CN111176044B - 一种基于椭球形液晶微液滴的双稳态pdlc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形液晶微液滴的双稳态PDLC膜及其状态转变方法。该双稳态PDLC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，椭球形微液滴中的液晶向列相形成双极结构。其双极轴沿椭球长轴方向，对应PDLC膜的散射态；双极轴沿椭球短轴方向，对应PDLC膜的透明态。利用双频液晶的双频响应特性，通过调节电场强度和频率可以实现双极轴沿椭球长轴和短轴的相互转换，从而实现薄膜散射态和透明态的相互转换。因微液滴的椭球形状，其散射态和透明态在移除电场后均可以一直维持。因此，该PDLC薄膜的散射态和透明态均不需要电场维持，具有节能、稳定等优点，具有广阔的应用前景。
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形液晶微液滴的双稳态PDLC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，是液晶以微米量级的小微滴分散在有机固态聚合物基体内。在微液滴中，由于平行取向，棍状液晶向列相形成双极结构。在没有电场的情况下，双极轴随机分布，即液晶微液滴的光轴随机分布。此时，液晶微液滴的折射率与聚合物基体的折射率不匹配，对透射光具有强烈的散射作用，PDLC薄膜呈现不透明的散射态。当施加电场时，棍状液晶分子倾向于与电场平行，致使双极轴沿电场方向排列，即液晶微液滴的光轴沿电场方向排列。此时，液晶微液滴的折射率与聚合物基体的折射率相匹配，透射光能够很好的通过PDLC薄膜，PDLC薄膜呈现透明态。当除去电场时，PDLC薄膜恢复不透明的散射状态。因此，PDLC薄膜的透明态需要电场维持，能耗高、使用寿命短，极大地影响其应用推广。相应地，实现PDLC膜透明态和散射态的双稳态切换具有重要意义。
本发明设计了一种基于椭球形液晶微液滴的双稳态PDLC膜。液晶微液滴在聚合物薄膜中呈扁平的椭球状，其椭球短轴垂直于薄膜表面。因椭球的特殊形状，棍状液晶双极轴沿椭球长轴排列(对应PDLC薄膜散射态)或短轴排列(对应PDLC薄膜透明态)，均可在没有电场的情况下稳定。其散射态和透明态的切换可以利用双频液晶的双频响应特性。当电场频率小于双频液晶临界频率时，棍状液晶分子倾向于沿电场排列，对应双极轴沿椭球短轴排列，PDLC薄膜呈透明态。当电场频率大于双频液晶临界频率时，棍状液晶分子倾向于沿电场垂直方向排列，对应双极轴沿椭球长轴排列，PDLC薄膜呈散射态。
该PDLC薄膜的散射态和透明态均不需要电场维持，具有节能、稳定等优点，具有广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于椭球形液晶微液滴双稳态PDLC膜的制备方法，该方法制备的PDLC薄膜的散射态和透明态均不需要电场维持，具有节能、稳定等优点，具有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明首先公开了一种基于椭球形液晶微液滴双稳态PDLC膜，其制备方法包括如下步骤：
1)将液晶加入聚合物水溶液中，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；
2)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PDLC薄膜。在聚合物薄膜的平行取向条件下，椭球形微液滴中的液晶向列相形成双极结构，双极轴沿椭球长轴方向，组成液晶向列相的棍状液晶分子沿椭球长轴方向排列，在薄膜平面内，PDLC薄膜呈散射态。
优选的，所述的PDLC膜的厚度为20-25μm。
优选的，椭球形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、ZLI 2061、TL202、ZLI2620、ZLI2248、ZLI4747、ZLI4330、ZLI1132中的一种或多种。
优选的，所述的椭球形液晶微液滴为双频液晶，所述的双频液晶为MLC-2048、MR-002、MR-003、MR-004、DP002-016、DP002-026、DP002-122、HEF967100-100中的一种或多种。
本发明公开了一种所述椭球形液晶微液滴的双稳态PDLC膜的状态转变方法，：
将所述的PDLC薄膜夹在含ITO电极的两块基板间，施加一定强度电场且电场频率小于双频液晶临界频率时，棍状液晶分子沿电场方向排列，双极轴沿椭球短轴方向，与薄膜平面垂直，PDLC薄膜呈透明态，移除电场后，PDLC薄膜保持透明态；
施加一定强度电场且电场频率大于双频液晶临界频率时，棍状液晶分子沿电场垂直方向排列，双极轴沿椭球长轴方向，在薄膜平面内，PDLC薄膜呈散射态，移除电场后，PDLC薄膜保持散射态。
通过施加电场并控制电场频率即可实现PDLC薄膜透明态和散射态的双稳态切换。
更为具体的，当椭球形微液滴中的液晶向列相形成双极结构。其双极轴沿椭球长轴方向，对应PDLC膜的散射态；双极轴沿椭球短轴方向，对应PDLC膜的透明态。对处于散射态的PDLC膜施加电场，所加电场强度超过阈值电场强度时，椭球形液晶微液滴转变为垂直取向状态，即实现散射态到透明态的转变；对处于透明态的PDLC膜加热到无序相再冷却，椭球形液晶微液滴恢复为水平取向，得到处于散射态的PDLC膜，即实现透明态到散射态的转变。
上述方法中，所加电场可以是交流电场或直流电场；向列相液晶只需电场强度超过阈值电场强度即可实现散射态到透明态的转变，与电场为交流或直流无关；双频液晶可在直流电场强度超过阈值电场强度实现散射态到透明态的转变；当所加电场为交流电场时，除电场强度超过阈值电场强度，一般还要求电场频率低于双频液晶的临界频率，以实现散射态到透明态的转变。
当所述的椭球形液晶微液滴为双频液晶，椭球形微液滴中的液晶向列相形成双极结构。其双极轴沿椭球长轴方向，对应PDLC膜的散射态；双极轴沿椭球短轴方向，对应PDLC膜的透明态。对处于散射态的PDLC膜施加电场，所加电场强度超过阈值电场强度时，椭球形液晶微液滴转变为垂直取向状态，即实现散射态到透明态的转变；施加一定强度电场且电场频率大于双频液晶临界频率时，棍状液晶分子沿电场垂直方向排列，双极轴沿椭球长轴方向，在薄膜平面内，PDLC薄膜呈散射态。移除电场后，PDLC薄膜保持散射态。即实现透明态到散射态的转变。优选的，所述的电场为方波型交流电场，强度为0.4V/μm-1.2V/μm，其频率为1kHZ-5MHZ。
本发明的有益效果：该双稳态PDLC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，椭球形微液滴中的液晶向列相形成双极结构。其双极轴沿椭球长轴方向，对应PDLC膜的散射态，具有正介电各向异性的液晶微粒无规则分布于聚合物材料中，所有液晶微粒均处于水平取向状态。此时液晶的折射率no与聚合物的折射率np是相互不匹配，所以光线被液晶微滴散射出去，使得PDLC外观呈现不透明或半透明状；双极轴沿椭球短轴方向，对应PDLC膜的透明态，由于正介电各向异性，所以液晶微滴的指向矢将沿电场方向取向，处于垂直取向状态，此时液晶的折射率no与聚合物的折射率匹配，光可以透过PDLC膜，PDLC膜将呈现出透明状。利用双频液晶的双频响应特性，通过调节电场强度和频率可以实现双极轴沿椭球长轴和短轴的相互转换，从而实现薄膜散射态和透明态的相互转换。因微液滴的椭球形状，其散射态和透明态在移除电场后均可以一直维持。因此，该PDLC薄膜的散射态和透明态均不需要电场维持，具有节能、稳定等优点，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为基于椭球形液晶微液滴双稳态PDLC膜两种状态示意图；
图中：1、椭球形液晶微液滴，2、聚合物薄膜，3、ITO电极，4、电源开关；
图2为双稳态的双频液晶PDLC膜的几种不同状态示意图；
图3为双稳态的向列相液晶PDLC膜的几种不同状态示意图；其中，图3(f)是撤去电场后，椭球状液滴中的液晶分子的取向。
图4(a)为不同平面锚定能下向列相液晶球在阈值电场作用下的指向矢重取向示意图(b)椭球形液晶微液滴由散射态转变为透明态的自由能和锚定能变化关系；(c)较强的表面锚强度(W＝0.1N/m)下，自由能随向列相液晶椭球尺寸的增大而增大；(d)较强的表面锚强度(W＝0.1N/m)下，自由能随向列相液晶椭球长径比的增大而增大；
图5为椭球形液晶微液滴的尺寸和阈值电场强度之间的关系；
如图1所示，(a)、(b)分别对应PDLC膜的两种工作状态，(a)对应散射态，(b)对应透明态。
如图2所示，散射态的双频液晶PDLC膜在施加的电场强度大于阈值电场强度EF，电场频率小于双频液晶的临界频率fc时，PDLC膜中椭球状液晶中的水平取向分子会转变为垂直取向，对应散射态的PDLC膜会转变为透明态，如(a)到(b)所示；透明态的PDLC膜(b)在电场移除之后，由于其垂直取向的液晶分子处于一个局部能量较高态，无法恢复水平取向，因此其液晶分子垂直取向在电场移除后仍能保持，对应透明态，如(b)到(c)所示；透明态的PDLC膜(b)在施加的电场强度大于阈值电场强度EF，电场频率大于双频液晶的临界频率fc时，PDLC膜中椭球状液晶中的垂直取向分子会转变为水平取向，对应透明态的PDLC膜会转变为散射态，如(c)到(d)所示；散射态的PDLC膜(d)在电场移除之后，其中的液晶分子仍能保持水平取向，PDLC膜仍能保持散射态不变，如图(d)到(a)所示。
如图3所示，散射态的向列相液晶PDLC膜(a)在施加的电场强度大于阈值电场强度EF，PDLC膜中椭球状液晶中的水平取向分子会转变为垂直取向，对应散射态的PDLC膜会转变为透明态，如(a)到(b)所示；透明态的PDLC膜(b)在电场移除之后，由于其垂直取向的液晶分子处于一个局部能量较高态，无法恢复水平取向，因此其液晶分子垂直取向在电场移除后仍能保持，对应透明态，如(b)到(c)所示。椭球状液滴中的液晶分子在阈值电场作用下由水平取向转变为垂直取向，双极轴沿垂直方向重定向，显示四个暗刷，如图(e)所示。椭球形液晶微液滴水平取向为双极结构，如图(d)所示，其双极轴位于水平薄膜平面上，在偏光显微镜下可以观察到两个点缺陷在微滴的两极。
如图4所示，(a)当所施加的电场强度超过阈值电场强度时，向列相液晶的指向矢重取向过程和平面锚定强度相关，锚定强度越大，向列相液晶由水平向转变为垂直取向需要的电场强度也越大。(b)水平取向和垂直取向的自由能差值与表面锚定能成正比，当表面锚定能足够大时，自由能就会保到达一个平台值。
较强的表面锚强度(W＝0.1N/m)下，(c)自由能随向列相液晶椭球尺寸的增大而增大，(d)自由能随向列相液晶椭球长径比的增大而增大。
如图5所示，通过实验，得到阈值电场强度的变化趋势随着液滴尺寸的增大而减少，与理论预测相符，因为自由能密度和电场强度成正比，自由能密度差和椭球的尺寸成反比，电场强度和向列相液晶椭球的尺寸成反比，实验结果和理论预测较好的匹配。
实施例1
1)在10mg双频液晶MLC-2048中加入5ml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；MLC-2048介电常数各向异性随频率f的升高逐渐减小，到达临界频率fc时介电各向异性为零，超过临界频率fc后变为负值。其性能参数为：fc～12kHz,no＝1.4978，Δn＝0.22，f＝1kHz时，Δε＝3.2；f＝50kHz时，Δε＝-3.1；
2)将步骤1)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，最终得到椭球形液晶微液滴均匀分散的PDLC薄膜。在聚合物薄膜的平行取向条件下，椭球形微液滴中的液晶向列相形成双极结构，双极轴沿椭球长轴方向，在薄膜平面内，PDLC薄膜呈散射态。
3)将步骤2)所得的PDLC薄膜夹在含ITO电极的两块基板间。施加一定强度电场且电场频率小于双频液晶临界频率时，棍状液晶分子沿电场方向排列，双极轴沿椭球短轴方向，与薄膜平面垂直，PDLC薄膜呈透明态。移除电场后，PDLC薄膜保持透明态。
4)对MLC-2048的液晶盒进行电光性能测试，测试方法为：在未施加电场时可以观察到分散有椭球状液滴的聚合物薄膜为非透明的，对应散射态，其椭球状液滴在显微镜下观察为水平取向；利用电压放大器计输出高倍电压，在ITO液晶盒上下两侧分别连接电源正负极，施加电压，通过改变电压放大器的输出为方波，调节输出电场强度为0.4V/μm(超过阈值电场强度0.2V/μm)，调节输出电压的频率为1kHz，即f＝1kHz，f＜fc，分散有椭球状液滴的聚合物薄膜为透明的，对应透射态其椭球状液滴在显微镜下观察为垂直取向。此时，调节电压放大器输方波的频率为50khz，即f＝50kHz，f＞fc，可以观察到分散有椭球状液滴的聚合物薄膜由透明状态转变为非透明的，对应散射态。从而通过改变加在液晶盒上电压的频率来调控PDLC膜的透明态和散射态。
实施例2
1)在10mg 5CB(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl4'-正戊基-4-氰基联苯)5CB向列相液晶中加入5ml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；
2)将步骤1)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，最终得到椭球形液晶微液滴均匀分散的PDLC薄膜。在聚合物薄膜的平行取向条件下，椭球形微液滴中的液晶向列相形成双极结构，双极轴沿椭球长轴方向，在薄膜平面内，PDLC薄膜呈散射态。
3)将步骤2)所得的PDLC薄膜夹在含ITO电极的两块基板间进行电光性能测试，测试方法为：利用电压放大器计输出高倍电压，在ITO液晶盒上下两侧分别连接电源正负极，施加电压，通过改变电压放大器的输出，调节输出直流电场强度为1.2V/μm(超过阈值电场强度)。通过肉眼直接观察样品可以发现，在未施加电场时可以观察到分散有椭球状液滴的聚合物薄膜为非透明的，对应散射态，其椭球状液滴在显微镜下观察为水平取向，当所施加的电场强度超过阈值电压时，分散有椭球状液滴的聚合物薄膜为透明的，对应透射态其椭球状液滴在显微镜下观察为垂直取向。当移除电场之后，椭球状液滴的垂直取向和分散有椭球状液滴的聚合物薄膜的透明状态仍能稳定保持。
Claims (5)
1.一种基于椭球形液晶微液滴的双稳态PDLC膜，所述PDLC膜制备方法包括如下步骤：
1）将液晶加入聚合物水溶液中，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；聚合物的质量分数为60%-90%，浓度为5wt %-20wt %；
2）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，椭球形液晶微液滴的长轴和短轴的比值为2.5，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PDLC膜，PDLC膜的厚度为20-25μm；在聚合物薄膜的平行取向条件下，椭球形微液滴中的液晶向列相形成双极结构，双极轴沿椭球长轴方向，组成液晶向列相的棍状液晶分子沿椭球长轴方向排列，在薄膜平面内，PDLC膜呈散射态；所述液晶向列相的质量分数为10%-40%。
2.根据权利要求1所述的椭球形液晶微液滴的双稳态PDLC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。
3.根据权利要求1所述的椭球形液晶微液滴的双稳态PDLC膜，其特征在于，所述的椭球形液晶微液滴为5CB、E7、CB15、ZLI 2061、TL202、ZLI2620、ZLI2248、ZLI4747、ZLI4330、ZLI1132中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的椭球形液晶微液滴的双稳态PDLC膜，其特征在于，所述的椭球形液晶微液滴为双频液晶，所述的双频液晶为MLC-2048、MR-002、MR-003、MR-004、DP002-016、DP002-026、DP002-122、HEF967100-100中的一种或多种。
5.一种权利要求4所述椭球形液晶微液滴的双稳态PDLC膜的状态转变方法，其特征在于：
将权利要求4所述的PDLC膜夹在含ITO电极的两块基板间，施加一定强度电场且电场频率小于双频液晶临界频率时，棍状液晶分子沿电场方向排列，双极轴沿椭球短轴方向，与薄膜平面垂直，PDLC膜呈透明态，移除电场后， PDLC膜保持透明态；
施加一定强度电场且电场频率大于双频液晶临界频率时，棍状液晶分子沿电场垂直方向排列，双极轴沿椭球长轴方向，在薄膜平面内，PDLC膜呈散射态，移除电场后，PDLC膜保持散射态；
通过施加电场并控制电场频率即可实现PDLC膜透明态和散射态的双稳态切换；
所述的电场为方波型交流电场，强度为0.4V/μm-1.2V/μm，其频率为1kHz-5 MHz。
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