Direkt zum Inhalt | Direkt zur Navigation

Eingang zum Volltext

Lizenz

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-74880
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7488/


Heinze, Patrick

Reorientierungs- und Prätransformationsverhalten chiral smektischer Hauptkettenelastomere

Reorientational and pretransformational behavior of chiral smectic main-chain elastomers

Dokument1.pdf (11.141 KB) (md5sum: d24bff609984769b847ec0602263885b)

Kurzfassung in Deutsch

Ferroelektrische Flüssigkristallelastomere weisen technisch interessante Charakteristika wie Fre-quenzverdoppelung, elektrisch induzierte Formänderung und Piezoelektrizität auf. Die technische Anwendung solcher Elastomere setzt detaillierte Kenntnisse bezüglich der mechanischen Eigenschaften sowie der Darstellung makroskopisch einheitlich geordneter smektischer Schichtstrukturen voraus. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, die mechanischen und elektromechanischen Eigenschaften sowie das Reorientierungs- und Prätransformationsverhalten flüssigkristalliner Hauptkettenelastomere mit SmC*-Phasenstruktur zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein chirales Auxiliar mit hohem Querdipolmoment dargestellt und in verschiedenen Konzentrationen in Polymernetzwerke mit SmC-Phasenstruktur integriert.
Die Phasenumwandlungs- und Glasübergangstemperaturen der Elastomere verschieben sich mit zunehmender Dotierung zu niedrigeren Temperaturen. Die Klärpunkte liegen in einem experimentell gut zugänglichen Temperaturbereich. Durch die niedrigen Glasübergangstemperaturen sind die Netzwerke auch bei Raumtemperatur elastisch. Der nematische Ordnungsgrad sowie die Korrelationslänge der smektischen Schichten sind unabhängig von der Dotierung. Die mechanischen und thermoelastischen Eigenschaften der Netzwerke sind in der homologen Reihe ebenfalls unabhängig vom Dotierungsgrad.
Beim Abkühlen aus der isotropen Phase gehen sämtliche untersuchten Elastomere direkt in die smektische Phase über. Jedoch zeigen die Proben bei Annäherung an die Phasenumwandlung isotrop-smektisch ein Prätransformationsverhalten, wie es auch für nematische Elastomere gefunden wird. Es liegt eine in Bezug auf die smektische Phase monotrop nematische Phase vor.
Die Ausbildung der smektischen Schichtstruktur erfolgt im Fall der höher dotierten Elastomere un-mittelbar oberhalb der Phasenumwandlung isotrop-smektisch. Dabei bilden sich zunächst schwach korrelierte, ungeordnete Schichten mit einer SmA-artigen Struktur, die bei weiterer Annäherung an die Phasenumwandlung kontinuierlich in die typische SmC-Struktur mit verkippter Schichtnormale übergehen. In den untersuchten Elastomeren wirken lokale Defekte, wie etwa Vernetzungspunkte oder Verschlaufungen und Rückfaltungen der Polymerkette, als stationäre Unordnung und stören die Korrelation der smektischen Schichten.
Um makroskopisch polare Elastomere mit einheitlicher Schichtorientierung der SmC*-Phase zu er-halten, wurden diese in verschiedenen Geometrien geschert. Bei der Scherung senkrecht zum Direktor spaltet sich die Probe in Domänen zweier unterschiedlicher Direktor- und Schichtorientierungen auf. Die Ausrichtung der smektischen Schichtnormalen erfolgt dabei nur teilweise. Eine weitere Reorientierungsgeometrie, bei der ein Scherfeld senkrecht zur Schichtnormalen angelegt wird, konnte erfolgreich zur Darstellung eines SmC-Elastomers mit einheitlicher Schichtstruktur genutzt werden. Die experimentellen Befunde bestätigen die Vorhersagen eines von Adams und Warner, Cavendish Laboratory, Cambridge, England entwickelten theoretischen Modells qualitativ.
Alle Elastomere zeigen bei Scherung senkrecht zum Direktor eine makroskopische Ausrichtung der Schichtnormalen und damit der Polarisationsvektoren. Mit etwa 30 nC/cm2 liegt die Spontanpolarisation im Bereich niedermolekularer Systeme, ist jedoch nur etwa halb so hoch wie die für ein strukturell identisches, niedermolekulares chirales Auxiliar gefundene. Berücksichtigt man die im Röntgenstreuexperiment festgestellte anteilige Reorientierung der Schichten, so ergibt sich für die hier untersuchten Elastomere eine etwa doppelt so hohe hypothetische Gesamtpolarisation.


Kurzfassung in Englisch

Ferroelectric liquid crystalline elastomers show features such as second harmonic generation, electrically induced change of shape, and piezoelectricity. To employ these materials in technical applications, a detailed understanding of their mechanical properties is required. Moreover, methods to achieve a macroscopically uniform alignment of the smectic layers are needed. In this work, the mechanical and electromechanical properties, as well as the reorientational and pretransformational behavior of chiral smectic-C liquid crystalline elastomers were studied. The siloxane-based elastomers were obtained via copolymerization of a smectic-C host monomer and a chiral auxiliary monomer that has a large lateral dipole moment. Several coelastomers with a content of the chiral dopant between 0 and 15 wt.-% were synthesized and investigated.
The phase transformation temperature and glass transition temperatures are lowered with increasing fraction of the chiral auxiliary. Clearing temperatures generally are in a reasonable regime that can easily be reached by experimental means. The polymer network is elastic at room temperature due to the low glass transition temperatures. The nematic order parameter and the smectic layers’ correlation length are the same for all dopant concentrations. The mechanical and thermoelastic properties are independent of the dopant content.
Upon cooling from the isotropic phase, all elastomers enter directly into the smectic phase. How-ever, as the smectic phase is approached, a nematic-like pretransformational behavior is observed. Thus, the elastomers show a nematic phase that is monotropic with respect to the smectic phase.
The smectic layer structure is formed immediately above the transformation from the isotropic to the smectic phase. In this process, weakly correlated and weakly ordered layers of a smectic-A-like symmetry develop. When approaching the phase transformation temperature, these layers are undergoing a continuous change toward a smectic-C-structure with a tilted layer normal. In these elastomers, local defects such as crosslinking points and entropically favored hairpin-structures present quenched disorder that perturbs the correlation of the smectic layers.
To produce macroscopically polar elastomers with a uniform layer orientation, shear deformation was employed in two different directions. Upon shearing perpendicular to the director, the sample breaks up into domains of independent director and layer orientations. The smectic layers are only partially aligned. In a second shear experiment, the shear was employed perpendicular to the layer normal. Here, a macroscopically uniform layer orientation was achieved. The experimental data is in qualitative accordance with predictions of a theoretical model developed by Dr. James Adams of the department of physics, University of Surrey, UK and Prof. Dr. Mark Warner of the Cavendish Laboratory, Cambridge, UK.
All elastomers show a macroscopic realignment of the layer normals and thus of the microscopic dipole moment upon shear perpendicular to the director. A macroscopic spontaneous polarization is found that is linearly dependent on the concentration of the chiral dopant.


SWD-Schlagwörter: Elastomer
Freie Schlagwörter (deutsch): ferroelektrisch , flüssigkristallin , smektisch , reorientierung , monotrop nematisch
Freie Schlagwörter (englisch): ferroelectric , liquid crystalline , smectic , reorientation , monotropic nematic
Institut: Institut für Makromolekulare Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Finkelmann, Heino (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.04.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 07.05.2010
Bemerkung: Patrick Heinze, Heino Finkelmann,
Indexliste