Механохромные (механо-фотоиндуцирующие) эффектыи полимерные материалы
Механо-фотоиндуцирующий, или механохромный эффект(МХЭ) – это способность материала, в частности, полимерных слоев или матриц ПКМ изменять интенсивность поглощения, испускания (флуоресценции) и/или отражения света в оптическом диапазоне при механическом упругом или пластическом деформировании, приводящая кизменению цветаматериала, т.е.к визуализации механических напряжений и деформаций в нем. Если при деформировании изменяется только поглощение и отражении света проявляется простой механохромный эффект(ПМХЭ), при котором наблюдается изменение цвета самого материала. При изменении цвета испускаемого света проявляется так называемый механофлуоресцентный эффект (МФЭ), реже называемый фосфоресцентным или люминисцентным эффектом, которые отличаются длительностью послесвечения.Эти эффекты, проявляющиеся при изменении давления на материал, иногда называют пьезохромными, а при трении – трибохромными. Все эти эффекты имеют важное теоретическое и практическое значение с точки зрения как регулирования оптических свойств материалов, так и контроля их напряженно-деформированного состояния и создания эффективных датчиков (сенсоров) напряжений, деформаций, давления или сил трения.
Дисперсии хромофоров в полимерах.
Наиболее распространенным и простым способом создания МХЭ являетсядиспергирование до наночастиц в полимерной матрице (ПМ) красителей (хромофоров, ХФ), способных изменять интенсивность поглощения, отражения и/или испускания света при изменении их степени агрегирования. МХЭприэтомврешающейстепениопределяетсямежфазнымвзаимодействиемПМ-ХФ, зависящим от равновесия между агрегированными и изолированными формами диспергированного ХФ, которое нарушается при механическом воздействии.При этом обычно используются красители в порошкообразной форме (Рис.1а).
(а) (б)
Рис.1А. Схематическое изображение изменения характера диспергирования ХФ в аморфно-кристаллическом полимере до (а) и после (б) деформирования (amorphousregion -аморфная область;cryastallineregion - кристаллическая область; dyemolecule- молекулы красителя).
В качестве хромофоров при этом наиболее часто используются флуоресцентные красители
Так, введение 0,5% бис(бензооксазолил)стильбена в термопластичный эластичный полиуретан обеспечивает обратимый механохромный эффект с четкой корреляциеймежду деформацией и изменением интенсивности флуоресценции в широком интервале деформаций при нагрузке и разгрузке.
При диспергировании флуоресцентных красителей агрегирование их молекул ведет к образованию статических эксимеров – комплексов, в которых молекулы в возбужденном под действием света состоянии обменивается поглощенной энергией с расположенными рядом молекулами в основном невозбужденном состоянии, что вызывает испускание эксимером излучения с меньшей энергией (большей длиной волны), чем одиночные молекулы.
Поскольку большинство флуоресцентных красителей образуют мезофазный (жидкокристаллический, ЖК) порядок, то МХЭ проявляется в результате изменения межмолекулярного взаимодействия слоев ЖК (Рис.1В) структуры как следствие фазового превращения, вызванного сдвиговой деформацией (а), проскальзыванием слоев (b) или аморфизацией кристаллического порядка (с).
На этом принципе разработан механохромный монохроматический пленочный сенсор давления. Он представляет собой многослойную пленку, внешний слои которой состоит из двух полиэфирных пленок толщиной 4 мкм, а между ними – слой хрупких микоркапсул и специального компонента, образующего флуоресцирующий краситель при взаимодействии с содержимым микрокапсул, выделяющимся при их разрушении при приложении внешнего давления. Восемь типов таких пленок позволяют фиксировать давление от 0,14-1,40 кг/см2 до 3000 кг/см2 с точностью до10% при температуре от 5 до 36 ОС и влажности от 20 до 90%. Длительность хранения – до двух лет. При переходе на полихроматическую фиксацию давления ошибка измерения уменьшается до 2%.
Для визуализации образования и развития трещин в ПКМ предлагается использовать полимерные матрицы или полимерные добавки в матрицы нефлуоресцентного димера флуоресцентного красителя – антрацена. При механического разрыва слабых ковалентных связей в димере он превращается в две молекулы флуоресцентного антрацена:
