаллизации НМС может оста-ваться фибриллярной либо трансформироваться в ламелярную (пластинчатую) или сферолитную (рис. 11, в , г ).
| а) |
| г) |
| в) |
| б) |
Рис. 11. Типы кристаллических образований в полимерах: а
– кристаллит;
б
– фибрилла; в
– радиальные сферолиты; г
– кольцевые сферолиты
Последние возникают из фибрилл, которые развиваются из одного центра в форме сферы и удерживаются так называемыми проходными цепями , т.е. участками макромолекул, входящими в состав соседних сферолитов. Проходные цепи образуют аморфные области в кристаллическом полимере. Сферолиты могут созда-ваться не только укладкой фибрилл, но и ламелями.
Плотность полимера в кристаллах вследствие более плотной укладки макромолекул оказывается выше, чем в межструктурных зонах, заполненных неупорядоченными макроцепями, и выше, чем в аморфных областях. Значения средней плотности некоторых полимеров (ρ), плотности кристаллической (ρ кр) и аморфной (ρ ам) составляющих приведены в табл. 4.
Т а б л и ц а 4
Значения плотности полимеров, кг/м 3
Компания ОЛЕНТА занимается продажей огромного ассортимента полимерных материалов. У нас всегда доступны высококачественные термопласты, в числе которых жидкокристаллические полимеры. Сотрудники, работающие в ОЛЕНТА, имеют высшее профильное образование и превосходно разбираются в особенностях изготовления полимеров. У нас Вы всегда можете получить консультацию и любую помощь, касающуюся выбора материала и организации технологического процесса.
Жидкокристаллические полимеры обладают очень высокой жесткостью, прочностью. Не дают облоя при литье. Рекомендуются для точного литья. Имеют отличную размерную стабильность. Характеризуются очень малым временем охлаждения. Отличаются крайне низкой прочностью спаев. У нас Вы найдете жидкокристаллический полимер компании Toray. Материал производится на заводе в Японии.
Жидкокристаллический полимер производства компании Toray
| Наполнение | Марка | Описание | Применение |
| Стеклонаполнение | Высокопрочный полимер,35% стеклонаполнение | Микроэлектроника
|
|
| Короткое стекло | Высокотекучий полимер,35% стеклонаполнение | Микроэлектроника
|
|
| Короткое стеклои минералы | Супервысокотекучий полимер,30% стеклонаполнение | Микроэлектроника
|
|
| Антистатический полимер, 50% наполнение | Микроэлектроника
|
||
| Стекло и минералы | Низкое коробление,50% наполнение | Микроэлектроника
|
|
| Минералы | Низкое коробление,30% наполнение | Микроэлектроника
|
Особенности жидкокристаллических полимеров
В отличие от традиционных полимерных соединений, эти материалы обладают целым рядом отличительных свойств. Жидкокристаллические полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения, способные изменять свое состояние под воздействием внешних условий. За счет гибкой молекулярной связи, цепочка макромолекул способна изменять свою форму в широких пределах и образовывать стабильную и прочную кристаллическую структуру.
Эти полимеры сохраняют стабильные прочностные свойства вплоть до температуры плавления. Имеют очень высокую химическую стойкость и диэлектрические свойства.
Жидкокристаллические полимеры широко применяются при производстве электронных компонентов, кухонной посуды, устойчивой к воздействию микроволн, а также медицинских инструментов.
О компании ОЛЕНТА
Наша компания обладает целым рядом преимуществ:
- разумные цены;
- специалисты с большим опытом;
- точное соблюдение сроков и договоренностей;
- большой ассортимент конструкционных пластиков;
- сотрудничество с крупнейшими производителями полимеров.
ОЛЕНТА поставляет жидкокристаллические полимеры исключительно от проверенных производителей. Это не только служит гарантией безупречного качества, но и минимизирует любые риски, связанные со срывами поставок или ненадлежащим исполнением обязательств.