CC BY
8ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОПОЛЯРИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ КАПСУЛИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРОМ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
РАХИМОВА УМЕДА ДЖУРАБОЕВНА
Ассистент кафедры информационной технологии и коммуникации ТГУПБП, Худжанд,
Таджикистан
КАРИМОВ СОРБОН КАРИМОВИЧ
Старший научный сотрудник ХНЦ НАНТ, Худжанд, Таджикистан
ЭГАМОВ МУХТОР ХАСАНОВИЧ
Ведущий научный сотрудник ХНЦ НАНТ, Худжанд, Таджикистан
Аннотация. Экспериментально исследовано поведение пропускания света капсулированных полимером жидкокристаллические пленки с микронным размером капли нематика в широком диапазоне изменений концентраций жидкого кристалла при одноосном растяжении. С целью четкого наблюдения эффекта преимущественной ориентации молекул ЖК 5 ЦБ при одноосном деформировании полимерной матрицы, было применено поверхностно-активное вещество (ПАВ) цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ). Обнаружено лавинообразное преобразование структур микрокаплей при 80%-ном степени удлинения для концентрации 5% от веса в полимерной матрице. Перечислены преимущества поляризаторов на основе пленок и уточнены их диапазон применения. Показано, что в зависимости от диаметра капель имеют место двух процессов переориентация директора и трансформация радиальной структуры в биполярную.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, поливиниловый спирт, одноосная растяжения, поляризация, трансформация, концентрация, показатель преломления.
Введение
Успешное применение в оптоэлектронике и дисплейной техники нематических жидких кристаллов (НЖК) позволило создать на их основе новых материалов со свойствами, определяемыми прямыми физическими методами. В этих новых композитах, реализуемых в виде тонких и прозрачных полимерных пленок, жидкий кристалл (ЖК) выполняет функцию наполнителя в однородном материале, необходимым для его защиты и образования в виде конкретной текстуры. Хорошим примером таких систем могут считаться диспергированные полимером нематические жидкие кристаллы (ДПНЖК), в объёме которых, жидкий кристалл равномерно распределен в массе полимера в виде капсул более или менее правильной сфероидальной формы [1,2]. В качестве матрицы для них обычно используются прозрачные, гибкие, эластичные полимеры и эластомеры. Механизм формирования такой сложной композиционной системы не позволяет добиться идеальной упорядоченности молекул ЖК, однако, достаточная лабильность гибких пленок вполне позволяет видоизменения их свойств под действием внешних дестабилизирующих факторов [3]. Одним из таких факторов может считаться одноосная деформация полимерных пленок, содержащие мелкие капли жидкого кристалла. Именно такие системы исследуется в настоящей работе.
Объект исследования
В качестве матрицы нами были использованы поливиниловый спирт (ПВС), а мезогеном служили 4-п-пентил-4'-цианобифенил (5СВ) - нематический жидкий кристалл (НЖК). Эти две компоненты одного и того же композита хорошо растворяются в дистиллированной воде.
Для яркой иллюстрации эффекта процесса переориентации молекул нематика при одноосном вытягивании было применено поверхностно-активное вещество (ПАВ) - цетилтриметил аммоний бромид (ЦТАБ). Используемый нами ПАВ относится к катионному типу и позволяет обеспечить модификацию поверхностного сцепления ЖК на межфазной границе [4-6].
Методика эксперимента
Порошкообразные ПВС и НЖК совместно растворялись дистиллированной водой при комнатной температуре и перемешивались в электромагнитном смесителе в течение 5, 10 и 15 минут до момента получения однородной суспензии. Затем при температуре 80оС в течение десяти часов поддерживали суспензию, чтобы получить прозрачную гетерогенную систему с мелкими каплями нематика. Далее смесь выливали на поверхность горизонтальной стеклянной подложки и дали возможность испариться растворителя. Полученные после высушивания пленки имели толщиной 5-40 мкм с объемными и поверхностными каплями нематика микронного размера. Средний размер капли, определенные поляризационным микроскопом ПОЛАМ Р-113, составлял 2-6 мкм (в зависимости от времени размешивания) и имели сферическую структуру [6]. Весовое соотношение компоненты ЖК охватывал широкий диапазон (1:1, 1:2, 1:3, 1:5, 1:10, 1:20, 1:30, 1:40) по весу полимерной матрицы. Из этих пленок вырезали прямоугольные образцы и подвергали их одноосному деформированию в динамическом режиме. Для фиксации реакции КПЖК пленки на совместное действия механического (одноосное растяжение) и лазерного излучения малой мощности, нами была использована измерительная установка, использованной в [1 ].
Результаты и их обсуждения
Механизм деформирования композитных пленок на основе КПЖК состоит в следующем. Из множества многообразных классов мезоморфных соединений, подбирается конкретный нематик, для показателей преломления которого выполняется условия (no ~ np), где no и np соответственно показатели преломления жидкого кристалла НЖК 5СВ и полимерной матрицы (ПВС) [1,7,8]. В исходном, недеформированном состоянии, преимущественная ориентация молекул НЖК 5СВ является самопроизвольной, поэтому условия (no ~ np) не выполняется, т.к. на границе раздела двух компонентов происходит сильное рассеяние света. Однако, с ростом степени относительного удлинения образцов, сфероидальная (радиальная) структура переходит к эллипсоидальному (биполярному). Соответственно, выполняется вышеуказанная условия и капли НЖК 5СВ начинает пропускать световое излучения. На рис. 1 представлена график зависимости коэффициента
светопропускания для компоненты ортогонально (ТL) и параллельно (Tii) составляющего поляризованного лазерного луча от степени относительного удлинения А/ / /0 КПЖК пленки
для разных концентраций и времени размешивания.
Как было подчеркнуто выше, главным требованием функционирования КПЖК пленок -это равенство показателей преломления прозрачных компонентов. В исходном состоянии капли ЖК имеют различные формы и размеры, соответственно, направление директора капель тоже различны, поэтому при начальных значениях А/ / /0 коэффициенты светопропускания ТL
и Tii имеют одинаковые величины. Такое состояние системы соответствует полному рассеянию, нормально падающему света, независимо от вида поляризации. Далее, с ростом степени удлинения пленки происходит постепенная переориентация директора капли ЖК и преобразования радиальной структуры на биполярной [2,9]. Соответственно, капли наименьшего размера и мелкой формы быстрее подвергаются преобразованию, чем крупные капли.
Рис. 1. Зависимости коэффициента светопропускания ортогонально ( • ) и параллельно (о) составляющие компоненты поляризованного света для КПЖК пленок с концентрациями:
1:1 (кривая 1); 1:20 (кривая 2) и 1:40 (кривая 3)
В связи с этим, естественно, увеличивается численное значение по, что сопровождается сильным пропусканием света через эллипсоидальных капель НЖК 5СВ и незначительным рассеянием света на границе раздела полимер-НЖК. Дальнейшее относительное удлинения образцов становится причиной преобразования радиальной структуры капель, расположенные строго вдоль оси растяжения, к эллипсоидальному. В результате, при значении А/ / /0 =200%
почти все молекулы 5СВ ориентируются однонаправлено и располагаются параллельной оси вытяжки, но при этом показатели преломления обеих компонентов резко будут отличаться. Именно из-за разницы показателей преломления Ап = п0 - пр исследуемая КПЖК пленка
пропускает перпендикулярно составляющую компоненту поляризованного света (ТL) и
наоборот, рассеивает параллельно составляющую компоненту (Тц).
Аналогичная картина наблюдается и для концентрации 1:2 и 1:3, но с единственным отличием, что угол наклона резкого подъема компоненты ТL намного больше, чем для случая
1:1 (в рисунках они не показаны). Совсем иная картина наблюдается для концентрации 1:40 с идентичными условиями эксперимента (рис. 1, кривая 3). Как видно, налицо факт скачкообразного роста коэффициента светопропускания Т± для ПВС+НЖК композита.
Как видно из рис. 1 (кривая 2), при относительной удлинении до А/ / /0 =75% начинается ускорение процесса преобразовании структур капель НЖК в матрице полимера ПВС, а начиная с А/ / /0 =80% (кривая 3) имеет место резкий подъем компоненты Т± света с последующим стабильным сохранением данной состояний длительное время. Можно предполагать, что в начальной стадии растяжения (вплоть до А/ / /0 =50%) каждая капля имеет
радиально-симметричное строение. Дальнейший рост растяжения приводит к преобразованию радиально-симметричной структуры в осесимметричной. С топологической теории это свидетельствует о том, что на поверхности капли формируется кольцо дисклинации [4]. Однако, данный переход обратим, так как при прекращении растяжения осесимметричная структура спонтанно превращается в радиально-симметричную, поскольку в отсутствие внешних растягивающих сил последняя энергетически более выгодна и для 5ЦБ соответствует равновесному состоянию. Начиная с А/ / /0 =65-75% наблюдается переход осесимметричной структуры в эллипсоидальное [4,5]. Такой переход неизбежен, поскольку этому способствует
деформация полимерной матрицы при однонаправленном растяжении. Она сжимает радиальную структуру каплей перпендикулярно направлению растяжения, тем самым принуждая директора ориентироваться вдоль меридиональных кривых, соединяющих дефекты, которые находятся на полюсах. Дальнейшее растяжение вплоть до разрыва пленки приводит к сужению эллипсоида относительно малой полуоси и выпрямлении меридиональных кривых в центральной области капель нематика. При этом, вблизи боковых полюсах положение директора остаются неизменным.
На рис. 2 приведена зависимость коэффициента пропускания света для компоненты Т± и Тп от растяжения КПЖК пленки при концентрации 1:10 и 1:30. Здесь обращает внимания следующий факт: числовые значения Т± и Тп во-первых, относительно предыдущих графиков,
на порядок меньше, во-вторых, угол наклона пропускания Т±, сильно отличаются для рассматриваемых концентраций (1:10 и 1:30). Однако для обеих зависимостей Т=А( А/ / /0) уровень стабильности достигается при значении Т=0,5-0.6, что для предыдущих графиков не наблюдалось. Такой характер поведения компоненты ТL и Тп, видимо, связано с идентичностью условий приготовления образцов, а именно - одинакового времени размешивания (15 мин) и толщины пленок (40 мкм). Изменение концентрации смесей влияет на угол подъема Т±. В этом можно убедиться, анализируя графические данные для концентраций смесей ПВС:5ЦБ в соотношениях 1:30 (кривая 3, рис.2) и 1:40 (кривая 3, рис.1).
Рис. 2. Зависимость Т ортогонально ( • ) и параллельно (о) составляющие компоненты лазерного излучения для КПЖК пленок с концентрациями: 1:5 (кривая 1); 1:10
(кривая 2) и 1:30 (кривая 3)
Видимо, здесь играет роль перенасыщения капли ЖК в матрице: с одной стороны, крупные размеры каплей нематика способствует, чтобы нормально падающая к поверхности КПЖК пленок излучение лазера частично рассеивалась. К таким каплям относятся в первую очередь капли диаметром больше 6 мкм, а также те мелкие, расположенные на поверхности полимерной матрицы, которые при растяжении лопаются и становятся причиной шероховатости поверхности пленок. Особенности строения и изменения светопропускания КПЖК пленки с максимальными содержаниями ЖК могут быть ответственными и за другой наблюдаемый эффект, который заключается в том, что при деформации композита мелкие капли коагулируют [6], сливаясь в более крупные. С другой стороны, лишь при достижении растяжения А/ / /0 > 60-100% происходит просветления пленок за счет уменьшения толщины
пленки, что способствует большему светопропусканию. Следовательно, характер перестроек
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
структуры капель КПЖК при одноосном растяжении определяется не только типом граничных условий (нормальных или тангенциальных) [2,4] и ориентацией молекул. Немаловажную роль могут играть изменение компонентов смеси (в нашем случае содержание НЖК), а также размеры и формы капель нематика [10].
Вышеуказанные экспериментальные факты позволяют в дальнейшем исследовать КПЖК пленок в составе 1:5, чтобы получить высокой поляризующей характеристики прозрачных систем за счет анизотропии светорассеяния. Диапазон температур, в котором может работать такой поляризатор, вполне соответствует интервалу сосуществования мезофазы капсулированного НЖК 5СВ [10].
Предложенные нами микрополяризаторы на основе одноосно-деформированные КПЖК пленки по сравнению с призменными поляризаторами, имеют следующие преимущества: во-первых, они компактны и легко изготавливаются, так как по принципу работы похожи на поляроидных пленок; во-вторых, КПЖК пленку можно применять для поляризации мощного излучения, поскольку они одну компоненту светового излучения пропускает через себя, а другую, наоборот, Тем самим, способствуют, чтобы не имело место для протекания реакции деструкции при интенсивном излучении или реакции терморазложении при поглощении вторую (ненужную) компоненту света; в третьих, КПЖК пленки эффективно поляризуют проходящее излучение во всей области прозрачности используемых компонент, а именно, видимая и ближняя ИК-область спектра, что естественно, расширяют области их применения.
Выводы
Исследовали оптическую анизотропию капсулированных полимером жидкокристаллических пленок при однонаправленном растяжении с варьированием компоненты нематика в матрице. Показали, что в зависимости от диаметра капель имеют место двух процессов: переориентация директора ЖК и трансформация радиальной структуры в биполярную. Для более выраженного эффекта процесса переориентации молекул нематика при растяжении, ощутима роль поверхностно-активное вещество (ЦТАБ), позволяющая обеспечить модификацию поверхностного сцепления ЖК на межфазной границе.
Выявлено лавинообразное преобразование структур каплей нематика для концентрации 5%-ного ЖК от веса полимера (ПВС), заключающейся в деформации полимерной матрицы при однонаправленном растяжении. Она сжимает радиальную структуру каплей перпендикулярно направлению растяжения, тем самым принуждая директора ориентироваться вдоль меридиональных кривых, соединяющих дефекты, находящиеся на полюсах.
Показано возможности улучшения качество работы поляризаторов на основе КПЖК пленок с концентрацией 1:5, перечислены их преимущества и диапазон функционирования в видимой и ближней инфракрасной области по отношению к поляроидным пленкам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Egamov M. Kh, Gerasimov V.P., Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Zyryanov V.Ya., Loiko V.A. Polarizing properties of a stretched film of a polymer-dispersed liquid crystal with a surfactant dopant. // Journal of Optical Technology. 2014, vol.81, N 7. - p.414-417
2. Зырянов В.Я., Крахалев М.Н., Прищепа О.О., Шабанов А.В. Ориентационно-структурные превращения в каплях нематика, обусловленные ионной модификацией межфазной границы под действием электрического поля. //Письма в ЖЭТФ.-2010. Т.86. вып.6.
- с. 440-445.
3. Cутормин В.С., Крахалев М.Н., Прищепа О.О. Температурно-индуцированные изменения конфигурации директора в каплях нематика, диспергированного в поливинилпирролидоне. //Journal of Siberian Federal University. Mathematics and Physics. 2012, № 2(3). - p. 352-359
4. Крахалев М.Н., Лойко В.А., Зырянов В.Я. Электрооптические характеристики полимер-диспергированной жидкокристаллической пленки, управляемой ионно-сурфактантным методом. //Письма в ЖТФ, 2011, т.37, вып.1. - с. 72-77.
5. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Бинарные фазовые транспаранты на основе жидкокристаллической матрицы видеопроектора //Журнал технической физики, 2018, том 88, вып. 1. - С. 85-88
6. Прищепа О.О., Эгамов М.Х., Герасимов В.П., Крахалев М.Н., Лойко В.А. Поляризаторы света на основе композитных «полимер-ЖК-сурфактант»-пленок в качестве анизотропного рассеивающих сред //Известия ВУЗов. Физика. 2013, т.56, №2/2. С. 257-263
7. Лойко В.А., Конколович А.В. Изменение фазы плоской волны при прохождении через полимерную пленку с наноразмерными нематическими каплями жидкого кристалла. //ЖЭТФ.
- 2003. - Т. 123, № 3. - С. 552-559.
8. Амосова Л.П., Бойков Д.С., Щербинин Д.П. Влияние барьерных эффектов на межфазных границах на динамическое рассеяние света в нематическом жидком кристалле //Журнал технической физики, 2017, том 87, вып. 9. - С. 1376-1383
9. Egamov M. Kh, Loiko V.A., Krakhalev M.N., Gerasimov V.P., Prishchepa O.O., Zyryanov V.Ya., Light Scattering in the Stretched Film of Polymer Dispersed Liquid Crystal Doped with Surfactant // The 15th Electromagnetic and Light Scattering Conference, 21 - 26 June 2015. Leipzig, Germany. Leipzig, 2015. - p.139-141
10.Эгамов М.Х. Анизотропия светорассеяния полимерно-жидкокристаллических композиционных систем при одноосном растяжении //Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012, Том №4-2 - с. 675-680
