FR2729670A1 - Procede d'obtention de materiau composite a base de cristal liquide disperse dans du polymere - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un nouveau procédé d'obtention de matériau composite à base de cristal liquide dispersé dans du polymère. Ce procédé comprend la réalisation d'une émulsion de cristal liquide ( chiL) lipophile dans des entités (M) lipophobes, capables de réticuler ultérieurement pour former un réseau polymère en présence d'agents surfactants comportant des séquences lipophiles et des séquences lipophobes. En dissociant l'étape de séparation de phase et l'étape de formation du réseau, ce procédé conduit notamment à un contrôle efficace de la taille des gouttes de cristal liquide. Application: Ecran de visualisation.
Description
PROCEDE D OBTENTION DE MATERIAU COMPOSITE A
BASE DE CRISTAL LIQUIDE DISPERSE DANS DU POLYMERE
Le domaine de l'invention est celui des matériaux électrooptiques et plus précisérent celui des matériaux électrooptiques à base de cristal liquide dispersé dans un polymère (désigné sous le sigle LCPC).
BASE DE CRISTAL LIQUIDE DISPERSE DANS DU POLYMERE
Le domaine de l'invention est celui des matériaux électrooptiques et plus précisérent celui des matériaux électrooptiques à base de cristal liquide dispersé dans un polymère (désigné sous le sigle LCPC).
Récemment, les composites polymères-cristaux liquides (LCPC) sont apparus coite une nouvelle classe importante de matériaux électrooptiques, combinant les propriétés électrooptiques inhérantes aux iésophases avec la processabilité des polymères.
Ils ont donné naissance à plusieurs effets électrooptiques légèrement différents dans leur principe.
Les composites polyière-cristal liquide appartiennent à la classe des matériaux électrodiffusifs. pour lesquels l'indice de réfraction de la phase cristal liquide est ondulée électriqueient de ânière à etre égale ou différente de l'indice de réfraction du polymère.
La première déionstration de la faisabilité d'un afficheur basé sur ce principe fut faite dans le milieu des années 1970 par Hilsui (C. Hilsun, U.K. Patent 1 442 360 (1976)). Mais n'ayant pas la possibilité de disperser du cristal liquide dans un polymère. il fit l'inverse en mettant des particules solides isotropes dans du cristal liquide biréfringent. Bien que le concept fut démontré aucun afficheur basé sur ce principe ne fut commercialisé, vraisemblablement à cause du contraste limité ainsi obtenu. Une autre approche a consisté à imbiber de cristal liquide des files de polymère microporeux.Le progrès décisif fut réalisé lorsque Fergason (J.L. Fergason, SID Digest of Technical
Papers, 16, 88 (1985)) proposa de disperser des gouttes de cristal liquide dans une oratrice de polymère en utilisant les techniques standard d'encapsulation ou d'émulsification. Ces matériaux se trouvent dans la littérature sous la dénomination
NCAP (neratic curvilinear aligned phase). Les techniques les plus récentes de préparation des LCPC sont basées sur la séparation de phase et les coaposites ainsi obtenus sont appelés PDLC (polyrer dispersed liquid crystal) (J.W. Doane, D.K Yang, L.C. Chien, IEEE
Transactions'91, 175-178 (1991)).
Papers, 16, 88 (1985)) proposa de disperser des gouttes de cristal liquide dans une oratrice de polymère en utilisant les techniques standard d'encapsulation ou d'émulsification. Ces matériaux se trouvent dans la littérature sous la dénomination
NCAP (neratic curvilinear aligned phase). Les techniques les plus récentes de préparation des LCPC sont basées sur la séparation de phase et les coaposites ainsi obtenus sont appelés PDLC (polyrer dispersed liquid crystal) (J.W. Doane, D.K Yang, L.C. Chien, IEEE
Transactions'91, 175-178 (1991)).
Les deux effets électrooptiques qui ont conduit à la réalisation de dénonstrateurs et de produits coiiercialisés utilisent un cristal liquide nématique et un polymère amorphe.
Ils ne se différencient que par l'addition d'un colorant dichroïque noir dans la phase nématique dans l'un des cas.
1) Principe de l'effet électrooptique basé sur l'utilisation d'un LCPC sans colorant
Dans sa configuration traditionnelle, le LCPC est foré de gouttes de cristaux liquides de la taille du micron dispersées dans une matrice de polymère. Dans beaucoup de fi lis, la phase nématique adopte à l'intérieur des cavités une configuration bipolaire. Le directeur est parallèle à la paroi de la cavité et deux points de disclinaison diaiétraleient opposés apparaissent dans la goutte. Les deux défauts ponctuels définissent un axe de syiétrie pour le champ de directeurs à l'intérieur de la cavité.
Dans sa configuration traditionnelle, le LCPC est foré de gouttes de cristaux liquides de la taille du micron dispersées dans une matrice de polymère. Dans beaucoup de fi lis, la phase nématique adopte à l'intérieur des cavités une configuration bipolaire. Le directeur est parallèle à la paroi de la cavité et deux points de disclinaison diaiétraleient opposés apparaissent dans la goutte. Les deux défauts ponctuels définissent un axe de syiétrie pour le champ de directeurs à l'intérieur de la cavité.
Chaque goutte de cristal liquide peut alors être considérée coite un milieu uniaxe caractérisé par un indice de réfraction extraordinaire n et un indice de réfraction ordinaire n . En
e o l'absence de chaip électrique extérieur, les gouttes sont orientées de façon aléatoire. A cause de leur taille (proche de la longueur d'onde de la lumière) et de la différence d'indice entre le cristal liquide et le polymère, les films sont fortement diffusants, ce qui leur donne un aspect laiteux. Le cristal liquide étant choisi avec une anisotropie diélectrique positive, le grand axe de ces molécules s'aligne parallèleient au charp électrique lorsqu'on applique une tension sur le matériau.Pour un rayon lumineux incident parallèle au champ électrique appliqué l'indice effectif de la phase cristal liquide devient l'indice ordinaire nO si de plus, on a choisi l'indice de réfraction n du p polymère égal à nO, alors le film devient transparent. Lorsque le chars électrique est coupé, les molécules de cristal liquide retrouvent leur configuration originelle à cause des forces d'ancrage qui existent à l'interface polyière-néaatique.
e o l'absence de chaip électrique extérieur, les gouttes sont orientées de façon aléatoire. A cause de leur taille (proche de la longueur d'onde de la lumière) et de la différence d'indice entre le cristal liquide et le polymère, les films sont fortement diffusants, ce qui leur donne un aspect laiteux. Le cristal liquide étant choisi avec une anisotropie diélectrique positive, le grand axe de ces molécules s'aligne parallèleient au charp électrique lorsqu'on applique une tension sur le matériau.Pour un rayon lumineux incident parallèle au champ électrique appliqué l'indice effectif de la phase cristal liquide devient l'indice ordinaire nO si de plus, on a choisi l'indice de réfraction n du p polymère égal à nO, alors le film devient transparent. Lorsque le chars électrique est coupé, les molécules de cristal liquide retrouvent leur configuration originelle à cause des forces d'ancrage qui existent à l'interface polyière-néaatique.
Cet effet électrooptique a l'avantage de ne pas nécessiter de polariseur ni de traitement de surface.
2) Principe de l'effet électrooptique basé sur l'utilisation d'un LCPC avec colorant
L' incorporation de colorants dichroïques dans la phase néna- tique des LCPC a conduit à la réalisation d'afficheurs réflectifs en couleurs. Les molécules de colorant dichroïque ont la propriété de s'aligner parallèleient à celles du cristal liquide et dans l'état OFF, la lumière est à la fois diffusée et absorbée.
L' incorporation de colorants dichroïques dans la phase néna- tique des LCPC a conduit à la réalisation d'afficheurs réflectifs en couleurs. Les molécules de colorant dichroïque ont la propriété de s'aligner parallèleient à celles du cristal liquide et dans l'état OFF, la lumière est à la fois diffusée et absorbée.
Dans l'état adressé, le grand axe des nolécules de colorant est parallèle au chars électrique et la linière incidente perpendiculaire au plan du film composite n'est que faiblement absorbée.
Le LCPC devient donc transparent et peu absorbant.
Les phénomènes de diffusion dans l'état OFF ont pour conséquence d'accroitre le cheinin optique donc de renforcer l'absorption par les colorants, ce qui finalement augmente le contraste de l'afficheur.
L'utilisation de réflecteurs colorés derrière le fila de
LCPC permet d'obtenir des afficheurs colorés.
LCPC permet d'obtenir des afficheurs colorés.
Actuellenent, les matériaux utilisés dans les LCPC peuvent être très différents quant à leur structure et leurs propriétés.
Le cristal liquide peut être nématique, cholestérique ou smectique. le polymère peut être amorphe ou aésoiorphe et sa teneur peut varier de 2 à plus de 75 X. Selon la teneur en polymère, on obtient une porosité ferrée ou ouverte. La porosité ferlée se caractérise par des billes de cristal liquide dispersées dans une patrice de polymère et correspond à une teneur en polymère supérieure à - 20 X Dans les LCPC à porosité ouverte, le cristal liquide forme un continuum dans lequel on a fait croitre un réseau très lâche de polyière. Les LCPC à porosité ouverte sont encore appelés PNLC (polypier network liquid crystal) (N. Ogawa, T. Fujisawa, K. Maruya a, N. Tahatsu, K.
Takeuchi, 15th Jap. Liquid Cristal Conf. 204,(1989)).
Actuellement, plusieurs techniques sont utilisées pour réaliser la dispersion du cristal liquide au sein du ilieu polymère.
Selon une pré père technique, on réalise une évulsion stable de cristaux liquides dans une phase aqueuse contenant du polymère .
Il peut s'agir soit de polymère soluble (dans l'alcool polyvinylique (PVA)) soit de polymère insoluble sous forte de latex (latex de polyuréthanne par exemple) .
L'évulsion ainsi réalisée est ensuite déposée sur un substrat recouvert d'une électrode conductrice et transparente comme l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) et l'eau est évaporée.
Après séchage une contre-électrode est rapportée sur le LCPC et l'ensenble est lainé. Le substrat peut étre flexible (polymère) ou rigide (verre).
Les matériaux obtenus par cette technique présentent l'inconvénient de nécessiter des tensions d'adressage élevées (de l'ordre de 60 V pour une épaisseur de 20 m).
D'autres techniques basées sur la séparation de phase permettent également l'élaboration de cristal liquide dispersé dans du polymère
Pour cela, on réalise dans un premier tempos une solution honogène de nononère, prépolymère ou polymère avec un mélange de cristaux liquides.Puis en fonction de la nature chimique du précurseur de la phase polymère 1'une des trois techniques suivantes de séparation de phase est utilisée
* séparation de phase induite thermiquement (TIPS)
* séparation de phase induite par le solvant (SIPS)
* séparation de phase induite par polymérisation (PIPS) - Séparation de phase induite thermiquement
Cette technique est bien adaptée à des couples polyaère-iélange de cristaux liquides insolubles à froid et solubles à haute teipérature. On réalise donc dans un premier temps la solution homogène à haute température, puis on la refroidit à teipérature ambiante, ce qui conduit à la dénixion du cristal liquide dans le polymère.
Pour cela, on réalise dans un premier tempos une solution honogène de nononère, prépolymère ou polymère avec un mélange de cristaux liquides.Puis en fonction de la nature chimique du précurseur de la phase polymère 1'une des trois techniques suivantes de séparation de phase est utilisée
* séparation de phase induite thermiquement (TIPS)
* séparation de phase induite par le solvant (SIPS)
* séparation de phase induite par polymérisation (PIPS) - Séparation de phase induite thermiquement
Cette technique est bien adaptée à des couples polyaère-iélange de cristaux liquides insolubles à froid et solubles à haute teipérature. On réalise donc dans un premier temps la solution homogène à haute température, puis on la refroidit à teipérature ambiante, ce qui conduit à la dénixion du cristal liquide dans le polymère.
La taille des gouttes est gouvernée par la vitesse de refroidisseaent et dépend d'un certain nombre de paramètres liés au matériau lui-même incluant la viscosité et les potentiels chimiques
Cette technique est simple à lettre en oeuvre, ais le choix du couple polyière-cristal liquide est limité, le matériau est thermiquement instable et les temps de réponse ainsi que les tensions obtenues sont élevées.
Cette technique est simple à lettre en oeuvre, ais le choix du couple polyière-cristal liquide est limité, le matériau est thermiquement instable et les temps de réponse ainsi que les tensions obtenues sont élevées.
- Séparation de phase induite par le solvant
Le polviére et le cristal liquide sont dissous dans un solvant co"un Le solvant est ensuite éliminé par évaporation, le cristal liquide étant choisi insoluble dans le polymère, il y a séparation de phase. La taille des gouttes de cristal liquide dépend de la vitesse d'évaporation du solvant.
Le polviére et le cristal liquide sont dissous dans un solvant co"un Le solvant est ensuite éliminé par évaporation, le cristal liquide étant choisi insoluble dans le polymère, il y a séparation de phase. La taille des gouttes de cristal liquide dépend de la vitesse d'évaporation du solvant.
La nise en oeuvre de cette technique est en apparence simple, mais l'étape d'évaporation du solvant reste délicate.
- Séparation de phase induite par polyiérisation
Le cristal liquide est mélangé avec des ionoières ou un mélange de monomères et d'oligomères. Au fur et à mesure que les réactions de polymérisation se développent, le cristal liquide devient insoluble dans le il lieu et il y a séparation de phase. Le polymère peut se former soit par polycondensation (résines époxy, résines polyuréthanne..) soit par polymérisation radicalaire amorcée thermiquement ou photochimiquement (acrylates, systèmes thiol-éne couve Norland 65).
Le cristal liquide est mélangé avec des ionoières ou un mélange de monomères et d'oligomères. Au fur et à mesure que les réactions de polymérisation se développent, le cristal liquide devient insoluble dans le il lieu et il y a séparation de phase. Le polymère peut se former soit par polycondensation (résines époxy, résines polyuréthanne..) soit par polymérisation radicalaire amorcée thermiquement ou photochimiquement (acrylates, systèmes thiol-éne couve Norland 65).
Actuellement. c'est la polyiérisation radicalaire amorcée photochimiquement qui est la plus utilisée. Elle conduit aux LCPC qui ont les meilleures performances (tension d'adressage, temps de réponse...). Les produits coxmercialisés pour préparer les
LCPC sont un mélange complexe de
- cristaux liquides
- molécules photopolymérisables, pouvant inclure
* des monomères monofonctionnels
* des monomères polyfonctionnels
* des oligomères
- photoaiorceurs
Les propriétés du matériau final, dépendent d'un grand nombre de paramètres parai lesquels
la nature du cristal liquide
la nature du mélange photopolyiérisable
l'association cristal liquide-nélange photopolyiérisable
le X de cristal liquide dans le lange
la nature de l'amorceur
le % d' amorceur dans le mélange
le type de laine UV utilisé (spectre, )
la puissance d'irradiation
la dose d'irradiation
la tenpérature de photoréticulation
la nature de la phase dans laquelle on photopoly erise
(nénatique ou isotrope)
l'épaisseur de la cellule
Il apparaît que chaque couple molécules photopolyiérisables-cristaux liquides nécessite une nise au point très pointue des conditions de réticulation.
LCPC sont un mélange complexe de
- cristaux liquides
- molécules photopolymérisables, pouvant inclure
* des monomères monofonctionnels
* des monomères polyfonctionnels
* des oligomères
- photoaiorceurs
Les propriétés du matériau final, dépendent d'un grand nombre de paramètres parai lesquels
la nature du cristal liquide
la nature du mélange photopolyiérisable
l'association cristal liquide-nélange photopolyiérisable
le X de cristal liquide dans le lange
la nature de l'amorceur
le % d' amorceur dans le mélange
le type de laine UV utilisé (spectre, )
la puissance d'irradiation
la dose d'irradiation
la tenpérature de photoréticulation
la nature de la phase dans laquelle on photopoly erise
(nénatique ou isotrope)
l'épaisseur de la cellule
Il apparaît que chaque couple molécules photopolyiérisables-cristaux liquides nécessite une nise au point très pointue des conditions de réticulation.
L'inconvénient majeur de la séparation de phase induite par photopolymérisation est qu'il est impossible de dissocier l'étape de séparation de phase de celle de la formation du réseau qui permet de figer la position des domaines de cristaux liquides formés lors de la séparation de phase. Les performances du LCPC étant d'autant meilleures que sa préparation s'effectue rapidement, on obtient ainsi un matériau non stabilisé, puisque sa fabrication est gouvernée par la cinétique et non pas par la thermodynamique. Une autre conséquence de l'utilisation de la séparation de phase induite par polynérisation pour préparer des
LCPC est l'obtention de domaines de cristaux liquides distribués en taille et non ronodisperses.
LCPC est l'obtention de domaines de cristaux liquides distribués en taille et non ronodisperses.
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention propose un nouveau procédé d'obtention de matériau composite dans lequel les deux opérations nécessaires à la préparation du LCPC à savoir la séparation de phase et la formation du réseau polymère sont accomplies successivement. La séparation de phase est obtenue en réalisant une émulsion de cristaux liquides dans un monomère, cette séparation de phase étant suivie d'une étape de polymérisation dudit monomère.
Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé d'obtention de matériau composite à base de cristal liquide (xL) dispersé dans un polymère (P) caractérisé en ce qu'il comprend
- la réalisation d'une émulsion de molécules cristal liquide (XL > lipophiles. dans des entités réticulables (M) lipophobes. en présence de surfactants (S) comportant une partie lipophile et une partie lipophobe ; émulsion dans laquelle les molécules (zL) sont dispersées
- la synthèse du polymère (P) par réticulation des entités (M) pour stabiliser la dispersion des molécules (xi).
- la réalisation d'une émulsion de molécules cristal liquide (XL > lipophiles. dans des entités réticulables (M) lipophobes. en présence de surfactants (S) comportant une partie lipophile et une partie lipophobe ; émulsion dans laquelle les molécules (zL) sont dispersées
- la synthèse du polymère (P) par réticulation des entités (M) pour stabiliser la dispersion des molécules (xi).
L'entité (M) peut être un monomère polymérisé par voie radicalaire amorcée photochiriquement ou thermîquement.
Le monomère lipophobe peut alors avantageusement être un acrylate, un méthacrylate ou un fluoroacrylate de type
CH2 = CR - COO - CpH2p - OH
avec 2 < p < 10
CH2 = CR - COO - CpH2p - OH
avec 2 < p < 10
avec R = H, CH3, F
Il peut avantageusement s'agir également d'un acrylate, uéthacrylate, fluorocrylate possédant une chaîne latérale per fluorée et répondant à l'une des formules chimiques suivantes
CH2 = CR-COO-CH2 - CyF2y+1 avec 1 < y < 10
Il peut avantageusement s'agir également d'un acrylate, uéthacrylate, fluorocrylate possédant une chaîne latérale per fluorée et répondant à l'une des formules chimiques suivantes
CH2 = CR-COO-CH2 - CyF2y+1 avec 1 < y < 10
avec R = H, CH3, F
L'entité (M) peut également être un mélange de molécules possédant au moins deux fonctions époxy
et de molécules du aminés de type
L'entité (M) peut également être un mélange de molécules possédant au moins deux fonctions époxy
et de molécules du aminés de type
Ce mélange est réticulable par polycondensation menée thermiquement.
De préférence le monomère (M) lipophobe est tel que le polymère (P) correspondant présente un indice de réfraction np égal à l'indice ordinaire n0 du cristal liquide (#L) .
Pour réaliser une émulsion stable du cristal liquide dans le monomère, on utilise des agents surfactants non ioniques comprenant des parties lipophiles et des parties lipophobes ; ces parties ayant des dimensions grandes vis-à-vis de la dimension moléculaire.
Pour réponse à cette exigence, de nouveaux polymères faisant également l'objet de l'invention peuvent être utilisés en tant que surfactants. Il s'agit de polymères bloc lipophile-lipophobe, c'est-à-dire présentant des séquences de groupements lipophiles et des séquences de groupements lipophobes.
La partie lipophile du polymère bloc peut avantageusement être un polymère à chaînes latérales, lesdites chaines comprenant un espaceur de type - (CH2-)- avec O < n < 10, un coeur érogène de type biphenyl, terphenyl ou bien encore biphenylcyclohexyl et ces chaines se terminant par des groupements de type éther alkyl. nitrile, halogène ou bien encore trifluororethyl. Ces chaînes latérales ont ainsi une structure chinique voisine de celles des cristaux liquides.
La partie lipophile du surfactant (S) peut aussi être un copolymère statistique obtenu par polymérisation d'un acrylate dont la chaîne latérale a la structure chimique d'une molécule de cristal liquide et d'un acrylate d'alkyl de type
CH2 = CH-COO-Cp H2p+1 avec O < p < 6
Ce type de copolymère peut présenter des avantages en matière de dissolution du surfactant dans le cristal liquide pour réaliser l'émulsion souhaitée.
CH2 = CH-COO-Cp H2p+1 avec O < p < 6
Ce type de copolymère peut présenter des avantages en matière de dissolution du surfactant dans le cristal liquide pour réaliser l'émulsion souhaitée.
La partie lipophobe du polymère bloc peut avantageusement être formée à partir d'un acrylate lipophobe à chaînes latérales comportant dans le cas de monomère (M) photoréticulable une ou plusieurs fonctions hydroxyle, il peut notamment s'agir de
CH2 = CH-COO-Cp' H2p' -OH
avec 2 < p' < 10
CH2 = CH-COO-Cp' H2p' -OH
avec 2 < p' < 10
Il peut également s'agir d'acrylate lipophobe ayant une chaîne latérale perfluorée comme ::
CH2 = CH-COO-CH2-C1 F2y+l avec i < y < 10
ou
CH2 = CH-COO-CH2-C1 F2y+l avec i < y < 10
ou
Dans le cas de mélange (M) comportant des molécules présentant des fonctions époxy et des molécules présentant des fonctions amines, la partie lipophobe du polymère bloc peut avantageusenent être formé à partir d'un acrylate ayant une chaîne fluorée de type
CH2 = CH-COO - (-CF2-)Z- CF3 ou CH2 = CH-COO-CH2-(- CF2- )2- CF3 avec 2 # z # 10
Le polymère bloc comprenant les deux types de séquences lipophile, lipophobe répond ainsi à la formule chinique suivante
Séquence (I) Séquence (II)
avec x : fraction molaire 0 # x < 1
coeur mèsogène de type biphenyl, terphenyl, biphenylcyclohexyl
A : -O-(-CH2-)m-CH2, -(-CH2-)m-CH3 avec 1 < m < 12
CN. F Cl . Br, CF3
X : - Cp H2p+i avec O < p < 6
-CH2-Cy F2y+1 avec 1 < y < 10,
(-CF2-)z- CF3,-(-CH2-)-(-CF2-)2-CF3 avec 2 # z # 10
ni nombre de motifs monomères constituant la séquence (I) lipophile
m. : nombre de motifs monomères constituant la séquence (II) lipophobe.
CH2 = CH-COO - (-CF2-)Z- CF3 ou CH2 = CH-COO-CH2-(- CF2- )2- CF3 avec 2 # z # 10
Le polymère bloc comprenant les deux types de séquences lipophile, lipophobe répond ainsi à la formule chinique suivante
Séquence (I) Séquence (II)
avec x : fraction molaire 0 # x < 1
coeur mèsogène de type biphenyl, terphenyl, biphenylcyclohexyl
A : -O-(-CH2-)m-CH2, -(-CH2-)m-CH3 avec 1 < m < 12
CN. F Cl . Br, CF3
X : - Cp H2p+i avec O < p < 6
-CH2-Cy F2y+1 avec 1 < y < 10,
(-CF2-)z- CF3,-(-CH2-)-(-CF2-)2-CF3 avec 2 # z # 10
ni nombre de motifs monomères constituant la séquence (I) lipophile
m. : nombre de motifs monomères constituant la séquence (II) lipophobe.
L'invention a enfin pour objet le composite dans lequel du cristal liquide (xL) est dispersé dans du polymère (P), composite caractérisé en ce qu'il comprend plus précisément : des molécules de cristal liquide (#L) lipophiles, des agents surfactants (S) de type (T) précédemment décrits et un polymère (P) issu de la réticulation d'entités (M) lipophobes.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles
- la figure 1 illustre un exemple de schéma réactionnel conduisant à un monomère présentant des chaînes lipophiles, le 4(3 acryloyloxy propyloxy) 4' octyloxy biphenyl
- la figure 2 schématise le type de réacteur utilisé dans une synthèse de polymère bloc surfactant (S) utilisé dans le procédé selon l'invention ;
- la figure 3 illustre le schéma réactionnel d'une polymérisation radicalaire amorcée photochiniquement au moyen d'un agent iniferter.
- la figure 1 illustre un exemple de schéma réactionnel conduisant à un monomère présentant des chaînes lipophiles, le 4(3 acryloyloxy propyloxy) 4' octyloxy biphenyl
- la figure 2 schématise le type de réacteur utilisé dans une synthèse de polymère bloc surfactant (S) utilisé dans le procédé selon l'invention ;
- la figure 3 illustre le schéma réactionnel d'une polymérisation radicalaire amorcée photochiniquement au moyen d'un agent iniferter.
De manière générale, le procédé d'obtention de composites à base de cristaux liquides dispersés dans du polymère, selon l'invention, consiste en une première étape d'émulsification du monomère (M) lipophobe en présence d'agents surfactants (S).
Pour cela, le surfactant (S) est dissous dans le cristal liquide (xL). La dissolution est favorisée par agitation mécanique et chauffage.
Dans la solution contenant le cristal liquide (L) et le surfactant (S), on incorpore le monomère lipophobe en agitant pendant un temps t à l'aide de préférence d'un agitateur aagnétique.
On peut ainsi obtenir des gouttes de cristal liquide dans le mélange hétérogène final.
L'énulsion ainsi réalisée peut être insérée par capillarité dans une cellule de quelques dizaines de microns d'épaisseur, le monomère peut alors être photoréticulé au moyen par exemple de lampes W fluorescentes pendant typiquement une dizaine de minutes. On obtient alors le composite final renfermant du polymère photoréticulé dans lequel sont dispersées des billes de cristal liquide enrobées de surface (S) pouvant avantageusement être du polymère bloc lipophile-lipophobe tel que décrit précé de-ent. Ce type de polymère peut être préalablement synthétisé par voie anionique, cationique ou bien encore radicalaire en utilisant un amorceur de type iniferter ultérieurement décrit.
Grâce au procédé de l'invention, on est ainsi en mesure de contrôler efficacement la taille des gouttes car les gouttes sont formées dès le départ, et de régler cette taille en modulant la structure du surfactant et les conditions d'érulsification. On peut également grâce à ce procédé, obtenir des gouttes faiblement dispersées en taille, ce qui a pour intérêt d'augmenter la raideur de la courbe électrooptique portant le taux de transris- sion en fonction de la tension appliquée sur la cellule passant ainsi plus nettement d'un état transparent (ou diffusant) à res pectivement un état diffusant (ou transparent).
Les autres avantages du procédé selon l'invention résident également
- dans une séparation de phase déjà favorisée par le choix de l'entité (M) lipophobe dans laquelle le cristal liquide (xL) lipophile est insoluble
- dans une optimisation plus simple des conditions de préparation puisque la séparation de phase et la taille des gouttes ne dépend pas des conditions de réticulation
- dans une optimisation aisée de l'interface polynêre/cristal liquide en jouant sur la structure chimique du polymère qui joue le rôle d'émulsifisant. En effet, tout en conservant la nature lipophobe d'un des blocs de l'émulsifiant, il est possible de le modifier pour ajuster l'ancrage du cristal liquide sur le polymère.
- dans une séparation de phase déjà favorisée par le choix de l'entité (M) lipophobe dans laquelle le cristal liquide (xL) lipophile est insoluble
- dans une optimisation plus simple des conditions de préparation puisque la séparation de phase et la taille des gouttes ne dépend pas des conditions de réticulation
- dans une optimisation aisée de l'interface polynêre/cristal liquide en jouant sur la structure chimique du polymère qui joue le rôle d'émulsifisant. En effet, tout en conservant la nature lipophobe d'un des blocs de l'émulsifiant, il est possible de le modifier pour ajuster l'ancrage du cristal liquide sur le polymère.
Nous allons décrire un exemple de matériau composite mis en oeuvre grâce au procédé selon l'invention
On réalise une émulsion stable de
- 500 mg de 2,3 dihydroxy propylacrylate (contenant 1 X de photoarorceur Darocure 1173 de la Société Merck)
- 500 mg de BL 004 (mélange de cristaux liquides nématique provenant de la Société Merck, caractérisé par un indice de réfraction ordinaire n égal à 1,518
- 16,6 mg de surfactant répondant à la structure chimique suivante
On réalise une émulsion stable de
- 500 mg de 2,3 dihydroxy propylacrylate (contenant 1 X de photoarorceur Darocure 1173 de la Société Merck)
- 500 mg de BL 004 (mélange de cristaux liquides nématique provenant de la Société Merck, caractérisé par un indice de réfraction ordinaire n égal à 1,518
- 16,6 mg de surfactant répondant à la structure chimique suivante
Pour réaliser le composé final, le surfactant (E) est tout d'abord dissous dans le cristal liquide en agitant à 90 C pendant 3 jours, puis le monomère (M), le 2,3 dihydroxypropylacrylate est ajouté à la solution précédente et l'émulsion est réalisée en agitant pendant 30 mn au moyen d'un barreau aimanté à 1500 tours par minute, puis en sonifiant pendant 1 pm.
L'émulsion est insérée par capillarité dans une cellule de 25 po d'épaisseur et le monomère est photoréticulté au moyen de 4 lampes UV fluorescentes disposées deux à deux de part et d'autre de la cellule et ce pendant 10 mn.
Pour réaliser le composé final précédent, la synthèse du copolymère (E) a été élaborée de la manière suivante
Il s'agit d'un polymère bloc dont la partie lipophile est un copolymère statistique acrylate de butyle 4-(3-acryloyloxy propyloxy)4' octyloxy biphenyl et la partie lipophobe est le polyacrylate de 2 hydroxyéthyl.
Il s'agit d'un polymère bloc dont la partie lipophile est un copolymère statistique acrylate de butyle 4-(3-acryloyloxy propyloxy)4' octyloxy biphenyl et la partie lipophobe est le polyacrylate de 2 hydroxyéthyl.
Dans un premier temps le 4 (3-acryloyloxy propyloxy) 4' octyloxybiphenyl a été préparé en trois étapes à partir du 4,4' dihydroxy biphenyl selon le schéma réactionnel illustré en figure 1:
Etape (1) : Synthèse du 4-hydroxy-4' octyloxy-biphenyl
Dans un ballon de 250 mi, on introduit 4,65g de 4,4'dihydroxy biphenyl (0,025 mole), 4,81 g de 1 broro-octane (0,025 mole), 2,75 g d'hydrogénocarbonate de potassium (0,0275 mole), 45 mi de triéthylène glycol et 105 mi de dioxane. On chauffe à reflux pendant 10 heures. Le mélange réactionnel refroidi est coulé dans l'eau acidulée (pH = 1). Un précipité se forme. Le solide est séparé par filtration, lavé à l'eau et séché sous vide.Ce produit brut ainsi obtenu est purifié par chromatographie sur silice éluant CHCI 3. Les fractions contenant le produit recherché sont rassemblées et recristallisées dans l'acétonihile, le rendement de la réaction est de 25 X.
Etape (1) : Synthèse du 4-hydroxy-4' octyloxy-biphenyl
Dans un ballon de 250 mi, on introduit 4,65g de 4,4'dihydroxy biphenyl (0,025 mole), 4,81 g de 1 broro-octane (0,025 mole), 2,75 g d'hydrogénocarbonate de potassium (0,0275 mole), 45 mi de triéthylène glycol et 105 mi de dioxane. On chauffe à reflux pendant 10 heures. Le mélange réactionnel refroidi est coulé dans l'eau acidulée (pH = 1). Un précipité se forme. Le solide est séparé par filtration, lavé à l'eau et séché sous vide.Ce produit brut ainsi obtenu est purifié par chromatographie sur silice éluant CHCI 3. Les fractions contenant le produit recherché sont rassemblées et recristallisées dans l'acétonihile, le rendement de la réaction est de 25 X.
Le produit obtenu présente deux formes cristallines C1 et C2 dont les tespératures de transition sont C1 106,7 C2 150,7 L (L désignant la phase liquide).
Etape (2) Synthèse du 4- (3-brono-propyloxy)-4' octyloxy-biphenyl
Dans un ballon de 250 mi, on introduit 3,7 g de 4-hydroxy-4'-octyloxy-biphenyl (0,0124 mole), 5g de 1,3 dibromo propane (0,02147 mole), 1,36 g d'hydrogenocarbonate de potassium (0,0136 mole), et 150 ml d'éthanol.
Dans un ballon de 250 mi, on introduit 3,7 g de 4-hydroxy-4'-octyloxy-biphenyl (0,0124 mole), 5g de 1,3 dibromo propane (0,02147 mole), 1,36 g d'hydrogenocarbonate de potassium (0,0136 mole), et 150 ml d'éthanol.
On chauffe à reflux pendant 12 heures. Les sels sont éli ninés par filtration. Le filtrat est évaporé à sec et le produit brut ainsi obtenu est purifé par chromatographie sur silice éluant CHOC13. Le produit obtenu présente trois formes cristallines C1, C2, C3 ainsi qu'un mésophase smectique MS. On a donc la succession de transitions suivants
C1 70, 5 C2 92,5 C3 115 MS 137,5 L
Etape (3) : Synthèse du 4 (3-acryloyloxy propyloxy) 4' octyloxybiphenyl
2,92 g de 4-(3-bromo-propyloxy) -4'-octyloxy-biphenyl (0,00697 mole) et 2,17 g d'acrylate de lithiun (0,0278 mole) sont ajoutés au mélange réactionnel ainsi que 0,1 g de 2,6 ditertio butylphenol (inhibiteur de polymérisation).
C1 70, 5 C2 92,5 C3 115 MS 137,5 L
Etape (3) : Synthèse du 4 (3-acryloyloxy propyloxy) 4' octyloxybiphenyl
2,92 g de 4-(3-bromo-propyloxy) -4'-octyloxy-biphenyl (0,00697 mole) et 2,17 g d'acrylate de lithiun (0,0278 mole) sont ajoutés au mélange réactionnel ainsi que 0,1 g de 2,6 ditertio butylphenol (inhibiteur de polymérisation).
Le mélange est agité pendant 2 jours à température ambiante puis coulé dans l'eau. Un précipité apparaît. Ce précipité est séparé par filtration, lavé à l'eau et séché sous vide. Le produit brut ainsi obtenu est purifié par chromatographie sur silice éluant toluène, suivie d'une recristallisation dans l'éthanol. Le monomère M1 obtenu présente deux phases cristallines C1 et C2 telles que
C1 85,2 C2 94,6 L
La synthèse du surfactant E est élaborée par polymérisation radicalaire amorcée photochimiquerent au noyen d'un agent iniferter :
C1 85,2 C2 94,6 L
La synthèse du surfactant E est élaborée par polymérisation radicalaire amorcée photochimiquerent au noyen d'un agent iniferter :
en présence du monomère M1 et d'un acrylate de butyle.
Plus précisément, on utilise un réacteur à deux branches (A et B) telles que représenté en figure 2.
Dans la branche A du réacteur, on introduit 0,5 g (1,2195 m
Mole) de 4 (3-acryloxy propyloxy) 4' octyloxy biphenyl (monomère
M1), 0,156 g d'acrylate de butyle (1, 2195 m Mole) (monomère 7,5 ml de toluène distillé et 8 mg d'iniferter. Dans la branche
B, on introduit 0,283 g (2,439 m Mole) de 2-hydroxyethylacrylate (mononère M3) distillé et 2 il de toluène distillé.
Mole) de 4 (3-acryloxy propyloxy) 4' octyloxy biphenyl (monomère
M1), 0,156 g d'acrylate de butyle (1, 2195 m Mole) (monomère 7,5 ml de toluène distillé et 8 mg d'iniferter. Dans la branche
B, on introduit 0,283 g (2,439 m Mole) de 2-hydroxyethylacrylate (mononère M3) distillé et 2 il de toluène distillé.
Les deux solutions sont dégazées par la technique classique utilisant 3 fois le cycle de gel des solutions dans l'azote liquide, mise sous vide et réchauffage. Finalement, le réacteur est scellé sous vide. En isolant des rayons lumineux (au moyen d'un film d'aluminium) le compartiment B, on irradie le compar triment A en agitant pendant 48 heures à température ambiante.
Ceci donne lieu aux réactions successives illustrées à la figure 3, soit une première réaction d'amorçage de polymérisation, une seconde réaction de propagation, puis une réaction de terminaison (trois étapes classiques de la polymérisation radicalaire). Les groupements M i et M représentent soit le monomère M1 soit le J monomère EC. Lors de l'étape de propagation, on obtient de part et d'autre du cycle berizenique, une succession statistique de groupements M1, M2 accrochés les uns aux autres.
Au bout de 48 heures, on coule le contenu du compartiment B dans le compartiment A et on irradie de la même manière que pré cédez en le mélange réactionnel pendant 48 heures à température ambiante. Le copolymère obtenu à l'issue du schéma réactionnel illustré en figure 3 peut servir à son tour d'amorceur de polymé- risation radicalaire du monomère M3 déversé dans le compartiment
A.On obtient ainsi le terpolytère (E) correspondant, pouvant encore s'écrire :
A.On obtient ainsi le terpolytère (E) correspondant, pouvant encore s'écrire :
Séquence (II) Séquence (I) Séquence (II)
Ce terpolynère présente des blocs de chaines lipophiles et des blocs de chaines lipophobes, lui conférant bien le caractère surfactant recherché.
Ce terpolynère présente des blocs de chaines lipophiles et des blocs de chaines lipophobes, lui conférant bien le caractère surfactant recherché.
Après 48 heures, le terpolymére obtenu est précipité dans l'hexane. Le solide est séparé par centrifugation et lavé plusieurs fois à l'hexane. Finalement, le terpolymère est lavé plusieurs fois au 2-éthoxy éthanol afin d'éliminer l'honopolyacrylate de 2-hydroxyethyl qui aurait pu se former. Le solide est enfin séché sous vide.
Le terpolynère présente deux températures de transition vitreuse, pouvant l'existence de séquences lipophobes (II) avec une température de transition vitreuse de -25 C et de séquences lipophiles (I) avec une température de transition vitreuse de +118,5 C.
Claims (11)
- REVENDICATI0NS- la synthèse du polymère (P) par réticulation des entités (M) pour stabiliser la dispersion des molécules (#L).- la réalisation d'une émulsion de molécules cristal liquide (L) lipophiles, des entités réticulables (M) lipophobes, en présence de surfactants (S) comportant une partie lipophile et une partie lipophobe ; émulsion dans laquelle les nolécules (xL) sont dispersées1 Procédé d'obtention de matériau composite à base de cristal liquide (L) dispersé dans un polymère (P) caractérisé en ce qu'il comprend
- 2. Procédé d'obtention de matériau conposite selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entité (M) est un monomère photoréticulable acrylate, méthacrylate, fluoroacrylate de typeCH2 = CR-COO-CpH2p-0H avec 2 < p < 10
avec 2 < p < 10avec R = H, CH3 F - 3. Procédé d'obtention de matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entité (M) est un monomère photoréticulable perfluoré de typeCH2 = CR - COO - CH2 - Cy F2y+1 avec i < y < 10
- 4.Procédé d'obtention de matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation d'une émulsion de molécules cristal liquide dans un mélange de monomères photoréticulables en présence de surfactants (S).avec R = H, CH3, F
- 5. Procédé d'obtention de matériau composite selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le monomère (M) est tel que l'indice de réfraction n du polymère formé (P) est égal p à l'indice ordinaire nO du cristal liquide (#L).
- 6. Procédé d'obtention de matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entité (M) est un mélange- de molécules de type
- et de molécules de type
et caractérisé en ce que le polymère (P) est obtenu par polycondensation des deux types de molécules. - 7. Procédé d'obtention de matériau composite selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les surfactants (S) sont des polymères bloc à chaines latérales, dont certaines chaines sont lipophiles, d'autres chaînes étant lipophobes.
- 8. Procédé d'obtention de matériau composite selon la revendication 7, caractérisé en ce que le polymère bloc surfactant répond à la formule suivanteSéquence (I) Séquence (II)
avec x : fraction molaire 0 < x < 1
coeur mésogène de type biphenyl, terphenyl,biphenylcyclohexyl A : - O -(CH2- )m -CH3, -(-CH2- )m -CH3 avec 1 < m < 12CN, F, Cl, Br, CF3X : - Cp H2p+l avec O < p < 6
avec 2 < p' < 10, -CH2-Cy F2y+1 avec 1 < y < 10,
-(- CH2 -)-(- CF2-)z-CF3, -(-CF2-)z-CF3 avec 2 # z # 10ni nombre de motifs monomères constituant la séquence (I) lipophilemi. nombre de motifs monomères constituant la séquence (II) lipophobe. - 9. Matériau composite à base de cristal liquide (xL) dispersé dans un polymère (P), caractérisé en ce qu'il comprend du cristal liquide (#L) lipophile, des agents surfactants de type (T) et un polymère (P) issu de la réticulation d'entités (M) lipophobes.
- 10. Matériau composite selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'entité (M) est de typeCH2 = CH-COO-CpH2p-OH avec 2 < p < 10
avec 2 < p < 10 ou CH2 = CH-COO-CH2-Cy F2y+1 avec 1 < y < 10
- 11. Matériau composite selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'entité (M) est un mélange- de molécules de type
- et de molécules de type
et caractérisé en ce que le polymère (P) est obtenu par polycondensation des deux types de molécules.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9500756A FR2729670A1 (fr) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | Procede d'obtention de materiau composite a base de cristal liquide disperse dans du polymere |
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|---|---|---|---|
| FR9500756A FR2729670A1 (fr) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | Procede d'obtention de materiau composite a base de cristal liquide disperse dans du polymere |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2729670A1 true FR2729670A1 (fr) | 1996-07-26 |
| FR2729670B1 FR2729670B1 (fr) | 1997-02-28 |
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ID=9475414
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|---|---|---|---|
| FR9500756A Granted FR2729670A1 (fr) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | Procede d'obtention de materiau composite a base de cristal liquide disperse dans du polymere |
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| FR (1) | FR2729670A1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001004234A1 (fr) * | 1999-07-07 | 2001-01-18 | Imperial College Of Science, Technology And Medicine | Procede de stabilisation d'une phase cristalline liquide lyotropique inverse |
-
1995
- 1995-01-24 FR FR9500756A patent/FR2729670A1/fr active Granted
Non-Patent Citations (4)
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|---|
| BASE DE DONNÉES "CHEMICAL ABSTRACTS" (SERVEUR: STN), abrégé 118: 244 742, Colombus, OH, USA; & JP-A-05 005 868 (DAINIPPON INK & CHEM., INC.) * |
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| BASE DE DONNÉES "CHEMICAL ABSTRACTS" (SERVEUR: STN), abrégé 121: 312 237, Colombus, OH, USA; & JP-A-06 202 118 (CHISSO Corp.) 22 Juillet 1994 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001004234A1 (fr) * | 1999-07-07 | 2001-01-18 | Imperial College Of Science, Technology And Medicine | Procede de stabilisation d'une phase cristalline liquide lyotropique inverse |
| GB2367300A (en) * | 1999-07-07 | 2002-04-03 | Imperial College | Method of stabilising an inverse lyotropic liquid crystalline phase |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2729670B1 (fr) | 1997-02-28 |
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