Polímero de cristal líquido

Los polímeros de cristal líquido (LCP) son polímeros con propiedades de cristal líquido, que generalmente contienen anillos aromáticos como mesógenos. A pesar de que los LCP no están reticulados, los materiales poliméricos como los elastómeros de cristal líquido (LCE) y las redes de cristal líquido (LCN) también pueden exhibir cristalinidad líquida. Ambos son LCP reticulados, pero tienen una densidad de reticulación diferente. Se utilizan ampliamente en el mercado de pantallas digitales. Además, los LCP tienen propiedades únicas como actuación térmica, hinchamiento anisotrópico y elasticidad suave. Por lo tanto, pueden ser buenos actuadores y sensores. Una de las aplicaciones más famosas y clásicas de los LCP es el Kevlar, una fibra fuerte pero liviana con amplias aplicaciones, en particular chalecos antibalas.

La cristalinidad líquida en polímeros puede producirse disolviendo un polímero en un disolvente (polímeros de cristal líquido liotrópicos) o calentando un polímero por encima de su punto de transición vítreo o de fusión (polímeros de cristal líquido termotrópicos). Los polímeros de cristal líquido están presentes en forma fundida/líquida o sólida. En forma sólida, el principal ejemplo de LCP liotrópicos es la aramida comercial conocida como Kevlar. La estructura química de esta aramida consiste en anillos aromáticos sustituidos linealmente unidos por grupos amida. De manera similar, varias series de LCP termotrópicos han sido producidas comercialmente por varias empresas.

Un gran número de LCP, producidos en la década de 1980, mostraron un orden en la fase de fusión análogo al que exhiben los cristales líquidos no poliméricos. El procesamiento de LCP a partir de fases de cristal líquido (o mesofases) da lugar a fibras y materiales inyectados que tienen altas propiedades mecánicas como consecuencia de las propiedades de autorreforzamiento derivadas de la orientación macromolecular en la mesofase.

Los LCP se pueden procesar por fusión en equipos convencionales a altas velocidades con una excelente reproducción de los detalles del molde. La gran facilidad de conformado de los LCP es una importante ventaja competitiva frente a otros plásticos, ya que compensa el alto coste de la materia prima.

Los LCP polares y búlicos, que tienen propiedades únicas y aplicaciones potenciales, no se han producido ampliamente para fines industriales.

Al igual que el cristal líquido de moléculas pequeñas, los polímeros de cristal líquido también tienen diferentes mesofases. Los núcleos mesógenos de los polímeros se agregarán en diferentes mesofases: nemáticos, colestéricos, esmécticos y compuestos con grupos terminales altamente polares. Puede encontrar más información sobre las mesofases en la página de cristal líquido.

Los LCP se clasifican según la ubicación de los núcleos de cristal líquido. Debido a la creación e investigación de diferentes clases de LCP, se utilizan diferentes prefijos para facilitar la clasificación de los LCP. Los polímeros de cristal líquido de cadena principal (MCLCP) tienen núcleos de cristal líquido en la cadena principal. Por el contrario, los polímeros de cristal líquido de cadena lateral (SCLCP) tienen cadenas laterales colgantes que contienen los núcleos de cristal líquido.

Los LCP de cadena principal tienen mesógenos rígidos, similares a varillas, en las cadenas principales del polímero, lo que indirectamente conduce a la alta temperatura de fusión de este tipo de LCP. Para que este tipo de polímero sea fácil de procesar, se aplican diferentes métodos para reducir la temperatura de transición: introduciendo secuencias flexibles, introduciendo curvas o dobleces, o añadiendo grupos sustituyentes a los mesógenos aromáticos.

En los LCP de cadena lateral, los mesógenos se encuentran en las cadenas laterales del polímero. Los mesógenos suelen estar unidos a las cadenas principales a través de espaciadores flexibles, aunque en el caso de algunos LCP, las cadenas laterales se unen directamente a las cadenas principales. Si los mesógenos están unidos directamente a las cadenas principales, la conformación en espiral de las cadenas principales impedirá que los mesógenos formen una estructura de orientación. Por el contrario, al introducir espaciadores flexibles entre las cadenas principales y los mesógenos, el orden de los mesógenos puede desacoplarse de la conformación de las cadenas principales.

Los mesógenos en los LCP pueden autoorganizarse para formar regiones de cristal líquido en diferentes condiciones. Los LCP pueden dividirse aproximadamente en dos subcategorías según el mecanismo de agregación y ordenamiento, pero la distinción no está definida de manera rígida. Los LCP pueden transformarse en cristales líquidos con más de un método.

Los LCP de cadena principal liotrópica tienen núcleos mesógenos rígidos (como anillos aromáticos) en las cadenas principales. Este tipo de LCP forma cristales líquidos debido a su conformación de cadena rígida, pero no solo a la agregación de núcleos mesógenos. Debido a la estructura rígida, se necesita un solvente fuerte para disolver los polímeros de cadena principal liotrópica. Cuando la concentración de los polímeros alcanza una concentración crítica, las mesofases comienzan a formarse y la viscosidad de la solución de polímero comienza a disminuir. Los LCP de cadena principal liotrópica se han utilizado principalmente para generar fibras de alta resistencia como el Kevlar.

Los LCP de cadena lateral suelen estar compuestos por segmentos hidrófobos e hidrófilos. Normalmente, los extremos de la cadena lateral son hidrófilos. Cuando se disuelven en agua, se forman micelas debido a la fuerza hidrófoba. Si la fracción de volumen de los polímeros supera la fracción de volumen crítica, los segregantes micelares se compactarán para formar una estructura de cristal líquido. Como la concentración varía por encima de la fracción de volumen crítica, el cristal líquido generado puede compactarse en diferentes estructuras. La temperatura, la rigidez de los polímeros y el peso molecular de los polímeros pueden afectar la transformación del cristal líquido.

Los LCP de cadena lateral liotrópica, como los surfactantes de alquilpolioxietileno unidos a polímeros de polisiloxano, se pueden utilizar en productos de cuidado personal como el jabón líquido.

El estudio de los LCP termotrópicos fue catalizado por el éxito de los LCP liotrópicos. Los LCP termotrópicos solo se pueden procesar cuando la temperatura de fusión es muy inferior a la temperatura de descomposición. Cuando está por encima de la temperatura de fusión pero por debajo del punto de clarificación, los LCP termotrópicos formarán cristales líquidos. Por encima del punto de clarificación, la masa fundida será isotrópica y transparente nuevamente.

Los cristales líquidos congelados se pueden obtener enfriando los polímeros de cristal líquido por debajo de la temperatura de transición vítrea. La copolimerización se puede utilizar para ajustar la temperatura de fusión y la temperatura de mesofase.

Finkelmann propuso por primera vez los LCE en 1981. Los LCE atrajeron la atención de los investigadores y la industria. Los LCE se pueden sintetizar tanto a partir de precursores poliméricos como de monómeros. Los LCE pueden responder al calor, la luz y los campos magnéticos. Se pueden introducir nanomateriales en matrices de LCE (compuestos basados en LCE) para proporcionar diferentes propiedades y adaptar la capacidad de los LCE para responder a diferentes estímulos.

Los LCE tienen muchas aplicaciones. Por ejemplo, las películas de LCE se pueden utilizar como retardadores ópticos debido a su estructura anisotrópica. Debido a que pueden controlar el estado de polarización de la luz transmitida, se utilizan comúnmente en gafas 3D, retardadores estampados para pantallas transflectivas y pantallas LC de panel plano. La modificación de LCE con azobenceno le permite mostrar propiedades de respuesta a la luz. Se puede aplicar para humectabilidad controlada, lentes autónomas y superficies hápticas. Además de la aplicación en pantallas, la investigación se ha centrado en otras propiedades interesantes, como sus respuestas mecánicas especiales a macroescala generadas térmicamente y fotogeneradas, lo que significa que pueden ser buenos actuadores.

Los LCE se utilizan para fabricar actuadores y músculos artificiales para robótica. Se han estudiado para su uso como absorbedores de energía ligeros, con posibles aplicaciones en cascos, chalecos antibalas y parachoques de vehículos, utilizando vigas inclinadas de LCE de varias capas, intercaladas entre estructuras de soporte rígidas.

Los LCE sintetizados a partir de los precursores poliméricos se pueden dividir en dos subcategorías:

Poli(hidrosiloxano): Se aplica una técnica de reticulación en dos pasos para obtener LCE a partir de poli(hidrosiloxano). El poli(didrosiloxano) se mezcla con un monómero cristalino líquido funcionalizado con monovinilo, un reticulante de vinilo multifuncional y un catalizador. Esta mezcla se utiliza para generar un gel débilmente reticulado, en el que los monómeros están unidos a las cadenas principales de poli(didrosiloxano). Durante el primer paso de reticulación o poco después, se introduce orientación en los núcleos mesógenos del gel con métodos de alineación mecánica. Después de eso, el gel se deshidrata y se completa la reacción de reticulación. Por lo tanto, la orientación se mantiene en el elastómero mediante reticulación. De esta manera, se pueden producir LCE de cadena lateral altamente ordenada, que también se denominan LCE monocristalinos o monodominio.

LCP: con los LCP como precursores, se puede aplicar un método similar de dos pasos. Los LCP alineados mezclados con reticulantes multifuncionales generan directamente LCE. Primero, la mezcla se calienta hasta alcanzar el isótopo. Se extraen fibras de la mezcla y luego se reticulan, de modo que la orientación puede quedar atrapada en el LCE. Sin embargo, está limitado por la dificultad de procesamiento causada por la alta viscosidad del material de partida.

Los monómeros de masa molar baja de cristal líquido se mezclan con reticulantes y catalizadores. Los monómeros se pueden alinear y luego polimerizar para mantener la orientación. Una ventaja de este método es que los monómeros de masa molar baja se pueden alinear no solo mediante alineación mecánica, sino también mediante alineación diamagnética, dieléctrica y de superficie. Por ejemplo, la polimerización por crecimiento escalonado de radicales tiol-eno y la adición de Michael producen LCE bien ordenados. Esta también es una buena manera de sintetizar LCN vítreos de reticulación moderada a densa.

La principal diferencia entre los LCE y los LCN es la densidad de enlaces cruzados. Los LCN se sintetizan principalmente a partir de monómeros multifuncionales basados en (met)acrilato, mientras que los LCE suelen proceder de polisiloxanos reticulados.

Los polímeros de cristal líquido son una clase única de poliésteres aromáticos parcialmente cristalinos basados en ácido p-hidroxibenzoico y monómeros relacionados, capaces de formar regiones de estructura altamente ordenada mientras se encuentran en la fase líquida. Sin embargo, el grado de orden es algo menor que el de un cristal sólido regular. Por lo general, los LCP tienen una alta resistencia mecánica a altas temperaturas, una resistencia química extrema, una capacidad inherente de retardo de llama y una buena resistencia a la intemperie. Los polímeros de cristal líquido vienen en una variedad de formas, desde compuestos sinterizables a altas temperaturas hasta compuestos moldeables por inyección. Los LCP se pueden soldar, aunque las líneas creadas por la soldadura son un punto débil en el producto resultante. Los LCP tienen un coeficiente de expansión térmica en el eje Z alto.

Los LCP son excepcionalmente inertes. Resisten el agrietamiento por tensión en presencia de la mayoría de los productos químicos a temperaturas elevadas, incluidos los hidrocarburos aromáticos o halogenados, los ácidos fuertes, las bases, las cetonas y otras sustancias industriales agresivas. La estabilidad hidrolítica en agua hirviendo es excelente. Los entornos que deterioran los polímeros son el vapor a alta temperatura, el ácido sulfúrico concentrado y los materiales cáusticos en ebullición.

Los LCP polares y cóclicos son ferroeléctricos, con tiempos de reacción de órdenes de magnitud menores que los de los LC convencionales y podrían utilizarse para realizar interruptores ultrarrápidos. Los polímeros columnares cóclicos poseen tubos largos y huecos; con átomos de metal o de metal de transición añadidos al tubo, podrían formar superconductores con una temperatura de transición ultraalta.

Debido a sus diversas propiedades, los LCP son útiles para piezas eléctricas y mecánicas, contenedores de alimentos y cualquier otra aplicación que requiera inercia química y alta resistencia. El LCP es particularmente bueno para la electrónica de frecuencia de microondas debido a las constantes dieléctricas relativas bajas, los factores de disipación bajos y la disponibilidad comercial de laminados. Los sistemas microelectromecánicos de embalaje (MEMS) son otra área en la que el LCP ha ganado más atención recientemente. Las propiedades superiores de los LCP los hacen especialmente adecuados para componentes del sistema de encendido de automóviles, conectores de enchufes de calefacción, portalámparas, componentes del sistema de transmisión, componentes de bombas, formas de bobinas y sensores de luz solar y sensores para cinturones de seguridad de automóviles. Los LCP también son adecuados para ventiladores de computadora, donde su alta resistencia a la tracción y rigidez permiten tolerancias de diseño más estrictas, mayor rendimiento y menos ruido, aunque a un costo significativamente mayor.

Los fabricantes venden LCP bajo distintos nombres comerciales, entre los que se incluyen:

• Zenite
• Vectra
• Laperos
• Zenite 5145L

• Prospector
• Cristal líquido intestinal de la Universidad Estatal de San José