Valoaktivoituvan nestekidepolymeeriverkoston mekaaniset ominaisuudet eri valaistuksissa

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin homogeenisesti suunnatun nestekidepolymeeriverkoston (LCN, liquid crystal polymer network) mekaanisia ominaisuuksia erilaisissa valaistuksissa. LCN-materiaali sisälsi sekä UV-valoa absorboivaa, valokemiallisen aktuaation aikaansaavaa atsobentseenijohdannaista että punaista valoa absorboivaa, valotermisen aktuaation aikaansaavaa Disperse Blue 14-väriainetta. Mekaaninen testaus suoritettiin laitteistolla, jolla voitiin mitata Youngin moduuli ja samalla säteilyttää näytettä valolla. LCN-kalvot valmistettiin valopolymeroinnilla ja niistä leikattiin 0,5 cm levyisiä ja noin 3 cm pituisia suikaleita, joita käytettiin näytteinä mekaanisessa testauksessa. Näytteiden järjestystä ja nestekiteiden faasitransitiolämpötilaa tutkittiin optisella polarisaatiomikroskopialla ja UV-Vis-spektroskopialla. Mittaustuloksista havaittiin punaisen valon vaikuttavan Youngin moduuliin alentavasti intensiteetin kasvaessa. Käytetyn intensiteettivälin, I = 0–31 mW cm-2, alkupuolella vaikutus oli huomattavasti suurempaa, mikä johtui todennäköisesti lämpötilan noususta näytteen lasittumislämpötilan yli. Materiaalin siirtyessä lasittuneesta tilasta kumimaiseen tilaan, sen elastisuus kasvaa huomattavasti. Lisäksi Youngin moduulin havaittiin olevan selkeästi pienempi venytettäessä näytettä pimeässä kohtisuoraan nestekiteiden järjestyssuuntaa vastaan. Tämä voidaan selittää molekyylien vapaammalla liikkeellä toistensa lomitse kohtisuorasti järjestystä vastaan, sillä myös työssä käytetyt ristisilloittajat pyrkivät järjestymään nestekiteiden kanssa. Tällöin silloitus rajoittaa vähemmän sivuttaisia liikkeitä. UV-valon vaikutus Youngin moduuliin osoittautui erikoisemmaksi. Työssä käytetty atso-yhdiste isomerisoituu cis-muotoon absorboidessaan UV-valoa ja palautuminen takaisin trans-muotoon tapahtuu vasta useamman tunnin päästä huoneen lämpötilassa ilman säteilytystä. UV-valolla jatkuvasti säteilytettäessä Youngin moduulilla havaittiin punaista valoa vastaava käytös, mutta sen arvo pysytteli koko ajan hieman suurempana intensiteetin/lämpötilan kasvaessa. Jotta voitiin tarkastella pelkän atso-yhdisteen isomerisaation vaikutusta ilman lämpötilan nousua, näytettä säteilytettiin ennen venytystä. Youngin moduulin arvossa ei kuitenkaan havaittu juurikaan poikkeamaa intensiteetin kasvaessa. Tämä mittaus toistettiin ohuemmalla näytteellä, jotta atso-yhdisteen cis-muodon pitoisuus saatiin mahdollisimman homogeeniseksi näytteessä. Tulokset kuitenkin pysyivät vastaavina. Lisäksi mahdollinen mekaaninen cis-trans-isomerisaatio suljettiin pois säteilyttämällä ja venyttämällä näytettä, ja mittaamalla absorptiospektri ennen ja jälkeen venytyksen. Vastoin oletuksia mittausten perusteella havaittiin, ettei pelkällä atso-yhdisteen isomerisaatiolla olisi juurikaan vaikutusta LCN-materiaalin Youngin moduuliin. Tämä on erikoista, sillä juuri isomerisaatio muuttaa materiaalin rakennetta pienentämällä molekyylien järjestystä, minkä voisi olettaa pehmentävän materiaalia. Todennäköisesti atso-yhdisteen vaikutus LCN-materiaalin mekaanisiin ominaisuuksiin riippuu monesta tekijästä, kuten pitoisuudesta, nestekiteiden järjestyksestä ja mekaanisesta mittausmenetelmästä. Laajempia ja kattavampia tutkimuksia täytyy tehdä erilaisille atso-yhdisteitä sisältäville LCN-materiaaleille, jotta voidaan perustellummin selittää niiden vaikutus mekaanisiin ominaisuuksiin.