液晶ポリマー

液晶ポリマー（LCP）は液晶の特性を持つポリマーで、通常はメソゲンとして芳香族環を含んでいます。架橋されていないLCPにもかかわらず、液晶エラストマー（LCE）^[1]や液晶ネットワーク（LCN）などのポリマー材料も液晶性を示すことができます。これらは両方とも架橋LCPですが、架橋密度が異なります。^[2]これらはデジタルディスプレイ市場で広く使用されています。^[3]さらに、LCPは熱作動、異方性膨張、柔らかい弾性などのユニークな特性を持っています。そのため、優れたアクチュエーターやセンサーになることができます。^[4] LCPの最も有名で古典的な用途の1つはケブラーです。これは強くて軽い繊維で、幅広い用途があり、特に防弾チョッキに使用されています。   

ポリマーの液晶性は、ポリマーを溶媒に溶解することによって（リオトロピック液晶ポリマー）、またはポリマーをそのガラス転移点または融点以上に加熱することによって（サーモトロピック液晶ポリマー）発生する可能性がある。^[6]液晶ポリマーは、溶融/液体または固体の形で存在する。^[7]固体の形態では、リオトロピックLCPの主な例は、ケブラーとして知られる市販のアラミドである。このアラミドの化学構造は、アミド基で結合した線状置換芳香族環からなる。同様に、サーモトロピックLCPのいくつかのシリーズが、いくつかの企業によって商業的に生産されている。

1980 年代に製造された多数の LCP は、非ポリマー液晶に見られるのと同様の溶融相での秩序を示しました。液晶相 (または中間相) から LCP を処理すると、中間相での高分子配向から得られる自己強化特性の結果として、高い機械的特性を持つ繊維や注入材料が生成されます。

LCPは従来の装置で高速溶融加工が可能で、金型の細部を非常に忠実に再現します。LCPの成形の容易さは、他のプラスチックに対する重要な競争上の優位性であり、原材料費の高さを相殺します。^[8]

極性およびボウル型LCPは、独特の特性と潜在的な用途^{[説明が必要]}を持っているが、工業用途では広く生産されていない。^[9]

小分子液晶と同様に、液晶ポリマーにもさまざまな中間相があります。ポリマーのメソゲンコアは、ネマチック、コレステリック、スメクチック、および極性の高い末端基を持つ化合物など、さまざまな中間相に凝集します。^{[10]中間相に関する詳細は、}液晶のページ をご覧ください。

LCPは液晶コアの位置によって分類されます。LCPのさまざまなクラスの作成と研究により、LCPの分類を支援するためにさまざまな接頭辞が使用されています。^[10]主鎖液晶ポリマー（MCLCP）は主鎖に液晶コアを持っています。対照的に、側鎖液晶ポリマー（SCLCP）は液晶コアを含むペンダント側鎖を持っています。^[10]

主鎖 LCP はポリマー骨格に剛性の棒状メソゲンを持ち、間接的にこの種の LCP の融点が高くなります。この種のポリマーを加工しやすくするために、柔軟な配列を導入したり、曲げやねじれを導入したり、芳香族メソゲンに置換基を追加したりするなど、さまざまな方法を適用して転移温度を下げます。

側鎖型LCPでは、メソゲンはポリマー側鎖にあります。^[11]メソゲンは通常、柔軟なスペーサーを介してバックボーンに結合していますが、いくつかのLCPでは側鎖がバックボーンに直接結合しています。メソゲンがバックボーンに直接結合している場合、バックボーンのコイル状の構造により、メソゲンが配向構造を形成するのが妨げられます。逆に、バックボーンとメソゲンの間に柔軟なスペーサーを導入することで、メソゲンの配列をバックボーンの構造から切り離すことができます。

LCP中のメソゲンは、さまざまな条件下で自己組織化して液晶領域を形成できます。LCPは、凝集と秩序化のメカニズムに基づいて2つのサブカテゴリに大まかに分類できますが、その区別は厳密に定義されていません。LCPは、複数の方法で液晶に変換できます。^[10]

リオトロピック主鎖LCPは、骨格に剛性のメソゲンコア（芳香環など）を持っています。^[12]このタイプのLCPは、メソゲンコアの凝集だけでなく、剛性の鎖構造のために液晶を形成します。剛性構造のため、リオトロピック主鎖ポリマーを溶解するには強力な溶媒が必要です。ポリマーの濃度が臨界濃度に達すると、メソフェーズが形成され始め、ポリマー溶液の粘度が低下し始めます。リオトロピック主鎖LCPは、主にケブラーなどの高強度繊維の生成に使用されてきました。

側鎖型 LCP は通常、疎水性セグメントと親水性セグメントの両方から構成されます。通常、側鎖の末端は親水性です。水に溶解すると、疎水力によりミセルが形成されます。ポリマーの体積分率が臨界体積分率を超えると、ミセルが分離して液晶構造を形成します。臨界体積分率を超えると濃度が変化するため、生成される液晶は異なる構造に充填される可能性があります。温度、ポリマーの剛性、ポリマーの分子量は、液晶の変化に影響を与える可能性があります。

ポリシロキサンポリマーに結合したアルキルポリオキシエチレン界面活性剤などのリオトロピック側鎖 LCP は、液体石鹸などのパーソナルケア製品に使用できます。

サーモトロピックLCPの研究は、リオトロピックLCPの成功によって促進されました。^[13]サーモトロピックLCPは、融点が分解温度よりはるかに低い場合にのみ処理できます。融点以上で透明点未満の場合は、サーモトロピックLCPは液晶を形成します。透明点を超えると、溶融物は等方性で再び透明になります。

液晶ポリマーをガラス転移温度以下に急冷することで、凍結液晶が得られます。共重合により、融点と中間相温度を調整できます。

フィンケルマンは1981年に初めてLCEを提案しました。LCEは研究者や産業界の注目を集めました。LCEはポリマー前駆体とモノマーの両方から合成できます。LCEは熱、光、磁場に反応します。^[2]ナノ材料をLCEマトリックス（LCEベースの複合材料）に導入してさまざまな特性を持たせたり、さまざまな刺激に反応するLCEの能力を調整したりできます。^[4]

LCE には多くの用途があります。たとえば、LCE フィルムは異方性構造のため、光学リターダとして使用できます。透過光の偏光状態を制御できるため、3D メガネ、半透過型ディスプレイのパターン リターダ、フラット パネル LC ディスプレイによく使用されます。アゾベンゼンで LCE を修飾すると、光応答特性を示すことができます。制御された濡れ性、自律レンズ、触覚表面に適用できます。^[3]ディスプレイ アプリケーション以外にも、特殊な熱および光生成マクロスケールの機械的応答など、他の興味深い特性にも研究が焦点を当てており、優れたアクチュエーターになる可能性があることが示されています。^[2]

LCEはロボットのアクチュエータや人工筋肉の製造に使用されています。LCEは軽量エネルギー吸収体としての研究が行われており、剛性のある支持構造の間に挟まれたLCEの多層傾斜梁を使用して、ヘルメット、防弾チョッキ、車両のバンパーなどに応用される可能性があります。^[14]

高分子前駆体から合成されたLCEは2つのサブカテゴリーに分けられる：^[4]

ポリ(ヒドロシロキサン): 2 段階の架橋技術が、ポリ(ヒドロシロキサン)から LCE を誘導するために使用されます。ポリ(ジドロシロキサン)は、モノビニル官能化液晶モノマー、多官能ビニル架橋剤、および触媒と混合されます。この混合物は、モノマーがポリ(ジドロシロキサン)骨格に結合した弱架橋ゲルを生成するために使用されます。最初の架橋ステップ中またはその直後に、機械的配向方法によってゲルのメソゲンコアに配向が導入されます。その後、ゲルは脱水され、架橋反応が完了します。したがって、架橋によってエラストマーの配向が維持されます。このようにして、高度に秩序化された側鎖 LCE を生成できます。これは、単結晶またはモノドメイン LCE とも呼ばれます。

LCP: LCP を前駆体として使用して、同様の 2 段階法を適用できます。多機能架橋剤と混合された整列 LCP は、直接 LCE を生成します。混合物は最初に同位体になるまで加熱されます。^{[説明が必要]}混合物から繊維が引き出され、次に架橋されるため、配向が LCE に閉じ込められます。ただし、出発物質の高粘度が原因で処理が困難になるという制限があります。

液晶低分子量モノマーを架橋剤および触媒と混合する。モノマーを配向させてから重合させることで配向を維持することができる。この方法の利点の1つは、低分子量モノマーを機械的配向だけでなく、反磁性、誘電性、表面配向によっても配向できることである。例えば、チオール-エンラジカル段階成長重合およびマイケル付加により、秩序だったLCEが生成される。^[15]これは、中程度から高密度に架橋されたガラス状LCNを合成するのに適した方法でもある。

LCEとLCNの主な違いは架橋密度です。LCNは主に（メタ）アクリレートベースの多官能モノマーから合成されますが、LCEは通常架橋ポリシロキサンから合成されます。^[16]

液晶ポリマーは、 p-ヒドロキシ安息香酸と関連モノマーに基づく、部分的に結晶性の芳香族ポリエステルのユニークなクラスであり、液相で高度に秩序だった構造の領域を形成できます。ただし、秩序の度合いは通常の固体結晶よりもいくらか低くなります。通常、LCP は高温で高い機械的強度、極めて高い耐薬品性、固有の難燃性、および優れた耐候性を備えています。液晶ポリマーには、高温で焼結可能な化合物から射出成形可能な化合物まで、さまざまな形式があります。LCP は溶接できますが、溶接によってできた線が最終的な製品の弱点になります。LCP は Z 軸の熱膨張係数が高くなっています。

LCP は極めて不活性です。芳香族炭化水素やハロゲン化炭化水素、強酸、塩基、ケトン、その他の腐食性の高い工業物質など、高温でのほとんどの化学物質の存在下で応力亀裂が生じません。沸騰水中での加水分解安定性は優れています。ポリマーを劣化させる環境は、高温の蒸気、濃硫酸、沸騰した腐食性物質です。

極性およびボウル型LCPは強誘電体であり、反応時間は従来のLCよりも桁違いに短く、超高速スイッチの製造に使用できます。ボウル型柱状ポリマーは長い中空のチューブを持ち、チューブに金属または遷移金属原子を追加すると、超高温超伝導体になる可能性があります。 [ ^17]

LCP はさまざまな特性を備えているため、電気部品^[18]や機械部品、食品容器、および化学的不活性と高強度が求められるその他の用途に有用です。LCP は、比誘電率、散逸率が低く、ラミネートが市販されているため、マイクロ波周波数エレクトロニクスに特に適しています。マイクロ電気機械システム(MEMS) のパッケージングは​​、LCP が最近注目を浴びているもう 1 つの分野です。LCP の優れた特性により、自動車の点火システム部品、ヒータープラグコネクタ、ランプソケット、トランスミッションシステム部品、ポンプ部品、コイルフォーム、日光センサー、自動車の安全ベルト用センサーに特に適しています。LCP はコンピューターファンにも適しており、その高い引張強度と剛性により、設計公差の厳しさ、パフォーマンスの向上、ノイズの低減が可能になりますが、コストは大幅に高くなります。^{[19] [20]}

LCP は、さまざまな商品名でメーカーから販売されています。これには次のものが含まれます。

• ゼナイト
• ベクトラ
• ラペロス
• ゼナイト 5145L
• ザイダー

• プロスペクター
• サンノゼ州立大学のボウル型液晶