液晶聚合物

术语液晶（LC）是一个非常常见的术语；人们从20世纪70年代的数字钟表的液晶显示器上就知道了这一点。从那时起，液晶显示器几乎取代了所有传统显示器，取代了个人电脑、玩具、手机等便携式设备，最近又取代了电视。

然而，你听说过液晶聚合物(lcp)吗?虽然这些独特的分子已经适应了广泛的应用，但它们最近吸引了一个新领域的重大关注:近20年来，医疗部门一直在研究导管的发展，导管通常由金属部件制成，可用于磁共振成像(MRI)医疗程序。然而，核磁共振成像阻止了金属的使用。本文详细讨论了lcp，并展示了ZEUS如何利用lcp的特殊特性来创建复杂的单丝纤维来构建与MRI完全兼容的导管。

发现

尽管他们最近的商业化更为近期，但液晶的发现可以追溯到19世纪末到两个欧洲科学家，奥地利德国奥托莱·莱曼和弗里德里希·重振柜。最初被Reinitzer分析并在短时间内通过Lehmann验证，这些科学家们指出，当固体胆固醇苯甲酸酯加热并冷却时，它接受了多相转变。在加热上，固体最初成为浑浊的液体，但是当它被连续加热时，它变得清晰。然而，当使加热的透明液体冷却时，注意到相反的效果：首先透明，然后变成浑浊的液体，最后变成白色固体。对于Lehmann和Reinitzer，令人不安的问题是胆固醇苯甲酸酯的表观两种液态，即，清晰朦胧。（在狭窄的熔点范围内的固体通常熔化，只有一度或两度，颜色和相变是即时的。例如，纯冰在32°F处精确熔化。事实上，Lehmann和Reiniter已经解释了同一材料的两个不同的熔点 - 以前未知的现象。当在显微镜下观察朦胧液体时，Lehmann描述了观察微晶 - 具有不规则边界的多个微晶的形成。在进一步加热上，浑浊的液体变得清晰，结晶消失。Lehmann发现，这种初始中间流体在自然界中似乎是结晶，他暗示是一种新的物质状态。 He later termed his discovery as a liquid crystal, and the examination of two melting points would become essential to its identification.

什么是液晶?

雷曼、雷因策和其他人发现的是一种介于真正固体和液体之间的新物质状态。因此，物质的这种新的中间阶段被称为中间阶段，其中的分子被命名为介原。这些有机分子，小到中等大小，沿着一个轴排列自己在不同程度的组织称为主任，如图1所示。导电性代表了液晶的较长阶，但并不是所有的介元分子都参与了这种阶，因此使LC具有既非液体也非固体的独特行为。此外，研究人员还观察到，介晶沿着定向器的位置取向是一个基本元素，并导致了不同的晶体形成。

早在1922年，法国矿物学家乔治·弗里德尔(Georges Friedel)提出了一种基于中胚层排列和LC类型不同行为的分类系统。弗里德尔描述了几种基本的晶体形式，并对它们进行了详细的解释。在这里，近晶和向列相液晶结构是特别有趣的(图2)。向列相液晶分子保持其方向性取向，但在LC中不保持一定的移动自由。近晶介晶是这样排列的:它们的主轴与质心在一个平面上平行。近晶液晶显示方向和位置顺序。分子的这种取向影响lc的材料性质，如磁性、光学活性和电学性质;这种效应被称为各向异性。然而，对于气体或液体，在这些状态中分子显示完全无序或失向，它们显示各向同性，它们的性质也是各向同性的(图1)。lc的第二个定义特征是各向异性。

图1所示。显示物质中中间体分子沿指示体排列的图示。(A)液体(各向同性)和(B)晶体(固体，各向异性)。

图2。显示液晶类型中介子分子排列的图表。液晶表现出分子的定向排列，并且是各向异性的。（A） 显示取向顺序的向列相液晶，（B）近晶A液晶形式，（C）近晶C液晶形式。B和C具有方向和位置顺序。

液晶聚合物

随着进一步的研究，科学家们后来了解到，lc也是由更复杂的聚合物分子形成的。顾名思义，液晶聚合物(lcp)是由液晶体(lc)衍生而来的，目的是利用液晶体(lc)的显著特性。这些分子包含重复的单体单元，这些单体单元连接起来形成延伸的链状分子。大多数连结控制协定的特点是一种常见的基本结构,包括三个部分:一个疏水灵活的链接器一端,另一端亲水一半,和一个刚性mesogen核心(图3)。这些链结构形式连结控制协定通过聚合和自调整,就像单mesogen分子形成LCs。然而，与简单的(非聚合物)LCP不同，LCP的链状性质极大地影响了改进的分子间相互作用，从而对LCP的行为产生深远的影响。

图3。典型的LCP单体显示疏水和亲水区域、介原和柔性连接区域。

LCP和热塑性塑料

在这项研究中，lcp及其在热塑性塑料应用中的潜力是特别感兴趣的。许多热塑性塑料，如聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)和凯夫拉尔^®（图4）是众所周知的。这些热塑性塑料都是简单的烃链，除聚苯乙烯外，不含环组分。事实上，环取代基是LCP的另一个共同特征，聚苯乙烯单体通常被并入共混物中以生成LCP。LCP在加工过程中处于流动状态，与标准热塑性塑料不同，因为它们具有相当大的结晶度。LCP的这种部分结晶状态赋予这些塑料许多独特的性能，如韧性、优异的强度、耐化学性和高温。如今，LCP塑料的应用范围非常广泛，包括食品容器、激光束偏转器和航空航天零件。

图4。具有代表性的热塑性聚合物单体。其中，聚苯乙烯是LCP中最常见的。

商业化

对于可制造性，大多数商业lcp包括对羟基苯甲酸(p- hba)作为其单体之一，如图5所示。该工艺涉及多种缩合工艺，通常采用对苯二甲酸(HQ)、双酚(BP)、对苯二甲酸(TA)、2,6萘二甲酸(NDA)、异酞酸(IA)、6 -羟基-2-萘酸(HNA)等单体来促进合成(图6)。LCs和lcp的两个熔点为这些独特的聚合物塑料提供了更广阔的加工窗口。例如，聚(4-羟基苯甲酸)是由对hba单体缩合而成的高熔体聚酯，然后由双酚a (BP)和对苯二甲酸(TA)合成聚双酚a -对酞酸酯，如图5所示。事实上，lcp可以与聚烯烃、聚碳酸酯等聚酯构件以及碳和玻璃纤维等普通填料混合加工。改变LCP组成的能力扩展了它们的性质范围和潜在的应用。

图5。聚丙烯酸酯聚合物缩合反应实例。(A)对羟基苯甲酸单体聚合生成聚(对羟基苯甲酸)聚合物，(B)对苯二甲酸(TA)和双酚A单体聚合生成聚双酚-A-对苯二甲酸聚合物(单体单元如图所示)。

图6。常用添加剂可与p-HBA结合用于LCP合成和加工。

宙斯连结控制协定单丝

由于LCP可能具有独特的材料特性，ZEUS开发了一种作为挤压单丝纤维的LCP聚合物。该产品最初是针对医疗应用，但它可以在广泛的应用领域使用。一种独特的方法被用来制作宙斯的LCP单丝。这种方法涉及海纳和p HBA的缩合反应，结果是共聚物聚酯称为聚(4 -羟基苯甲酸-co-6-羟基-2-萘酸)，如图7所示。这种共聚物聚酯含有高连续性链，并形成一种任意熔融可加工(热致)材料。

在结构上，LCP纤维含有棒状介晶，形成向列lc。在挤压过程中，这些自调心分子沿流动方向纵向排列，从而提高了材料的强度，如图8所示。独特的结构属性结合专有的加工工艺，使LCP纤维具有独特的物理和机械性能。

图7。对羟基苯甲酸和6-羟基-2-萘酸的LCP缩合反应。

图8。LCP在挤压过程中的取向及其对纤维强度的影响。改编自:Holliday L:聚合物的刚度与结构的关系。参见:取向聚合物的结构与性能。Ward IM编辑。荷兰多德雷赫特:施普林格:1975:242 - 263)。

核磁共振兼容导管和LCP单丝

自20世纪70年代发展以来，MRI在医学诊断领域的应用引起了广泛关注。然而，实现这一目标的最大障碍是，MRI阻止了金属在包括导管在内的设备中的使用，而这些设备将在MRI领域中使用。在这种情况下，使用x光进行需要导管的软组织可视化操作是标准做法，因为在导管构建中使用了金属加强编织。x射线的一个明显结果是，它使临床医生和病人都暴露在电离辐射中。相反，有必要使用甚至在MRI下使用的导管，以实现更好的质量、更安全和可视化的程序。

为了应对mri兼容和导管植入的挑战，一些公司已经尝试开发各种非金属编织组件的导管。尽管这一努力已经进行了近20年，但它只产生了好坏参半的结果。在这种背景下,Zeus LCP单丝纤维被聘为导管钢筋编织不锈钢和其他金属和纤维编织(图9)。这个连结控制协定编织的目的是给临床医生所需的结构刚度,而使导管保留所需的远端deflectability灵活性等特征。此外，这些导管应该具有刚性和强度，便于推动人体血管。

图9。(A)导管构建组件，显示LCP单丝导管编织如何作为结构加固应用。(B)导管应用后LCP单丝纤维编织扩大。

作为传统金属导管编织如不锈钢丝的替代品，ZEUS LCP单丝与304 V不锈钢(SS)丝(一种通常用于构建导管的编织线)进行了一些相关特性的比较。对于这些比较,春天回火、退火和1/4的党卫军线矩形和圆的概要文件(表1)。连结控制协定纤维显示良好的抗拉强度退火轮以及1/4硬矩形党卫军电线,也表现出类似纳粹党卫军的断裂伸长率,1/4硬矩形电线。此外，LCP纤维相当大的拉伸模量为75.0 GPa，表明LCP具有导管轴支撑所需的首选刚度。这些特性为导管带来了更好的刚度和扭转性能，同时保留了导管操作的一定程度的灵活性——对于这些类型的设备来说，这是非常有吸引力的特性。

表1。Zeus LCP单丝与304 V不锈钢丝性能比较从5个重复试验中计算出平均值。拉伸强度是根据ASTM D2256指南测量的。Ksi = 1000 x psi;GPa = 10⁹x帕斯卡；毫米=毫米。

		宙斯连结控制协定纤维	不锈钢丝(弹簧回火)	不锈钢丝(退火)	不锈钢丝(弹簧回火)	SS线(1/4硬)
纤维概要/形状		轮	轮	轮	矩形	矩形
大小(直径)	英寸	0.003	0.003	0.003	0.001 x 0.003	0.001 x 0.003
	毫米	0.0762	0.0762	0.0762	0.0254 x 0.0762	0.0254 x 0.0762
平均抗拉强度	ksi	174.0	333.6	145.0	304.6	145.0
	平均绩点	1．2	2．3	1．0	2．1	1．0
平均断裂伸长率(%)		1．7	1．7	31.1	3.1	1．7
平均抗拉模块	ksi	10877 .8	29399年1。	19507年。6	27,470.1	21886年。2
	平均绩点	75	202.7	134.5	189.4	150.9

为了为这种新型材料的使用提供额外的支持和背景，将ZEUS LCP纤维与用于导管构造的许多非金属材料进行了比较，如尼龙、聚醚醚酮（PEEK）、聚对苯二甲酸乙二醇酯和凯夫拉欧洲杯足球竞彩^®．有趣的是,凯夫拉尔^®是一种复丝纱线，而PET、PEEK和尼龙是单丝。据观察，ZEUS LCP单丝在模量和拉伸强度方面优于所有单丝纤维，而断裂伸长率最小。它还表现出优异的拉伸模量的芳纶^®复丝，如表2所示。此外，LCP在483°F以下测试的所有单丝纤维中显示出最小的收缩率。总的来说，这些比较表明ZEUS LCP单丝是导管编织建议的几乎所有其他非金属纤维的更好替代品。

表2。LCP单丝纤维与几种常用导管材料的性能比较。欧洲杯足球竞彩聚合物数据来自:http://www.matweb.com/PET、PEEK和尼龙6数据均为非增强材料。范围值取决于测试的等级范围。PET、PEEK和尼龙6收缩率在不超过302°F的温度下进行线性测量；LCP纤维收缩率在390°F（199°C）和482°F（250°C）下线性测量。凯夫拉尔^®其中29根为1500旦/1000长丝/dtex 1670;数据取自杜邦公司。Ksi = 1000 x psi;MPa = 10⁶x帕斯卡;GPa = 10⁹x帕斯卡；毫米=毫米。

		宙斯连结控制协定纤维	宠物	偷看	尼龙6	凯夫拉尔* 29
平均抗拉强度	ksi	174.0	4．9	7.98 - 13.9	6.3 - 9.2	424
		平均绩点1.2	33.9 MPa	55.0 - 95.5 MPa	45.0 - 67.7 MPA	平均绩点12.9
平均断裂伸长率(%)		1．7	84.3	19.3 - 35.0	76.3	3.6
平均抗拉模块	ksi	10877 .8	424	499 - 612	245.0 - 331.0	10．2
测试	平均绩点	75	2．9	3.4 - 4.2	1.7 - 2.28	70.5
收缩(%)		< 0.01	0.5 - 1.1	1．2	1．4	< 0.1

导管结构的可制造性是LCP纤维相对于其他编织材料的另一个优点。凯夫拉尔欧洲杯足球竞彩^®是一种复丝纱线，因此在编织机上使用时，它容易出现鸟窝或磨损，而LCP单丝几乎没有磨损。还有，在施工的最后阶段，凯夫拉尔纤维^®当覆盖热收缩以使导管套材料（如尼龙或Pebax）回流时，显示一定程度的扁平化。这是凯夫拉纤维的展开或扁平化^®纤维部分堵塞编织层之间的间隙，并阻止在回流过程中套管与衬垫(如外径蚀刻聚四氟乙烯管)完全粘合(图10)。

导管建设的一个麻烦问题是不充分的粘结。这可能导致导管的扭转和刚度性能较差。由于LCP纤维是一根单丝，因此在导管建造过程中，它能够更好地穿透导管套并将导管套与衬垫粘合在一起，其强度足以满足临床医生所要求的刚度、扭矩和偏转性。

图10。Zeus LCP单丝与Kevlar纤维的比较^®作为导管编织。（A）导管编织物的放大图，显示编织物之间的间隙。（B）LCP单丝和（C）Kevlar的放大图^®纤维磨损的纱线。B和C取自10倍的原始图像，并以相同的比例显示。凯夫拉尔的^®如图所示为200dtex, LCP纤维的直径为0.003”。

结论

宙斯的单丝纤维代表了LCP产品的创新性，并满足了医疗领域迫切的需求:生产完全兼容mri的导管。Zeus LCP纤维在拉伸模量(刚度)、强度、收缩率和伸长率至少一个数量级上优于其他聚合物产品，如普通聚酯和尼龙。而LCP单丝至少与复丝Kevlar相似^®在力学性能方面，与后者不同的是，在回流过程中，衬套与回流夹套的粘结性较好。作为导管编织的不锈钢替代品，LCP显示出了非常有利的特性:它保持了导管偏转所需的一定程度的灵活性，并提供了相当大的可推性、刚度和扭矩强度。对于不锈钢，LCP单丝作为弹簧回火(硬)不锈钢和退火(软)不锈钢之间的汞齐，但它不是金属。使用非金属LCP加固意味着可以使用非放射性MRI实现软组织可视化过程与导管。随着这一新的机遇，临床医生和制造商都对这一重要步骤产生了新的兴趣，以获得完全兼容MRI的导管。

请点击这里下载白皮书全文

此信息已从Zeus Industrial Products, Inc.提供的材料中获取、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问宙斯工业产品公司