Зависимость вязкости от концентрации наночастиц в полимерно-дисперсных жидких кристаллах

УДК 544.258

doi: 10.18101/2306-2363-2016-2-3-35-39

© А. В. Номоев, Н. А. Романов, А. С. Демин, М. А. Цыренова, Б. Б. Дамдинов

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. В рамках исследования было произведено измерение вязкости ПДЖК с добавлением наночастиц. Показано, что при добавлении наночастиц изменяется вязкость полимерно-дисперсной жидкокристаллической смеси. Найдена оптимальная концентрация наночастиц Ta-Si.

Ключевые слова: нанотехнологии, нанопорошки, жидкие кристаллы, жидкокристаллические пленки, композитные наночастицы, янус-подобные наночастицы.

A. V. Nomoev, N. A. Romanov, A. S. Demin, M. A. Tsyrenova, B. B. Damdinov

THE DEPENDENCE OF VISCOSITY ON CONCENTRATION OF NANOPARTICLES IN THE POLYMER-DISPERSED LIQUID CRYSTALS

The article investigates the dependence of the viscosity on the concentration of the nanoparticles in the polymer-dispersed liquid crystal (PDLC), namely, the concentration of Ta-Si nanoparticles. To do this, the measurements of viscosity PDLC have been made. It was shown that the addition of nanoparticles changes the viscosity of the polymer-dispersed liquid crystal mixture. The optimum concentration of Ta-Si nanoparticles was found.

Keywords: nanotechnology, nanopowders, liquid crystals, liquid crystal films, composite nanoparticles, yanus-like nanopaticles

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 полимерно-жидкокристаллической 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 частиц компании Shimadzu SALD-7500 nano. Средний диаметр наночастиц составил 336 нм. Наименьший диаметр наночастиц составил 7 нм.

3 60000 -,-------

qd

320000 280000 240000

и 200000 g

U 160000 120000 80000 40000 0

0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00

keV

Рис. 1 Элементарный состав наночастиц Ta-Si

i з- -

ТЦ £ з

Н н Е- Е-

Распределение частиц

..... I.

I- О гп СО о го О üO п: о. т • ^ i - i С О О

О r-í 1Л о" гС Orí csí о О О СЭ СЭ СЭ О О d о

(íl fvj И Н

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] [мПас]

ЖК 100 432,3

ЖК+2%Та^ 100 386,34

ЖК+1%Та^ 100 375,6

ЖК+0,5%Та^ 100 355,93

ЖК+0,25%Та^ 100 314,7

ЖК+0,125%Та^ 100 350,61

Выводы

1. При добавлении наночастиц изменяется вязкость полимерно-дисперсной жидкокристаллической смеси

2. Концентрация наночастиц Та^ 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.

Литература

1. Podoliak N., Buchnev O., Herrington M. Elastic constants, viscosity and response time in nematic liquid crystals doped with ferroelectric nanoparticles // RSC Advances. - 2014. - V. 4. - 46068

2. Mishra M., Dabrowski R. S., Dhar R. Thermodynamical, optical, electrical and electro-optical studies of a room temperature nematic liquid crystal 4-pentyl-4'-cyanobiphenyl dispersed with barium titanate nanoparticles // J. of Molecular Liquids. - 2016. - V. 213. - P. 247-254.

3. Щербинин Д. П., Коншина Е. А., Солодков Д. Е. Изменение вращательной вязкости нематического жидкого кристалла и плотности зарядов при добавлении квантовых точек CdSe/ZnS // Письма в ЖТФ. - 2015. - Т. 41, вып. 16. - C.

4. Kaneko K., Ujihara Y., Oto K., Hashishin T., Hanasaki T. Electric-Field-Induced Viscosity Change of a Nematic Liquid Crystal with Gold Nanoparticles // Chem. Phys. Chem Communications. - 2016. - V. 16, № 5. - P. 919-922.

Номоев А.В., доктор физико-математических наук, доцент, Бурятский государственный университет, Россия, Улан-Удэ, E-mail: nomoevav@mail.ru

Романов Н.А., научный сотрудник, лаборатория физики наносистем, Бурятский государственный университет, Россия, Улан-Удэ, E-mail: nromanovv@mail. ru

Демин А.С., магистрант, Бурятский государственный университет, Россия, Улан-Удэ

Цыренова М.А., аспирант, лаборатория физики наносистем, Бурятский государственный университет, Россия, Улан-Удэ, E-mail: mtcyrenova93@mail. ru

Дамдинов Б.Б., доктор физико-математических наук, доцент, Бурятский государственный университет, Россия, Улан-Удэ, E-mail: dababa@mail.ru

Nomoev A.V., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Buryat State University, Ulan-Ude, Russia, E-mail: nomoevav@mail.ru Romanov N.A., Reseacher Associate, Laboratory of Physics of Nanosistems, Buryat State University, Ulan-Ude, Russia, E-mail: nromanovv@mail.ru Demin A.S., undergraduate, Buryat State University, Ulan-Ude, Russia Tsyrenova M.A., Postgraduate Student, Laboratory of Physics of Nanosistems, Buryat State University, Ulan-Ude, Russia, E-mail: mtcyrenova93@mail.ru

Damdinov B.B., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Buryat State University, Ulan-Ude, Russia, E-mail: dababa@mail.ru