JP2008184553A - Material for liquid crystal, liquid crystal elastomer, method for producing material for liquid crystal and method for producing liquid crystal elastomer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液晶用材料、液晶エラストマー、液晶用材料の製造方法、及び液晶エラストマーの製造方法に関し、特に、人工筋肉やソフトアクチュエータ等に用いて好適な技術に関する。 The present invention relates to a liquid crystal material, a liquid crystal elastomer, a method for producing a liquid crystal material, and a method for producing a liquid crystal elastomer, and particularly relates to a technique suitable for use in artificial muscles, soft actuators, and the like.
末端に二重結合をもつ液晶分子は、液晶ポリマーを合成するための液晶モノマーとして重要である。末端に二重結合をもつ液晶分子を用いて液晶ポリマーを合成する方法として、二重結合のビニル重合による方法が一般的であるが、二重結合のあるポリマーと、末端に二重結合をもつ液晶分子とからラジカル開始剤を用いてポリマーに液晶部位を連結させるラジカル反応や光反応による方法も知られている。 Liquid crystal molecules having a double bond at the terminal are important as liquid crystal monomers for synthesizing liquid crystal polymers. As a method of synthesizing a liquid crystal polymer using liquid crystal molecules having a double bond at the terminal, a method of vinyl polymerization of a double bond is generally used, but a polymer having a double bond and a double bond at the terminal are used. There are also known methods based on radical reaction or photoreaction in which a liquid crystal moiety is linked to a polymer from a liquid crystal molecule using a radical initiator.
液晶部位(メソゲン)が1つで末端に二重結合をもつ化合物の重合や、光反応やラジカル開始剤を用いる反応による二重結合のあるポリマーへの結合はすでに知られている。例えば、化1に示すように、液晶部位(メソゲン)としてビフェニル基が1つで末端に二重結合をもつものおよびそれらを重合した液晶ポリマーの合成に関する特許や研究論文は多数開示されている。特に、化2に示す化合物はAldrich社より市販されている。 Polymerization of a compound having one liquid crystal moiety (mesogen) and having a double bond at the terminal, and bonding to a polymer having a double bond by a reaction using a photoreaction or a radical initiator are already known. For example, as shown in Chemical formula 1, many patents and research papers relating to the synthesis of a liquid crystal moiety (mesogen) having one biphenyl group and having a double bond at the terminal and a liquid crystal polymer obtained by polymerizing them are disclosed. In particular, the compound shown in Chemical Formula 2 is commercially available from Aldrich.
RがH又はMeで、AがCOO(CH2)mであり、
mは2〜12、nは3〜12である。)
R is H or Me, A is COO (CH 2 ) m ,
m is 2 to 12, and n is 3 to 12. )
しかし、液晶部位(メソゲン)が1つであり末端に二重結合をもつ化合物は、一般に液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化が小さく、重合や二重結合のあるポリマーに連結されている液晶部位(メソゲン)において液晶性が発現しにくい面がある。一方、液晶部位(メソゲン)が複数あるオリゴマー液晶においては、液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化が大きく、安定な液晶となることが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 However, a compound with one liquid crystal moiety (mesogen) and a double bond at the end generally has a small enthalpy change when changing from liquid crystal to liquid, and the liquid crystal is linked to a polymer having polymerization or a double bond. There is a surface in which liquid crystallinity is difficult to be expressed at a site (mesogen). On the other hand, it is disclosed that an oligomer liquid crystal having a plurality of liquid crystal sites (mesogens) has a large enthalpy change when changing from a liquid crystal to a liquid and becomes a stable liquid crystal (for example, see Patent Document 1).
このオリゴマー液晶を含む液晶エラストマーは、エラストマー特性をもつポリマーが架橋構造を持っているためゴム弾性を有している。さらに、その中に液晶分子の配列による異方性があるため、特定の方向にのみ伸縮することができる。生体にはコラーゲンなどの液晶エラストマーがあり、異方性のゴム弾性を有する液晶エラストマーは、この生体筋肉の代わりとなる人工筋肉として様々な生体内バルブや人工心臓などの人工臓器材料への利用が期待されている。 The liquid crystal elastomer including the oligomer liquid crystal has rubber elasticity because a polymer having elastomer characteristics has a crosslinked structure. Furthermore, since there is anisotropy due to the alignment of the liquid crystal molecules, it can expand and contract only in a specific direction. There are liquid crystal elastomers such as collagen in the living body, and the liquid crystal elastomers having anisotropic rubber elasticity can be used for various in vivo valves and artificial organ materials such as artificial hearts as artificial muscles that can substitute for the living body muscles. Expected.
液晶エラストマーは、液晶部位がポリマーの側鎖に結合した側鎖型高分子液晶が架橋されたエラストマー弾性をもつ材料として多くの研究が進められている(例えば、非特許文献1参照)。しかし、エラストマー性をもつ液晶ポリマーを合成し、それを架橋することは製造方法においては工程が複雑になり、コスト面においても不利である。そこで、エラストマーとしてよく知られたジエン系ポリマー(代表例:ポリブタジエン)に液晶を結合させることにより液晶エラストマーを得ることは実用化において効率的であり、例えば特許文献3においては、ジエン系ポリマーに末端に二重結合をもつ液晶分子を側鎖として結合させた液晶エラストマーを調製する方法が開示されている。
Many studies have been made on liquid crystal elastomer as a material having elastomer elasticity in which a side chain type polymer liquid crystal in which a liquid crystal portion is bonded to a side chain of a polymer is crosslinked (for example, see Non-Patent Document 1). However, synthesizing a liquid crystal polymer having an elastomeric property and cross-linking the liquid crystal polymer complicates the steps in the production method, which is disadvantageous in terms of cost. Therefore, it is efficient in practical use to obtain a liquid crystal elastomer by bonding a liquid crystal to a diene polymer (typical example: polybutadiene) well known as an elastomer. For example, in
しかし、実用的な液晶エラストマーを調製するためには架橋が必要である。現在は、加硫(硫黄を加えて加熱する)や様々な架橋剤を用いる方法で架橋が行われている。架橋がなされた液晶エラストマーにおいては、伸びたり元の形に縮んだりする際に、ポリマー主鎖間の架橋により互いがずれてしまうことを防ぎ、伸縮において型崩れせずに元の形に戻ることができる。 However, crosslinking is necessary to prepare a practical liquid crystal elastomer. Currently, crosslinking is performed by vulcanization (heating by adding sulfur) or by using various crosslinking agents. In a liquid crystal elastomer that has been cross-linked, it can be prevented from shifting due to cross-linking between polymer main chains when it stretches or shrinks to its original shape, and it returns to its original shape without loss of shape during expansion and contraction. Can do.
また、ポリマー鎖が架橋されていない液晶エラストマーの場合は、一本一本のポリマー鎖がほどけるため、有機溶剤に容易に溶ける。ところが、ポリマー鎖が架橋された液晶エラストマーの場合は、一本一本のポリマー鎖はほどけることが無く、そのため有機溶剤に溶けにくくなり、有機溶剤を吸ってゲルとなる。 In the case of a liquid crystal elastomer in which polymer chains are not cross-linked, each polymer chain is unwound and easily dissolved in an organic solvent. However, in the case of a liquid crystal elastomer in which polymer chains are cross-linked, each polymer chain is not unwound, so that it is difficult to dissolve in an organic solvent, and the organic solvent is sucked into a gel.
液晶エラストマーの実用化やさらに有機溶剤や液晶を吸って膨潤するゲルを調製するために、ジエン系ポリマーに安定な液晶分子を側鎖として結合させるとともに主鎖間の架橋を行った液晶エラストマーの開発が必要である。しかし、前述したように、液晶部位(メソゲン)が1つの場合は、液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化は小さく、ジエン系ポリマーに大量に液晶分子を側鎖として結合させないと液晶性が発現しにくいという問題点がある。 Development of liquid crystal elastomers in which stable liquid crystal molecules are bonded as side chains to the diene polymer and the main chains are cross-linked to prepare gels that swell upon absorption of organic solvents and liquid crystals. is required. However, as described above, when there is only one liquid crystal moiety (mesogen), the enthalpy change when changing from liquid crystal to liquid is small, and liquid crystal properties are manifested unless a large amount of liquid crystal molecules are bonded as side chains to the diene polymer. There is a problem that it is difficult to do.
一方、大量に液晶分子を用いると液晶エラストマーのエラストマー弾性が損なわれてしまう。それ故、少量の液晶分子を側鎖として結合させるだけで液晶性の発現できるようにするためには、液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化の大きい安定な液晶であるとともに、末端にジエン系ポリマーと連結できるビニル基(炭素・炭素二重結合)をもつ液晶分子の開発が必要である。 On the other hand, when a large amount of liquid crystal molecules is used, the elasticity of the liquid crystal elastomer is impaired. Therefore, in order to be able to exhibit liquid crystallinity only by bonding a small amount of liquid crystal molecules as a side chain, it is a stable liquid crystal with a large enthalpy change when changing from liquid crystal to liquid, and a diene type at the end. Development of liquid crystal molecules with vinyl groups (carbon / carbon double bonds) that can be linked to polymers is necessary.
本発明は前述の問題点に鑑み、液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化の大きい安定な液晶を発現できるとともに、エラストマー弾性が損なわれないようにする液晶用材料及びその液晶用材料を包含した液晶エラストマーを提供することを目的としている。 In view of the above-mentioned problems, the present invention includes a liquid crystal material capable of exhibiting a stable liquid crystal having a large enthalpy change when changing from liquid crystal to liquid, and that does not impair elastomer elasticity and the liquid crystal material. The object is to provide a liquid crystal elastomer.
本発明の液晶用材料は、構造が化3で表される化合物を含むことを特徴とする。
RがH又はMeで、AがCOO(CH2)mであり、
mは2以上、nは3以上である。)
The liquid crystal material of the present invention is characterized by including a compound having a structure represented by Chemical Formula 3.
R is H or Me, A is COO (CH 2 ) m ,
m is 2 or more, and n is 3 or more. )
本発明の液晶エラストマーは、互いに架橋された複数のポリブタジエン鎖と、前記複数のポリブタジエン鎖の少なくとも一部に結合された化3に示す化合物とを有することを特徴とする。 The liquid crystal elastomer of the present invention is characterized by having a plurality of polybutadiene chains cross-linked to each other and a compound represented by Chemical Formula 3 bonded to at least a part of the plurality of polybutadiene chains.
本発明の液晶用材料の製造方法は、4−シアノ−4'−ヒドロキシビフェニルと、化4に示す化合物とを反応させて、化5に示す化合物を生成する工程と、前記化5に示す化合物と、4'−ヒドロキシ−4−ビフェニルカルボン酸とを反応させて、化6に示す化合物を生成する工程と、前記化6に示す化合物と、化7に示す化合物とを反応させて、化8に示す化合物を生成する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明の液晶用材料の製造方法の他の特徴とするところは、4−シアノ−4'−ヒドロキシビフェニルと、化4に示す化合物とを反応させて、化5に示す化合物を生成する工程と、前記化5に示す化合物と、4'−ヒドロキシ−4−ビフェニルカルボン酸とを反応させて、化6に示す化合物を生成する工程と、前記化6に示す化合物と、化9に示す化合物とを反応させて、化10に示す化合物を生成する工程と、前記化10に示す化合物と、アクリル酸またはメタクリル酸と反応させて、化11に示す化合物を生成する工程とを有する。
Another feature of the method for producing a liquid crystal material of the present invention is that 4-cyano-4′-hydroxybiphenyl is reacted with a compound represented by Chemical Formula 4 to produce a compound represented by Chemical Formula 5. A step of reacting a compound represented by the
本発明の液晶エラストマーの製造方法は、ポリブタジエンと化3に示す化合物とを混合し、180℃〜250℃の範囲内で加熱することを特徴とする。
The method for producing a liquid crystal elastomer of the present invention is characterized in that polybutadiene and the compound shown in
本発明によれば、化合物に2つのビフェニル基が含まれている。これにより、液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化の大きく安定な液晶状態となり、昇温過程及び降温過程のいずれにおいても明瞭な液晶性を示すことができ、ポリブタジエンと混合すれば、ポリブタジエン間で架橋が起こり、エラストマー弾性を有するようすることができる。 According to the invention, the compound contains two biphenyl groups. As a result, a stable liquid crystal state having a large enthalpy change when changing from liquid crystal to liquid can be obtained, and clear liquid crystallinity can be exhibited in both the temperature rising process and the temperature falling process. Crosslinking occurs and can have elastomer elasticity.
前述したように特許文献1には、複数の液晶部位(メソゲン)をもつと安定な液晶状態になることが示されている。そこで本発明者は、液晶部位として2つのビフェニル基をもち、末端にジエン系ポリマーと結合できるビニル基(炭素・炭素二重結合)をもつ液晶分子を発明した。この液晶分子を用いれば、ジエン系ポリマーに液晶部位(メソゲン)が2つの液晶分子を側鎖として結合させることにより安定な液晶性が発現でき、さらに主鎖間の架橋の結果、伸縮においてポリマー主鎖間の架橋により互いがずれてしまうことを防ぎ、型崩れしない液晶エラストマーを作製することができる。 As described above, Patent Document 1 shows that a stable liquid crystal state is obtained when a plurality of liquid crystal sites (mesogens) are provided. Therefore, the present inventor has invented a liquid crystal molecule having two biphenyl groups as liquid crystal moieties and a vinyl group (carbon / carbon double bond) that can be bonded to a diene polymer at the terminal. If this liquid crystal molecule is used, stable liquid crystallinity can be exhibited by bonding two liquid crystal molecules having two liquid crystal molecules (mesogens) as side chains to the diene-based polymer. It is possible to prevent the liquid crystal elastomers from being out of shape by preventing them from being displaced due to cross-linking between chains.
本発明における化3に示す新規化合物は、ビニル基(炭素・炭素二重結合)を末端に置換した2つのビフェニル基をもち、その好ましい態様は液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化の大きく安定な液晶状態となり、昇温過程及び降温過程のいずれにおいても明瞭な液晶性を示すとともに、その液晶温度範囲が広く、それらを混合することで容易に融点を低下させることができる。また、化3に示す化合物と分子量200万から300万のポリブタジエンとを180℃から250℃で加熱することにより、ポリブタジエン鎖に化3に示す化合物を側鎖として結合させることができる。
The novel compound represented by Chemical Formula 3 in the present invention has two biphenyl groups substituted with vinyl groups (carbon / carbon double bonds) at its ends, and its preferred embodiment is a large and stable enthalpy change when changing from liquid crystal to liquid. The liquid crystal state becomes clear and shows clear liquid crystallinity in both the temperature rising process and the temperature lowering process, and the liquid crystal temperature range is wide, and the melting point can be easily lowered by mixing them. Further, the compound shown in
また、化3に示す化合物、及び分子量200万から300万のポリブタジエンを有機溶剤に溶かした後に有機溶剤を蒸発させ、残った固体を180℃から250℃まで加熱すると、ポリブタジエン鎖に化3に示す化合物が側鎖として結合されるとともに、ポリブタジエン間に架橋が起こってエラストマーとなり、そのエラストマー内に化3に示す化合物がポリブタジエン鎖に結合して包含される。また、加熱温度が180℃未満では、ポリブタジエン鎖に化3に示す化合物が側鎖として結合されず、250℃を超えて加熱すると、化3に示す化合物やポリブタジエンなどの有機化合物が分解しやすい状態となってしまう。したがって、加熱温度は180℃から250℃であることが必要である。なお、化3に示す化合物が側鎖として結合する反応、及びポリブタジエン間の架橋は、230℃まででほとんど終了するが、一般に有機化合物は300℃を超えると分解し始めることが知られている。
Further, when the compound shown in
また、m<2の場合は、液晶温度が高くなり過ぎてしまい、生体へ利用することができない。また、n>12の場合は、化3に示す化合物を合成するのに多くの手間がかかってしまう。したがって、mは2以上とし、12以下であることが好ましい。
In the case of m <2, the liquid crystal temperature becomes too high and cannot be used for a living body. When n> 12, it takes a lot of time to synthesize the compound shown in
そして、n<3の場合も、液晶温度が高くなり過ぎてしまい、生体へ利用することができない。また、n>12の場合は、化3に示す化合物を合成するのに多くの手間がかかってしまう。したがって、nは3以上とし、12以下であることが好ましい。
In the case of n <3, the liquid crystal temperature becomes too high and cannot be used for a living body. When n> 12, it takes a lot of time to synthesize the compound shown in
次に、本実施例で行った化3に示す化合物の合成方法と、それらの物性の特徴について説明する。
Next, a method for synthesizing the compound represented by
4−シアノ−4'−ヒドロキシビフェニルとα、ω−ジブロモアルカン(n=3〜12)とを1:1のモル比で混合し、N,N−ジメチルホルムアミドに溶かし、炭酸カリウムを同じモル数加えて12時間から24時間室温で攪拌した。そして、反応液をろ過し、ろ液の溶媒を蒸留して残渣をクロロホルムに溶解し、シリカゲルカラムクロマトグラフ(展開溶媒:クロロホルムとヘキサンとの混合溶媒)を用いて分離した。これにより、化12に示す化合物(α−ブロモ−ω−(4−シアノビフェニル−4'−イルオキシ)アルカン)を得た。なお、本実施例においては、N,N−ジメチルホルムアミドを用いたが、N,N−ジメチルホルムアミドの代わりにDMSO(ジメチルスルホキシド)を用いてもよい。
4-Cyano-4′-hydroxybiphenyl and α, ω-dibromoalkane (n = 3 to 12) are mixed at a molar ratio of 1: 1, dissolved in N, N-dimethylformamide, and potassium carbonate is added in the same number of moles. In addition, the mixture was stirred at room temperature for 12 to 24 hours. And the reaction liquid was filtered, the solvent of the filtrate was distilled, the residue was dissolved in chloroform, and separated using a silica gel column chromatograph (developing solvent: mixed solvent of chloroform and hexane). As a result, the compound (α-bromo-ω- (4-cyanobiphenyl-4′-yloxy) alkane) represented by
次に、化12に示す化合物と4'−ヒドロキシ−4−ビフェニルカルボン酸とを1:1のモル比で混合し、N,N−ジメチルホルムアミドに溶かし、炭酸カリウムを同じモル数加え15時間室温で攪拌した。そして、反応液をろ過し、ろ液の溶媒を蒸留して残渣をクロロホルムに溶解し、シリカゲルクロマトグラフ(展開溶媒:クロロホルムとメタノールとの混合溶媒)を用いて分離した。これにより、化6に示す化合物を得た。なお、本実施例においては、クロロホルムとメタノールとの混合溶媒を用いたが、混合溶媒の代わりにクロロホルムのみを用いてもよい。
Next, the compound shown in
次に、化6に示す化合物と化13に示す化合物とを1:1のモル比で混合し、N,N−ジメチルホルムアミドに溶かし、炭酸カリウムを同じモル数加え15時間室温で攪拌した。そして、反応液をろ過し、ろ液の溶媒を蒸留して残渣をクロロホルムに溶解し、シリカゲルクロマトグラフ(展開溶媒:クロロホルムとヘキサンとの混合溶媒)を用いて分離した。これにより、化8に示す化合物を得た。なお、本実施例においては、クロロホルムとヘキサンとの混合溶媒を用いたが、混合溶媒の代わりにクロロホルムのみを用いてもよい。
Next, the compound shown in
本実施例では、(m=3、6、n=3〜12)の20種類の組み合わせ、(m=4、n=5)の組み合わせ、及び(m=8、n=5)の組み合わせの計22種類について同様の手順で化8に示す化合物を作製した。
In the present embodiment, a total of 20 combinations (m = 3, 6, n = 3 to 12), (m = 4, n = 5), and (m = 8, n = 5). The compounds shown in
また、これとは別に、化6に示す化合物とα、ω−ジブロモアルカン(m=2〜12)とを1:1のモル比で混合し、N,N−ジメチルホルムアミドに溶かし、炭酸カリウムを同じモル数加え12時間から24時間室温で攪拌した。そして、反応液をろ過し、ろ液の溶媒を蒸留して残渣をクロロホルムに溶解し、シリカゲルカラムクロマトグラフ(展開溶媒:クロロホルムとヘキサンとの混合溶媒)を用いて分離した。これにより、化14に示す化合物を得た。なお、本実施例においては、N,N−ジメチルホルムアミドを用いたが、N,N−ジメチルホルムアミドの代わりにDMSOを用いてもよい。
Separately, the compound shown in
次に、化14に示す化合物と化15に示す化合物とを1:1のモル比で混合し、N,N−ジメチルホルムアミドに溶かし、炭酸カリウムを同じモル数加え15時間室温で攪拌した。そして、反応液をろ過し、ろ液の溶媒を蒸留して残渣をクロロホルムに溶解し、シリカゲルクロマトグラフ(展開溶媒:クロロホルムとヘキサンとの混合溶媒)を用いて分離した。これにより、化11に示す化合物を得た。なお、本実施例においては、クロロホルムとヘキサンとの混合溶媒を用いたが、混合溶媒の代わりにクロロホルムのみを用いてもよい。
Next, the compound shown in Chemical formula 14 and the compound shown in Chemical formula 15 were mixed at a molar ratio of 1: 1, dissolved in N, N-dimethylformamide, added with the same number of moles of potassium carbonate, and stirred at room temperature for 15 hours. And the reaction liquid was filtered, the solvent of the filtrate was distilled, the residue was dissolved in chloroform, and separated using silica gel chromatography (developing solvent: mixed solvent of chloroform and hexane). As a result, the compound shown in
本実施例では、(m=3、n=3、R=H)の組み合わせ、(m=3、n=3、R=Me)の組み合わせ、(m=5、n=5、R=H)の組み合わせ、(m=10、n=12、R=H)の組み合わせ、(m=10、n=12、R=Me)の組み合わせ、(m=11、n=11、R=Me)の組み合わせ、(m=12、n=12、R=H)の組み合わせ、及び(m=12、n=12、R=Me)の組み合わせの計8種類について同様の手順で化11に示す化合物を作製した。
In this embodiment, a combination of (m = 3, n = 3, R = H), a combination of (m = 3, n = 3, R = Me), (m = 5, n = 5, R = H) A combination of (m = 10, n = 12, R = H), a combination of (m = 10, n = 12, R = Me), a combination of (m = 11, n = 11, R = Me) , (M = 12, n = 12, R = H) and (m = 12, n = 12, R = Me) in total for 8 types of compounds, the compound shown in
次に、化8に示す化合物について元素分析、水素核磁気共鳴スペクトル、赤外吸収スペクトルなどにより同定した。化8に示す化合物(m=3)の元素分析の結果を表1に示す。また、化8に示す化合物(m=6)の元素分析の結果を表2に示す。表1及び表2に示す元素分析の結果より化8に示す化合物は純粋であることが確認された。
Next, the compound shown in
化8に示す化合物(m=3)の水素核磁気共鳴スペクトルの結果を表3に示す。表3に示す水素核磁気共鳴スペクトルの結果は類似したスペクトルを示し、化3に示す化合物がnの値によってメチレン鎖の長さ(n数)だけが異なる類似した構造であることが確認された。
Table 3 shows the result of the hydrogen nuclear magnetic resonance spectrum of the compound represented by Chemical formula 8 (m = 3). The results of the hydrogen nuclear magnetic resonance spectrum shown in Table 3 showed a similar spectrum, and it was confirmed that the compound shown in
次に、化11に示す化合物の水素核磁気共鳴スペクトルの結果を表4に示す。アクリル酸と結合させた化合物(R=H)では、ビニル基(二重結合)に起因するδ6.4(dd, 1H, J=16.0.Hz, J=1.5Hz), 6.1(dd, 1H, J=16.0Hz, J=10.0Hz), 5.8(dd, 1H, J=10.0Hz, J=1.5Hz) 付近の特徴的なスペクトルが観測された。また、メタクリル酸と結合させた化合物(R=Me)では、ビニル基(二重結合)に起因するδ6.1(s, 1H), 5.5(s, 1H)とδ1.95(メタクリル酸のMe)付近の特徴的なスペクトルが観測された。これらの結果からアクリル酸またはメタクリル酸が結合されていることが確認された。
Next, Table 4 shows the result of the hydrogen nuclear magnetic resonance spectrum of the compound represented by
化3に示す化合物の熱的変化における相組織の変化についてホットプレート上に載せたまま偏光顕微鏡を用いて観察した。化8に示す化合物(m=3、n=3、5〜12)の液晶状態を図1〜図11に示す。なお、化8に示す化合物のうちn=4のものは液晶性を示さないか、または非常に液晶範囲が狭かった。図1〜図11に示すように、何れの化合物においても液晶性が確認された。
The change of the phase structure due to the thermal change of the compound shown in
次に、mの異なる化8に示す化合物(m=4、n=5)の降温過程の171℃でのネマチック液晶を図12に示す。図12に示すように、mが異なる場合でも相組織は似ていることが確認された。
Next, FIG. 12 shows a nematic liquid crystal at 171 ° C. in the temperature lowering process of the compound (m = 4, n = 5) represented by
図13〜図16には、化11に示す化合物(m=3、n=3、R=Me)、(m=11、n=11、R=Me)、(m=12、n=12、R=H)、(m=12、n=12、R=Me)の液晶状態を示す。図13〜図16に示すように、何れの化合物においても液晶性が確認された。 13 to 16, the compounds shown in Chemical formula 11 (m = 3, n = 3, R = Me), (m = 11, n = 11, R = Me), (m = 12, n = 12, R = H), (m = 12, n = 12, R = Me). As shown in FIGS. 13 to 16, liquid crystallinity was confirmed in any compound.
さらに液晶混合系として、図17に化8に示す化合物(m=3、n=5)と化8に示す化合物(m=6、n=5)とを1:1のモル比で混合した混合物の液晶状態の降温過程の172℃でのネマチック液晶を示す。さらに図18に化8に示す化合物(m=3、n=5)と、化8に示す化合物(m=4、n=5)と、化8に示す化合物(m=6、n=5)と、化8に示す化合物(m=8、n=5)との4種類を1:1:1:1のモル比で混合した混合物の液晶状態の昇温過程の84℃でのネマチック液晶を示す。図17及び図18に示すように、何れの化合物においても液晶性が確認された。 Furthermore, as a liquid crystal mixed system, a mixture in which the compound shown in FIG. 17 (m = 3, n = 5) and the compound shown in FIG. 8 (m = 6, n = 5) are mixed at a molar ratio of 1: 1. 2 shows a nematic liquid crystal at 172 ° C. in the temperature lowering process of the liquid crystal state. Further, the compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 5), the compound shown in Chemical formula 8 (m = 4, n = 5), and the compound shown in Chemical formula 8 (m = 6, n = 5) are shown in FIG. And a nematic liquid crystal at 84 ° C. in the temperature rising process of the liquid crystal state of a mixture in which four kinds of compounds represented by Chemical Formula 8 (m = 8, n = 5) are mixed at a molar ratio of 1: 1: 1: 1. Show. As shown in FIGS. 17 and 18, liquid crystallinity was confirmed in any compound.
次に、示差走査熱量計(DSC)及び偏光顕微鏡により確認された化8に示す化合物(m=3)の相転移温度を表5及び図19に示す。なお、DSCでの温度の上昇および降下は5℃/minで測定した。図19に示すように、液晶から等方性液体への転移点における偶奇効果が明瞭に認められた。
Next, Table 5 and FIG. 19 show the phase transition temperatures of the compound (m = 3) shown in
一方、化8に示す化合物(m=6)の相転移温度を表6及び図20に示す。なお、DSCでの温度の上昇および降下は5℃/minで測定した。図20に示すように、液晶から等方性液体への転移点における偶奇効果が認められるが、結晶から液晶への転移点(融点)において偶奇効果はnが6以下では認められなくなった。また、nが小さい方が化8に示す化合物の液晶温度範囲が広いことがわかる。
On the other hand, Table 6 and FIG. 20 show the phase transition temperatures of the compound represented by Chemical Formula 8 (m = 6). The temperature increase and decrease in DSC were measured at 5 ° C./min. As shown in FIG. 20, an even-odd effect at the transition point from the liquid crystal to the isotropic liquid is recognized, but the even-odd effect at the transition point (melting point) from the crystal to the liquid crystal is not recognized when n is 6 or less. It can also be seen that the smaller the n, the wider the liquid crystal temperature range of the compound shown in
図21に化8に示す化合物(m=3、n=5)、化8に示す化合物(m=4、n=5)、化8に示す化合物(m=6、n=5)、化8に示す化合物(m=8、n=5)の昇温過程の示差走査熱量計(DSC)を示し、図22にこの混合物の降温過程の示差走査熱量計(DSC)を示す。図21に示すように、mの数が大きくなるにつれて融点は低下した。特に化8に示す化合物(m=8、n=5)では融点は70℃と低くなったが、他のn=5の化合物に比べ液晶温度範囲は狭くなった。 FIG. 21 shows a compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 5), a compound shown in Chemical formula 8 (m = 4, n = 5), a compound shown in Chemical formula 8 (m = 6, n = 5), Chemical formula 8 A differential scanning calorimeter (DSC) in the temperature rising process of the compound (m = 8, n = 5) shown in FIG. 2 is shown, and FIG. 22 shows a differential scanning calorimeter (DSC) in the temperature lowering process of this mixture. As shown in FIG. 21, the melting point decreased as the number of m increased. In particular, in the compound shown in Chemical Formula 8 (m = 8, n = 5), the melting point was as low as 70 ° C., but the liquid crystal temperature range was narrower than other compounds with n = 5.
図23に化8に示す化合物(m=3、n=5)と化8に示す化合物(m=6、n=5)との混合系における混合比と液晶温度範囲との関連を示す。さらに、化8に示す化合物(m=3、n=5)と、化8に示す化合物(m=4、n=5)と、化8に示す化合物(m=6、n=5)と、化8に示す化合物(m=8、n=5)との4種類を1:1:1:1のモル比で混合した混合物の昇温過程の示差走査熱量計(DSC)を図24に示す。上記4種の等モル混合物は転移点がブロードになったが、液晶温度範囲は55℃から149℃と液晶から液体への転移点はあまり変わらないが融点が大幅に低くなった。以上より、化8に示す化合物(n=5)は、mの数の異なる化8に示す化合物と混合すると液晶から液体への転移温度はわずかしか変化しないで、融点が大きく低下することがわかる。
FIG. 23 shows the relationship between the liquid crystal temperature range and the mixing ratio in the mixed system of the compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 5) and the compound shown in Chemical formula 8 (m = 6, n = 5). Furthermore, the compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 5), the compound shown in Chemical formula 8 (m = 4, n = 5), the compound shown in Chemical formula 8 (m = 6, n = 5), FIG. 24 shows a differential scanning calorimeter (DSC) of a temperature rising process of a mixture in which four types of compounds shown in Chemical Formula 8 (m = 8, n = 5) are mixed at a molar ratio of 1: 1: 1: 1. . The above four equimolar mixtures had a broad transition point, but the liquid crystal temperature range was 55 ° C. to 149 ° C., although the transition point from the liquid crystal to the liquid did not change much, but the melting point was significantly lowered. From the above, it can be seen that the compound (n = 5) shown in
次に、化11に示す化合物の液晶相及び液晶温度範囲を表7に示す。表7に示すように、化11に示す化合物の液晶温度範囲はm及びnが小さい方が広いことがわかる。
Next, Table 7 shows liquid crystal phases and liquid crystal temperature ranges of the compounds represented by
化3に示す化合物は液晶部位であるビフェニル基が2つあるため、液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化が大きいという特徴を有する。比較のため化8に示す化合物と似た液晶部位であるビフェニル基が1つの化合物である化16に示す化合物のDSCを調べた。そして、その結果を図25に示す。化16に示す化合物はn=3のとき液晶性はなかった。また、化16に示す化合物でn=6及びn=8の液晶温度は化3に示す化合物と比べ低いが、その液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化は化3に示す化合物と比べ非常に小さいことがわかる。化16に示す化合物(n=6)のそのエンタルピー変化は1.2J/gであり、化16に示す化合物(n=8)のそのエンタルピー変化は1.9J/gであった。
Since the compound represented by
一方、図21に示した化8に示す化合物(m=4、n=5)のそのエンタルピー変化は9.5J/g、化8に示す化合物(m=4、n=5)のそのエンタルピー変化は7.5J/g、化8に示す化合物(m=6、n=5)のそのエンタルピー変化は7.4J/g、化8に示す化合物(m=8、n=5)のそのエンタルピー変化は10.3J/gであった。すなわち化8に示す化合物は化16に示す化合物に比べ、液晶から液体へ変化する時のエンタルピー変化は6倍から8倍になり、化8に示す化合物は安定な液晶状態をつくることができることがわかる。
On the other hand, the enthalpy change of the compound (m = 4, n = 5) shown in FIG. 21 shown in FIG. 21 is 9.5 J / g, and the enthalpy change of the compound (m = 4, n = 5) shown in FIG. 7.5J / g, the enthalpy change of the compound shown in Chemical formula 8 (m = 6, n = 5) is 7.4J / g, the enthalpy change of the compound shown in Chemical formula 8 (m = 8, n = 5) is 10.3J / g. In other words, the enthalpy change when the compound shown in
次に、本実施例で行った化3に示す化合物の重合と、化3に示す化合物とポリブタジエン(分子量200万から300万)との混合物から、ポリブタジエンに化3に示す化合物が連結するとともに、ポリブタジエン間が架橋されたポリブタジエン・エラストマーの調製する方法について説明する。
Next, the polymerization of the compound shown in
化8に示す化合物と、重合開始剤2,2'−アゾビス(イソブチロニトリル)(ラジカル開始剤)とをジメチルスルホキシドとトルエンとの混合溶媒中で、60〜80℃で12〜40時間加熱しラジカル重合させてポリマーを得た。なお、本実施例では、ジメチルスルホキシドとトルエンの混合溶媒を用いたが、混合溶媒の代わりにジメチルスルホキシドのみを用いてもよい。
The compound shown in
次に、化8に示す化合物をラジカル重合させたポリマーとポリブタジエンとを重量比1:5から1:1に混合し、クロロホルムに溶かした。クロロホルム蒸発後に生成した固体を230℃まで加熱するとポリブタジエン間に架橋がおこるとともに、ポリブタジエン鎖に化3に示す化合物が結合した液晶エラストマーが得られた。なお、本実施例では、(m=3、n=5)の組み合わせ、(m=3、n=7)の組み合わせ、(m=3、n=9)の組み合わせ、及び(m=3、n=11)の組み合わせの計4種類について同様の手順で液晶エラストマーを作製した。
Next, a polymer obtained by radical polymerization of the compound shown in
図26に、化8に示す化合物(m=3、n=11)とポリブタジエン(分子量200万から300万)との重量比が1:2である混合物のDSC変化を示す。261は、化8に示す化合物(m=3、n=11)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物の1回目の昇温過程のDSC曲線である。また、262は、化8に示す化合物(m=3、n=11)のみの昇温過程のDSC曲線である。化8に示す化合物(m=3、n=11)とポリブタジエン(分子量200万から300万)との重量比が1:2である混合物を、1回目の昇温過程で230℃に加熱すると、200℃付近にポリブタジエン間の架橋とポリブタジエン鎖と化8に示す化合物との連結による大きな吸熱が見られ、ゴム状弾性体が得られることがわかる。
FIG. 26 shows the DSC change of a mixture in which the weight ratio of the compound represented by Chemical Formula 8 (m = 3, n = 11) and polybutadiene (molecular weight: 2 million to 3 million) is 1: 2. 261 is a DSC curve of the first temperature rising process of the mixture of the compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 11) and polybutadiene (molecular weight 2 million to 3 million) (weight ratio 1: 2).
また、263は、化8に示す化合物(m=3、n=11)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物を230℃まで一度加熱した後の2回目の昇温過程のDSC曲線である。このゴム状弾性体は、2回目以降、230℃で加熱しても、1回目の昇温過程で起こるような大きな吸熱は生じないことがわかる。このことはポリブタジエン間で架橋がすでに終了していることを示している。 263 is the second time after a mixture of the compound shown in Chemical Formula 8 (m = 3, n = 11) and polybutadiene (molecular weight 2 million to 3 million) (weight ratio 1: 2) is heated to 230 ° C. once. It is a DSC curve of the temperature rising process. It can be seen that the rubber-like elastic body does not generate a large endotherm that occurs in the first temperature raising process even if it is heated at 230 ° C. for the second and subsequent times. This indicates that crosslinking between the polybutadienes has already been completed.
264は、化8に示す化合物(m=3、n=11)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物を230℃まで一度加熱した後の2回目の降温過程のDSC曲線であり、265は、化8に示す化合物(m=3、n=11)のみの降温過程のDSC曲線である。また、266は、化8に示す化合物(m=3、n=11)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物を230℃まで一度加熱した後の3回目の降温過程のDSC曲線である。このゴム状弾性体は、2回目以降、200℃で加熱すると、融点または液晶から液体への転移点がそれぞれ2つ生じていることがわかる。2回目の昇温過程では、昇温過程で液晶から液体への転移点が2つあり、2回目の降温過程では、融点が2つあることがわかる。 H.264 is the second temperature drop after heating a mixture of the compound shown in Chemical Formula 8 (m = 3, n = 11) and polybutadiene (molecular weight 2 million to 3 million) (weight ratio 1: 2) to 230 ° C. once. DSC curve of the process, and 265 is a DSC curve of the temperature lowering process of only the compound shown in Chemical Formula 8 (m = 3, n = 11). 266 is the third time after once heating the mixture of the compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 11) and polybutadiene (molecular weight 2 million to 3 million) (weight ratio 1: 2) to 230 ° C. It is a DSC curve of the temperature lowering process. It can be seen that when this rubber-like elastic body is heated at 200 ° C. for the second time and thereafter, two melting points or two transition points from liquid crystal to liquid are generated. It can be seen that in the second temperature increase process, there are two transition points from the liquid crystal to the liquid in the temperature increase process, and in the second temperature decrease process, there are two melting points.
図27には、化8に示す化合物(m=3、n=9)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)の混合物の架橋後の液晶エラストマーのDSCを示す。271は、化8に示す化合物(m=3、n=9)のみの昇温過程のDSC曲線であり、272は、化8に示す化合物(m=3、n=9)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物を230℃まで一度加熱した後の2回目の昇温過程のDSC曲線である。また、273は、化8に示す化合物(m=3、n=9)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物の降温過程のDSC曲線であり、274は、化8に示す化合物(m=3、n=9)のみの降温過程のDSC曲線である。昇温過程ではピークはブロードなため、転移点がそれぞれ2つあることがわかりにくいが、降温過程では転移点がそれぞれ2つあることがわかる。
FIG. 27 shows the DSC of the liquid crystal elastomer after crosslinking of a mixture of the compound shown in Chemical Formula 8 (m = 3, n = 9) and polybutadiene (molecular weight 2 million to 3 million) (weight ratio 1: 2). 271 is a DSC curve in the temperature raising process of only the compound (m = 3, n = 9) shown in
図28には、化8に示す化合物(m=3、n=7)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物の架橋後の液晶エラストマーのDSCを示す。281は、化8に示す化合物(m=3、n=7)のみの昇温過程のDSC曲線であり、282は、化8に示す化合物(m=3、n=7)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物を230℃まで一度加熱した後の2回目の昇温過程のDSC曲線である。昇温過程でピークはそれぞれ2つあることがわかる。 FIG. 28 shows the DSC of the liquid crystal elastomer after crosslinking of a mixture of the compound shown in Chemical Formula 8 (m = 3, n = 7) and polybutadiene (molecular weight 2 million to 3 million) (weight ratio 1: 2). 281 is a DSC curve of the temperature rising process of only the compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 7), and 282 is the compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 7) and polybutadiene (molecular weight 200). FIG. 3 is a DSC curve of a second temperature raising process after the mixture is once heated to 230 ° C. It can be seen that there are two peaks in the temperature raising process.
以上のように、融点または液晶から液体への転移点がそれぞれ2つ生じる結果は、多くの化8に示す化合物とポリブタジエンとの混合物において見いだされた。このように得られた液晶エラストマーのDSCにおいて、融点または液晶から液体への転移点のピークがそれぞれ2つあることは、化8に示す化合物がポリブタジエンに結合している場合と、結合していない場合との2種類あることに起因する。
As described above, the results of two melting points or two transition points from liquid crystal to liquid were found in many mixtures of the compound shown in
図29は、化8に示す化合物(m=3、n=5)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)の混合物を230℃まで一度加熱した後に昇温課程の156℃で液晶が発現しているところを示す偏光顕微鏡写真である。また、図30は、化8に示す化合物(m=3、n=11)とポリブタジエン(分子量200万から300万)(重量比1:2)との混合物を230℃まで一度加熱した後に昇温課程の153℃で液晶が発現しているところを示す偏光顕微鏡写真である。図29及び図30に示すように、何れの液晶エラストマーにおいても液晶が確認された。 FIG. 29 shows a mixture of the compound shown in Chemical Formula 8 (m = 3, n = 5) and polybutadiene (molecular weight 2 million to 3 million) (weight ratio 1: 2) once heated to 230 ° C. and then heated at 156. It is a polarizing microscope photograph which shows the place where the liquid crystal is developing at ° C. FIG. 30 shows a mixture of the compound shown in Chemical formula 8 (m = 3, n = 11) and polybutadiene (molecular weight 2 million to 3 million) (weight ratio 1: 2) once heated to 230 ° C. and then heated. It is a polarizing microscope photograph which shows the place where the liquid crystal is developing at 153 degreeC of the course. As shown in FIGS. 29 and 30, liquid crystals were confirmed in any liquid crystal elastomer.
また、上記で得られたポリブタジエン鎖と化8に示す化合物とを230℃で加熱することにより得られる液晶エラストマーは、クロロホルム、トルエン、ラウリン酸メチル、アセトンなどの有機溶剤の中で膨潤してゲルになる。
The liquid crystal elastomer obtained by heating the polybutadiene chain obtained above and the compound shown in
以上のように、化3に示す新規化合物は、末端に炭素と炭素の二重結合(ビニル基)をもち、液晶性を示す部位(メソゲン)が2つからなる液晶性を示すビフェニル誘導体である。この化合物の液晶温度範囲は広く、しかも液晶から液体への転移点のエンタルピー変化が大きいという特徴を有する。この新規化合物を含む液晶分子はポリブタジエンと混合して230℃にまで加熱すると、ポリブタジエンが架橋されるとともに、この液晶分子がポリブタジエンと結合されて液晶エラストマーとなる。このことは液晶エラストマーとして実用化に適しているといえる。
As described above, the novel compound shown in
261 混合物の1回目の昇温過程のDSC曲線
262 化8に示す化合物(m=3、n=11)のみの昇温過程のDSC曲線
263 混合物を230℃まで一度加熱した後の2回目の昇温過程のDSC曲線
264 混合物を230℃まで一度加熱した後の2回目の降温過程のDSC曲線
265 化8に示す化合物(m=3、n=11)のみの降温過程のDSC曲線
266 混合物を230℃まで一度加熱した後の3回目の降温過程のDSC曲線
271 化8に示す化合物(m=3、n=9)のみの昇温過程のDSC曲線
272 混合物を230℃まで一度加熱した後の2回目の昇温過程のDSC曲線
273 混合物の降温過程のDSC曲線
274 化8に示す化合物(m=3、n=9)のみの降温過程のDSC曲線
281 化8に示す化合物(m=3、n=7)のみの昇温過程のDSC曲線
282 混合物を230℃まで一度加熱した後の2回目の昇温過程のDSC曲線
261 DSC curve of the first heating process of the
Claims (5)
RがH又はMeで、AがCOO(CH2)mであり、
mは2以上、nは3以上である。) A liquid crystal material comprising a compound represented by the formula:
R is H or Me, A is COO (CH 2 ) m ,
m is 2 or more, and n is 3 or more. )
前記複数のポリブタジエン鎖の少なくとも一部に結合された化2に示す化合物とを有することを特徴とする液晶エラストマー。
RがH又はMeで、AがCOO(CH2)mであり、
mは2以上、nは3以上である。) A plurality of polybutadiene chains cross-linked to each other;
A liquid crystal elastomer comprising: a compound represented by Chemical Formula 2 bonded to at least a part of the plurality of polybutadiene chains.
R is H or Me, A is COO (CH 2 ) m ,
m is 2 or more, and n is 3 or more. )
前記化4に示す化合物と、4'−ヒドロキシ−4−ビフェニルカルボン酸とを反応させて、化5に示す化合物を生成する工程と、
前記化5に示す化合物と、化6に示す化合物とを反応させて、化7に示す化合物を生成する工程とを有することを特徴とする液晶用材料の製造方法。
Reacting the compound shown in Chemical Formula 4 with 4′-hydroxy-4-biphenylcarboxylic acid to produce the compound shown in Chemical Formula 5;
A method for producing a liquid crystal material, comprising: reacting the compound represented by Chemical Formula 5 with the compound represented by Chemical Formula 6 to produce a compound represented by Chemical Formula 7.
前記化9に示す化合物と、4'−ヒドロキシ−4−ビフェニルカルボン酸とを反応させて、化10に示す化合物を生成する工程と、
前記化10に示す化合物と、化11に示す化合物とを反応させて、化12に示す化合物を生成する工程と、
前記化12に示す化合物と、アクリル酸またはメタクリル酸と反応させて、化13に示す化合物を生成する工程とを有することを特徴とする液晶用材料の製造方法。
Reacting the compound represented by Chemical Formula 9 with 4′-hydroxy-4-biphenylcarboxylic acid to produce the compound represented by Chemical Formula 10;
Reacting the compound shown in Chemical Formula 10 with the compound shown in Chemical Formula 11 to produce a compound shown in Chemical Formula 12,
A method for producing a material for liquid crystal, comprising the step of reacting the compound represented by Chemical Formula 12 with acrylic acid or methacrylic acid to produce the compound represented by Chemical Formula 13.
RがH又はMeで、AがCOO(CH2)mであり、
mは2以上、nは3以上である。) A method for producing a liquid crystal elastomer, comprising mixing polybutadiene and a compound represented by Chemical Formula 14 and heating within a range of 180 ° C to 250 ° C.
R is H or Me, A is COO (CH 2 ) m ,
m is 2 or more, and n is 3 or more. )
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