Elektrorheologie homogener Systeme: Nematische Flüssigkristalle und isotrope Polymerlösungen
A. Eich (2002)


Thema dieser Arbeit ist der Einfluss von elektrischen Feldern auf die Viskosität nematischer Flüssigkristalle sowie isotroper Polymerlösungen.

Für zwei thermotrope nematische Flüssigkristalle, 4-(trans-4'-n-Pentylcyclohexyl)-benzonitril (PCH-5) und 4-n-Pentyl-4'-cyanobiphenyl (5CB), wurde die Viskosität mit elektrorheologischen Messungen in Abhängigkeit von Feldstärke und Scherrate bestimmt. Alle Messwerte kommen bei Auftragung gegen E2/ auf einer Masterkurve zu liegen. Die Anpassung dieser Daten mit einer auf der hydrodynamischen Theorie von Ericksen und Leslie basierenden Gleichung liefert gleichzeitig die Scherviskositäten h1 und h2 sowie die Rotationsviskosität g1 in guter Übereinstimmung mit Literaturwerten. Elektrorheologische Messungen stellen somit ein Verfahren zur Bestimmung dieser Viskositätskoeffizienten für Nematen dar, wenn diese eine ausreichend große positive dielektrische Anisotropie aufweisen. Die bei dieser Methode auftretenden Fehler werden diskutiert und beurteilt.

Die gute Beschreibbarkeit des elektrorheologischen Verhaltens durch die bekannten Theorien zeigt zudem, welche viskosimetrischen und elektrischen Eigenschaften eine nematische Phase besitzen muss, damit sie eine für praktische Anwendungen interessante elektrorheologische Flüssigkeit darstellt: Sie muss neben einem breiten Temperaturbereich der nematischen Phase eine hohe dielektrische Anisotropie sowie einen großen Unterschied der Scherviskositäten h1 und h2 bei einem geringem Wert von h1 aufweisen. Die große Differenz der Scherviskositäten lässt sich nur mit einer großen Rotationsviskosität g1 erreichen. In diesem Punkt sind die Anforderungen an Nematen für einen Einsatz als ER-Flüssigkeit bzw. in Flüssigkristall-Anzeigen entgegengesetzt.

Bei den isotropen Polymerlösungen ließen sich für das System Decalin / Polystyrol die Widersprüche früherer Untersuchungen zum ER-Effekt im Bereich der Entmischungstemperatur klären. Während im Ein-Phasen-Gebiet nur eine geringe Viskositätsänderung im E-Feld aufgrund elektrohydrodynamischer Strömungen zu beobachten ist, tritt unterhalb der Entmischungstemperatur ein deutlicher, aber nicht reproduzierbarer ER-Effekt auf. Dieser ist auf einen Einfluss des E-Felds auf die Zwei-Phasen-Morphologie zurückzuführen.

Für das System Diethylbenzol / Isopentylcellulose wurde ein ebenfalls in einer früheren Arbeit1 gefundener negativer elektrorheologischer Effekt (Abnahme der Viskosität im E-Feld) auf die Dissoziation von assoziierten Polymermolekülen zurückgeführt. Die Dissoziation erfolgt aufgrund der Wirkung des elektrischen Feldes auf freie Ladungen.