CN106405916A - 一种柔性反式液晶调光膜及其制备方法 - Google Patents

一种柔性反式液晶调光膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反式电控液晶调光膜及其制备方法，所述液晶调光膜包括高分子网络骨架和向列相液晶分子，所述高分子网络骨架由聚合物分散液晶网络结构与聚合物稳定液晶网络结构组成，所述高分子网络骨架包括含有网孔的高分子基体，所述网孔内部有垂直排列的高分子网络；所述向列相液晶分子分散在所述高分子网络骨架内部，所述向列相液晶分子为具有负介电各向异性的向列相液晶分子。本发明制备的反式电控调光膜两片基板之间的粘结强度高于5N/cm2，液晶薄膜的驱动电压阈值为5V～100V。薄膜的光透过率可在0.3％～82％之间通过调节电压的大小来进行调节。

Description

一种柔性反式液晶调光膜及其制备方法
技术领域
本发明属于功能性液晶材料制备和应用技术领域，尤其涉及一种反式电控液晶调光膜及其制备方法。
背景技术
电控液晶调光膜因其光透过率可以根据人们的意愿进行任意调控的特点在可控遮阳技术领域、室内隔断、汽车门窗等得到了广泛的应用，目前可商品化的电控液晶调光膜主要为聚合物分散液晶(PDLC)膜，PDLC膜在不施加电场时，液晶分子的指向矢呈无规分布，薄膜处于强烈光散射状态；在电场作用下，液晶分子的长轴平行于电场排列，薄膜呈透明状态。PDLC膜不仅可以实现状态可控，而且容易进行大面积加工。但PDLC膜为正式电控调光膜，即常态为强烈的光散射状态，施加外部电场时为光透过状态。也就是说，它的透过态需要持续的电场来进行维持。然而在实际应用中，许多场合需要建筑门窗在多数的时间里处于光透过的状态，而在少数的时间里处于光屏蔽状态。如果这些场合仍使用上述的电控液晶调光膜，则必然造成能源的消耗。而反式电控液晶调光膜的电-光特性是在不施加电场时呈透明状态，施加电场时呈强烈光散射状态。因此在许多场合，反式电控液晶调光膜更能够满足节能和环保的发展要求。而且在某些场合，一旦断电，薄膜呈透明状态，不会对使用者造成安全隐患。因此反式电控液晶调光膜比正式电控液晶调光膜具有更广阔的应用前景。
迄今为止，反式电控液晶调光膜的研究仍止步于实验室阶段。反式电控调光膜由于不施加电场时呈透明状态，因此其液晶(LC)材料的分子必定处于某种取向状态，而且这种状态需要高分子网络进行稳定，因此现有的反式电控调光膜体系主要是高分子稳定液晶(PSLC)体系，制备方法集中在高分子稳定负性LC、双频液晶(DFLC)、胆甾相液晶(ChLC)方面，然而PSLC体系由于网络含量低(通常只有3～5wt％左右)，因而得到的薄膜的两层基板间的粘结强度低、稳定性差，难以进行实际应用。
发明内容
为了解决反式电控调光膜两层基板之间的粘结力较差、薄膜稳定性差等缺点，本发明提供了一种聚合物分散液晶网络体系与聚合物稳定液晶网络体系共存的反式电控调光膜及其制备方法。
本发明提供了一种反式电控液晶调光膜，所述液晶调光膜包括高分子网络骨架和向列相液晶分子，所述高分子网络骨架由聚合物分散液晶网络结构与聚合物稳定液晶网络结构组成，所述高分子网络骨架包括含有网孔的高分子基体，所述网孔内部有垂直排列的高分子网络；所述向列相液晶分子分散在所述高分子网络骨架内部，所述向列相液晶分子为具有负介电各向异性的向列相液晶分子。
优选的，所述高分子网络骨架为由正介电各向异性液晶、非液晶性聚合单体和液晶性聚合单体通过分步聚合制得的且正介电各向异性液晶被溶剂溶出后的聚合物。所述的溶剂对于所选用的正介电各向异性液晶具有较好的溶解性，所述非液晶性聚合单体和液晶性聚合单体以及分步聚合得到的产品不溶于所述溶剂，依据具体选择的体系差异，所述溶剂可以为醇类溶剂、卤代烃类溶剂、腈类溶剂、酮类溶剂。
所述的分步聚合以及下文提及的紫外光分步聚合指的是将体系内的可聚合单体通过可控的方式实现聚合，其包括紫外光引发的预聚和紫外光及电场共同作用下的加电聚合，所述第一次紫外引发聚合使得体系内10-90％的单体实现聚合，从而形成具有一定粘度的基底和具有网孔的初步的高分子基体，之后再通过紫外光和电场的共同作用下使网孔内部形成具有明显垂直取向的高分子网络。依据用途(如刚性和柔性以及产品特性的要求)，可以控制紫外引发聚合的聚合度来实现对于分步聚合的控制。控制的方式可以选择延长或者缩短第一次紫外光照的时间，如选择第一次紫外光照时间在10-600s之内，为了得到具有不同初次聚合程度的产品，可以选择的第一次紫外光照时间可以是10-30s，30-60s，60-120s，100-200s，200-400s，400-600s不等。控制第一次紫外光照时间可以得到聚合程度(单体反应比例)为10-20％，20-30％，30-50％，50-60％，60-70％，70-90％不等的初次聚合产物。在本发明的实施例内使用了控制紫外光照时间的方式来控制分步聚合，但是本领域技术人员应当知晓，其他可以控制聚合进度的方法也可以应用于本发明的实施。
前述的高分子基体为两片薄膜之间提供了良好的粘结强度，同时垂直排列的高分子网络可以稳定液晶分子垂直取向的排列方式。随后将正性液晶洗出，灌入负性液晶。灌入的负性液晶在垂直排列的高分子网络的作用下，呈垂直取向的排列方式，薄膜呈现透明状态。对薄膜施加电场时，在电场和高分子网络的作用下，负性液晶分子呈无规排列，导致薄膜呈现强烈的光散射状态；关闭电场后，在垂直排列的高分子网络的作用下，液晶分子垂直取向，薄膜重新呈现透明状态。
作为上述技术方法的一个优选，所述高分子基体的网孔尺寸大小为1um～100um。所述基体的网孔孔径可以根据需要进行控制，作为基础常识在控制了孔径后，依照本发明方法制备得到的垂直取向的高分子网络也会进行改变。对于所述的网孔大小，可以选择不同的范围值，如1-10，10-20，20-40，40-60，60-80，80-100微米不等，受制于网孔直径，相应的垂直取向的高分子网络的尺寸也会相应变为更小的尺寸。
作为上述技术方案的一个优选，所述正介电各向异性液晶包括向列相液晶、胆甾相液晶、近晶相液晶或具有近晶相～向列相(胆甾相)转变的液晶中的一种。前述的材料如一些市场在售液晶材料，如永生华清液晶材料有限公司的SLC-1717，SLC-7011，TEB30A等、德国默克液晶材料公司的E7、E44、E48、ZLI-1275等等，但本领域技术人员知晓正介电各向异性的液晶显然不局限于这些材料。
作为上述技术方案的进一步优选，所述正介电各向异性液晶包括如下的液晶组合物，所述液晶组合物包括第一组分，其还包括第二组份、第三组份、第四组份、第五组份中的一种或多种；所述第一组份为下列组A或组B中任意一组液晶化合物中的一种或几种，或包括组A中一种或几种与组B中一种或几种组成的混合物；组A为式(1-a)所示的液晶化合物，组B为式(1-b)所示的液晶化合物，式中Ra是含有8～12个碳原子的烷基，Rb是含有8～10个碳原子的烷基；
所述第二组份为包括组C和组D中任意一组液晶化合物中的一种或几种，或为组C中一种或几种与组D中一种或几种组成的混合物；其中，Rc是含有6～7个碳原子的烷基，Rd是含有5～7个碳原子的烷基；组C为式(2-c)所示的液晶化合物，组D为式(2-d)所示的液晶化合物；
所述第三组份具有如式(3)所组成的液晶化合物；其中，R3是含有5～7个碳原子的烷基；
所述第四组份为下列组E、组F和组G中任意一组液晶化合物中的一种或几种，或包括组E中一种或几种、组F中一种或几种、组G中一种或几种组成的混合物；其中，R4是含有5～7个碳原子的烷基；组E为式(4-e)所示的液晶化合物，组F为式(4-f)所示的液晶化合物，组G为式(4-g)所示的液晶化合物；
所述第五组份为具有相同手性构型的手性化合物。
作为上述技术方案的进一步优选，所述液晶组合物内包括第一组份15％～40％，第二组份35％～60％，第三组份1％～10％，第四组分5％～25％，第五组份1％～20％。
作为上述技术方案的进一步优选，所述的液晶组合物包括如式(1-a)、式(1-b)、式(2-c)、式(2-d)、式(3)、式(4-e)、式(4-f)、式(4-g)所示的化合物和第五组份。
作为上述技术方案的进一步优选，式(1-a)所示液晶化合物质量分数为15％～40％，式(1-b)所示液晶化合物质量分数为0％～8％，式(2-c)所示液晶化合物质量分数为16％～45％，式(2-d)所示液晶化合物质量分数为15％～28％，式(3)所示液晶化合物质量分数为1％～10％，式(4-e)所示液晶化合物质量分数为5％～25％，式(4-f)所示液晶化合物质量分数为0％～6％，式(4-g)所示液晶化合物质量分数为0％～5％，第五组份的质量分数为1％～20％。本发明所使用的聚合单体为紫外光可聚合单体，包括非液晶性紫外光可聚合单体和液晶性紫外光可聚合单体。其中非液晶性紫外光可聚合单体可选择但不仅限于下面中的一种或几种，如不饱和聚酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、多烯硫醇体系、聚醚丙烯酸酯、水性丙烯酸酯、乙烯基醚类等。液晶性紫外光可聚合单体亦可选择但不限于下面分子中的一种或几种，如
其中，m、n为4～8，x、y为1～2，E、Q为丙烯酸酯，或环氧丙烯酸酯，或聚氨酯丙烯酸酯，或环氧，或多烯硫醇。
上述光引发剂可选择二苯甲酮，安息香双甲醚(UV 651)，氯代硫杂蒽酮(ITX)，2，4-二乙基硫杂蒽酮(DETX)，异丙基硫杂蒽酮(ITX)，2-羟基-2，2-甲基-1-苯基丙酮(UV1173)等，但不仅限于这些材料。所使用间隔粒子的粒径为5um～300um。
上述与液晶分子具有良好相溶性的溶剂可选择环己烷、丙酮、乙醇、二氯甲烷等，但不仅限于这些材料。
上述具有负介电各向异性的液晶材料可选择市场在售的液晶材料，如永生华清液晶材料有限公司的SLC10V323-000、SLC10V317-000、SLC10V321-200、SLC10V321-400等，北京八亿时空液晶科技股份有限公司的BHR22400-000、BHR22500-000等，但不仅限于这些材料。
作为上述技术方案的一个优选，所述液晶调光膜位于两个导电基板之间，且两片基板之间的粘结强度高于5N/cm2。
作为上述技术方案的一个优选，液晶薄膜的驱动电压阈值为5V～100V。
作为上述技术方案的一个优选，液晶薄膜的光透过率可在0.3％～82％之间通过调节电压的大小来进行调节。
本发明还公开了前述液晶调光膜的制备方法，包括：
(1)将10～95重量份的正介电各向异性液晶与5～80重量份的非液晶性聚合单体、1～30重量份的液晶性聚合单体、0.01～10重量份的引发剂、0.01～2wt％的间隔粒子共混，得到混合均一的正介电各向异性液晶/聚合单体的液体材料体系；
(2)将(1)中得到的液体置于两片导电薄膜之间，挤压成膜；通过紫外光分步聚合的方法，首先使体系中的可聚合单体发生不完全聚合，随后在对薄膜施加电场的情况下，使得剩余的可聚合单体聚合完全，构建出聚合物分散液晶网络结构与聚合物稳定液晶网络结构共存的高分子网络骨架；
(3)将薄膜置于与液晶分子具有良好相溶性的溶剂中，利用溶剂将薄膜内部的液晶分子洗出，随后使溶剂分子挥发完全；
(4)利用毛细作用将负介电各向异性的向列相液晶分子灌入薄膜之中，使液晶分子重新分散在所构建的高分子网络骨架之中，得到反式液晶调光膜。
本发明在正性液晶/聚合单体的体系中，通过紫外光分步聚合，首先在两层基板之间形成一种类似于PDLC膜的高分子基体，使两片基板之间具有较强的粘结强度，随后在额外引入加电聚合的情况下，在高分子基体内部形成垂直取向的高分子网络，来稳定液晶垂直取向的状态。随后，利用溶剂将正性液晶分子洗出，再通过毛细作用灌入负性液晶分子，由于薄膜内部垂直取向高分子网络的存在，所灌入的负性液晶分子呈垂直取向的分子排列方式。这样在不施加电场的情况下薄膜呈透明状态。而在施加电场后，在高分子网络的作用下，液晶分子呈焦锥织构的排列方式，此时薄膜呈强烈的光散射的状态。通过本专利提供的制备方法，所制备的反式电控调光膜两片基板之间的粘结强度高于5N/cm2，液晶薄膜的驱动电压阈值为5V～100V。薄膜的光透过率可在0.3％～82％之间通过调节电压的大小来进行调节。
附图说明
图1是实施例1中所制备的薄膜截面的扫描电镜照片；
图2是实施例1中所制备的薄膜的电光性能曲线；
图3是实施例1中所制备的薄膜的响应时间曲线；
图4是实施例2中所制备的薄膜的电光性能曲线；
图5是实施例2中所制备的薄膜的响应时间曲线；
图6是实施例3中所制备的薄膜的电光性能曲线；
图7是实施例3中所制备的薄膜的响应时间曲线。
具体实施方式
如下为本发明的实施例，其仅用做对本发明的解释而并非限制。
如下实施例内，初次聚合程度可以通过其他方法来进行控制，聚合程度的差异会导致产品的性能不同，从而可以制备出不同用途的产品。如下的实施例内使用了如表1所示的化合物:
在如下的实施例内，使用了引发剂651，其结构为引发剂651的来源为市购。
如下的实施例内，使用的名称如SLC1717、SLC10V323-000均为已经公开的化合物，本领域技术人员可以通过已经公开的文献或者购买的方式获得，本领域技术人员也可以选用其他的具有类似性质的化合物，如发明内容提及的液晶组合物。
实施例1
步骤一：所选用的液晶、可聚合单体、引发剂、间隔粒子的配比如表2所列。将表2中的各组分按照配比进行混配，并在室温下搅拌形成各向同性液体，混合均匀。混合物总质量为100mg。
表2.实施例1中所使用的各材料的配比
名称 比例/％
正性液晶SLC1717 69.0
可聚合单体 30.0
引发剂 0.5
20um间隔粒子 0.5
步骤二：将上述溶液涂覆于两片大小为50mm*50mm的镀有氧化铟锡(ITO)透明导电膜的塑料薄膜中间，用辊压匀形成薄膜。将此薄膜在室温下由波长为365nm的紫外光进行辐照，紫外光强为0.5mw/cm2,光照时间为90s，随后将薄膜制作上电极，施加50.0Hz，170v电压，并继续利用365nm的紫外光进行辐照，紫外光强为1.5mw/cm2，辐照时间为10min。
步骤三：将步骤二中制备好的薄膜浸泡于环己烷溶液当中，放置7天，将正性液晶SLC1717从薄膜中泡出。利用扫描电子显微镜观察薄膜的截面，如图1所示
步骤四：在真空烘箱中，利用毛细作用将负性液晶SLC10V323-000充分灌入薄膜内部。利用液晶参数仪测试薄膜在25℃、632nm波长下透过率随电压变化曲线和响应时间曲线(单纯两层ITO薄膜透过率为100％)，其结果如图2、3所示。
实施例2
步骤一：所选用的液晶、可聚合单体、引发剂、间隔粒子的名称、配比如表3所列。将表3中的各组分按照配比进行混配，并在室温下搅拌形成各向同性液体，混合均匀。混合物总质量为100mg。
表3.实施例2中所使用的各材料的配比
名称 比例/％
正性液晶E7 69.0
可聚合单体 30.0
引发剂 0.5
20um间隔粒子 0.5
步骤二：将上述溶液涂覆于两片大小为50mm*50mm的镀有氧化铟锡(ITO)透明导电膜的塑料薄膜中间，用辊压匀形成薄膜。将此薄膜在室温下由波长为365nm的紫外光进行辐照，紫外光强为0.5mw/cm2,光照时间为90s，随后将薄膜制作上电极，施加50.0Hz，170v电压，并继续利用365nm的紫外光进行辐照，紫外光强为1.5mw/cm2，辐照时间为10min。
步骤三：将步骤二中制备好的薄膜浸泡于乙醇溶液当中，放置15天，将正性液晶E7从薄膜中泡出。
步骤四：在真空烘箱中，利用毛细作用将负性液晶SLC10V317-000充分灌入薄膜内部。利用液晶参数仪测试薄膜在25℃、632nm波长下透过率随电压变化曲线和响应时间曲线(单纯两层ITO薄膜透过率为100％)，其结果如图4、5所示。
实施例3
步骤一：所选用的液晶、可聚合单体、引发剂、间隔粒子的名称、配比如表4所列。将表4中的各组分按照配比进行混配，并在室温下搅拌形成各向同性液体，混合均匀。混合物总质量为100mg。本实施例中所使用的具有近晶相～胆甾相转变的正性液晶的各组分的分子结构和配比如表4中所示
表4.实施例3中所使用的各材料的配比
步骤二：将上述溶液涂覆于两片大小为50mm*50mm的镀有氧化铟锡(ITO)透明导电膜的塑料薄膜中间，用辊压匀形成薄膜。将此薄膜在室温下由波长为365nm的紫外光进行辐照，紫外光强为0.5mw/cm2,光照时间为90s，随后将薄膜制作上电极，施加50.0Hz，170v电压，并继续利用365nm的紫外光进行辐照，紫外光强为1.5mw/cm2，辐照时间为10min。
步骤三：将步骤二中制备好的薄膜浸泡于丙酮溶液当中，放置15天，将具有近晶相～胆甾相转变的正性液晶从薄膜中泡出。
步骤四：在真空烘箱中，利用毛细作用将负性液晶BHR22500-000充分灌入薄膜内部。利用液晶参数仪测试薄膜在25℃、632nm波长下透过率随电压变化曲线和响应时间曲线(单纯两层ITO薄膜透过率为100％)，其结果如图6、7所示。

Claims (8)

1.一种反式电控液晶调光膜，其特征在于，所述液晶调光膜包括高分子网络骨架和向列相液晶分子，所述高分子网络骨架由聚合物分散液晶网络结构与聚合物稳定液晶网络结构组成，所述高分子网络骨架包括含有网孔的高分子基体，所述网孔内部有垂直排列的高分子网络；所述向列相液晶分子分散在所述高分子网络骨架内部，所述向列相液晶分子为具有负介电各向异性的向列相液晶分子。
2.根据权利要求1所述的液晶调光膜，其特征在于，所述高分子网络骨架为由正介电各向异性液晶、非液晶性聚合单体和液晶性聚合单体通过分步聚合制得的且正介电各向异性液晶被溶剂溶出后的聚合物。
3.根据权利要求2所述的液晶调光膜，其特征在于，所述分步聚合包括在紫外光引发的预聚和在紫外光及电场共同作用下的加电聚合。
4.根据权利要求2所述的液晶调光膜，其特征在于，所述正介电各向异性液晶包括向列相液晶、胆甾相液晶、近晶相液晶或具有近晶相～向列相转变的液晶中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的液晶调光膜，其特征在于，所述液晶调光膜位于两个导电基板之间，且两片基板之间的粘结强度高于5N/cm2。
6.根据权利要求1所述的液晶调光膜，其特征在于，液晶调光膜的驱动电压阈值为5V～100V。
7.根据权利要求1所述的液晶调光膜，其特征在于，所述液晶调光膜的光透过率在0.3％～82％之间。
8.权利要求1-7任一所述液晶调光膜的制备方法，包括：
(1)将10～95重量份的正介电各向异性液晶与5～80重量份的非液晶性聚合单体、1～30重量份的液晶性聚合单体、0.01～10重量份的引发剂、0.01～2重量份的间隔粒子共混，得到混合均一的正介电各向异性液晶/聚合单体的材料体系；
(2)将(1)中得到的液体置于两片导电薄膜之间，挤压成膜；通过紫外光分步聚合的方法，首先使体系中的可聚合单体发生不完全聚合，随后在对薄膜施加电场的情况下，使得剩余的可聚合单体聚合完全，构建出聚合物分散液晶网络结构与聚合物稳定液晶网络结构共存的高分子网络骨架；
(3)将薄膜置于与液晶分子具有良好相溶性的溶剂中，利用溶剂将薄膜内部的液晶分子洗出，随后使溶剂分子挥发完全；
(4)利用毛细作用将负介电各向异性的向列相液晶分子灌入薄膜之中，使液晶分子重新分散在所构建的高分子网络骨架内，得到反式电控液晶调光膜。
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