CN111158179B - 一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜及其状态转变方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜及其状态转变方法。该温控调光膜包括聚合物薄膜和其中均匀分散的椭球形液晶微液滴。椭球短轴垂直于薄膜表面，且具有短轴c＜长轴a＝b。在平行取向条件下，椭球中心区域胆甾相的螺旋轴垂直于薄膜平面，形成Bragg反射。因液晶微液滴的散射，薄膜呈不透明态，又因椭球中心区域胆甾相的Bragg反射，薄膜呈反射光的颜色。当温度变化，胆甾相螺距变化，反射光波长和薄膜颜色相应变化。当温度足够高，胆甾相转变为无序相，液晶折射率与薄膜折射率相匹配，薄膜呈无色透明态。该调光膜散射态颜色及其与无色透明态的切换均可通过温度调节，具有颜色可控、智能响应等优点，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及液晶应用技术领域，特别涉及一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜及其状态转变方法
背景技术
PDLC(polymer dispersed liquid crystal)，又称为聚合物分散液晶，是液晶以微液滴的形式分散在有机聚合物基体中。当液晶微液滴的折射率与薄膜的折射率不匹配时，薄膜呈不透明的散射态。当液晶微液滴的折射率与薄膜的折射率相匹配时，薄膜呈透明态。以PDLC温控调光膜为例，在低温下，因液晶微液滴向列相或胆甾相的折射率与薄膜的折射率不匹配，薄膜呈不透明态的散射态。当温度升高，液晶微液滴向列相或胆甾相转变为无序相时，液晶微液滴无序相的折射率与薄膜的折射率相匹配，薄膜呈透明态。但是传统PDLC温控调光膜中液晶微液滴的形状是球状的，具有各向同性，无论液晶相态是向列相还是胆甾相，液晶微液滴主要起到散射作用。因此，传统PDLC温控调光膜的散射态只能是白色不透明的。如果希望散射态呈一定颜色，一般需要添加染料。但是添加染料后，透明态也将呈染料的颜色。因此开发一种温控调控膜，实现散射态颜色可控及其与无色透明态的智能切换，满足实际情况的各种需求，具有重要意义。
本发明通过薄膜应力，将球状液晶微液滴压扁成椭球状液晶微液滴，打破球状液晶微液滴各向同性的性质，使平行取向条件下，椭球中心区域胆甾相的螺旋轴垂直于薄膜平面，形成Bragg反射，首次得到散射态颜色可控、透明态无色透明的温控调光膜。该调光膜散射态颜色及其与无色透明态的切换均可通过温度调节，具有颜色可控、智能响应等优点，应用前景广阔。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜及其状态转变方法。该温控调光膜包括聚合物薄膜和其中均匀分散的椭球形液晶微液滴。椭球短轴垂直于薄膜表面，且具有短轴c＜长轴a＝b。在平行取向条件下，椭球中心区域胆甾相的螺旋轴垂直于薄膜平面，形成Bragg反射。因液晶微液滴的散射，薄膜呈不透明态，又因椭球中心区域胆甾相的Bragg反射，薄膜呈反射光的颜色。当温度变化，胆甾相螺距变化，反射光波长和薄膜颜色相应变化。当温度足够高，胆甾相转变为无序相，液晶折射率与薄膜折射率相匹配，薄膜呈无色透明态。该调光膜散射态颜色及其与无色透明态的切换均可通过温度调节，具有颜色可控、智能响应等优点，应用前景广阔。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
1)将液晶向列相和一定量手性掺杂剂溶解在氯仿中，在热台上加热至其中氯仿完全挥发，得到液晶胆甾相。
2)将液晶加入聚合物水溶液中，通过磁力搅拌器均匀搅拌，将液晶微液滴均匀分散在聚合物水溶液中，得到液晶微液滴在聚合物水溶液中的均匀分散液；
3)将步骤1)所得的含有液晶微液滴的聚合物水溶液均匀涂布在基板上。随着水分挥发，聚合物逐渐成膜。在薄膜的应力下，均匀分散的球形液晶微液滴逐渐转变为扁平的椭球形液晶微液滴，椭球短轴垂直于薄膜表面，最终得到椭球形液晶微液滴均匀分散的液晶胆甾相温控膜。在聚合物薄膜的平行取向条件下，椭球形微液滴中的液晶胆甾相处于平面织构状态，螺旋轴方向平均而言垂直于薄膜所在表面，液晶分子的指向失是垂直于螺旋轴，平行于薄膜表面，对于波长满足的入射光呈Bragg反射。
4)将步骤2)所得的液晶胆甾相温控膜在热台上缓慢加热，观察到液晶胆甾相温控膜颜色随温度发生变化，温度增加，胆甾相液晶发生相变，转变为无序相，最终由有颜色的散射态转变为透射态，颜色逐渐消失变成全透明膜。
5)将步骤3)所得的液晶胆甾相温控膜进行缓慢降温，温度降低，螺距增加，观察到液晶胆甾相温控膜由全透明态逐渐转变为有颜色的散射态可调光膜。
优选的，所述的温控调光膜的厚度为20-25μm。
优选的，椭球状液晶微液滴的长轴和短轴的比值为2.5。
优选的，所述的聚合物为聚乙烯醇、明胶、卡拉胶、丙烯酸酯类、多烯硫醇中的一种或多种。
优选的，所述液晶向列相的质量分数为10％-40％。
优选的，所述聚合物的质量分数为60％-90％，浓度为5wt％-20wt％。
优选的，所述的椭球形液晶微液滴为5CB、E7、CB15、8CB中的一种或多种，手性剂为S811、S5011、R5011、R811中的一种或多种。
本发明还公开了一种胆甾相液晶的温控调光膜的状态转变方法，具体如下：
所述温控调光膜中椭球形液晶微液滴均匀分散，椭球形微液滴中的液晶分子处于平面织构状态，螺旋轴方向平均而言垂直于薄膜所在表面，液晶分子的指向失是垂直于螺旋轴，平行于薄膜表面，对于波长满足P＝nλ的入射光呈Bragg反射；将所述温控调光膜在热台上缓慢加热，温控调光膜颜色随温度发生变化，温度增加，螺距增大，对可见光由散射转变为透射，颜色逐渐消失变成全透明膜即呈透明态；将透明态的温控调光膜进行缓慢降温，温度降低，螺距减小，观察到胆甾相调光膜由透明态逐渐转变为有颜色的不透明态；通过对温控调光膜进行加热或降温即可实现胆甾相调光膜透明态和散射态的切换。
状态转变的原理是：椭球形液晶微液滴为胆甾相液晶，在平行取向条件下，椭球中心区域胆甾相的螺旋轴，垂直于薄膜平面，形成Bragg反射。因液晶微液滴的散射作用，薄膜呈不透明态，又因椭球中心区域胆甾相的Bragg反射作用，薄膜呈反射光的颜色。当温度变化，胆甾相螺距变大，反射的可见光波长发生红移，薄膜颜色相应变化，当温度足够高，胆甾相转变为无序相，液晶折射率与薄膜折射率相匹配，薄膜呈透明态。该调光膜散射态的颜色及其与透明态的切换均可通过温度来调节。
本发明的有益效果：该液晶胆甾相温控膜包括聚合物薄膜和其中均匀分散的椭球形液晶微液滴。椭球短轴垂直于薄膜表面，且具有短轴c＜长轴a＝b。在平行取向条件下，椭球中心区域胆甾相的螺旋轴，垂直于薄膜平面，对应调光膜散射态，胆甾相转变为无序相，液晶分子无序排列时，液晶折射率no与薄膜折射率np相匹配，薄膜呈透明态。通过调节温度可以实现椭球微液滴对可见光的散射和透射，从而实现薄膜散射态和透明态的相互转换。该调光膜散射态的颜色及其与透明态的切换均可通过温度来调节，具有结构色、图案可视化、颜色可控、永不褪色等优点，有广阔的应用前景。
附图说明
图1为温控调光膜散射态示意图；
图中：1、椭球形液晶微液滴，2、聚合物薄膜。
图2为温控调光透射态示意图；
图中：1、椭球形液晶微液滴，2、聚合物薄膜。
图3为为温控调光膜颜色随温度变化示意图；
图4为温控调光膜图案可视化示意图。
具体实施方式
实施例1
1)将1g 5CB向列相液晶和2.79mg R50111手性惨杂剂溶解于2ml氯仿溶液中，然后加热至80℃2h至氯仿完全挥发，得到5CB胆甾相液晶。
2)在1g胆甾相5CB中加入20ml质量分数为10wt.％的PVA(聚乙烯醇)溶液，通过磁力搅拌器均匀搅拌，将液晶微液滴均匀分散在聚乙烯醇水溶液中，得到液晶微液滴在聚乙烯醇水溶液中的均匀分散液；
3)将步骤2)所得的含有液晶微液滴的聚乙烯醇水溶液均匀涂布在基板上。随着水分挥发，聚合物逐渐成膜。在薄膜的应力下，均匀分散的球形液晶微液滴逐渐转变为扁平的椭球形液晶微液滴，椭球短轴垂直于薄膜表面，最终得到椭球形胆甾相液晶微液滴均匀分散的液晶聚合物薄膜。在常温下椭球形微液滴中的液晶分子处于平面织构状态，对外呈现蓝色；将胆甾相液晶薄膜加热到33℃时，5CB胆甾相液晶发生相变，胆甾相液晶薄膜由不透明蓝色转变为透明态，颜色逐渐有蓝色变为绿色最终变透明，如图3所示。从而实现薄膜散射态和透明态的相互转换。
实施例2
1)将1g 5CB向列相液晶和2.79mg R50111手性惨杂剂溶解于2ml氯仿溶液中，然后加热至8℃2h至氯仿完全挥发，得到5CB胆甾相液晶。
2)在1g胆甾相5CB中加入20ml质量分数为10wt.％的PVA(聚乙烯醇)溶液，通过磁力搅拌器均匀搅拌，将液晶微液滴均匀分散在聚乙烯醇水溶液中，得到液晶微液滴在聚乙烯醇水溶液中的均匀分散液；
3)将步骤2)所得的含有液晶微液滴的聚乙烯醇水溶液均匀涂布在基板上。随着水分挥发，聚合物逐渐成膜。在薄膜的应力下，均匀分散的球形液晶微液滴逐渐转变为扁平的椭球形液晶微液滴，椭球短轴垂直于薄膜表面，最终得到椭球形胆甾相液晶微液滴均匀分散的液晶聚合物薄膜。在常温下椭球形微液滴中的液晶分子处于平面织构状态，对外呈现蓝色；将胆甾相液晶薄膜加热到33℃时，5CB胆甾相液晶发生相变，胆甾相液晶薄膜由不透明蓝色转变为透明态，从而实现薄膜散射态和透明态的相互转换。
4)通过设计一个求是鹰图案的模板，调控胆甾相液晶薄膜局部温度和求是鹰图案模板的温度，可实现求是鹰图案在胆甾相液晶薄膜上可视化。调节“求是鹰”图案部分温度低于33℃，其余部分高于33℃，可以在薄膜上显示出求是鹰图案，如图4所示。
Claims (10)
1.一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜，所述温控调光膜的制备方法包括如下步骤：
1）将向列相液晶和一定量手性掺杂剂共同溶解在氯仿中，随后在热台上加热使氯仿完全挥发，向列相液晶分子和手性掺杂剂分子充分混合，得到螺距处于可见光范围内的胆甾相液晶；
2）将胆甾相液晶加入聚合物水溶液中，并通过磁力搅拌器均匀搅拌，将其分散成液晶微液滴，得到含均匀分散液晶微液滴的聚合物水溶液；
3）将步骤2）所得的含均匀分散液晶微液滴的聚合物水溶液均匀涂布在基板上；随着水分挥发，聚合物逐渐成膜；在薄膜的应力下，均匀分散的球状液晶微液滴逐渐转变为扁平的椭球状液晶微液滴，椭球短轴垂直于薄膜表面；在平行取向条件下，椭球中心区域胆甾相的螺旋轴垂直于薄膜平面，形成Bragg反射， 最终得到含均匀分散椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜，其特征在于，所述的温控调光膜的厚度为20-25μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜，其特征在于，温控调光膜中椭球形液晶微液滴的长轴和短轴的比值为2.5。
4.根据权利要求1所述的一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜，其特征在于，所述的聚合物为聚乙烯醇、明胶、卡拉胶、丙烯酸酯类、多烯硫醇中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜，其特征在于，步骤2）中，所述胆甾相液晶与聚合物水溶液中聚合物的质量比为1/9~2/3。
6.根据权利要求1所述的一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜，其特征在于，所述步骤2）聚合物水溶液中聚合物所占的质量分数为5%-20 %。
7.根据权利要求1所述的一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜，其特征在于，所述的椭球状液晶微液滴为5CB、E7、CB15中的一种或多种，手性掺杂剂为S811、S5011、R5011、R811中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜，其特征在于所述步骤1）中，液晶向列相与手性掺杂剂的质量比为1/99~2/3。
9.一种权利要求1所述的基于椭球状胆甾相液晶微液滴的温控调光膜的状态转变方法，其特征在于：
所述温控调光膜中椭球形液晶微液滴均匀分散，椭球状微液滴中的液晶分子处于平面织构状态，螺旋轴方向平均而言垂直于薄膜所在表面，液晶分子的指向失是垂直于螺旋轴，平行于薄膜表面，对于波长满足P=nλ的入射光呈 Bragg 反射；将所述温控调光膜在热台上缓慢加热，温控调光膜颜色随温度发生变化，温度增加，螺距增大，对可见光由散射转变为透射，颜色逐渐消失变成全透明膜即呈透明态；将透明态的温控调光膜进行缓慢降温，温度降低，螺距减小，观察到胆甾相调光膜由透明态逐渐转变为有颜色的不透明态；通过对温控调光膜进行加热或降温即可实现胆甾相调光膜透明态和散射态的切换。
10.如权利要求9所述的状态转变方法，其特征在于：所述的缓慢加热是指以1℃/min的速度进行加热，所述的缓慢降温是指以1℃/min的速度进行降温。
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