陳凌峰 于佳佳,2) 李友榮 黃映洲 李谷元

?(重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

?(重慶大學(xué)軟凝聚態(tài)物理及智能材料研究重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

引言

1888 年,奧地利植物學(xué)家Friendrich Reinitzer 首次發(fā)現(xiàn)液晶態(tài)物質(zhì)[1].隨后,學(xué)者們將液晶分為兩大類:熱致液晶和溶致液晶.液晶是晶體的另一種相態(tài),既有液體的流動(dòng)性和連續(xù)性,也會(huì)像晶體一樣,呈現(xiàn)出光學(xué)各向異性和雙折射現(xiàn)象.20 世紀(jì)60 年代末,隨著動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的迅猛發(fā)展,學(xué)者們研制出了動(dòng)態(tài)散射型液晶顯示器(DS-LCD),液晶在顯示方面擁有了前所未有的前景[1-2].液晶分子在電(磁)場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生旋光效應(yīng),因此,通過(guò)改善液晶旋轉(zhuǎn)黏度來(lái)縮減液晶分子取向變化的弛豫時(shí)間,對(duì)提升液晶顯示器響應(yīng)速度有著重大意義[3-4].

溶致液晶(lyotropic liquid crystal,LLC)一般是由雙親分子化合物和極性溶劑等二元或多元組分在一定溫度和濃度下形成的長(zhǎng)程有序聚集結(jié)構(gòu),兼具晶體的各向異性和液體的流動(dòng)性,表現(xiàn)出豐富的相態(tài)[5].與熱致液晶相比,溶致液晶具有良好的生物相容性、無(wú)毒性和生物降解性,在細(xì)胞相互作用、神經(jīng)刺激傳遞、脂肪吸收、藥物智能輸運(yùn)等生命活動(dòng)研究及醫(yī)藥工程領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[6-9].然而,現(xiàn)有關(guān)于溶致液晶的報(bào)道相對(duì)較少,與其動(dòng)力學(xué)特性相關(guān)的旋轉(zhuǎn)黏度及其相關(guān)理論未見(jiàn)報(bào)道,因此,開(kāi)展關(guān)于溶致液晶分子結(jié)構(gòu)及其對(duì)旋轉(zhuǎn)黏度影響規(guī)律的研究具有較強(qiáng)的學(xué)術(shù)和工程價(jià)值[10-11].

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用差示掃描量熱法、電容衰減技術(shù)和光學(xué)相位衰減時(shí)間測(cè)量法等,測(cè)得了熱致液晶5CB,8CB,MBBA 和BP(聯(lián)苯)等純工質(zhì)、混合物及摻雜混合物在不同溫度下的向列相旋轉(zhuǎn)黏度.利用Freederiks 轉(zhuǎn)變理論進(jìn)行分析,初步建立了向列相熱致液晶旋轉(zhuǎn)黏度數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)理論體系[12-16].Gerber[12]研究了向列相熱致液晶MBBA 的旋轉(zhuǎn)黏度,發(fā)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)黏度隨溫度的升高而減小,但其旋轉(zhuǎn)黏度遠(yuǎn)大于剪切黏度.Pashkovski 和Litvina[13]研究了熱致液晶相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)旋轉(zhuǎn)黏度的影響,結(jié)果表明,隨著熱致液晶相對(duì)分子質(zhì)量的增大,向列相旋轉(zhuǎn)黏度會(huì)隨之增大.Denolf 等[14-15]研究了熱致液晶8CB和BP 混合物向列相旋轉(zhuǎn)黏度,研究發(fā)現(xiàn),熱致液晶混合物旋轉(zhuǎn)黏度隨溫度升高呈指數(shù)下降趨勢(shì),與純工質(zhì)熱致液晶旋轉(zhuǎn)黏度隨溫度變化的規(guī)律相同.Yadav 等[16]研究了是否摻雜Fe2O3納米顆粒的熱致液晶D5AOB 的旋轉(zhuǎn)黏度,發(fā)現(xiàn)摻雜Fe2O3納米顆粒的熱致液晶D5AOB 旋轉(zhuǎn)黏度比純熱致液晶要小.他們認(rèn)為,摻雜納米顆粒可以有效縮短液晶弛豫時(shí)間,是提高液晶顯示器響應(yīng)速度的有效途徑.

近年,國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用X 射線散射技術(shù)、動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)和雙光子激光寫(xiě)入制造表面形貌方法對(duì)不同溫度和濃度下溶致液晶日落黃(sunset yellow,SSY)和色苷酸二鈉(disodium cromoglycate,DSCG)的有序聚集體形成和聚集體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究[17-20].Horowitz 等[17]研究了溶致液晶相變隨濃度的變化,研究發(fā)現(xiàn)隨著溶液濃度的增大,SSY 溶致液晶將從各向同相轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢?液晶分子自組裝成柱狀體,柱狀體的軸線基本保持平行.當(dāng)溶液濃度繼續(xù)增大,溶致液晶將從向列相轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺钕?柱狀體消失.Park 等[18]研究了離子對(duì)溶致液晶自組裝能力的影響,發(fā)現(xiàn)NaOH,MgSO4和NaCl 均能顯著地改變液晶分子自組裝能力.MgSO4和NaCl 溶液中的離子基團(tuán)能有效地提升SSY 溶致液晶分子自組裝能力,柱狀體長(zhǎng)度相應(yīng)增長(zhǎng).而NaOH 溶液中OH 與SSY分子的側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),削弱了SSY 溶致液晶分子自組裝能力,從而減少了柱狀體的長(zhǎng)度.Zhang和Kitzerow[19]研究了離子濃度對(duì)溶致液晶溶液的影響,在DSCG 溶致液晶中,當(dāng)Mg2+濃度超過(guò)其臨界濃度(0.6 ～0.7 mmol/L) 時(shí),DSCG 溶質(zhì)將會(huì)析出.由于溶致液晶自組裝過(guò)程與溫度、溶液濃度以及游離離子性質(zhì)等密切相關(guān),與熱致液晶相比,溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度的變化規(guī)律相對(duì)較為復(fù)雜,但現(xiàn)有關(guān)于溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度的報(bào)道卻相對(duì)較少.Zhou 等[21-22]研究了溶致液晶的自組裝過(guò)程,發(fā)現(xiàn)向列相DSCG 溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度與液晶分子自組裝過(guò)程密切相關(guān).但僅有的較少研究結(jié)果未能系統(tǒng)地反映向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度特性,尚無(wú)對(duì)向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度相關(guān)理論的系統(tǒng)研究和報(bào)道.

本文基于流變學(xué)理論[23],采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)法測(cè)得SSY 溶致液晶在不同溫度和濃度下的旋轉(zhuǎn)黏度.基于溶致液晶分子自組裝過(guò)程與溫度和溶液濃度的相關(guān)性,分析向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度隨溫度和濃度的變化規(guī)律,構(gòu)建溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度隨溫度和濃度變化的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,明確溶致液晶分子剪切能在不同溫度和濃度下的理論關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)原理

液晶在一定錨定邊界條件下,液晶分子呈定向排列(指向矢).根據(jù)Frank 彈性形變理論[24],當(dāng)液晶指向矢發(fā)生變化時(shí),在彈性力的作用下,液晶分子將恢復(fù)原有指向.而在電(磁)場(chǎng)作用下,液晶分子會(huì)感生電偶極矩,并且電偶極矩的大小受電(磁) 場(chǎng)強(qiáng)度影響.當(dāng)外加電(磁)場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí),電偶極矩克服彈性力矩,液晶分子將隨電(磁) 場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng).對(duì)于正性液晶(?ε=ε//?ε⊥>0,ε 為介電常數(shù),//為與電(磁)場(chǎng)方向平行,⊥為與電(磁)場(chǎng)方向垂直),液晶指向矢與電(磁)場(chǎng)方向平行;反之,負(fù)性液晶(?ε=ε∥?ε⊥<0) 指向矢將與電(磁) 場(chǎng)方向垂直[4].

本文采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)法來(lái)測(cè)量溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度[25],測(cè)量設(shè)備為安東帕旋轉(zhuǎn)流變儀(Anton Paar MCR302)[26].根據(jù)溶致液晶流變特性[27],選用應(yīng)力控制型,即恒定切應(yīng)力模式.安東帕旋轉(zhuǎn)流變儀馬達(dá)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩作用于平行板轉(zhuǎn)子上,使平行板轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),如圖1 所示.安東帕旋轉(zhuǎn)流變儀的角位移精度和扭矩精度分別為±10 nrad 和0.1 nN·m.平行板轉(zhuǎn)子下方設(shè)有半徑R=10 mm 和深度h=3 mm 的圓柱形試劑池.

圖1 液晶試劑池與平行板轉(zhuǎn)子及坐標(biāo)系Fig.1 Liquid crystal reagent pool,parallel plate rotor and coordinate system

當(dāng)平行板轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí),試劑池內(nèi)局部徑向速度為

式中,? 為平行板轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度.在任意z∈[0,h]處,局部徑向速度梯度為=?v/?z

對(duì)于非牛頓流體而言,其黏度γ 與施加的扭矩不成正比關(guān)系,因此,需要將扭矩進(jìn)行Robinowitsh 型推導(dǎo)[28].

在微元區(qū)間[r,r+dr]圓環(huán)上,如圖1 所示,旋轉(zhuǎn)剪切產(chǎn)生的扭矩Ts為

式中,τ(r),γ(r)和dS分別為局部切應(yīng)力、局部旋轉(zhuǎn)黏度和微元面積.在[0,R] 區(qū)間內(nèi),平行板轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)剪切而產(chǎn)生的扭矩Ts為

自由邊界上的界面壓力和應(yīng)力對(duì)扭矩和軸向應(yīng)力測(cè)量的影響可忽略,黏度在數(shù)值上等于自由邊界上的數(shù)值.運(yùn)用Leibniz 法則,可得

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 材料制備與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

溶致液晶選用SSY,購(gòu)置于SigmaAldrich 公司,純度為98%.SSY 分子式為C10H10N2Na2O7S2,相對(duì)分子質(zhì)量452.38 g/mol,分子結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示.SSY分子中含有大量的苯環(huán)結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)長(zhǎng)鏈形式.苯環(huán)之間主要通過(guò)弱電子云的相互作用,即π–π 堆積,形成分子自組裝柱狀體[29-31],如圖2(b)所示.

圖2 SSY 的分子結(jié)構(gòu)式(a)和液晶分子自組裝示意圖(b)Fig.2 Schematic diagram of molecular structure of SSY(a)and liquid crystal molecule self-assembly(b)

采用超純水(DI water,電阻率為18.2 M?·cm)和SSY 粉末混合配制成不同濃度的SSY 水溶液.本文研究的質(zhì)量百分比濃度范圍為30%～41%,溫度范圍為299 ～315 K 的向列相溶致液晶SSY 水溶液.夾具為平行板轉(zhuǎn)子,其旋轉(zhuǎn)平面方向和磁場(chǎng)方向垂直.旋轉(zhuǎn)流變儀可施加的電流強(qiáng)度范圍為1 ～5 A,對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的范圍為1 ～5 T.由于SSY 液晶為負(fù)性液晶[29],液晶指向矢垂直于磁場(chǎng)方向,如圖2(b) 所示.采用溫度精度為±0.1 K 的恒溫水浴來(lái)維持試劑池內(nèi)樣品的恒定溫度.

安東帕旋轉(zhuǎn)流變儀放置于防震平臺(tái),平行板至液池底部的距離僅為h=1.8 mm,因此,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程液池內(nèi)SSY 溶致液晶可視為無(wú)湍流和回流產(chǎn)生[26].實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,設(shè)置平行板轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為定值,磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T[22],可獲得施加于平行板轉(zhuǎn)子上的扭矩以及旋轉(zhuǎn)速度梯度.最后,利用式(13),即可計(jì)算獲得SSY 溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1.

2.2 濃度對(duì)旋轉(zhuǎn)黏度的影響

溶致液晶相態(tài)會(huì)隨液晶溶液溫度和濃度發(fā)生改變[4].溶致液晶相態(tài)的形成是分子π–π 堆積、靜電作用以及分子親疏水性協(xié)同作用的結(jié)果[29].溶致液晶分子與水在靜電作用下形成餅狀分子基元,餅狀分子基元在π–π 堆積和靜電作用以及親疏水性三者共同驅(qū)動(dòng)下,形成柱狀體[30],如圖2(b)所示.溶致液晶分子自組裝過(guò)程會(huì)隨溫度和濃度的變化而發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變.

圖3 給出了溫度為303 K,307 K 和311 K 時(shí)SSY向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度的平方和溶液濃度CSSY的變化.從圖3(a)中可知,SSY 向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度的平方呈正比增大.研究表明,在溫度恒定時(shí),SSY 溶致液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度隨溶液濃度單調(diào)遞增[31-32].旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨著SSY 溶致液晶溶液濃度CSSY的增大,呈現(xiàn)出二次拋物線型增長(zhǎng)的趨勢(shì),如圖3(b)所示.

Meyer 等[31,33]研究表明,在恒定旋轉(zhuǎn)速度剪切下,單個(gè)自組裝柱狀體引起的能量消耗δP可以表達(dá)為

圖3 SSY 向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1 隨液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度平方 (a)和溶液濃度CSSY 的變化關(guān)系(b)(符號(hào):實(shí)驗(yàn)值;虛線:擬合線)Fig.3 Variations of the rotational viscosity γ1 of lyotropic liquid crystal SSY with the square of the average length of the self-assembled column(a)and solution concentration CSSY (b)(symbol:experimental data;dotted line:fitting line)

式中,μ為摩擦系數(shù),x′為液晶分子自組裝柱狀體軸向方向位置,如圖2(b)所示.由于液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試劑池深度h,因此,在試劑池內(nèi)任意z處,可視為定值.在旋轉(zhuǎn)剪切下,自組裝柱狀體引起的平均能量消耗為

在實(shí)驗(yàn)中,由于能量消耗是由旋轉(zhuǎn)黏度引起,因此結(jié)合式(15) 可知,溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1與液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度的平方成正比關(guān)系,如圖3(a) 所示.溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1與液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度的平方可以表達(dá)為

式中,k1為比例系數(shù).圖4 給出了比例系數(shù)k1隨溫度T的變化.當(dāng)溫度T從303 K 升高到311 K 時(shí),比例系數(shù)k1從0.34 減小到0.19,但與濃度無(wú)關(guān).本文研究結(jié)果與文獻(xiàn)[31]中溶液濃度為45%的SSY 溶致液晶比例系數(shù)k1吻合較好,最大誤差僅為9%,如圖4 所示.由于自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度隨溶液濃度增大而單調(diào)遞增,結(jié)合式(16)和圖3 可知,旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度的平方和溶液濃度CSSY分別呈線性和二次拋物線型的變化規(guī)律與理論表達(dá)式(16)吻合較好.

圖4 比例系數(shù)k1 與溫度T 的變化(符號(hào):實(shí)驗(yàn)值;虛線:擬合線)Fig.4 Variation of the scaling factor k1 with temperature T (symbol:experimental data;dotted line:fitting line)

2.3 溫度對(duì)旋轉(zhuǎn)黏度的影響

圖5 給出了SSY 溶致液晶溶液質(zhì)量百分比濃度為33%,36%和38%時(shí),向列相旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨溫度T和液晶分子自組裝柱狀體長(zhǎng)徑比/D的變化.SSY溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨溫度T的升高呈指數(shù)減小.溶致液晶SSY 旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨溫度T的變化規(guī)律與熱致液晶5CB 相同[34],但向列相熱致液晶5CB 旋轉(zhuǎn)黏度γ1遠(yuǎn)小于SSY 溶致液晶,如圖5(a)所示.在相同溫升情況下,溶致液晶溶液濃度越高,其旋轉(zhuǎn)黏度減小的趨勢(shì)越明顯.

向列相溶致液晶分子自組裝柱狀體中相鄰液晶分子受π–π 堆積和靜電力的共同作用而相互吸引.當(dāng)液晶分子的活化能足以克服分子自組裝的吸引作用時(shí),液晶分子將脫離自組裝柱狀體,進(jìn)入游離態(tài)[35].Zhou 等[31]研究表明,溶致液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度Lˉ 與溫度T有如下關(guān)系

式(17) 中E為剪切能,KB為玻爾茲曼常數(shù),T為熱力學(xué)溫度.

由于溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1與液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度的平方成正比關(guān)系,式(16)可以轉(zhuǎn)化為下式

式(18)中k2為比例系數(shù).向列相旋轉(zhuǎn)黏度與溫度變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5(a)) 與理論式(18) 吻合較好.隨著溫度的升高,液晶分子的活化能增大,分子擁有的富余能量足以掙脫自組裝柱狀體中相鄰液晶分子的束縛作用.自組裝柱狀體中部分液晶分子實(shí)現(xiàn)游離,從而使得溶致液晶無(wú)序度增大,宏觀上表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)黏度降低.

從圖5(b)中可知,當(dāng)SSY 溶致液晶溶液濃度為33%時(shí),隨著溫度從302 K 升高至312 K,溶致液晶分子自組裝柱狀體長(zhǎng)徑比/D將從6.09 減小到5.76,其旋轉(zhuǎn)黏度從570 mPa·s 減小至305 mPa·s.Dark等[36]研究了4 種熱致型液晶的旋轉(zhuǎn)黏度γ1,結(jié)果表明,熱致型液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1會(huì)隨著液晶分子長(zhǎng)徑比的增大而增大.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨分子自組裝柱狀體長(zhǎng)徑比ˉL/D的變化規(guī)律相同,如圖5(b) 所示.利用SSY 溶致液晶分子自組裝能力隨溫度變化的規(guī)律,通過(guò)改變?nèi)苤乱壕悠返臏囟葋?lái)實(shí)現(xiàn)自組裝柱狀體長(zhǎng)徑比變化,從而研究溶致液晶分子自組裝柱狀體長(zhǎng)徑比對(duì)其旋轉(zhuǎn)黏度的影響.創(chuàng)新地提出并成功利用了“一步法”來(lái)探索分子長(zhǎng)徑比對(duì)研究對(duì)象的影響規(guī)律,大大降低實(shí)驗(yàn)研究的成本和復(fù)雜性.

式(18) 則為SSY 向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式.在式(18)中,溶致液晶剪切能E與溶液濃度CSSY相關(guān),而比例系數(shù)k2隨溫度T變化.當(dāng)溫度T從303 K 升高到311 K 時(shí),比例系數(shù)k2從8.68減小到5.57,但與濃度無(wú)關(guān).從圖4 和圖6 中可以發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,溶液濃度對(duì)比例系數(shù)k1和k2逐漸產(chǎn)生微弱影響,比例系數(shù)k1和k2分別與溶液濃度無(wú)關(guān)性相對(duì)減弱.Park 等[18]研究了溫度對(duì)SSY 溶致液晶分子自組裝柱狀體長(zhǎng)度的影響,發(fā)現(xiàn)SSY 溶致液晶分子自組裝柱狀體長(zhǎng)度的不均勻性隨著溫度的升高和溶液濃度的減小而逐漸增大.在本文理論研究中(式(15)),假設(shè)分子自組裝柱狀體長(zhǎng)度均相同,即為ˉL,實(shí)驗(yàn)獲得的比例系數(shù)k1和k2與理論結(jié)果存有一定誤差,并且該誤差會(huì)隨著溫度的升高和溶液濃度的減小而逐漸增大,如圖4 和圖6.

圖6 比例系數(shù)k2 隨溫度T 的變化(符號(hào):實(shí)驗(yàn)值;虛線:擬合線)Fig.6 Variation of the scaling factork2 with temperature T (symbol:experimental data;dotted line:fitting line)

圖7(a)給出了利用式(18)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所獲得的不同溫度T和溶液濃度CSSY下SSY 向列相溶致液晶的旋轉(zhuǎn)黏度γ1.SSY 向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1隨溫度T和溶液濃度CSSY的減小而逐漸增大.實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)均勻分布于理論計(jì)算值附近,理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,最大誤差僅為18.56%,平均誤差為11.21%,如圖7(b)所示.

圖7 SSY 向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1 隨溫度T、溶液濃度CSSY的變化(a)和旋轉(zhuǎn)黏度γ1 理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較(灰面:理論計(jì)算值;符號(hào):實(shí)驗(yàn)值)Fig.7 Variation of the rotational viscosity γ1 of lyotropic liquid crystal SSY with temperature T,solution concentration CSSY (a)and the comparison of the theoretical calculatong and experimental results(grey surface:theoretical calculating data;symbol:experimental data)

2.4 剪切能

剪切能是將液晶分子自組裝柱狀體中相鄰分子進(jìn)行分解所需要的能量[30].由向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式(18)可獲得剪切能E與旋轉(zhuǎn)黏度γ1之間的關(guān)系

從圖8(a)可知,實(shí)驗(yàn)獲得的不同濃度下lnγ1隨1/T呈線性增大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與式(19)吻合較好.圖8(b)給出了不同溶液濃度SSY 溶致液晶剪切能E隨溫度T的變化.SSY 溶致液晶剪切能E隨溶液濃度CSSY的增大而增大[37-38],在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),剪切能E幾乎不隨溫度T而改變.當(dāng)CSSY=33%,36%和38%時(shí),SSY 溶致液晶剪切能值E分別為1.74 × 10?20J,1.87×10?20J 和1.96×10?20J.隨著溶致液晶溶液濃度的增大,液晶分子之間的π–π 效應(yīng)逐漸增強(qiáng),SSY液晶分子自組裝柱狀體中分子掙脫其相鄰分子所需的能量也會(huì)相應(yīng)增大,因此,溶致液晶剪切能會(huì)隨溶液濃度增大而增大.結(jié)合式(19) 并利用旋轉(zhuǎn)流變儀所獲得的SSY 溶致液晶剪切能與Joshi 等[32]利用XRay 檢測(cè)所獲得的結(jié)果吻合較好,最大誤差僅為3%.本文提出的基于溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度γ1獲取剪切能E的新方法,其具備設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)單和精度高等優(yōu)勢(shì),具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值.

圖8 SSY 向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度lnγ1 與T?1 的關(guān)系(a)和剪切能E 隨T?1 的變化(b)(實(shí)心:實(shí)驗(yàn)值;空心:文獻(xiàn)[32])Fig.8 The relationship between the rotational viscosity lnγ1 of lyotropic liquid crystal SSY and T?1 (a)and the variation of shear energy E with T?1 (b)(solid symbol:experimental data;hollow symbol:Ref.[32])

3 結(jié)論

本文采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)法測(cè)得溶致液晶Sunset Yellow 在不同溫度和溶液濃度下向列相時(shí)的旋轉(zhuǎn)黏度,并結(jié)合溶致液晶分子自組裝過(guò)程,理論分析向列相溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度隨溫度和溶液濃度的變化規(guī)律,獲得以下結(jié)論:

(1)溶致液晶旋轉(zhuǎn)黏度與液晶分子自組裝柱狀體平均長(zhǎng)度的平方呈正比增大關(guān)系,其隨著濃度的增大而增大,但隨著溫度的升高表現(xiàn)出指數(shù)減小的規(guī)律.構(gòu)建了與溫度和濃度相關(guān)的旋轉(zhuǎn)黏度經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,最大誤差僅為18.56%,平均誤差為11.21%.

(2) 利用旋轉(zhuǎn)流變儀間接獲取了溶致液晶剪切能.溶致液晶剪切能隨溶液濃度的增大而增大,與Joshi 等[32]利用X-Ray 檢測(cè)所獲得的剪切能結(jié)果最大誤差僅為3%.但在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),溶致液晶剪切能幾乎不隨溫度而改變.

(3)成功地利用了液晶分子自組裝能力隨溫度變化的規(guī)律來(lái)研究柱狀體長(zhǎng)徑比對(duì)旋轉(zhuǎn)黏度的影響.創(chuàng)新地提出了“一步法”研究方法,大大減少相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的成本和復(fù)雜性.