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Article

1 - STRUCTURE CHIMIQUE ET CRISTALLINE DES PCL AROMATIQUES

2 - SYNTHÈSE ET TRANSFORMATION DES PCL AROMATIQUES

3 - CARACTÉRISTIQUES DES POLYMÈRES À CRISTAUX LIQUIDES

4 - MISE EN ŒUVRE DES PCL

5 - PRINCIPALES APPLICATIONS DES PCL

Article de référence | Réf : AM3380 v1

Structure chimique et cristalline des PCL aromatiques
Polymères à cristaux liquides (PCL) thermotropes

Auteur(s) : Jean-Michel FALGUIÈRE, Marion WAGGONER, Michael R. SAMUELS

Date de publication : 10 oct. 2000

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Auteur(s)

  • Jean-Michel FALGUIÈRE : Ingénieur Civil, Université catholique de Louvain, BelgiqueZenite LCP, Product Manager, Europe

  • Marion WAGGONER : PhD in Physical Chemistry, Yale University - Senior Technology Fellow

  • Michael R. SAMUELS : Master of Science in Chemical Engineering, University of Michigan - Doctor of Philosophy in Chemical Engineering, University of Michigan - Senior Technology Fellow - Société Du Pont de Nemours

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INTRODUCTION

Dans les liquides, les atomes ou molécules individuels sont répartis au hasard et la connaissance de la position de l’un quelconque d’entre eux ne donne aucune indication sur la position des autres.

Dans les solides cristallins, les atomes (ou les molécules) occupent des positions définies par le réseau cristallin et la connaissance de la position de l’un des atomes (ou molécules) définit la position des autres.

Les cristaux liquides (CL) ont à la fois des caractéristiques propres aux liquides et aux solides cristallins.

Sur des distances courtes (environ 10 nm), les CL sont hautement organisés. Dans de petites régions de l’espace, appelées domaines, les atomes et les molécules sont disposés les uns par rapport aux autres comme dans les solides cristallins. Cette organisation est élevée au point que les CL réfractent les radiations électromagnétiques telles que les rayons X ou la lumière visible ce qui leur donne un aspect diffus, translucide indiquant la présence d’un liquide multiphase.

Cependant, même à l’intérieur des domaines, les forces interatomiques ou moléculaires sont relativement modérées et ceux-ci peuvent être facilement déformés sous l’effet de contraintes de cisaillement.

À plus grande distance, il y a peu d’interactions interatomiques ou moléculaires et le matériau se présente comme un liquide conventionnel. Les CL représentent donc un nouvel état de la matière et sont à la fois distincts des liquides et des solides.

Dans chacun des domaines, les propriétés physiques dépendent de la direction de la mesure. Ceux-ci sont donc hautement anisotropes. Lorsque le CL est à l’état de relaxation, cette anisotropie est peu sensible, les domaines étant orientés au hasard. À l’inverse, sous l’effet d’une contrainte de cisaillement ou de celle induite par son écoulement, le CL devient hautement anisotrope. Cet effet est à l’origine d’applications existantes ou potentielles.

Les matériaux susceptibles de f ormer des cristaux liquides peuvent aussi, suivant la température, prendre la forme solide ou liquide (cf. encadré).

À température suffisamment basse, ils formeront des solides cristallins ; à l’inverse, à température suffisamment haute, supérieure à la température dite « température d’éclaircissement », où l’énergie des atomes et des molécules est supérieure aux forces interatomiques ou moléculaires, ils formeront des liquides isotropes.

Pour les polymères à cristaux liquides, la température d’éclaircissement est généralement supérieure à la température de décomposition de ceux-ci. Son intérêt est donc purement académique.

Cristaux liquides (CL) et polymères à cristaux liquides (PCL)

Les CL sont naturellement composés de molécules comprenant des segments linéaires rigides (d’une longueur > 20 Å (2 nm) selon P. Flory [1]) avec des rapports L/D (longueur/diamètre) élevés. Des atomes individuels ou des molécules simples ne peuvent donc constituer des CL.

Si la molécule constituant le CL est unique, il s’agit d’un CL monomérique. Si, au contraire, la molécule est constituée de nombreux monomères (identiques ou non), on parlera de polymère à cristaux liquides « PCL », sujet de cet article.

Pour mémoire, les écrans à cristaux liquides utilisent un CL monomérique entre deux lames de verre ou deux films plastiques. Lors de l’application d’un faible champ électrique, les domaines cristallins s’orientent et le CL réfracte la lumière, faisant apparaître des caractères.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3380


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1. Structure chimique et cristalline des PCL aromatiques

Comme on l’a vu, les molécules de PCL comme les CL doivent contenir des segments rigides d’une longueur excédant 20 Å (2 nm) [1].

Dans le PCL, ces segments sont eux-mêmes constitués de sous-unités (monomères) rigides connectées par des liaisons rigides.

Les sous-unités (monomères) les plus courantes sont aromatiques comme le benzène ou le naphtalène avec des liaisons 1,4 orientées en para pour le benzène ; 1,4 et 2,6 pour le naphtalène.

Bien qu’aussi rigide, le cyclohexane 1,4 parasubstitué n’est pas utilisé en raison de son instabilité thermique. De nombreuses liaisons rigides sont possibles pour lier les anneaux benzéniques ou naphtaléniques entre eux.

Les principaux monomères utilisés dans la fabrication de polyesters à cristaux liquides sont donnés dans la figure 1.

  • Principales liaisons utilisées dans l’élaboration de PCL

    En associant des groupes réactifs particuliers (voir figure 2) aux différents monomères aromatiques, on peut créer des liaisons rigides. Ainsi, l’utilisation de groupes carboxyles et hydroxyles permet en les faisant réagir entre eux de créer des liaisons « ester » rigides.

La plupart des PCL thermotropes commercialement disponibles sont réalisés de la sorte. Ils sont donc obtenus par polycondensation et appartiennent à la famille des polyesters.

  • PCL thermotropes et PCL lyotropes

    Dans de nombreuses liaisons, les forces intermoléculaires peuvent être excessivement élevées en raison de la formation de ponts hydrogène. C’est le cas lorsque les liaisons entre monomères sont de type amines (voir figure 2).

    Les polymères comprenant de telles liaisons nécessitent une grande quantité d’énergie pour rompre les liaisons intermoléculaires et se transformer en CL.

    Ainsi, pour les polyamides aromatiques à cristaux liquides, le point de fusion dépasse 700 C, largement au-dessus de la température de décomposition thermique. Ces polymères ne peuvent donc être transformés par les procédés thermiques propres aux polymères. Ils ne peuvent être transformés qu’après mise en solution dans un solvant puissant (anhydride sulfurique, acide phosphorique). Si les forces intermoléculaires entre chaînes polymériques...

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1 Données statistiques et économiques

  • Production. Consommation

    La capacité de production des PCL avoisine les 20 000 tonnes à ce jour pour une consommation voisine.

    L'utilisation des PCL est en forte croissance (% à deux chiffres) en raison de l'évolution des technologies et de la protection de l'environnement dans la plupart des industries.

  • Prix

    Les prix des PCL sont devenus très compétitifs ces dernières années, se situant aux alentours de 20 euros/kg (plus ou moins selon les volumes et la composition).

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2 Références...

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