Polimero Multi Color disperso en Cristales Líquidos

El uso generalizado de de uso personal multimedia ha provocado una fuerte expansión en la fabricación de pantallas baratas, simples y de ahorro de energía. Debido a que el cristal líquido más ampliamente utilizado (LC) pantallas se componen de muchos conjuntos diferentes de elementos ópticos - tales como filtros de color, placas polarizantes, y películas de alineación - la simplificación de cationes de tales diseños va potencialmente conducir a la disminución en el coste de fabricación y mejor capacidad de ahorro de energía. Una pantalla con un polímero disperso de película de cristal líquido (PDLC) es uno de los modelos más simples posibles, ya que no tiene ninguna placa de polarización o película de alineación.

Aunque esta pantalla está estructuralmente simplificada y muy brillante, todavía hay margen de mejora debido a la utilización de un filtro de color. Pantallas que consisten en estímulos sensibles materiales crómicos múltiples se encuentran entre los principales candidatos a este tipo de sistemas simples ideales.

Aquí, se presenta la preparación de un nuevo material que cambia de color de revestimiento estructural de toda la región visible - en respuesta a la temperatura por medio de los cambios tanto en las propiedades de difracción y la dispersión de longitud de onda de sus índices de refracción. Nuestro material es un compuesto de una fase separada de la red polimérica porosa y un LC, es estructuralmente idéntico a un sistema de PDLC tradicional. Por lo tanto, la LC está dispuesto al azar en la red de polímero poroso a temperaturas más bajas, dando como resultado una dispersión de la luz blanca aplicada.

Esto resulta en una apariencia blanca translúcida o lechosa. Sin embargo, cuando el LC alcanza un estado isotrópico a temperaturas más altas, una longitud de onda particular de luz - en la que las dos curvas de dispersión de longitud de onda que dependen de los diferentes de la red de polímero poroso y la LC se cruzan - pueden transmitir predominantemente a través del material compuesto. Como resultado, el material compuesto exhibe coloración brillante y también revela un cambio de color en respuesta a la temperatura debido a que el punto de cruce de las dos curvas de dispersión de longitud de ondas dependientes varía con la temperatura.

En los últimos años, los materiales estructuralmente coloreados han sido objeto de un amplio estudio debido a su posible aplicación en pinturas, textiles, cosméticos, sensores y pantallas. Materiales de color estructurales que no sufren fotoblanqueo o pierden energía de la luz son alentadores candidatos para los sistemas de visualización de ahorro de energía. Uno de los materiales de colores estructuralmente más ampliamente previstos para este tipo de aplicaciones es un cristal fotónico con una nanoestructura óptica periódica compuesta de partículas submicrónicas y copolímeros de bloques a gran molécula.Sin embargo, el color dependiente del ángulo estructural sobre la base de difracción de Bragg de un cristal fotónico es desfavorable para su uso en la tecnología de pantalla.

Para conseguir que materiales de colores estructural muestren un color estructural independiente del ángulo, hemos preparado dos tipos de materiales nanoestructurados. Se trata de un sistema de matriz amorfa compuesta de partículas submicrónicas que tienen una banda de gap seudo fotónica.

Hasta ahora, se han utilizado partículas de gel suave y partículas de sílice duro para preparar matrices amorfas, y ambos tipos de matrices revelan el color estructural sin dependencia del ángulo debido a la orden de corto alcance de las partículas. El otro material nanoestructurado es una película de polímero de fases separadas macro-poroso auto-ensamblado lleno con un disolvente apropiado, la curva de dispersión que se cruza con la del polímero en la región visible.

Aquí, la dispersión es una variación del índice de refracción con la longitud de onda. Este sistema también exhibe colores estructurales independientes del ángulo utilizando un principio diferente a la de los cristales fotónicos mencionados anteriormente y también a la de las matrices amorfas. Creemos que estos sistemas de colores estructuralmente independientes del ángulo puede ser sitúados a la vanguardia de la fabricación de sistemas de visualización de ahorro de energía.

En este estudio, hemos intentado ampliar este último, recientemente desarrollado, el potencial del sistema para su aplicación en una pantalla de PDLC multicolor funcional. PDLC Los dispositivos no requieren una placa polarizante o una película de alineación para modular la luz debido a las gotitas de LC, encerrados en un polímero poroso en el que el tamaño de poro es comparable a longitudes de onda visibles, dispersan la luz debido a la falta de coincidencia de índice de refracción entre las gotitas de LC y los polímero poroso.

Por lo tanto, los dispositivos de PDLC funcionan como obturadores o ventanas ópticas inteligentes que pueden cambiar estos aspectos entre los estados claros y estados opacos. Si podemos añadir más funciones a los dispositivos de PDLC, tales como la capacidad de mostrar diferentes colores, estos dispositivos pueden encontrar aplicación en el ahorro de energía muestra multicolor. Para implementar este concepto, nos dirigimos a nuestro material de color estructuralmente poco explotados.

Hemos adoptado un procedimiento simple para hacer que las redes poliméricas porosas con distribuciones de tamaño de poro controlados adecuadamente de la misma manera utilizada para la fabricación de monolitos de polímero poroso, con la producción por un proceso de separación de fases. Los monolitos de polímero porosos son materiales macroporosos preparados por polimerización de monómeros de vinilo y agentes de reticulación en presencia de un disolvente porógeno apropiado.

El tamaño del poro puede ser fácilmente controlado por la cantidad de disolvente porógeno utilizado.

En este trabajo, redes poliméricas porosas compuestas de metacrilamida N-metil (MMAA) y N, N'-metilen-bisacrilamida (BIS) como monómero y agente de reticulación, respectivamente, se prepararon utilizando hexano como disolvente porógeno. La Figura 1 muestra imágenes de microscopía de barrido de electrones (SEM) de las redes poliméricas porosas MMAA-BIS con cantidades variables de hexano. Con 50 mg de hexano, la red de polímero MMAA-BIS seca es de color azul débil para el ojo y se compone de micropartículas con diámetros de menos de 100 nm. El tamaño de las partículas en los MMAA-BIS de polímero de la red aumenta con un aumento en la cantidad de hexano presentes: redes poliméricas MMAA-BIS porosas secas compuestas de partículas mayores de 500 nm se vuelven opacas .A juzgar por las morfologías de las estructuras de fases separadas de las partículas de polímero BIS de la red MMAA, la formación de las estructuras debe ser causado por la formación nuclear, mientras que el crecimiento se produce a través de polimerización.

Para construir un sistema de PDLC multicolor, se utilizó una red polimérica porosa MMAA BIS compuesta de alrededor de 5 μm partículas (Figura 1d). A medida que el tamaño de una sustancia dispersión se parametriza por la relación de su longitud característica r y la longitud de onda λ de la luz (α = 2 πr / λ) y porque una aproximación óptica geométrica se puede aplicar para evaluar la interacción entre la luz y la dispersión de una sustancia cuando el valor de α es suficientemente mayor que 1, podemos tratar esta red polimérica MMAA-BIS porosa como un simple material reflectante difuso. Hemos informado anteriormente de que la coloración estructural de una red de polímero porosa sumergido en un disolvente apropiado puede ser causada por medio de la coincidencia en una longitud de onda de las curvas de la parte de red polimérica porosa de dispersión y que parte de disolventes.

Naturalmente, un material de color estructuralmente se puede obtener por la impregnación de una red polimérica porosa con una isotrópia apropiada LC basado en el mismo principio. Para una isotrópica LC apropiado, la dispersión de la LC isotrópica

debe cortarse con la dispersión de una red de polímero a una cierta longitud de onda en la región visible.

Debido a este requisito, antes de seleccionar un LC para la construcción de un sistema de PDLC multicolor, hay que conocer la dispersión de la red de polímero MMAA-BIS.

La Figura 2 muestra las curvas de dispersión de la red de polímero MMAA-BIS a 25 y 50 º C, en comparación con los de los dos tipos de CL populares a diferentes temperaturas (ver más abajo). El índice de refracción de la red de polímero MMAA-BIS a 25 º C cambia de 1,531 a 404,7 nm a 1.509 a 706,5 nm: el número de Abbe (Vd), que es una medida de la dispersión del material de en relación con el índice de refracción, de esta MMAA -BIS red polimérica es de 50. Los índices de refracción de red polimérica MMAA-BIS a 50 ° C en la región visible son ligeramente más pequeñas que las de 25 º C.

Sin embargo, el cambio es extremadamente pequeña en comparación con las de los cristales líquidos utilizados. Para revelar el color estructural de la red polimérica porosa MMAA-BIS lleno de un LC, la curva de dispersión de la LC encima de su punto isotrópico debe cortarse con la de la red MMAA-BIS polímero en la región visible.

Si tenemos un que cumple LC puro adecuada este requisito, un multicolor PDLC se puede obtener sin dificultad. Sin embargo, incluso mezclas de LC pueden cumplir con esta condición, y el uso de una mezcla de LC puede ser ventajosas para el objetivo de obtener un multicolor PDLC que es útil en un amplio intervalo de temperaturas

Aquí, se muestra un procedimiento para montar un PDLC multicolor con una red polimérica porosa MMAA-BIS y una mezcla LC termotrópico. Se utilizó 4-ciano-4'-pentylbifenyl (5CB) y 4 - (trans-4-pentil-ciclohexil) benzonitrilo (5PCH) como LCs.Ambos son LCs termotrópicos, exhibiendo las transiciones de fase de la fase isotrópico en la fase LC nemático al disminuir la temperatura.

Las temperaturas de transición de cristal líquido nemático entre la fase y la fase isotrópica, TNI, de 5CB y 5PCH son 33,4 y 53,6 º C, respectivamente. La transición de fase LC termotrópico se puede observar, no sólo en estos compuestos puros, sino también mezclas de estos.

Una parcela de TNI medida por DSC en comparación con la composición se muestra en la Figura 3. Estas moléculas pueden ser una mezcla eutéctica, y el TNI de las mezcla LCs continuamente cambia de 33,4 a 53,6 ° C, dependiendo de la composición. Para cada LC puro, existen dos picos endotérmicos en el rango de medición (0-100 º C) de DSC: la inferior y la superior una exposición del punto de fusión (Tm) y TNI, respectivamente.

Los puntos de fusión de 5CB y 5PCH son 17,8 y 29,8 º C, respectivamente, pero las de las mezclas son más bajos que ambos de estos valores debido a sus propiedades eutécticas, los puntos de fusión de las mezclas no se pueden observar por encima de 0 ° C. Como resultado de ello, los rangos de cristal líquido de las mezclas se vuelven más anchos que los rangos de los compuestos puros. Esta situación ofrece una amplia gama de temperaturas efectivas para la PDLC. Si la mezcla de LC se llena en la red de polímero porosa sin alineación, está dispersa Luz del compuesto fuertemente debido a las fluctuaciones en la LC y los desajustes en los índices de refracción entre la red de polímero y la LC a continuación TNI, produciendo de este modo un resultado opaco.

Mientras tanto, por encima de TNI, la mezcla está en la fase isotrópica y exhibe una curva normal de dispersión. Los índices de refracción de 5CB y 5PCH varían de 1,594 a 546 nm a 1,582 a 633 nm y de 1,514 a 546 nm a 1,508 a 633 nm, respectivamente, en cada TNI.Debido a que estas curvas de dispersión no se cruzan con la curva de la red de polímero MMAA-BIS la dispersión incluso a diferentes temperaturas (Figura 2) la red de polímero MMAA-BIS porosa lleno sólo 5CB o 5PCH dispersa la luz fuertemente incluso por encima de TNI.

Sin embargo, las curvas de dispersión para las mezclas de composiciones dadas pueden cortarse en ciertas longitudes de onda con la curva de dispersión de la red de polímero MMAA-BIS en la región visible.

En estos casos, una cierta longitud de onda de la luz cerca de la intersección puede pasar a través de una película de material compuesto que comprende la red MMAA-BIS polimérica cargada con las mezclas LC, mientras que las otras longitudes de onda de la luz se refleja difusamente (ver información de apoyo, la figura S1). Como resultado, vemos picos upturned en los espectros de transmisión de las películas de material compuesto: los materiales compuestos de color revelan estructuras. A juzgar por el mecanismo de coloración de este sistema, la morfología de un polímero poroso tiene un efecto insignificante sobre el color estructural, siempre y cuando el polímero poroso refleje la luz difusa.

La figura 4a muestra espectros de transmisión de la red de polímero MMAA-BIS llenado con la mezcla LC (73% de 5PCH) a diferentes temperaturas. El TNI de esta mezcla LC es de 42 º C. A los 27 y 33 º C, donde la mezcla de LC se encuentra en un estado nemático, bloques de película compuesta de la transmisión de la luz visible. Así, el fi lm compuesto es opaco. En contraste, por encima de TNI, un cierto pico se observó en cada espectro de transmisión a diferentes temperaturas. Además, la posición del pico se desplaza a una longitud de onda más corta con el aumento de temperatura, causado por el cambio en el punto de intersección de las curvas de dispersión. En consecuencia, la película de material compuesto revela una variación reversible en el color estructural con la temperatura (figura 4b). Si se cambia la composición de la mezcla LC, también se cambia la variación de la temperatura del color estructural (Figura 4c-f).

Por lo tanto, podemos construir un traje ajustable multicolor PDLC con este procedimiento (Figura 4g). Además, el color estructural de este sistema puede ser controlable por un campo eléctrico debido a la sensibilidad de la LC a los campos eléctricos. Actualmente estamos estudiando una pantalla multicolor ajustable eléctricamente con el mismo sistema.

Nuestros resultados demuestran que una fase separada de la red polimérica porosa MMAA-BIS lleno de LCs mixtos de 5CB y 5PCH puede presentar cambios en el color estructural que cubren toda la región visible y de un color lechoso opaco a las variaciones de temperatura. En contraste con los materiales de band gap fotónica estudiados anteriormente, este sistema es fácil de preparar como una pantalla de gran tamaño debido a su método de preparación en un solo recipiente fácil y su mecanismo de coloración. Debido a que esta película compuesta muestra el color de montaje reducida dependiente del ángulo y puede actuar como un multicolor PDLC, creemos que este sistema puede estar disponible para ahorro de la energía de pantallas multicolor

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Sección Experimental

Preparación de la muestra: En un experimento típico, un tubo de ensayo 3 ml se cargó con MMAA (400 mg, 4,04 mmol), BIS (100 mg, 0,649 mmol), metanol (200 mg, 6,25 mmol) y una cantidad apropiada de hexano (50 -300 mg). Se burbujeó nitrógeno gaseoso en la solución durante 30 min para eliminar el oxígeno disuelto. Después de la adición de azobisisobutironitrilo (10,2 mg, 9,03 × 10-5 moles) como un iniciador a la solución, la solución sometida a ultrasonidos se colocó en un baño térmico a 60 ° C durante 24 h para obtener una red polimérica porosa.

Para la preparación de redes poliméricas homogéneas claras para las curvas de dispersión, hexano (que es un mal disolvente para la red de polímero) no fue añadido a la solución. La red de polímero obtenido se lavó con metanol y se secó bajo vacío. Cada red polimérica se cortó en una forma de disco de aproximadamente 1 mm de espesor.

La red polimérica en forma de disco se intercaló entre dos vasos de diapositivas con un 1 mm de espesor espaciador de teflón, y las piezas fueron unidas con un clip. Varias composiciones de LCs compuestas de 5CB y / o 5PCH se impregnaron en la red de polímero porosa en la celda a 70 º C.

Las mezclas binarias de la LC de composiciones dadas se calentaron a 80 º C durante 1 h y se mezclaron completamente. Después de la impregnación de las LCs, la celda fue sellada con adhesivo de curado por radiación UV.

Medidas: Se observaron las microestructuras de las redes poliméricas MMAA-BIS usando SEM (Jeol JSM instrumento 5600). Las muestras se recubrieron con una capa de oro de 15 nm, y la tensión de funcionamiento a 10 kV. Pequeñas muestras de LC fueron tomadas por calorimetría (DSC), análisis diferencial de barrido (Seiko Instruments DSC3200) para estimar TNI y Tm. Las velocidades de calentamiento y enfriamiento eran 2 ° C min-1 en todos los casos.

El comportamiento de fase de las LCs también fue examinado por POM. Un microscopio óptico de polarización (Olympus BH-2) con una platina caliente (Mettler FP90) y una cámara CCD (Olympus DP12-2) se utilizó para la observación visual. La dispersión de las LCs se midió mediante un refractómetro de longitud de onda múltiple (ATAGO DR-M2) conectado a un baño de agua circulante (LAUDA RE-104). Un termómetro electrónico (TAL COMO UNA TM-300) con una precisión de ± 0,1 ° C se utiliza para supervisar continuamente la temperatura del prisma del refractómetro.

La dispersión de la red del polímero MMAA-BIS se midió mediante un refractómetro de longitud de onda múltiple (Carl Zeiss PR-2) conectado a un baño de agua circulante (HAAKE circulador N6-C41). Los Espectros de transmitancia de las muestras se midió utilizando un espectrómetro de Óptica USB 2000 de fibra óptica Ocean mediante el cambio de la temperatura en una platina caliente (Mettler FP90). Fotografías ópticas de las muestras fueron tomadas en un microscopio digital (KEYENCE VHX-500)