Способ получения термочувствительного материала

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА на основе холестерических жидких кристаллов, заключающийся во введении жидкокристаллического термоиндикатора, включающего холестерилбензоат, в гидрофобное полимерное связующее, нанесении полученной эмульсии на подложку, сушке с помещением материала в предварительно нагретую камеру и последующим охлаждением до комнатной температуры, отличающийся тем, что, с целью расширения температурной чувствительности, используют жидкокристаллический термоиндикатор, дополнительно содержащий холестерил - п - октилоксибензоат или холестерил-п-нонилоксибензоат при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Холестерилбензоат 18 - 27
Холестерил-п-алкоксибензоат 73 - 82
а сушку проводят путем помещения подложки с эмульсией на теплоизолирующую подставку, имеющую комнатную температуру, которую затем помещают в предварительно нагретую до 70 - 75^oС камеру с последующим постепенным увеличением температуры до 145 - 150^oС в течение 40 - 45 мин.

Изобретение относится к способам получения термочувствительных материалов на основе холестерических жидких кристаллов, используемых для измерения температур и визуализации температурных полей в устройствах ИК- и СВЧ-излучений, аэродинамике и других областях науки и техники.
Известен способ получения термоиндикаторных пленок на основе холестерических жидких кристаллов, заключающийся во введении холестерических жидких кристаллов в полимерное связующее, нанесении полученной эмульсии на подложку, высушивании и засвечивании в виде полос через трафарет светом УФ лампы. Каждая полоса засвечивается разное время, что и определяет ее цветотемпературные характеристики [1] .
Недостатком известного способа является малая чувствительность полученной термоиндикаторной пленки. Под действием УФ-излучения одновременно с изменением цветотемпературных характеристик значительно уменьшается интенсивность селективного отражения света.
Наиболее близким к предложенному способу является способ получения термочувствительного материала на основе холестерических жидких кристаллов, заключающийся во введении жидкокристаллического термоиндикатора, включающего холестерилбензоат, в гидрофобное полимерное связующее, нанесении полученной эмульсии на подложку, сушке с помещением материала в предварительно нагретую камеру и последующим охлаждением до комнатной температуры [2] .
Указанный способ характеризуется невысокой температурной чувствительностью ( t/ , ^оС/нм) при недостаточно широком рабочем диапазоне температур полученного материала (см. сравнительный пример).
Целью изобретения является расширение рабочего интервала температур и увеличение температурной чувствительности.
Это достигается тем, что согласно предложенному способу получения термочувствительного материала на основе холестерических жидких кристаллов, заключающемуся во введении жидкокристаллического термоиндикатора, включающего холестерилбензоат, в гидрофобное полимерное связующее, нанесении полученной эмульсии на подложку, сушке с помещением материала в предварительно нагретую камеру и последующим охлаждением до комнатной температуры, используют жидкокристаллический термоиндикатор, дополнительно содержащий холестерил-n-октилоксибензоат или холестерил-n-нонилоксибензоат при следующем соотношении компонентов, мас. % : Холестерилбензоат 18-27
Холестерил-n-алкокси- бензоат 73-82, а сушку проводят путем помещения подложки с эмульсией на теплоизолирующую подставку, имеющую комнатную температуру, которую затем помещают в предварительно нагретую до 70-75^оС камеру с последующим постепенным увеличением температуры до 145-150^оС в течение 40-45 мин.
При осуществлении известного способа [2] в качестве гидрофобного полимерного связующего используют поливинилацетат, поливинилхлорид, в качестве холестерических жидких кристаллов используют различные характерические жидкие кристаллы или нематикохолестерические смеси с интервалом существования холестерической фазы от (-) 10 до (+) 100^оС. Подложкой служит лавсановая пленка толщиной 10 мкм, теплопроводность которой близка к теплопроводности термочувствительного материала. В процессе сушки и прогрева термоиндикаторной пленки толщина термочувствительного слоя изменяется от 240 до 30 мкм. Полученная темоиндикаторная пленка один раз изменяет свой цвет при изменении температуры (от красного до синего).
В данном изобретении в отличие от прототипа для создания температурного градиента по сечению термочувствительного слоя в процессе формирования пленки его помещают на массивную теплоизолирующую подставку из асбеста толщиной 10 см, находящуюся при комнатной температуре, которую затем ставят в сушильный шкаф, предварительно нагретый до температуры 70-75^оС. Верхний слой термочувствительного слоя оказывается при температуре 70-75^оС, а нижний слой - при температуре изолирующей подставки, т. е. комнатной, т. к. теплопроводность асбеста мала = 0,219 Вт/(м К), а толщина подставки (100 мм) существенна по сравнению с толщиной термочувствительного слоя (его толщина, как и в прототипе) в начале сушки 240 мкм, в конце сушки 30 мкм).
В термочувствительном слое возникает температурный градиент, который способствует образованию нарушенной спиральной структуры холестерических жидких кристаллов. По мере постепенного прогрева этот температурный градиент уменьшается. В результате такого режима сушки материала в слоях, прилегающих к теплоизолирующей подставке, и в верхних слоях со свободной поверхностью образуются капсулы разных размеров и, следовательно, шаг спирали холестерических жидких кристаллов в этих слоях будет различным и с изменением температуры будет меняться по-разному.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать материал с двумя интервалами селективного отражения света. В каждом интервале цвет изменяется от красного до синего в узком диапазоне температур, т. е. материал имеет хорошую температурную чувствительность ( t/ , ^oC/нм - отношение разности температур к разности длин волн селективного отражения света, соответствующих этим температурам). А за счет существования двух интервалов селективного отражения света материал имеет широкий рабочий диапазон температур ( Т). В значение Т входит также температурный интервал зоны прозрачности, так как часто при исследовании нестационарных тепловых процессов по последовательности появления цветов на поверхности изучают динамику процесса: чем дальше по температуре отстоят один интервал расцвечивания от другого, тем меньшее количество экспериментов потребуется на изучение нестационарного процесса.
П р и м е р 1 (контрольный, по прототипу). 1 г смеси холестерических жидких кристаллов (холестерилнонаноат и холестерилвалерат, мас. % : 50: 50) растворяют в 10 г 10% -ного (ацетон и толуол 1: 1) раствора поливинилацетата, полученную эмульсию методом полива наносят на лавсановую подложку толщиной 10 мкм из расчета 1,5 г эмульсии на 100 см² поверхности, сушат при комнатной температуре 5 мин, затем прогревают при 130^оС в течение 5 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры. Полученный материал имеет один интервал селективного отражения света: красный цвет ( = 630 нм) при 40,4^оС, синий цвет ( = 430 нм) при 54,5^оС. Температуры просветления t_пр исходных компонентов: холестерилнонаноат - t_пр 91,5^оС; холестерилвалерат - t_пр 100,5^оС.
П р и м е р 2. 1 г смеси холестерических жидких кристаллов (83 мас. % холестерил-n-нонилоксибензоата и 17 мас. % холестерилбензоата) растворяют в 10 г 10% -ного (ацетон и толуол 1: 1) раствора поливинилацетата, полученную эмульсию поливом наносят на лавсановую подложку толщиной 10 мкм из расчета 1,5 г эмульсии на 100 см² поверхности, помещают при комнатной температуре на теплоизолирующую подставку из асбеста толщиной 100 мм, затем подставку с подложкой и эмульсией помещают в нагретую до 70^оС камеру и затем в течение 45 мин постепенно увеличивают температуру от 70 до 145^оС. Полученный материал имеет один интервал селективного отражения света: красный цвет ( = 630 нм) при 126,0^оС, синий цвет ( = 430 нм) при 129,0^оС. Температура просветления t_пр исходных компонентов: холестерил-n-нонилоксибензоат - t_пр 213^оС; холестерилбензоат - t_пр 179,0^оС.
П р и м е р 3. В условиях примера 2 растворяют смесь холестерических жидких кристаллов: 82 мас. % холестерил-n-нонилоксибензоата и 18 мас. % холестерилбензоата. Материал имеет два интервала селективного отражения света: I интервал - синий цвет ( = 430 мкм) при 80,0^оС, красный цвет ( = 630 нм) при 84,0^оС; II интервал - красный цвет при 120^оС, синий при 128,0^оС.
П р и м е р 4. В условиях примера 2 растворяют смесь холестерических жидких кристаллов: 80 мас. % холестерил-n-нонилоксибензоата и 20 мас. % холестерилбензоата. Материал имеет два интервала селективного отражения света: I интервал - синий цвет ( = 430 мкм) при 75,0^оС, красный цвет ( = 630 мкм) при 80,0^оС; II интервал - красный при 115,0^оС, синий при 125,0^оС.
П р и м е р 5. В условиях примера 2 растворяют смесь: 73 мас. % холестирол-n-нонилоксибензоата и 27 мас. % холестерилбензоата. Материал имеет два интервала селективного отражения света: I интервал - синий цвет ( = 430 нм) при 68,0^оС красный цвет ( = 630 нм) при 75,0^оС; II интервал - красный при 108,0^оС, синий при 120,0^оС.
П р и м е р 6. В условиях примера 2 растворяют смесь: 72 мас. % холестерил-n-нонилоксибензоата и 28 мас. % холестерилбензоата. Материал имеет один интервал селективного отражения света: красный цвет ( = 630 нм) при 102,0^оС, синий цвет ( = 430 нм) при 116,0^оС.
П р и м е р 7. В условиях примера 2 растворяют смесь: 80 мас. % холестерил-n-октилоксибензоата и 20 мас. % холестерилбензоата, массивную теплоизолирующую подставку с эмульсией на подложке помещают в предварительно нагретую до 75^оС камеру и последующий нагрев ведут до температуры 150^оС в течение 40 мин. Полученный материал имеет два интервала селективного рассеяния света: I интервал - синий цвет ( = 430 нм) при 99,0^оС, красный цвет ( = 630 нм) при 102,5^оС; II интервал - красный при 108,5^оС, синий при 114,0^оС. Для холестерил-n-октилоксибензоата t_пр= 220,5^оС.
Спектральные характеристики полученных термочувствительных материалов были измерены на спектрофотометре СФ-18.
Иные параметры режима сушки в процессе получения термочувствительного материала не дают положительного эффекта, т. к. при других режимах сушки материал только один раз изменяет свой цвет от красного до синего при изменении температуры.
Состав и свойства полученных термочувствительных материалов приведены в таблице. В таблице показано, как меняются температурная чувствительность и общий рабочий диапазон температур материалов, полученных по предлагаемому способу (примеры 2-7) в сравнении с материалом, полученным по прототипу (пример 1). Предлагаемый способ (примеры 3-5, 7) позволяет получить материал с двумя интервалами селективного рассеяния света с хорошей температурной чувствительностью ( t/ = 0,02-0,06) и широким рабочим диапазоном температур ( t= 3,0-12,0^oC, T= 15-52^оС). По сравнению с прототипом (пример 1) температурная чувствительность увеличилась, например, в 2,8 раза для первого интервала и в 1,4 раза для второго интервала (пример 4). Рабочий температурный диапазон, в пределах которого можно оценить температуру в динамике нестационарного теплового процесса (от 75,0^оС до 125,0^оС), равен 50^оС (пример 4), а материал, полученный по прототипу (пример 1), имеет t= 14,1^оС.
Полученный термочувствительный материал обладает хорошей температурной чувствительностью в широком рабочем интервале температур за счет существования двух интервалов селективного отражения света. Такие материалы находят практическое применение при исследовании нестационарных процессов в задачах теплообмена. Их преимущество по сравнению с материалами с одним интервалом селективного отражения света состоит в следующем:
1) когда заранее не известны значения измеряемых температур, термочувствительный материал с двумя интервалами селективного отражения света дает информацию в два раза большую, чем материал с одним интервалом селективного отражения света, а это значит, что уменьшается количество экспериментов;
2) изменение темпа нагрева можно заметить по изменению расположения двух цветных интервалов относительно друг друга (зона прозрачности будет уменьшаться или увеличиваться).
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать качественно новые материалы, с помощью которых удается упростить и улучшить качество экспериментов за счет расширения общего температурного диапазона без уменьшения температурной чувствительности.
(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 921312, кл. G 01 K 11/12, 1980.
2. Авторское свидетельство СССР N 630999, кл. G 03 C 1/72, 1976.