Flüssigkristalline Elastomere

Stefan Reschke, Dr. Matthias Grüne, Jürgen Kohlhoff

Unter dem Begriff ß üssigkristalline Elastomere (Liquid Crystalline Elastomers, LCEs) versteht man eine recht junge Werkstoffklasse, die vielfältige technische Anwendungen als Funktionswerkstoff für Aktoren und Sensoren erwarten lässt und für einige bereits intensiv untersucht wird. Dabei reicht ihr derzeitig voraussehbares Anwendungsspektrum von mikromechanischen Systemen über künstliche Muskeln und andere Antriebssysteme bis hin zu weichen Kontaktlinsen oder intelligenten aktiven Oberß ächen. Von besonderem Interesse sind LCEs, die ihre Form durch die Einwirkung einer Temperaturänderung, eines elektrischen Feldes oder von Licht als  Steuersignal reversibel ändern und damit einen technisch nutzbaren Formgedächtniseffekt zeigen können.

LCEs setzen sich zusammen aus Elastomeren, d.h. niedrig vernetzten Polymernetzwerken mit sehr hoher reversibler Verformbarkeit, und polymeren Flüssigkristallen mit ihren teils exzellenten anisotropen physikalischen Eigenschaften (z.B. Zugfestigkeit und E-Modul) sowie ihren Phasenübergängen beim Erwärmen und Abkühlen. Diese beiden Komponenten müssen über chemische Reaktionen miteinander zu einem funktionalen LCE verbunden werden, wobei sich zwei unterschiedliche Architekturen unterscheiden lassen: Hauptketten-LCEs und Seitenketten- LCEs. Bei Hauptketten-Polymeren werden die Flüssigkristalle direkt in die Hauptkette der Elastomerkomponente eingebaut, bei Seitenketten-Polymeren sind die ß üssigkristallinen Bausteine über ß exible Spacer an das Elastomernetzwerk angebunden. Dabei bilden die ß üssigkristallinen Bestandteile in den LCEs kleine Domänen aus, die jeweils eine Vorzugsrichtung besitzen, den so genannten Direktor.

Der Formgedächtniseffekt wird durch die von außen aktivierten Phasenübergänge der Flüssigkristallanteile der LCEs bewirkt, während der Elastomeranteil des Netzwerkes die jeweils mikroskopischen Formänderungen der einzelnen Flüssigkristalldomänen aufnimmt und in eine makroskopische Gesamtbewegung transformiert. Um hierbei technisch nutzbare Auslenkungen und Kräfte Kräfte zu entfalten, müssen die LCEs bei ihrer Herstellung konditioniert werden. Während einer unbeeinß ußten Synthese fügen sich nämlich die ß üssigkristallinen Bereiche regellos in das Elastomernetzwerk ein, so dass ihre Direktoren keine gemeinsame Ausrichtung zeigen, sondern statistisch verteilt sind und sich dadurch in ihrer Wirkung sogar gegenseitig aufheben können. Daher muss während der Herstellung darauf geachtet werden, dass eine so genannte Flüssigkristall-Monodomäne gebildet wird, bei der die Direktoren aller einzelnen ß üssigkristallinen Bereiche in dieselbe Richtung weisen.

Hierfür gibt es zwei wesentliche Verfahren. Das eine beruht auf mechanischer Deformation des Materials in einem noch sehr schwach vernetzten Zustand. Dabei wird das künftige LCE-Werkstück einfach gestreckt, damit sich die Flüssigkristallinen Bereiche im Netzwerk entlang der Streckachse ausrichten, und dann in dieser Situation der LCE in den gebrauchsfertigen Zustand auspolymerisiert.

Auf diese Weise werden allerdings teils erhebliche mechanische Vorspannungen in das Material eingebaut. Das andere Verfahren nutzt eine der vielen Techniken zur Ausrichtung von Flüssigkristallen, worauf diese dann im geordneten Zustand erst durch Polymerisation mit dem Elastomernetzwerk verbunden werden. Die wesentlichen Techniken hierfür basieren auf dem Anlegen von elektrischen oder magnetischen Feldern odera der Nutzung der Tendenz von Stoffen zur Reduzierung ihrer Oberflächenenergie durch Aneinanderlagerung.

Über den Grad der Vernetzung des gesamten LCEs können Hub und Maximalkraft des Formgedächtniseffekts in weiten Grenzen eingestellt werden. Dabei ermöglicht ein niedriger Vernetzungsgrad große Auslenkungen bei kleiner Last, während mit zunehmendem Vernetzungsgrad die mechanische (und thermische) Belastbarkeit signifikant ansteigt. Ausgelöst wird eine Formänderung durch einen Phasenübergang in den ß üssigkristallinen Bereichen der LCEs, bei dem diese entweder ihre Ordnung verlieren oder wieder erlangen. Überwiegend erfolgen diese Phasenübergänge durch Erwärmung oder Abkühlung des gesamten Werkstücks. Derzeit können Längenänderungen zwischen 40 % und 400 % realisiert werden. Der Elastizitätsmodul solcher Werkstoffe liegt üblicherweise im Bereich weniger MPa. Bei technisch interessanten LCEs wurden bereits 10 MPa erreicht, was ca. 1 % des Wertes kommerzieller Kunststofffasern wie Polyester oder Polyamid entspricht.

Die Schaltung des Formgedächtniseffekts durch Erwärmung und Abkühlung ist Gegenstand vielfältiger Untersuchungen, da für eine technische Nutzung nach Möglichkeit ausschließlich das LCE-Bauteil erwärmt werdensollte. Hier werden verschiedene Ansätze zur Widerstandbeheizung entwickelt, angefangen vom Einbau eines Heizdrahtes in das Bauteil über die Dotierung des Elastomermaterials mit leitfähigen (Nano)Partikeln wie z.B. Ruß. Eine andere Möglichkeit ist die Einlagerung von Kohlenstoffnanoröhren, die Infrarotstrahlung sehr effizient absorbieren und an das Netzwerk weitergeben können. Auch der Einbau magnetischer Partikel in LCEs und derenAufheizung in elektromagnetischen Wechselfeldern ist von technischem Interesse.

Neben dem thermischen Schalten der LCEs können auch elektrische Felder als Auslöser eingesetzt werden. So ist theoretisch derselbe Effekt nutzbar, der in der Steuerung von Flüssigkristalldisplays (LCDs) Verwendung findet, nämlich die Ausrichtung von Flüssigkristallpolymeren im angelegten elektrischen Feld. Allerdings sind die hierbeierzielbaren Kräfte noch viel zu gering für mechanische Anwendungen. Daneben gibt es ferroelektrische Flüssigkristallpolymere, die in einer bestimmten Art orientiert sind und dadurch einen permanenten Dipol aufweisen. Hierdurch zeigen sie z.B. nutzbare Piezoelektrizität. Ihr Vorteil gegenüber anderen piezoelektrischen Polymeren ist ihre deutlich größere Elastizität und damit die reversible Dehnfähigkeit.

Eine ganz neue vielversprechende Art der Ansteuerung ist das Schalten mit UV-Licht.Hierzu wird im LCE ein Molekülbaustein benötigt, der unter UV-Einwirkung seine molekulare Struktur verändert (Isomerisierung) und dadurch im Makroskopischen zu einersignifikanten Kontraktion der bestrahlten Seite führt.

Die vielfältigen Möglichkeiten der Ansteuerung des Formgedächtniseffekts von LCEs, ihre über den Vernetzungsgrad einstellbaren thermomechanischen Belastbarkeit und ihre Ähnlichkeit zu biologischen Aktoren (z.B. Muskeln, Flimmerhärchen) machen sie zu einemzunehmend interessanten technischen Werkstoff, der derzeit allerdings noch nicht zu etablierten piezoelektrischen Werkstoffen konkurrenzfähig ist. Ihr großer Vorteil, nämlich ihre enorme Dehnfähigkeit, könnte absehbar jedoch für neue Anwendungen interessant werden. Darüber hinaus gibt es erste Untersuchungen in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), wo LCEs als Aktoren ihre Vorzüge ausspielen könnten.

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