DE2839103A1 - Suspension fuer lichtventile und verfahren zur herstellung - Google Patents

Suspension fuer lichtventile und verfahren zur herstellung

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DE2839103A1 DE19782839103 DE2839103A DE2839103A1 DE 2839103 A1 DE2839103 A1 DE 2839103A1 DE 19782839103 DE19782839103 DE 19782839103 DE 2839103 A DE2839103 A DE 2839103A DE 2839103 A1 DE2839103 A1 DE 2839103A1
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Robert Leonard Saxe
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    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/17Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on variable-absorption elements not provided for in groups G02F1/015 - G02F1/169
    • G02F1/172Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on variable-absorption elements not provided for in groups G02F1/015 - G02F1/169 based on a suspension of orientable dipolar particles, e.g. suspended particles displays

Description

  • Suspensionen für Lichtventile und Verfahren zur Herstellung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Suspensionen für Lichtventile und Verfahren zur Herstellung, sie betrifft insbesondere Polymere, die in Suspension vorliegende Teilchen von kolloidaler Größe stabilisieren, so daß dieselben nicht agglomerieren. In kolloidalen Systemen und insbesondere flüssigen kolloidalen Suspensionen neigen die darin befindlichen Teilchen zur Zusammenballung oder zum Aneinanderkleben unter Ausbildung größerer Gruppen von Teilchen. Diese Erscheinung wird als Agglomaration bezeichnet. Die Ausbildung größerer Teilchengruppen zerstört die weitgehend homogene Verteilung der Teilchen in der Suspension und macht diese unbrauchbar. Dieses Problem ist besonders bei Suspensionen akut, die in Lichtventilen verwendet werden. Beim Betrieb eines Lichtventils liegt eine Spannung an der Suspension an. Aufgrund der Ladungen, die auf den Teilchen liegen oder mit ihnen verbunden sind kann diese Spannung dazu führen, daß die Teilchen sich zu-.
  • sammenballen und große Gruppen von Agflomaraten bilden. Diese behindern die reibungslose Funktion des Lichtventils und machen es unbrauchbar.
  • Es ist somit erforderlich, ein Material zu entwickeln, daß wirkungsvoll dieAgglomaration von suspendierten kolloidalen Teilchen in einem Lichtventil verhindert.
  • Obgleich der Stand der Technik mit Patenten angefüllt ist, die sich auf Dispergiermittel beziehen, Polymermaterialien eingeschlossen, welche Teilchen in Suspension halten, sind diese Stoffe entweder zur Verwendung in Lichtventilsuspensionen ungeeignet oder den Polymeren nach der vorliegenden Erfindung für diesen Zweck weit unterlegen. Beschreibungen von Lichtventilen, die flüssige Suspensionen verwenden, sind in den US-Patenten 1 955 923 und 3 708 219 zu finden. Es handelt sich dabei im Grunde um Bauelemente, die den Lichtdurchgang steuern.
  • Damit ein Polymer in einer Lichtventilsuspension verwendet werden kann,sollte es in dem flüssigen Suspensionsmedium löslich sein. Ferner sollte es in der Lage sein, eine Verbindung mit den Oberflächen der suspendierten Teilchen herzustellen, um wirkungsvoll einen räumlichen Schutz gegen Aggomaration zu bilden, insbesondere wenn die Teilchen unter Einfluß eines elektrischen Feldes sich ausrichten, ein Zustand, der die Neigung zurAglomaration drastisch erhöht. Das Polymer sollte sich auch mit den Teilchen verbinden, so daß es, wenn es bei der Bildung derselben bereits vorhanden ist, die Teilchen daran hindert, zu groß zu werden und gleichzeitig hilft, die Ausbildung von Zusammenballungen derselben während ihrer Herstellung auf ein Minimum zu erhalten.
  • Das Polymer sollte jedoch die suspendierten Teilchen nicht angreifen und sie abbauen, sollte selbst bei den Anwendungstemperaturen oder Lagertemperaturen der Suspension nicht abbauen, damit seine Abbauprodukte die suspendierten Teilchen nicht angreifen. Ein Abbau führt zum Verlust der Fähigkeit des Polymersl einen räumlichen Schutz auszuüben und führt auch zu einem Verlust der anderen hierin beschriebenen Vorteile.
  • Das Polymer sollte vorzugsweise einen großen Löslichkeitsbereich besitzen, so daß es ggf. in den polaren Flüssigkeiten gelöst werden kann, in denen die meisten in Lichtventilen verwendeten Teilchen gebildet werden, und daß es auch in verhältnismäßig unpolaren und wenig leitenden Flüssigkeiten löslich ist, die beim Betrieb von Lichtventilen verwendet werden.
  • Das Polymer sollte die Wände oder Elektroden auf den Wänden eines Lichtventils nicht überziehen, ein an ihnen festklebendes Polymer führt zu einer verschwommenen Ansicht, die die klare Durchsicht durch das Lichtventil zerstört und die maximale Lichtübertragung oder Änderung derselben verringert. Ferner soll das Polymer die Spannungscharakteristik der Suspension verbessern, indem es eine größere Veränderung in der Lichtübertragung gegenüber der Verwendung von Nitrocellulose, dem nach dem Stand der Technik in Lichtventilen verwendeten Polymeren bei einem an der Suspension anliegenden gegebenen Spannungsgradienten ermöglicht. In diesem Zusammenhang ist es besonders wichtig und Vorteilhaft, bei niedrigen Frequenzen von z.B. 1000Hz oder noch darunter zu arbeiten, da die elektrische Energie wesentlich geringer ist bei niedrigen Frequenzen als bei höheren Aktivierungsfrequenzen.
  • Die zuvor erwähnte Nitrocellulose wurde schon des längeren verwendet und tut bis zu einem gewissen Grad ihre Arbeit in Lichtventilsuspensionen. Obgleich sie dieAgglomaration etwas verhindert, besitzt sie den großen Nachteil, daß sie bei nur leicht erhöhten Temperaturen stark einem Abbau unterliegt.
  • So zersetzt sich Nitrocellulose z.B. unter 650C unter Bildung von Salpetersäure und Salpetrig er säure und anderen -Abbauprodukten, die dann die in der Suspension vorhandenen Teilchen angreifen können. Bei einem derartigen Angriff werden die Teilchen natürlich zerstört. Nitrocellulose besitzt aber auch noch einen weiteren schwerwiegenden Nachteil dahingehend, daß es nur eine begrenzte Anzahl von Suspensionsmedien gibt, in denen sie gelöst und bei Lichtventilen verwendet werden kann.
  • Dies Stoffe sind im wesentlichen auf organische Ester beschränkt. Für viele Funktionen sind Ester jedoch nicht die erstrebenswerten Flüssigkeiten für die Suspension der Teilchen, Somit besitzt Nitrocellulose wesentliche chemische und physikalische Nachteile, die durch die polymeren Stoffe nach der vorliegenden Erfindung beseitigt werden. Diese Polymere besitzen eine weit größere thermische Stabilität als Nitrocellulose und zerfallen im allgemeinen erst dann, wenn Temperaturen erreicht sind, die weit über dem Punkt liegen, an dem Nitrocellulose Salpeter- und Salpetrigesaure bildet. Ferner sind die Polymere nicht nur in Estern sondern in vielen relativ nichtleitenden flüssigen Suspensionsstoffen löslich.
  • Durch die vorliegende Erfindung werden neue und verbesserte Polymere angegeben, die flüssige Suspensionen für Lichtventile stabilisieren und dabei auch die Spannung und Leistung verringern, die für die Veränderung in der Lichtübertragung bei einem Lichtventil erforderlich sind.
  • Bei den Polymeren handelt es sich um langkettige molekulare Copolymere, die bestimmte funktionelle Gruppen wie OH- oder Carboxylgruppen besitzen, Daneben ist mindestens eins der Monumere in dem einzelnen Polymer verzweigt. Außerdem besitzen diese Polymere eine breite Löslichkeit sowohl im polaren wie in nichtpolaren Flüssigkeiten. Ein weitere Vorteil liegt darin, daß sie die Wände oder Elektroden eines Lichtventils nicht über ziehen.
  • Mit den Polymeren nach der vorliegenden Erfindung lassen sich Suspensionen stabilisieren, die kolloidale Teilchen und insbesonder halogenhaltige lichtpolarisierendeTeilchen wie z.B.
  • Herapathit, Purpurkobaldchlorid-Sulfatperiodid und Kupfer-II-bromid enthalten.
  • Wie erwähnt sind die Stoffe langkettige Copolymere mit Ofl-Carboxylgruppen und löslich in Flüssigkeiten, in denen die kolloidalen Teilchen suspendierbar sind. Mindestens eines der zur Bildung der copolymere verwendeten Monumere ist ist verzweigt, und kann sogar mehr als eineVbrzweigung besitzen. Monomere für als Beispiel ein Copolymer aus 5, 5-Diäthylhexylacrylat/2-Hydroxypropylacrylat/Fumarsäure genannt. Und die Polymere verhindern die Aggiomaration der Teilchen in Suspension oder halten sie zumindestens zurück, insbesondere wenn die Suspension bei Lichtventilen Verwendung findet und eine Spannung an der Suspension anliegt. Die Polymere ermöglichen auch die Verwendung der Suspensionen bei erhöhten Temperaturen ohne merklichen Abbau und verringern den Spannungsgradienten und die elektrische Leistung, die zur Erzielung einer bestimmten Änderung in der Lichtübertragung bei dem Lichtventil erforderlich ist.
  • Die Polymerstoffe stabilisieren die kolloidalen Teilchen, in dem sie an diesen haften und sie somit davon abhalten, zu größeren Gruppen zuagglomerieren. Auf diese Weise wird eine weitgehend homogene Verteilung der kolloidaler. Teilchen in dem suspendierenden Medium aufrechterhalten. Bekanntlich ist es äußerst wichtig, daß in flüssigen Suspensionen die suspendierten Teilchen möglichst gleichförmig verteilt sind. Dies ist bei Lichtventilen von großer Bedeutung. Die Polymerstoffe nach der vorliegenden Erfindung enthalten Monomere mit freien OH- oder Carboxylgruppen,die sterisch ungehindert in einer Lage sind, sich an ein einzelnes Element oder an einen Teil der zu stabilisierenden Teilchen anzulagern oder sich mit ihnen zu verbinden. Der restliche Teil des Copolymers ist vorzugsweise ein Monomer, das in der Flüssigkeit, in der die Teilchen suspendiert sind, löslich ist. Das stabilisierende Polymer muß somit ein Stoff sein, das sowohl das Copolymer an die Teilchen bindet und gleichzeitig in dem suspendierenden Medium löslich ist. Ist kein Teil des Copolymers in dem Suspensionsstoff löslich, sind die mit den Teilchen verbundenen Polymerketten nicht in der Lage, sich von den Teilchen weg zu erstrecken und wirkungsvoll eine Zusammenballung zu verhindern. Die Polymere nach der vorliegenden Erfindung sind insbesondere für Suspensionen geeignet, die in Lichtventilen zum Einsatz kommen.
  • Ein Lichtventil besteht aus zwei Scheiben von transparentem Material wie Glas:oder Plastik, die ein sehr geringen Abstand voneinander in der Größenordnung von 2,45 x 70 bis 127 x 10 mm besitzen und an ihrem Rand mittels eines Klebers oder anderem geeigneten Abdichtungsmaterial verbunden sind. Die Scheiben haben transparente elektrisch leitende Beschichtungen aus Zinnoxyd oder Indiumoxyd auf den Innenflächen, die über Leitungen (Silber) und Verdrahtungen an eine Stromquelle, vorzugsweise eine Wechselstromquellel angeschlossen sind. Der Raum zwischen den transparenten Scheiben ist mit einer Suspension angefüllt wie z.B. einer Suspension von Herapathitteilchen in Amylacetat oder Isopentylacetat.
  • Die in den Lichtventilen verwendeten Herapathitteilchen oder sonstigen Teilchen sind klein, von kolloidaler Größe und anisometrisch geformt, vorzugsweise stäbchenförmig oder nadelförmig mit einem Verhältnis von 5 zu 1 bis 20 zu 1.
  • Diese anisometrischen Teilchen, die polarisierende, polyhalogenide Teilchen sind, befinden sich normalerweise im nicht ausgerichteten Zustand, d.h. völlig desorientiert in der Suspension. Setzt man voraus, daß eine ausreichend hohe Konzentration derartiger Kristalle in der Suspension vorliegt, so kann nicht ohne weiteres die Suspension passieren, da es durch die Vielzahl an Teilchen absorbiert oder blockiert wird. Die Suspension erscheint ganz dunkel. Wird jedoch ein elektrisches Feld an die Suspension angelegt, so richten sich die Teilchen parallel zu den Feldlinien aus (senkrecht zu den transparenten Lichtventilwänden). Dies erreicht man durch Anlegen einer Spannung an die Leitungen, die mit den dünnen transparenten Beschichtungen verbunden sind, die sich innen auf den Wandflächen der Zellen befinden. Die Spannung * Licht liegt somit an den transparenten Wänden und das Feld geht durch die Suspension. Dabei richten sich die Herapathitteilchen oder anderen polarisierende Teilchen so aus, daß ihre Längsachsen senkrecht zu den transparenten Beschichtungen, d.h.
  • parallel zu den elektrischen Feldlinien zwischen den Beschichtungen zu liegen kommen. In dieser Stellung blockieren die Teilchen nur wenig das durchscheinende Licht, da ihre Längsachsen weitgehend parallel zu der Richtung desselben liege. Liegt also ein elektrisches Feld an der Zelle oder mit anderen Wortenbefindet sich die Zelle im eingeschalteten Zustand, kann Licht leicht durchgehen. Der Stoff, in demdie Teilchen suspendiert sind, ist vorzugsweise transparent und somit besteht nach Ausrichtung der Teilchen nur eine minimale Blockierung sowohl der Transmission des sichtbaren Lichtes wie einer anderen Strahlung durch die Suspension.
  • Nach Abschalten der Spannung führt die Braunsche Bewegung rasch zu einer Desorientierung der Teilchen, so daß ihre Längsachsen in vielen Fällen in bestimmten Winkeln zu Richtung des Lichtes zu liegen kommen und dieses somit nicht mehr leicht die Suspension passieren kann.
  • Wie schon erwähnt, liegt das Hauptproblem bei diesen und anderen Teilchen in ihrer Neigung, sich gegenseitig anzuziehen.
  • Dies trifft insbesondere dann ein, wenn eine Spannung an der Suspension anliegt. Unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes wirken die einzelnen Teilchen wie induzierte Dipole und die Anziehung zwischen den positiven und negativen Enden von benachbarten Teilchen ist ausreichend, daß bei Anlegen einer Spannung an die Suspension sie sofort beginnen, sich unter Bildung von größeren Gruppen aneinander zu lagern, Dies wirkt sich bei einem Lichtventil negativ aus, da dieses im eingeschalteten Zustand weitgehend transparent bleiben sollte. Dem gegenüber bestehen jedoch verhältnismäßig große dunkle Bereiches wo die Teilchen zusammengeballt sind und die Suspension nicht mehr transparent ist. Es bedarf somit eines Stoffes, der die Teilchen an einer Zusammenballung hindert oder wenigstens bewirkt, daß sie in ihren normalen dispergierten suspendierten Zustand zueinander verbleiben. Die Polymere nach der vorliegenden Erfindung bewirken dies. Sie verbinden sich leicht mit den Herapathitteilchen oder anderen halogenhaltigen lichtpolarisierenden Teilchen und stabilisieren dieselben. Die zu stabilisierenden Teilchen sind vorzugsweise solche, die Jod enthalten, wie eben Herapathit, oder solche, die andere Halogene enthalten, wie z.B. Kupfer-II-bromid. Die stabilisierenden Polymere verbinden sich nicht nur mit den polarisierenden Teilchen sondern enthalten auch Bestandteile, die eine leichte Auflösung in den Flüssigkeiten ermöglichen, in denen die polarisierenden Teilchen suspendiert sind. Zu den verwendeten Polymeren zählen die Copolymere von 2-Äthylhexylacrylat/Acrylsäure; 2-Äthylhexylacrylat/Hydroxyäthylmethacrylat; 2-Athylhexylacrylat/ 2-Hydroxypropylacrylat/Acrylsäure; 2-Äthylhexylacrylat/2-Hydroxypropylacrylat/Furmarsäure; 2-Äthylhexylacrylat/2-Hydroxypropylacrylat/Vinylidenchlorid/Fumarsäure; Bis-2-Äthylhexylfumarat/ 2-Hydroxypropylacrylat/Acrylnitril und 5,5-Diäthylhexylacrylat/ 2-Hydroxypropylacrylat/Fumarsäure, Alle diese Stoffe besitzen eine funktionelle Gruppe mit polarem Charakter wie eine OH- und/ oder Carboxylgruppe in einer Stellung, die es ermöglicht, leicht mit den Teilchen so asoziieren oder eine Bindung mit ihnen einzugehen, möglicherweise mit dem Halogen, wie z*B. dem Jod, aber möglicherweise auch mit einem anderen Teil der Teilchen, wobei diese stabilisiert werden. Die Asoziierung oder Bindung, die durch die OH-oder Carboxylgruppen gebildet wird, ist als Wasserstoffbrücke anzusehen, sie kann aber auch eine andere Bindungsart sein oder zusätzlich eine andere Bindungsart wie z.B, eine koordinative covalente Bindung darstellen. Es scheint jedoch so, daß die OH-oder Carboxylgruppe und nicht der Wasserstoff allein für die Bindung erforderlich ist. Es wäre auch möglich, daß die Wasserstoffbindung und/oder die covalente Bindung durch den Sauerstoff zur Effektivität der Bindung führt. Diese Bindungen zwischen Polymer und Teilchen sind äußerst stark. Im Falle von bestimmten Substanzen wie z.B.
  • Acrylsäure liegt eine COOH-Gruppe vor. Man könnte daran denken, daß die OH-Gruppe der Hauptgrund für die Wirkung ist. Die CO-Gruppe kann aber ebenso aktiv sein. In allen Fällen ist eine freie OH- oder Säuregruppe in einem Copolymer vorhanden. Der Ausdruck "frei" ist so zu verstehen, daß sich die OH-oder Säuregruppe in einer Stellung befindet, in der sie eine Bindung eingehen kann, d.h. daß sie sterisch ungehindert durch die restliche Struktur des Moleküls ist, deren Teil sie darstellt, so daß sie leicht eine Wasserstoffbindung und/oder koordinative covalente Bindung mit Halogen eingehen kann. "Frei" bedeutet aber auch, daß die beiden Gruppen mit Teilchen reagieren können, die kein Halogen in ihrer Molekularstruktur enthalten. Befindet sich die OH-oder Säuregruppe nicht in dieser Stellung, z.B. dann wenn in einem Copolymer starre Gruppen nahe bei diesen beiden Gruppen angeordnet sind, so ist dies keine so gute Stellung für eine leichte Reaktion und das verwendete Material ergibt keine wirkungsvolle Bindung oder Stabilisierung.
  • Es muß berücksichtigt werden, daß in den oben. angeführten Copolymerstoffen die Säure oder die carboxylhaltigen Monumere oder Monomere, die funktionelle Gruppen enthalten wie Acrylsäure, Fumarsäure, Mesaconsäure, Maleinsäure oder Acrylnitril, oder einer der Hyxroxylacrylesther Monumere wie Hydroxyläthylacrylat, Hydroxyäthylmethacrylat, oder 2-Hydroxypropylactrylat die Substanzen sind, die freie Säure oder OH-Gruppen enthalten und mit dem Halogen oder einem anderen Teil des Teilchens unter Ausbildung einer Assoziation oder Bindung reagieren können. Je nach Wahl des Monomeren können diese Monomere verzweigt oder nichtverzweigt sein und können in den Suspensionsmedium löslich sein oder auch nicht. Ein anderer Teil dieser Copolymere, z.B. 2-Xthylhexylacrylat, Bis-2-Äthylhexylfumarat, 5,5-Diäthylexylacrylat dienen der Lösung des Copolymers in der Suspensionsflüssigkeit.
  • Vorzugweise geht man einem verzweigten Monomer aus,das mindestens zwei oder mehr Verzweigungen besitzt. Verzweigungen erhöhen die Fähigkeit des Copolymer, eine Zusammenballung der Lichtventilsuspension unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zu verhindern. Obgleich nur eine Verzweigung wie z.B.die Äthylgruppe im Monumer 2-Äthylhexylacrylat in dieser Beziehung bereits sinnvoll ist und wesentlich wirkungsvoller als ein unverzweigtes Monumer wie z.B. Octylacrylat, bringt eine Vielzahl von Verzweigungen größeren Nutzen. Oblgeich der genaue Grund nicht bekannt ist, warum Verzweigungen eine Zusammenballung verhindern, so läßt sich dies theoretisch möglicherweise so erklären, daS, vorausgesetzt die Verzweigungen behindern keine Gruppen an der Bindung an die zur stabilisierenden Teilchen, der von der Verzweigung beanspruchte Raum einen sterischen Schutz darstellt, in dem zwei Teilchen daran gehindert werden, zu nahe aneinander zu geraten. Wenn diese Theorie stimmt, wäre es nur logisch zu erwarten, daß eine Vielzahl von Verzweigungen wesentlich effektiver sind als nur eine von der gleichen Größe, wie man experimentiell findet. Aus bislang unbekannten Gründen verringert die Anwesenheit eines verzweigten Monumer in dem Copolymer auch den Spannungsgradienten, der zur Erzielung einer gegebenen Änderung in der Lichttransmission eines Lichtventils erforderlich ist, wie nachstehend noch erläutert wird.
  • Vorzugsweise sollte wenigstens ein Monamer wie das zuvor erwähnte verzweigt Monomer, von dem man annimmt, daß es eine sterische blockierende Funktion besitzt, keine funktionell bindenden Gruppen enthalten. Vorzugsweise sollte ein solches Monomer oder solche Monomere den Hauptanteil an dem Copolymer bilden und auch vom Molekulargewicht her das größte Monomer oder die größten Monomere darin sein. Die Verzweigungen selbst können nochmals verzweigt sein.
  • Obgleich die verzweigten Monomer und viele der anderen Monomere in dem vorliegenden Beispiel Ester sind, gibt es auch noch eine Reihe anderer Typen. So können z.B. die CopolymerdMonomere wie Äther oder zyklische Monomere enthalten oder Monomere, die halogeniert sind, insbesondere fluoriert sind, was zur Löslichkeit des-Copolymers in Flüssigkeiten beträgt, die die als Suspensionsmittel geeignete fluorierte Substanzen sind.
  • Ggf. können zwei oder mehrere Copolymere ähnlicher oder unterschiedlicher Eigenschaft in einer Suspension gleichzeitig Verwendung finden.
  • Das Suspensionsmedium, das zur Anwendung bei Lichtventilen vorzugsweise nichtleitend sein soll, kann aus solchen unterschiedlichen Flüssigkeiten bestehen wie aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffen, Siliconen, Estern und nichtpolaren Äthern, und insbesondere halogenierten chemischen stabilen Lösungsmitteln wie fluorierte Alkane,fluorierte Ester und fluorierte Äther und Mischungen derselben.
  • Bei Verwendung von fluorierten Lösungsmitteln als Suspensionsstoff, kann es erforderlich sein, ein stärker polares aber relativ nichtleitendes Lösungsmittel wie einen Ester, z.B.
  • Isopent ylacetat, beizumischen, um eine Ausrichtung der Teilchen bei niedrigeren Spannungen zu erzielen. Darüberhinaus kann der Anteil von Monomer in Gewichtsprozent oder Molprozent oder die Gewichtsprozente an OH-oder Säurgruppen, die in dem Copolymer Verwendung finden, eingeschränkt und eingestellt werden, um eine mögliche Löslichkeit in speziellen Lösungen zu erzielen. Somit vereinen die Copolymere die Herstellung einer Bindung mit der Fähigkeit zur Lösung in vielen Arten von Suspensionsstoffen. Der Teil des Polymers, das sich in dem Suspensionsstoff löst, sollte so löslich sein, daß das Copolymer als Ganzes weitgehend gelöst wird. Beim Betrieb von Lichtventilen ist zu berücksichtigen, daß mit geringer Leitfähigkeit des Suspensionsstoffes das Lichtventil besser funktioniert. D.h., je weniger leitend die Flüssigkeit, desto geringer ist die erforderliche elektrische Leistung und Spannung, mit deren Hilfe die Ausrichtung der Teilchen erfolgt, und desto leichter ist das Lichtventil zu bedienen. Somit ist einer der Vorteile der beschriebenen Copolymere, daß sie leicht in den nichtleitenden Suspensionsstoffen löslich sind. Einige dieser nahezu nichtleitenden Suspensionsstoffe wurden bereits erwähnt, es gibt jedoch eine Vielzahl von ihnen und es kann gesagt werden, daß Stoffe mit einem Widerstand von ca.
  • 5 x 107 g /cm oder mehr und vorzugsweise 5 x 109/cm oder mehr für die Polymere nach der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Eine Suspension, die suspendierte Teilchen und Copolymere enthält, besitzt eine etwas höhere Leitfähigkeit als der Suspensionsstoff für sich allein.
  • Die Polymere nach der Erfindung besitzen verhältnismäßig gute thermische Eigenschaften, d.h. die Copolymere können einen Temperaturbereich wieder stehen der vom Gefrierpunkt des Suspensionsstoffes bis zu 1000C reicht. Dies gestattet die Lichtventile innerhalb eines breiten Temperaturbereiches, insbesondere unter Zuhilfenahme von nichtleitenden Suspensionsstoffen- zu betreiben.
  • Ursprünglich in Suspension für Lichtventile verwendete Nitrocellulose besitzt keine guten thermischen Eigenschaften, Bei Temperaturen bei oder unterhalb von 65,50C beginnt Nitrocellulose zu zerfallen und bildet Salpetrigesäure und Saln petersäure und andere Abbauprodukte. Die Bildung derartiger Abbauprodukte verringert die Menge an Nitrocellulose' die zur Verhinderung der Zusammenballung zur Verfügung steht und die Abbauprodukte greifen auch die Suspension an und können sie weitgehend zerstören. Die neuen in der Anmeldung beschriebenen Stoffe räumen diese Nachteile aus.
  • Nitrocellulose hat ferner den Nachteil, daß sie nur in bestimmten Stoffen löslich ist. Es sind dies im wesentlichen organische Ester wie Isopenty.-lacetat und Amyl- oder Äthylacetat. Die nichtviskosen Typen dieser Esther, die bei 250C eine Viskosität von 5cP oder darunter besitzen, sind im wesentlichen nichtleitend. Der spezifische Widerstand liegt bei 2 x 108 S2 /cm oder noch darunter. Derartige nichtviskose Stoffe sind erwünscht, wenn eine schnelle Ausrichtung und Verwirrung der Teilchen gesucht wird. Mit den vorliegenden Copolymeren läßt sich jedoch ein spezifischer Widerstand von einer oder mehreren Größenordnungen höher leicht erreichen, da Suspensionsstoffe verwendet werden können gemeinsamen mit diesehCopolymeren, die eine höheren spezifischen Widerstand, d.h. eine niedriegere Leitfähigkeit bei der gleichen Viskosität aufweisenlund somit lassen sich Suspensionen mit niedrigerer Leitfähigkeit bei gleicher Viskosität erzielen.
  • Die Copolymere können bereits am Anfang bei der Bildung der Teilchen eingesetzt werden, so daß diese nichtzusammenballen.
  • Die Copolymere können an den Teilchen gebunden bleiben, so daß das Material während aller Verarbeitungsstufen eine Agglomaration verhindert. Die Copolymere können auch nach der Teilchenbildung eingesetzt werden, und zwar wenn diese dann in die Suspension eingebracht werden. Ein Polymer kann auch zu einer Suspension zugefügt werden, die bereits das gleiche Polymer oder ein anderes Polymer enthält.
  • Beispiele für halogenhaltige Stoffe, die zur Bildung der supendierenden Teilchen eingesetzt werden und das Licht polarisieren und somit in Lichtventilen einsetzbar sind, sind die bereits erwähnten Herapathite,Purpurkobaldchloridsulfatperiodide und Kupfer-II-bromide.
  • Nachstehend sind Beispiele zur Herstellung von Suspensionen für Lichtventile und von anderen Teilchen beschrieben, die Herapathit sowie verschiedene Copolymere enthalten. In den Beispielen 1 bis 9 wird das Copolymer während der Bildung der Teilchen eingesetzt und bleibt in Verbindung mit diesen, wenn die Suspension hergestellt und ihrer Entbestimmung zugeführt wird. Im Beispiel 11 wird das Copolymer erst nach Ausbildung der Teilchen diesen zugesetzt und die mit dem Polymer verbundenen Teilchen werden dann in die Suspension eingebracht, die dann in einem Lichtventil Anwendung findet.
  • Die verwendeten Copolymere sind vornehmlich solche, die eine Kettenlänge von ca. 600 bis 4200 A oder darüber aufweisen. Obgleich ihre strukturelle Zusammensetzung willkürlich sein kann, verwendet man vorteilhafter Weise Block-Copolymere, Pfropf-Copolymere und Copolymere wechselnder Anordnung. Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung. Beispiel 1 : 42,5g einer 33 1/3% Lösung des Copolymer 2-Äthylhexylacrylat/Acrylsäure mit den Gewichtsverhältnissen 75% zu 25%, in 2çAthoxyäthanol wird mit 3,75g Chininbisulfat und 0,50g Fluoralkohol vermischt. Dann werden 8,5ob Methanol und 10g weiteres 2-Athoxyäthanol zugefügt.
  • Die alkoholische Lösung eines Weichmachers (freigestellt, Jod und Jodwasserstoffl wird durch Mischen mit den anderen Bestandteil zur Reaktion gebracht unter Ausbildung einer Paste von Herapatith. Das Produkt wird dann zur Entfernung der flüchtigen Lösungsmittelanteile getrocknet, An diesem Punkt wird ein flüssiges Suspensionsmedium der Paste zugefügt, die darin noch durch kontinuierliches Kollern dispergiert wird, Bei dieser Probe lage der Gehalt an Säure enthaltendem Monamer lediglich bei 25 Gewichtsprozent, um die Löslichkeit des Copolymers in dem Suspensionsstoff eines Licht ventils zu erhöhen, um eine gute Dispersion der getrockneten Paste zu erreichen, Man erhielt gute Ergebnisse. Es zeigte sich, daß die optische Dichte der resultierenden Suspension in Isopent ylacetat sich von 3,0 auf ca. 0,85 bei der Aktivierung änderte, was auf ein weitgehendes Aufmachen des Lichtventils hinweist.
  • Beispiel Beispiel 1 wurde mit den folgenden Bestandteilen wiederholt; 42,5g einer 30 Gewichtsprozentigen Lösung von 2-0thylhexylacrylat/Acrylsäure in 2-Äthoxyäthanol wie in Beispiel 1, 2,68g chininbisulfat, 7,3g Methanol und 10g 2-Rthoxyäthanol, Beispiel~3: 3:Beispiel 2 wurde wiederholt, dabei die zusätzlichen lOg an 2-Athoxyäthanol weggelassen und 0,5g Chloroform zu den Bestandteilen vor der Reaktion zugefügt.
  • Beispiel 4; ein Copolymer aus 2-Athylhexylacrylat/Acrylsäure jeweils 50 Gewichtsprozent, wurde hergestellt, 42,5g des Copolymers wurden als 25 Gewichtsprozentige Lösung in 2-Äthoxyäthanol gelöst, 3,75g Chininbisulfat und 8,5g Methanol zugefügt. Wie im Beispiel 1 wurde eine alkoholische Lösung eines Weichmachers, Jod, und Jodwasserstoff mit den obigen Bestandteilen unter Ausbildung einer feuchten Paste zur Reaktion gebracht. Die getrocknete Paste wurde dann unter Erwärmung in Decylalkohol suspendiert. Das Produkt wurde in ein Lichtventil eingebracht und ergab eine zufriedenstellende Wirkung.
  • Beispiel 5: Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei ein Copolymer aus 2-Äthylhexylacrylat/Acrylsäure mit den Gewichtsprozenten 85% zu 15% anstelle des 75% zu 25% Copolymer eingesetzt wurde. Die getrocknete Paste war im Gegensatz zu der nach Beispiel in 1 in aromtischem Kohlenwasserstoff wie z*B, Toluol dispergierbar und ergab ebenfalls in einem Lichtventil einen guten Durchgang.TOlUOl besitzt den Vorteil eines hohen elektrischen Widerstandes, einer niedrigen Viskosität und deshalb spricht es in einem Lichtventil rasch an, Beispiel 6; das Beispiel 1 wurde mit -Propanol anstelle von 2-thoxyäthanol zur Steigerung der Copolymerlöslichkeit wiederholt1 wobei ein Copolymer aus 2-Äthylhexylacrylat/Acrylsäure mit den Gewichtsverhältnissen 93,5% zu 6,5% anstelle des in Beispiel 1 angewendeten Copolymers eingesetzt wurde, Die resultierende getrocknete Paste aus Herapathit war in einem aliphatischen Kohlenwasserstoff wie Hexan dispergierbar.
  • Aliphatische Kohlenwasserstoffe besitzen niedrige Viskositäten und sind im allgemeinen weniger leitend bei niedrigen Viskositäten als Ester, Die aliphatischen Kohlenwasserstoffe eignen sich deshalb gut als Suspensionsmedium für bestimmte Lichtventile, Beispiel 7: Ungefähr 0,2g Purpurcobaldchloridsulfatperiodid, ein anorganisches Polyiodid, wurde in eine 33-310ösung von 1g Copolymer aus 2-Athylhexylacrylat/Acrylsäure, Gewichtsverhältnisse 75% zu 25%, in 2-Athoxyäthanol eingearbeitet.
  • Nach dem Trocknen wurden die Teilchen in Isopent ylacetat suspendiert, die resultierende Suspension in einem Lichtventil sah grau aus. Beim impulsförmigen Anlegen einer Spannung zwischen 1,17 x 106 bis 3,51 x 106V/m wurde festgestellt, daß entsprechend der angelegten Spannung die Suspension impulsförmig ohne merkliche Agfomaration das Lichtventil öffnet und schließt. Bei einer kontinuierlichen Spannung von 1,17 x 106V/m und höher beobachtete man eine Ausrichtung in der Suspension für mehrere Sekunden ohne merkliche Agglomaration.
  • Beispiel 8: ca. 0,4g Kupfer-2-bromid wurde in eine 331/3% Lösung von 1g eines Copolymers aus 75 Gewichtsprozent 2-Äthylhexylacrylat und 25 Gewichtsprozent Acrylsäure in 2-Äthoxyäthanol durch Reiben eingearbeitet. Nach dem Verdampfen des 2-Xthoxyäthanols wurde die resultierende Suspension in Isopentylacetat in ein Lichtventil eingebracht, sie besaß eine grüngelbe Färbung. Bei einer Spannung von 1,17 x 106V/m oder größer wurde mehrfach ohne merkliche Agglomaration ein Auf- und Zumachen des Ventils beobachtet. Nach Betrachtungen im Mikroskop schien die Teilchengröße zwischen 1 bis 15p liegen. Eine niedrigere Spannung erzeugte ebenfalls einen guten Lichtdurchlaß.
  • Beispiel 9 um zu zeigen, daß andere polare Stoffe anstelle einer Säure in einem Copolymer eingesetzt werden können,wurde ein Copolymer aus 75 Gewichtsprozent 2-Äthylhexyacrylat und 25 Gewichtsprozent Hydroxyäthylmethacrylat getestet. Das Hydroxyäthylmethacrylatmonomer enthält eine funktionelle OH-Gruppe in jedem Molekül. Es wird auch als Äthylenlycolmethacrylat bezeichnet. Nach dem Verfahren von Beispiel 1 erhielt man eine brauchbare gut stabilisierte Suspension. Die 75 zu 25 Zusammensetzung des Copolymers verhindert jedoch seine vollständige Lösung in Isopentzylacetat allein und so war es erforderlich, eine Mischung aus Isopentoylacetat und Chloroform im Verhältnis 2:1 als Suspensionsstoff für den Test zu verwenden. Man beobachtete in der Testzelle, daß der elektrische Widerstand der resultierenden Suspension (angenähert 1,5 x 108 /cm) um eine Größenordnung höher lag, als in den Fällen, in denen die Säuregruppen in dem Copolymer vorhanden waren.
  • Viele der genannten Tests wurden mehr als einmal durchgeführt, wobei Copolymere unterschiedlicher Viscositäten, d.h. unterschiedlicher Molekulargewichte eingesetzt wurden. Ganz allgemein ist am günstigsten, das Polymer mit dem kleinsten Molekulargewicht zu verwenden, da Polymere mit höherem Molekulargewicht die Viskosität der Suspension ansteigen lassen und die Ansprechzeiten der Lichtventilsuspensionen verringern.
  • Kennt man die Molekulargewichte der Copolymere, so können diese ausgewählt werden, so daß die Kettenlänge mindestens bei 600 Ä und vorzugsweise zwischen 2000 und 4200 A liegt oder größer.
  • Um Verschmutzung der Suspension zu vermeiden, sollte das Copolymer so rein als möglich sein. Dies ist auch zweckmäßig insofern, als dadurch eine unnötige Leitfähigkeit in der Suspension verhindert wird.
  • In den beschriebenen Copolymersystemen wird die Löslichkeit des Copolymers in erster Linie durch den Anteil bestimmt, der keine hohe Polarität aufweist.
  • In einer Reihe der beschriebenen Beispiele führten Copolymere aus 2-Athylhexylacrylat und Acrylsäure zu einem guten Schutz der Kristalle aus Herathit und anderen Stoffen, die zusammen mit den Copolymeren gebildet oder mit ihnen verbunden werden.
  • Aus den Ergebnissen dieser Tests konnte der Schluß gezogen werden, daß sehr wahrscheinlich die polare OH-oder Säurefunktion verantwortlich ist für den Schutz und daß die nichtpolaren Gruppen in dem Copolymer für dessen Löslichkeit in nichtpolaren Lösungsmitteln oder Lösungsmitteln von mittlerer Polarität verantwortlich sind in Abhängigkeit von der chemischen Natur und der Anzahl der einzelnen Moleküle in den Copolymeren.
  • Um jedoch sicherzugehen, daß das 2-Äthylhexylacrylat allein etwa doch nicht für die Schutzwirkung verantwortlich ist, wurde ein Homopolymer (nicht ein Copolymer) aus 2-Äthylhexylacrylat hergestellt, daß das Copolymer in Beispiel 1 ersetzte und eine Paste aus Herapatit entsprechend dem dort angegebenen Verfahren erzeugt. Wie erwartet verhindert Poly-(2-Äthylhexylacrylat) die Zusammenballung von Teilchen nicht, und zwar weder bei der Reaktion, während des Trocknens noch in der Lichtventilsuspension der getrockneten Herapaditpaste. Dadurch wurde der Schluß bestätigt, daß die OH-oder Carboxylfunktion für die oben genannten günstigen Ergebnisse verantwortlich ist.
  • Im Falle einer kolloidalen Suspension, ob sie nun gelagert wird für einen späteren Gebrauch oder in einem nichtaktivierten Lichtventil eingebracht ist, kann ein darin verwendetes Copolymer als adquater physikalischer Schutz für die suspendierten Kristalle angesehen werden, wenn keine merkliche Zusammenballung über einen längeren Zeitraum stattfindet, mindestens für Tage und vorzugsweise sogar für Jahre. Als Schnelltest für die Wirksamkeit eines Polymers wird eine kolloidale Supension mit dem Polymer in ein Lichtventil eingebracht, wobei dieses ein niederviskoses Suspensionsmedium (ca. 5ö--oder weniger) verwendet. Das Lichtventil wird mit einem 1OkHz Wechselstrom aktiviert, der in Form eines elektrischen Feldes mit kontinuierlicher Sinusform und einem Spannungsgradienten anliegt, der stark genug ist, die suspendierten Kristalle auszurichten. Ein dabei verwendetes Copolymer kann als brauchbarer physikalischer Schutz der suspendierten Kristalle angesehen werden, wenn diese für mindestens 2sec und vorzugsweise für mindestens 20sec. nicht merklichagglomerieren.
  • Wird das Feld in Impulsform unter Verwendung von kurzen Impulsen von z.B. 20 msec mit verhältnismäßig langen Perioden angelegt, ohne angelegtes Feld zwischen den einzelnen Impulsen, aber mit ausreichenden Spannungsgradienten um die supendierten Kristalle auszurichten, sollten Suspensionen mit physikalisch hinreichend geschützten Teilchen wiederholt ihre optische Dichte ändern (offen und geschlossen) auf solche Impulse hin für mindestens 5 Zyklen und vorzugsweise für tausende von Zyklen oder mehr ohne merkliche Zusammenballung.
  • Eine merkliche Teilchenzusammenballung kann man visuell bemerken als strichförmige oder klumpenförmige Bereiche in der Suspension, ebenso als wesentliche Veränderung bei der geschlossenen und/oder offenen optischen Dichte der Suspension.
  • Suspensionen mit einem Polymer, das keinaihinreichenden physikalischen Schutz der Teilchen gewährleistet,agglomerieren weitgehend und verlieren in machen Fällen nahezu gänzlich ihre Funktion in weniger als den niedrigen Zeitintervallen, die oben unter den genannten Testbedingungen angeführt sind. Bei einer nichtausreichend geschützten Suspension kann diese allgemein als !'aufmachbar" aber nicht schließbar" angesehen werden, wenn eine Spannung angelegt wird, die die Teilchen ohne Zusammenballung bei wirkungsvollem Copolymer zur Ausrichtung bringen. In diesem Falle ist das "öffnen", d.h. die Verringerung der optischen Dichte und der Anstieg des Lichtdurchlasses zum großen Teil durch die sofortige Zusammenballung der Kristalle bedingt, diese werden. ls locker aneinandersteckend angesehen und können sich deshalb nicht desorientieren, wie es bei diskreten orientierten Teilchen durch die Braunsche Molekularbewegung möglich ist. Einige schlecht geschützte Suspensionen sind schon vor dem Einbringen in das Lichtventil so aggbmeriert, daß sie nicht durchlässig gemacht werden können.
  • Man kann annehmen, daß ein Copolymer, das wirkungsvoll ein Zusammenballen von Teilchen in einer Suspension verhindert oder zumindestens reduziert, dies tut, weil ein Teil deselben sich nach außen in der Lösung in dem Suspensionsstoff möglicherweise um die Teilchen herumringelt und dabei eine Annäherung derselben zueinander verhindert oder wenigstens erschwert.
  • Zwei Dinge werden als notwendig erachtet, damit ein Stoff suspendierte Teilchen physikalisch vor der Zusammenballung schützt, nämlich 1., daß der Stoff zumindestens teilweise an die Teilchen gebunden oder mit ihnen assoziiert ist und daß 2. der Stoff eine Annäherung und Zusammenballung von zwei Teilchen verhindert, in dem er eine hinreichend starke Barriere um die Teilchen und/oder von ihnen in die Lösung ragende Teile bildet. Jeder derartige Stoff, der in Lösung im Vergleich zum Durchmesser der Teilchen eine beträchtliche Durchschnittslänge besitzt, kann diesen Anforderungen entsprechen, es hat sich jedoch gezeigt, daß Polymeresehr wirkungsvoll sind und die verzweigten Copolymere nach der vorliegenden Erfindung sind besonders wirkungsvoll und zweckdienlich.
  • Damit ein Polymer in einem Lichtventil als Stabilisator oder für andere Zwecke eingesetzt werden kann, ist es unbedingt erforderlich, daß es die Wände des Lichtventils und die durchscheinenden elektrisch leitenden Beschichtungen, d.h. die Elektroden, die vollständig oder teilweise die Flächen der Wände überziehen, nicht abdeckt. überzieht nämlich das Polymer die Wände oder Elektroden, so bekommen diese ein verschwommenes Erscheinungsbild und schränken damit die optimale Lichtübertragung ein. Um dies zu verhindern, hat es sich gezeigt, daß man die Monomere in dem Copolymer so auswählen muß, daß sämtliche Ketten und Verzweigungen gestreckt und senkrecht zu dem Ausgangspunkt liegen müssen, so daß dann die OH- und Carboxytruppen wesentlich enger an demGrundkörper zu liegen kommen als die nichtbindenden Gruppen bei mindestens einem MonOmer, das keine funktionellen Gruppen enthält. Wird somit 2-0thylhexyicrylat zu einem Terpolymer mit Fumarsäure und 2-Hydroxypropylacrylat polymerisiert, so ist aus den bekannten Strukturen dieser MonOmere klar, daß die Endgruppen des erstgenannten Monomeres, das keine bindenden Gruppen besitzt, weiter aus der Kette herausragen wird als sowohl die Carboxylgruppen des Fumarsäure-Monumers wie die OH-Gruppen des 2-Hydroxypropylacrylat Monomers. Das gleiche Prinzip ist bei Polymeren anzuwenden, die in diese Erfindung hereinfallen mehr als irgendwelche Copolymere wie z.B. Pfropfpolymere, die bindungsbildende Gruppen besitzen, selbst wenn ein solcher Teil selbst ein Polymer ist. Folgt man der oben genannten Lehre nicht, so kann dies zu unerwünschten Ergebnissen führen dahingehend, daß die Wände und Elektroden beschichtet werden.
  • Zusätzlich zu der Tatsache, daß die Polymere nach der vorliegenden Erfindung Zusammenballungen verhindern und die Verwendung von Suspensionen bei verhältnismäßig hohen Temperaturen gestatten, sind sie auch noch besonders wertvoll dahingehend, daß sie es ermöglichen, mit niedrigen Aktivierungsspannungen und schwachen elektrischen Feldern bei dem Betrieb der Lichtventilsuspensionen zu arbeiten.
  • Bei Lichtventilen nach dem Stand der Technik wurde die Verwendung von Spannungsfrequenzen von 1kz und höher vorgeschlagen.
  • Niedrigere Frequenzen hätten zu einem äußerst raschen Einsetzen der Zusammenballung geführt. Dies führte zu Schwierigkeiten, da Energiequellen mit niedriger Frequenz wie z.B.
  • 50 und 60Ifz leicht zugänglich sind und die Anwendung derartiger Frequenzen teure hochfrequente Leistungsquellen überflüssig machen und drastisch die hohe erforderliche Energie ebenso verringern wie die damit verbundenen Kosten.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Anwendung von niedrigen Frequenzen bei nur geringer oder überhaupt keiner Zusammenballung, Ein wesentlicher bestimmender Faktor für die Zusammenballung einer Suspension, der auch ihre Geschwindigkeit bestimmt, ist der angelegte Spannungsgradient. Dieser ist hierin definiert als Spannung an der Suspension geteilt durch die Stärke der Suspension, d.h. in einer ohmschen Zelle die Spannung an den zwei Elektroden der Zelle geteilt durch den Abstand der Elektroden. In einer ohmschen Zelle befinden sich die Elektroden in direktem Kontakt mit der Suspension. Wif z.B. eine Spannung von 600V an eine solche Zelle angelegt, in der die Stärke der Suspension bei 2,54 x 10-3cm liegt, so ist der Spannungsgradient 1,17 x 106 V/m. Wird eine Wechselspannung angelegt, so muß festgestellt werden, ob sie ein Spitzenwert oder ein quadratischer Mittelwert einer Sinusförmigen Wechselspannung ist. Eine kapazitive Zelle ist eine, in der die Elektroden sich nicht im Kontakt mit der Suspension befinden, d.h. eine Zelle, in der eine isolierende oder kapazitive Schicht zwischen den Elektroden und der Suspension liegt.
  • Hohe Spannungsgradienten verursachen bekanntlich Zusammenballungen und beschleunigen diese, während niedrige Spannungsgradienten diese'verhindern+Bislang war es jedoch nicht sinnvoll1 niedrige Spannungsgradienten anzuwenden, da sie die Lichtventile nicht ausreichend für eine praktische Anwendung öffneten. Die vorliegende Erfindung ermöglicht dagegen geringe Spannungsgradienten, da sie die Lichtventile bis zu brauchbaren Durchgangswerten ohne oder nur mit geringer Zusammenballung öffnen bzw, durchlässig machen. Weitere Vorteile von geringen Spannungsgradienten sind: geringere erforderliche elektrische Leistung zum Betrieb des Lichtventils, mit dadurch bedingter Einsparung an Energie und Kosten, Niedrigspannungsverdrahtung, was wiederum eine schwächere Isolierung der Leitungen und Anschlüsse erfordert, schwächere Stromquelle, Verwendung von kompakten Festkörperbauelementen, gerabsetzung des die Suspension passierenden elektrischen Stromes mit dadurch bedingter Verringerung der Wärmeerzeugung, Der zuletzt erwähnte Vorteil erwächst aus der Beobachtung, daß in der Zelle erzeugte Hitze den Abbau und die Zersetzung der Suspension fördert und die Dichtungen zerstören kann, durch die die Suspension in der Lichtzelle gehalten wird, Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie die Verwendung von Lichtventilen bei der Herstellung von Sonnenbrillen und variablen optischen Gläsern ermöglicht.
  • Vor dieser Erfindung war die Anwendung von Lichtventilen nicht praktikabel, da sie hohe Spannungen von hunderten von Volt erfordert, die nahe an den Augen und dem Kopf der Träger ein Sicherheitsrisiko darstellten. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Sonnenbrillen, normale Brillen und Schutzbrillen risikolos zu tragen, da die Spannungen sehr nidn g sind, z.B< in der Höhe von 4V, Vor dieser Erfindung wurde zwar ein Polymer zum Schutz der suspendierten ~:Teilchen in dem Lichtventil verwendet aber es hatte nur einen verhältnismäßig geringen Effekt bei der Verhinderung einer Zusammenballung und es waren verhältnismäßig hohe Spannungsgradienten erforderlich, um das Lichtventil durchlässig zu machen. Nitrocellulose ist repräsentativ für den Stand der Technik, Die folgenden weiteren Beispiele zeigen die Vorteile der Polymere nach der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit niedrigen Spannungen in Lìchtventilens Bei spiel 10 Stufe 1; das Polymer wird in einem Alkohol wie n-Propanol oder Äthanol oder einem Atheralkohol wie 2-Äthoxyäthanol gelöst;Die Lösung wird in einen Schnellaufmixer geschüttet und 16,6g Tricresylphosphat zugefügt.
  • Das Ganze wird gründlich durchgemischt.(ggf. kann auf Tricresylphosphat verzichtet werden). Stufe 2: 7,3g Methylalkohol und 3,7g Chininbisulfat werden solange gerührt bis letzteregelöst ist. Die Lösung wird der Mischung aus Stufe 1 zugefügt und gründlich durchgemischt. Stufe 3: eine Lösung aus 20% Jod in n-Propanol wurde zunächst 20 Tage altern gelassen und dann 8g dieser Lösung und 4g n-Propanol, in denen o,27g Calciumiodid gelöst sind, wurden vereinigt und gut gemischt. Die Mischung aus Stufe 3 wird in die Mischung aus Stufe 2 geschüttet und in dem Mischer gründlich vermischt. Der Mischer bleibt 35sec bei hoher Geschwindigkeit und wird dann abgestoppt. Stufe 5: die resultierende Mischung wird auf einer Glasplatte ausgegossen und ca. 90 Minuten bei 50% Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur von 21"C getrocknet.
  • Stufe 6: die resultierende Paste wurde mit einer scharfen Klinge von der Glasplatte abgeschabt und in einem elektrischen Mörser 30 Minuten lang behandelt. 90g Isopentylacetat wurde zugefügt und das Ganze in einen Kolben gegeben, der 33ml Chlorophorn enthält. Der Kolben wurde eine Stunde lang auf einer Schüttelmaschine geschüttelt. Stufe 7: die resultierende Mischung aus Stufe 6 wird mit Isopent ylalkohol verdünnt, bis die beim Einbringen in eineLichtventilzile mit einem Abstand von 83 x 103 cm eine optische Dichte von 3 aufweist. Stufe 8: die Suspension aus Stufe 7 wird mit einer Geschwindigkeit von 2500 Umdrehungen/min und einem Radius von 8,9cm 4 bis 7 Stunden zentrifugiert. Stufe 9: der Überstand aus Stufe 8 wird verworfen, Isopropylalkohol dem Rückstand zugefügt und der verdünnte Rückstand in einem Ultraschallgenerator einer Frequenz von 47khz 1 bis 2 Stunden behandelt. Stufe 10: der Ansatz wird erneut 2 bis 3 Stunden zentrifugiert. Stufe 11: die Stufe 9 wird wiederholt. Stufe 12: es wird erneut 20 bis 30min zentrifugiert und der Überstand verworfen. Stufe 13: der Rückstand wird mit Isopropylalkohol verdünnt und ergibt eine Suspension der gewünschten optischen Dichte. Beispiel 11: gemäß Stufe 13 im Beispiel 10 wurde eine Suspension hergestellt unter Verwerdung von Nitrocellulose als Homopolymer anstelle der Copolymere nach dieser Erfindung. In Stufe 1 wurden 6,6g von Ha 17 Nitrocellulose und 7,5g von Nitrocellulose mit einer Viskosität 21,6 cP in 2-Athoxyäthanol gelöst.
  • Die Suspension nach dem Bespiel 10 ergibt keine Zusammenballung oder ballt sich nur gering zusammen im Vergleich zu Suspensionen nach dem Stand der Technik, wenn diese in Lichtventilen verwendet werden. Die Durchlässigkeit ist bei der Suspension nach Beispiel 10 wesentlich besser bei den gleichen Spannungsgradienten gegenüber Suspensionen nach dem Stand der Technik.
  • Suspension mit dem neuen Polymer nach dem obigen Beispiel wurden getestet und mit einer Suspension verglichen,die Nitrocellulose enthält, Der Testverlauf war wie folgt: eine ohmische Lichtventilzelle mit einem Abstand von 84 x 10 3cm wurde nacheinander mit einer Suspension gefüllt'die Nitrocellulose enthielt oder die obengenannte Suspension war.
  • Jedesmal wurde die Zelle nacheinander mit wechseldepannungen mit Frequenzen von 40, 60, 100 und 1000Hz aktiviert, Bei jeder der Frequenzen wurden Spannungen von 0, 100, 200, 300, 400, 500 und 600V {sLDit7Je-Spitzekngelegt. Bei jeder möglichen Kombination der genannten Frequenzen und Spannungen wurde die optische Durchlässigkeit der Zelle im sichtbaren Bereich mit einem RCA-Photoverstärker Nr. 931-A der RCA Corporation bestimmt.
  • Die Ergi2isse sind nachstehend aufgeführt. Die Spaltenköpfe NC" in den Tabellen bedeuten die Durchlässigkeit der Suspension, hergestellt mit Nitrocellulose. Die Spaltenköpfe neues Polymer" bedeutet die Durchlässigkeit der Suspensionen mit Polymer nach der vorliegenden Erfindung. Das Verhältnis der Durchlässigkeit ist in jedem Fall der Quotient aus der Durchlässigkeit der Suspension, hergestellt mit einem neuen Polymer,geteilt durch die Durchlässigkeit der Suspension, hergestellt mit Nitrocellulose.
  • Unter Verwendung eines Copolymer aus Beispiel 11 Frequenz: 40Kz angelegte Spannung Spannungsgradient Durchlässigkeit in % Verhältnis der Spitze-Spitze Volt/meter NC Neues Polymer Durchlässigkeiten 0 0 .977 1.18 1.20 100 11,9 . 104 1.02 2.34 2.30 200 23,8 . 10@ 1.26 6.31 5.00 300 35,7 . 104 1.74 9.77 5.81 400 47,6 . 104 2.51 12.59 5.01 500 59,5 . .104 3.98 14.79 3.96 600 71,4 . 104 6.17 15.85 2.56 Frequenz: 60Hz angelegte Spannung Spannungsgradient Durchlässigkeit in % Verhältnis der Spitze-Spitze Volt/Meter NC Neues Polymer Durchlässigkeiten 0 0 .977 1.18 1.20 1.00 11w9 . 10# 1.02 2.24 2.19 200 23,8 . 104 1.35 6.31 4.67 300 35,7 . 104 2.00 10.00 5.00 400 47,6 . 104 2.95 13.18 4,46 500 59,5 . 104 4,47 15.85 3,54 600 71,4 - 104 6.46 17.78 2,75 Frequenz: 100Mz angelegte Spannung Spannungsgradient Durchlässigkeit in % Verhältnis der Spitze-Spitze Volt/Meter NC Neues Polymer Durchlässigkeiten 0 0 .977 1.18 1.20 100 11,9 - 10# 1.05 2.34 2.22 200 23x8 10 1*41 6.31 4.47 300 35,7 . 104 2.00 9.55 4.77 400 47,6 . 104 3.16 12.88 4.07 500 59,5.104 4.90 15.85 3.23 600 71,4. 104 7.08 18.62 2.62 Frequenz: 1000Hz angelegte Spannung Spannungsgradient Durchlässigkeit in % Verhältnis der Spitze-Spitze Volt/Meter NC Neues Polymer Durchlässigkeiten Q 0 .977 1.18 1.20 100 11,9 104 1.26 2.51 1.99 200 23,8 104 2.50 6.31 2.51 30Q 35,7 . 104 5.01 10.47 2.08 400 47,6 . 104 8.51 14.13 1.66 500 59,5 . 104 12.59 16.60 1.31 60Q 71,4 . 104 15.85 19.05 1.20 Die Prüfung der Daten ergab folgendes Bild. Die Verwendung von Polymeren nach der vorliegenden Erfindung führen zu einem 5-fachen Anstieg in der Durchlässigkeit des Lichtventils verglichen mit der Verwendung von Polymeren nach dem Stand der Technik. Dies zeigt das Copolymer nach Beispiel 11 bei 300V und 40Hz.
  • Bei allen Frequenzen der Aktivierungsspannung und allen Spannungen selbst ergeben die Polymere nach der vorliegenden Erfindung bessere öffnungswerte, d.h. eine bessere Durchlässigkeit als es das Polymer nach dem Stand der Technik, d.h. also die Nitrocellulose zeigt. In allen Fällen lassen sich mit Polymeren nach der Erfindung bei geringeren Aktivierungsspannungen das Lichtventil öffnen.
  • Die vorliegende Erfindung kann bei Lichtventilen eingesetzt werden, die in Displays, Fenster mit Doppelglasbauteilen, Spiegeln und ähnlichen Einrichtungen Verwendung finden.
  • Die Suspensionen können durch Weglassen eines Weichmachers bei ihrer Herstellung gehärtet werden. Die Verwendung von derartig gehärteten Suspensionen schließt ihren Einsatz als Dünner gehärteter Filme als blattförmiger Polarisator ein.
  • Die Polymere können mit einer Vielzahl von Teilchen angewendet werden, eingeschlossen Farbpartikeln, die chroitisches, pleochroitisches oder lichtpolarisierendes Farbmaterial und ähnliches.
  • Die Erfindung kann bei Lichtventilen eingesetzt werden, die in allen Bereichen des Lichtes, also -im Infrarot und/oder Ultravioletteil oder elektromagnetischen Spektrum ebenso wie im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums in Abhängigkeit von der Art des Lichtventils und der darin enthaltenen Suspension benutzt werden Der Ausdruck "Flüssigkeit" kann ein Gel oder eine thixotrope Flüssigkeit, eine plastische Flüssigkeit bedeuten, vorausgesetzt, daß die suspendierten Teilchen bei Anlegung eines elektrischen Feldes sich aufrichten können.
  • Die Polymere nach der vorliegenden Erfindung können jedoch nicht nur in einem Lichtventil zum Einsatz kommen, sie können auch in Suspensionen eingesetzt werden, wo ihre Eigenschaften sinnvoll ausnutzbar sind, wie z.B. in Klebern, in Beschichtungen für Spezialpapiere, in Farben und Tintenzusammensetzungen.

Claims (23)

  1. Patentansprüche 9 Suspension für Lichtventile, gekennzeichnet durch: ein Suspensionsmedium, eine Vielzahl von darin suspendierten Teilchen und ein Copolymer, das zumindest zwei unterschiedliche Monomere enthält, von denen mindestens eins eine freie funktionelle Gruppe enthält, mindestens eines in dem Suspensionsmedium löslich ist und letztlich mindestens eins der Monomere verzweigt ist.
  2. 2. Suspension nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sterisch ungehinderte funktionelle Gruppe eine OH- oder Carboxylgruppe ist.
  3. 3. Suspension nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verzweigte Monomer zwei Verzweigungen aufweist.
  4. 4. Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Polyhalogenide sind
  5. 5. Suspension nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Polyiodidteilchen und Polybromidteilchen von colliodaler Größe sind, die bei Anlegung eines elektrischen Feldes an die Suspension sich ausrichten.
  6. 6. Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer des Monomer einen Hydroxyacrylester enthält.
  7. 7. Suspension nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ester ein Hydroxyalkylacrylat ist.
  8. 8. Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das MonOmer eine mehrbasige Säure ist.
  9. 9. Suspension nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrbasige Säure Fumarsäure, MaRinsäure oder Mesaconsäure ist.
  10. 10. Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer einen Äther als Monomer enthält.
  11. 11. Suspension nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Monomer ein teilweise veresteAiolybas-sche Säure oder eine vollständig veresterte polybasische Säure ist.
  12. 12, Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer mindestens einen Monomer enthält, dem eine funktionelle Gruppe fehlt,
  13. 13. Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer ein halogeniertes MonOmer enthält,
  14. 14. Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer ein Block- oder Pfropfcopolymer ist.
  15. 15. Suspension nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von der Grundkette zu einer zugänglichen,am entferntesten liegenden funktionellen Gruppe in einem Monumer geringer ist als der Abstand von der Grundkette zu einer nichtfunktionellen Gruppe in einem anderen Monumer.
  16. 16, Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Suspensionsmedium nicht wässrig ist.
  17. 17. Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 5r dadurch gekennzeichnet, daß das Suspensionsmedium ein nichtpolarer Ather ist, 18.
  18. Suspension nachden Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Suspensionsmedium ein halogenhaltiges Lösungsmittel ist.
  19. 19, Suspension nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das halogenierte Lösungsmittel ein fluoriertes Allcan, ein fluorierter Ester. oder fluorierter Äther ist.
  20. 2Qt Suspension nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdurchlässigkeit für sichtbares Licht bei mindestens 1 % liegt und 10 mal so groß ist bei Anlegung einer Wechselspannung von 1000 Hz oder darunter mit Spitzenwerten von 47,3 x 104 V/Meter.
  21. 21. Suspension nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus einem Material wie Herapathit, Kupfer-Il-bromid und Purpurcobaldchloridsulfatperiodid bestehen.
  22. 22. Suspension nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer aus der nachstehenden Reihe von Copolymeren ausgewählt ist: 2-Äthylhexylacrylat/Acrylsäure; 2-Äthylacrylat/Hydroxyäthylmethacrylat; Äthylacrylat/Hydroxyäthylmethycrylat; 2-Athylhexylacrylat/Hydroxypropylacrylat/Acrylsäure; 2-Äthylhexylacrylat/2-Hydroxypropylacrylat/Fumarsäure; 2-Athylhexylacrylat/2-Hydroxypropylacrylat/Vinylidenfluorid/ Fumarsäure; 5, 5-Diäthylhexylacrylat/2-Hydroxypropylacrylat/ Fumarsäure; Bis-2-Athylhexylfumarat/2-Hydroxypropylacrylat/ Acrylnitril.
  23. 23. Verfahren zur Herstellung und Stabilisierung von Suspensionen ein ein Lichtventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Bereitstellung eines Erstmaterials, Bereitstellung von mindenstens einem weiteren Material, Herstellung eins Copolymers mit mindestens zwei unterschiedlichen Monomeren, von denen mindestens eines freie funktionelle Gruppen enthält, mindestens eines in dem Suspensionsmedium löslich ist und mindestens eines verzweigt ist, Vereinigung der beiden erstgenannten Materialien unter Ausbildung von Polyhalogenidteilchen in Gegenwart des Copolymers, wobei das Copolymer die Teilchen bei der Herstellung der Suspension im suspendierenden Medium stabilisiert.
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