Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Bir iki-aşamalı Tiol akrilat reaksiyonu kullanılarak programlanabilir ana zincirli Sıvı kristal Elastomerler sentezi

Published: January 19, 2016 doi: 10.3791/53546
Automatic Translation
1, 1,2, 2, 1
1Department of Mechanical Engineering, University of Colorado Denver, 2Department of Ophthalmology, University of Colorado Denver

Summary

Bir yeni bir yöntem sentez ve programın ana zincirli sıvı kristalin elastomerleri, ticari olarak temin edilebilir başlangıç ​​monomerler kullanılarak sunulmuştur. Tahrik performansı programlama sırasında, tatbik edilen gerilim miktarına bağlı ise, termomekanik özelliklerin geniş bir yelpazede, çapraz bağlayıcı miktarının ayarlanması ile özel.

Abstract

Bu çalışma, bir hizalanmış monodomain ağ yapısı ve programlama üzerine kolay kontrolü ile ana-zincir sıvı kristalin elastomerleri hazırlamak için yeni bir iki aşamalı tiol akrilat Michael ilavesi-fotopolimerizasyon (TAMAP) reaksiyonu (LCEs) sunulur. Uyarlanmış LCE ağları başlangıç ​​maddeleri ile tedavisi için kalıplar içine monomer çözüm dökme ticari olarak temin rutin karıştırma kullanılarak sentezlenmiştir. Bir ilk polydomain LCE ağı kendini sınırlayan bir tiol-akrilat Michael-adisyon reaksiyonu vasıtasıyla oluşturulmaktadır. Gerilme-to-yetmezliği ve cam geçiş davranışları çapraz bağlama monomeri, pentaeritritol tetrakis (3-merkaptopropionat) (PETMP) 'in bir fonksiyonu olarak incelendi. 15 mol% 'si PETMP tiyol gruplarının bir örneği, non-stoikometrik sistemi ve 15 mol%' si akrilat gruplarında bir fazlalık malzemenin dayanıklı doğasını göstermek için kullanılmıştır. % 600 üzerinde maksimum hata soyu ile, gerilerek LCE bir hizalanmış ve şeffaf monodomain oluşturdu. Gerilmiş LCE numunelergergin ve yüksüz zaman sabit bir önyargı stres ya da şekil-hafıza etkisi altında tutulduğunda hem stres odaklı termal tahriki göstermek mümkün. Örnek gerilmiş bir durumda iken bir kalıcı olarak programlanabilir monodomain aşırı akrilat grupları bir ikinci aşama fotopolimerizasyon reaksiyonu vasıtasıyla elde edilmiştir. LCE örnekleri foto-tedavi ve yüksüz zaman tüm numuneler% 90 şekil sabitlik üzerinde gösteren ile,% 100,% 200,% 300 ve% 400 suşu programlanmış edildi. Toplam stressiz harekete büyüklüğü artan programlama suşu ile% 115% 35 yükselmiştir. Genel olarak, iki aşamalı TAMAP metodolojisi bu büyüleyici uyaranlara duyarlı malzemelerde yapı-özellik-performans ilişkileri ana zincir LCE sistemlerini hazırlamak ve keşfetmek için güçlü bir araç olarak sunulmuştur.

Introduction

LCEs sıvı kristalin (LC) için ve kauçuk elastikiyeti kombinasyonundan ötürü, mekanik ve optik işlevleri sergileme yeteneğine sahip olan uyarıcı yanıt veren polimer sınıfıdır. Bu malzemeler örneğin yapay kas gibi potansiyel teknolojik uygulamalar için bir çok için uygun kılmaktadır ısı veya ışık, 1-3, 4,5 bir uyarıya cevap olarak olağanüstü şekil değişiklikleri, yumuşak elastik davranışını ve ayarlanabilir optik özellikleri gösterebilir sensörler, 6 ve aktüatörler. 6,7 LCEs şimdiden robotik mikro-kıskaçlar, 8 mikro-elektromekanik sistemler (MEMS), 6,9 optik ızgara cihazlar, 10 ayarlanabilir açıklıklar, 6,11 ve mikroakışkan gibi birçok uygulamada ortaya konmuştur sistemleri. 12

Sipariş LC evreleri doğuran yapısal bileşenler mesogenler denir. Mezojen LC etki temelidir vetipik olarak, esnek uçları olan iki ya da üç doğrusal bağlanmış aromatik halkalardan oluşmaktadır. Bu parçaları direkt olarak ana zincir LCEs oluşturmak için polimer omurgasına içinde yerleştirilebilir veya bir yan grup olarak (yani, yan veya son on LCEs). 1,13 Ana zincir LCEs nedeniyle çok ilgi yarattı onların mezojenik düzen ve polimer omurgası konformasyonlarına arasında doğrudan bağlama. 4,14-17 Bu doğrudan bağlama ana zincir LCEs mezojen yönelim, mekanik anizotropi ve gerilme harekete yüksek derecelerde sergilemek için izin verir. 17

LCEs termal tahrik düzenine LC ile bağlantılı geri dönüşümlü bir anizotropik izotropik geçiş dayanır. 2 harekete geçirme için bir LCE programlamak için mezogenler önce monodomain (yani, anizotropik mezofaz) oluşturmak için bir direktör boyunca yönlendirilmiş olması ve çoğu zaman şu şekilde ifade edilir bir sıvı tek kristal elastomer. Bir hizalanmış LCE bir izotropik yukarıda ısıtılır olarak çalıştırılması oluşuyor izotropik devlet ve sürücüler şekil değişikliği içine mezojenler sırasını bozan takas sıcaklık (T i). Bir monodomain polimer zincirleri hizalamak ve stres yönünde mezojenleri yönlendirecek bir numune, (yani, bir ağırlık asılı) bir dış gerilim uygulanarak geçici oluşturulabilir. Monodomain Daimi programlama mezojenler yönünü uyarılması için mekanik stres hemen uygulanmasını takiben hafif çapraz bağlanmış jel üretilmesini içerir, çok aşamalı bir işlemde, ile elde edilebilir. Bir kez hizalanmış reaksiyon kurulan kovalent çapraz bağlar devam etmiş ve monodomain stabilize olduğunu 18 Diğer "tek pot" hizalama teknikleri elektrik alanların varlığında veya yüzey hizalama tarafından yapılabilir (yani, bir bardak slayt poliimid ovuşturarak) polimerizasyon sırasında.; Bununla birlikte, bu yöntemler, ince film numuneleri ile sınırlıdır. 1,16

ntent "> Finkelmann ve Bergmann tek-aşamalı bir divinil mezojen platin ile katalize Hidrosililasyon reaksiyonunu ve dört-fonksiyonlu siloksan çapraz bağlayıcı madde kullanılarak hazırlanması ana zincir LCEs ilk sentetik yol kişiye. 15 Bu yöntem geniş bir çok araştırma grubu tarafından adapte edilmiştir ana zincir LCEs sentezlenmesi. poliesterleştirme ve epoksi-esaslı reaksiyonlar da ana zincir LCEs yapmak için kullanılmıştır 17,19,20. 21, bu yöntemlerin tüm yan tepkimeleri önlemek için malzemeler ve dikkatli deneysel koşullar başlayan yüksek saflıkta gerektirir. Ayrıca, 1 bu yöntemler Bu nedenle, LCEs özelliklerine yapısını ilişkilendirmek için daha zordur. zayıf bir şekilde tanımlanmış ağ yapısı ile sonuçlanır monomerlerin tesadüfi olarak çapraz bağlanma işlemine dayanır. Son çalışmalar, daha düzgün LCE hazırlamak için bir araç olarak bir tıklama kimyası kullanılmış ağlar, ancak bu tepkiler zor olan olabilir, özel olarak sentezlenmiş mezojenik ve tiyol monomerleri başlayan gerektirirüretmek ve toplu örneklerinden ziyade mikron büyüklüğünde aktüatörler hazırlamak için sınırlı kalmıştır. 22-24

LCEs Güncel zorluklar programlanabilir monodomains ile özel LCE ağlarını tasarım, basit, tekrarlanabilir ve ölçeklenebilir sentetik yöntemler geliştirmek için nasıl odaklanmak. Nematik ana zincir LCEs hazırlamak için mezomorfik sistemlerde ilk kez en son, grubumuz iki aşamalı bir tiol-akrilat Michael ilavesi-fotopolimerizasyonu kişiye (TAMAP) yöntemi. 25 İki aşamalı TAMAP reaksiyonları, çift kür polimer ağları oluşturmak Polimerizasyon işleminin hazırlama iki farklı zaman noktalarında polimer yapısı değiştirilmesini sağlar. Bu strateji mikro-aktüatör, 26 şekil-hafıza polimerler, 27,28 ve yüzey kırışıklıkları gibi mezomorfik sistemleri dışındaki diğer gelişmiş malzemeler, tasarım ve imal son birkaç yıl içinde adapte edilmiştir. 29,30 TAMAP metodolojisi kullanan olmayan stoichiakrilat işlevsel grupların fazlası ile ometric bileşim. Birinci aşama tepkime kendini sınırlayan tiol grupları ile tiol Michael ilave reaksiyonu, üzeri polydomain LCEs oluşturmak için kullanılır. Bu mekanik stres uygulayarak mezojenik alan yönlendirme yeteneğine sahip olacak bir ara LCE ağıdır. Ilk aşama Michael ilave reaksiyonu sonucu polydomain belirsiz bir süre kararlı ve monodomain hizalanması Reaksiyon tamamlandıktan hemen sonra meydana gelmesi gerekmez. Aşırı akrilat grupları arasında ikinci aşama fotopolimerizasyon reaksiyonu kalıcı bir hizalanmış monodomain düzeltmek ve geri dönüşümlü ve stressiz (yani, "eller serbest") çalıştırma için LCE programlamak için kullanılır. Bu çalışmanın amacı keşfetmek ve LCE sistemlerinin thermomechanics üzerinde çapraz bağlanma yoğunluğu etkisini ve programlı gerginlik incelenerek ana zincir LCEs hazırlamak için TAMAP reaksiyonunun sağlam yapısını göstermektir.Biz termomekanik özellikleri ve elde Bu reaksiyonu kullanan harekete performanslı bir geniş olduğunu gösterir.

Protocol

Sıvı Kristal Elastomerler LCEs hazırlanması 1.

  1. Bir 30 ml'lik bir şişe içerisine [benzoiloksi 4- (3-acryloyloxypropypropyloxy)] 4-bis- -2-metilbenzen (RM257) 4 g ekleyin. RM257, bir di-akrilat mezojen ve bir toz olarak alınır. Sıcak bir plaka üzerinde 80 ° C'ye kadar, tolüen ve ısı (örneğin, 1.6 g) 40 ağırlık% 'sini ilave edilerek RM257 çözülür. Bu işlem tipik olarak bir çözelti içine RM257 çözmek için en az 5 dakika sürer.
    Not: Diğer çözücüler diklorometan (DCM), kloroform ve dimetilformamit gibi, RM257 çözülmesi için kullanılabilir; Michael ilaveli reaksiyonu tamamlanmadan önce DCM ve kloroform oda sıcaklığında hızla buharlaşması olabilir monomerler, reaksiyon sırasında hızla çözücü buharlaşması kalmadan oda sıcaklığında tedavi sağlar, çünkü ancak, toluen seçildi. Dimetilformamid ısıtma derhal RM257 çözülür ancak bir çözücü (~ 150 ° C) çıkarmak için çok yüksek sıcaklıklar olabilir. Kamal ve Park DCM bir arada kullanılmışve bir sıvı kristal CB5, RM257 eritin. 31
  2. Oda sıcaklığına kadar çözelti soğutulur. Pentaeritritol tetrakis (3-merkaptopropionat) (PETMP), tetra-fonksiyonlu tiol Çapraz bağlı monomerin 0,217 g ve 2,2- (etilendioksi) diethanethiol arasında 0,9157 g (EDDET), bir di-tiol monomer ekleyin. PETMP ve EDDET arasındaki tiol fonksiyonel grupların mol oranı 15:85 olan. Bu oran çalışma boyunca 15 mol olarak% PETMP sevk edilecektir.
    Not: RM257 Bu işlem sırasında kristalleşen ise, geçici olarak çözüme monomer dönene kadar 80 ° C sıcak plaka üzerine geri şişe yerleştirin. Bir sonraki adımlara geçmeden önce oda sıcaklığına kadar çözüm soğutun.
  3. Çözelti içine (2-hidroksietoksi) -2-methylpropiophenone (HHMP) arasında 0,0257 g çözündürülür. HHMP ikinci aşama fotopolimerizasyon reaksiyonunu sağlamak için kullanılan bir foto-tetikleyici olduğunu. Ikinci aşama tepkime kullanılmayacak Bu adım atlanabilir.
  4. Dipropilaminin seyrelterek bir katalizörün ayrı çözeltisi hazırlayın1:50 oranında toluen ile (DPA). Monomer çözeltisine seyreltilmiş katalizör çözeltisi 0.568 g eklenir ve bir girdap şeklinde karıştırıcı üzerinde şiddetlice karıştırılır. Bu tiyol işlevsel gruplarına göre 1 mol katalizör,% gelir.
    Not: çözeltiye, örneğin DPA olarak seyreltilmemiş bir katalizör ekleme olasılıkla aşırı derecede hızlı, lokalize bir polimerizasyon neden olur ve bir sonraki adımda ayrıntılı istenilen kalıba polimer çözeltisinin manipülasyon önleyecektir.
  5. Karıştırma kaynaklanan hava kabarcıklarını çıkarmak için 508 mmHg 1 dakika boyunca bir vakum odasına monomer çözeltisi yerleştirin. Karıştırıldıktan sonra bu adımı hemen gerçekleştirin.
  6. Hemen istenilen kalıba çözüm aktarmak ya da iki cam slaytlar arasındaki çözüm enjekte. Kalıplar HDPE imal edilmelidir. Michael-adisyon reaksiyonu, oksijen inhibisyonuna nispeten hassas olarak kalıplar kapalı olması gerekmez.
  7. Reaksiyon, oda sıcaklığında en az 12 saat süreyle devam etmesine izin verir. Çözelti ağırlık jelleşmeye başlarİlk 30 dakika IŞIN.
  8. Talep 80 ° C'de bir vakum odası içinde numune ve 24 saat boyunca 508 mm Hg toluen buharlaştırmak için. Tamamlandığında, örnekler oda sıcaklığında bir parlak beyaz ve opak bir görünüme sahip olmalıdır.
  9. Sırasıyla 0,: 25:75 50:50 ve 100 oranları ile adım 1.2 tetra-fonksiyonel di-fonksiyonel tiyol monomerlerin oranı uyarlamak için işlemi tekrarlayın. Bu çalışma için kullanılan kimyasal formülasyonlar ayrıntılı tablosu Tablo 1 'de gösterilmiştir.

Gerçek zamanlı Fourier Dönüşümü Kızılötesi İki aşamalı Reaksiyon Kinetiği Çalışması 2.

  1. Bir MCT / B dedektörü ve XT-KBr ışın ayırıcı ile bir spektrometre donatın.
  2. Fonksiyonel gruplar ve ışık başlatan ağırlıkça% 0.5 tiyol ile ilgili olarak katalizör 0,5 mol olarak% LCE bölümünün Preparasyon yukarıda belirtilen protokol kullanılarak bir karışım hazırlayın. İki başlatma ayrı ayrı test edildi, 2-2-dimetoksi-2-fenilasetofenon (DMPA) ve HHMP. DMPA daha yaygın olarak kullanılan initiator, HHMP yüksek sıcaklıklarda daha kararlı olduğu görülmektedir.
  3. Hemen bir cam pipet ile karıştırıldıktan sonra NaCl kristalleri arasında LCE karışımının bir damla yerleştirin.
  4. Bir 2.92 sn örnekleme aralığı hızında rekor spektrumları.
  5. 2571 cm SH emme zirve ile bir tepe yüksekliği profili kullanılarak tiyol gruplarının dönüşümünü izlemek -1 2614 bir başlangıca - 2527 cm -1.
  6. 810 cm C = C emme zirve ile bir tepe yüksekliği profili kullanarak akrilat gruplarının dönüşümünü izlemek -1 829 bir başlangıca - 781 cm -1.
  7. Reaksiyon tiyol gruplarının% 100 dönüşüm gösteren, tiol tepe yükseklik düzleşene kadar oda sıcaklığında FTIR altında devam izin verin.
  8. Tiyol grubunun tam dönüşüm üzerine, bir radyometre fotometresi ile ölçülebilir 350 mW / cm2 yoğunlukta, fazla akrilatların polimerizasyonun tamamlanacağı şekilde 10 dakika için bir ışık kılavuz ile donatılmış bir 365-nm ışık kaynağı açın.
  9. 2.6 de tarif edildiği gibi akrilat gruplarının dönüşümü izler.

3. Dinamik Mekanik Analiz (DMA)

  1. Hidrofobik yüzey maddesi ile slaytlar yüzeylerinin püskürtme ve kuru kadar kağıt havlu ile yüzeyleri sürtünme yoluyla iki cam slaytlar hazırlayın.
  2. Yığın onlar 1 mm ayırıcı ile ayrılmış şekilde bir araya slaytlar. Paspayı puanlama tarafından kesilebilir ve ayrı bir cam slayt kırarak yaklaşık 25.4 mm x 5 mm x 1 mm ölçmek için. Kelepçe birlikte her bir ucunda bir bağlayıcı klibi kullanarak slaytlar.
  3. Cam bir pipet kullanarak slaytlar arasındaki monomer çözüm enjekte edilir. Hazırlanan bu monomer çözeltisinin yaklaşık 1.5 g gerektirir.
  4. Numune 1,7 adıma göre en az 12 saat boyunca kurumaya bırakınız. Cam slaytlar ayırın ve 1.8 Adım göre numune kurutun.
  5. Bir traş makinesi bıçak ya da makas kullanarak, 30 x 10 x 1 mm 3 boyutlarında dikdörtgen deney numuneleri kesti.
  6. Örnek pervane yükleDMA makinenin içine Erly. 10 15 mm boyutlarındaki aktif uzunluğu ile, çekme modunda örnek test edin. Kulpları sıkarken 0.1 Nm genellikle çok fazla tork gibi, test numunesi üzerinde kulpları fazla sıkmamaya özen gösterin.
  7. Döngü 3 ° C / dk'lık bir ısıtma hızında 120 ° C -50 ° C ila 1 Hz% 0.2 gerginlik numune. % 125 kuvvet parça ayarlayın.
  8. Tan ∂ eğrinin tepe noktasında bir cam geçiş sıcaklığına (T g) ölçün.
  9. Izotropik geçiş sıcaklığına (T i) ve depolama modülü eğrisinin en düşük noktasına ölçün.
  10. I ° C'yi +30 T lastik modülü, E 'r, ölçün.

4. Gerilme-to-başarısızlık Testleri

  1. 1 mm derinlikte freze ASTM Tip V köpek kemiği boşluklarında tarafından HDPE kalıp hazırlayın.
  2. Monomer çözeltisi hizaya gelene kadar bir cam pipet kullanarak, her köpek kemiği boşluğu doldurmakkalıbın üst. Numuneler Adımlar 1.7 ve 1.8 göre tedavi ve kurumaya bırakın.
  3. Değişen PETMP çapraz bağlayıcı 15 konsantrasyonları, 25, 50 ve 100 mol% 'si ile formüle LCE örnekleri 5 gerilme örnekleri hazırlayın.
  4. Numunenin ölçü uzunluğu içinde ayrı 7 mm yansıtıcı lazer bant 5 iki adet ayarlayın.
  5. Bir lazer ekstansometre, termal odasına sahip mekanik bir test haline örnek yükleyin ve 500 N yük hücresi. Numuneler, yüksek gerilme değerlerinde kama kulpları yerinden gibi, örnekler güvenli kendini sıkma kulpları kullanın. Uygulanan gerilmenin fonksiyonu olarak uzunluğu hassas bir değişiklik izlemek için uygun bir şekilde, lazer ekstansometrenin hizalayın.
  6. Başarısızlık kadar 0,2 mm / sn deplasman oranı ile oda sıcaklığında numune süzün. Numunenin kırılma başarısızlık tanımlayın.
  7. Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak şekil değiştirme ve buna bağlı kırılganlık testleri için 15 mol% 'si PETMP çapraz bağlama maddesinin ilave test numuneleri. Test numuneleri -40, -30, -20, -10, 0, 10, 22, 40, 60 ve 80 ° C. Testten önce 10 dakika boyunca istenen test ısısında izotermal olarak, tüm numuneler tutun.

5. Şekil Sabitlik ve Aktivasyon Testleri

  1. Ölçer 25 mm uzunluğunda, 1 mm x 5 mm enine kesit alanına sahip, bir HDPE özel köpek kemiği kalıp hazırlayın.
  2. Merdivenleri 1.5 1.1 göre% 15 mol PETMP monomer çözeltisi hazırlayın.
  3. Monomer çözeltisi kalıbın ile aynı hizaya gelene kadar, bir cam pipet kullanılarak, herbir kalıp boşluğunu doldurmak.
  4. Numuneler Adımlar 1.7 ve 1.8 göre tedavi ve kurumaya bırakın.
  5. Ayrı numunenin Gage uzunluğu içerisindeki yansıtıcı lazer bant 5-7 mm iki adet ayarlayın. Adım 4.5 göre örnek yükleyin. Kalıcı bir kalem kullanılarak, yansıtıcı bant her parçasının diğer tarafında bir nokta işaretleyin. Noktalar arasındaki uzunluk kaydedin.
  6. % 100,% 200,% 300 veya% 400 suşuna 0,2 mm / sn bir yer değiştirme hızı ile oda sıcaklığında numune süzün.
  7. Th korurkene istenilen gerilme düzeyi, bir yoğunlukta bir 365 nm UV ışık kaynağına maruz örneği ~ UV Lambası örneğinden yaklaşık 150 mm tutarak 10 dakika boyunca 10 mW / cm2.
  8. Numuneyi boşaltın ve sonra tahriki ikna etmek için, T i yukarıda ısıtın. Numune oda sıcaklığına geri soğumaya ve noktalar arasındaki uzunluk kaydetmek için izin verin.
  9. Aşağıdaki denklem kullanılarak sabitliği hesaplayın:
    Denklem 1
    ε önce gerginlik programlanmasıdır uygulanan burada foto-çapraz bağlama (lazer ekstensometre ile ölçülen) ve sabit ε sonra esas suşu miktarı foto-çapraz bağlama (nokta değiştirme değişikliği ile ölçülür).
  10. Programlanan numunenin merkez kısmından 30 mm uzunlukta bir örnek kesin.
  11. DMA test içine düzgün bir örneği yükleyin. 13 ila 15 mm ölçüm aktif uzunluğu ile, çekme modunda örneği test edin. Th over-sıkın değil emin olunTest kupon e kulpları.
  12. 0 N'luk bir ön yük altında 120 ° C'de örnek dengeye 3 ° C / dk bir oranda 120 -25 ° C arasında örnek soğutun. Tüm test için 0 N öncesi kuvvet koruyun.

Representative Results

Bu çalışmada, iki aşamalı TAMAP Reaksiyon tedavi kinetiği gerçek zamanlı FTIR ile araştırılmıştır. Zamanın bir fonksiyonu olarak tiyol ve akrilat grupları dönüştürülmesi üzerine bir FTIR serisi çalışması yakalamak için iki reaksiyon aşamaları uygulanmıştır ve normalize edilen sonuçlar, Şekil 2A'da gösterilmektedir. Birinci aşama tiol akrilat Michael-adisyon reaksiyonu bir çapraz bağlanmış polimer ağı oluşumu ile katalizör ve sonuçları gibi DPA kullanılarak baz katalizi ile başlatılmıştır. Akrilat grupları aynı koşullar altında% 78 dönüşüm% 70 arasında elde ederken, bu ilk Reaksiyonun sonunda, tiol fonksiyonel grupların, ortam koşullarında (~ 22 ° C) altında 5 saat içinde% 100 dönüşüm yakın elde eder. Tiol akrilat Michael ilave reaksiyonu kendi kendini sınırlayan doğada ve f nispi oranlan göre, basit bir şekilde, bir aşamalı büyüme, çapraz bağlanmış ve sabit bir ağ oluşturabilir 'tık'işlevsel grupları mevcut. Daha sonra, ikinci aşama fotopolimerizasyon Reaksiyon UV radyasyona maruz bırakılarak yoluyla başlatılmıştır ve ağ içinde mevcut olan geri kalan reaksiyona girmemiş akrilat grupları% 100 yakın son akrilat işlevsel grup dönüşüm elde etmek için daha da çapraz bağlanmış idi. İki ışık başlatanlar HHMP ve DMPA ve reaksiyon kinetiği polimer ağları içinde çalışıldı ve her ikisi de verimli bir ikinci kademe polimerizasyonu sonunda çapraz akrilat ağları oluşturmak için görüldü. Maruz yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak akrilat gruplarının dönüşümü de incelenmiştir ve ilişkili olduğu görülmüştür. Genel olarak, bu tür ışık başlatanların ve maruz kalma süreleri gibi bir dizi değişkenin farklı şekillerde olabilir ancak, etkin bir şekilde daha UV nispeten düşük seviyeleri ile, 10 dakika içinde, ikinci aşamasının sonunda akrilatların yüksek nihai dönüşüm elde etmek için mümkün olduğu görülmüştür yoğunluğu (~ 10-25 mW / 350 mW / cm2 ile karşılaştırıldığında cm2). Şekil 2B 3 farklı zaman noktalarında, 0, 300 ve 320 dakikada iki aşamalı reaksiyon FTIR absorbans spektrumlarını göstermektedir. 0 zamanında da, başlangıç ​​spektrumlan onların reaksiyona girmemiş halde tiyol ve akrilat hem işlevsel grupların varlığı yakalar. 300 dakikalık bir zaman noktasında, ilk aşama tiol Michael ilave reaksiyonu sonunda, tiol ve akrilat pik yükseklikleri bu şekilde tamamlanması için ilerlemiştir tiyol ve akrilat işlevsel gruplar arasındaki reaksiyonu ima önemli ölçüde azaltmak için görülür. Akrilatlar% 78'e kadar tüketilmesi görülürler tiol pik bu noktada,% 100 dönüşümde yakın olduğu ölçülmüştür. Tiol zirve tamamen yok olması görünür ve 2571 cm-1 de tepe noktasıyla üst üste tiol görülmektedir birinci aşama reaksiyonundan tiol-Michael katılma ürününün varlığı gibi, büyük olasılıkla, gözlenmez. UV ışınlarına maruz aracılığıyla başlatılan ikinci aşama fotopolimerizasyon reaksiyon sonunda, 320 dk noktada, akrilat ko atnSürüm ağı içinde akrilik çift bağlar, kalan% 100 dönüşüm ima tamamlanmasına görülmektedir. 32

İki aşamalı TAMAP metodolojisi LCEs yapı-özellik ilişkileri keşfetmek için kolay kontrol sağlar. Gerilme-deformasyon davranışı üzerindeki çapraz bağlama yoğunluğunun etkisi Şekil 3A'da gösterilmiştir. Modülü ve kırılma stresi yetmezliği streyn PETMP içerik (Şekil 3B) azaldıkça artış, artan PETMP içeriği ile artırdığı gösterilmiştir. 50 ve 100 mol% PETMP ile LCE örnekleri stres platosu nedeniyle zincir hizalama stres keskin artışın ardından ilk elastik yükleme gösterdi. Buna karşılık, 15 ve 25 mol% 'si PETMP olan numunelerin, zincir hizalama oluşumu söz ardından daha geleneksel elastomerik yükleme göstermek için ortaya çıktı. Test edilen tüm örnekler zaman stret şeffaflığı temizlemek için beyaz donukluk bir geçiş gösterdiched (Şekil 3E). Tüm örneklerin kırığı sonrası kalıcı gerginlik büyük bir derecede muhafaza ve oda sıcaklığında orijinal şekline geri vermedi unutulmamalıdır; Ancak, tüm örneklerin görsel T i yukarıda ısıtma üzerine orijinal şekline kurtarıldı. Yetmezliği suşu sıcaklığın etkisi, daha sonra 15 mol% 'si PETMP bileşim (Şekil 3C) araştırılmıştır. Camsı halde, LCE örnekleri kayda değer deformasyon ile kırılgan başarısızlık sergiledi. Cam geçiş başlangıcında, başarısızlık zorlanma önemli ölçüde artmıştır ve DMA tarafından tan δ fonksiyonu tedbirin genel şeklini izledi. Yetmezliği suşu 10 ° C'de% 650 suşunun bir maksimuma ulaşmıştır. Dört LCE şebeke sistemleri için Örnek cam geçiş davranışları Şekil 3D'de gösterilmektedir. LCE ağlarının tüm depolama modülü ve tan δ eğrileri hem geleneksel olmayan davranış sergiledi. Bir depolama modüllerill LCE ağları kabaca T i ile ilişkili ayrı bir minimum görüntülenir. Açık kahve renkli δ fonksiyonlar örnek izotropik duruma ısıtılmış (a temsili eğri Şekil 3C'de görülebilir) azalmış yükseltilmiş bir bölge ile birlikte bir başlangıç ​​zirve tarafından temsil edilmiştir. Dört LCE sistemleri test için, her iki T g ve lastik modüllerinin artan çapraz bağlanma yoğunluğu ile artmaktadır. Dört LCE sistemlerinin termo-mekanik özelliklerinin bir özeti Tablo 2'de görülebilir.

LCEs şekil-hafıza etkisi ve geri dönüşümlü çalıştırılmasını (Şekil 4) hem de göstermek için yeteneği sunar. 15 mol% 'si PETMP bir hizalanmamış polydomain numune malzemesi (Şekil 4A), programlanabilir, farklı şekil değiştirme yolları göstermek için kullanılmıştır. Tersinir stres tahrikli harekete geçirme iblisler olduğunuŞekil 4A-M.Ö. yolun tarafından trated. Polydomain örnek sabit bir stres uygulamak için 60.6 mN ağırlığını asarak gerilir. Bu önyargı stres mekanik şeffaf monodomain içine mezojenleri yönlendirir. I T altına soğuduğunda izotropik duruma ısıtılmış ve uzar numune sözleşmeleri. Bu süreç sonsuz kez tekrar edilebilir. I 18 ° C T g üstünde hala 22 ° C, T altına kadar soğutulması ile bias stres numune çıkarıldı şekil-hafıza kaybı sergilendi. Bazı geri çekilme esnekliğinin görülürken, suşunun bir kısmı malzemenin programlanmış kaldı. Bu mezogenler stabil monodomain yönlenmede kaldı ve kelepçe bağlı numunenin serbest ucu olan optik özellikler gözle görülür bir fark olduğunu belirtmek gerekir (yani, kavranan bölümü parlak beyaz kalmıştır). Isıtma inciT, yukarıda e örnek i şekil hafızalı döngüsü Şekil 4A-BDE ettiği yolu izlediği düşünülmektedir gösteren tam şekli iyileşme aktif. ikinci aşama fotopolimerizasyon Reaksiyon sabit bir öngerilim stres ya da gerek kalmadan stressiz husule için kullanılabilir döngüleri arasındaki programlama aşaması. Geçici hizalanmış örnek fotoğraf sertleşen 10 dakika (Şekil 4F) için ~ 10 mW / cm 2 365 nm ışık kullanılarak oldu. Nedeniyle reaksiyona girmemiş akrilat gruplarının (Şekil 4G) aşan arasındaki kovalent çapraz bağların kurulmasına kaldırıldı zaman örnek minimal elastik geri tepme yaşadı. Stressiz kumanda sonra ben Şekil 4G-H ters çevrilebilir yolu kullanan T hakkında sıcaklığını kontrol ederek aktive edildi; Bununla birlikte, numune, numunenin başlangıç ​​şekline geri tam iyileşme karşılaşmaz dikkat edilmelidir.

sırasında, yani, gerilme), uygulanan bir programlama soyunun etkisi Şekil 5A'da gösterilmiştir. Tüm örnekler gösterdi fixity daha yüksek% 90 değer verir. Programlama gerginlik miktarı belirgin bu çalışmada test suşu aralığı için fixity değerlerini etkilememiştir. Tersine, çalıştırma zorlanma programlama gerginlik miktarı ile doğrusal olarak artmıştır. Ortalama olarak, çalıştırma zorlanma programlama gerilme değerinin yaklaşık% 30 karşılık geldi. Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak çalıştırılmasını gösteren Örnek eğrileri Şekil 5B'de görülebilir. Şekil 4B'de gösterildiği davranışı -25 ve 120 ° C arasında gözlenmiş iken, Şekil 5A'da harekete streyn değerleri RT arasındaki ölçümlerde uygun 22 ° C, ve 90 ° C'de not edilmelidir. Bu genişletilmiş sıcaklık aralığı nedeniyle birsize ilave çalıştırma zorlanma gerçekleştirilecek:% 80,% 102,% 125 ve% 100,% 200,% 300 programlanmış numuneler için 207% harekete zorlanma ve% 400 zorlanma, sırasıyla.

figür 1
. Bir İki Aşamalı Tiol-Akrilat reaksiyon yoluyla Şekil 1 şematik Monodomain Programlama (A) bir diakrilat mezojen (1,4-bis- [4- (3-acryloyloxypropyloxy) benzoiloksi] -2-metilbenzen - RM 257), ditiyol Esnek ayırıcı (2,20- (etilendioksi) diethanethiol - EDDET) ve tetra-fonksiyonel tiyol çapraz bağlayıcı madde (pentaeritritol tetrakis (3-merkaptopropionat) - PETMP) ticari olarak temin edilebilir monomerler olarak seçilmiştir. Sigara ekimolar monomer çözeltiler% 15 mol akrilat işlevsel grupların fazlası ile hazırlanmış ve bir Michael ekleme reaksiyonu ile reaksiyona girmesine izin verilmiştir. Dipropil amin (DPA) ve (2-hidroksietoksi) -2-methylpropiophenone (HHMP) ad olduğuçözümleri için ilgili katalizör ve fotoğraf başlatıcı olarak ded. (B) tek tip bir çapraz bağ yoğunluğu ve latent fazla akrilat fonksiyonel gruplar ile Michael ilave (ilk aşama) ile Örnek polydomain yapı oluşur. (C) bir mekanik stresin geçici monodomain halinde mezojenleri yönlendirmek için polydomain örneklere uygulanır. (D) Bir fotopolimerizasyon reaksiyonu (ikinci aşama) örnek monodomain stabilize, aşırı akrilat grupları arasında çapraz bağlantılar kurmak için kullanılır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 2,
Şekil 2. Gerçek Zamanlı FTIR ile Michael ilave reaksiyonuna kinetiği Çalışması (A). Örnek, iki aşamalı tDMPA foto başlatıcı kullanılarak zamanın bir fonksiyonu olarak dönüşüm gösteren hiol-akrilat reaksiyon kinetiği. Akrilat gruplarının% 22 reaksiyona girmemiş ise birinci aşamanın sonunda, tiol grupları,% 100 dönüşümde yakınındaki ulaşmıştır. İkinci aşamanın sonunda, reaksiyona girmeyen akrilatlar,% 100 dönüşüm ulaşmıştır. (B), 300 dk ilk aşamanın tamamlanmasıyla, 0 zamanında kür önce tiyol ve akrilat dönüşüm gösteren FTIR spektrumları absorbans ve 320 dakika ikinci aşamanın tamamlanmasından sonra. Bu rakamın büyük halini görmek için tıklayınız .

Şekil 3,
TAMAP LCE Sistemleri Şekil 3. Thermomechanics. (A)% 15 mol aşırı akrilat ve değişen dört LCE sistemlerinin Temsilcisi gerilme-to-başarısızlık eğrileriPETMP çapraz bağlayıcı miktarı. PETMP çapraz bağlayıcı bir fonksiyonu olarak (B) Başarısızlık streyn. (C) 15 mol% 'si PETMP bir LCE sisteminin arıza suşu sıcaklığın etkisi. Başarısızlık zorlanma DMA ile ölçülen malzemenin tan ∂ fonksiyonu yanında karşılaştırılır. (D) Test edilen dört LCE sistemlerinin temsili cam geçiş davranışları. Denenmemiş numuneye kıyasla% 15 mol PETMP ile gerilmiş LCE numunenin (E) görüntüsü. (B) ve (C) Hata çubukları standart sapmayı temsil etmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4. Şekil-Switching bir LCE içinde Pathways. Bu şematik birkaç di temsilMevcut fferent yollar LCEs şekil geçişi sağlamak için. 15 mol% 'si PETMP bir özel köpek kemiği örneği (A)' nın bir başlangıç ​​şekline Bu tasvirde kullanılır. Tersinir stres tahrikli harekete geçirme T hakkında sıcaklığını ayarlayarak (BC) arasında gerçekleştirilen i sabit önyargı kuvveti (60.6 mN) altında iken; şekil-hafıza etkisi (abde) programlama ve kurtarma döngüsünü takip ederek elde edilir; ve stressiz tahrik kalıcı monodomain basamağında örnek (F) programlanmış sonra (GH) arasındaki, termal olarak aktive edilebilir. Efsane polydomain, monodomain içinde mezojen yönünü ve izotropik durumlarını gösterir. T <T i ve T> T i görüntüleri 22 ° C'de alındı ​​ve 90 ° C, sırasıyla. TıklayınızBurada bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için.

Şekil 5,
Programlanmış-Monodomain LCE Sistemleri Şekil 5. Termomekanik Yanıt: (A) sabitliği Şekil sürekli hizalama monodomain verimliliğini temsil eder ve örnekleri, tüm% 90 üzerinde sabitliği göstermektedir. Harekete büyüklüğü sıcak bir plaka üzerinde 22 ve 90 ° C arasında tutulmaktadır. Hata çubukları, standart sapmayı temsil ederler. (B) 120 ° C, uygulamalı programlama gerginlik artan çalıştırma artış -25 DMA üzerinde ölçülen harekete büyüklüğü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Isim RM 257 (g) Toluen (g) PETMP (g) EDDET (g) HHMP (g) DPA (g) *
15 mol% 'si PETMP 4,0 1.6 0,2166 0,9157 0,0272 0,5681
25 mol% 'si PETMP 4,0 1.6 0,3610 0,8080 0,0272 0,5681
50 mol% 'si PETMP 4,0 1.6 0,7219 0,5386 0,0272 0,5681
100 mol% 'si PETMP 4,0 1.6 1,4438 0.0000 0,0272 0,5681
* DPA 1:50 oranında toluen içinde seyreltilir.

Tablo 1. LCE Sistemleri Kimyasal formülasyonlar. Bu çalışmada kullanılan dört farklı LCE sistemleri. Adlandırma PETMP ve EDDET arasındaki tiol fonksiyonel grupların mol oranı dayanır. Bütün sistemler 15 mol% 'si, akrilat fonksiyonel grupların fazlalığı vardır. Bu, belirtilen FTIR çalışmaları tetikleyiciler olarak, HHMP olarak DMPA test edilmiş ve kinetik karakterizasyonu ile yardımcı olmak için yarı yarıya miktarı DPA katalizör azaltılmalıdır. * DPA 1:50 oranında toluen içinde seyreltilir.

Isim Tonset (° C) Tg (° C) Ti (° C) E 'R (MPa)
15 mol% 'si PETMP -6 ± 2 3 ± 1 62 ± 3 0.18 ± 0.01
0 ° ± 2 7 ± 1 76 ± 2 0.47 ± 0.05
50 mol% 'si PETMP 8 ± 2 16 ± 2 78 ± 1 0.78 ± 0.13
100 mol% 'si PETMP 15 ± 1 27 ± 1 64 ± 3 1.90 ± 0.13

LCE Systems termomekanik Özellikleri Tablo 2. Özeti. Dinamik Mekanik Analiz (DMA) testi ilk aşama Michael-adisyon reaksiyonu yoluyla oluşturulan başlangıç ​​polydomain LCE ağlarının termomekanik özelliklerini göstermektedir. Ti ve E 'r Her iki sıcaklık eğrisine karşı depolama modülüne en alçak noktasına ölçüldü.

Discussion

Ana zincir LCEs aktüatör ve sensörlerden gelen yapay kaslara kadar birçok potansiyel uygulamalar araştırılmıştır. Ne yazık ki, sentez ve monodomain hizalama tamamen gerçekleşmektedir bu uygulamaların birçok engel önemli sorunlar olmaya devam etmektedir. 11 Son çalışmalar gibi yeniden programı için hizalanmış monodomain birden çok kez muktedir değiştirilebilir çapraz bağlar kullanmak gibi bu zorlukları, üstesinden gelmek için yeni yöntemler araştırdı . Bu çalışmanın amacı, 33 LCE sentezine nispeten keşfedilmemiş bir yaklaşım sunmaktayız ve iki aşamalı bir TAMAP reaksiyonu kullanılarak programlama monodomain amaçlanmıştır. Birinci aşama tepkime bir amin katalizörü kullanılarak bir tiyol-akrilat Michael ilave göre bir "klik" reaksiyonudur. Bu reaksiyonda doğası gereği, tiol-akrilat Michael ilave reaksiyonu tam dönüşüm, bir katalizör (Şekil 2) ve DPA kullanılarak oda sıcaklığında 5 saat içinde gerçekleştirilmiştir. Bu olduğunu not etmek önemlidirarıtılmadan piyasada mevcut malzemeler ile elde ve nispeten basit bir "pour mix-ve-" yöntemini kullanarak. Fonksiyonel grupları tiyol ile ilgili DPA 0,5 mol% 'si kalıba monomer çözeltisi aktarılması sağlayan polimerizasyon oranı üzerinden verdi kontrolü için bu çalışmada seçilmiştir. Michael ilave polimerizasyon oranı sadece katalizör konsantrasyonu adanmış dikkat etmek çok önemlidir. Yüksek katalizör konsantrasyonu sonuçları çok düşük katalizör konsantrasyonu yüksek monomer dönüşüm ile anında jelleşme genellikle yavaş dönüşüm ve yüksek dönüşüm da zamanın bir fonksiyonu olarak elde edilemez kat sağlar. Sonuç olarak, Polimerizasyon hızı katalizör konsantrasyonu ile ayarlanabilir. Bu yöntem sunduğu avantajlar 34 biri elde edilen ara polydomain LCE ağı ikinci aşama tepkime süresiz gecikebilir şekilde, düzgün ve sabit olmasıdır. Bu sentez etkinleştirebilir veprogramlama adımları ayrı ayrı laboratuarlarda yapılacak. Ayrıca, ikinci aşama tepkime foto-çapraz bağlanma üzerine yerleşim-zaman kontrolünü sağlamak için standart fotolitografi teknikleri ile akuple edilebilir. 25 deneysel numunelerin hazırlanması için, HHMP görünür ışığın mevcut bulunan ve en nedeniyle istikrarlı bir foto-başlatıcı olarak kullanıldı numuneler için izin yüksek sıcaklıklarda, termal olarak stres tahrikli harekete geçirme veya başlatıcı tetiklemeden şekil hafızalı etki için devirli olması. Ayrı bir foto-başlatıcı, bu yöntem bir potansiyele sahip ikinci aşama reaksiyonunu yürütmek için serbest radikal başlatıcıların çeşitli kullanılacak olan göstermektedir yardımcı Bu çalışmanın FTIR bölümü için kullanılmıştır.

TAMAP sunulan metodoloji ilk polydomain LCE ağının yapısı üzerinde uyduruk kontrol sunuyor. Sentezlenmiş dört LCE ağları değiştirilerek elde termomekanik özelliklerin geniş göstermekPETMP çapraz bağlama maddesi ve EDDET ara parçası arasındaki oranı. Tg ve lastik modülü (E r) PETMP konsantrasyonu artan ile artarken Arıza soyu, PETMP konsantrasyonunda arttıkça azalmıştır. PETMP konsantrasyonundaki bir artış ağların çapraz bağlanma yoğunluğunu arttırır ve ağ içindeki zincir hareketliliği sınırlanacağı Bu davranış anlatılmıştır. Diğer amorf şekil hafızalı polimer (SMP) şebekelerinde gösterildiği gibi gerilme-to-başarısızlık davranışı lastik modülü ve başarısızlık gerginlik arasındaki içsel ters bir ilişki izler. Yüksek başarısızlık suşları ile 35 LCE sistemleri vardır genellikle daha arzu, daha yüksek bir uyum için izin verdiği Daha büyük bir programlama suşları ile monodomain arasında. T g yakınında gergin olduğunda tan ∂ zirve ile ölçülen bizim% 15 mol PETMP sisteminin başarısızlığı zorlanma, maksimize edildi. Bu büyük zıplama gösterdi önceki çalışmalarla ile iyi bir anlaşma daamorf SMP ağlarında m gerilme cam geçiş ve T g başlangıcı arasında meydana gelen T g üstünde ısıtıldığında çoğu elastomerler gösterildiği gibi 35,36, ancak LCE örnekleri, başarısızlık gerginlik hızlı bir düşüş yaşamadı 37 Bu yapamam. T g ve T arasında var olan yüksek tan ∂ bölgeye bağlanabilir i (yani, nematik faz). Önceki grupları incelenmiş ve nematik LCE ağlarında eşsiz tan ∂ zarar davranışı doğrulandı. 38,39 Bu kayıp davranış atfedilir nematik aşamasında yumuşak esneklik, mezojenler anizotropik şekli stresi bir artış yaşamadan dönme tarafından suşları ağırlayacak şekilde.

LCEs nedeniyle uyaranlara duyarlı şekil değiştiren yetenekleri bilimsel çok ilgi yarattı. 40 (Şekil 4b-c) programlamak için bir sabit stres altında gergin halinde> Polydomain LCE örnekleri döner stres kaynaklı ısı tahriki göstermek için programlanabilir; Bununla birlikte, şekil-bellekli etkisi LCE ağlarında elde edilebilir. Bu çalışmada, 19,41, TAMAP sentezlenen LCE örnekleri suşun belirgin bir miktarda olsa numune içinde depolanan kaldı ki oda sıcaklığında şekil belleği için programlanmış olabilir Örnek T g üstünde oldu. Stres ücretsiz ya da "eller serbest" çalıştırılmasını etkinleştirmek için, ikinci aşama fotopolimerizasyon reaksiyon gerilmiş LCE örneklerinde daimi hizalanmış monodomain programlamak için kullanılabilir. Ikinci aşama tepkimenin verimi streç artan bir fonksiyonu olarak sabitliği ölçülmesiyle incelenebilmektedir. Bu fixity Bu çalışmada, SMP ağlarının programlama. 42 değerlendirmek için yaygın olarak kullanılan bir ölçümdür olduğuna dikkat edilmelidir, örnekler stra farklı düzeylerde programlı edildi(yani, 100%, 200%, 300%, 400%) ve% 90 mükemmellik sabitliği göstermektedir. Bizim sonuçlarımız programlama suşu ile ölçekli termik harekete büyüklüğü mekanik harekete geçirilmesini artan düzen parametresi bir artış bağlantı önceki sonuçlarla iyi bir uyum içinde olduğunu göstermiştir. Örneğin 43, LCE örnekleri fotoğraf tedavi% 400 suşu ortalama üzerinde gösterdi ki % 115 harekete Isıtıldığında 22 ila 90 ° C'de ve 207% çalıştırılmasını soğutulduğunda ısıtılır ve -25 ile 120 ° C arasında soğutuldu. Diğer LCE çalışmalara göre, Ahır ve ark., 44 LC polimer lifleri ve% 400 çalıştırılmasını rapor Yang ve ark., 22 mikro LCE ayağı 400% çalıştırılmasına 300% bildirmiştir. Bu çalışmada genellikle izotropik Mevcut durumda numune uzunluğuna bağlı zorlanma hesaplar LCE edebiyat, çok farklı işletilmesine ölçen dikkat etmek önemlidir. Bu çalışmada, harekete ırkı her zaman temel ya daSentezlenen polydomain numunenin iginal uzunluğu. Bu streyn sabitlik ve kurtarma programlama gerilme ve foto-çapraz bağlanma verimliliği daha etkili bir ölçüsünü verir gibi bu TAMAP metodolojisi için daha uygun olur. Diğer çalışmalarda belirtildiği gibi ne olursa olsun, bizim bildirilen harekete suşları hala daha düşük% 400 vardır. Bununla birlikte, bu reaksiyon, TAMAP nispeten keşfedilmemiş ve foto-çapraz bağlama etkisi henüz tam olarak açığa çıkarılması gerekmektedir. Foto-çapraz kalıcı monodomain gidermek için gerekli olmakla birlikte, çok fazla fotoğraf çapraz meydana gelen çalıştırılmasını engeller. Teorik olarak, oraya foto-çapraz bağlama optimal miktarda var hem monodomain stabilize etmek ve yüksek çalıştırma için izin vermelidir. Genel olarak, TAMAP metodolojisi, LCE sistemleri sentez yapılarını, programın daimi monodomain hizalama terzi, ve sonuçta malzemelerin bu büyüleyici sınıfını keşfetmek için güçlü bir araç sağlar.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgments

Bu çalışma, NSF KARİYER Ödülü CMMI-1350436 yanı sıra Fakülte Kalkınma Colorado Denver Merkezi'nin Üniversitesi tarafından desteklenmiştir. Yazarlar bu malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu için armatürleri ve kalıpları gelişmekte katkılarından dolayı Jac Corless Eric Losty ve Richard WÓJCIK kabul etmek istiyorum. Yazarlar ayrıca malzemelerin kendi ön karakterizasyonu için Brandon Mang ve Ellana Taylor teşekkür etmek istiyorum.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1,4-Bis-[4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy]-2-methylbenzene;  RM257 Wilshire Technologies 174063-87-7 Di-Acrylate Mesogen 
2,2’-(Ethylenedioxy) diethanethiol;  EDDET Sigma Aldrich 465178 Di-Thiol Spacer 
Pentaerythritol tetrakis (3-mercaptopropionate); PETMP Sigma Aldrich 381462 Tetra-Thiol Crosslinker 
Dipropylamine; DPA Sigma Aldrich D214752 Catalyst
2-Hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone; HHMP Sigma Aldrich 410896 Photoinitiator 
2-2-dimethoxy-2-phenylacetophenone; DMPA Sigma Aldrich 196118 Photoinitiator
Toluene Sigma Aldrich 244511 Solvent  

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brommel, F., Kramer, D., Finkelmann, H. Preparation of Liquid Crystalline Elastomers. Adv Polym Sci. 250, 1-48 (2012).
  2. Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
  3. Garcia-Amoros, J., Martinez, M., Finkelmann, H., Velasco, D. Photoactuation and thermal isomerisation mechanism of cyanoazobenzene-based liquid crystal elastomers. Phys Chem Chem Phys. 16 (18), 8448-8454 (2014).
  4. de Gennes, P. G. Un muscle artificiel semi-rapide. Cr Acad Sci II B. 324 (5), 343-348 (1997).
  5. Finkelmann, H., Wermter, H. LC-elastomers and artificial muscles. Abstr Pap Am Chem S. 219, U493-U493 (2000).
  6. Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Applications of Liquid Crystalline Elastomers. Adv Polym Sci. 250, 49-93 (2012).
  7. Petsch, S., et al. Smart artificial muscle actuators: Liquid crystal elastomers with integrated temperature feedback. Sensor Actuat A-Phys. , (2014).
  8. Sanchez-Ferrer, A., et al. Photo-Crosslinked Side-Chain Liquid-Crystalline Elastomers for Microsystems. Macromol Chem Physic. 210 (20), 1671-1677 (2009).
  9. Selinger, R. L., Mbanga, B. L., Selinger, J. V. Modeling liquid crystal elastomers: actuators, pumps, and robots. P Soc Photo-Opt Ins. , 69110A-69115A (2008).
  10. Sungur, E., et al. Temperature tunable optical gratings in nematic elastomer. Appl Phys A. 98 (1), 119-122 (2010).
  11. Schuhladen, S., et al. Iris-Like Tunable Aperture Employing Liquid-Crystal Elastomers. Adv Mater. 26 (42), 7247-7251 (2014).
  12. Sánchez-Ferrer, A., et al. Liquid-Crystalline Elastomer Microvalve for Microfluidics. Adv Mater. 23 (39), 4526-4530 (2011).
  13. Burke, K. A., Rousseau, I. A., Mather, P. T. Reversible actuation in main-chain liquid crystalline elastomers with varying crosslink densities. Polymer. 55 (23), 5897-5907 (2014).
  14. Donnio, B., Wermter, H., Finkelmann, H. Simple and versatile synthetic route for the preparation of main-chain, liquid-crystalline elastomers. Macromolecules. 33 (21), 7724-7729 (2000).
  15. Bergmann, G. H. F., Finkelmann, H., Percec, V., Zhao, M. Liquid-crystalline main-chain elastomers. Macromol Rapid Comm. 18 (5), 353-360 (1997).
  16. Yang, H., et al. Synthesis and physical properties of a main-chain chiral smectic thiol-ene oligomer. Liq Cryst. 37 (3), 325-334 (2010).
  17. García-Márquez, A. R., Heinrich, B., Beyer, N., Guillon, D., Donnio, B. Mesomorphism and Shape-Memory Behavior of Main-Chain Liquid-Crystalline Co-Elastomers: Modulation by the Chemical Composition. Macromolecules. 47 (15), 5198-5210 (2014).
  18. Kupfer, J., Finkelmann, H. Nematic Liquid Single-Crystal Elastomers. Makromol Chem-Rapid. 12 (12), 717-726 (1991).
  19. Burke, K. A., Mather, P. T. Soft shape memory in main-chain liquid crystalline elastomers. J Mater Chem. 20 (17), 3449-3457 (2010).
  20. Agrawal, A., et al. Surface wrinkling in liquid crystal elastomers. Soft Matter. 8 (27), 7138-7142 (2012).
  21. Beyer, P., Terentjev, E. M., Zentel, R. Monodomain liquid crystal main chain elastomers by photocrosslinking. Macromol Rapid Comm. 28 (14), 1485-1490 (2007).
  22. Yang, H., et al. Micron-sized main-chain liquid crystalline elastomer actuators with ultralarge amplitude contractions. J Am Chem Soc. 131 (41), 15000-15004 (2009).
  23. Yang, H., et al. Novel liquid-crystalline mesogens and main-chain chiral smectic thiol-ene polymers based on trifluoromethylphenyl moieties. J Mater Chem. 19 (39), 7208-7215 (2009).
  24. Xia, Y., Verduzco, R., Grubbs, R. H., Kornfield, J. A. Well-defined liquid crystal gels from telechelic polymers. J Am Chem Soc. 130 (5), 1735-1740 (2008).
  25. Yakacki, C., et al. Tailorable and programmable liquid-crystalline elastomers using a two-stage thiol-acrylate reaction. RSC Adv. 5 (25), 18997-19001 (2015).
  26. Meng, Y., Jiang, J., Anthamatten, M. Shape Actuation via Internal Stress-Induced Crystallization of Dual-Cure Networks. ACS Macro Lett. 4 (1), 115-118 (2015).
  27. Peng, H., et al. High Performance Graded Rainbow Holograms via Two-Stage Sequential Orthogonal Thiol-Click Chemistry. Macromolecules. 47 (7), 2306-2315 (2014).
  28. Nair, D. P., et al. Two-Stage Reactive Polymer Network Forming Systems. Adv Func Mater. 22 (7), 1502-1510 (2012).
  29. Alzahrani, A. A., et al. Photo-CuAAC Induced Wrinkle Formation in a Thiol-Acrylate Elastomer via Sequential Click Reactions. Chem Mater. 26 (18), 5303-5309 (2014).
  30. Ma, S. J., Mannino, S. J., Wagner, N. J., Kloxin, C. J. Photodirected Formation and Control of Wrinkles on a Thiol-ene Elastomer. ACS Macro Lett. 2 (6), 474-477 (2013).
  31. Kamal, T., Park, S. Y. Shape-Responsive Actuator from a Single Layer of a Liquid-Crystal Polymer. ACS Appl Mater Interfaces. 6 (20), 18048-18054 (2014).
  32. Nair, D. P., et al. The thiol-Michael addition click reaction: a powerful and widely used tool in materials chemistry. Chem Mater. 26 (1), 724-744 (2013).
  33. Pei, Z. Q., et al. Mouldable liquid-crystalline elastomer actuators with exchangeable covalent bonds. Nat Mater. 13 (1), 36-41 (2014).
  34. Chan, J. W., Hoyle, C. E., Lowe, A. B., Bowman, M. Nucleophile-initiated thiol-michael reactions: effect of organocatalyst, thiol, and ene. Macromolecules. 43 (15), 6381-6388 (2010).
  35. Safranski, D. L., Gall, K. Effect of chemical structure and crosslinking density on the thermo-mechanical properties and toughness of (meth)acrylate shape memory polymer networks. Polymer. 49 (20), 4446-4455 (2008).
  36. Yakacki, C. M., Willis, S., Luders, C., Gall, K. Deformation Limits in Shape-Memory Polymers. Adv Eng Mater. 10 (1-2), 112-119 (2008).
  37. Smith, T. L. Ultimate tensile properties of elastomers. I. Characterization by a time and temperature independent failure envelope. J Polym Sci Part A. 1 (12), 3597-3615 (1963).
  38. Clarke, S. M., Hotta, A., Tajbakhsh, A. R., Terentjev, E. M. Effect of cross-linker geometry on dynamic mechanical properties of nematic elastomers. Phys Rev E. 65 (2), (2002).
  39. Martinoty, P., Stein, P., Finkelmann, H., Pleiner, H., Brand, H. R. Mechanical properties of monodomain side chain nematic elastomers. Eur Phys J E. 14 (4), 311-321 (2004).
  40. Behl, M., Lendlein, A. Actively moving polymers. Soft Matter. 3 (1), 58-67 (2007).
  41. Rousseau, I. A., Mather, P. T. Shape memory effect exhibited by smectic-C liquid crystalline elastomers. J Am Chem Soc. 125 (50), 15300-15301 (2003).
  42. Sauter, T., Heuchel, M., Kratz, K., Lendlein, A. Quantifying the Shape-Memory Effect of Polymers by Cyclic Thermomechanical Tests. Polym Rev. 53 (1), 6-40 (2013).
  43. Clarke, S. M., Hotta, A., Tajbakhsh, A. R., Terentjev, E. M. Effect of cross-linker geometry on equilibrium thermal and mechanical properties of nematic elastomers. Phys Rev E. 64 (6), (2001).
  44. Ahir, S. V., Tajbakhsh, A. R., Terentjev, E. M. Self-Assembled Shape-Memory Fibers of Triblock Liquid-Crystal Polymers. Adv Func Mater. 16 (4), 556-560 (2006).

Tags

Kimya Sayı 107 sıvı kristal elastomerler belleği olan polimerler ana zincir Ters harekete geçirilmesi Tiol akrilat Michael ilave reaksiyonu fotopolimerizasyon Şekil
Bir iki-aşamalı Tiol akrilat reaksiyonu kullanılarak programlanabilir ana zincirli Sıvı kristal Elastomerler sentezi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Saed, M. O., Torbati, A. H., Nair,… More

Saed, M. O., Torbati, A. H., Nair, D. P., Yakacki, C. M. Synthesis of Programmable Main-chain Liquid-crystalline Elastomers Using a Two-stage Thiol-acrylate Reaction. J. Vis. Exp. (107), e53546, doi:10.3791/53546 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter