CN109001930A - 一种电响应红外反射器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电响应红外反射器件，包括相对设置的透光导电基板一和透光导电基板二，所述透光导电基板一和透光导电基板二之间封装形成调节区，所述调节区内填充有液晶混合物和电解质，所述液晶混合物包括负性液晶、手性掺杂剂、光引发剂和可聚合单体，所述光引发剂引发所述可聚合单体形成聚合物网络，所述负性液晶呈具有螺距的胆甾相，在所述透光导电基板一和所述透光导电基板二通电的状态下，所述负性液晶的螺距发生改变。本发明利用电解质增加体系的离子浓度，从而使得同等红外光反射带宽下所需的驱动电压降低的效果，减少了能耗。

Description

一种电响应红外反射器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及红外反射器件，尤其是涉及一种电响应红外反射器件及其制备方法。
背景技术
在现代社会的节能主题下，降低建筑能耗是热点。在建筑窗领域，通常采用百叶窗、遮光器、窗户镀膜等常见的窗户附件来达到遮挡阳光的目的，但是此类设备不能有效地调节入射太阳光，进而调节室内温度，实现智能化，节能化调控。近年来通过电能控制窗户透明与模糊的液晶窗户技术也逐渐成熟产业化，譬如现有的红外反射器件有着规律性的光电性能，可调节性地反射红外光，能够有效调节室内温度。但现有的液晶红外反射器件往往想要实现高的红外反射带宽还需要外加较高的驱动电压，不利于降低用电能耗。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种电响应红外反射器件及其制备方法，能够有效地降低器件响应时的驱动电压，节约电能。
本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种电响应红外反射器件，包括相对设置的透光导电基板一和透光导电基板二，所述透光导电基板一和透光导电基板二之间封装形成调节区，所述调节区内填充有液晶混合物和电解质，所述液晶混合物包括负性液晶、手性掺杂剂、光引发剂和可聚合单体，所述光引发剂引发所述可聚合单体形成聚合物网络，所述负性液晶呈具有螺距的胆甾相，在所述透光导电基板一和所述透光导电基板二通电的状态下，所述负性液晶的螺距发生改变。
优选地，所述透光导电基板一包括透光基板一和设置在所述透光基板上的导电层一；所述透光导电基板二包括透光基板二和设置在所述透光基板上的导电层二。
优选地，所述电解质为离子型表面活性剂、无机盐中的至少一种。
进一步地，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、咪唑盐、季铵盐中的至少一种；所述无机盐为过二硫酸盐。
更进一步地，所述咪唑盐选自1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐、溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑、1-癸基-3-甲基咪唑溴盐中的至少一种；所述季铵盐选自十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基苄基溴化铵中的至少一种；所述过二硫酸盐选自过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种。
优选地，所述透光导电基板一和所述透光导电基板二朝向所述调节区的一侧设有平行配向层。
优选地，所述电解质的重量为所述液晶混合物重量的0.001％～0.01％。
优选地，所述液晶混合物中包括88～92wt％负性液晶、2.5～5.5wt％手性掺杂剂、3.5～6.5wt％可聚合单体和0.5～1wt％光引发剂。
优选地，所述手性掺杂剂为S1011、S811、R1011、R811中的至少一种。
优选地，所述光引发剂为Irgacure-651、Irgacure-819、Irgacure-2959中的至少一种。
优选地，所述可聚合单体为HCM-009、HCM-002、HCM-008的至少一种。
本发明还提供一种上述的电响应红外反射器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备或取透光导电基板一和透光导电基板二相对设置；
S2、在所述透光导电基板一和所述透光导电基板二相对的表面上涂覆配向层，并摩擦取向；
S3、取负性液晶、手性掺杂剂、光引发剂和可聚合单体混合，加热使液晶转变为各向同性的液态得到液晶混合物，将所述透光导电基板一和所述透光导电基板二封装成液晶盒，在所述液晶盒内填充所述液晶混合物和电解质；
S4、利用紫外光照射所述液晶盒。
优选地，步骤S2中配向层为平行配向层。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种电响应红外反射器件，在两块透光导电基板封装形成的调节区内填充有液晶混合物和电解质，在紫外光的照射下液晶混合物中的光引发剂引发可聚合单体形成聚合物网络，负性液晶分散在聚合物网络中并在手性掺杂剂的作用下呈具有螺距的胆甾相，胆甾相的螺旋结构能够反射一定带宽的红外光，但是其本身反射的带宽较窄。
在紫外光的照射下光引发剂分解产生活跃的自由基，可以与有机分子反应形成离子，由此在液晶混合物中形成了杂质离子，聚合物网络的酯基基团能够捕获杂质阳离子使自身带正电，在透光导电基板通电的状态下，杂质阳离子能够带动聚合物网络向连接电源负极的透光导电基板移动，从而带动负性液晶向同一侧移动，使得聚合物网络在靠近连接电源负极的透光导电基板处被压缩，聚合物网络密度大、负性液晶的螺距较小，而聚合物网络在远离连接电源负极的透光导电基板处被拉伸，聚合物网络密度小、负性液晶的螺旋较大，从而使得负性液晶螺旋结构的整体螺距梯度增加，实现了反射带宽增宽的有益效果，但是在聚合反应中，既要保证聚合度高(光引发剂浓度较低)又要获得良好的分散性(光引发剂浓度略高)，这就限定了光引发剂的量，也就限定了体系中离子的浓度，本发明通过在红外反射器件的调节区内填充有电解质，增加了液晶混合物中的阳离子数，使得聚合物网络能够捕获更多的阳离子，进而使得红外反射器件在低的驱动电压下就能好使所述聚合物网络移动变形、负性液晶的螺距发生改变，进而实现同等红外光反射带宽下所需的驱动电压降低的效果，减少了能耗。
附图说明
图1为实施例1的电响应红外反射器件的结构示意图；
图2为电响应红外反射器件在未通电状态下的截面示意图；
图3为电响应红外反射器件在通电状态下的截面示意图；
图4为电响应红外反射器件在通电状态下反射红外光波的示意图；
图5为电响应红外反射器件断开电源状态下反射红外光波的示意图；
图6为实施例1中电响应红外反射器件在不同电压下的透射光谱图；
图7为实施例2中电响应红外反射器件在不同电压下的透射光谱图；
图8为实施例3中电响应红外反射器件在不同电压下的透射光谱图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，本发明提供一种电响应红外反射器件，包括相对设置的透光导电基板一1和透光导电基板二2，所述透光导电基板一1包括透光基板一10和设置在所述透光基板上的导电层一11，所述透光导电基板二2包括透光基板二20和设置在所述透光基板上的导电层二21，本实施例中透光基板一和透光基板二均使用玻璃基板，导电层一和导电层二均为ITO导电层。所述透光导电基板一1和透光导电基板二2之间封装形成调节区3，所述调节区3内填充有液晶混合物和电解质，所述电解质为十六烷基三甲基溴化铵，所述液晶混合物包括负性液晶HNG30400-200、手性掺杂剂S1011、光引发剂Irgacure-651和可聚合单体HCM-009，所述光引发剂引发所述可聚合单体形成聚合物网络，所述负性液晶呈具有螺距的胆甾相，在所述透光导电基板一和所述透光导电基板二通电的状态下，所述负性液晶的螺距发生改变。
本实施例还提供上述电响应红外反射器件的制备方法，包括以下步骤：
1、在玻璃基板上涂覆ITO导电层制备得到透光导电基板，取两块上述的透光导电基板相对设置，在两块透光导电基板相对的表面上均旋涂有平行配向层，并摩擦取向，将所述两块透光导电基板制备成液晶盒；
2、取电解质十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶于溶剂中，所述溶剂为二氯甲烷，用移液枪提取微量电解质CTAB溶液到棕色试剂瓶中，将试剂瓶置于60℃搅拌台上搅拌挥发溶剂；待溶剂挥发完全后加入液晶混合物(电解质的重量为所述液晶混合物重量的0.001％～0.01％)，所述液晶混合物包括负性液晶、手性掺杂剂、手性单体和光引发剂，所述液晶混合物中负性液晶：手性掺杂剂：手性单体：光引发剂的重量比为90：4：5：1，将电解质和液晶混合物混合均匀，加热至60℃，使液晶转变为各向同性的液态，所述各组分均为市场上可以采购得到的材料，其中，所述负性液晶为向列型液晶，本实施例中所述负性液晶为江苏合成显示科技股份有限公司的HNG30400-200，所述手性单体为江苏合成显示科技股份有限公司的HCM-009，其结构式为：
所述手性掺杂剂为江苏合成显示科技股份有限公司的S1011，其结构式为：所述光引发剂为天津希恩思生化科技有限公司的Irgacure-651，其结构式为：
3、将上述液晶混合物和电解质的混合物注入到液晶盒中，参见图2，使用紫外光自所述顶部透光基板一1的一侧照射所述液晶盒，所述手性掺杂剂使得所述负性液晶形成胆甾型螺旋结构4，在配向层的作用下，所述螺旋结构4的轴垂直于透光导电基板一1和透光导电基板二2，所述光引发剂引发所述可聚合单体聚合形成手性聚合物网络5，所述负性液晶分散于所述手性聚合物网络中，此时所述手性聚合物网络密度分布较均匀，制备得到的电响应红外反射器件的截面示意图如图2所示。液晶盒中填充的电解质可以增加液晶混合物中的阳离子6和阴离子7，所述手性聚合物网络5的酯基基团能够捕获阳离子6使其自身带正电。
参见图3，取上述制备得到的电响应红外反射器件连接直流电源，其中透光导电基板一1与直流电源的负极连接，透光导电基板二2与直流电源的正极连接，在电场的作用下，所述阳离子6带动所述手性聚合物网络5向连接电源负极的透光导电基板一1移动，从而带动负性液晶向透光导电基板一1移动，使得所述手性聚合物网络5在靠近透光导电基板一1处被压缩、网络密度大，负性液晶形成的螺旋结构4被压缩、螺距较小，手性聚合物网络5在靠近透光导电基板二2处被拉伸、网络密度小，负性液晶形成的螺旋结构4的螺距较大。与未填充电解质的红外反射器件相比，本发明填充的电解质能够使得手性聚合物网络捕获的阳离子更多，在同等大小的电场作用下，手性聚合物网络向透光导电基板一的一侧移动的程度更大，致使其透光导电基板一处密度增大，在透光导电基板二处密度减小，从而形成更大的手性聚合物网络密度梯度，手性聚合物网络的形变程度更高，从而使得负性液晶的螺旋结构的整体螺距梯度增加更大。对于胆甾型液晶，根据公式：Δλ＝Δn×P，其中，Δλ为反射带宽，Δn为双折射，P为螺距。由于本发明中电解质使得所述手性聚合物网络的形变程度增大，从而使得分散于所述手性聚合物网络中的负性液晶的螺距梯度P增加,从而反射带宽Δλ增加，反射的红外光增加，使室内温度降低，本发明的电响应红外反射器件反射红外光波的示意图如图4所示，图中箭头代表红外光波入射与反射的示意路线。断开电源后，手性网络聚合物的形变减小，进而使得负性液晶的螺距梯度P减小，从而反射带宽Δλ减少，反射的红外光减少，使室内温度增加，其反射红外光波的示意图如图5所示。取本实施例的电响应红外反射器件，测试其在不同电压下的透射光谱图如图6所示，实验结果显示反射带宽在电压为60V的时候就可以达到873.6nm。
由于在聚合反应中，既要保证聚合度高(光引发剂浓度较低)又要获得良好的多分散性(光引发剂浓度略高)，因此限定了光引发剂的量，从而限制了体系内的离子浓度。本实施例中的电解质选用的是十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为季铵盐，属于表面活性剂，液晶单体光聚合过程后形成交联聚合物，对于交联聚合物而言，其不溶于溶剂，即不溶于液晶混合物，在加入表面活性剂以后，在聚合前期，表面活性剂能够帮助所形成的低聚物溶于体系中，从而得到更高的聚合度，避免了为了保证聚合度高而限定光引发剂使用浓度低的问题，在使用等量光引发剂时相当于增加了体系的离子浓度，进而降低了红外反射器件的驱动电压，电解质还可以选用十二烷基硫酸钠，其结构既有亲水基团又有憎水碳链，可以溶于有机物产生离子，使电导率提高，增加器件的导电性能，有利于降低红外反射器件的驱动电压。
实施例2
本实施例提供一种电响应红外反射器件与实施例1相同，不同之处在于，选用的电解质为1-十四烷基-3甲基咪唑溴盐(C18H35N2Br)。取本实施例的电响应红外反射器件，测试其在不同电压下的透射光谱图如图7所示，实验结果显示反射带宽在电压为60V的时候就可以达到1235nm。
实施例3
本实施例提供一种电响应红外反射器件与实施例1相同，不同之处在于，选用的电解质为过硫酸铵，在实施例1中制备步骤2中:将电解质(NH4)2S2O8(过硫酸铵)溶于溶剂中，所述溶剂为去离子水，用移液枪提取微量电解质(NH4)2S2O8(过硫酸铵)溶液到棕色试剂瓶中，将试剂瓶置于120℃搅拌台上搅拌挥发溶剂，待溶剂挥发完全后加入液晶混合物，电解质的重量为所述液晶混合物重量的0.01％～0.1％。取本实施例的电响应红外反射器件，测试其在不同电压下的透射光谱图如图8所示，实验结果显示反射带宽在电压为60V的时候就可以达到1114nm。
本实施例中选用的电解质过硫酸铵是一种氧引发剂，在氧化-还原反应中是自由基引发剂，一方面过硫酸铵的过硫酸根可以避免更多的氧化剂淬灭，从而使体系产生更多的离子，增加体系的离子浓度，另一方面过硫酸铵作为盐能够为体系提供更多的离子，进而降低了红外反射器件的驱动电压。
实施例4
本实施例提供一种电响应红外反射器件与实施例1相同，不同之处在于，液晶混合物中负性液晶HNG30400-200：手性掺杂剂R811：手性单体HCM-002：光引发剂Irgacure-2959的重量比为90.5：2.5：6.5：0.5。
实施例5
本实施例提供一种电响应红外反射器件与实施例1相同，不同之处在于，液晶混合物包括负性液晶HNG30400-200：手性掺杂剂R1011：手性单体HCM-008：光引发剂Irgacure-819的重量比为90：5.5：3.5：1。

Claims (10)

1.一种电响应红外反射器件，其特征在于，包括相对设置的透光导电基板一和透光导电基板二，所述透光导电基板一和透光导电基板二之间封装形成调节区，所述调节区内填充有液晶混合物和电解质，所述液晶混合物包括负性液晶、手性掺杂剂、光引发剂和可聚合单体，所述光引发剂引发所述可聚合单体形成聚合物网络，所述负性液晶呈具有螺距的胆甾相，在所述透光导电基板一和所述透光导电基板二通电的状态下，所述负性液晶的螺距发生改变。
2.根据权利要求1所述的电响应红外反射器件，其特征在于，所述电解质为离子型表面活性剂、无机盐中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的电响应红外反射器件，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、咪唑盐、季铵盐中的至少一种；所述无机盐为过二硫酸盐。
4.根据权利要求3所述的电响应红外反射器件，其特征在于，所述咪唑盐选自1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐、溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑、1-癸基-3-甲基咪唑溴盐中的至少一种；所述季铵盐选自十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基苄基溴化铵中的至少一种；所述过二硫酸盐选自过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电响应红外反射器件，其特征在于，所述透光导电基板一和所述透光导电基板二朝向所述调节区的一侧设有平行配向层。
6.根据权利要求1-4任一项所述的电响应红外反射器件，其特征在于，所述电解质的重量为所述液晶混合物重量的0.001％～0.01％。
7.根据权利要求1-4任一项所述的电响应红外反射器件，其特征在于，所述手性掺杂剂为S1011、S811、R1011、R811中的至少一种。
8.根据权利要求1-4任一项所述的电响应红外反射器件，其特征在于，所述光引发剂为Irgacure-651、Irgacure-819、Irgacure-2959中的至少一种。
9.根据权利要求1-4任一项所述的电响应红外反射器件，其特征在于，所述可聚合单体为HCM-009、HCM-002、HCM008中的至少一种。
10.权利要求1-9任一项所述的电响应红外反射器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备或取透光导电基板一和透光导电基板二相对设置；
S2、在所述透光导电基板一和所述透光导电基板二相对的表面上涂覆配向层，并摩擦取向；
S3、取负性液晶、手性掺杂剂、光引发剂和可聚合单体混合，加热使液晶转变为各向同性的液态得到液晶混合物，将所述透光导电基板一和所述透光导电基板二封装成液晶盒，在所述液晶盒内填充所述液晶混合物和电解质；
S4、利用紫外光照射所述液晶盒。
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