CN104793381A - 一种电响应红外反射窗及红外光反射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电响应红外反射窗及红外光反射方法，包括：相对的两块透光基板，所述两块透光基板分别与电源组件的两极电性连接；填充在两透光基板之间的载体液晶；混合在载体液晶中的液晶薄膜碎片，所述液晶薄膜碎片在载体液晶的作用下形成平行于透光基板的定向排列。本发明将液晶薄膜碎片与载体液晶混合，把混合物填充至两块可接入电压的透光基板之间，并通过驱动电压控制载体液晶的转向，从带动液晶薄膜碎片偏转，来调控对红外光的反射及透射，从而实现反射窗能自由调节对红外光的反射率的目的。本发明可应用于建筑家居领域。

Description

一种电响应红外反射窗及红外光反射方法
技术领域
本发明涉及建筑家居领域，特别是一种电响应红外反射窗及红外光反射方法。
背景技术
为了实现阳光透射和反射的目的，一般会在玻璃窗上镀膜，使光线中某段波长的光可以被玻璃窗反射或透射。而根据不同的反光和透光需求，可以采用不同材质的膜。
例如，低辐射（Low-E）玻璃在玻璃表面有镀膜层，该镀膜层对可见光具有高度透过率的同时，对远红外辐射热有着较高的反射率，因而室内有隔热保温效果。但Low-E镀膜玻璃一旦在结构形成之后，其光学性能就不随环境变化或个人喜好进行可逆的双向调节获得冬暖夏凉的效果，难以适应我国大部分四季分明地区的需求。
同理，镀膜玻璃在成型后可满足对可见光中某段波长的光进行反射的前提下，也无法使该段波长的光能够重新从玻璃中透射。
同时镀膜玻璃所采用的反光材料大多是基于金属和金属氧化物掺杂的离子晶体，构成这种玻璃的反光材料容易干扰导航和通信系统，这个缺点不利于镀膜玻璃窗在世界范围内进行普及与广泛应用的。
基于上述原因，国内外的镀膜玻璃窗难于广泛地用于大量建筑中。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能够智能调节红外光反射的电响应红外反射窗。
本发明所采用的技术方案是：
一种电响应红外反射窗，包括：
相对的两块透光基板，所述两块透光基板分别与电源组件的两极电性连接；
填充在两透光基板之间的载体液晶；
混合在载体液晶中的液晶薄膜碎片，所述液晶薄膜碎片在载体液晶的作用下形成平行于透光基板的定向排列。
作为本发明的进一步改进，所述液晶薄膜碎片由反射红外光的液晶薄膜粉碎而成。
作为本发明的进一步改进，可见光从所述液晶薄膜碎片透射。
作为本发明的进一步改进，所述透光基板包括玻璃和涂覆在玻璃表面的ITO电极，所述ITO电极连接电源组件，两块透光基板的ITO电极相对设置。
作为本发明的进一步改进，所述ITO电极上涂有聚酰亚胺薄膜，所述聚酰亚胺薄膜上设有定向沟槽，载体液晶在定向沟槽的作用下形成平行于透光基板的定向排列，从而液晶薄膜碎片在载体液晶的作用下形成平行于透光基板的定向排列。
作为本发明的进一步改进，所述电源组件配套设有开关和电压调节装置。
作为本发明的进一步改进，所述两透光基板之间设有边框，所述边框将载体液晶包围封闭在内，从而形成夹层。
作为本发明的进一步改进，所述液晶薄膜由胆甾型液晶制成。
作为本发明的进一步改进，按照重量百分比，所述液晶薄膜是由20-30%的向列相液晶A、25-35%的向列相液晶B、35-45%向列相液晶C、1.9-3.0%的手性液晶、1-3%的光诱发剂和0.01-0.03%的阻聚剂反应得到的；所述向列相液晶A的结构式为
；
向列相液晶B的结构式为：
；
向列相液晶C的结构式为：
；
手性液晶的结构式为：
。
作为本发明的进一步改进，所述光诱发剂为苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦、二-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、安息香双甲醚或1-羟基环己基苯基甲酮。
作为本发明的进一步改进，所述阻聚剂为对苯二酚、对叔丁基苯酚、苯醌、硝基苯或亚硝基苯。
本发明还公开一种红外光反射方法，采用上述的电响应红外反射窗，通过透光基板接入电压的调整来驱动载体液晶转动从而带动液晶薄膜碎片偏转，实现红外光的反射和透射。
作为本发明的进一步改进，改变接入电压的大小来调整液晶薄膜碎片的偏转角度，从而调控红外光的反射率和透射率。
作为本发明的进一步改进，增大接入电压来增大液晶薄膜碎片的偏转角度，从而减少红外光的反射率和提高透射率。
作为本发明的进一步改进，减小接入电压来减小液晶薄膜碎片的偏转角度，从而提高红外光的反射率和减少透射率。
本发明的有益效果是：本发明将液晶薄膜碎片与载体液晶混合，把混合物填充至两块可接入电压的透光基板之间，通过透光基板接入电压的调整来驱动载体液晶转动从而带动液晶薄膜碎片偏转，来调控对红外光的反射及透射，从而实现反射窗能自由调节对红外光的反射率的目的。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是红外反射窗的结构示意图；
图2是不加驱动电压时，红外反射窗截面示意图；
图3是加驱动电压时，红外反射窗截面示意图；
图4是不加驱动电压时，红外反射窗反射红外光示意图；
图5是加驱动电压时，红外反射窗透射红外光示意图；
图6是红外反射窗对可见光 (400nm-700nm)透射的示意图；
图7是制备液晶薄膜的液晶盒的结构示意图；
图8是所制备的液晶薄膜反射波谱图。
具体实施方式
如图1所示的电响应红外反射窗，包括两块透光基板1、载体液晶3和液晶薄膜碎片4。
两块透光基板1相对设置，每块透光基板1由玻璃和涂覆在玻璃其中一个表面的ITO电极5构成。ITO电极5与玻璃的大小大致相同，这两个ITO电极5相对设置并分别连接电源组件2的两极，因此当两ITO电极5通电时，两块透光基板1之间会形成一个电场，该电场的大小与ITO电极5的接入电压有关。
载体液晶3填充在两透光基板1之间并具有正介电性，常温下为向列相排布，可被电压驱动。在透光基板1未通电的状况下，载体液晶3呈平行于透光基板1的定向排列，在通电后，根据电压的大小，载体液晶3可偏转（转向），直至呈垂直于透光基板1的定向排列。本反射窗中使用默克公司型号为E7的载体液晶3。
若干的液晶薄膜碎片4分散地混合在载体液晶3中，形成至少2层的碎片层，当然碎片层也应该为更多。在初始状态下，如图2所示，液晶薄膜碎片4与载体液晶3一起形成平行于透光基板1的定向排列；透光基板1通电后，液晶薄膜碎片4可随载体液晶3偏转90度，如图3所示。上述的液晶薄膜碎片4由反射红外光（700-1100nm）的液晶薄膜粉碎成碎片。同时液晶薄膜碎片4可让可见光直接透射，从而被动地对不同波长的光进行选择。液晶薄膜的材质可以考虑采用现有的能达到上述功能的液晶，也可以通过下文中的描述来生产。
优选的，液晶薄膜由胆甾型液晶所制成。胆甾型液晶具有一定的螺旋方向，只能选择性反射左旋或者右旋光线的一种，即特定波长红外光线的50%。但是载体液晶3可以实现光线旋转方向的转变，当两者混合且液晶薄膜碎片4在载体液晶3内形成多层排布后，从透光基板1透射的红外光的50%光线起初被液晶薄膜碎片4反射，余下的50%光线经过一段特定距离的载体液晶3后，会转变其螺旋方向从而被下一个胆甾型液晶薄膜碎片4反射，总体上实现红外光的100%反射。
载体液晶3形成平行于透光基板1的定向排列可通过以下方式来实现：在两块ITO电极5的相对面上分别敷一层聚酰亚胺材料，经过预烘、固化，形成一层聚酰亚胺薄膜，再将聚酰亚胺薄膜在绒布上进行定向摩擦，形成定向沟槽，以帮助载体液晶3相对于透光基板1水平排列。
如图1所示，两透光基板1之间设有边框6，边框6将载体液晶3和液晶薄膜碎片4包围封闭在内，从而形成夹层。
一般来说，只要ITO电极5接入电压即能使液晶薄膜碎片4转向，从而实现红外光的透射，为了使得转向的角度可调，可以改变接入的电压，电压越小，两透光基板1之间的电场越小，液晶薄膜碎片4转向角度也越小，反之亦然。那么本实施例的电源组件2配套设有开关21和电压调节装置。
具体来说，电源组件2可以包括一个直流电源，电压调节装置集成在直流电源中，使得电源的电压可控，两块ITO电极5接在直流电源的两极，开关21串联在直流电源上。通过开关21的通、断电以及电源电压的控制，可在透光基板1上加上不同的电压，形成电场，液晶薄膜碎片4在电场的作用下随载体液晶3发生转向，来实现对红外光的反射与透射的控制。
当然电压调节装置的形式可以多样，例如可以采用滑动变阻器串联在直流电源上的方式来实现电压的调节。
参照图4，沿各方向偏振的入射红外光经过液晶薄膜碎片4被选择性反射左旋或者右旋红外光线，也就是红外光线的50%，但是载体液晶3可以对透射的左旋或右旋的红外光实现光线旋转方向的转变，因此透射的50%红外光线在经过一段特定距离的载体液晶3后，会转变螺旋方向被下一个液晶薄膜碎片4反射，总体上实现红外光的100%反射。
参照图5，当液晶薄膜碎片4转向90度后，入射红外光同样被反射，反射的原理上述图4中描述的原理一致，但是反射后光线的方向与图4中相比旋转了180度，因此能够从另外一块透光基板1中透射出来。
参照图6，液晶薄膜碎片4对可见光（400-700nm）的反射率较低，可视为可见光直接透射本红外反射窗。
上述的红外反射窗通过透光基板1接入电压的调整来驱动载体液晶3的转向，从而带动液晶薄膜碎片4偏转，实现红外光的反射和透射。具体来说，不接入电压时，红外光被全反射；接入电压至液晶薄膜碎片4转向90度时，红外光全部透射。那么通过改变接入电压的大小即可调整液晶薄膜碎片4的偏转角度，从而调控红外光的反射率和透射率。
比如，增大接入电压来增大液晶薄膜碎片4的偏转角度，从而减少红外光的反射率和提高透射率；减小接入电压来减小液晶薄膜碎片4的偏转角度，从而提高红外光的反射率和减少透射率。
本红外反射窗能够根据人们的意愿来调节对红外光的反射率，从而达到冬暖夏凉的效果，在很大程度上节约了用于调温的电能，它作为一种新型的智能窗，具有绿色、环保、节能的特点。
接下来描述液晶薄膜及其制备。
按照重量百分比，液晶薄膜材料是由20-30%的向列相液晶A、25-35%的向列相液晶B、35-45%向列相液晶C、1.9-3.0%的手性液晶、1-3%的光诱发剂和0.01-0.03%的阻聚剂反应得到的；其中向列相液晶A为2-甲基-1,4-苯撑-双（4-（3-（丙烯酰氧基）丙氧基）苯甲酸酯），结构式为：
向列相液晶B为4-[[6-[(1-氧代-2-丙烯基)氧基]己基]氧基]苯甲酸 4-甲氧基苯基酯，结构式为：
；
向列相液晶C为4-苯腈-4-（（6-（丙烯酰氧基）已基）氧基）苯甲酸酯），结构式为：
；
手性液晶为1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇-2,5-双[4-[[4-[[[4-[（1-氧代-2-丙烯-1-基）氧基]丁氧基]羰基]氧基]苯甲酰基]氧基]苯甲酸酯，结构式为：
；
可以通过调节手性液晶的比例来控制反射红外光的波长。
优选地，所述光诱发剂为苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦、二-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、安息香双甲醚或1-羟基环己基苯基甲酮；进一步优选地为苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦。
所述阻聚剂可以为酚类阻聚剂、醌类阻聚剂、硝基类阻聚剂或亚硝基类阻聚剂中的任意一种；优选地，阻聚剂为对苯二酚、对叔丁基苯酚、苯醌、硝基苯或亚硝基苯。
液晶薄膜的制备可采用以下步骤来实现：
1）配置混合液晶：在黄光条件下，将向列相液晶A、向列相液晶B、向列相液晶C、手性液晶和光诱发剂按比例称取到防紫外线试剂瓶中，然后按比例准备阻聚剂，并将其配置为浓度为100~300ppm的阻聚剂溶液；然后将阻聚剂溶液加入防紫外线试剂瓶中混合均匀，将混合液自然干燥，直至其中溶剂完全挥发，得到混合液晶；阻聚剂溶液用的溶剂只要能满足与各组分相溶且不与各组分发生反应，易挥发即可；例如可以采用四氢呋喃作为溶剂。
2）液晶的填充与取向：在黄光下，将混合液晶加热到60℃以上，使各液晶转变为各向同性的液态，然后在该温度下将混合液晶注入液晶盒，填充完成后，降温至50℃以下，使混合液晶转变为液晶态，然后保温使液晶分子取向。优选地，将混合液晶加热到80-90℃，使各液晶转变为各向同性的液态，然后在该温度下将混合液晶注入液晶盒，填充完成后，降温至30-40℃，使混合液晶转变为液晶态，然后保温15-20min使液晶分子取向。
3）紫外光诱发聚合：将填充后的液晶盒，放在紫外光下固化，使得液晶分子之间键合形成聚合物，紫外光固化的时间随其功率增大而减少，由本领域技术人员根据实际需要进行调整；优选地，是将填充后的液晶盒，放在200W功率的紫外光下固化3-5min，使得液晶分子之间键合形成聚合物。
4）热聚合。热聚合，是在温度120-130˚C条件下进行的，热聚合时间为10-15min。
液晶盒是由上下两块带取向层的玻璃基板沿取向沟槽方向相对排列形成的；带取向层的玻璃基板依次通过以下步骤制备得到：
a）清洗玻璃基板；
b）制备聚酰亚胺取向层；
c）将上下两块玻璃基板沿取向沟槽方向相对排列，在四个角用间隔子与光固化胶的混合物进行粘合，形成液晶盒，液晶盒的厚度即为间隔子的厚度
进一步，步骤a）中，依次采用丙酮、去离子水、异丙醇对玻璃基板进行清洗。
进一步，步骤b）中，选用预倾角≤2°的聚酰亚胺材料，采用旋涂的方式在玻璃基板表面涂覆一层的聚酰亚胺薄膜，然后加热固化，得到厚度大约40nm的聚酰亚胺取向层；最后定向摩擦玻璃基板上的聚酰亚胺取向层，从而在聚酰亚胺取向层上形成沿特定方向排列的取向沟槽，诱导液晶分子沿这一方向水平排列。
下面通过三个实施例具体描述液晶薄膜的制作方法。
实施例中所用到的化学试剂为：
向列相液晶A——HCM-008（江西和成显示科技股份有限公司）；
向列相液晶B——HCM-021（江西和成显示科技股份有限公司）；
向列相液晶C——HCM-020（江西和成显示科技股份有限公司）；
手性液晶——HCM-006（江西和成显示科技股份有限公司）；
光诱发剂——光诱发剂819、光诱发剂2959、光诱发剂651（天津希恩思生化科技有限公司）；
聚酰亚胺溶液——DL-2590（深圳道尔顿电子材料有限公司），预倾角≤2°。
实施例 1
液晶盒制备
a）清洗玻璃基板7和8。
依次采用丙酮、去离子水、异丙醇在超声清洗机中各清洗10min；最后烘箱120˚C，30min烘干。
b）制备聚酰亚胺取向层。
利用N-甲基吡咯烷酮（NMP）与乙二醇丁醚（BCS）按照4：1的比例稀释DL-2590型聚酰亚胺溶液至其固含量为2%。然后将稀释后的聚酰亚胺溶液旋涂至30mm*30mm的玻璃基板7和8上，旋涂转速为2500r/min，时间为1min，从而在玻璃基板7和8上形成一层聚酰亚胺薄膜；再将玻璃板7和8进行预烘烤和固化，预烘烤温度为90˚C，烘烤时间为90s；固化分为两步：先设定烘箱温度105˚C，烘烤30min，再将温度升至250˚C，恒温1.5h。经过以上步骤可在玻璃基板7和8上形成一层厚度大约40nm聚酰亚胺取向层，最后利用天鹅绒布沿特定方向来摩擦玻璃基板上的聚酰亚胺取向层，从而在聚酰亚胺取向层上形成沿特定方向排列的取向沟槽，利于诱导液晶分子沿这一方向水平排列。
c）将上下两块玻璃基板7和8沿取向沟槽方向相对排列，形成共同的成膜区域9，在四个角用间隔子10与光刻胶的混合物进行粘合，形成液晶盒，如图7所示，液晶盒的厚度即为间隔子10的厚度。
液晶薄膜的制备
1）配置混合液晶：在黄光条件下，将向列相液晶A、向列相液晶B、向列相液晶C、手性液晶和光诱发剂按照HCM-008: HCM-021:HCM-020:HCM-006:光诱发剂-819=21：32：42.68：2.3：2的比例，称取到棕色试剂瓶中，然后按比例称取适量的对苯二酚阻聚剂，将其配置成浓度为200ppm的对苯二酚阻聚剂溶液，加入试剂瓶中混合均匀；然后将混合液自然干燥，直至其中溶剂完全挥发，得到混合液晶；
2）液晶的填充与取向：在黄光下，将混合液晶加热到85℃，使各液晶转变为各向同性的液态，然后在该温度下将混合液晶注入液晶盒，填充完成后，降温至36℃，使混合液晶转变为液晶态，然后保温20min使液晶分子取向；
3）紫外光诱发聚合：将填充后的液晶盒，放在200W功率的紫外光下固化4min，使得液晶分子之间键合形成聚合物；
4）热聚合：在温度125˚C条件下进行热聚合，时间10min。
图8为得到的液晶薄膜的反射波谱图，由图8可知，当手性液晶含量为2.3%时，相对应制成的红外反射薄膜对850-900nm的波段具有良好的反射性能。
实施例 2
液晶盒制备：同实施例1。
液晶薄膜的制备
1）配置混合液晶：在黄光条件下，将向列相液晶A、向列相液晶B、向列相液晶C、手性液晶和光诱发剂按照HCM-008: HCM-021: HCM-020: HCM-006: 光诱发剂-2959=25：35：37.09：1.9：1的比例，称取到棕色试剂瓶中；然后按比例称取适量的对苯醌阻聚剂，将其配置成浓度为100ppm的苯醌阻聚剂溶液，加入试剂瓶中混合均匀；然后将混合液自然干燥，直至其中溶剂完全挥发，得到混合液晶；
2）液晶的填充与取向：在黄光下，将混合液晶加热到90℃，使各液晶转变为各向同性的液态，然后在该温度下将混合液晶注入液晶盒，填充完成后，降温至45℃，使混合液晶转变为液晶态，然后保温15min使液晶分子取向；
3）紫外光诱发聚合：将填充后的液晶盒，放在200W功率的紫外光下固化3min，使得液晶分子之间键合形成聚合物；
4）热聚合：在温度120˚C条件下进行热聚合，时间15min。
实施例 3
液晶盒制备：同实施例1。
液晶薄膜的制备
1）配置混合液晶：在黄光条件下，将向列相液晶A、向列相液晶B、向列相液晶C、手性液晶和光诱发剂按照HCM-008: HCM-021: HCM-020: HCM-006: 光诱发剂-651=24：30：39.97：3：3的比例，称取到棕色试剂瓶中；然后按比例称取适量的对硝基苯阻聚剂，将其配置成浓度为300ppm的硝基苯阻聚剂溶液，加入试剂瓶中混合均匀；然后将混合液自然干燥，直至其中溶剂完全挥发，得到混合液晶；
2）液晶的填充与取向：在黄光下，将混合液晶加热到70℃，使各液晶转变为各向同性的液态，然后在该温度下将混合液晶注入液晶盒，填充完成后，降温至30℃，使混合液晶转变为液晶态，然后保温20min使液晶分子取向；
3）紫外光诱发聚合：将填充后的液晶盒，放在200W功率的紫外光下固化5min，使得液晶分子之间键合形成聚合物；
4）热聚合：在温度130˚C条件下进行热聚合，时间12min。
表1为实施例1-3的具体配方。
表1 各实施例配方
上述的液晶薄膜用于红外反射窗上还能够有效地避免了对导航和通讯等系统的干扰。
以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。

Claims (15)

1.一种电响应红外反射窗，其特征在于，包括：
相对的两块透光基板(1)，所述两块透光基板(1)分别与电源组件(2)的两极电性连接；
填充在两透光基板(1)之间的载体液晶(3)；
混合在载体液晶(3)中的液晶薄膜碎片(4)，所述液晶薄膜碎片(4)在载体液晶（3）的作用下形成平行于透光基板(1)的定向排列。
2.根据权利要求1所述的电响应红外反射窗，其特征在于：所述液晶薄膜碎片(4)由反射红外光的液晶薄膜粉碎而成。
3.根据权利要求2所述的电响应红外反射窗，其特征在于：可见光从所述液晶薄膜碎片(4)透射。
4.根据权利要求2所述的电响应红外反射窗，其特征在于：所述透光基板(1)包括玻璃和涂覆在玻璃表面的ITO电极(5)，所述ITO电极(5)连接电源组件(2)，两块透光基板(1)的ITO电极(5)相对设置。
5.根据权利要求4所述的电响应红外反射窗，其特征在于：所述ITO电极(5)上涂有聚酰亚胺薄膜，所述聚酰亚胺薄膜上设有定向沟槽，载体液晶(3)在定向沟槽的作用下形成平行于透光基板(1)的定向排列，从而液晶薄膜碎片(4)在载体液晶（3）的作用下形成平行于透光基板(1)的定向排列。
6.根据权利要求1所述的电响应红外反射窗，其特征在于：所述电源组件(2)配套设有开关(21)和电压调节装置。
7.根据权利要求1所述的电响应红外反射窗，其特征在于：所述两透光基板(1)之间设有边框(6)，所述边框(6)将载体液晶(3)包围封闭在内，从而形成夹层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电响应红外反射窗，其特征在于：所述液晶薄膜由胆甾型液晶制成。
9.根据权利要求8所述的电响应红外反射窗，其特征在于：按照重量百分比，所述液晶薄膜是由20-30%的向列相液晶A、25-35%的向列相液晶B、35-45%向列相液晶C、1.9-3.0%的手性液晶、1-3%的光诱发剂和0.01-0.03%的阻聚剂反应得到的；所述向列相液晶A的结构式为
；
向列相液晶B的结构式为：
；
向列相液晶C的结构式为：
；
手性液晶的结构式为：
。
10.根据权利要求9所述的电响应红外反射窗，其特征在于：所述光诱发剂为苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦、二-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、安息香双甲醚或1-羟基环己基苯基甲酮。
11.根据权利要求9所述的电响应红外反射窗，其特征在于：所述阻聚剂为对苯二酚、对叔丁基苯酚、苯醌、硝基苯或亚硝基苯。
12.一种基于权利要求1至11中任一项所述的电响应红外反射窗的红外光反射方法，其特征在于：通过透光基板(1)接入电压的调整来驱动载体液晶(3)转动从而带动液晶薄膜碎片(4)偏转，实现红外光的反射和透射。
13.根据权利要求12所述的红外光反射方法，其特征在于：改变接入电压的大小来调整液晶薄膜碎片(4)的偏转角度，从而调控红外光的反射率和透射率。
14.根据权利要求13所述的红外光反射方法，其特征在于：增大接入电压来增大液晶薄膜碎片(4)的偏转角度，从而减少红外光的反射率和提高透射率。
15.根据权利要求13所述的红外光反射方法，其特征在于：减小接入电压来减小液晶薄膜碎片(4)的偏转角度，从而提高红外光的反射率和减少透射率。
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