توليف للبرمجة الرئيسية سلسلة اللدائن السائل البلوري باستخدام مرحلتين ثيول-اكريليت رد الفعل

يكمن الهدف العام من هذا التفاعل المكون من مرحلتين في المساعدة على التغلب على العديد من العوائق التقنية للمطاطيات البلورية السائلة، مثل كيفية استخدام تفاعل سهل وقابل للتعديل والتوسيع، أو كيفية برمجة عينة ميكانيكياً لتحقيق تحفيز ميكانيكي شامل. توفر لنا هذه الطريقة منصة متعددة الاستخدامات لاستقصاء الأسئلة الرئيسية في مجال LCEs، بالإضافة إلى جعل هذه المواد أكثر سهولة في الوصول للباحثين الذين لا يمتلكون خلفيات واسعة في الكيمياء والتصنيع. وتتمثل إحدى مزايا استخدام هذه التقنية في أنها، من خلال توظيف كيمياء الثيول والأكريلات، تمنح الباحثين طريقة سهلة للغاية لدراسة العلاقات بين البنية والخصائص والأداء، وذلك ببساطة عن طريق ضبط كميات وأنواع المونومرات والميزوجينات المستخدمة.

لطالما شكل إنشاء نطاق أحادي في المطاط البلوري السائل تحدياً، خاصة في العينات السميكة نسبياً. وبوجه عام، يواجه الباحثون المهتمون بدراسة المطاط البلوري صعوبات بسبب تعقيد عملية التخليق. وسيقوم الطالبان في مرحلة البكالوريوس فيكتوريا دور ومايكل بولينجر بشرح هذا الإجراء.

للبدء، أضف 4 grams من RM257 إلى قارورة سعة 30-milliliter. RM257 هو ميزوجين ثنائي الأكريلات ويتم استلامه على شكل مسحوق. قم بإذابة RM257 عن طريق إضافة 40% وزنيًا من التولوين أولاً.

ثم قم بالتسخين حتى 80 °C على لوح تسخين. وعادةً ما يستغرق إذابة RM257 في محلول أقل من 5 دقائق. وبعد تبريد المحلول إلى درجة حرارة الغرفة، أضف 0.217 grams من مونومر الربط التشابكي tetrathiol وهو PETMP.

الخطوة التالية هي إضافة مونومر الديثيول. في هذه الدراسة، تم اختيار EDDET بدلاً من الديثيولات ذات الوزن الجزيئي الأقل والأقصر التي تتميز برائحة قوية جداً في صورتها السائلة. أضف 0.9157 grams من EDDET لتحقيق نسبة مولية لمجموعات الثيول الوظيفية بين PETMP و EDDET تبلغ 15 إلى 85، أو 15 mole percent من PETMP.

ثم قم بإذابة 0.0257 جرام من البادئ الضوئي HHMP في المحلول. يُستخدم HHMP لتمكين تفاعل البلمرة الضوئية في المرحلة الثانية، ويمكن الاستغناء عنه إذا لم يتم استخدام تفاعل المرحلة الثانية. قم بتحضير محلول منفصل للمحفز عن طريق تخفيف dipropylamine أو DPA باستخدام التولوين بنسبة 1:50.

أضف 0.568 grams من محلول الحفاز المخفف إلى محلول المونومر، وهو ما يعادل 1 mole percent من الحفاز بالنسبة لمجموعات الثيول الوظيفية. اخلط المزيج بقوة باستخدام جهاز Vortex mixer. تجنب إضافة الحفازات غير المخففة إلى المحلول، لأن ذلك سيؤدي على الأرجح إلى بلمرة موضعية سريعة للغاية، مما سيمنع إمكانية تشكيل محلول البوليمر في القوالب المطلوبة.

مباشرة بعد الخلط، ضع محلول المونومر في غرفة تفريغ لمدة 1 دقيقة عند 508 millimeters of mercury لإزالة أي فقاعات هواء ناتجة عن عملية الخلط. انقل المحلول فوراً إلى القالب المطلوب أو احقن المحلول بين شريحتين زجاجيتين. يجب أن تكون القوالب مصنوعة من HDPE.

لا يلزم تغطية القوالب، حيث أن تفاعل إضافة مايكل غير حساس نسبياً لتثبيط الأكسجين. اترك التفاعل يستمر لمدة 12 ساعة على الأقل في درجة حرارة الغرفة. سيبدأ المحلول في التجلط خلال أول 30 دقيقة.

ثم توضع العينات في غرفة تفريغ عند 80 degrees Celsius و508 millimeters of mercury لمدة 24 hours لتبخير التولوين. وبمجرد الانتهاء، يجب أن تظهر العينات بمظهر أبيض لامع ومعتم في درجة حرارة الغرفة. تكرر هذه العملية لضبط نسبة المونومرات الثيولية رباعية الوظيفة إلى ثنائية الوظيفة بنسب 25:75 و50:50 و100:0 على التوالي.

قم بتجهيز قالب مخصص على شكل عظمة الكلب من مادة HDPE بطول قياس يبلغ 25 millimeters ومساحة مقطع عرضي تبلغ 1 millimeter في 5 millimeters. وباستخدام ماصة زجاجية، املأ كل تجويف من تجاويف القالب بمحلول مونومر PETMT بتركيز 15 mole percent حتى يتساوى السطح مع حافة القالب العلوية. اترك العينات لتتصلب وتجف كما سبق.

بعد ذلك، ضع قطعتين من شريط الليزر العاكس بمسافة تتراوح بين 5 إلى 7 مليمترات ضمن طول القياس للعينة. قم بتحميل العينة في جهاز اختبار ميكانيكي مجهز بمقياس استطالة ليزري، وغرفة حرارية، وخلية تحميل بقوة 500 Newton. استخدم مقابض إسفينية أو مقابض ذاتية التثبيت لتأمين العينة.

يمكن أن تساعد مقابض التثبيت الذاتي في منع انزلاق العينة عند قيم الانفعال العالية. قم بمحاذاة مقياس التمدد الليزري بشكل صحيح لتتبع التغير الدقيق في الطول كدالة للانفعال المطبق. باستخدام قلم تحديد دائم، ضع نقطة على الجانب الآخر من كل قطعة من الشريط العاكس، مع تسجيل المسافة بين النقاط.

قم بتمديد العينات في درجة حرارة الغرفة بمعدل إزاحة يبلغ 0.2 millimeters per second حتى تصل نسبة الانفعال إلى 100 أو 200 أو 300 أو 400 %. مع الحفاظ على مستوى الانفعال المطلوب، عرّض العينة لمصدر ضوء UV بطول موجي 365 nanometer وبكثافة تبلغ حوالي 10 milliwatts per square centimeter لمدة 10 دقائق، مع وضع مصباح UV على مسافة 150 millimeters تقريبًا من العينة. قم بتفريغ الحمل عن العينة ثم سخنها إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الانتقال المتماثل، أو TI، لتحفيز التشغيل.

اترك العينة حتى تبرد وتعود إلى درجة حرارة الغرفة، ثم سجل الطول بين النقاط. بعد ذلك، احسب درجة الثبات باستخدام المعادلة المذكورة في البروتوكول النصي. تلي ذلك خطوة قطع عينة بطول 30 مليمتر من الجزء المركزي للنموذج المبرمج.

قم بتحميل العينة بشكل صحيح في جهاز التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA). اختبر العينة في وضع الشد بطول فعال يتراوح بين 13 إلى 15 millimeters، مع الحرص على عدم إحكام قبضات عينة الاختبار بشكل مفرط. قم بموازنة العينة عند 120 degrees Celsius تحت حمل مسبق قدره 0 Newton، يليه تبريد العينة من 120 إلى 25 degrees Celsius بمعدل 3 degrees Celsius في الدقيقة.

حافظ على قوة الضغط المسبقة عند 0 Newtons طوال فترة الاختبار. ومن خلال ضبط النسبة المولية لمجموعات الثيول الوظيفية بين مونومرات الثيول الثنائي والتتراثيول، يتم إثبات نطاق واسع من الخواص الميكانيكية في المواد. وتتأثر كل من المعامل، وانفعال الفشل، وهضبة المرونة اللينة بكمية الرابط التشابكي رباعي الوظيفة الموجود أثناء تفاعل إضافة مايكل في المرحلة الأولى.

يمكن أيضًا ضبط سلوك الانتقال الزجاجي من خلال النسبة المولية لمادة الربط التشابكي tetrathiol المستخدمة أثناء التصنيع. وتزداد درجة حرارة الانتقال الزجاجي، والمعامل النيوماتيكي، والمعامل المتناحي مع زيادة تركيز مادة الربط التشابكي. تظهر هذه المواد سلوكًا ثيرموميكانيكيًا فريدًا، حيث تظل دوال tan delta الخاصة بها مرتفعة بعد الانتقال الزجاجي وطوال المنطقة النيوماتيكية.

يتبع انفعال الفشل لهذه المواد كدالة في درجة الحرارة نفس شكل دالة ظل دلتا (tan delta)، حيث يصل إلى أقصى قيمة له بالقرب من درجة حرارة الانتقال الزجاجي. ومن خلال استخدام هذه المنصة، يمكن قياس الثبات، أو كفاءة قفل النطاق الأحادي لتفاعل المرحلة الثانية، كدالة في الانفعال المطبق. علاوة على ذلك، يلاحظ أن مقدار التنشيط الحراري يزداد خطياً مع انفعال البرمجة المطبق.

إن استخدام تفاعل ثيول أكريلات متعدد المراحل يجعل معالجة وتصنيع elastomers البلورات السائلة (LCEs) أكثر سهولة. ويعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية لإثبات أن أي شخص يمكنه استكشاف هذه المواد الرائعة باستخدام ميسوجينات ومونومرات متاحة تجارياً. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إنشاء elastomers بلورات سائلة قابلة للتطويع والبرمجة لتحقيق تفعيل حراري عكسي.

نظراً للطبيعة القابلة للتوسع لتفاعل ثيول أكريلات، يمكننا إنشاء معالم صغيرة الحجم في عينات كبيرة تملك القدرة على الاستخدام في الأجهزة الطبية الحيوية. وبمجرد إتقان الطريقة، يستغرق خلط دفعة كبيرة من عينات الإلاستومر البلوري السائل حوالي ساعة واحدة. نترك عيناتنا لتتصلب طوال الليل، ثم نجففها في اليوم التالي، وبعد ذلك تصبح جاهزة للاختبار، وهو أمر أسرع من العديد من التقنيات الأخرى.

أثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر توفير مجموعات أكريلات فائضة لتمكين تفاعل البلمرة الضوئية في المرحلة الثانية. وبالطبع، إذا حافظت على التوازن الاستكيومتري بين مجموعات الأكريلات والثيول، فيمكنك لا يزال تخليق عينات متعددة النطاقات. وباتباع هذا الإجراء، يمكن إجراء طرق أخرى مثل التشكيل الضوئي من أجل تفصيل الخواص الميكانيكية للمطاط الصناعي بشكل خاص والتحكم في درجة حرارة الانتقال بين الحالة متعددة النطاقات، وأحادية النطاق، والحالة المتجانسة.

تفتح هذه التقنية الآن آفاقاً لمهندسي علم المواد في جميع أنحاء العالم، وتوفر الوسائل لاستكشاف الخواص الميكانيكية والبصرية للـ LCEs بطريقة سهلة للغاية. وتذكر أن التعامل مع المذيبات العضوية والمونومرات ينطوي على مخاطر، لذا يجب دائماً اتخاذ الاحتياطات اللازمة، مثل ارتداء معدات الوقاية الشخصية والعمل داخل خزانة استخلاص الغازات (hood fan) عند تنفيذ هذا الإجراء.