Waiting
Login processing...

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

Chemistry

סינתזה של אלסטומרים נוזליים-גבישים לתכנות ראשי-שרשרת באמצעות תגובת תיאול-acrylate שני שלבים

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

המתודולוגיה רומן מוצגת לסנתז ואלסטומרים נוזליים-גבישים עיקרי שרשרת התכנית באמצעות מונומרים מתחילים זמינים מסחרי. מגוון רחב של נכסים טרמומכני היה מותאם על ידי התאמת כמות crosslinker, תוך ביצועי actuation היו תלויים בכמות של מאמץ ליישם במהלך תכנות.

Abstract

מחקר זה מציג תגובת רומן שני שלבי תיאול-acrylate בנוסף-photopolymerization מיכאל (TAMAP) להכין אלסטומרים נוזליים-גבישים עיקרי שרשרת (LCEs) עם שליטה קלילה על מבנה רשת ותכנות של monodomain מיושר. רשתות LCE מותאמים היו מסונתזים באמצעות ערבוב שיגרתי של חומרים זמינים מסחרי מתחילים ולשפוך פתרונות מונומר לתוך תבניות כדי לרפא. רשת LCE polydomain ראשונית נוצר באמצעות תגובת מיכאל-בנוסף-acrylate תיאול הגבלה עצמית. זן לכישלון והמעבר זכוכית התנהגות נחקר כפונקציה של מונומר crosslinking, tetrakis pentaerythritol (3-mercaptopropionate) (PETMP). מערכת דוגמא שאינה stoichiometric של 15% מול קבוצות תיאול PETMP ועודפת של קבוצות acrylate% 15 mol שימשה כדי להדגים את האופי חזק של החומר. LCE נוצר monodomain מיושר ושקוף כאשר נמתח, עם מתח כישלון מרבי מעל 600%. דגימות LCE נמתחו היוהצליח להדגים שני actuation התרמי מונע הלחץ כאשר נערך תחת לחץ הטיה קבוע או אפקט צורה-זיכרון כאשר נמתחו ופרק. Monodomain קבוע מתוכנת הושג באמצעות תגובת photopolymerization שלב השני של קבוצות acrylate העודפות כאשר המדגם היה במצב המתוח. דגימות LCE היו מתוכנת ב 100%, 200%, 300%, 400% מתח, עם כל דגימות הוכחה מעל 90% קיבעון צורה כאשר פרקו נרפא תמונה. גודל הכולל actuation ללא מתח עלה מ 35% ל -115% עם מתח תכנות מוגבר. בסך הכל, המתודולוגיה TAMAP שני השלבים מוצגת ככלי רב עוצמה כדי להכין את מערכות LCE עיקרי שרשרת ולחקור מערכות היחסים מבנה-רכוש ​​ביצועים בחומרים מרתקים גירויים רגישים אלה.

Introduction

LCEs היא קבוצה של פולימרים גירויים מגיבים כי הם מסוגלים מציגים פונקציות מכאניות ואופטיות בשל השילוב של נוזל גבישי כדי (LC) וגמישות גומי. חומרים אלה יכולים להדגים שינויים חריגים בצורה, רכה-אלסטיות התנהגות, ותכונות אופטיות מתכונן בתגובה לגירוי כגון חום או אור, 1-3 שהופך אותם מתאימים לרבים עבור יישומים טכנולוגיים פוטנציאליים כגון שרירים מלאכותיים, 4,5 חיישנים, 6 ומפעילים. 6,7 LCEs כבר הוכיח ביישומים רבים כגון מיקרו-grippers לרובוטיקה, 8 מערכות מיקרו-אלקטרו-מכאני (MEMS), 6,9 מכשירים אופטיים צורמים, 10 פתחים מתכונן, 6,11 וmicrofluidic מערכות. 12

הרכיבים המבניים שיוצרים שלבי LC הורה נקראים mesogens. Mesogens הוא הבסיס של תחומים LC ומורכבים בדרך כלל משתי או שלוש טבעות ריחניות מחוברות באופן ליניארי עם קצוות גמישים. moieties אלה יכול להיות ממוקם ישירות בתוך עמוד השדרה הפולימר ליצור LCEs עיקרי השרשרת או כקבוצת צד (כלומר, צד-על או בסוף-בLCEs). 1,13 LCEs ראשי השרשרת יצרה הרבה עניין בשלהם צימוד ישיר בין תצורות סדר ועמוד שדרת פולימר mesogenic. 4,14-17 צימוד ישיר זה מאפשר LCEs עיקרי השרשרת להציג מעלות גבוהות יותר של אוריינטצית mesogen, אנאיזוטרופיה המכנית, וactuation זן. 17

actuation התרמי של LCEs מסתמך על מעבר איזוטרופי-איזוטרופיים הפיכים שקשור להזמנת LC. 2 כדי לתכנת LCE לactuation, mesogens חייב להיות ראשון בכיוון לאורך מנהל ליצור monodomain (כלומר, mesophase איזוטרופי), והוא מכונה לעתים קרובות אלסטומר חד-גביש נוזלי. Actuation מתרחש כLCE מיושר מחומם מעל איזוטרופיים טמפרטורת סליקה (i T), אשר משבשת את סדר mesogens לשינוי צורת מדינה וכוננים איזוטרופיים. Monodomain יכול להיווצר באופן זמני על ידי יישום מתח חיצוני (כלומר, תלוי במשקל) לדוגמה, אשר ליישר את שרשרות הפולימר ולכוון את mesogens בכיוון של המתח. תכנות קבוע של monodomain יכול להיות מושגת באמצעות תהליך רב-שלבים, הכולל הפקת ג'ל קל צולבים ואחרי יישום מיידי של לחץ מכאני כדי לגרום לכיוון של mesogens. ברגע שמיושר, התגובה היא המשיכה crosslinks קוולנטיים הוקם ולייצב את monodomain ניתן לבצע 18 טכניקות יישור אחרות "סיר אחד" בנוכחות שדות חשמליים או על ידי יישור פני השטח (כלומר, שפשוף polyimide בשקופית זכוכית) במהלך פילמור.; עם זאת, שיטות אלה הן בדרך כלל מוגבלות לדגימות סרט דקות. 1,16

ntent "> Finkelmann וברגמן הציגו את המסלול הסינתטי הראשון לLCEs ההכנה עיקרי השרשרת באמצעות תגובת צעד אחד-זרז פלטינה hydrosilylation של mesogen divinyl וcrosslinker siloxane טטרה-פונקציונלית. 15 שיטה זו הותאמה באופן נרחב על ידי קבוצות מחקר רבות לסנתז LCEs עיקרי השרשרת. 17,19,20 Polyesterification ותגובות מבוססי אפוקסי יש גם נהגו להכין LCEs עיקרי השרשרת. 21 כל השיטות האלה דורשות טוהר גבוה החל חומרים ותנאי ניסוי זהירים כדי למנוע תגובות צד. 1 כמו כן , שיטות אלה מסתמכים על cross-linking האקראי של מונומרים, וכתוצאה מכך מבנה רשת מוגדר היטב. לכן, קשה יותר לתאם את המבנה למאפיינים של LCEs. מחקרים שנעשה לאחרונה השתמשו כימיה לחץ ככלי להכנת LCE האחיד יותר רשתות, עם זאת, התגובות האלה דורשות מתחילות מונומרים mesogenic ותיאול-מסונתז מותאמות אישית, שיכולים להיות מאתגרכדי לייצר, והיה מוגבל להכין מפעילים בגודל מיקרון ולא דגימות בתפזורת. 22-24

אתגרים נוכחיים בLCEs להתמקד על איך לפתח שיטות סינתטיות שהם קליל, לשחזור, וניתן להרחבה לעיצוב רשתות LCE מותאמת עם monodomains לתכנות. המתודולוגיה לאחרונה, הקבוצה שלנו הציגה תיאול-acrylate בנוסף-photopolymerization מיכאל שני שלבים (TAMAP) בפעם הראשונה במערכות mesomorphic להכין LCEs עיקרי השרשרת nematic. 25 תגובות TAMAP שני שלבים יוצרות רשתות פולימר כפולה תרופה, שבו בימוי של תהליך פילמור מאפשר שינוי של מבנה הפולימר בשתי נקודות זמן שונות. אסטרטגיה זו הותאמה בשנים האחרונות כדי לעצב ולייצר חומרים מתקדמים אחרים, מלבד מערכות mesomorphic, כגון מיקרו-מפעילים, 26 פולימרים צורה-זיכרון, 27,28 וקמטים פני השטח. 29,30 מתודולוגיה TAMAP מנצלת לא stoichiהרכב ometric עם עודף של קבוצות פונקציונליות acrylate. תגובת השלב הראשונה משמשת ליצירת LCEs polydomain באמצעות תגובת מיכאל-בנוסף תיאול, אשר על קבוצות תיאול עצמית מוגבל. זה רשת LCE ביניים שיהיה מסוגל נטייה תחום mesogenic ידי החלת לחץ מכאני. Polydomain כתוצאה מתגובת מיכאל-בנוסף השלב הראשון הוא יציב ללא הגבלת זמן והיישור של monodomain לא צריך להתרחש מייד לאחר התגובה השלימה. תגובת photopolymerization השלב השני בין קבוצות acrylate העודפות משמשת כדי לתקן באופן קבוע monodomain מיושר ולתכנת את LCE ל(, כלומר "ידיים חופשיות") להפעלה ללא הפיכה וללא מתח. מטרת המחקר היא לבחון ולהדגים את האופי חזק של תגובת TAMAP להכין LCEs עיקרי שרשרת על ידי חוקר את ההשפעה של צפיפות crosslinking ומתח programed על thermomechanics של מערכות LCE.אנו מדגימים מגוון רחב של נכסים טרמומכני וביצועי actuation שהם ברי השגה באמצעות תגובה זו.

Protocol

1. הכנת LCEs אלסטומרים הקריסטל הנוזלי

  1. הוסף 4 גרם של 4-ביסקיין [4 (3-acryloyloxypropypropyloxy) benzoyloxy] -2-methylbenzene (RM257) לבקבוקון 30 מיליליטר. RM257 הוא mesogen di-acrylate ומתקבל כאבקה. ממיסים RM257 על ידי הוספת 40% WT (כלומר, 1.6 גר ') של טולואן וחום עד 80 מעלות צלזיוס בצלחת חמה. תהליך זה בדרך כלל לוקח פחות מ 5 דקות לפזר RM257 לפתרון.
    הערה: ממסים אחרים יכולים לשמש כדי לפזר את RM257, כגון dichloromethane (DCM), כלורופורם, וdimethylformamide; עם זאת, טולואן נבחר משום שהוא מאפשר למונומרים לרפא ב RT מבלי להתאדות הממס במהירות בתגובה, תוך DCM וכלורופורם יכולים להתאדות במהירות בRT לפני תגובת מיכאל-בנוסף הושלמה. Dimethylformamide יכול לפזר RM257 מייד ללא חימום, אבל דורש טמפרטורות גבוהות מאוד כדי להסיר את הממס (~ 150 מעלות צלזיוס). כמאל והפארק השתמשו בשילוב של DCMוגביש נוזלי, CB5, לפזר RM257. 31
  2. לקרר את הפתרון לRT. להוסיף .217 גרם של tetrakis pentaerythritol (3-mercaptopropionate) (PETMP), מונומר crosslinking תיאול טטרה-פונקציונלית, ו.9157 גרם של 2,2- diethanethiol (ethylenedioxy) (EDDET), מונומר di-תיאול. היחס טוחנת של קבוצות פונקציונליות תיאול בין PETMP וEDDET הוא 15:85. יחס זה יהיה מכונה 15% מול PETMP לאורך כל תקופת המחקר.
    הערה: אם RM257 recrystallizes במהלך תהליך זה, באופן זמני למקם את הבקבוקון בחזרה לצלחת החמה 80 מעלות צלזיוס עד תשואות מונומר לפתרון. לקרר את הפתרון לRT לפני שתמשיך לשלבים הבאים.
  3. ממיסים .0257 גרם של -2-methylpropiophenone (2-hydroxyethoxy) (HHMP) לפתרון. HHMP הוא photoinitiator משמש כדי לאפשר תגובת photopolymerization השלב השני. ניתן לדלג על שלב זה אם תגובת השלב השני לא להיות מנוצלת.
  4. הכן פתרון נפרד של זרז על ידי דילול dipropylamine(DPA) עם טולואן ביחס של 1:50. להוסיף .568 גרם של פתרון זרז מדולל לפתרון מונומר ומערבבים נמרצות על מיקסר וורטקס. זה מתאים ל% מול 1 של זרז ביחס לקבוצות הפונקציונליות תיאול.
    הערה: הוספת זרז חי, כגון DPA, לפתרון צפוי לגרום לפילמור המקומי מאוד מהיר וימנע מניפולציה של פתרון הפולימר לתוך התבנית הרצויה המפורטת בשלבים הבאים.
  5. מניחים את פתרון מונומר בתא ואקום 1 דקות ב508 מ"מ כספית כדי להסיר בועות אוויר שנגרמו על ידי ערבוב. לבצע שלב זה באופן מיידי לאחר הערבוב.
  6. מייד להעביר את הפתרון לתבנית הרצויה או להזריק את הפתרון בין שתי שקופיות זכוכית. צריכים להיות מיוצרות בתבניות מHDPE. התבניות לא צריכה להיות מכוסות, כתגובה-מיכאל בנוסף היא רגישה יחסית לעיכוב חמצן.
  7. אפשר התגובה להמשיך במשך לפחות 12 שעות בRT. הפתרון יתחיל להגליד within 30 דקות הראשונות.
  8. דגימות מקום בתא ואקום על 80 מעלות צלזיוס ומ"מ כספי 508 למשך 24 שעות להתאדות טולואן. ברגע שסיים, צריכה הדגימות מראה לבן ואטום מבריק ב RT.
  9. חזור על התהליך כדי להתאים את היחס של טטרה-הפונקציונלית למונומרים תיאול di-תפקודי בשלב 1.2 עם יחס של 50:50 25:75, ו -100: 0, בהתאמה. טבלה מפורטת של הניסוחים הכימיים המשמשים למחקר זה מוצגת בטבלה 1.

2. מחקר קינטיקה של תגובה דו-שלבים עם בזמן אמת Fourier Transform אינפרא אדום

  1. לצייד ספקטרומטר עם MCT / B גלאי ומפצל קרן XT-KBR.
  2. הכן תערובת באמצעות הפרוטוקול שתואר לעיל בסעיף הכנת LCE באמצעות 0.5% מול של זרז ביחס לתיאול קבוצות פונקציונליות ו-0.5% WT של photoinitiator. שני יוזמים נבדקו בנפרד, 2-2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA) וHHMP. DMPA הוא יותר נפוץ שnitiator, בעוד HHMP הוא יציב יותר בטמפרטורות גבוהות.
  3. מניחים טיפה אחת של תערובת LCE בין גבישי NaCl מייד לאחר הערבוב בעזרת פיפטה זכוכית.
  4. שיא ספקטרום בשיעור מרווח דגימה 2.92 שניות.
  5. צג המרה של קבוצות תיאול באמצעות פרופיל גובה שיא עם השיא ספיגה SH ב2,571 סנטימטר -1 עם בסיס של 2,614 - 2,527 סנטימטר -1.
  6. צג המרה של קבוצות acrylate באמצעות פרופיל גובה שיא עם השיא ספיגה C = C ב810 סנטימטר -1 עם בסיס של 829-781 סנטימטר -1.
  7. אפשר התגובה להמשיך תחת FTIR ב RT עד מישורי גובה שיא תיאול, מראה 100% המרה של קבוצות תיאול.
  8. בעת ההמרה של קבוצת תיאול מלאה, להפעיל מקור אור 365 ננומטר מצויד בספר אור במשך 10 דקות כדי להשלים את פילמור של acrylates העודף ב 350 mW / 2 סנטימטר בעוצמה, שניתן למדוד על ידי פוטומטר רדיומטר.
  9. צג המרה של קבוצות acrylate כפי שתואר ב2.6.

3. דינמי מכאני ניתוח (DMA)

  1. הכן שתי שקופיות זכוכית על ידי ריסוס המשטחים של השקופיות עם סוכן משטח הידרופובי ומשפשפים את המשטחים עם מגבת נייר עד יבש.
  2. סטאק מחליק יחד כך שהם מופרדים עם spacer 1 מ"מ. ניתן לחתוך מפרידי ידי ניקוד ושבירת שקופיות זכוכית נפרדת למדוד כ 25.4 מ"מ x 5 מ"מ x 1 מ"מ. מהדק שקופיות יחד באמצעות קליפ קלסר בכל קצה.
  3. הזרק פתרון מונומר בין השקופיות בעזרת פיפטה זכוכית. זה דורש כ 1.5 גרם של פתרון מונומר מוכן.
  4. לאפשר את המדגם כדי לרפא לפחות 12 שעות על פי צעד 1.7. הפרד את שקופיות הזכוכית ולייבש את המדגם על פי שלב 1.8.
  5. באמצעות סכין גילוח או מספריים, לחתוך דגימות בדיקה מלבניות עם ממדים של 30 x 10 x 1 מ"מ 3.
  6. טען את אבזר המדגםerly למכונת DMA. בדוק את המדגם במצב מתיחה, עם אורך פעיל מדידת 10 עד 15 מ"מ. דואג לא מעל להדק את האחיזה במדגם הבדיקה, כ0.1 Nm הוא לעתים קרובות מדי מומנט הידוק כאשר אוחז.
  7. מחזור המדגם בזן 0.2% ברץ 1 מ-50 עד 120 מעלות צלזיוס בשיעור חימום של 3 מעלות צלזיוס / דקה. הגדר את המסלול בכח כדי 125%.
  8. מדוד את טמפרטורת מעבר זכוכית (ז T) בשיא של עקומת ∂ השיזוף.
  9. מדוד את טמפרטורת איזוטרופיים המעבר (i T) והנקודה של עקומת מודול האחסון הנמוכה ביותר.
  10. מדוד את מודול הגומי, ר 'E, בT i +30 מעלות צלזיוס.

4. בדיקות הזנים לכישלון

  1. הכן עובש HDPE ידי חללי כלב-עצם סוג V ASTM כרסום בעומק של 1 מ"מ.
  2. בעזרת פיפטה זכוכית, למלא כל חלל עצם כלב עד פתרון מונומר הוא סומקעם החלק העליון של התבנית. אפשר הדגימות כדי לרפא ולייבש על פי שלבי 1.7 ו -1.8.
  3. הכן 5 דגימות מתיחה מדגימות LCE גובשו עם ריכוזים שונים PETMP crosslinker של 15, 25, 50, ו 100% mol.
  4. להגדיר שתי חתיכות של נייר לייזר רעיוני 5 עד 7 מ"מ זה מזה באורך המד של הדגימה.
  5. טען את הדגימה לבוחן מכאני מצויד בextensometer לייזר, תא תרמי, ותא 500 N עומס. השתמש להתמודד הידוק עצמי כדי לאבטח את הדגימות, כמו דגימות תהיה לעקור מלהתמודד טריז בערכי מתח גבוהים. יישר extensometer הלייזר כראוי כדי לעקוב אחר השינוי מדויק באורך כפונקציה של מאמץ ליישם.
  6. מסננים את הדגימות ב RT עם שיעור של 0.2 מ"מ / sec עקירה עד כישלון. להגדיר כישלון על ידי שבר של הדגימה.
  7. דגימות בדיקה נוספות% סוכן crosslinking 15 mol PETMP של לבדיקת מתח לכישלון כפונקציה של טמפרטורה. דגימות בדיקה ב-40, -30, -20, -10, 0, 10, 22, 40, 60, ו -80 מעלות צלזיוס. החזק את כל דגימות isothermally בטמפרטורה הרצויה הבדיקה במשך 10 דקות לפני הבדיקה.

5. בדיקות קיבעון וActuation צורה

  1. הכן עובש כלב-עצם מנהג HDPE עם אורך מד של 25 מ"מ ושטח חתך של 1 מ"מ x 5 מ"מ.
  2. הכן% פתרון מונומר 15 mol PETMP לפי שלבי 1.1-1.5.
  3. בעזרת פיפטה זכוכית, למלא כל חלל עובש עד פתרון מונומר הוא מיושר עם החלק העליון של התבנית.
  4. אפשר הדגימות כדי לרפא ולייבש על פי שלבי 1.7 ו -1.8.
  5. להגדיר שתי חתיכות של מ"מ קלטת לייזר 5-7 רעיוני מלבד באורך המד של הדגימה. טען את המדגם על פי שלב 4.5. באמצעות סמן קבע, לסמן נקודה בצד השני של כל חתיכת הסרט רעיוני האחר. רשום את האורך בין הנקודות.
  6. מסננים את הדגימות ב RT עם שיעור תזוזה של 0.2 מ"מ / sec עד 100%, 200%, 300%, או 400% מאמץ.
  7. תוך שמירה על הרמת מתח דואר רצוי, לחשוף את המדגם למקור אור UV 365 ננומטר בעוצמת ~ 10 mW / 2 סנטימטר במשך 10 דקות על ידי החזקת מנורת UV כ 150 מ"מ מהמדגם.
  8. לפרוק את המדגם ולאחר מכן לחמם אותו מעל T i לגרום להפעלה ללא. לאפשר את המדגם כדי לקרר חזרה לRT ולהקליט את האורך בין הנקודות.
  9. לחשב קיבעון באמצעות המשוואה הבאה:
    משוואת 1
    שם ε מטיריאלס הוא תכנות מתח לפני crosslinking-התמונה (שנמדד על ידי extensometer הלייזר) וε הקבוע היא הסכום של מתח קבוע לאחר crosslinking-תמונה (שנמדדה על ידי השינוי בעקירת dot).
  10. חותך מדגם אורך 30 מ"מ מהחלק המרכזי של הדגימה המתוכנת.
  11. טען את המדגם כראוי לבוחן DMA. בדוק את המדגם במצב מתיחה, עם אורך פעיל מדידת 13 עד 15 מ"מ. ודא לא מעל להדק האוחז דואר על הקופון המבחן.
  12. לאזן את המדגם ב 120 מעלות צלזיוס מתחת preload של 0 נ מגניב המדגם מ -120 ל -25 מעלות צלזיוס בשיעור של 3 מעלות צלזיוס / דקה. לשמור מראש הכוח ב 0 N לכל המבחן.

Representative Results

במחקר זה, קינטיקה תרופת תגובת TAMAP שני השלבים נחקרו באמצעות בזמן אמת FTIR. מחקר סדרת FTIR על המרה של קבוצות תיאול וacrylate כפונקציה של זמן כדי ללכוד שני שלבי התגובה יושמו והתוצאות מנורמלות מוצגות באיור 2 א. תגובת מיכאל-בנוסף תיאול-acrylate השלב הראשון נערכה ביוזמת באמצעות קטליזה בסיס באמצעות DPA כזרז והתוצאות בהיווצרותה של רשת פולימר crosslinked. בסופו של תגובה ראשונית זה, קבוצות הפונקציונליות תיאול להשיג קרובות להמרת 100% בתוך 5 שעות של בתנאי סביבה (~ 22 מעלות צלזיוס), ואילו קבוצות acrylate הושגו בין 70% להמרת% 78 באותם תנאים. בנוסף מייקל תיאול-acrylate 'לחצו על' תגובה היא בטבע הגבלה עצמית ויכולה ליצור צעד-צמיחה, רשת crosslinked, יציבה באופן קליל המבוססת על היחסים היחסי של fקבוצות הנוכחיות unctional. בהמשך לכך, תגובת photopolymerization השלב השני נערכה ביוזמת באמצעות חשיפה לקרינת UV וקבוצות acrylate unreacted נותרו כיום ברשת היו crosslinked נוסף להשגת המרה סופית acrylate פונקציונלית קבוצה ליד 100%. שני photoinitiators, HHMP וDMPA וקינטיקה תגובתם נחקרו ברשתות הפולימר ושניהם ראו ליצור רשתות acrylate crosslinked ביעילות בסוף פילמור השלב השני. המרה של קבוצות acrylate כפונקציה של עוצמת החשיפה הייתה גם למדה וראתה לתאם. בסך הכל, זה היה ציין כי למרות שמספר משתנה כגון photoinitiators וזמני חשיפה יכול להיות מגוון, ניתן היה להשיג יעילות המרה סופית גבוהה של acrylates בסוף השלב השני בתוך 10 דקות אפילו עם רמות נמוכות יחסי של UV עוצמה (~ 10-25 mW / 2 סנטימטר לעומת 350 mW / 2 סנטימטר). איור 2B מציג את ספקטרום ספיגת FTIR של תגובת שני השלבים ב -3 נקודות זמן שונות, 0, 300, 320 ודקות. בזמן 0, הספקטרום הראשוני לוכד את הנוכחות של קבוצות פונקציונליות שני תיאול וacrylate במדינת unreacted. בנקודת הזמן 300 דקות, עד סוף התגובה בנוסף תיאול-מיכאל השלב הראשון, הגבהים תיאול ושיא acrylate נראים להפחית במידה ניכרת, ובכך רומזים התגובה בין הקבוצות הפונקציונליות תיאול וacrylate התקדמה עד לסיום. שיא תיאול נמדד להיות קרוב להמרת 100% בשלב זה, ואילו acrylates נראה שצרך עד 78%. ההיעלמות המוחלטת של שיא תיאול לא נצפתה, ככל הנראה כנוכחות של adduct תיאול-מיכאל מהתגובה הראשון של השלב-נראה להופיע וחפיפה עם שיא תיאול ב2,571 סנטימטר -1. בסוף תגובת photopolymerization השלב השני יזמה באמצעות חשיפה לקרינת UV, בנקודה דק '320, שיתוף acrylatenversion נראה כדי להמשיך להשלמה, רומז המרת 100% מנותרו קשרים כפולים אקריליק בתוך הרשת. 32

המתודולוגיה TAMAP שני השלבים מספקת שליטה קלילה לחקור מערכות יחסים מבנה-רכוש ​​בLCEs. ההשפעה של צפיפות crosslinking על מתח מתח התנהגות מוצגת באיור 3 א. מודול ומתח שבר הוצגו להגדיל עם תוכן PETMP הגדלת, ואילו מתח כישלון גדל עם ירידה בתוכן PETMP (איור 3). דגימות LCE עם 50 ו 100% mol PETMP הפגינו טעינת אלסטי ראשונית ואחריו רמת מתח ועלייה חדה בלחץ עקב יישור שרשרת. לשם השוואה, דגימות עם 15% ו -25 mol PETMP הופיעו להפגין טעינת אלסטומרי מסורתית יותר ואחרי עלייה של לחץ בשל יישור שרשרת. כל הדגימות שנבדקו הראו מעבר מאטימות הלבנות כדי לנקות שקיפות כאשר stretCHED (איור 3E). יש לציין כי כל הדגימות נשמרות במידה רבה של מתח קבוע לאחר שבר ולא לשחזר לצורה המקורית שלהם ב RT; עם זאת, כל הדגימות חזותית התאוששו לצורה המקורית שלהם על חימום מעל T i. השפעת טמפרטורה על מתח כישלון אז חקרה במשך 15% מול הרכב PETMP (איור 3 ג). במדינה המזוגגת, דגימות LCE הציגו כישלון שביר ללא עיוות ניכרת. בתחילת מעבר הזכוכית, מתח הכישלון גדל באופן משמעותי ואחריו את הצורה הכללית של מדד פונקצית δ שיזוף על ידי DMA. זן הכישלון הגיע למקסימום של 650% בזן 10 מעלות צלזיוס. נציג מעבר זכוכית התנהגות למערכות רשת ארבעה LCE מוצגת באיור 3D. כל רשתות LCE מוצג התנהגות שאינה מסורתית בשני מודול האחסון ועקומות δ שיזוף. מודול האחסון שלרשתות LCE ll מוצגות מינימום שונה שהיה קשור עם בערך אני T. פונקציות δ השיזוף היו מיוצגות על ידי שיא ראשוני ואחריו אזור מוגבה שפחת כמדגם חומם למדינת איזוטרופיים (עקומת נציג שניתן לראות באיור 3 ג). לארבע מערכות LCE נבדקו, שני T g ומודולוס גומי גדל עם צפיפות crosslinking הגדלת. סיכום של מאפיינים תרמו-מכאני של ארבע מערכות LCE שניתן לראות בטבלה 2.

LCEs מציע את היכולת להפגין גם את השפעת צורה-הזיכרון וactuation הפיך (איור 4). דגימת polydomain בלתי-תלויה של% 15 PETMP mol שימשה כדי להמחיש את מסלולי מיתוג צורה השונים שניתן לתכנת לחומר (איור 4 א). actuation מונע לחץ הפיך הוא שדיםtrated על ידי המסלול באיור 4 א-BC. דגימת polydomain נמתחה בתליית משקל 60.6 Mn ליישם מתח מתמיד. מתח הטיה זו מכאנית מכוון את mesogens לmonodomain שקוף. חוזי הדגימה כאשר מחוממים למדינה איזוטרופיים ומתארך כאשר התקררו מתחת T i. תהליך זה ניתן לחזור לזמן בלתי מוגבל. השפעת הצורה-הזיכרון הוצגה כאשר מתח ההטיה הוסר מהדגימה כאשר התקררו מתחת T i ל -22 מעלות צלזיוס, וזה עדיין 18 ° C מעל g T. בעוד כמה רתיעה אלסטית נצפתה, רוב המתח נשאר תוכנה בחומר. יש לציין כי mesogens נשאר באורינטצית monodomain יציבה, ויש הבדל מורגש בתכונות אופטיות בתוך הקצה החופשי של המדגם שבו מהדק צורף (כלומר, החלק אחז נשאר לבן מבריק). ה חימום מדגם דואר מעל T הפעלתי התאוששות צורה מלאה, המציין את מחזור צורה-הזיכרון כדלקמן המסלול של איור 4 א-BDE. תגובת photopolymerization השלב השני ניתן להשתמש כדי להשיג actuation ללא מתח ללא הצורך בהטית מתח קבוע או צעד תכנות בין מחזורים. הדגימה מיושרת באופן זמני הייתה באמצעות 365 ננומטר אור ב ~ 10 mW / 2 סנטימטר במשך 10 דקות (איור 4F) נרפא תמונה. המדגם חווה רתיעה אלסטית מינימאלית כאשר פרק בשל הקמת crosslinks קוולנטיים בין העודף של קבוצות unreacted acrylate (איור 4G). actuation ללא מתח אז מופעל על ידי שליטה על הטמפרטורה על T אני משתמש במסלול הפיך באיור 4G-H; עם זאת, יש לציין כי המדגם אינו חווה התאוששות מלאה חזרה לצורה הראשונית של הדגימה.

EP-together.within עמודים = "1"> ההשפעה של מאמץ ליישם תכנות (כלומר, מתח במהלך photopolymerization) כפונקציה של קיבעון וactuation ל% מערכת PETMP 15 mol מוצגים באיור 5 א. כל הקיבעון הפגין דגימות ערכים גבוהות מ -90%. הסכום של מתח תכנות ניכר לא השפיע על ערכי קיבעון לטווח המתח נבדק במחקר זה. לעומת זאת, מתח actuation גדל באופן ליניארי עם כמות מתח תכנות. בממוצע, מתח actuation תואם כ -30% מערך מתח תכנות. ניתן לראות עקומות נציג מראים actuation כפונקציה של טמפרטורה באיור 5. יש לציין כי ערכי לחץ actuation באיור 5 א מתאים למדידות בין RT, 22 ° C, ו- 90 מעלות צלזיוס, ואילו ההתנהגות שמוצגת באיור 4 ב נוטרה בין -25 ו -120 מעלות צלזיוס. טווח טמפרטורות מורחב זה גרםזן actuation dditional להתממש: 80%, 102%, 125%, 207% ומתח להפעלה ללא לדגימות לתכנת ב- 100%, 200%, 300%, 400 ומתח%, בהתאמה.

איור 1
. איור 1. סכמטי של Monodomain תכנות באמצעות תגובה דו השלב תיאול-Acrylate () mesogen diacrylate (1,4-ביסקיין [4 (3-acryloyloxypropyloxy) benzoyloxy] -2-methylbenzene - RM 257), dithiol spacer גמיש (2,20- (ethylenedioxy) diethanethiol - EDDET), וטטרה-הפונקציונלית crosslinker תיאול (tetrakis pentaerythritol (3-mercaptopropionate) - PETMP) נבחרו כמונומרים זמינים מסחרי. פתרונות מונומר ללא equimolar הוכנו עם עודף של קבוצות פונקציונליות acrylate% 15 mol ואפשרו להגיב באמצעות תגובה בנוסף מייקל. אמין Dipropyl (DPA) ו- (2-hydroxyethoxy) -2-methylpropiophenone (HHMP) היתה מודעהטוליפ אין כזרז המתאים וצילום היוזם לפתרונות. (ב) צורות מבנה polydomain נציג באמצעות בנוסף מיכאל (השלב ​​הראשון) עם צפיפות קישור צולב אחידה וקבוצות פונקציונליות acrylate העודף סמויות. (ג) לחץ מכאני מוחל על דגימות polydomain להתמצא mesogens לmonodomain זמני. תגובת photopolymerization (שלב שני) (ד) משמש להקמת crosslinks בין קבוצות acrylate העודפות, ייצוב monodomain של המדגם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. לא בשני שלבי נציג קינטיקס חקר תגובת תוספת מיכאל עם Real-Time FTIR. ()קינטיקה תגובת hiol-acrylate מראה המרה כפונקציה של זמן באמצעות photoinitiator DMPA. בסופו של השלב הראשון, קבוצות תיאול הגיעו ליד המרת 100% ואילו 22% מקבוצות acrylate היו unreacted. בסופו של השלב השני, acrylates unreacted הגיע המרת% 100. ספקטרום ספיגה FTIR מראה תיאול והמרת acrylate לפני הריפוי בזמן 0, עם השלמת השלב הראשון ב 300 דקות (ב), ועם השלמתו של השלב השני ב320 דקות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו .

איור 3
איור 3. Thermomechanics של מערכות LCE TAMAP. (א) עקומות זן לכישלון נציג של ארבע מערכות LCE עם% acrylate עודף 15 mol ושונהכמות crosslinker PETMP. מתח (ב) אי כפונקציה של crosslinker PETMP. (ג) השפעת טמפרטורה על מתח כישלון למערכת LCE עם 15% מול PETMP. זן הכישלון בהשוואה לצד פונקצית ∂ השיזוף של החומר הנמדד על ידי DMA. זכוכית נציג מעבר התנהגות של ארבע מערכות LCE נבדקו (ד '). תמונה (E) של דגימת LCE מתוחה עם% PETMP 15 mol לעומת דגימה נבדקה. ברים שגיאה ב( ב) ו- (ג) מייצגים סטיית תקן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. מסלולים בLCE החלפה-צורה. סכמטי זה מייצג כמה diמסלולי fferent זמינים להשגת מיתוג צורה בLCEs. מדגם כלב-עצם מנהג PETMP% 15 mol משמש בהפגנה עם צורה ראשונית של (א). actuation מונע לחץ הפיך מתממש בין (BC) על ידי התאמת הטמפרטורה על T i אילו תחת כוח הטיה קבוע (60.6 Mn); השפעת צורה-הזיכרון מושגת על ידי ביצוע מחזור תכנות והתאוששות של (עבד); ויכול להיות מופעל על actuation ללא מתח תרמית בין (GH) לאחר monodomain קבוע כבר מתוכנת למדגם בשלב (F). האגדה ממחישה נטייה mesogen בpolydomain, monodomain, ומדינות איזוטרופיים. T <T i וT> T i תמונות צולמו ב 22 ו 90 מעלות צלזיוס, בהתאמה. אנא לחץכאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. תגובה Thermomechanical במתוכנתת-Monodomain מערכות LCE: (א) צורת קיבעון מייצגת את היעילות של monodomain קבוע יישור ואת כל דוגמאות להראות קיבעון מעל 90%. סדר הגודל של actuation נמדד בין C 22 ו -90 מעלות בצלחת חמה. ברים שגיאה מייצגים סטיית תקן. (ב) סדר הגודל של actuation נמדד על DMA מ-25 עד 120 מעלות צלזיוס, עליית actuation עם הגדלת מתח תכנות שימושי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

שֵׁם ז> RM 257 (ז) טולואן (ז) PETMP (ז) EDDET (ז) HHMP (ז) DPA (ז) *
15% מול PETMP 4.0 1.6 .2166 .9157 .0272 .5681
25% מול PETMP 4.0 1.6 .3610 .8080 .0272 .5681
50% מול PETMP 4.0 1.6 .7219 .5386 .0272 .5681
100 mol% PETMP 4.0 1.6 -1.4438 .0000 .0272 .5681
* DPA מדולל בטולואן ביחס 1:50.

בתוך עמודים = "1"> טבלת 1. הכימית פורמולציות למערכות LCE. ארבע מערכות LCE שונות המשמשות במחקר זה. יום האמנה מבוססת על היחס טוחנת של קבוצות פונקציונליות תיאול בין PETMP וEDDET. כל המערכות עודפות של קבוצות פונקציונליות acrylate% 15 mol. יצוין, מחקרי FTIR נבדקו HHMP כמו גם DMPA כphotoinitiators והפחיתו את כמות זרז DPA בחצי כדי לעזור עם האפיון קינטית. * DPA מדולל בטולואן ביחס של 1:50.

שֵׁם Tonset (° C) TG (° C) עֲוִית) ר 'E (MPA)
15% מול PETMP -6 ± 2 3 ± 1 62 ± 3 0.18 ± 0.01
0 ± 2 7 ± 1 76 ± 2 0.47 ± 0.05
50% מול PETMP 8 ± 2 16 ± 2 78 ± 1 0.78 ± 0.13
100 mol% PETMP 15 ± 1 27 ± 1 64 ± 3 1.90 ± 0.13

טבלת 2. סיכום של מאפייני Thermomechanical של מערכות LCE. דינמי מכאני ניתוח מבחן (DMA) מציג את המאפיינים טרמומכני של רשתות LCE polydomain הראשוניות נוצרו באמצעות תגובת מיכאל-בנוסף השלב הראשון. גם אני T ור 'E נמדדו בנקודת מודול האחסון לעומת עקומת טמפרטורה הנמוכה ביותר.

Discussion

LCEs ראשי השרשרת נחקר עבור יישומים פוטנציאליים רבים הנעים בין מפעילים וחיישנים לשרירים מלאכותיים. למרבה הצער, סינתזה ויישור monodomain יישארו אתגרים משמעותיים המונעים רבים של יישומים אלה מלהתממש באופן מלא. 11 מחקר שנערך לאחרונה חקר שיטות חדשות כדי לעזור להתגבר על אתגרים אלה, כגון שימוש בcrosslinks להחלפה כדי להיות מסוגל מחדש תכנית מספר פעמים monodomain מיושרת . 33 מטרתו של מחקר זה הייתה להציג גישה נחקרה יחסית לסינתזת LCE וmonodomain תכנות באמצעות תגובת TAMAP שני שלבים. התגובה הראשונה של השלב-היא תגובה "לחץ", המבוססת על תוספת תיאול-acrylate מיכאל באמצעות זרז אמין. בשל האופי של תגובה זו, המרה מלאה של תיאול-acrylate תגובה בנוסף מייקל הושגה תוך 5 שעות ב RT באמצעות DPA כזרז (איור 2). חשוב לציין כי זה היההושג עם חומרים זמינים מסחרי ללא טיהור ושימוש בשיטה "לערבב-ולשפוך" פשוטה יחסית. 0.5% מול של DPA ביחס לתיאול קבוצות פונקציונליות נבחר במחקר זה לשליטתה נתנה מעל שיעור פילמור, המאפשר העברת פתרון מונומרים לתוך התבנית. חשוב מאוד לציין כי שיעור פילמור של מייקל בנוסף מוקדש רק על ידי ריכוז הזרז. תוצאות ריכוז זרז גבוה gelation מיידית עם המרות מונומרים גבוהים שבו הוא ריכוז זרז נמוך מדי מאפשרת המרות איטיות ולעתים קרובות פעמים לא ניתן להשיג המרות גבוהות גם כפונקציה של זמן. סופו של דבר, שיעור פילמור יכול להיות מכוון על ידי ריכוז הזרז. 34 אחד היתרונות מתודולוגיה זו מציעה היא שרשת LCE polydomain ביניים וכתוצאה מכך היא אחידה ויציבה, כך שתגובת השלב השני יכולה להתעכב ללא הגבלת זמן. זה יכול לאפשר הסינתזה וצעדי תכנות להתבצע במעבדות נפרדות. יתר על כן, תגובת השלב השני ניתן בשילוב עם טכניקות photolithography סטנדרטיים כדי לספק שליטה על מרחב ובזמן צילום crosslinking. 25 להכנת דגימות הניסוי שלנו, HHMP שימש כphotoinitiator בגלל היציבות שלה בהווה של אור הנראה וב טמפרטורות גבוהות, המאפשרות לדגימות שרכב על אופניו תרמית לactuation מונע לחץ או השפעת צורה-הזיכרון מבלי לעורר היוזם. צילום יוזם נפרד שימש לחלק FTIR של מחקר זה, עוזר להמחיש שיש מתודולוגיה זו הפוטנציאל לשימוש עם מגוון רחב של יוזמי רדיקלים חופשיים לנהוג תגובת השלב השני.

המתודולוגיה הציגה TAMAP מציעה שליטה קלילה על המבנה של רשת LCE polydomain הראשונית. ארבע רשתות LCE מסונתזים להפגין מגוון רחב של נכסים טרמומכני השגה על ידי שינוייחס בין crosslinker PETMP וspacer EDDET. זן כישלון ירד עם העלייה בריכוז של PETMP, בעוד גרם T ומודולוס גומי (r E) עלו עם העלייה בריכוז PETMP. התנהגות זו מוסברת בגידול בריכוז PETMP מגדיל את צפיפות crosslinking של הרשתות ומגביל את הניידות שרשרת בתוך הרשת. התנהגות מתח לכישלון כדלקמן היחס ההפוך בין טבוע מודולוס גומי ומתח כישלון כפי שמוצגת בפולימר אחר צורה-זיכרון אמורפי (SMP) רשתות. 35 מערכות LCE עם זנים גבוה כישלון הם בדרך כלל רצויה יותר, מאחר שהם מאפשרים ליישור מוגבר של monodomain עם זני תכנות גדולים יותר. מתח הכישלון של 15% מול מערכת PETMP היה מוגדל כאשר מתוח ליד ז T, כפי שנמדד על ידי השיא של ∂ שיזוף. גם זה בהסכם טוב עם מחקרים קודמים שהראו maximuמתח מ 'ברשתות SMP אמורפי התרחש בין תחילת מעבר הזכוכית וגרם T; 35,36 עם זאת, דגימות LCE לא חוותה ירידה מהירה בלחץ כישלון כאשר מחוממים מעל g T, כפי שמוצגת ברוב אלסטומרים 37 זה יכול. ניתן לייחס לאזור ∂ שיזוף הגבוה שקיים בין g T ו- T אני (כלומר, שלב nematic). הקבוצות קודמות חקרו ואימת את ההתנהגות הייחודית שיזוף ∂ הפסד ברשתות LCE nematic. 38,39 זה אובדן התנהגות מיוחסת ל הרכה הגמישות בשלב nematic, כך שצורת איזוטרופי של mesogens יכולה להכיל זנים ידי סיבוב מבלי לחוות עלייה בלחץ.

LCEs יצרו הרבה עניין מדעי בשל יכולות שינוי צורת הגירויים מגיבים. 40 (איור 4-ג); עם זאת, השפעת צורה-הזיכרון יכולה להתממש גם ברשתות LCE. 19,41 במחקר זה, דגימות LCE TAMAP המסונתזת אפשר לתכנת לזיכרון צורה ב RT, שבו כמות משמעותית של מתח נשארה למרות שמאוחסנת במדגם המדגם היה מעל g T. כדי לאפשר ללא מתח או להפעלה ללא "ללא ידיים", תגובת photopolymerization השלב השנייה ניתן להשתמש כדי לתכנת monodomain מיושר באופן קבוע בדגימות LCE מתוחות. היעילות של תגובת השלב השנייה ניתן לבחון על ידי מדידת קיבעון כפונקציה של הגדלת מתיחה. יש לציין כי קיבעון הוא מדד נפוץ המשמש להערכת תכנות של רשתות SMP. 42 במחקר זה, דגימות programed ברמות של stra שוניםב( כלומר, 100%, 200%, 300%, 400% ו) והראו קיבעון מצוינות מעל 90%. התוצאות שלנו הראו שהגודל של actuation תרמית בקנה מידה עם מתח תכנות הוא בהסכם טוב עם תוצאות קודמות המקשרים עלייה בפרמטר כדי מוגבר actuation המכני. 43 לדוגמא, דגימות LCE שבזן 400% נרפא תמונה הפגינה בממוצע actuation 115% כאשר מחומם ומקורר בין 22 ו -90 מעלות צלזיוס וactuation 207% מתי ומחומם מקורר בין -25 ו -120 מעלות צלזיוס. בהשוואה למחקרים אחרים LCE, Ahir et al. 44 דיווח actuation 400% בסיבים פולימריים LC ויאנג et al. 22 דווחו על 300% לactuation 400% לעמודי LCE מיקרו. חשוב לציין כי המחקר הנוכחי מודד actuation שונה מהרבה של ספרות LCE, אשר לעתים קרובות מחשבת זן מבוסס על האורך של המדגם במדינה איזוטרופיים. במחקר זה, זן actuation מבוסס תמיד על אואורך iginal של מדגם polydomain מסונתז. זה מתאים יותר למתודולוגיה TAMAP כפי שהיא מספקת אמצעי יעיל יותר של היעילות של זן תכנות וצילום crosslinking שני קיבעון המתח והתאוששות. ללא קשר, זני actuation דיווחו עדיין נמוך מ -400% כפי שדווחו במחקרים אחרים. עם זאת, תגובת TAMAP זה עדיין נחקר יחסית וההשפעה של צילום crosslinking טרם מלא לא נחשפה. בעוד צילום crosslinking דרוש לתיקון monodomain קבוע, יותר מדי צילום crosslinking ימנע actuation התרחשות. באופן תיאורטי, צריך להתקיים כמות אופטימלית של crosslinking-תמונה לשני לייצב את monodomain ולאפשר לactuation המרבי. בסך הכל, המתודולוגיה TAMAP מספקת כלי רב עוצמה כדי לסנתז מערכות LCE, להתאים את המבנה שלהם, יישור monodomain קבוע תכנית, ובסופו לחקור הכיתה המרתקת הזה של חומרים.

Disclosures

יש המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי NSF פרס קריירת CMMI-1350436 כמו גם אוניברסיטת קולורדו דנבר המרכז ללימודי פיתוח. המחברים רוצים להכיר Jac Corless, אריק Losty, וריצ'רד Wojcik על עזרת בפיתוח אביזרים ותבניות לסינתזה והאפיון של חומרים אלו. המחברים גם רוצים להודות לברנדון מאנג וEllana טיילור לאפיון הראשוני שלהם של החומרים.

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

כימיה גיליון 107 נוזל הקריסטל אלסטומרים צורת פולימרים זיכרון שרשרת ראשי Actuation הפיך תיאול Acrylate תגובת מיכאל תוספת photopolymerization
סינתזה של אלסטומרים נוזליים-גבישים לתכנות ראשי-שרשרת באמצעות תגובת תיאול-acrylate שני שלבים
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