Жидкие кристаллы в химической технологии. Жидкокристаллические полимеры

В основе каждого промышленного химического процесса лежит конкретная химическая реакция (или ряд реакций). Примеров химических процессов можно привести много, но нам хотелось бы сейчас остановиться на процессе получения кокса.

В первую очередь кокс необходим в доменном процессе выплавки чугуна. Кокс получают из лучших сортов каменного угля и нефти при их нагреве в бескислородной атмосфере. 10% добываемого каменного угля превращают в кокс.

Поэтому перед учеными встала задача повысить количественный выход кокса и улучшить его качество. Ведь от качества кокса зависит процент содержания углерода в стали, ее химические и механические свойства. Качество кокса зависит от его чистоты и кристаллической структуры.

Два с половиной столетия люди получали кокс и не подозревали, что в процессе его получения существенную роль играет жидкокристаллическое состояние вещества.

В 1977 г. индийский ученый Чандрасекар получил жидкокристаллическую фазу вещества с дископодобными молекулами и назвал ее дискотической. Подобные дискотики имеют непосредственное отношение к коксованию из остатков нефти. Сложные органические молекулы нефти имеют форму плоских дисков, укладывающихся столбиками. Такое расположение молекул бывает только в так называемой «пековой фазе». Пековая (жидкокристаллическая фаза) является промежуточным продуктом в процессе коксования.

Если коксование вести при температуре существования пековой фазы, то получающийся твердый кокс образуется из упорядоченной фазы и имеет хорошее упорядоченное строение. Таким образом, получение кокса непосредственно из жидкокристаллической фазы позволит значительно улучшить качество кокса и приведет к значительной экономии топлива.

Необходимо отметить, что применение жидких кристаллов в химической технологии — дело будущего. Выход конечных продуктов реакции может быть увеличен, если процесс вести в жидкокристаллических «матрицах», а не из изотропных растворов или расплавов.

Кроме увеличения выхода продуктов реакции, возможно придание им некоторых заданных механических свойств. Последнее утверждение хорошо иллюстрирует процесс получения жидкокристаллического полимерного волокна «Кевлар», о чем будет рассказано ниже.

Жидкокристаллические полимеры. Полимеры! Современная жизнь немыслима без полимеров. Где только не применяются сейчас эти материалы! Что же это такое?

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, гигантские молекулы которых построены из множества периодически повторяющихся элементарных звеньев. Для полимеров характерны чрезвычайно большие значения молекулярной массы — от десятков тысяч до нескольких миллионов.

Каким же образом к этой длинной, гигантской молекуле подобрались жидкие кристаллы?

Основной подход к получению термотропных жидкокристаллических полимеров заключается в «химическом связывании» полимерных цепей с молекулами обычных, низкомолекулярных жидких кристаллов. Причем химически связать молекулу жидкого кристалла с молекулой полимера (макромолекулой) можно двумя способами.

Давайте представим, что в нескольких местах мы разорвали макромолекулы (1) и эти оборванные концы химически «сшили» молекулами жидкого кристалла (2) (рис. 72): Получилась также макромолекула, но состоящая из чередующихся обрывков полимерной цепи (гибкие участки) и молекул жидкого кристалла (жесткие). Другой способ заключается в том, что к «полимерной веревке» (1) сбоку химически «подвешиваются» молекулы жидкого кристалла (2) (рис. 73).

Большой интерес представляют жесткоцепные ароматические полиамиды. Под этим названием скрывается полимерная молекула, состоящая из повторяющихся звеньев. В состав звеньев входит ароматическое кольцо в пара-положении а также сложноэфирные (—СО—О) и амидные (—СО—NH —) группы. В качестве примера можно указать мономер [—NH— —NH— —СО— —СО—], который, полимеризуясь, дает полимер, обладающий интересными свойствами, имеющими непосредственное отношение к жидким кристаллам.

Если растворить этот полимер в некотором органическом растворителе, то в нем появляется лиотропный жидкий кристалл. Палочкообразные молекулы имеют направление преимущественной ориентации, т. е. в таком растворе появляется анизотропия. Ученые-химики, исследующие подобные растворы, обнаружили интересную закономерность, которая касается получения полимерных волокон.

Процесс получения волокон называется прядением. При слове «прядение» мы сразу же представляем пряху, сидящую с прялкой. К процессу прядения полимерных волокон эта картина не имеет никакого отношения. Не вдаваясь в технические подробности этого процесса, отметим только, что это довольно сложный технологический процесс.

Чтобы все-таки иметь представление об этом процессе, в самых общих чертах, не детализируя, рассмотрим, как же происходит прядение. Раствор полимера пропускают через тончайшие отверстия, называемые фильерами, из которых выходят тонкие нити. Затем растворитель тем или иным способом удаляют и получают тончайшее полимерное волокно.

Такие нити можно получать и из изотропного, и из анизотропного (жидкокристаллического) раствора. Если прядение вести из анизотропного раствора, то прочность полученной нити оказывается значительно (в десятки раз) выше, чем у волокон, полученных из обычных нежидкокристаллических растворов. Такие волокна уже реальность. В качестве примера можно привести волокно «Кевлар-49». Удельный вес волокна «Кевлар-49» значительно ниже, чем у стали, но волокна из палочкообразных ароматических полиамидов оказываются более прочными и жесткими.

Такие волокна уже сейчас нашли широкое применение. Их можно использовать в качестве корда для автомобильных шин, для изготовления конвейерных лент, клиновидных ремней, тросов башенных кранов, якорных и судовых тросов, защитной одежды, внутренних панелей, внешних обтекателей, рулевых поверхностей и других частей самолета, антенн и других узлов радиолокаторов, щитов управления, покрытий для судов, лопастей воздуходувок, спортивного инвентаря — лыж, клюшек для хоккея и т. д.

В получении такого волокна большую роль сыграли советские ученые.

На этом удивительные свойства полимерных жидких кристаллов не заканчиваются. До сих пор мы рассматривали лиотропные полимеры. Посмотрим, как же реализуется второй способ получения полимерных жидких кристаллов, о котором мы упомянули выше. К длинной гребнеобразной молекуле на гибких связках (3) сбоку подвешены молекулы жидких кристаллов (см. рис. 73).

Такая конструкция решает сразу две задачи. С одной стороны, удаление боковых молекул от основной цепи дает молекулам определенную «самостоятельность», а с другой — связь боковых групп с основной цепью способствует их взаимодействию.

Такой подход к получению гребнеобразных жидкокристаллических полимеров был впервые предложен и успешно реализуется сейчас группой советских ученых. Гребнеобразные полимеры объединяют в себе и свойства полимеров, и свойства обычных жидких кристаллов. В большинстве своем такие полимеры бывают некристаллизующимися, т. е. нижней температурной границей их жидкокристаллического состояния является не температура плавления, как это бывает в обычных жидких кристаллах, а температура стеклования.

При температуре стеклования гребнеобразный жидкокристаллический полимер становится твердым (стеклообразным, отсюда и название «температура стеклования»), но при этом сохраняет жидкокристаллическую структуру. В этом и заключается одна из интереснейших особенностей жидкокристаллических полимеров. Она позволяет фиксировать, «замораживать» жидкокристаллическую структуру в твердом материале, сохраняя свойства механической, электрической, оптической анизотропии. Таким способом можно получить поляроидную пленку, полимерный пироэлектрик.

Пленки можно использовать для записи, отображения и хранения информации. Принцип работы прост: ориентация в поле и локальный, местный разогрев, приводящий к разориентации. Жидкокристаллические полимеры по быстродействию уступают своим старшим братьям — обычным жидким кристаллам, но у них есть и ряд преимуществ: высокая стабильность, компактность пленок, возможность придания различной геометрической формы. Кроме этого, в данном случае отпадает необходимость «упаковывать» полимерный жидкий кристалл в оптическую или другую ячейку.

Интересно отметить, что жидкокристаллические полимеры могут быть нематическими, холестерическими и смектическими. Характер мезофазы зависит от «сорта» молекул, подвешенных к основной цепи.

Особый интерес вызывают полимеры холестерического типа. Это определяется тем, что можно застекловать холестерический полимер с разным шагом спирали. Как вы помните, шаг спирали определяет цвет холестерика, т. е. застеклованный холестерик можно использовать как избирательный отражатель света определенной длины волны. Кроме того, такие пленки помогут с меньшими трудностями создать «мастерскую» по изготовлению фильтров, о которой мы говорили. Принципиально не исключено получение волокон из полимерных жидких кристаллов холестерического типа.

Работы по созданию полимерных термотропных жидких кристаллов были начаты в начале 70-х гг. За короткий срок ученые, безусловно, добились больших успехов. Но еще большие успехи ждут исследователей впереди. Постепенно выдавая свои тайны, жидкокристаллические полимеры, в этом нет сомнений, станут такими же привычными в нашей жизни, как и любые изделия бытовой химии.