DE69008999T2 - Leichtpolarisierende Materialien und deren Suspensionen. - Google Patents
Leichtpolarisierende Materialien und deren Suspensionen.Info
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Description
- Diese Erfindung betrifft lichtpolarisierende Materialien, ausgehärtete Suspensionen und fluide Suspensionen derselben und Lichtventile, die solche fluiden Suspensionen enthalten.
- Lichtpolarisierende Materialien, wie etwa kolloide Suspensionen von Herapathit und Herapatith-ähnlichen lichtpolarisierenden Kristallen, sind beschrieben in den U.S.- Patenten 1,951,664 (Land) bzw. 2,178,996 (Land). U.S.-Patent 2,237,567 (Land) offenbart die Herstellung von lichtpolarisierendem Material in Folienform mit verschiedenen Verfahren, einschließlich Aufbringen einer Lösung von Jod und einem Jodid auf eine Polyvinylalkahol-Folie, die zuvor gereckt worden ist, um die Moleküle darin auszurichten. Zahlreiche andere Patente, die lichtpolarisierende Materialien, ausgehärtete Suspensionen derselben und laminierte Produkte, die davan abgeleitet sind, und Verwendungen derselben betreffen, sind Stand der Technik, einschließlich zum Beispiel die U.S.-Patente Nos. 2,041,138 (Land), 2,078,254 (Land), 2,168,220 (Land), 2,168,221 (Land), 2,185,018 (Sauer), 2,230,262 (Pollack), 2,246,087 (Bailey et al.), 2,256,108 (Blake), 2,263,249 (Rogers), 2,306,108 (Land et al.), 2,328,219 (Land) und 2,375,963 (Thomas). U.K.-Patent 433,455 offenbart die Verwendung van Teilchen aus Purpureokobaltchloridsulfatperiodid bei der Bildung van lichtpolarisierenden Körpern. Diese und die anderen Patente und der andere Stand der Technik, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, werden hierin nun durch Bezugnahme darauf miteinbezogen.
- Gegenwärtig schließen wichtige Anwendungen für laminierte ausgehärtete Suspensionen von lichtpolarisierenden Materialien, oft bezeichnet als "Schichtpolarisatoren", Linsen für polarisierte Sonnenbrillen, Komponenten der verdrehten nematischen und anderen Arten von Flüssigkristallanzeigen und Filter verschiedener Arten, einschließlich Kontrastverstärkungsfilter zur Verwendung im Zusammenhang mit lichtemittierenden Anzeigen ein. Es ist jedoch bekannt, daß die so eingesetzten Schichtpolarisatoren aufgründ hoher Niveaus von Hitze, ultravioletter Strahlung und/oder insbesondere Feuchtigkeit einem Abbau unterliegen.
- Fluide Suspensionen von nichtpolarisierenden und anderen Materialien sind in Lichtventilen verwendet worden, die eine Zelle umfassen, die eine fluide Suspension von winzigen Teilchen enthält, die durch ein elektrisches oder magnetisches Feld ausgerichtet werden können, um die Lichtdurchlässigkeit durch die Suspension zu verändern. Siehe z.B. die U.S.-Patent Nos. 3,708,219 (Forlini et al), 3,743,382 (Rosenberg), 4,078,856 (Thompson et al), 4,113,362 (Saxe et al), 4,164,365 (Saxe), 4,407,565 (Saxe) und 4,422,963 (Thompson et al).
- U.S.-Patent 4,131,334 (Witte et al) beschreibt ein Verfahren zur Bildung lichtpolarisierender Teilchen durch Hydrierung einer stickstoffhaltigen organischen Verbindung, die dann mit einer geeigneten Säure zur Reaktion gebracht wird, um ein Salz zu bilden. Das Salz kann dann üblicherweise mit Jod und einem anorganischen Jodid zur Reaktion gebracht werden, um stabile Polyjodid-Teilchen herzustellen.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, lichtpolarisierende Materialien zur Verfügung zu stellen, die hohe Stabilität in Bezug auf ultraviolette Strahlung, erhöhte Temperaturen und/oder hohe Feuchtigkeitsgehalte besitzen.
- Polyhalogenide, einschließlich Polyjodide, sind seit recht langer Zeit bekannt gewesen. Ein Polyjodid ist ein Komplex aus Jod-Atomen und einer anorganischen oder organischen Matrix. Godina et al. diskutieren Polyjodide und andere Polyhalogenide im Detail in J. Gen. Chem. USSR, 20, (1950), Seiten 1005-1016. Unter den bekannten Polyjodiden ist das lichtpolarisierende kristalline Material, Herapathit, das durch Reaktion von Chininbisulfat, Jod und HI gebildet wird. Salze von anderen Mitgliedern der Chininalkaloidfamilie bilden ebenfalls lichtpolarisierende Polyjodide durch Reaktion mit Jod und HI, wie etwa Cinchonidinbisulfat. In diesen Materialien verbindet sich das elementare Jod mit dem Alkaloid-Säuresalz in der Form des Polyjodid-Anions, das mehrfach beschrieben worden ist als I&sub3;&supmin; von Godina et al. und als I&sub5;&supmin; von Teitelbaum et al., JACS, 100 (1978), Seiten 3215-3217. Godina et al. zeigen, daß das Polyjodid-Anion durch die Reaktion zwischen Jod und HI gebildet wird, z.B.
- (1) I&sub2; + HI = H&spplus; + I&sub3;&supmin;
- In ähnlicher Weise würde das I&sub5;&supmin;-Polyjodid-Anion durch die Reaktion gebildet werden
- (2) 2I&sub2; + HI = H&spplus; + I&sub5;&supmin;
- Godina et al. erläutern, daß lichtpolarisierende Polyjodide das Polyjodid-Anion und das Säuresalz von Chinin und dergleichen als das Kation umtassen. Die Jodide können jedoch auch gebildet werden, ohne daß irgendein ersichtliches Kation vorhanden wäre, wie etwa der Stärke-Jod-Komplex und der gereckte oder orientierte Polyvinylalkohol-Jodkomplex. Teitelbaum et al. berichten, daß der Stärke-Jod-Komplex adsorbiertes Jod in der Form von Jod-Ketten innerhalb der Amylasekomponente von Stärke enthält, wobei die Ketten aus I&sub5;- Polyjodid-Anionen als der überwiegenden Spezies bestehen. Godina et al. stellen die Theorie auf, daß Herapathit, Stärke- Jod und orientierter PVA-Jod-Komplex "adsorbierende Polyjodide" sind, in denen molekulares Jod in Schichten auf den Polyjodid-Ketten adsorbiert ist.
- Das lichtpolarisierende Material der vorliegenden Erfindung ist ein Komplex, der erhalten ist durch Reaktion von (i) elementaren Jod, (ii) einer Halogenwasserstoffsäure und/oder einem Ammonium- oder Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhalogenid und (iii) einer Verbindung der Formel I oder II unten. Dieser Komplex enthält adsorbiertes molekulares Jod. Wir glauben, daß der Komplex auch das Polyjodid-Anion, IX&supmin;, enthält, in dem x 3 oder 5 ist, da Godina et al. und Teitelbaum et al. beide berichten, daß das Polyjodid-Anion durch Reaktion zwischen (i) elementaren Jod und (ii) einem Jodid gebildet wird. Außerdem berichten Godina et al., daß Kristalle, die adsorbiertes molekulares Jod und das Polyjodid- Anion enthalten, lichtpolarisierend sind.
- In den Beispielen, die folgen, werden lichtpolarisierende Materialien durch Reaktion einer Verbindung I oder II mit Jod und einem Iodid, Bromid oder Chlorid hergestellt. In solchen Fällen wären die entsprechenden Anionen
- unter Verwendung der Struktur, die von Marks et al. aufgeklärt ist, als einem Modell.
- Godina et al. berichten, daß lichtpolarisierende Komplexe, die adsorbiertes molekulares Jod enthalten, nicht stöchiometrisch durch eine Strukturformel definiert werden können. Daher wird das lichtpolarisierende Material der vorliegenden Erfindung im product-by-process-Format definiert.
- Verbindungen I oder II, die bei der Bildung der lichtpolarisierenden Materialien der Erfindung brauchbar sind, haben die Formel:
- in welcher R¹, R², R³ und R&sup4; unabhängig voneinander Wasserstoff oder Niedrigalkyl bedeuten, mit der Maßgabe, daß mindestens einer der Reste R¹ und R² für Niedrigalkyl steht.
- Wenn R¹, R², R³ und R&sup4; Niedrigalkyl sind, kann das Niedrigalkyl gerad- oder verzweigtkettiges Alkyl sein, wie etwa Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, tert.-Butyl und dergleichen. Üblicherweise wird das Niedrigalkyl von 1 bis etwa 6 Kohlenstoffatome aufweisen. Im allgemeinen steigt die Löslichkeit von Verbindung I oder II in organischen Lösungsmitteln und sinkt die Löslichkeit in Wasser, wenn die Anzahl von Kohlenstoffatomen in den Niedrigalkyl-Substituenten steigt. Daher kann das gewünschte Gleichgewicht von Löslichkeit in organischem Lösungmittel/Wasser durch geeignete Auswahl der Niedrigalkylgruppen erreicht werden.
- Die Verbindungen I und II sind der se bekannt oder können Isomere, Homologe oder Analoga bekannter Verbindungen sein und
- können analog zu solchen bekannten Verbindungen hergestellt werden.
- Brauchbare Verbindungen der Formeln I und II schließen ein:
- 1 - 3,6-Dimethyl-2,5-piperazindion.
- 2 - 2,5-Dicarboxy-pyrazin.
- 3 - 3,6-Dimethyl-pyrazin-2,5-dicarbonsäure.
- Die lichtpolarisierenden Materialien dieser Erfindung werden durch Reaktion einer Verbindung von Formel I oder II mit elementarem Jod und einer Halogenwasserstoffsäure und/oder einem Ammonium-, Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhalogenid in einem geeigneten Lösungsmittel, wie etwa Alkohol oder Etheralkohol, gebildet. Siehe U.S.-Patente Nos. 1,951,661, 2,176,516 und 2,289,712. Das Halogenid ist üblicherweise ein Jodid, kann aber auch ein Bromid oder Chlorid sein. Vorzugsweise findet die Reaktion, um das Polyhalogenid zu bilden, in der Gegenwart eines Schutzkolloids statt, wie etwa Nitrocellulose oder ein Copolymer, wie offenbart in U.S.- Patent No. 4,164,365, erteilt am 14. August 1979. Es ist gegenwärtig bevorzugt, Verbindung I oder II in einer ersten Lösung und eine Mischung von Jod und Axnmonium- oder Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhalogenid in einer zweiten Lösung bereitzustellen, aber das Halogenid kann, falls erwünscht, in einer oder beiden der Lösungen vorliegen. Die Lösungen werden dann miteinander vermischt und die Polyhalogenide werden sogar bei Raumtemperatur leicht gebildet. Lichtpolarisierende Polyhalogenid-Kristalle werden dann durch irgendeine geeignete Technik, wie etwa durch Filtrieren und dergleichen, gewonnen.
- Zur Verwendung in einem Lichtventil werden die Polyhalogenidteilchen in einem flüssigen Suspensionsmedium suspendiert. Wie bekannt ist, kann das flüssige Suspensionsmedium praktisch jede Flüssigkeit mit elektrischem Widerstand sein, solange es die Teilchen suspendiert und den polymeren Stabilisator löst. Vorzugsweise besitzt das flüssige Suspensionsmedium eine relativ hohe elektrische Widerstandsfähigkeit und einen niedrigen Dampfdruck und zersetzt die Teilchen oder andere Komponenten der Suspension nicht oder greift diese nicht an. Siehe z.B. U.S.-Patente 4,270,841 und 4,407,565 (Saxe).
- Zur Verwendung in ausgehärteten Suspensionen werden die Polyhalogenid-Teilchen in einer Schicht dispergiert oder verteilt, die aus einem geeigneten filmbildenden Material hergestellt ist, wie etwa Celluloseacetat oder Polyvinylalkohol oder dergleichen. Siehe z.B. U.S.-Patent 2,178,996 und 2,041,138.
- Ungefähr 0,65 g Verbindung 1 wird in 5 g Wasser gelöst und erhitzt, bis sie gut gelöst ist. Zu dieser Lösung werden ungefähr 10 g 2-Ethoxyethanol hinzugegeben und diese Lösung wird mit 10 g einer Lösung von n-Propanol vermischt, in der 1,3 g Jod und 0,48 g einer 57%igen HI-Lösung in Wasser gelöst sind. Blaugefärbte lichtpolarisierende Kristalle werden gebildet. Dieselbe Vorgehensweise wird befolgt und ähnliche Ergebnisse werden erhalten unter Verwendung der Verbindungen 2 und 3 anstelle von Verbindung 1.
- Ungefähr 0,65 g Verbindung 1 wird in 5 g Wasser gelöst und erhitzt, bis sie gut gelöst ist. Zu dieser Lösung werden ungefähr 10 g 2-Ethoxyetanol hinzugegeben und diese Lösung wird mit einer Lösung von 10 g n-Propanol vermischt, in der 0,22 g Calciumjodid und 1,3 g Jod gelöst sind. Blaugefärbte lichtpolarisierende Kristalle werden gebildet. Dieselbe Vorgehensweise wird befolgt und ähnliche Ergebnisse werden erhalten unter Verwendung der Verbindungen 2 und 3 anstelle von Verbindung 1.
- Beispiele 4-6 werden wiederholt, aber mit einer wirksamen Menge an CaBr&sub2;, das CaI&sub2; ersetzt. Lichtpolarisierende Kristalle mit einer etwas unterschiedlichen bläulichen Farbe werden gebildet.
- Beispiele 4-6 werden wiederholt, aber mit einer wirksamen Menge an CaCl&sub2;, das CaI&sub2; ersetzt. Lichtpolarisierende Kristalle mit einer etwas unterschiedlichen bläulichen Farbe werden gebildet.
- Von einigen der Verbindungen I und II, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist bekannt, daß sie Metallsalze bilden und/oder metallchelatierende Verbindungen sind. Demgemäß ist eine mögliche Erklärung für die Bildung der lichtpolarisierenden Materialien dieser Erfindung, daß wenn die Verbindungen I oder II mit Jod und einem Halogenid zur Reaktion gebracht werden, das Halogenid und Jod in die Reaktion in einer ionischen Form eintreten. Wenn z.B. das Halogenid Calciumjodid, CaI&sub2;, ist, kann Jod in die Reaktion als Ca&spplus;²(Ix)&sub2;&supmin; eintreten, wobei das positiv geladene Calcium-Ion durch die Verbindungen I und II chelatisiert wird und das (Ix)&supmin;-Anion an das positive Calciumion gebunden wird, wodurch ein Polyjodid-Kristall gebildet wird. Obgleich diese Erklärung vernünftig erscheint, ist es nicht beabsichtigt, daß diese Anmeldung an diese Theorie gebunden sein soll.
- Flüssige Suspensionen der Polyhalogenid-Teilchen dieser Erfindung können leicht hergestellt werden, indem ein Verfahren eingesetzt wird, das etwa ähnlich ist zu demjenigen zur Herstellung flüssiger Suspensionen von Dihydrocinchonidinsulfat-Polyjodid, das in Beispiel 2 von U.S.-Patent No. 4,131,334 und in Beispiel 1 von U.S.-Patent No. 4,407,565 beschrieben ist, wobei aber die Verbindungen I und II der vorliegenden Erfindung Dihydrocinchonidinsulfat ersetzen und die Mengen der Reaktanten eingestellt werden, wie z.B. in den vorstehenden Beispielen und in U.S.-Patentanmeldung Serial No. 309,693, nunmehr U.S.-Patent No. 4,877,313, erteilt am 31. Oktober 1989, angegeben. Die flüssigen Suspensionen der vorliegenden Erfindung werden bei Temperaturen von 85ºC oder mehr stabil sein und werden längerer Einwirkung von ultravioletter Strahlung widerstehen.
- Flüssige Suspensionen des oben beschriebenen Typs können in Lichtventilen verwendet werden, die ein elektrisches Wechselstromfeld verwenden, um die Teilchen in besagten Suspensionen zu orientieren, um die Lichtdurchlässigkeit durch die Suspension hindurch zu verändern und/oder zu steuern. Solche Lichtventile können zum Beispiel als Fenster, Filter, Spiegel und Brillen mit variabler Durchlässigkeit und als elektronische alphanumerische und grafische Bildanzeigen verwendet werden.
- Durch Modifikation der Zusammensetzung der Suspension ist es jedoch möglich, etwas herzustellen, was im Stand der Technik als eine ausgehärtete Suspension bekannt ist, anstelle einer fluiden Suspension oder flüssigen Suspension, die einsetzbar ist in einem Lichtventil, wie oben beschrieben. Eine ausgehärtete Suspension der Teilchen der vorliegenden Erfindung würde zum Beispiel eine lichtpolarisierende Folie oder einen lichtpolarisierenden Film umfassen, in der (dem) besagte Teilchen zusammen mit anderen Materialien eingearbeitet sind.
- Es sind auf diesem Gebiet viele Verfahren zur Herstellung lichtpolarisierender Folien und Filme bekannt. Zum Beispiel offenbart U.S.-Patent 2,178,996 ein Verfahren, bei dem bestimmte lichtpolarisierende Teilchen gebildet werden, besagte Teilchen in ein Dispersionsmedium eingemischt werden, das Celluloseacetat enthalten kann, und die Teilchendispersion Fließen oder Extrusion oder Recken oder Walzen unterworfen wird, so daß die Nadelachse der dispergierten polarisierenden Kristalle in im wesentlichen paralleler Weise orientiert wird und ein dünner, folienähnlicher polarisierender Körper hergestellt wird. U.S.-Patent 2,041,138 offenbart, daß polarisierende Körper vorzugsweise in der Form einer (eines) relativ dünnen Folie oder Films hergestellt werden können, die (der) das Suspensionsmedium und die darin dispergierten winzigen Teilchen umfaßt. Falls gewünscht, kann der polarisierende Körper selbst dauerhaft oder lösbar an einem geeigneten Träger befestigt sein, der vorzugsweise transparent ist, wie z.B. an einer Glasplatte oder an einer Celluloidfolie. Solch ein Träger kann wünschenswert sein bei Bedingungen, bei denen festgestellt wird, daß der polarisierende Körper selbst eine gewisse Form von Schutz benötigt. Es offenbart auch die Verwendung asymmetrischer Teilchen, das Fließen des Mediums, das besagte Teilchen enthält, über eine Kante und das Festhalten besagter Teilchen in einer orientierten Position durch Aushärten oder Härten besagten Mediums.
- U.S.-Patent 2,168,220 offenbart Informationen bezüglich polarisierendem Material, das unter dem Handelsnamen "Polaroid" vertrieben wird. Die Verwendung von Weichmachern, Klebstoffen und verschiedenen Arten von Laminationen und Verfahren zur Bildung besagter Laminationen sind offenbart.
- Zahlreiche Typen von polarisierenden Filmen und Verwendungen für Polarisatoren sind offenbart in U.S.-Patent 2,246,087 einschließlich z.B. die Verwendung bei Windschutzscheiben, Fenstern, Brillen, Schutzbrillen, Sonnenbrillen, Kameralinsen, Mikroskopen, Spiegeln und in Verbindung mit dreidimensionalen Filmen.
- Ein Verfahren zur Überführung lichtpolarisierender Filme von einem Träger auf einen anderen und verschiedene Materialien, die im Zusammenhang damit verwendet werden, sind offenbart in U.S.-Patent 2,256,108.
- Die aus jedem der vorgenannten Patente und aus zahlreichen anderen Patenten und anderen auf diesem Gebiet bekannten Quellen verfügbaren Informationen können verwendet werden, um lichtpolarisierende, ausgehärtete Suspensionen, Filme und Folien herzustellen, die Teilchen in im wesentlichen paralleler Weise orientiert einschließen, und lichtpolarisierende Körper und Produkte, die daraus hergestellt sind.
- Viele Lichtpolarisatoren, die heute kommerziell eingesetzt werden, umfassen jedoch keine Filme oder Folien, die in paralleler Weise darin orientierte feste diskrete Teilchen besitzen, sondern verwenden stattdessen eine Folie aus Polyvinylalkohol-Polyjodid, dessen optische Achse in der Ebene der Folie liegt und das mit praktisch keiner Absorption nur Licht hindurchläßt, das im wesentlichen senkrecht zu seiner optischen Achse schwingt, wie beschrieben in U.S.-Patent 2,237,567 und 2,375,963 und anderen auf diesem Gebiet bekannten Quellen. Von den kommerziell verfügbaren Polarisatoren ist bekannt, daß sie anfällig sind für Zersetzung, wenn sie über längere Zeiträume scharfen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, wie etwa hohen Temperaturen, hoher Feuchtigkeit, ultravioletter Strahlung und insbesondere Kombinationen solcher Bedingungen.
- Die Polarisatoren, die aus ausgehärteten Suspensionen der Teilchen und anderen Materialien der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, werden jedoch bis zu hohen Niveaus von Hitze und ultravioletter Strahlung stabil sein und werden Wasser hervorragend tolerieren. Demgemäß macht die vorliegende Erfindung eine beträchtliche Verbesserung in der Qualität lichtpolarisierender Körper und Produkte möglich, die solche Materialien umfassen.
Claims (6)
1. Lichtpolarisierendes Material, das adsorbiertes Jod
enthält, gekennzeichnet durch einen Komplex, der
erhältlich ist durch Reaktion von (i) elementarem Jod, (ii)
einer Halogenwasserstoffsäure und/oder einem
Ammoniumoder Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhalogenid und
(iii) einer Verbindung der Formel
in welcher R¹, R², R³ und R&sup4; unabhängig voneinander
Wasserstoff oder Niedrigalkyl bedeuten, mit der Maßgabe,
daß mindestens einer der Reste R¹ und R² für Niedrigalkyl
steht.
2. Lichtpolarisierendes Material nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Halogenid der
genannten Halogenwasserstoffsäure und/oder das genannte
Ammonium- oder Alkalimetall- oder
Erdalkalimetallhalogenid Chlorid, Bromid oder Jodid ist.
3. Lichtpolarisierendes Material nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verbindung 3,6-
Dimethyl-2,5-piperazindion, 2,5-Dicarboxypyrazin oder
3,6-Dimethylpyrazin-2,5-dicarbonsäure ist.
4. Flüssige Suspension für ein Lichtventil,
gekennzeichnet durch ein flüssiges Suspensionsmedium mit
elektrischem Widerstand, eine Vielzahl von darin
dispergierten kleinen, anisometrisch geformten Teilchen des
lichtpolarisierenden Materials nach Anspruch 1, 2 oder 3
und mindestens ein zum Zweck der Dispergierung der
genannten Teilchen in der genannten Suspension darin
gelöstes Dispergiermittel.
5. Lichtpolarisierender Körper, gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von in einem Träger dispergierten Teilchen
des lichtpolarisierenden Materials nach Anspruch 1, 2
oder 3, wobei die Polarisationsachse der genannten
Teilchen durch diesen Träger in im wesentlichen paralleler
Weise orientiert und unverrückbar festgehalten ist.
6. Lichtventil, umfassend eine Zelle, die eine
Suspension von lichtpolarisierenden Teilchen in einem flüssigen
Suspensionsmedium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
die genannten lichtpolarisierenden Teilchen Teilchen des
lichtpolarisierenden Materials nach Anspruch 1, 2 oder 3
sind.
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