Los polímeros de cristal líquido (LCP) son polímeros con la propiedad de cristal líquido , que normalmente contienen anillos aromáticos como mesógenos . A pesar de los LCP no reticulados, los materiales poliméricos como los elastómeros de cristal líquido (LCE) [1] y las redes de cristal líquido (LCN) también pueden exhibir cristalinidad líquida. Ambos son LCP reticulados pero tienen diferente densidad de enlaces cruzados. [2] Son ampliamente utilizados en el mercado de pantallas digitales. [3] Además, los LCP tienen propiedades únicas como activación térmica, hinchazón anisotrópica y elasticidad suave. Por tanto, pueden ser buenos actuadores y sensores. [4] Una de las aplicaciones más famosas y clásicas de los LCP es el Kevlar , una fibra resistente pero ligera con amplias aplicaciones, en particular chalecos antibalas .
La cristalinidad líquida en los polímeros puede ocurrir ya sea disolviendo un polímero en un solvente ( 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 ). [6] Los polímeros de cristal líquido están presentes en forma fundida/líquida o sólida. [7] En forma sólida, el principal ejemplo de LCP liotrópicos es la aramida comercial conocida como Kevlar . La estructura química de esta aramida consta de anillos aromáticos linealmente sustituidos unidos por grupos amida. De manera similar, varias empresas han producido comercialmente varias series de LCP termotrópicos.
Un gran número de LCP, producidos en la década de 1980, mostraban un orden en la fase de fusión análogo al mostrado por 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 autorrefuerzo derivadas de la orientación macromolecular en la mesofase .
Los LCP se pueden procesar por fusión en equipos convencionales a altas velocidades con una excelente replicación de los detalles del molde. La gran facilidad de formación de los LCP es una ventaja competitiva importante frente a otros plásticos, ya que compensa el alto coste de la materia prima. [8]
Los LCP polares y bólicos, que tienen propiedades y aplicaciones potenciales únicas [ se necesita aclaración ] , no se han producido ampliamente para fines industriales. [9]
Al igual que el cristal líquido de pequeño peso molecular, los polímeros de cristal líquido también tienen diferentes mesofases. Los núcleos mesógenos de los polímeros se agregarán en diferentes mesofases: nemáticas , colestéricas , esmécticas y compuestos con grupos terminales altamente polares. [10] 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 ayudar en la clasificación de los LCP. [10] 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. [10]
Los LCP de la cadena principal tienen mesógenos rígidos en forma de 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: introducir secuencias flexibles, introducir curvaturas o torceduras, o añadir grupos sustituyentes a los mesógenos aromáticos.
En los LCP de cadena lateral, los mesógenos se encuentran en las cadenas laterales del polímero. [11] Los mesógenos generalmente están unidos a la columna vertebral a través de espaciadores flexibles, aunque para algunos LCP, las cadenas laterales se unen directamente a la columna vertebral. Si los mesógenos están directamente vinculados a las columnas vertebrales, la conformación en forma de espiral de las columnas vertebrales 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 se pueden dividir aproximadamente en dos subcategorías según el mecanismo de agregación y ordenación, pero la distinción no está definida de manera rígida. Los LCP se pueden transformar en cristales líquidos con más de un método. [10]
Los LCP de cadena principal liotrópica tienen núcleos mesógenos rígidos (como anillos aromáticos) en la columna vertebral. [12] 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 disolvente fuerte para disolver los polímeros liotrópicos de la cadena principal. Cuando la concentración de los polímeros alcanza una concentración crítica, las mesofases comienzan a formarse y la viscosidad de la solución polimérica 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 consistir en segmentos tanto hidrofóbicos como hidrofílicos. Normalmente, los extremos de las cadenas laterales son hidrófilos. Cuando se disuelven en agua, se formarán micelas debido a la fuerza hidrofóbica. Si la fracción en volumen de los polímeros excede la fracción en volumen crítica, los segregados micelares se empaquetarán para formar una estructura de cristal líquido. Como la concentración varía por encima de la fracción de volumen crítica, el cristal líquido generado puede empaquetarse 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 tensioactivos de alquilpolioxietileno unidos a polímeros de polisiloxano, se pueden usar en productos de cuidado personal como el jabón líquido.
El estudio de los LCP termotrópicos fue catalizado por el éxito de los LCP liotrópicos. [13] Los LCP termotrópicos solo se pueden procesar cuando la temperatura de fusión está muy por debajo de la temperatura de descomposición. Cuando están por encima de la temperatura de fusión pero por debajo del punto de aclaración , los LCP termotrópicos formarán cristales líquidos. Por encima del punto de limpieza, la masa fundida será isotrópica y clara 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 las LCE en 1981. Las 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. [2] Se pueden introducir nanomateriales en matrices LCE (compuestos basados en LCE) para proporcionar diferentes propiedades y adaptar la capacidad de los LCE para responder a diferentes estímulos. [4]
Los LCE tienen muchas aplicaciones. Por ejemplo, las películas 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 usan comúnmente en gafas 3D, retardadores estampados para pantallas transflectivas y pantallas LC de panel plano. La modificación del LCE con azobenceno le permite mostrar propiedades de respuesta a la luz. Se puede aplicar para humectabilidad controlada, lentes autónomas y superficies hápticas. [3] Además de la aplicación de visualización, la investigación se ha centrado en otras propiedades interesantes, como sus respuestas mecánicas especiales térmicamente y fotogeneradas a macroescala, lo que significa que pueden ser buenos actuadores. [2]
Los LCE se utilizan para fabricar actuadores y músculos artificiales para robótica . Se han estudiado para su uso como absorbentes de energía livianos, con aplicaciones potenciales en cascos, chalecos antibalas y parachoques de vehículos, utilizando vigas inclinadas de LCE de múltiples capas, intercaladas entre estructuras de soporte rígidas. [14]
Los LCE sintetizados a partir de precursores poliméricos se pueden dividir en dos subcategorías: [4]
Poli(hidrosiloxano): se aplica una técnica de reticulación de 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 tanto, la orientación se mantiene en el elastómero mediante reticulación. De esta manera se pueden producir LCE de cadena lateral altamente ordenadas, que también se denominan LCE monocristalinos o monodominio.
LCP: con LCP como precursores, se puede aplicar un método similar de dos pasos. Los LCP alineados mezclados con reticulantes multifuncionales generan LCE directamente. Primero se calienta la mezcla hasta alcanzar un nivel isotópico. [ se necesita aclaración ] Las fibras se extraen de la mezcla y luego se reticulan, por lo que la orientación puede quedar atrapada en el LCE. Sin embargo, está limitado por la dificultad de procesamiento provocada por la alta viscosidad del material de partida.
Los monómeros de cristal líquido de baja masa molar 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 baja masa molar se pueden alinear no sólo mediante alineación mecánica, sino también mediante alineación superficial diamagnética y dieléctrica. Por ejemplo, la polimerización por crecimiento gradual de radicales tiol-eno y la adición de Michael producen LCE bien ordenados. [15] Esta también es una buena manera de sintetizar LCN vítreos de moderada a densamente reticulados.
La principal diferencia entre LCE y 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 generalmente provienen de polisiloxanos reticulados. [dieciséis]
Una clase única de poliésteres aromáticos parcialmente cristalinos basados en ácido p-hidroxibenzoico y monómeros relacionados , los polímeros de cristal líquido son capaces de formar regiones de estructura altamente ordenada mientras están en fase líquida. Sin embargo, el grado de orden es algo menor que el de un cristal sólido normal. Normalmente, los LCP tienen una alta resistencia mecánica a altas temperaturas, resistencia química extrema, retardo de llama inherente y buena resistencia a la intemperie. Los polímeros de cristal líquido vienen en una variedad de formas, desde compuestos sinterizables a alta temperatura 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 alto coeficiente de expansión térmica en el eje Z.
Los LCP son excepcionalmente inertes. Resisten el agrietamiento por tensión en presencia de la mayoría de los productos químicos a temperaturas elevadas, incluidos hidrocarburos aromáticos o halogenados , ácidos fuertes, bases, cetonas y otras sustancias industriales agresivas. La estabilidad hidrolítica en agua hirviendo es excelente. Los ambientes que deterioran los polímeros son el vapor de alta temperatura, el ácido sulfúrico concentrado y los materiales cáusticos en ebullición .
Los LCP polares y bolicos son ferroeléctricos , con un tiempo de reacción de orden de magnitud menor que el de los LC convencionales y podrían usarse para fabricar interruptores ultrarrápidos. Los polímeros columnares bohólicos poseen tubos largos y huecos; con átomos de metal o de metales de transición añadidos al tubo, podrían potencialmente formar superconductores de Tc ultraalta . [17]
Debido a sus diversas propiedades, los LCP son útiles para piezas eléctricas [18] y mecánicas, recipientes de alimentos y cualquier otra aplicación que requiera inercia química y alta resistencia. LCP es particularmente bueno para la electrónica de frecuencia de microondas debido a las constantes dieléctricas relativas bajas, los bajos factores de disipación y la disponibilidad comercial de laminados. Los sistemas microelectromecánicos de envasado (MEMS) es otra área en la que LCP ha ganado más atención recientemente. Las propiedades superiores de los LCP los hacen especialmente adecuados para componentes de sistemas de encendido de automóviles, conectores de bujías de calentadores, portalámparas, componentes de sistemas 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 computadoras , 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. [19] [20]
Los fabricantes venden LCP con diversos nombres comerciales. Éstas incluyen: