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

Bu iki aşamalı reaksiyonun genel amacı, kolay, uyarlanabilir ve ölçeklenebilir bir reaksiyonun nasıl kullanılacağı veya kapsamlı mekanik çalıştırma için bir numunenin mekanik olarak nasıl programlanacağı gibi sıvı kristal elastomerlerin birçok teknik engelinin üstesinden gelmeye yardımcı olmaktır. Bu yöntem bize, LCE'ler alanındaki temel soruları araştırmak ve bu materyalleri kimya ve sentez konusunda kapsamlı bir geçmişe sahip olmayan araştırmacılar için daha erişilebilir hale getirmek için çok yönlü bir platform sağlar. Bu tekniği kullanmanın bir avantajı, tiyol ve akrilat kimyalarını kullanarak, araştırmacılara kullanılan monomer ve mezojenlerin miktarlarını ve türlerini basitçe ayarlayarak yapı, özellik, performans ilişkilerini araştırmak için çok kolay bir yol sunmasıdır.

Sıvı kristalli elastomerde bir monodomainin oluşturulması, özellikle nispeten kalın bir numune olmak üzere her zaman bir zorluk olmuştur. Genel olarak, kristal-elastomere baktığı bilinen bireyler, sentezin zorluğu nedeniyle mücadele edeceklerdir. Bu prosedürü gösteren lisans öğrencileri Victoria Dorr ve Michael Bollinger olacaktır.

Başlamak için, 30 mililitrelik bir şişeye 4 gram RM257 ekleyin. RM257 bir diakrilat mezojendir ve bir toz olarak alınır. RM257'yi önce ağırlıkça yüzde 40 toluen ekleyerek çözün.

Daha sonra sıcak bir plaka üzerinde 80 santigrat dereceye ısıtın. RM257'nin bir çözelti içinde çözülmesi genellikle 5 dakikadan az sürer. Çözeltiyi oda sıcaklığına soğuttuktan sonra, 0.217 gram tetratiyol çapraz bağlama monomeri PETMP ekleyin.

Bir sonraki adım, dithiol monomerini eklemektir. Bu çalışmada, sıvı formda son derece güçlü bir kokuya sahip olan daha kısa, daha düşük moleküler ağırlıklı ditioller yerine EDDET seçilmiştir. PETMP ve EDDET arasında yüzde 15 ila 85 veya 15 mol PETMP arasında tiyol fonksiyonel gruplarının molar oranıyla sonuçlanmak için 0.9157 gram EDDET ekleyin.

Daha sonra 0.0257 gram foto başlatıcı HHMP'yi çözelti içinde çözün. HHMP, ikinci aşama fotopolimerizasyon reaksiyonunu etkinleştirmek için kullanılır ve ikinci aşama reaksiyonu kullanılmayacaksa ihmal edilebilir. Dipropilamin veya DPA'yı 1:50 oranında toluen ile seyrelterek ayrı bir katalizör çözeltisi hazırlayın.

Monomer çözeltisine 0.568 gram seyreltilmiş katalizör çözeltisi ekleyin, bu da tiyol fonksiyonel gruplarına göre katalizörün yüzde 1'ine karşılık gelir. Bir girdap karıştırıcı üzerinde kuvvetlice karıştırın. Çözeltiye seyreltilmemiş katalizörler eklemekten kaçının, çünkü bu muhtemelen son derece hızlı lokalize polimerizasyona neden olacak ve polimer çözeltisinin istenen kalıplara manipülasyonunu önleyecektir.

Karıştırdıktan hemen sonra, karıştırmanın neden olduğu hava kabarcıklarını gidermek için monomer çözeltisini 508 milimetre cıvada 1 dakika boyunca bir vakum odasına yerleştirin. Çözeltiyi hemen istenen kalıba aktarın veya çözeltiyi iki cam slayt arasına enjekte edin. Kalıplar HDPE'den imal edilmelidir.

Michael ekleme reaksiyonu oksijen inhibisyonuna nispeten duyarsız olduğu için kalıpların örtülmesine gerek yoktur. Reaksiyonun oda sıcaklığında en az 12 saat devam etmesine izin verin. Çözelti ilk 30 dakika içinde jelleşmeye başlayacaktır.

Daha sonra numuneleri tolueni buharlaştırmak için 24 saat boyunca 80 santigrat derece ve 508 milimetre cıvada bir vakum odasına yerleştirin. Tamamlandıktan sonra, numuneler oda sıcaklığında parlak beyaz ve opak bir görünüme sahip olmalıdır. Tetrafonksiyonelin iki fonksiyonlu tiyol monomerlerine oranını sırasıyla 25:75, 50:50 ve 100:0 oranlarıyla uyarlamak için prosedürü tekrarlayın.

25 milimetre ölçü uzunluğuna ve 1 milimetreye 5 milimetre kesit alanına sahip bir HDPE özel köpek kemiği kalıbı hazırlayın. Bir cam pipet kullanarak, her kalıp boşluğunu kalıbın üst kısmı ile aynı hizaya gelene kadar yüzde 15 mol PETMT monomer solüsyonu ile doldurun. Numunelerin eskisi gibi kürlenmesine ve kurumasına izin verin.

Daha sonra, numunenin ölçüm uzunluğu içinde 5 ila 7 milimetre aralıklarla iki parça yansıtıcı lazer bandı yerleştirin. Numuneyi bir lazer ekstansometre, termal oda ve 500 Newton yük hücresi ile donatılmış mekanik bir test cihazına yükleyin. Numuneyi sabitlemek için kama veya kendiliğinden sıkılan çeneler kullanın.

Kendiliğinden sıkılan çeneler, numunenin yüksek gerinim değerlerinde yerinden çıkmasını önlemeye yardımcı olabilir. Uygulanan gerinimin bir fonksiyonu olarak uzunluktaki doğru değişikliği izlemek için lazer ekstansometreyi uygun şekilde hizalayın. Kalıcı bir işaretleyici kullanarak, her bir yansıtıcı bant parçasının diğer tarafında bir nokta işaretleyin ve noktalar arasındaki uzunluğu kaydedin.

Numuneleri oda sıcaklığında saniyede 0,2 milimetre yer değiştirme hızıyla yüzde 100, 200, 300 veya 400 gerinim ile süzün. İstenen gerinim seviyesini korurken, numuneden yaklaşık 150 milimetre uzakta bir UV lambası tutarken numuneyi 10 dakika boyunca santimetre kare başına yaklaşık 10 miliwatt yoğunlukta 365 nanometre UV ışık kaynağına maruz bırakın. Numuneyi boşaltın ve ardından çalıştırmayı indüklemek için izotropik geçiş sıcaklığının veya TI'nin üzerinde ısıtın.

Numunenin oda sıcaklığına soğumasını bekleyin ve noktalar arasındaki uzunluğu kaydedin. Ardından, metin protokolünde listelenen denklemi kullanarak sabitliği hesaplayın. Daha sonra, programlanan numunenin orta kısmından 30 milimetre uzunluğunda bir numune kesin.

Numuneyi dinamik bir mekanik analize veya DMA, test cihazına düzgün bir şekilde yükleyin. Numuneyi, 13 ila 15 milimetre arasında aktif uzunlukta çekme modunda test edin ve test kuponundaki tutamaklarını aşırı sıkmamaya dikkat edin. Numuneyi 0 Newton'luk bir ön yük altında 120 santigrat derecede dengeleyin, ardından numuneyi dakikada 3 santigrat derece hızında 120 ila 25 santigrat derece arasında soğutun.

Tüm test için ön kuvveti 0 Newton'da tutun. Ditiol ve tetratiol monomerleri arasındaki tiyol fonksiyonel gruplarının molar oranını uyarlayarak, malzemelerde çok çeşitli mekanik özellikler gösterilmiştir. Modül, başarısızlık gerinim ve yumuşak elastikiyet platosunun tümü, birinci aşama Michael ekleme reaksiyonu sırasında mevcut olan tetrafonksiyonel çapraz bağlayıcı miktarından etkilenir.

Cam geçiş davranışı, sentez sırasında kullanılan tetratiyol çapraz bağlayıcının molar oranı aracılığıyla da uyarlanabilir. Cam geçiş sıcaklığı, pnömatik modül ve izotropik modül, artan çapraz bağlayıcı konsantrasyonu ile artar. Bu malzemeler, cam geçişinden sonra ve pnömatik bölge boyunca tan delta fonksiyonlarının yüksek kalması bakımından benzersiz termomekanik davranış sergiler.

Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bu malzemelerin kırılma gerinimi, tan delta fonksiyonu ile aynı şekli takip eder ve cam geçiş sıcaklığına yakın bir maksimuma ulaşır. Bu platformu kullanarak, ikinci aşama reaksiyonun monodomainini kilitlemenin sabitliği veya verimliliği, uygulanan gerinimin bir fonksiyonu olarak ölçülebilir. Ayrıca, termal harekete geçirme büyüklüğünün, uygulanan programlama gerilimi ile doğrusal olarak arttığı görülmektedir.

Çok aşamalı tiyol akrilat reaksiyonunun kullanılması, LCE'lerin işlenmesini ve sentezlenmesini çok daha kolay hale getirir. Bu yöntemin görsel gösterimi, herkesin bu büyüleyici malzemeleri ticari olarak temin edilebilen mezojenler ve monomerlerle keşfedebileceğini göstermek için kritik öneme sahiptir. Bu videoyu izledikten sonra, kendi özel olarak uyarlanabilir sıvı-kristal elastomerlerinizi nasıl oluşturacağınızı ve bunları tersine çevrilebilir termal çalıştırma için nasıl programlayacağınızı iyi anlamış olmalısınız.

Tiyol akrilat reaksiyonunun ölçeklenebilir doğası nedeniyle, biyomedikal cihazlarda kullanılma potansiyeline sahip büyük numunelerde küçük ölçekli özellikler oluşturabiliyoruz. Bir kez öğrenildikten sonra, büyük bir sıvı-kristal elastomer numunesi partisinin karıştırılması yaklaşık bir saat sürer. Numunelerimizin gece boyunca kürlenmesine, ertesi gün kurumasına izin veriyoruz ve ardından birçok teknikten daha hızlı olan teste hazır hale geliyorlar.

Bu prosedürü denerken, ikinci aşama fotopolimerizasyon reaksiyonunu mümkün kılmak için fazla akrilat grubuna sahip olmayı unutmamak önemlidir. Tabii ki, akrilatın tiyol gruplarına stokiyometrik dengesini korursanız, yine de çok alanlı örnekleri sentezleyebilirsiniz. Bu prosedürü takiben, elastomerin mekanik özelliğini özel olarak uyarlamak ve polidomain, monodomain ve izotropik durum arasındaki geçiş sıcaklığını kontrol etmek için fotodesenleme gibi başka bir yöntem gerçekleştirilebilir.

Bu teknik şimdi dünyanın dört bir yanındaki malzeme bilimi mühendisleri için kapılar açıyor ve LCE'lerin mekanik ve optik özelliklerini oldukça kolay bir şekilde keşfetme araçları sağlıyor. Organik çözücüler ve monomerlerle çalışmanın tehlikeli olduğunu ve bu prosedürü gerçekleştirirken kişisel koruyucu ekipman giymek ve davlumbaz fanında çalışmak gibi önlemlerin her zaman alınması gerektiğini unutmayın.