Диссертация (1173423), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Здесь исследование затухающего потокаобеспечивает измерение эффективных значений сдвиговой вязкости, которыезависятоториентационнойструктурыЖКвнутрипор.Теоретическиеисследования предполагают возможность образования четырех конфигурацийориентации директора в цилиндрических капиллярах, к которым относятся порыПЭТФ пленок [97, 98] которые показаны на Рисунке 4.1. Прямые ЯМРисследования [99] ориентационной структуры нематиков выявили в зависимостиот диаметра пор существование аксиальной конфигурации (Рисунок 4.1 (а)),плоской полярной конфигурации (PP) (Рисунок 4.1 (б)), радиальной конфигурациис точечными дефектами (ERPD) (Рисунок 4.1 (в)) и конфигурации с выходом104директора из плоскости пленки (ER) (Рисунок 4.1 (г)).
Реализация той или инойконфигурации зависит от целого ряда параметров, таких, как сила поверхностногосцепления директора с внутренней поверхностью цилиндра, диаметр цилиндра,модули упругости Франка, включая специфический модуль К24, играющий рольпри сильной кривизне поверхности цилиндра. Существование различныхориентационных конфигураций в ЖК, помещенных в пористую пленкуполикарбоната (система, близкая к исследованной в данной работе), было изученометодом ЯМР спектроскопии [100].Рисунок 4.1 – Различные типы конфигурации директора: a) аксиальная; б) планарная полярная(PP); в) планарная радиальная (ERPD); г) с выходом директора из плоскости пленки (ER).Различные типы ориентационных конфигураций внутри поры могутпривести к различным значениям эффективной сдвиговой вязкости.
Эффектыслабого поверхностного сцепления и влияние сильных ограничений надиссипативные параметры НЖК также могут иметь важное значение. В частности,условие сильного поверхностного сцепления, допустимое для стеклянныхкапилляров достаточно большого диаметра (порядка 100 мкм), безусловно, неподходит для пор субмикронных диаметров. Данный факт необходимо приниматьво внимание при анализе результатов реологических исследований.4.2 Конструкция измерительной ячейки и геометрия экспериментаДля проведения экспериментальных исследований была впервые созданаизмерительнаяячейкасзафиксированнойвнутрипористой105полиэтилентерфталатной (ПЭТФ) пленкой.
Конструкция измерительной ячейкидля исследования затухающего потока представлена на Рисунке 4.2. Во многом онасхожа с описанной в Главе 2 (ячейка второго типа) настоящей диссертации.Основная особенность состоит в использовании пористой пленки площадью 2,25см$ толщиной 23 мкм с цилиндрическими порами диаметром 0,6 мкм,ориентированными нормально относительно поверхности пленки, и плотностьюпор N0=4·1011 м-2.
С обеих сторон пленки расположены стеклотекстолитовыеподложки с медной фольгой на поверхности, вытравленной специальным образомдля предотвращения электрического пробоя. С той же целью использованыспейсеры толщиной 23 мкм. В стеклотекстолите просверлены и развальцованыотверстия диаметром 1,5 мм для свободного протекания НЖК. С внешней сторонырасположены стекла, отделенные от стеклотекстолита спейсерами.а)б)Рисунок 4.2 – Конструкция ЖК ячейки (а): 1 - пористая пленка; 2 - электрод; 3 стеклотекстолитовые подложки; 4 - спейсеры; 5 – вертикальные трубки (D=1,1 мм); геометрияэксперимента (б).Пористая пленка разделяет две части ячейки, которые связаны открытымивертикальными трубками диаметра D = 1,1 мм.
Максимальный перепад давлениясоставлял 500 Па. ЖК ячейка термостатировалась с точностью ±0,1 К.Схемаэкспериментальнойустановкииметодикаполученияэкспериментальных данных идентичны описанным в Главе 2 настоящейдиссертации.1064.3 Полученные результаты и их обсуждениеВ качестве экспериментальных данных были получены временныезависимости ΔH(t) путем обработки цифровых изображений менисков синтервалом следования 10 с. Аппроксимация полученных зависимостей простымэкспоненциальным законом (2.7) позволила получить значения времени затуханияпотока τ и рассчитать, согласно (4.4), соответствующие значения эффективнойсдвиговой вязкости h. Постоянная ЖК ячейки К определялась путем проведенияаналогичных измерений в изотропной фазе (320±0,1 K) с использованиемлитературных значений сдвиговой вязкости [47]. Зависимость относительнойразности уровней менисков ΔН(t) для изотропной и нематической фаз представленана Рисунке 4.3. Как видно из графика, соотношение (2.7) достаточно хорошоописывает экспериментальные зависимости, что свидетельствует о постоянствеориентационной структуры при заданных условиях эксперимента (температуры иградиента давления).Рисунок 4.3 – Временные зависимости относительных разностей уровней менисков ΔH(t)/ΔH(0)при различных температурах для ЖК 5ЦБ:– Т=300 K;– Т=320 K; сплошные линии –результаты аппроксимации зависимостью (2.7) с временами затухания t=171,7 с (для Т=300 K) иt=64,9 с (для Т=320 K); диаметр пор 0,6 мкм.107Для получения временных зависимостей уровней менисков для ЖК 5ЦБ,находящегося в нематической фазе, применялась экспериментальная методика,описанная в Главе 2, за исключением того, что на пленку было подавалосьнапряжение от 0 до 250 В с частотой 1000 Гц.
Полученные значения времензатухания потока при различных значениях напряжения электрического поляпредставлены в Tаблице 4.1. Временные зависимости относительных уровней дляНЖК 5ЦБ при подаче 50, 100 и 200 В показаны на Рисунке 4.4 (а). Результатыизмерения вязкости жидкого кристалла в поре ПЭТФ пленки от приложенногонапряжения представлены на Рисунке 4.4 (б).Таблица 4.1 – Значения времени затухания потока, полученные в ходеэксперимента для различных значений напряжения электрического поля, T=300 K.U, BВремязатухания t, c050100150200250171,66190,56138,2113,2102,9399,45б)Рисунок 4.4 – Временные зависимости относительных разностей уровней ΔH(t)/ΔH(0) приразличных значениях напряжения (а):–50 В;– 100 В;– 200 В; сплошные линии –результаты аппроксимации; зависимость эффективной вязкости НЖК 5ЦБ от переменногонапряжения (б):- экспериментальные результаты;минимальное значение вязкости 5ЦБ.- результат аппроксимации;-108Как следует из данного рисунка, при увеличении напряжения наблюдаетсяуменьшение сдвиговой вязкости, при этом экспериментальная зависимостьвязкости от напряжения асимптотически стремится к значению, равному вязкостиМесовича (0,0204 Па·с) для 5ЦБ при заданной температуре [47], котороесоответствуеториентациидиректоравдольнаправленияпотока.Этосвидетельствует о возможности эффективного управления ориентационнойструктурой жидкого кристалла с помощью электрического поля.Из Рисунка 4.4 (б) видно, что в диапазоне напряжений от 0 до 50 В ненаблюдается сильной зависимости эффективной вязкости от напряжения, чтоозначает сохранение исходной ориентационной структуры ЖК, задаваемойвнутренними поверхностями пор.Следует отметить, что экспериментальное значение сдвиговой вязкости(ηэфф= 0,045 Па·с (Рисунок 4.4 б)) в данном диапазоне напряжений близко кполученному ранее при аналогичных исследованиях [101] для ЖК 5ЦБ вотсутствии электрического поля и находится в интервале предельных измененийсдвиговых вязкостей от η2=0,0204 Па·с до η1=0,1052 Па·с [47].
Следует такжеотметить, что полученное значение эффективной вязкости близко к значению ηэфф=0,032 Па·с, определенному по результатам исследования электрокинетическихявлений в ЖК 5ЦБ, заключенного в ПЭТФ пленку [90]. Результаты измерениясдвиговой вязкости могут быть полезны при анализе экспериментальных данных,полученных методом динамической корреляционной спектроскопии [102].Теоретическая оценка полученного результата в отсутствии электрическогополя может быть сделана на основе простой модели [100], использующейодноконстантное (K11=K33=K) приближение для расчета зависимости полярногоугла θ от радиальной координаты r в случае ER конфигурации (см. Рисунок 4.1).
Сучетом конечной силы сцепления W ЖК с внутренней поверхностью порывыражение для полярного угла θ(r) принимает вид:ù•ùú$t$tan( ) = tan(),(4.5)где θR – значение полярного угла на границе раздела ЖК-полимер, определяемоевыражением109sin$ t = ( $ − 1)/ $ ,(4.6)где параметр сцепления σ определяется следующим образом: = (/) + ($` /) − 1.(4.7)В этом выражении: R − радиус пор, W − полярная сила сцепления, K24 –специфический модуль упругости для седлообразной деформации продольногоизгиба.Полученное выражение (4.6) позволяет оценить вызванное сильнымпространственным ограничением отклонение граничного угла θR от значенияθR=p/2, соответствующего случаю сильного поверхностного сцепления />>1.Предыдущие исследования динамического рассеяния света ПЭТ-пленками,заполненными НЖК (5ЦБ) [103] показали, что типичные значения силы сцеплениянаходятся в диапазоне 1 ...
5 Дж/м2. Принимая значения W = 3,5×10-5 Дж/м2, K = K33= 11 пН [104], K24 ≈ 2 К, можно оценить значение θR, которое составляет 60º при d= 0,6 мкм. Зависимость θR(W) должна приводить к соответствующему уменьшениюэффективнойсдвиговойвязкостипосравнениюсослучаемсильногоповерхностного сцепления. Действительно, в случае ER конфигурации локальноезначение сдвиговой вязкости зависит только от полярного угла θ в соответствии схорошо известным выражением [5]:h = h$ cos $ + (h# + h#$ cos $ ) sin$ ,(4.8)где обычно значение параметра η12 существенно меньше, чем значения η1 и η2.В свою очередь, угол θ монотонно убывает от значения θ = θR на внутреннейповерхности поры до значения θ=0 в центре поры.Таким образом, можно ожидать, что значение эффективной вязкости ηэффокажется в интервале между η(θr) ≈ η1sin2θR и η(0) = η2. В рамках одноконстантногоприближения можно получить следующее выражение для среднего значения sin2θ:sin$ = 2 1 + ( − 1) (2 ( + 1)) − (( − 1) 2) .(4.9)Расчет, выполненный в соответствии с (4.9) при использовании значенийпараметров, представленных выше, приводит к значению <sin2θ>, равному 0,22 дляd = 0,6 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
