Sintesi di programmabile principale catena Elastomeri liquido-cristallini Utilizzando una a due stadi Thiol-acrilato di reazione

L'obiettivo generale di questa reazione a due stadi è quello di aiutare a superare molte delle barriere tecniche degli elastomeri a cristalli liquidi, come ad esempio come utilizzare una reazione facile, personalizzabile e scalabile o come programmare meccanicamente un campione per un'attuazione meccanica completa. Questo metodo ci offre una piattaforma versatile per indagare su questioni chiave nel campo delle LCE e per rendere questi materiali più accessibili ai ricercatori senza ampi background in chimica e sintesi. Un vantaggio dell'utilizzo di questa tecnica è che, utilizzando sostanze chimiche tioliche e acrilate, offre ai ricercatori un modo molto semplice per studiare la struttura, le proprietà, le relazioni tra prestazioni semplicemente regolando le quantità e i tipi di monomeri e mesogeni utilizzati.

La creazione di un monodominio in elastomero liquido-cristallino è sempre stata una sfida, soprattutto per un campione relativamente spesso. Generalmente gli individui noti per guardare l'elastomero cristallino avranno difficoltà a causa della difficoltà della sintesi. A dimostrare questa procedura saranno gli studenti universitari Victoria Dorr e Michael Bollinger.

Per iniziare, aggiungi 4 grammi di RM257 in una fiala da 30 millilitri. RM257 è un mesogeno diacrilato e viene ricevuto in polvere. Sciogliere l'RM257 aggiungendo prima il 40% in peso di toluene.

Quindi scaldare a 80 gradi Celsius su una piastra calda. In genere ci vogliono meno di 5 minuti per sciogliere l'RM257 in una soluzione. Dopo aver raffreddato la soluzione a temperatura ambiente, aggiungere 0,217 grammi di monomero reticolante tetratiolo PETMP.

Il passo successivo è aggiungere il monomero di ditiolo. In questo studio, l'EDDET è stato scelto rispetto ai ditioli più corti e a basso peso molecolare che hanno un odore estremamente forte in forma liquida. Aggiungere 0,9157 grammi di EDDET per ottenere un rapporto molare dei gruppi funzionali tiolici tra PETMP e EDDET dal 15 all'85 o al 15% di PETMP molare.

Quindi sciogliere 0,0257 grammi del fotoiniziatore HHMP nella soluzione. L'HHMP viene utilizzato per abilitare la reazione di fotopolimerizzazione del secondo stadio e può essere omesso se la reazione del secondo stadio non verrà utilizzata. Preparare una soluzione separata di un catalizzatore diluendo la dipropilammina o il DPA, con toluene in rapporto di 1:50.

Aggiungere 0,568 grammi di soluzione di catalizzatore diluita alla soluzione monomerica, che corrisponde all'1% molare di catalizzatore rispetto ai gruppi funzionali tiolici. Mescolare energicamente su un miscelatore a vortice. Evitare di aggiungere catalizzatori non diluiti alla soluzione, poiché ciò comporterà probabilmente una polimerizzazione localizzata estremamente rapida e impedirà la manipolazione della soluzione polimerica negli stampi desiderati.

Subito dopo la miscelazione, porre la soluzione monomerica in una camera a vuoto per 1 minuto a 508 millimetri di mercurio per rimuovere eventuali bolle d'aria causate dalla miscelazione. Trasferire immediatamente la soluzione nello stampo desiderato o iniettare la soluzione tra due vetrini. Gli stampi devono essere realizzati in HDPE.

Gli stampi non hanno bisogno di essere coperti, poiché la reazione di addizione di Michael è relativamente insensibile all'inibizione dell'ossigeno. Lasciare procedere la reazione per almeno 12 ore a temperatura ambiente. La soluzione inizierà a gelificare entro i primi 30 minuti.

Quindi posizionare i campioni in una camera a vuoto a 80 gradi Celsius e 508 millimetri di mercurio per 24 ore per far evaporare il toluene. Una volta completati, i campioni dovrebbero avere un aspetto bianco lucido e opaco a temperatura ambiente. Ripetere la procedura per adattare il rapporto tra monomeri tiolici tetrafunzionali e difunzionali con rapporti rispettivamente di 25:75, 50:50 e 100:0.

Preparare uno stampo personalizzato in HDPE per ossa di cane con una lunghezza del calibro di 25 millimetri e un'area della sezione trasversale di 1 millimetro per 5 millimetri. Utilizzando una pipetta di vetro, riempire ogni cavità dello stampo con la soluzione di monomero PETMT al 15% di mole fino a quando non è a filo con la parte superiore dello stampo. Lasciare indurire i campioni e asciugarli come prima.

Quindi posizionare due pezzi di nastro laser riflettente a 5-7 millimetri di distanza all'interno della lunghezza del calibro del campione. Caricare il campione in un tester meccanico dotato di estensimetro laser, camera termica e cella di carico da 500 Newton. Utilizzare cunei o morsetti autoserranti per fissare il campione.

I morsetti autoserranti possono aiutare a prevenire lo spostamento del campione a valori di deformazione elevati. Allineare correttamente l'estensimetro laser per tracciare la variazione accurata della lunghezza in funzione della deformazione applicata. Usando un pennarello indelebile, segna un punto sull'altro lato di ogni pezzo di nastro riflettente, registrando la lunghezza tra i punti.

Filtrare i campioni a temperatura ambiente con una velocità di spostamento di 0,2 millimetri al secondo a 100, 200, 300 o 400 percento di deformazione. Mantenendo il livello di deformazione desiderato, esporre il campione a una sorgente di luce UV a 365 nanometri a un'intensità di circa 10 milliwatt per centimetro quadrato per 10 minuti tenendo una lampada UV a circa 150 millimetri dal campione. Scaricare il campione e riscaldarlo al di sopra della temperatura di transizione isotropa, o TI, per indurre l'azionamento.

Lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente e registrare la lunghezza tra i punti. Quindi calcola la fissità utilizzando l'equazione elencata nel protocollo di testo. Quindi tagliare un campione di 30 millimetri di lunghezza dalla parte centrale del campione programmato.

Caricare correttamente il campione in un tester di analisi meccanica dinamica o DMA. Testare il campione in modalità trazione con lunghezza attiva compresa tra 13 e 15 millimetri, facendo attenzione a non stringere eccessivamente le impugnature sul provino. Equilibrare il campione a 120 gradi Celsius con un precarico di 0 Newton, seguito dal raffreddamento del campione da 120 a 25 gradi Celsius a una velocità di 3 gradi Celsius al minuto.

Mantenere la preforza a 0 Newton per l'intero test. Adattando il rapporto molare dei gruppi funzionali tiolici tra i monomeri ditiolo e tetratiolo, viene dimostrata un'ampia gamma di proprietà meccaniche nei materiali. Il modulo, la deformazione di rottura e il plateau di elasticità morbida sono tutti influenzati dalla quantità di reticolante tetrafunzionale presente durante la reazione di addizione di Michael del primo stadio.

Il comportamento della transizione vetrosa può anche essere adattato tramite il rapporto molare del reticolante tetratiolo utilizzato durante la sintesi. La temperatura di transizione vetrosa, il modulo pneumatico e il modulo isotropo aumentano con l'aumentare della concentrazione di reticolanti. Questi materiali mostrano un comportamento termomeccanico unico, in quanto le loro funzioni tan delta rimangono elevate dopo la transizione vetrosa e in tutta la regione pneumatica.

La deformazione di rottura di questi materiali in funzione della temperatura segue la stessa forma della funzione tan delta, raggiungendo un massimo vicino alla temperatura di transizione vetrosa. Utilizzando questa piattaforma, la fissità, o l'efficienza del bloccaggio del monodominio della reazione del secondo stadio, può essere misurata in funzione della deformazione applicata. Inoltre, si vede che l'entità dell'attuazione termica aumenta linearmente con la sollecitazione di programmazione applicata.

L'utilizzo della reazione multistadio del tiolo acrilato rende molto più facile l'elaborazione e la sintesi degli LCE. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale per dimostrare che chiunque può esplorare questi affascinanti materiali con mesogeni e monomeri disponibili in commercio. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come creare i tuoi elastomeri a cristalli liquidi personalizzabili e programmarli per l'attuazione termica reversibile.

Grazie alla natura scalabile della reazione tiolico-acrilica, siamo in grado di creare caratteristiche su piccola scala in campioni di grandi dimensioni che hanno il potenziale per essere utilizzate in dispositivi biomedici. Una volta appreso, un grande lotto di campioni di elastomero a cristalli liquidi richiede circa un'ora per essere miscelato. Lasciamo che i nostri campioni si induriscano durante la notte, si asciughino il giorno successivo e poi sono pronti per i test, il che è più veloce di molte tecniche.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di avere gruppi acrilati in eccesso per consentire la reazione di fotopolimerizzazione del secondo stadio. Naturalmente, se si mantiene l'equilibrio stechiometrico tra gruppi acrilati e tiolici, è ancora possibile sintetizzare campioni di polidominio. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come la fotomodellazione al fine di personalizzare in modo speciale le proprietà meccaniche dell'elastomero e controllare la temperatura di transizione tra polidominio, monodominio e stato isotropo.

La tecnica ora apre le porte agli ingegneri delle scienze dei materiali di tutto il mondo e fornisce i mezzi per esplorare le proprietà meccaniche e ottiche degli LCE in modo piuttosto semplice. Non dimenticare che lavorare con solventi organici e monomeri è pericoloso e che quando si esegue questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni come indossare dispositivi di protezione individuale e lavorare in un ventilatore a cappa.