Vitrages oui versent
Les cristaux liquides, comme leur nom l'indique, sont des matériaux liquides, de sorte qu'ils sont capables de couler. Mais d'autre part, quand il s'agit de cristaux, ils indiquent une certaine ordination, anisotropie ou un tel mesomorphisme. Ils ne sont pas comme les liquides isotropes qui sont versés. L'existence de ce type de matériaux a été détectée il y a 100 ans et depuis, plusieurs cristaux liquides ont été trouvés. Parmi elles, diverses substances naturelles et biopolymères: collagène, mosaïque virus du tabac, cholestérol, poly(benzil —L— glutamate), certains dérivés de la cellulose, etc.
Ils peuvent être des cristaux liquides, lyotropes ou thermotropiques. Dans le premier cas, l'état de christalité, exprimé en termes d'ordination, anisotropie ou mesomorphisme, apparaît dans un système dissous. Dans les systèmes thermotropicaux, nous nous trouvons face à un liquide conflictuel, car il a dépassé sa température de transition vitrée ou de fusion. En ce qui concerne la classe d'ordination, les systèmes nématiques (qui indiquent le niveau d'ordre), les systèmes colestériques (d'ordre moyen) et les systèmes smétalliques (d'ordre maximum) sont classés.
Cristaux liquides les plus connus dans le commerce
Les matériaux utilisés en optique et optoélectronique sont les colestériques (également appelés “twisted nematic”). Dans ces systèmes, la direction principale de l'ordre moléculaire change de plan en plan, comme le montre la figure ci-jointe ; la longueur d'onde réfléchie par le matériau est = np, l'indice de réfraction étant n et p la distance nécessaire pour que la direction principale des molécules tourne l'angle 2.
Les applications pratiques sont basées sur la variation du paramètre p. En appliquant un champ mécanique, électrique, magnétique ou thermique faible, p change la couleur du verre liquide ou la transmission de lumière. Certaines propriétés chimiques du média peuvent également modifier le paramètre p.
Le comportement cholestérol a été observé dans les estérols. Par exemple, entre phénylcyclohexanone, phényldioxane, xianophilpyrimidine, etc. Ce ne sont pas des molécules de poids moléculaire élevé et leur viscosité n'est donc pas élevée. Ce dernier point est important car les temps de réponse doivent être très réduits pour que ces matériaux soient utilisés dans des dispositifs optiques. Pour que le temps de réponse soit inférieur à 100 millisecondes (plus le temps serait trop lent) la viscosité à température ambiante doit être de 0.2.
Cristaux liquides polymériques
Bien que les cristaux liquides les plus connus et pour l'instant les plus utilisés sont les esters cholestérol à faible poids moléculaire, cette dernière décennie marque l'augmentation des polymères nématiques. En fait, la plupart des cristaux liquides polymériques sont nématiques. Il existe des polymères cholestérol, mais de faible praticité. En raison de son poids moléculaire élevé, la viscosité est beaucoup plus grande que le 0.2 poise mentionné ci-dessus et le temps de réponse est très long (Où pouvons-nous aller avec un matériau qui a besoin de deux heures pour changer de couleur? ).
L'avantage des cristaux liquides polymériques ne réside pas dans leurs propriétés optiques mais dans leurs propriétés de flux et surtout dans leurs propriétés mécaniques. Les propriétés mécaniques des polymères conventionnels ne sont pas très élevées. Si nous ne considérons que les angles de jonction et les longueurs de liaison qui interviennent dans la chaîne polymère, les modules E de Young qui pourraient théoriquement être obtenus seraient très élevés, mais ceux qui sont obtenus dans la réalité sont très faibles. Dans le tableau suivant, on peut apprécier cette différence significative, qui est due au fait que les polymères classiques ne forment pas des fils étirés mais des fils enroulés. Dans tous les cas, il convient de souligner le comportement de KEVLAR, qui dans ce cas nous montre une valeur expérimentale et théorique assez proche, et qui est beaucoup plus grande que les valeurs des autres polymères.
Ce comportement particulier n'est pas surprenant si l'on considère que le KEVLAR est un cristal liquide polymérique : le système lyotrope qui forme la poly (téréphtalamide des phénoles) dissoute en sulfurique. Les poly(téréphtalamide des phénylles) sont des chaînes très rigides (polymères de type « rod-like » ou bâton, semblables au virus de la mosaïque du tabac) qui sont déplacées par un tri nématique pendant le flux, qui est maintenu lorsque le solvant est éliminé. Cette structure stretch permet d'obtenir d'excellentes propriétés mécaniques dans ces matériaux, car étant aussi rigide la chaîne polymère ne s'enroule pas comme dans les chaînes polymères flexibles conventionnelles. Dans ce cas, la valeur du module Young est uniquement due aux angles de liaison et aux longueurs de liaison.
Il est intéressant de comparer les propriétés mécaniques de KEVLAR avec celles d'un acier commun. Pour la fibre KEVLAR, le module Young peut être de 1200 grammes/total (en termes de densité équivaut à 15x1010 pascales) et sa résistance de traction de 30 grammes/total (c'est-à-dire 3.85x109 pascales). Pour l'acier, nous avons 300 grammes/denier (20x1010 pascales) dans le module et 4.5 grammes/denier (3.05x109 pascales) en résistance de traction. Par conséquent, comparé en poids, on peut affirmer que les propriétés mécaniques de ces matériaux polymères sont meilleures que celles de l'acier.
La fibre de KEVLAR que nous entendons est un cristal liquide lyotrope. Par conséquent, il a toujours besoin de la présence de solvant pour maintenir l'anisotropie à l'état liquide, ce qui génère de graves problèmes technologiques. Pendant le processus d'enroulement, le sulfurique doit être éliminé et le processus est grandement apprécié. De plus, pour cette raison, les liotropes ne peuvent faire que des fils ou des fibres et il n'est pas possible de réaliser un moulage par injection avec ces matériaux.
Il y a quelques années, le Tennessee Eastman a breveté le premier polymère thermotropique qui pourrait être utile. Depuis lors Celanese (aujourd'hui Hoestch-Celanese), I.C.I. D'autres maisons ont lancé des cristaux liquides polymères thermotropicaux. Ces thermotropiques sont généralement des copolymères formés par des groupes rigides, tels que les acides naphtoniques et benzoaires, et les polymères malignes. Un avantage de ces copolyesters par rapport aux liotropes de type KEVLAR est que pour conserver l'anisotropie à l'état liquide, ils n'ont pas besoin de solvants. Par conséquent, ils peuvent être extrudés, bobinés et injectés, le processus étant beaucoup plus simple. Pendant ces opérations de traitement, les thermotropiques forment de petites fibres qui rappellent la structure fibreuse du bois.
En plus des excellentes propriétés mécaniques mentionnées, une autre des propriétés remarquables des cristaux liquides polymériques est leur traitabilité. Comme les chaînes rigides prennent la direction du flux pendant le flux, la viscosité à égalité de conditions est généralement inférieure à celle du polymère conventionnel. Grâce à leur faible viscosité, ils peuvent facilement être injectés dans des moules très compliqués.
Le troisième avantage des cristaux liquides polymériques est leur stabilité dimensionnelle. Dans les polymères conventionnels, les contraintes générées dans le procédé (extrusion ou injection) sont gelées lors du refroidissement du polymère et peuvent être récupérées au fil du temps en modifiant les dimensions initiales du matériau (par “shrinkage” ou réduction). Cela ne se produit pas dans les polymères thermotropicaux, donc ils peuvent être utilisés dans la construction de circuits imprimés en électronique. Par exemple, lors de la soudure de ces circuits pendant la phase de vapeur, leur contraction est inférieure à celle des substrats des oxydes d'aluminium.
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