Кольоровий рідкокристалічний індикатор температури

MIIKG01K11/12 Кольоровий рідкокристалічний індикатор температури. Винахід відноситься до датчиків температури зокрема до термоплівкових індикаторів температури з термочутливим шаром у вигляді рідкого кристалу. Відомий кольоровий рідкокристалічний індикатор температури, що складається з двох поліетилентерефталатних плівок, прозорої та чорної та розміщених міх ними сітки, товщина якої відповідає величині проміжку між поліетилентерефталатними плівками, і рідкокристалічного матеріалу. / Б. Г, Абрамович, В. Ф. Картавцев, Цветные индикаторы температуры, М. "Энергия", 1978, с. 161/. Для даного кольорового рідкокристалічного термоіндикатора характерні: 1) неможливість точної візуальної індикації досягнення певної критичної температури, яка є часто потрібною при використанні цього термоіндикатора для відображення розподілу температури на поверхні досліджуваних об'єктів. Це пов'язане з тим, що у холестеричній фазі холестериків крок спіральної закрутки зі зміною температури змінюється плавно і відповідно плавно змінюється довжина хвилі селективного відбивання. Для ока людини важко розділити незначні зміни кольору забарвлення термоіндикаторної плівки, що відповідають цим змінам довжини хвилі селективного відбивання, а тому про відповідні зміни температури можна судити лише з певною похибкою. Проте часто при використанні термоіндикаторів необхідно точно знати чи дсягає температура об'єкту дослідження певного критичного значення чи ні. 2) Розмиті кольори термоіндикації, що пов'язане з широкою спектральною смугою селективного відбивання світла від холестеричної фази. 3) Неможливість візуального відображення тих місць досліджуваного об'єкту, де температура на короткий час досягала критичних значень , а потім знову впала до нижчих значень. Все це зумовлено використанням у якості термочутливого шару таких холестериків, в яких робочий діапазон термоіндикації знаходиться виключно в межах існування холестеричної фази. Результатом цього є неможливість використання рідкокристалічних колорових термоіндикаторів для точного і зручного візуального відображення тих ділянок досліджуваного об'єкта, на яких температура досягла певних критичних значень, що значно звужує область і можливості їх використання. В основу винаходу поставлено завдання створити такий кольоровий рідкокристалічний індикатор температури, в янй^використання матеріалу з певними фізичними властивостяьш дозволило б одержувати чітке візуалне відображення ділянок зразка при їх нагріві до критичної температури. Поставлене завдання досягається тим, що в кольоровому рідкокристалічному індикаторі температури, що складається з двох < поліетилентерефталатних плівок, прозорої та чорної, та розміщених між ними сітки, товщина якої відповідає величині проміжку між поліетилентерефталатними плівками, і рідкокристалічного матеріалу, згідно винаходу, рідкокристалічний матеріал представляє собою високохіральний холестерик і вибраний з можливістю відповідності критичної температури і температурі фазового переходу з холестеричної до блакитної фази та зі стрибкоподібною зміною довжини хвилі селективного відбивання при цьому фазовому переході. Використання високохрального холестерика у вигляді \ рідкокристалічного матеріалу, що представляє собою термочутливий шар, робочий діапазон термоіндикації якого крім холестеричної включає ще і блакитну фазу, дозволяє: і І) зробити можливою точну візуальну індикаціїю досягнення певної -V критичної температури, яка є часто потрібною при використанні цього термоіндикатора для відображення розподілу температури досліджуваних об'єктів. Це забезпечується тим, що підбирається такий рідкокристалічний матеріал чи суміш, в якого температура фазового переходу з холестернчної до блактиної фази відповідає критичній температурі, а при цьому фазовому переході довжина хвилі селективного відбивання світла (а отже і кольру забарвлення термоіндикаторної плівки) змінюється стрибкоподібно. Для ока людини легко розділити відповідні зміни кольору забарвлення термоіндикаторної плівки, що відповідають цим змінам довжини хвилі селективного відбивання, а тому про відповідні зміни температури можна судити достатньо точно. Це дозволяє при використанні термоіндикаторів точно знати чи дсягає температура об'єкту дослідження в даній ділянці певного критичного значення чи ні. 2) Чіткі кольри термоіндикації на тих ділянках, де температура має критичні значення, що забезпечується вузькою спектральною смугою селективного відбивання світла від блакитної фази холестерика. 3) Можливість візуального відображення тих місць досліджуваного об'єкту, де температура на короткий час досягала критичних значень, а потім знову впала до нижчих значень. Це досягається завдяки ефекту переохолодження блакитної фази (температура переходу блакитна фаза - холестерична фаза при нагріванні може бути на кілька градусів вищою ніж при охолодженні). Результатом перерахованих переваг є можливість використання рідкокристалічних кольорових термоіндикаторів для точного і зручного візуального відображення тих ділянок досліджуваного об'єкта, на яких температура досягла певних критичних значень, що значно розширує область їх використання. ' Кольоровий рідкокристалічний індикатор температури зображений на фіг. 1, на фіг. 2 та фіг. З - форми спектральної кривої селективного відбивання світла для холестеричної та блакитної фаз відповідно, на фіг.4 залежність температури фазового переходу з холестеричної до блакитної фази від концентрації холнстерика СБ2 з 7S5, де на фіг. 1: 1 - прозора поліетилентерефталатна плівка. 2- рідкокристалічний матеріал, 3 - сітка, 4 чорна поліетилентерефталатна плівка, на фіг.2 та фіг. 3: R - коефіцієнт відбивання, X - довжина хвилі світла, на фіг. 4: ХФ - холестерична фаза, БФ - блакитна фаза. Кольоровий рідкокристалічний індикатор температури складається з двох поліетилентерефталатних плівок, прозорої 1 та чорної 4, та розміщених між ними сітки 3, товщина якої відповідає величині проміжку між поліетилентерефталатними плівками 1 та 4, і рідкокристалічного матеріалу 2, який представляє собою високохіральний холестерик і вибраний з можливістю відповідності критичної температури температурі фазового переход у з холестеричної до блакитної ф ази та зі стрибкоподібною зміною довжини хвилі селективного відбивання при цьому фазовому переході. Індикація температури з допомогою кольорового рідкокристалічного термоіндикатора проводиться наступним чином. Термоіндикатор наклад аєт ь ся н а д о слід ж увн ий о б ' єкт так , що б ч о рна поліетилентерефталатна плівка 4 (фіг.1) мала з ним якомога кращий контакт. Завдяки чорному кольору поліетилентерефталатної плівки 4 термочутливий рідкокристалічний шар2у різних місцях термоіндикатора нагрівається до таких значень температури, до яких нагріта відповідна контактуюча з термоіндикатором ділянка об'єкту дослідження. Якщо на певних ділянках досліджуваного зразка температура досягла значень вище температури фазового переходу з холестеричної до блакитної фази і не досягла значень більших від температури фазового переходу в ізотропну фазу, то колір забарвлення термоіндикатора в цих місцях буде відповідати довжині хвилі селективного відбивання від блакитної фази та буде відррізнятися від забарвлення термоіндикаторної плівки в тих місцях де температура нижча і рідкий кристал все ще знаходиться в холестеричній чи інших фазах. В тих місцях термоіндикатора, де температура вища від температури переходу в ізотропну фазу, селективне відбивання світла буде відсутнім і плівка буде чорною. Якщо покласти термоіндикатор на предмет, вздовж якого існує зміна температури від значень нижче температури фазового переходу холестерик-блакитна фаза до температури вище фазового переходу в ізотропну фазу, то в напрямку росту температури спостерігатимемо різнокольорові смужки забарвлення, що відповідають різним крокам закрутки в холестеричній фазі, дальше чітку яскраву смужку, що відповідає блакитній фазі (для більшості матеріалів і сумішей синього або фіолетового кольору) і ще дальше для вищих температур чорну смугу, що відповідає ізотропній фазі. Таким чином поява на термоіндикаторі смуги забарвлення певного визначеного кольру, що відповідає довжині хвилі селективного відбивання блакгиної фази використаного рідкокристалічного матеріалу^ говоритиме про те що в цих місцях температура досягла критичних значень, а в місцях де ця смуга переходить у чорну ділянку температура є вищою від критичної. Підбираючи рідкокристалічні матеріали та їх суміші, можна вибирати різні значення критичної температури для конкретного термоіндикатора, колір індикації критичних значень температури (тобто довжину хвилі селективного відбивання світла в блакитній фазі), а також температурний інтервал існування блакитної фази, який визначатиме діапазон значень температури, в межах якого температуру можна вважати критичною. Завдяки ефекту переохолодження блакитної фази (тобто коли перехід блакитна - холестерична фаза при охолодженні відбувається при нижчих температурах ніж при нагріванні) ті ділянки термоіндикатора, на яких відбулися стрибки температури до значень вищих від критичної температури навіть при її зменшенні на кілька ірадусів всеодно будуть на короткий час (достатній для того, щоб зауважити) відображатись як критичні. Як відомо, в залежності від хіральності рідкого кристалу між холестеричною та блакитною фазами може існувати від одної до тріох блакитних фаз (БФІ, БФ ІІ, БФШ), з яких перші дві (БФІ та БФІІ) володіють сильним селективним розсіянням світла на рызних довжинах хвилі. Тому, підбираючи матеріали або концентрації компонентів у сумішах, в залежності від потреби можна реалізувати також і ситуацію, коли смужка відображення критичної температури буде двохколірною. Перевагою використання селективного відбивання саме блакитної фази для індикації ділянок з критичною температурою є також те, що кольори індикації цієї температури є яскравими і виразними на відміну від випадку, коли для цієї мети використовувати селективне відбивання у холестеричній фазі. Приклад вигляду змодельованої залежності інтенсивності селективного відбивання від довжини хвилі в холестеричній фазі СЕ6 показано на фіг. 2 (При моделюванні використана формули, взяті з / Н. Zink and W. Van Dael, Selective reflection in the cholesteric and blue phases of a chiral-racemic mixture of CE6, Liq. Cryst. 14(3), pp. 603-609(1993)/). Вигляд 5 взяті з / Н. Zink and W. Van Dael, Selective reflection in the cholesteric and blue phases of a chiral-racemic mixture of CE6, Liq. Cryst. 14(3), pp. 603609(1993)/). Вигляд отриманої моделюванням залежності інтенсивності селективного відбивання від довжини хвилі в блакитній фазі СЕ6 показано на фіг. З (при моделюванні використано формули, приведені в / Н. Zink and W. Van Dael, Selective reflection in the cholesteric and blue phases of a chiral-racemic mixture of CE6, Liq. Cryst. 14(3), pp. 603-609(1993)/). Порівнюючи фіг. 2 і фіг. З бачимо, що смуга селективного відбивання у блакитній фазі є значно вужчою ніж у холестеричній, а отже кольори індикації температ ури є яскра ві шими і виразні шими. В якості термочутливого рідкокристалічного шару 2 можна використовувати високохіральні холестерики, зокрема, наприклад, деякі ефіри холестерин у, 4"(2-метилбутилфенил)-4' (2-метилбутил)-4біфенилкарбоксилат (коротка міжнародна назва СЕ2) а також багато інших високохіральних холестериків, їх сумішей, деякі суміші холестериків з нематик ами. Необхідною умо вою є на явніст ь блаки тної ф ази . Прикладом холестерико-нематичної суміші, яка добре підходить для використання в якості термочутливого шару індикатора є суміш СЕ2 з 4-ппентилбензоат-4'-п-гептилоксибензоат (коротка міжнародна назва 7S5). На рис. 4 показано залежність фазового переходу з холестеричної до блакитної фази для цієї суміші в залежності від концентрації компонентів /J. Miller, P. Battle and P. Codings, Temperature-concentration phase diagram for the blue phase of highly chiral liquid crystal, Phys. Rev. A 35(9), pp. 39593960(1987)/. Як бачимо, вибираючи співвідношення концентрацій можна легко вибрати будь-яке значення критичної температури конкретного термоіндикатора в діапазоні від 90 до 120 °С. Запроп онований к ольоровий рідк окрис талічний індикат ор температури дозволяє проводити зручний і точний візуальний контроль наявності таких ділянок на досліджуваному зразку, температура поверхні яких досягла або ж перевищила встановлене критичне значення. Заявник: Проректор: жавний Університет ''Львівська політехніка1 С. А. Воронов Кольоровий рідкокристалічний індикатор температури. Фіг. 1. R/від од. Я/нк 1 0.8 D.6 0.4 іШІ Ш ЛААЛ АЛЛ ^ 0.2 4ПП ЧПП Я4П Фіг. 2. Актори: 3. Ю. Гагра, 1.1. Смалюх, Ю. А. Настй шин, О. 3. Гогра Кольоровий рідкокристалічний індикатор температури. R/шдкод 0.8 0.6 0.4 0.2 620 590 600 610 Фіг. 3. «о-и * . 115 8 A Tt O 5;FweKDOJ w10 -—г ЇМ) м Ьшоопршоя СЕї, % Фіг. 4. Автори: 3. Ю. Готра, І. І. Смалюх, Ю. А. Настижин, О. 3. Готра