Введение
Класс крайне нереактивных, инертных и огнестойких полимеров.
Solid LCP Specific Gravity 1.38 to 1.95 Elasticity modulus (E) 8530 to 17200 MPa Tensile strength (σt) 52.8 to 185 MPa Tensile Elongation (%) 0.26 to 6.2 Notched Izod Impact 21.0 to 82.5 kJ/m2
Liquid crystal polymers (LCPs) are polymers with the property of liquid crystal, usually containing aromatic rings as mesogens. Despite uncrosslinked LCPs, polymeric materials like liquid crystal elastomers (LCEs) and liquid crystal networks (LCNs) can exhibit liquid crystallinity as well. They are both crosslinked LCPs but have different cross link density. They are widely used in the digital display market. In addition, LCPs have unique properties like thermal actuation, anisotropic swelling, and soft elasticity. Therefore, they can be good actuators and sensors. One of the most famous and classical applications for LCPs is Kevlar, a strong but light fiber with wide applications, notably bulletproof vests.
Твердые ЖКП: удельный вес 1,38–1,95; модуль упругости (E) 8530–17200 МПа; прочность на растяжение (σt) 52,8–185 МПа; относительное удлинение при растяжении (%) 0,26–6,2; ударная вязкость по Изоду с надрезом 21,0–82,5 кДж/м².
Solid LCP Specific Gravity 1.38 to 1.95 Elasticity modulus (E) 8530 to 17200 MPa Tensile strength (σt) 52.8 to 185 MPa Tensile Elongation (%) 0.26 to 6.2 Notched Izod Impact 21.0 to 82.5 kJ/m2
Liquid crystal polymers (LCPs) are polymers with the property of liquid crystal, usually containing aromatic rings as mesogens. Despite uncrosslinked LCPs, polymeric materials like liquid crystal elastomers (LCEs) and liquid crystal networks (LCNs) can exhibit liquid crystallinity as well. They are both crosslinked LCPs but have different cross link density. They are widely used in the digital display market. In addition, LCPs have unique properties like thermal actuation, anisotropic swelling, and soft elasticity. Therefore, they can be good actuators and sensors. One of the most famous and classical applications for LCPs is Kevlar, a strong but light fiber with wide applications, notably bulletproof vests.
Жидкокристаллические полимеры (ЖКП) – это полимеры, обладающие свойствами жидких кристаллов и обычно содержащие ароматические кольца в качестве мезогенов. Помимо не сшитых ЖКП, жидкокристаллические свойства могут проявлять и полимерные материалы, такие как жидкокристаллические эластомеры (ЖКЭ) и жидкокристаллические сети (ЖКС). Оба они являются сшитыми ЖКП, но отличаются плотностью сшивки. Они широко используются на рынке цифровых дисплеев. Кроме того, ЖКП обладают уникальными свойствами, такими как термическая активация, анизотропное набухание и мягкая эластичность. Благодаря этому они могут служить эффективными приводами и датчиками. Одним из наиболее известных и классических применений ЖКП является кевлар – прочное, но легкое волокно с широким спектром применения, в частности, для изготовления бронежилетов.
Solid LCP Specific Gravity 1.38 to 1.95 Elasticity modulus (E) 8530 to 17200 MPa Tensile strength (σt) 52.8 to 185 MPa Tensile Elongation (%) 0.26 to 6.2 Notched Izod Impact 21.0 to 82.5 kJ/m2
Liquid crystal polymers (LCPs) are polymers with the property of liquid crystal, usually containing aromatic rings as mesogens. Despite uncrosslinked LCPs, polymeric materials like liquid crystal elastomers (LCEs) and liquid crystal networks (LCNs) can exhibit liquid crystallinity as well. They are both crosslinked LCPs but have different cross link density. They are widely used in the digital display market. In addition, LCPs have unique properties like thermal actuation, anisotropic swelling, and soft elasticity. Therefore, they can be good actuators and sensors. One of the most famous and classical applications for LCPs is Kevlar, a strong but light fiber with wide applications, notably bulletproof vests.
Предыстория
Жидкокристалличность в полимерах может возникать либо путем растворения полимера в растворителе (лиотропные жидкокристаллические полимеры), либо путем нагрева полимера выше температуры стеклования или точки плавления (термотропные жидкокристаллические полимеры). Жидкокристаллические полимеры могут находиться в расплавленном/жидком или твердом состоянии. В твердом состоянии, основным примером лиотропных ЖК полимеров является коммерческий арамид, известный как кевлар. Химическая структура этого арамида состоит из линейно замещенных ароматических колец, соединенных амидными группами. Аналогичным образом, несколько серий термотропных ЖК полимеров были коммерчески произведены различными компаниями. Значительное количество ЖК полимеров, произведенных в 1980-х годах, демонстрировали упорядоченность в расплаве, аналогичную той, что наблюдается у неполимерных жидких кристаллов. Переработка ЖК полимеров из жидкокристаллических фаз (или мезофаз) позволяет получать волокна и литьевые изделия с высокими механическими свойствами благодаря самоусиливающимся свойствам, обусловленным макромолекулярной ориентацией в мезофазе. ЖК полимеры могут быть переработаны расплавом на стандартном оборудовании с высокой скоростью и отличной точностью воспроизведения деталей формы. Высокая технологичность формования ЖК полимеров является важным конкурентным преимуществом по сравнению с другими пластиками, поскольку компенсирует высокую стоимость сырья. Полярные и боулические ЖК полимеры, обладающие уникальными свойствами и потенциальными областями применения, пока не получили широкого распространения в промышленном производстве.
Мезофазы
Как и у жидкокристаллических веществ из малых молекул, у полимерных жидких кристаллов также существуют различные мезофазы. Мезогенные ядра полимеров агрегируют в различные мезофазы: нематическую, холестерическую, смектическую и соединения с высокополярными концевыми группами. Более подробную информацию о мезофазах можно найти на странице, посвященной жидким кристаллам.
Классификация
ЛКК классифицируются по расположению жидких кристаллов в их структуре. В связи с созданием и изучением различных классов ЛКК, для их классификации используются различные префиксы. Мезогены обычно связаны с основной цепью посредством гибких спейсеров, хотя в некоторых ЛКК боковые цепи непосредственно присоединены к основной цепи. Если мезогены напрямую связаны с основной цепью, спиральная конформация основной цепи препятствует образованию упорядоченной структуры мезогенами. Напротив, введение гибких спейсеров между основной цепью и мезогенами позволяет отделить упорядочение мезогенов от конформации основной цепи.
Механизм
Мезогены в ЛЖК могут самоорганизовываться, формируя жидкокристаллические области в различных условиях. ЛЖК можно условно разделить на две подкатегории в зависимости от механизма агрегации и упорядочения, однако это разделение не является строгим. ЛЖК могут переходить в жидкое кристаллическое состояние несколькими способами. Этот тип ЛЖК формирует жидкие кристаллы благодаря жесткой конформации цепи, а не только агрегации мезогенных ядер. Из-за жесткой структуры для растворения полимеров лиотропной основной цепи требуется сильный растворитель. Когда концентрация полимеров достигает критической концентрации, начинают формироваться мезофазы и вязкость полимерного раствора начинает снижаться. Лиотропные ЛЖК основной цепи в основном используются для получения высокопрочных волокон, таких как кевлар. ЛЖК с боковыми цепями обычно состоят как из гидрофобных, так и из гидрофильных сегментов. Как правило, концы боковых цепей гидрофильны. При растворении в воде образуются мицеллы под действием гидрофобного взаимодействия. Если объемная доля полимеров превышает критическую объемную долю, мицеллярные сегрегаты упаковываются, формируя жидкокристаллическую структуру. При изменении концентрации выше критической объемной доли полученный жидкий кристалл может формировать различные структуры. Температура, жесткость полимеров и их молекулярная масса могут влиять на переход в жидкое кристаллическое состояние. Лиотропные ЛЖК с боковыми цепями, такие как алкилполиоксиэтиленовые поверхностно-активные вещества, присоединенные к полисилоксановым полимерам, могут использоваться в средствах личной гигиены, например, в жидком мыле.
Термотропные системы
Исследование термотропных ЖК полимеров было стимулировано успехом лиотропных ЖК полимеров. Термотропные ЖК полимеры могут быть переработаны только тогда, когда температура плавления значительно ниже температуры разложения. При температуре выше температуры плавления, но ниже точки прояснения, термотропные ЖК полимеры образуют жидкие кристаллы. Выше точки прояснения расплав снова становится изотропным и прозрачным. Замороженные жидкие кристаллы можно получить путем быстрого охлаждения жидких кристаллических полимеров ниже температуры стеклования. Сополимеризация может быть использована для регулирования температуры плавления и температуры мезофазы.
Эластомеры с жидкими кристаллами (LCE)
Финкельман впервые предложил ЖКЭ в 1981 году. ЖКЭ привлекли внимание исследователей и промышленности. ЖКЭ могут быть синтезированы как из полимерных предшественников, так и из мономеров. ЖКЭ могут реагировать на тепло, свет и магнитные поля.
Полимерные прекурсоры
LCE, синтезируемые из полимерных предшественников, можно разделить на две подкатегории. Это также хороший способ синтезировать умеренно или плотно сшитые стекловидные LCN. Основное различие между LCE и LCN заключается в плотности сшивания. LCN в основном синтезируются из многофункциональных (мет)акрилатных мономеров, а LCE обычно получают из сшитых полисилоксанов.
Свойства
Уникальный класс частично кристаллических ароматических полиэстеров на основе p-гидроксибензойной кислоты и родственных мономеров, жидкокристаллические полимеры способны формировать области высокоупорядоченной структуры, находясь в жидкой фазе. Однако степень упорядоченности несколько ниже, чем у обычного твердого кристалла. Как правило, жидкокристаллические полимеры (ЖКП) обладают высокой механической прочностью при высоких температурах, исключительной химической стойкостью, естественной огнестойкостью и хорошей устойчивостью к атмосферным воздействиям. ЖКП выпускаются в различных формах, от спекаемых при высоких температурах до компаундов, пригодных для литьевого формования. ЖКП можно сваривать, хотя сварные швы являются слабым местом в готовом изделии. ЖКП имеют высокий коэффициент теплового расширения по оси Z. ЖКП исключительно инертны. Они устойчивы к растрескиванию под напряжением в присутствии большинства химических веществ при повышенных температурах, включая ароматические и галогенированные углеводороды, сильные кислоты, щелочи, кетоны и другие агрессивные промышленные вещества. Гидролитическая стабильность в кипящей воде превосходная. Факторами, вызывающими разрушение полимеров, являются высокотемпературный пар, концентрированная серная кислота и кипящие щелочные вещества. Полярные и боулические ЖКП являются ферроэлектриками, с временем реакции на порядки величины меньше, чем у традиционных жидких кристаллов, и могут быть использованы для создания сверхбыстрых переключателей. Боулические колончатые полимеры обладают длинными полыми трубками; при добавлении в трубку атомов металла или переходного металла они потенциально могут формировать сверхпроводники с ультравысокой критической температурой (Tc).
Применение
Из-за своих разнообразных свойств, жидкокристаллические полимеры (LCP) находят применение в электрических и механических деталях, контейнерах для пищевых продуктов и других областях, где требуется химическая инертность и высокая прочность. LCP особенно эффективны в микроволновой электронике благодаря низким относительным диэлектрическим проницаемостям, низким коэффициентам диссипации и коммерческой доступности ламинатов. Упаковка микроэлектромеханических систем (МЭМС) – еще одна область, где LCP в последнее время привлекают все больше внимания. Превосходные свойства LCP делают их особенно подходящими для компонентов автомобильных систем зажигания, разъемов свечей накаливания, патронов ламп, компонентов трансмиссии, компонентов насосов, каркасов катушек, датчиков солнечного света и датчиков ремней безопасности автомобилей. LCP также хорошо подходят для компьютерных вентиляторов, где их высокая прочность на разрыв и жесткость обеспечивают более жесткие конструктивные допуски, повышенную производительность и снижение шума, хотя и при значительно более высокой стоимости.