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Suspensionen für Lichtventile und Verfahren zur Herstellung
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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-.
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sammenballen und große Gruppen von Agflomaraten bilden. Diese behindern
die reibungslose Funktion des Lichtventils und machen es unbrauchbar.
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Es ist somit erforderlich, ein Material zu entwickeln, daß wirkungsvoll
dieAgglomaration von suspendierten kolloidalen Teilchen in einem Lichtventil verhindert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mit den Polymeren nach der vorliegenden Erfindung lassen sich Suspensionen
stabilisieren, die kolloidale Teilchen und insbesonder halogenhaltige lichtpolarisierendeTeilchen
wie z.B.
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Herapathit, Purpurkobaldchlorid-Sulfatperiodid und Kupfer-II-bromid
enthalten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie schon erwähnt, liegt das Hauptproblem bei diesen und anderen Teilchen
in ihrer Neigung, sich gegenseitig anzuziehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ggf. können zwei oder mehrere Copolymere ähnlicher oder unterschiedlicher
Eigenschaft in einer Suspension gleichzeitig Verwendung finden.
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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.
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Bei Verwendung von fluorierten Lösungsmitteln als Suspensionsstoff,
kann es erforderlich sein, ein stärker polares aber relativ nichtleitendes Lösungsmittel
wie einen Ester, z.B.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Copolymere können bereits am Anfang bei der Bildung der Teilchen
eingesetzt werden, so daß diese nichtzusammenballen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In den beschriebenen Copolymersystemen wird die Löslichkeit des Copolymers
in erster Linie durch den Anteil bestimmt, der keine hohe Polarität aufweist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei Lichtventilen nach dem Stand der Technik wurde die Verwendung
von Spannungsfrequenzen von 1kz und höher vorgeschlagen.
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Niedrigere Frequenzen hätten zu einem äußerst raschen Einsetzen der
Zusammenballung geführt. Dies führte zu Schwierigkeiten, da Energiequellen mit niedriger
Frequenz wie z.B.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die vorliegende Erfindung kann bei Lichtventilen eingesetzt werden,
die in Displays, Fenster mit Doppelglasbauteilen, Spiegeln und ähnlichen Einrichtungen
Verwendung finden.
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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.
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Die Polymere können mit einer Vielzahl von Teilchen angewendet werden,
eingeschlossen Farbpartikeln, die chroitisches, pleochroitisches oder lichtpolarisierendes
Farbmaterial und ähnliches.
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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.
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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.