авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Вязкоупругие  свойства тонких слоев каламитных мезогенов в интервале температур - 30 – + 80ос 

-- [ Страница 1 ] --









































На правах рукописи

ТИМОФЕЕВ ГОРДЕЙ АНТОНОВИЧ





ВЯЗКОУПРУГИЕ  СВОЙСТВА ТОНКИХ СЛОЕВ

КАЛАМИТНЫХ МЕЗОГЕНОВ В ИНТЕРВАЛЕ

ТЕМПЕРАТУР - 30  + 80ОС 

02.00.04 Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Иваново  2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Усольцева Надежда Васильевна

Научный консультант:

доктор технических наук,

старший научный сотрудник Савченко Виктор Ефремович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук,

профессор Бурмистров Владимир

Александрович

доктор физико-математических наук,

профессор Ясинский Федор Николаевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики»

Защита состоится « ___ » ____________ 2008 г. в _________ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете (153000, г. Иваново, проспект Фридриха Энгельса, 7)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета.

Автореферат разослан «____» ___________ 2008 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских и

кандидатских диссертаций _______________ Егорова Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование вязкоупругих свойств жидкокристал-лических (ЖК) пленок, в том числе при фазовых переходах (ФП), является очень важным для развивающихся пленочных нанотехнологий, поскольку в тонких слоях их характеристики могут отличаться от объемных образцов. Одним из подходов к изучению вязкоупругих свойств является энергетический метод с помощью кварцевого диссипативного преобразователя (КДП) механической энергии. Энергетическим методом можно получить экспериментальные данные в тонких слоях исследуемых веществах. Это особенно актуально также в случае необходимости изучения вязкоупругих свойств у новых наукоемких ЖК–материалов, которые обычно получают в малых количествах. Все это обусловило актуальность исследования динамическим методом при помощи кварцевого резонатора (КР) вязкоупругих свойств каламитных мезогенов при ФП.

Кроме того, до настоящего времени сохраняется потребность в детекторах различных токсичных легко воспламеняющихся веществах. Существующие подходы к определению наличия в атмосфере паров легко летучих соединений имеют ряд технических ограничений и отличаются низкой селективностью. Поэтому актуальным является дополнение существующих методов сенсорной диагностики так называемым энергетическим методом изучения динамических свойств пленок в присутствии аналитов.

Целью работы является установление с помощью кварцевого диссипативного преобразователя особенностей вязкоупругих свойств каламитных мезогенов в тонких слоях при фазовых переходах кристалл –  изотропная фаза, кристалл – мезофаза, мезофаза – мезофаза, мезофаза – изотропная фаза и оценка влияния на эти свойства паров легколетучих соединений.

Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:

  • разработать новый экспериментальный комплекс для применения энергетического метода исследования вязкоупругих свойств малых количеств каламитных мезогенов в тонких слоях при фазовых переходах в воздушной среде и в присутствии паров органических растворителей;
  • создать компьютерную программу для автоматизации вычислений, обработки и анализа экспериментальных данных;
  • исследовать мезоморфизм четырех новых соединений – гомологов 4-н-амилфениловых эфиров 6'-н-алкилоксифенилциклогексан-2-карбоновой кислоты;
  • экспериментально с помощью КДП изучить вязкоупругие свойства у каламитных соединений различной химической природы при фазовых переходах кристалл – изотропная фаза, кристалл – мезофаза, мезофаза – мезофаза, мезофаза – изотропная фаза;
  • исследовать вязкоупругие свойства гомологов 4-н-амилфениловых эфиров 6'-н-алкилоксифенилциклогексан-2-карбоновой кислоты классическим акустическим методом в образцах малого объема;
  • исследовать влияние паров ряда легко летучих соединений на вязкоупругие

     свойства в тонких слоях исследуемых образцов при ФП.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом Минобрнауки РФ для Проблемной лаборатории жидких кристаллов в ИвГУ, с перечнем приоритетных направлений, утвержденным Президиумом РАН «Основные направления фундаментальных исследований»: Приложение к Постановлению № 233 от 1 июля 2003 г., а также при финансовой поддержке грантами Минобрнауки РФ «Индустрия наносистем и и материалы» № 302281495 и «Развитие научного потенциала высшей школы» РНП.2.2.1.1.7280.

Научная новизна. В настоящей работе впервые:

  • создана экспериментальная установка для исследования с использованием кварцевого

диссипативного преобразователя вязкоупругих свойств тонких слоев каламитных ЖК в интервале температур от – 30 до +80 °С;

  • исследован термотропный мезоморфизм четырех новых соединений – гомологов 4-н-амилфениловых эфиров 6'-н-алкилоксифенилциклогексан-2-карбоновой кислоты;
  • с помощью созданного экспериментального комплекса энергетическим методом при 300 кГц изучены вязкоупругие характеристики (вязкость, жесткость и тангенс угла механических потерь) ряда каламитных мезогенов (холестерилхлорида, 4-н-метоксибензилиден-4'-н-бутиланилина, моно-[п-(1,1,3,3-тетраметилбутил)фенило-вого] эфира гептаэтиленгликоля, четырех гомологов 4-н-амилфениловых эфиров 6'-н-алкилоксифенилциклогексан-2-карбоновой кислоты) в тонких слоях и проанализированы их особенности при разных типах фазовых переходов: кристалл – изотропная фаза, кристалл – мезофаза, мезофаза – мезофаза, мезофаза – изотропная фаза. Эти данные сопоставлены с результатами, полученными на ряде объемных образцов резонансным ультразвуковым методом;
  • изучено влияние на вязкоупругие свойства указанных выше каламитных мезогенов паров легко летучих соединений (бензол, гексан, циклогексанон, циклогексанол).

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Несомненным преимуществом созданного комплекса является возможность использовать для акустических исследований небольшого количества изучаемого вещества.

Предложенный метод позволяет исследовать особенности вязкоупругих свойств микроколичеств новых наукоемких наноматериалов на твердых подложках, что является одним из актуальных направлений разработки современных нанотехнологий.

Полученные результаты вносят вклад в представление о влиянии температуры, паров легко летучих соединений на вязкоупругие свойства мезогенных пленок, нанесенных на твердую поверхность, что может найти применение в различных устройствах (например, сенсорах).

На защиту выносятся:

  • разработанный экспериментальный комплекс для исследования вязкоупругих свойств пленок ЖК, в том числе в присутствии паров легколетучих соединений и созданная компьютерная программа для обработки экспериментальных данных;
  • результаты изучения температурных зависимостей вязкоупругих свойств ряда мезогенных и немезогенных каламитных соединений различной химической природы при ФП кристалл – изотропная фаза, кристалл – мезофаза, мезофаза – мезофаза, мезофаза – изотропная фаза;
  • данные по мезоморфизму четырех новых каламитных мезогенов (гомологов 4-н-амилфениловых эфиров 6'-н-алкилоксифенилциклогексан-2-карбоновой кислоты);
  • результаты изучения влияния на вязкоупругие свойства семи каламитных соединений паров четырех легко летучих соединений (гексан, бензол, циклогексанон, циклогексанол).

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в участии в постановке задачи, получении экспериментальных данных, обработке и анализе полученных результатов, участии в обсуждении, написании и оформлении публикаций, в участии с докладами на международных и всероссийских конференциях.

Апробация работы. Результаты выполненной работы были представлены на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов "Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности" (Иваново, 2002), на научной конференции «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете ИвГУ-2004», на VII международном научно-практическом семинаре «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы» (Иваново, 2004), на конференции «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете ИвГУ – 2005», на I Всероссийской школе-конференции «Молодые ученые – новой России. Фундаментальные исследования в области химии и инновационная деятельность» ИХР РАН (Иваново, 2005), на «Московском международном салоне инноваций и инвестиций», где экспонат по теме «Использование кварцевых резонаторов для изучения вязкоупругих и сенсорных свойств жидкокристаллических пленок» отмечен бронзовой медалью (Москва, февраль 2005), на научной конференции Фестиваля аспирантов и студентов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете» (Иваново, 2006), на V и VI Международных конференциях по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 2003, 2006), на VII научной конференции Регионального научно-образовательного центра по наноматериалам «Молодая наука в классическом университете» (ИвГУ – 2007).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, в том числе 9 статей в отечественных научных журналах и сборниках, из них 6 статей в журналах из перечня ВАК, 10 тезисов в сборниках научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и 4 глав, включающих обзор литературы, экспериментальную часть с описанием экспериментального исследовательского комплекса, материалов собственных исследований и их обсуждение. Завершают диссертацию разделы: основные результаты и выводы, литературный список (205 наименований) и четыре приложения. Работа изложена на 186 стр. машинописного текста, содержит 32 таблицы, 105 рисунков (из них 27 в приложении).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана оценка актуальности, определена общая цель исследования, сформулированы задачи, отражающие основные вопросы, решаемые в диссертации.

ГЛАВА I. Обзор литературы

Первая глава состоит из шести разделов. В первом и втором – рассмотрены общие представления о химической и надмолекулярной структуре каламитных мезогенов. В третьем разделе обобщаются литературные данные о теории вязкоупругих свойств ЖК. В четвертом разделе приводятся литературные данные по пьезоэлектрической кварцевой колебательной системе и по акустическим методам, используемым для изучения вязкоупругих свойств ЖК. Также в разделе приводится описание разновидности резонансного метода – метода составного вибратора. И завершают обзор пятый и шестой разделы, посвященные данным литературы о методиках изучения с помощью кварцевого резонатора механических свойств пленок ЖК, в том числе в процессе адсорбции на их поверхности.

ГЛАВА II. Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования выбраны следующие соединения: холестерилхлорид (Х26) (I), 4-н-метоксибензилиден-4'-н-бутиланилин (МББА) (II), моно-[п-(1,1,3,3-тетраметилбутил) фениловый] эфир   гептоэтиленгликоля (ТритонX–100) (III), производства Харьковского завода химреактивов «Реахим»,  а  также  4-н-амилфениловые   эфиры  6'-н-алкилокси(гексилокси-IV, гептилокси-V, октилокси-VI, нонилокси-VII)-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, синтезированные в лаборатории жидких кристаллов ИвГУ (Рис.1).

Выбор данных объектов обусловлен тем, что они представляют собой каламитные соединения различной химической природы, имеющие несколько типов фазовых переходов в пределах 100 °С, а именно кристалл – изотропная фаза, кристалл – мезофаза, мезофаза – мезофаза, мезофаза – изотропная фаза.

Исследование фазового состояния изучаемых соединений проводили методами оптической термополяризационной микроскопии («Leitz Laborlux 12 Pol» с нагреватель-ным столиком «Mettler FP 82». Скорость нагрева 2 С/мин. Фотографии текстур получены при помощи микрофотонасадки 24 x 36 мм2 с фотоаппаратом «Wild MPS 51»). Также применялась дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC 200 PC/1/M/H Phox фирмы “NETZSCH”).

В качестве аналитов использовался ряд веществ с циклической и линейной формой молекул: бензол (C6H6), циклогексанон (C5H10CO), циклогексанол (C6H11OH), гексан (C6H14).

Изучение вязкоупругих свойств каламитных соединений при фазовых переходах, в том числе в присутствии паров летучих органических веществ, проводили энергетическим методом при помощи КДП. Для этого был разработан экспериментальный исследовательский комплекс, содержащий  4 функциональных устройства (Рис. 2):

I – сенсорное статическое устройство с инжекторным вводом пробы, II – система динамической регенерации, III – комплекс измерительной аппаратуры, а также устройство для получения газовых смесей легколетучих соединений. Сенсорное устройство состоит из КР, совершающего колебания по типу сдвиг по контуру, покрытого пленкой ЖК. Датчик помещался в специальную герметизированную ячейку для изоляции от окружающей среды. В ячейке также располагался платиновый термометр сопротивления. В ячейку, снабженную определенным набором переключателей, можно инжекторно вводить пробы воздуха с парами различных соединений.

Преобразование эквивалентного электрического сопротивления (ЭЭС) в КДП в стандартный сигнал осуществляется более простым по сравнению с частотомером автоматическим прибором, что повышает надежность измерений и уменьшает его стоимость.

Прибор состоит из мостовой схемы, усилителя, фазовращателя, детектора и цепочки саморегулирования (Рис. 3).

В проводимых нами исследованиях в качестве КДП применяются кварцевые резонаторы (КР) среза ДТ (xyl/-52) с соотношением его ширины  к длине  lm / lo = 0.380.41  (lo = 1,559•10-2 м,   lm = 6,18•10-3 м.  Толщина КР  ld  6.2•10-4 м, плотность кварца  = 2650 кг/м3 толщина металлизированных (никель) электродов h   2•10-4 м). Частотно определяющий размер этого пьезоэлемента – его ширина. При таком срезе пьезоэлемент испытывает колебания сдвига по контуру с резонансной частотой f=300 кГц, или растяжение по одной диагонали и сжатие по другой, причем обе деформации совершаются одновременно.

Общее уравнение для механических напряжений в пьезоэлементе произвольной ориентации записывается с учетом упругих модулей, деформаций, гистерезисного механизма потерь в кварце.

, (1)

где ij, Cijkl, Hijkl, kl – компоненты тензоров напряжений, упругие модули, гистерезисные постоянные и деформации.

Демпфирующие свойства покрытия можно оценить величиной механического сопротивления КР и покрытия, соответственно, учитывая, что , =2/4fl0,:

и, (2)

где mp – масса тонкого слоя, lo – ширина пьезопластины, Т – толщина покрытия, p – плотность покрытия.

Для связи механических и электрических параметров КДП используется коэффициент , для КР среза ДТ определяемый из выражения:

, (3)

где – пьезоэлектрический модуль, lm – длина пьезоэлемента.

Масса, жесткость и механическое сопротивление изучаемого тонкого слоя находятся с использованием коэффициента электромеханической связи :

,,. (4)

Вязкость покрытия р, исходя из измеряемых электрических параметров, определяется из выражения:

 , (5)

где S – площадь КР, покрываемая пленкой, R0 – сопротивление КР без покрытия, R – сопротивление КР с пленочным покрытием при определенной температуре.

Таким образом, сложные преобразования можно заменить формулой:

 , (6)

где Ko – коэффициент преобразования, а lсд – толщина слоя вещества.

На основе всех данных математических выкладок впервые создана компьютерная программа на языке Visual Basic for Applications (VBA6) в Excel пакета Microsoft Offiсе, которая позволяет автоматизировать вычисления для массива экспериментальных данных.

ГЛАВА III. Вязкоупругие свойства каламитных соединений при фазовых переходах


В главе представлены данные по вязкости, тангенсу механических потерь, жесткости пленочных образцов в динамике нагрева и охлаждения, что позволяет проанализировать изменение этих характеристик при различных фазовых переходах (Рис. 5 – 10). Температурные зависимости указанных характеристик сопоставлялись с температурами фазовых переходов (Тфп), полученными методом поляризационной микроскопии (Табл. 1, Рис. 4) и дифференциальной сканирующей калориметрии (Рис. 11). Зарегистрировано различие в вязкоупругих свойствах при ФП Cr  Iso у монотропного мезогена Х26 и у Тритона Х–100, состоящее в том, что у первого – ФП характерезуется экстремумом кривой значений диссипации энергии, у второго – ФП имеет вид несимметричного пика (Рис. 5, 7). Данные по вязкоупругим свойствам МББА, полученные энергетическим методом, были сопоставлены с литературными данными по результирующей вязкости, рассчитанной по значениям коэффициентов Лесли, установленным акустическими методами на объемных образцах. Вязкость покрытия оказалась выше рассчитанной результирующей вязкости объемных образцов, но ее динамика изменений аналогична изменениям, фиксируемым классическими методами. Это сравнение позволило установить значимое влияние поверхности на вязкоупругие характеристики мезогенов в тонких слоях.

При переходах Cr  SmA наблюдается минимум значений диссипационных



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.