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Publicação
Shape Programming of Liquid Crystal Elastomers by Two-Stage Wavelength-selective Photo- Polymerisation
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 12.39 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
The stimulus responsiveness properties of liquid crystal elastomers (LCEs) make them prime
candidates for actuator applications. Nevertheless, most LCE fabrication methods show critical
limitations, such as time-dependency and lack of control due to catalyst-based reactions. This work
proposes a novel two-step wavelength-selective photo-polymerisation (TWSP) reaction to synthesise
and program thermo-responsive LCEs. By harnessing the power of two photo-initiated reactions, this
method provides a higher tailorability control over the LCEs during both crosslinking stages. The
independent conversion of ~ 88% acrylates and ~ 26% oxetanes in two separate sequential photo-
polymerisation reactions was demonstrated. The LCEs made by TWSP were capable of actuating reversibly over multiple cycles of heating and cooling. It was observed that different alignments can
be effectively programmed. Moreover, the usage of different mesogens was viable and led to
changes in the LCEs’ properties. For instance, RM82-based stretched films suffered a 35.32% strain
variation across a 57 oC window, while C6BAPE-based ones showed a smaller variation of 17.39%, but
within a more restricted range of 20 oC. These contraction-based LCEs were found to be capable of
lifting a weight 488.81 times heavier than the film itself. A one-pot approach implementation in
TWSP showed promise for surface-switching applications but not for making free-standing films due
to lower elasticity. Additionally, the TWSP integration with 4D printing was explored with the goal of
programming more complex alignments and investigating the possibility of programming alignment
in both crosslinking stages. The alignment from printing was found to be sufficient for actuation.
However, a second programming in the alignment direction increased the order parameter, resulting
in a larger actuation and sharper transition of the LCEs. Conversely, a second programming in the
perpendicular direction to the alignment led the film to actuate from flat to a tunnel-like shape due
to the competing alignments.
Os elastómeros líquidos cristalinos (LCEs) distinguem-se pelas suas propriedades de resposta a estímulos, tornando-os promissores candidatos a atuadores. Contudo, muitos dos métodos de fabrico de LCEs apresentam limitações como a dependência do tempo e o reduzido controlo associado a reações com catalisadores. Este trabalho propõe uma inovadora reação de dois passos para a síntese e programação de LCEs termicamente responsivos, designada foto-polimerização seletiva de comprimento de onda (TWSP). A integração destas reações foto-iniciadas confere a este método maior controlo e manipulação das propriedades dos LCEs durante ambas as fases de reticulação. Observou-se a conversão independente de ~ 88% de acrilatos e ~ 26% de oxetanos em duas reações de foto-polimerização sequenciais separadas. Os LCEs fabricados por TWSP atuaram reversivelmente em múltiplos ciclos de aquecimento e arrefecimento. Diferentes alinhamentos foram programados eficazmente. A utilização de mesogéneos distintos resultou em alterações nas propriedades dos LCEs. Nomeadamente, os filmes esticados à base de RM82 demonstraram 35.32% de variação de forma (deformação) numa janela de 57 oC, enquanto os filmes à base de C6BAPE atuaram apenas 17.39%, mas numa gama mais restrita de 20 oC. Ao contrair os LCEs levantaram um peso 488.81 vezes superior ao peso do próprio filme. Combinar a abordagem one-pot com o TWSP mostrou-se favorável para aplicações em comutação de superfície, mas não para o fabrico de filmes soltos devido à sua menor elasticidade. Explorou-se a integração do TWSP com a impressão 4D visando programar alinhamentos mais complexos e em ambas as etapas de reticulação. Confirmou- se que o alinhamento por impressão é suficiente para ocorrer atuação. Porém, uma segunda programação no sentido do alinhamento da impressão aumentou o parâmetro de ordem, resultando numa maior atuação dos LCEs. Todavia, uma segunda programação na direção perpendicular ao alinhamento da impressão cria alinhamentos concorrentes levando à atuação do filme em formas mais complexas.
Os elastómeros líquidos cristalinos (LCEs) distinguem-se pelas suas propriedades de resposta a estímulos, tornando-os promissores candidatos a atuadores. Contudo, muitos dos métodos de fabrico de LCEs apresentam limitações como a dependência do tempo e o reduzido controlo associado a reações com catalisadores. Este trabalho propõe uma inovadora reação de dois passos para a síntese e programação de LCEs termicamente responsivos, designada foto-polimerização seletiva de comprimento de onda (TWSP). A integração destas reações foto-iniciadas confere a este método maior controlo e manipulação das propriedades dos LCEs durante ambas as fases de reticulação. Observou-se a conversão independente de ~ 88% de acrilatos e ~ 26% de oxetanos em duas reações de foto-polimerização sequenciais separadas. Os LCEs fabricados por TWSP atuaram reversivelmente em múltiplos ciclos de aquecimento e arrefecimento. Diferentes alinhamentos foram programados eficazmente. A utilização de mesogéneos distintos resultou em alterações nas propriedades dos LCEs. Nomeadamente, os filmes esticados à base de RM82 demonstraram 35.32% de variação de forma (deformação) numa janela de 57 oC, enquanto os filmes à base de C6BAPE atuaram apenas 17.39%, mas numa gama mais restrita de 20 oC. Ao contrair os LCEs levantaram um peso 488.81 vezes superior ao peso do próprio filme. Combinar a abordagem one-pot com o TWSP mostrou-se favorável para aplicações em comutação de superfície, mas não para o fabrico de filmes soltos devido à sua menor elasticidade. Explorou-se a integração do TWSP com a impressão 4D visando programar alinhamentos mais complexos e em ambas as etapas de reticulação. Confirmou- se que o alinhamento por impressão é suficiente para ocorrer atuação. Porém, uma segunda programação no sentido do alinhamento da impressão aumentou o parâmetro de ordem, resultando numa maior atuação dos LCEs. Todavia, uma segunda programação na direção perpendicular ao alinhamento da impressão cria alinhamentos concorrentes levando à atuação do filme em formas mais complexas.
Descrição
Palavras-chave
liquid crystal elastomers (LCEs) reactive mesogen alignment photo-polymerisation shape memory reversible actuation