新規な方法は、市販の出発モノマーを用いて合成するために提示し、プログラム主鎖液晶エラストマーれます。作動性能は、プログラミング中に印加される歪みの量に依存しながら、熱機械的特性の広い範囲は、架橋剤の量を調整することにより調整されました。
本研究では、ネットワーク構造と整列モノドメインのオーバープログラミング容易な制御を有する新規二段チオール – アクリレートマイケル付加重合主鎖液晶性エラストマーを製造するための(TAMAP)反応(種の保存法)を提示します。合わせLCEネットワークは、市販の出発物質のルーチンを使用して混合し、硬化させるために金型にモノマー溶液を注入して合成しました。初期ポリドメインLCEネットワークは自己制限チオール – アクリレートのマイケル付加反応により形成されています。歪みの障害及びガラス転移挙動は、架橋性モノマー、ペンタエリスリトールテトラキス(3-メルカプトプロピオネート)(PETMP)の関数として調べました。 15モル%PETMPチオール基およびアクリレート基が材料のロバスト性を実証するために使用された15モル%過剰の例非化学量論的システム。 600%を超える最大の失敗株と、伸ばしたときLCEが整列され、透明なモノドメインを形成しました。ストレッチLCEのサンプルがありました延伸され、アンロード時に一定のバイアスストレスや形状記憶効果の下で開催されたときに、両方のストレス主導の熱作動を実証することができ。試料が伸長状態にあったときに恒久的にプログラムされたモノドメインは、過剰のアクリレート基の二段目の重合反応を介して達成されました。 LCEサンプルは、無負荷時に、全てのサンプルが90%を超える形状固定性を実証して、100%、200%、300%、400%ひずみでの光硬化及びプログラムされました。総ストレスフリー作動の大きさが増加したプログラミング株を115%に35%から増加しました。全体として、二段TAMAP方法は、これらの魅力的な刺激応答性材料における構造 – 特性性能関係を主鎖LCEシステムを準備し、探索するための強力なツールとして提供されています。
種の保存法は、液晶(LC)順序とゴム弾性の組み合わせによる機械的および光学的機能を発揮することが可能な刺激応答性ポリマーのクラスです。これらの材料は、このような人工筋肉などの潜在的な技術的応用のための多くのに適しています熱や光、1-3、4,5などの刺激に応答して、異常な形状の変化、柔らかい弾性挙動、および調節可能な光学特性を発揮することができますセンサ6及びアクチュエータ。6,7種の保存法は既にロボット用マイクログリッパ、8微小電気機械システム(MEMS)、6,9光格子装置、10調整可能な開口部、6,11及びマイクロ流体のような多くの用途で実証されていますシステム。12
注文したLC相を生じさせる構造部品は、メソゲンと呼ばれています。メソゲンは、LCドメインの基礎であり、典型的には、柔軟な末端を有する二、三直線的に接続された芳香族環から構成されています。これらの部 分は、直接主鎖種の保存法を作成するために、ポリマー骨格内に配置することができるか、または側基(すなわち、サイドオンまたはエンドに種の保存法)。1,13主鎖種の保存法が原因に多くの関心を生成している彼らのメソゲン順序とポリマー主鎖コンホメーションの間の直接結合。4,14-17は、この直接結合は、主鎖種の保存法はメソゲンの配向、機械的異方性、歪作動の高い度を示すことができます。17
種の保存法の熱作動は、LCのために関連する可逆的異方性等方性転移に依存している。2作動のためのLCEをプログラムするには、メソゲンは、最初にモノドメイン( すなわち、異方性中間相)を形成するために、取締役に沿って配向されなければならないし、と呼ばれることが多いです液体単結晶エラストマー。整列LCEは、等方性以上に加熱されると作動が発生します等方性の状態へのメソゲンの順序を破壊し、形状変化を駆動する温度(T i)を 、クリアします。モノドメインは、ポリマー鎖を整列させ、応力の方向にメソゲンを配向しますサンプルに( すなわち、重量を掛ける)外部応力を印加することにより、一時的に形成することができます。モノドメインの永続的なプログラミングは、メソゲンの配向を誘導するために機械的応力の即時適用に続いて軽く架橋ゲルを生成することを含む多段階プロセスを介して達成することができます。いったん整列、反応が確立された共有結合性の架橋し続け、モノドメインを安定化18他の「ワンポット」アラインメント技術は、重合の間の電界の存在下で、または表面配向( すなわち、スライドガラス上にポリイミドを擦る)によって行うことができるされます。しかしながら、これらの方法は一般的に、薄膜試料に限定されている。1,16
ntent "> Finkelmannとバーグマンは、ジビニルメソゲンと四官能性シロキサン架橋剤のワンステップ白金触媒によるヒドロシリル化反応を使用して準備主鎖種の保存法の最初の合成経路を導入しました。15この方法は、広く多くの研究グループによって適応されています主鎖種の保存法を合成する。17,19,20ポリエステル化及びエポキシベースの反応は、主鎖種の保存法を作るために使用されてきた。21、これらの方法の全ては、副反応を防止するための材料および慎重な実験条件を開始する、高純度を必要とする。1また、これらの方法は不十分に定義されたネットワーク構造で、その結果、モノマーのランダム架橋に依存している。したがって、種の保存法の性質に構造を相関させることはより困難である。最近の研究では、より均一なLCEを調製するためのツールとして、クリックケミストリーを使用していますネットワーク;しかし、これらの反応は、挑戦することができますカスタム合成開始メソゲンおよびチオールモノマーを、必要とします生成すること、及びミクロンサイズではなく、アクチュエータのバルク試料を調製するために制限されてきた。22-24種の保存法の現在の課題は、プログラム可能なモノドメインと合わせLCEネットワークを設計することは、容易な再現性、および拡張性の合成方法を開発する方法に焦点を当てています。最近、我々のグループは、ネマチック主鎖種の保存法を準備する中間相のシステムで初めて二段チオール-アクリレートマイケル付加重合(TAMAP)方法論を導入しました。ここ25 2段TAMAP反応は、二重硬化ポリマーネットワークを形成重合プロセスの病期分類は、2つの異なる時点で、ポリマー構造の変更を可能にします。この戦略は、マイクロアクチュエータ、26形状記憶ポリマー、27,28と表面のしわなどの中間相のシステム以外の他の先端材料を、設計し、製造するために、過去数年間に適応されています。29,30 TAMAPの方法論が利用非stoichiアクリレート官能基過剰のometric組成物。第一段目の反応は自己限定チオール基によりチオール – マイケル付加反応を介してポリドメイン種の保存法を作成するために使用されます。これは、機械的応力を適用することによって、メソゲンドメイン配向することができるであろう中間LCEネットワークです。初段のマイケル付加反応により得られるポリドメインは無期限に安定しており、モノドメインのアラインメントは、反応が完了した直後に発生する必要はありません。過剰アクリレート基との間の第2段目の重合反応は、恒久的に整列モノドメインを修正し、可逆的かつストレスのない( すなわち、「ハンズフリー」)作動のためのLCEをプログラムするために使用されます。本研究の目的は、LCEシステムのthermomechanicsの架橋密度およびプログラムされたひずみの影響を調査することにより、主鎖種の保存法を準備するためにTAMAP反応の堅牢性を探求し、実証することです。我々は、熱機械的特性及び達成可能なこの反応を使用して作動性能の広い範囲を示します。
主鎖種の保存法は、アクチュエータとセンサから人工筋肉に至るまで、多数の潜在的な用途のために研究されてきました。残念ながら、合成とモノドメイン配向が完全に実現されることから、これらのアプリケーションの多くを防ぐための重要な課題のままである。11最近の研究は、このような複数回整列モノドメインを再プログラムすることができるように交換可能な架橋を使用するなど、これらの課題を克服するための新しい方法を模索しています本研究の33の目的は、二段TAMAP反応を用いLCE合成およびモノドメインプログラミングに比較的未調査のアプローチを提示することでした。第一段目の反応は、アミン触媒を用いて、チオール – マイケル付加アクリレートに基づいて「クリック」反応です。これにより、反応の性質のために、チオール-アクリレートの完全な変換マイケル付加反応は、触媒( 図2)としてDPAを 用いて室温で5時間以内に達成されました。これがあったことに留意することが重要です精製することなく、市販の材料を用いて達成し、比較的簡単な使用して、「ミックス・アンド・注ぐ "方法。チオール官能基に対するDPAの0.5モル%は、それが金型にモノマー溶液を移送できるように、重合速度にわたって与えた制御のため、本研究で選択しました。これは、マイケル付加の重合速度は、単に触媒濃度によって専用されていることに留意することが非常に重要です。高い触媒濃度をもたらす低すぎる触媒濃度が遅い変換としばしばを高い転化率でも、時間の関数として得ることができない可能にする、高いモノマー転化率と直接ゲル。最終的には、重合速度は触媒の濃度により調整することができる。この方法論が提供する利点の34 One得られた中間体ポリドメインLCEネットワークは二段目の反応は無期限に遅延させることができるように、均一で安定であることです。これは、合成を有効にすることができますし、プログラミングステップは、別の実験室で行うことができます。また、第2段階の反応は、光架橋オーバー時空間制御を提供するために、標準的なフォトリソグラフィ技術を用いて結合させることができる。我々の実験サンプルの調製のために25、HHMPがあるため、可視光の存在下での安定性とに光開始剤として使用しましたサンプルを可能にする高温が、熱的ストレス主導の作動または開始を誘発することなく、形状記憶効果のために循環させることにします。別個の光開始剤は、この方法は、第二段階の反応を駆動するためのフリーラジカル開始剤の様々な使用される可能性があることを示している助け、この研究のFTIR部分のために使用しました。
TAMAP提示方法は、初期のポリドメインLCEネットワークの構造上に容易な制御を提供しています。合成4 LCEネットワークを変化させることによって達成可能な熱機械的特性の広い範囲を実証PETMP架橋剤とEDDETスペーサーとの間の比率。 T gおよびゴム弾性率(E rは)PETMP濃度の増加とともに増加した故障株は、PETMPの濃度の増加とともに減少しました。 PETMP濃度の増加は、ネットワークの架橋密度を増加させ、ネットワーク内のチェーンの移動を制限するように、この動作について説明します。他のアモルファス形状記憶ポリマー(SMP)ネットワークに示すように歪みツー故障挙動がゴム弾性率と故障歪みの間の固有の逆関係に従う。彼らは増加し、アライメントを可能として高い故障株と35 LCEシステムは、一般的により望ましいです大きなプログラミング株とモノドメインの。 T g付近で緊張したときに日焼け∂のピークによって測定されるように私たちの15モル%PETMPシステムの故障株は、最大となりました。これはmaximuを示した以前の研究とよく一致してもですMアモルファスSMPネットワークの歪みは、ガラス転移およびT gの発症との間に発生し; T gを超えて加熱するとき、ほとんどのエラストマーに示すよう35,36しかしながら 、LCEサンプルは、障害株の急速な減少を経験しなかった37本ができます。 I( すなわち、ネマチック相) の T g と Tの間に存在する上昇日焼け∂領域に起因する。前のグループが調査し、ネマチックLCEネットワークのユニークな日焼け∂損失の動作を確認している。38,39は、この損失の挙動がに起因しますネマチック相でのソフト弾力性、メソゲンの異方性形状はストレスの増加を経験することなく回転することにより歪みを収容できるようになっています。
種の保存法は、その刺激応答形状変化能力に科学的関心の多くを生成している。40 </sup>ポリドメインLCEサンプルは一定応力下で延伸した場合、一時的なモノドメイン( 図4b、c)をプログラムするために、可逆的ストレスドリブン熱作動を実証するためにプログラムすることができます。しかしながら、形状記憶効果もLCEネットワークにおいて実現することができる。本研究では19,41、TAMAP合成LCEサンプルは室温で形状記憶のためにプログラムすることができ、歪みのかなりの量がたとえサンプルに格納されたままでしたサンプルは、T gを超えていました。ストレスフリーまたは「ハンズフリー」操作を可能にするために、第二段階の重合反応が延伸LCE試料における永久整列モノドメインをプログラムするために使用することができます。第二段目の反応の効率が増加するストレッチの関数としての定着性を測定することにより調べることができます。これは、定着性がSMPネットワークの番組を評価するために使用される一般的な測定基準であることに留意すべきである。本研究では42、サンプルは、ストラの異なるレベルでプログラムされました( すなわち、100%、200%、300%、および400%)で、90%を超える優秀定着性を示しました。我々の結果は、プログラミング株でスケーリング熱作動の大きさが増加した機械的作動させるためのパラメータの増加をリンク先の結果とよく一致していることを明らかにした。例えば43、400%歪みで光硬化したLCEサンプルは平均で実証115%作動時に加熱し、22〜90℃、及び207%の作動時に加熱し、-25℃と120との間に冷却し、冷却しました。他のLCEの研究と比較すると、アヒーアら 44は、液晶ポリマー繊維とYangら400%の作動を報告した。22は、マイクロ LCEの柱のために400%の作動に300%を報告しました。なお、本研究は、多くの場合、等方性の状態でのサンプルの長さに基づいて、歪みを計算LCE文学、の多くは異なる作動を測定することに注意することが重要です。本研究では、作動株は、常に、またはに基づいています合成されたポリドメイン試料のiginal長さ。それはプログラミング株と株定着性と回復の両方に光架橋の効率をより効果的な測定を提供するので、これはTAMAPの方法論のためのより適切です。他の研究で報告されているようにかかわらず、我々の報告作動株は依然として400%よりも低いです。しかし、このTAMAP反応はまだ比較的未調査であり、光架橋の影響はまだ完全に明らかにしなければなりません。光架橋は永久的なモノドメインを固定する必要があるが、あまりにも多くの光架橋が生じるの作動を防止します。理論的には、モノドメインを安定させ、最大の作動を可能にするの両方に光架橋の最適量が存在する必要があります。全体的に、TAMAPの方法論は、LCEシステムを合成、構造、プログラム恒久的なモノドメインのアライメントを調整し、最終的には材料のこの魅惑的なクラスを探索するための強力なツールを提供しています。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、NSFのキャリア賞CMMI-1350436などファカルティ・ディベロップメントのためのコロラド州デンバーセンターの大学によってサポートされていました。著者らは、これらの材料の合成と特性評価のための治具や金型の開発に彼らの助けのためにジャックコーレス、エリックLosty、とリチャードWojcikを承認したいと思います。著者はまた、材料の予備的特徴付けのためにブランドンマングとEllanaテイラーに感謝したいと思います。
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 |