Зависимость вязкости от концентрации наночастиц в полимерно-дисперсных жидких кристаллах

В статье исследуется зависимость вязкости от концентрации наночастиц в полимерно-дисперсных жидких кристаллах (ПДЖК), а именно от концентрации наночастиц Ta-Si. Для этого было произведено измерение вязкости ПДЖК. Жидкие кристаллы широко исследованы из-за их уникальный электро- и магнито-оптических свойств, они используются в технике, промышленности и медицинских приборах. Наноструктурные материалы являются перспективными материалами для потенциального применения в технологии дисплеев.

Композиционные материалы на основе жидких кристаллов могут быть получены с использованием различных наночастиц для повышения электрооптических свойств жидких кристаллов и для устранения некоторых нежелательных эффектов для электрооптических жидкокристаллических ячеек.

Допирование жидких кристаллов наночастицами приводит к изменению ориентации молекул, диэлектрической анизотропии и проводимости жидкого кристалла, также возникает изменение динамических и оптических характеристик жидкокристаллических ячеек в электрическом поле. После добавления наночастиц в ЖК матрицу, порядок молекул в ЖК матрице может разрушиться или стать менее упорядоченным. В то же время наночастицы являются достаточно большими по размеру, чтобы поддерживать внутренние свойства материала, из которого они сделаны, и часть этих частиц фиксируется и сцепливается с ЖК молекулой.

Экспериментальная часть

В качестве материалов для создания полимерно-дисперсных жидких кристаллов использовались следующие соединения: коммерческие поливинилацетат и нематический жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией 4-пентил-4’-цианобифенил (5СБ). Выбор этих компонентов объясняется их доступностью и достаточной изученностью.

Наночастицы применялись для допирования исходной полимерножидкокристаллической смеси. Они были получены путем испарения исходных монолитных материалов на релятивистском ускорителе электронов с последующей конденсацией паров в потоке транспортного газа аргона.

В работе использовались нематические жидкие кристаллы 5СБ и наночастицы Ta-Si. Было приготовлено несколько образцов дисперсий полимер-ЖК-наночастицы, отличающихся друг от друга концентрацией добавляемых частиц. Концентрация наночастиц составляли 2%, 1%, 0,5%, 0,25%, 0,125% и рассчитывалась в зависимости от массы. Взвешивание суспензии производилась на аналитических весах (Vibra AF 224RCE).

Смесь полимера, жидких кристаллов и наночастиц обрабатывалась ультразвуком в течение 10 мин при частоте 22 кГц.

Измерения проводились с помощью реометра Anton Paar MCR 52 . Реометр оснащен низкофрикционным подшипником, датчиком нормального давления и прецезионным мотором, что позволяет производить тесты с минимальным крутящим моментом 200 мкН. Образец был установлен между параллельными пластинами, нагретыми до 20⁰С.

Размер наночастиц Ta-Si оценивался с помощью лазерного анализатора размеров частиц компании Shimadzu SALD-7500 nano. Для определения качественного элементного состава наночастиц использовался JEOL SEM/EDX JSM 6010LA.

Результаты и обсуждения

На рис. 1 представлено изображение качественного элементного состава наночастиц Тa-Si, добавляемых в суспензию жидкого кристалла. Диапазон энергий составляет 0 до 21 кэВ, интенсивность излучения 10527 чпс.

Массовая доля Ta и Si, 49% и 38% соответственно.

На рис. 2 представлено изображение распределения наночастиц Та-Si по размерам, оценивающийся с помощью лазерного анализатора размеров

keV

Рис. 1 Элементарный состав наночастиц Ta-Si

Распределение частиц

Диаметр частиц (мкм|

Рис. 2. Распределение наночастиц Ta-Si по размерам

На рис. 3 представлена зависимость вязкости жидких кристаллов для разных значений концентраций наночастиц Ta-Si. Как видно из рисунка, вязкость ЖК меняется. Вязкость ЖК понижается с добавлением наночастиц, при этом, чем меньше концентрация тем меньше становится вязкость. Отклонение наблюдается при минимальной концентрации наночастиц 0,125 % мас. ЖК, это связано с тем что суспензия приближается к результату чистых ЖК. Значит, существует оптимальная концентрация наночастиц, при которой вязкость минимальна.

Рис. 3. Зависимость вязкости жидких кристаллов от концентрации

Диэлектрическая анизотропия влияет на рабочее напряжение, пик пропускания, и время отклика через вязкость. Время отклика прямо пропорционально вязкости и обратно пропорционально диэлектрической анизотропии. Зависимость средней вязкости от концентрации наночастиц при постоянной скорости сдвига показаны в таблице

Таблица

Зависимость средней вязкости от концентрации наночастиц

Образец	Скорость сдвига	Вязкость
	[1/с]	[мПа·с]
ЖК	100	432,3
ЖК+2%Ta-Si	100	386,34
ЖК+1%Ta-Si	100	375,6
ЖК+0,5%Ta-Si	100	355,93
ЖК+0,25%Ta-Si	100	314,7
ЖК+0,125%Ta-Si	100	350,61

Выводы

• 1.    При добавлении наночастиц изменяется вязкость полимернодисперсной жидкокристаллической смеси

• 2.    Концентрация наночастиц Ta-Si 0.25 дает лучший показатель по вязкости (с постоянной скоростью сдвига) по сравнению с другими концентрациями, а значит, и лучшее время отклика ЖК.

• 3.    Для объяснения механизмов наблюдаемых явлений необходимо проведение дальнейших исследований вязкоупругих свойств композитных сред на основе ЖК с наночастицами. Это позволит оптимизировать динамические характеристики таких композитных сред для их практического использования в оптических устройствах.