Способ получения жидкокристаллического материала

 

Использование: в электрооптических и магнитооптических устройствах. Сущность: способ получения жидкокристаллического материала. Реагент 1: Глутаминовая кислота. Реагент 2: Сульфат гадолиния формулы Gd₂(SO₄)₃·8H₂O . Условия реакции: молярное соотношение металл: глутаминовая кислота равно 1 : 3, растворитель вода, полученный раствор выпаривают до постоянной массы. Цель - упрощение, снижение энергетических затрат. 4 ил., 3 табл.

Изобретение относится к жидкокристаллическим материалам и может быть использовано в электрооптических и магнитооптических устройствах, основанных на применении ориентационных эффектов.

Известен жидкокристаллический материал на основе холестерилхлорида и холестерилмиристата (в соответствии 175 : 1). Для ориентации молекул использовалось магнитное поле 20 кгс [1]. Недостатком указанного материала является большая величина магнитного поля, необходимого для ориентации жидкого кристалла. П-метоксибензилиден-п-н-бутиланилин (МББА) был ориентирован магнитным полем 10 кГс [2]. Недостатком жидкокристаллического материала является большая величина магнитного поля, необходимого для ориентации.

Для п-азоксианизопа (ПАА), п-н. гептилоксибензойной кислоты (ГОБК) ориентация молекул в одном направлении наблюдалась в магнитном поле 4 кгс [3] . Недостатком соединений является большая величина магнитного поля, необходимого для ориентации фаз. Кроме того, азоксисоединения токсичны.

Ближайшим по технической сущности к заявляемому является способ получения жидкокристаллического материала - поли- γ-бензил-L-глутамата (ПБГ) [4].

Способ заключается: в ферментативной деструкции гликопротеина с образованием двух углеводородных фракций. В качестве ферментов используется пепсин в кислой среде (рН = 1-2), трипсин в слабощелочной среде (рН = 8-9), пентидазы (рН = 7,1-7,6); в сополимеризации двух углеводородных фракций, полибензила и полисополимера на основе глутаминовой кислоты с использованием катализатора nC₆H₅CH^-₂+nCOOHCH₂CHOOH __→ nC₆H₅CH₂CO+H⁺ ПБГ дает жидкокристаллическую структуру в различных органических растворителях (хлороформ, метиленхлорид, диоксан, м-крезол).

Из приведенного перечня операций очевидны недостатки способа получения жидкокристаллического материала - поли- γ-бензил-L-глутамата (ПБГ) : сложность и длительность его получения, токсичность вследствие использования органических растворителей. Кроме того, недостатком является большая величина магнитного поля, необходимого для ориентации ПБГ (14 кгс) [5,6].

Целью изобретения является уменьшение величины магнитного поля для ориентации жидкокристаллического материала на основе глутаминовой кислоты при упрощении технологии и снижении токсичности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения жидкокристаллического материала, включающем взаимодействие глутаминовой кислоты и химического соединения, в качестве химического соединения используется сульфат гадолиния Gd₂(SO₄)₃ ˙8H₂O в молярном соотношении глутаминовая кислота : металл, равном 3 :1.

Способ получения жидкокристаллического материала на основе глутаминовой кислоты и сульфата гадолиния включает взаимодействие глутаминовой кислоты с сульфатом гадолиния, взятых в молярном соотношении глутаминовая кислота : металла 1 : 3 в водной среде и последующее упаривание раствора при 100-110^оС до получения продукта постоянной массы.

Gd₂(SO₄)₃·8H₂O+6COOHCH₂CHOOH= Gd₂(SO₄)₃·6COOHCH₂CHOOH·8H₂O П р и м е р 1. К 100 мл 5%-ного водного раствора сульфата гадолиния при 23^оС добавляют при перемешивании 5,91 г глутаминовой кислоты. Затем раствор упаривают при 100-110^оС до получения продукта постоянной массы. При взаимодействии в процессе растворения глутаминовой кислоты с сульфатом гадолиния в водном растворе и при последующем упаривании раствора образуется продукт стекловидной массы - кислый глутаминат сульфат гадолиния (гексаглутаминогадолинисульфат) Выход продукта 99,9%.

Результаты химического анализа кислого глутамината сульфата гадолиния представлены в табл.1.

Содержание гадолиния определяется трилонометрически с индикатором ксиленоловым оранжевым [7], сера - весовым методом [8], азот по Кьельдалю, углерод и водород весовым методом [9].

Из приведенных данных следует, что экспериментально определенное содержа- ние элементов соответствует расчетным значениям для кислого глутамината сульфата гадолиния (соотношение в котором глутаминовая кислота : металл равно 3 : 1).

Проведенные исследования свидетельствуют о протекании химических взаимодействий в системе глутаминовая кислота - сульфат редкоземельного элемента и подтверждаются выводами работы [10]. При ином соотношении металл : глутаминовая кислота образуется смесь веществ.

П р и м е р 2. К 100 мл 5%-ного водного раствора сульфата гадолиния при 23^оС добавляют при перемешивании 4,92 г глутаминовой кислоты (соотношение металл : :глутаминовая кислота 1 : 2,5). Затем раствор упаривают при 100-110^оС до получения продукта постоянной массы. Установлено, что полученное вещество представляет собой смесь двух продуктов : соединения на основе сульфата гадолиния и глутаминовой кислоты при соотношении металл : глутаминовая кислота, равном 1 : 1, об изучении которого методами ЯМР и электронной спектроскопии сообщалось в работе [11] и соединения состава металл : глутаминовая кислота 1 : 3, что совпадает с данными работ [10, 12].

П р и м е р 3. К 100 мл 5%-ного раствора сульфата гадолиния при 23^оС добавляют при перемешивании 6,89 г глутаминовой кислоты (соотношение металл : глутаминовая кислота 1 : 3,5). Затем раствор упаривают при 100-110^оС до получения продукта постоянной массы. Образуется смесь двух веществ : соединения состава металл : глутаминовая кислота 1 : 3 и свободной глутаминовой кислоты. Таким образом, в случаях запредельных значений (примеры 2 и 3). Получаемый продукт не является однофазным. Избыточными фазами являются либо соединения состава 1 : 1, либо глутаминовая кислота. Оптимальными является состав соответствующий формуле (пример 1).

Кислый глутаминат сульфат гадолиния (гексаглутаминогадолинисульфат) обладает доменной структурой, идентичной структуре ПБГ (прототип). Результаты представлены на фиг.1. а) ПБГ (прототип) и б) кислого глутамината сульфата гадолиния. Наблюдение доменной структуры проводилось с использованием методики [3]. Толщина исследуемого материала составляла 20 мкм.

Идентичность доменной структуры позволяет использовать кислый глутаминат сульфат гадолиния в тех же областях, что и ПБГ. По данным дифференциально-термического анализа область существования мезофазы 30-99^оС.

Авторы в работе 6 сообщают о способности полипентидных молекул к ориентации магнитными полями.

В табл. 2 произведено сравнение свойств материала-прототипа поли-γ-бензил-L-глутамата и предлагаемого вещества - кислого глутамината сульфата гадолиния.

Из приведенных данных видно, что ориентация поли-γ -бензил -L-глутамата (прототипа) происходит в большем по величине магнитном поле.

Введение в состав предлагаемого материала (кислого глутамината сульфата гадолиния) редкоземельного металла существенно уменьшает величину магнитного поля (в 20 раз), необходимого для ориентации.

На фиг. 2 представлены результаты исследования структуры гексаглутаминогадолинисульфата без поля и изменения в ней при наложении магнитного поля. Наблюдения проводились с использованием методики [14], а) поле отсутствует; б) 0,7 кгс.

Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что предлагаемый материал является магниточувствительным.

Технология получения кислого глутамината сульфата гадолиния отличается простотой. В табл.3 произведено сравнение способа получения поли- γ -бензил-L-глутамата (прототипа) и предлагаемого способа получения гексаглутаминогадолинисульфата (предлагаемое решение).

Таким образом, для получения поли- γ-бензил-L-глутамата применяется более сложная технология. Кроме того, для получения жидкокристаллического материала - прототипа используются токсичные органические растворители: хлороформ, метиленхлорид, диоксан, м-крезол. Для проведения реакций требуется спецоборудование, что в целом усложняет процесс.

Способ получения ПБГ по сравнению с предлагаемым более длительный.

Для получения предлагаемого материала применяются не токсичные, доступные материалы, технология существенно упрощается, не требуется спецтехнологического оборудования, сокращается время. Вещество устойчиво на воздухе и не изменяет своих свойств длительное время (10 мес.).

Положительный эффект заключается в снижении энергетических затрат при использовании по тому же назначению предлагаемого материала в сравнении с материалом-прототипом.

Ниже приведены дополнительные исследования, подтверждающие структуру и свойства полученного жидкокристаллического материала.

На фиг.3 приведена дифференциальная кривая нагревания кислого глутаминатасульфата гадолиния, полученная на пирометре Курнакова. На ней имеются два резко выраженных пика (эндотермических эффекта), соответствующих температурам перехода твердого кристалла в жидкий (30^оС) и жидкого кристалла в изотропную жидкость (99^оС); на фиг.4 - текстурные изменения жидкокристаллического материала (кислого глутамината сульфата гадолиния) а-в жидкокристаллическое сос-е (35^оС), б - из жидкокристаллического состояния в изотропную жидкость (99^оС). Рентгеноструктурными исследованиями, выполненными по методике [1]. Доказано, что в кислом глутаминате сульфате гадолиния молекулы располагаются слоями. Результаты приведены 2 табл.3.

Значения d оцененные по уравнению 2dsin Θ= nλ имеют одну и ту же величину, равную 6,4 . Указанное соединение является смектиком [15]. Одной из характерных особенностей, подтверждающей жидкокристаллическую природу материалов является анизотропия свойств. Диэлектрическая проницаемость кислого глутамината сульфата гадолиния в жидкокристаллическом состоянии при температуре 40^оС имеет след.значения ε_ll = 770, ε_l= 440.

Кислый глутаминат сульфат гадолиния является смектиком с высокой положительной анизотропией диэлектрической проницаемости, что согласно [15] приводит к снижению рабочих напряжений. Вследствие введения в состав материала редкоземельного металла для его ориентации требуются (в 20 раз) меньшие магнитные поля. Что позволит существенно снизить энергетические затраты.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА взаимодействием глутаминовой кислоты и химического соединения в растворителе, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют воду, в качестве химического вещества - сульфат гадолиния формулы Gd₂(SO₄)₃ · 8H₂O при молярном соотношении металл : глутаминовая кислоты 1 : 3 с последующим выпариванием полученного раствора до постоянного веса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6