Anwendung sowie Bewertung der LCT/TLC - Lehrstuhl ...
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1.4 Thermochrome Polymere Einordnung und Wirkungsweisen von TLC Die verstärkte Forschung auf dem Gebiet der Polymere hat in den letzten Jahrzehnten er- staunliche Entdeckungen hervorgebracht. So wurden Stoffe entdeckt, die durch eine be- stimmte Stimulierung von außen ihre optischen Eigenschaften stark ändern. Je nach Art der äußeren Beeinflussung wurden die Polymere in photochrom (bei Licht), elektrochrom (elekt- risches Feld), piezochrom (Druck) oder auch thermochrom (Temperatur) klassifiziert. Es e- xistieren noch weitere Formen der Polymeranregung, für diese Arbeit sind allerdings nur die thermochromen Polymere von Bedeutung. Die sichtbaren optischen Veränderungen bei thermochromen Polymeren beruhen auf dem so genannten thermochromen Effekt. Aufgrund von unterschiedlichen chemischen und phy- sikalischen Wirkungsweisen lässt sich die Art der Reaktion, welche den thermochromen Ef- fekt auslöst, nochmals unterteilen. Im Folgenden sollen diese Reaktionsarten in vereinfachter Form erklärt werden. Für eine ausführliche Beschreibung von chemischen Reaktionen und Aufbau der Polymere wird auf die angegebene Fachliteratur verwiesen [1]; [2]; [3]. In 6.9 ist der prinzipielle Aufbau der in dieser Arbeit verwendeten TLC- Folien beschrieben 1.4.1 Thermochrome Polymere basierend auf Bragg Reflektion Wie bereits geschildert, gibt es verschiedene Strukturen der Flüssigkristalle. Bei diesen Po- lymeren handelt es sich um cholesterische Stoffe, die eine helikale Struktur besitzen. Dies ist für das Verhalten der Polymere bei sich ändernder Temperatur von entscheidender Bedeutung. Der Stoff besteht vereinfacht aus einer Molekülkette, die periodisch aufgebaut ist und bis zu 100nm lang sein kann. Bei größerer Temperatur dehnt sich die Kette aus und wird länger, der Abstand zwischen den Molekülen wächst. Der Vorgang ist reversibel bei kleiner werdenden Temperaturen. Somit ändern sich auch die geometrischen Beziehungen inner- halb der Molekülkette und die reflektierte Wellenlänge wird verändert. Die bildliche Vorstel- lung eines Akkordeons liegt nahe. Einfallendes Licht der Wellenlänge λ wird somit nach der Bragg-Bedingung verschieden ge- beugt. Im Zusammenhang mit dieser Gleichung steht in der Literatur meist die Reflektion des Lichtes. Mikroskopisch gesehen ist es allerdings eine Beugung an der Kristalloberfläche, makroskopisch entsteht der Eindruck einer Reflektion. Für cholsterische Flüssigkristalle gilt: λ = ⋅ P ⋅cosθ n Formel 1.4.1 13
Einordnung und Wirkungsweisen von TLC Dabei steht n für den Reflektionsindex des verwendeten Flüssigkristalls und P für die Länge des Helixmoleküls. Sehr wichtig ist jedoch der Winkel des einfallenden Lichts zur Orientie- rungsrichtung der Helix (θ). Da eine sichtbare Farbe somit nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Positionierung der Lichtquelle abhängig ist, werden mögliche Anwen- dungen stark eingeschränkt. Bei dieser Art des thermochromen Effekts kann das einfallende Licht im kompletten sichtba- ren Farbspektrum gebeugt werden. Je nach chemischer Zusammensetzung der Polymere können jedoch Unterschiede in der Farbanzeige bei gleicher Temperatur entstehen. Es ist auch möglich die Länge der Helixmoleküle (P) elektrisch zu variieren und damit durch Beugung des einfallenden Lichts seine Wellenlänge zu verändern. TFT Bildschirme basieren auf dieser Eigenschaft der thermochromen Polymere. Die Moleküllänge wird hier zwischen zwei Transistoren gesteuert und erzeugt die Farbbildpunkte auf Fernsehern und Monitoren. Für Temperaturmessungen sind diese cholesterischen Flüssigkristalle ebenfalls kommerziell erhältlich. Als Folien, bestehend aus einer schwarzen Unterschicht, einer Flüssigkristall- schicht und einem schützenden transparenten Polyester sollen sie im Versuch zu dieser Ar- beit Anwendung finden. Die Bandbreite der erfassbaren Temperatur mit einer Folie oder eines thermochromen Poly- mers kann von 1K bis zu maximal 20K variiert werden, je nach chemischer Zusammenset- zung, wobei sich die Färbung der Folie beim Verlauf durch die Bandbreite kontinuierlich än- dert. Begrenzt wird der Messbereich zwischen einer Starttemperatur, bei der das Licht in eine sichtbare Farbe gebeugt wird und dem Clearing Point, an dem eine sich nicht mehr än- dernde Färbung einsetzt. Festzuhalten ist, dass mit Folien, die eine Bandbreite von einem Kelvin und weniger aufwei- sen, auch eine dementsprechend hohe Genauigkeit der Temperaturmessung erzielt werden kann. Mittlerweile existiert eine große Anzahl an bekannten Stoffen, die thermochrom reagieren. Oftmals kommen sie in Verbünden mit nicht thermochromen Polymeren zum Einsatz. Hier werden sie in einer Art Matrix verwendet und zeigen dabei ihre typische selektive Reflexion in Temperaturabhängigkeit. In einem solchen „Polymer Netzwerk“ werden auch Stoffe ver- wendet, welche durch ihr Temperaturverhalten eine „eingebettete“ Helix in ihrer Länge steu- ern können, d.h. die reflektierte Wellenlänge hängt von der Dehnung bzw. Stauchung des nicht thermochromen Polymers ab. Neben den Folienprodukten existieren auch Kolloide und Lösungen, die thermochrome Po- lymere enthalten. Jedoch ist ihre Anwendbarkeit zur Temperaturmessung begrenzt und ges- taltet sich im besten Fall äußerst schwierig. Grund ist die schon angesprochene Winkelab- 14
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1.4 Thermochrome Polymere<br />
Einordnung und Wirkungsweisen von <strong>TLC</strong><br />
Die verstärkte Forschung auf dem Gebiet <strong>der</strong> Polymere hat in den letzten Jahrzehnten er-<br />
staunliche Entdeckungen hervorgebracht. So wurden Stoffe entdeckt, die durch eine be-<br />
stimmte Stimulierung von außen ihre optischen Eigenschaften stark än<strong>der</strong>n. Je nach Art <strong>der</strong><br />
äußeren Beeinflussung wurden die Polymere in photochrom (bei Licht), elektrochrom (elekt-<br />
risches Feld), piezochrom (Druck) o<strong>der</strong> auch thermochrom (Temperatur) klassifiziert. Es e-<br />
xistieren noch weitere Formen <strong>der</strong> Polymeranregung, für diese Arbeit sind allerdings nur die<br />
thermochromen Polymere von Bedeutung.<br />
Die sichtbaren optischen Verän<strong>der</strong>ungen bei thermochromen Polymeren beruhen auf dem<br />
so genannten thermochromen Effekt. Aufgrund von unterschiedlichen chemischen und phy-<br />
sikalischen Wirkungsweisen lässt sich die Art <strong>der</strong> Reaktion, welche den thermochromen Ef-<br />
fekt auslöst, nochmals unterteilen. Im Folgenden sollen diese Reaktionsarten in vereinfachter<br />
Form erklärt werden. Für eine ausführliche Beschreibung von chemischen Reaktionen und<br />
Aufbau <strong>der</strong> Polymere wird auf die angegebene Fachliteratur verwiesen [1]; [2]; [3]. In 6.9 ist<br />
<strong>der</strong> prinzipielle Aufbau <strong>der</strong> in dieser Arbeit verwendeten <strong>TLC</strong>- Folien beschrieben<br />
1.4.1 Thermochrome Polymere basierend auf Bragg Reflektion<br />
Wie bereits geschil<strong>der</strong>t, gibt es verschiedene Strukturen <strong>der</strong> Flüssigkristalle. Bei diesen Po-<br />
lymeren handelt es sich um cholesterische Stoffe, die eine helikale Struktur besitzen.<br />
Dies ist für das Verhalten <strong>der</strong> Polymere bei sich än<strong>der</strong>n<strong>der</strong> Temperatur von entscheiden<strong>der</strong><br />
Bedeutung. Der Stoff besteht vereinfacht aus einer Molekülkette, die periodisch aufgebaut ist<br />
und bis zu 100nm lang sein kann. Bei größerer Temperatur dehnt sich die Kette aus und wird<br />
länger, <strong>der</strong> Abstand zwischen den Molekülen wächst. Der Vorgang ist reversibel bei kleiner<br />
werdenden Temperaturen. Somit än<strong>der</strong>n sich auch die geometrischen Beziehungen inner-<br />
halb <strong>der</strong> Molekülkette und die reflektierte Wellenlänge wird verän<strong>der</strong>t. Die bildliche Vorstel-<br />
lung eines Akkordeons liegt nahe.<br />
Einfallendes Licht <strong>der</strong> Wellenlänge λ wird somit nach <strong>der</strong> Bragg-Bedingung verschieden ge-<br />
beugt. Im Zusammenhang mit dieser Gleichung steht in <strong>der</strong> Literatur meist die Reflektion des<br />
Lichtes. Mikroskopisch gesehen ist es allerdings eine Beugung an <strong>der</strong> Kristalloberfläche,<br />
makroskopisch entsteht <strong>der</strong> Eindruck einer Reflektion.<br />
Für cholsterische Flüssigkristalle gilt:<br />
λ = ⋅ P ⋅cosθ<br />
n Formel 1.4.1<br />
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