Synthèse de la chaîne principale programmable élastomères à cristaux liquides à l'aide d'un thiol-acrylate de réaction en deux étapes

L’objectif global de cette réaction en deux étapes est d’aider à surmonter de nombreux obstacles techniques liés aux élastomères à cristaux liquides, tels que l’utilisation d’une réaction facile, adaptable et évolutive ou la programmation mécanique d’un échantillon pour un actionnement mécanique approfondi. Cette méthode nous offre une plate-forme polyvalente pour étudier des questions clés dans le domaine des ECL, ainsi que pour rendre ces matériaux plus accessibles aux chercheurs sans expérience approfondie en chimie et en synthèse. L’un des avantages de l’utilisation de cette technique est qu’en utilisant des chimies de thiol et d’acrylate, elle offre aux chercheurs un moyen très facile d’étudier la structure, les propriétés et les relations de performance en ajustant simplement les quantités et les types de monomères et de mésogènes utilisés.

La création d’un monodomaine dans un élastomère à cristaux liquides a toujours été un défi, en particulier un échantillon relativement épais. Généralement, les individus connus pour regarder l’élastomère cristallin auront du mal à cause de la difficulté de la synthèse. Les étudiants de premier cycle Victoria Dorr et Michael Bollinger feront la démonstration de cette procédure.

Pour commencer, ajoutez 4 grammes de RM257 dans un flacon de 30 millilitres. Le RM257 est un mésogène diacrylate et est reçu sous forme de poudre. Dissoudre le RM257 en ajoutant d’abord 40 % en poids de toluène.

Chauffez ensuite à 80 degrés Celsius sur une plaque chauffante. Il faut généralement moins de 5 minutes pour dissoudre le RM257 dans une solution. Après avoir refroidi la solution à température ambiante, ajoutez 0,217 gramme de monomère de réticulation tétrathiol PETMP.

L’étape suivante consiste à ajouter le monomère de dithiol. Dans cette étude, EDDET a été choisi plutôt que des dithiols plus courts et de poids moléculaire plus faible qui ont une odeur extrêmement forte sous forme liquide. Ajoutez 0,9157 gramme d’EDDET pour obtenir un rapport molaire des groupes fonctionnels thiols entre PETMP et EDDET de 15 à 85 ou 15 % molaire de PETMP.

Dissoudre ensuite 0,0257 gramme du photoinitiateur HHMP dans la solution. HHMP est utilisé pour permettre la réaction de photopolymérisation de deuxième étape et peut être omis si la réaction de deuxième étape n’est pas utilisée. Préparez une solution séparée d’un catalyseur en diluant de la dipropylamine ou du DPA, avec du toluène dans un rapport de 1:50.

Ajouter 0,568 gramme de solution catalytique diluée à la solution de monomère, ce qui correspond à 1 pour cent molaire du catalyseur par rapport aux groupes fonctionnels thiols. Mélanger vigoureusement sur un mélangeur vortex. Évitez d’ajouter des catalyseurs non dilués à la solution, car cela entraînera probablement une polymérisation localisée extrêmement rapide et empêchera la manipulation de la solution polymère dans les moules souhaités.

Immédiatement après le mélange, placez la solution de monomère dans une chambre à vide pendant 1 minute à 508 millimètres de mercure pour éliminer les bulles d’air causées par le mélange. Transférez immédiatement la solution dans le moule souhaité ou injectez la solution entre deux lames de verre. Les moules doivent être fabriqués en PEHD.

Les moules n’ont pas besoin d’être couverts, car la réaction d’addition Michael est relativement insensible à l’inhibition de l’oxygène. Laissez la réaction se dérouler pendant au moins 12 heures à température ambiante. La solution commencera à se gélifier dans les 30 premières minutes.

Ensuite, placez les échantillons dans une chambre à vide à 80 degrés Celsius et 508 millimètres de mercure pendant 24 heures pour évaporer le toluène. Une fois terminés, les échantillons doivent avoir un aspect blanc brillant et opaque à température ambiante. Répétez la procédure pour adapter le rapport des monomères de thiol tétrafonctionnels aux monomères de thiol difonctionnels avec des rapports de 25:75, 50:50 et 100:0, respectivement.

Préparez un moule en os de chien personnalisé en PEHD d’une longueur de jauge de 25 millimètres et d’une section transversale de 1 millimètre sur 5 millimètres. À l’aide d’une pipette en verre, remplissez chaque cavité du moule avec la solution de monomère PETMT à 15 % molaire jusqu’à ce qu’elle affleure le haut du moule. Laissez les échantillons durcir et sécher comme avant.

Ensuite, placez deux morceaux de ruban laser réfléchissant à 5 à 7 millimètres l’un de l’autre dans la longueur de référence de l’échantillon. Chargez l’échantillon dans un testeur mécanique équipé d’un extensomètre laser, d’une chambre thermique et d’un capteur de pesage de 500 Newton. Utilisez des mâchoires en coin ou auto-serrantes pour fixer l’échantillon.

Les poignées auto-resserrantes peuvent aider à empêcher l’échantillon de se déloger à des valeurs de déformation élevées. Alignez correctement l’extensomètre laser pour suivre le changement précis de la longueur en fonction de la déformation appliquée. À l’aide d’un marqueur permanent, marquez un point de l’autre côté de chaque morceau de ruban réfléchissant, en notant la longueur entre les points.

Déformez les échantillons à température ambiante avec un taux de déplacement de 0,2 millimètre par seconde à 100, 200, 300 ou 400 % de déformation. Tout en maintenant le niveau de déformation souhaité, exposez l’échantillon à une source de lumière UV de 365 nanomètres à une intensité d’environ 10 milliwatts par centimètre carré pendant 10 minutes tout en tenant une lampe UV à environ 150 millimètres de l’échantillon. Déchargez l’échantillon, puis chauffez-le au-dessus de la température de transition isotrope, ou TI, pour induire l’actionnement.

Laissez l’échantillon refroidir à température ambiante et notez la longueur entre les points. Calculez ensuite la fixité à l’aide de l’équation indiquée dans le protocole de texte. Ensuite, coupez un échantillon de 30 millimètres de longueur dans la partie centrale de l’échantillon programmé.

Chargez correctement l’échantillon dans un testeur d’analyse mécanique dynamique ou DMA. Testez l’échantillon en mode traction avec une longueur active de 13 à 15 millimètres, en prenant soin de ne pas trop serrer les poignées sur le coupon de test. Équilibrez l’échantillon à 120 degrés Celsius sous une précharge de 0 Newton, puis refroidissez l’échantillon de 120 à 25 degrés Celsius à une vitesse de 3 degrés Celsius par minute.

Maintenez la préforce à 0 Newtons pendant toute la durée de l’essai. En adaptant le rapport molaire des groupes fonctionnels thiol entre les monomères de dithiol et de tétrathiol, une large gamme de propriétés mécaniques est démontrée dans les matériaux. Le module, la déformation de défaillance et le plateau d’élasticité molle sont tous influencés par la quantité de réticulant tétrafonctionnel présent lors de la réaction d’addition de Michael de première étape.

Le comportement de la transition vitreuse peut également être adapté via le rapport molaire de la réticulation du tétrathiol utilisée lors de la synthèse. La température de transition vitreuse, le module pneumatique et le module isotrope augmentent avec l’augmentation de la concentration de l’agent de réticulation. Ces matériaux présentent un comportement thermomécanique unique, en ce sens que leurs fonctions tan delta restent élevées après la transition vitreuse et dans toute la région pneumatique.

La déformation de rupture de ces matériaux en fonction de la température suit la même forme que la fonction tan delta, atteignant un maximum près de la température de transition vitreuse. En utilisant cette plate-forme, la fixité, ou l’efficacité du verrouillage du monodomaine de la réaction de deuxième étape, peut être mesurée en fonction de la déformation appliquée. De plus, l’amplitude de l’actionnement thermique augmente linéairement avec la déformation de programmation appliquée.

L’utilisation de la réaction en plusieurs étapes de l’acrylate de thiol facilite grandement le traitement et la synthèse des LCE. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle pour montrer que n’importe qui peut explorer ces matériaux fascinants avec des mésogènes et des monomères disponibles dans le commerce. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de créer vos propres élastomères à cristaux liquides sur mesure et de les programmer pour un actionnement thermique réversible.

En raison de la nature évolutive de la réaction de l’acrylate de thiol, nous sommes en mesure de créer des caractéristiques à petite échelle dans de grands échantillons qui ont le potentiel d’être utilisées dans des dispositifs biomédicaux. Une fois appris, un grand lot d’échantillons d’élastomères à cristaux liquides prend environ une heure à mélanger. Nous laissons nos échantillons durcir pendant la nuit, sécher le lendemain, puis ils sont prêts à être testés, ce qui est plus rapide que de nombreuses techniques.

Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler d’avoir des groupes acrylate en excès pour permettre la réaction de photopolymérisation de deuxième étape. Bien sûr, si vous conservez l’équilibre stœchiométrique des groupes acrylate et thiol, vous pouvez toujours synthétiser des échantillons polydomaines. Suite à cette procédure, d’autres méthodes telles que le photopatterning peuvent être effectuées afin d’adapter spécialement la propriété mécanique de l’élastomère et de contrôler la température de transition entre le polydomaine, le monodomaine et l’état isotrope.

Cette technique ouvre désormais des portes aux ingénieurs en science des matériaux du monde entier et permet d’explorer les propriétés mécaniques et optiques des CLE de manière assez simple. N’oubliez pas que travailler avec des solvants organiques et des monomères est dangereux et que des précautions telles que le port d’un équipement de protection individuelle et le travail dans un ventilateur de hotte doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.