CN112596317A - 具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于智能材料技术领域，公开了一种具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法及其应用，是取光响应分子马达、手性分子和向列相液晶混匀后，灌入具有三明治夹心结构的器件中，经自组装，制得能够用作智能检测材料、防护材料、隐身材料、伪装材料或时尚设计材料的具有紫外光驱动智能液晶变色器件。所得具有紫外光驱动智能液晶变色器件具有快速响应、稳定和可逆的变色行为，其变色行为和模式具有多样性，且可覆盖整个可见光范围，在不同强度的太阳光下可以显示不同的颜色，解决了目前的太阳光驱动变色器件变色行为差的问题。

Description

具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于智能材料技术领域，涉及液晶智能变色器件，具体地说是一种具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法及其应用。
背景技术
自然界中许多生物如变色龙在长期适应周围环境的进化过程中，具备了根据外界条件的变化改变自身身体颜色的能力。受生物体这种特性的启发，科研人员开发了一系列智能变色材料与器件，广泛应用于柔性机器人、防伪、伪装、隐身和显示等领域。
根据智能变色材料与器件的驱动方式，可分为温度、湿度、电场和应力等响应的智能变色材料与器件。由于太阳光是一种储量丰富、清洁环保和可再生的能源，并且太阳光驱动方式具备快速响应和远程精确控制等特性，太阳光驱动智能变色器件受到越来越多的关注。目前，所开发的太阳光驱动智能变色器件多是基于偶氮苯、螺吡喃衍生物等染料光致异构所产生的变色行为，存在太阳光辐照下变色行为和方式单一、光化学稳定性和循环稳定性较差等问题。
胆甾相液晶(CLCs)是一种具有反射特性的超螺旋结构，其中心反射波长λ＝nP，反射波宽(即反射率半高的波宽)为λo＝[(ne+no)/2]P，n为胆甾相液晶的平均折射率，ne和no分别为胆甾相液晶的非寻常光折射率和寻常光折射率，P为螺距，定义为液晶分子360°旋转时沿螺旋轴的距离。利用光响应手性分子螺旋扭曲力可调的特性，为构筑CLCs智能变色器件的设计提供了一个良好的平台。但开发太阳光驱动的CLCs智能变色器件仍存在一定的困难和挑战，主要是因为光响应手性分子螺旋扭曲力的可逆调节需要多种波长的光的协同作用。此外，激发光响应手性分子螺旋扭曲力变化所需光强较大。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，以解决目前的太阳光驱动变色器件变色行为差的问题；
本发明的另一个目的，是要提供上述制备方法制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件的应用。
本发明为实现上述的目的，所采用的技术方案如下：
一种具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，是取光响应分子马达、手性分子和向列相液晶混匀后，灌入具有三明治夹心结构的器件中，经自组装，即得所述具有紫外光驱动智能液晶变色器件。
作为一种限定，该制备方法包括依次进行的以下步骤：
1)取光响应分子马达、手性分子和向列相液晶混匀，得手性向列相液晶；
取透明的基板经平行取向处理，得具有三明治夹心结构的器件；
2)所述手性向列相液晶利用虹吸作用灌入所述具有三明治夹心结构的器件的夹心结构中，通过自组装，得具有特定光子带隙和超螺旋结构的所述具有紫外光驱动智能液晶变色器件。
作为进一步限定，所述基板为透明的刚性制品(如玻璃、透明塑料等)或透明的柔性聚合物薄膜；
透明的柔性聚合物薄膜为PET、PU或PE。
作为另一种限定，所述光响应分子马达为烯烃或烯烃衍生物；
所述烯烃衍生物是烯烃分子中的氢原子被其它官能团所取代而生成的有机化合物；
所述烯烃或烯烃衍生物为螺烯类化合物。
作为第三种限定，手性分子为R5011、S5011、R811、S811、R1011、S1011、R3011、S3011及CB15中的至少一种。
作为第四种限定，向列相液晶为在-50～150℃热稳定的向列相液晶；
所述向列相液晶为CB7CB、5CB、SCL1717、E7、E8及BLO38中的至少一种。
作为第五种限定，光响应分子马达、手性分子及向列相液晶三者之间的重量比为2.0～2.6：2.0～3.0：95.0～95.4。
作为第六种限定，所述具有三明治夹心结构的器件的制备过程包括依次进行的以下步骤：
取聚酰亚胺旋涂于基板表面加热固化，再经绒布机械摩擦，得具有平面取向层的基板；
所述基板上具有平面取向层的一面，沿任意相对的边缘分别涂覆掺杂玻璃微珠的紫外光固化胶，再于远离所述基板的所述紫外光固化胶一侧平行放置具有平面取向层的另一基板，所述另一基板的平行取向层与所述紫外光固化胶接合，经固定、紫外光照射固化，即得所述具有三明治夹心结构的器件。
本发明还提供了上述制备方法制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件作为智能检测材料、防护材料、隐身材料、伪装材料或时尚设计材料的应用。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
本发明通过将微弱紫外光条件下即可激发的手性化合物和光响应分子马达掺杂到向列相液晶中，得到具有太阳光刺激反射波长可逆变化的超结构手性向列相液晶，通过自组装得到具有特定光子带隙和超螺旋结构的具有紫外光驱动智能液晶变色器件，其光子带隙可调。所得具有紫外光驱动智能液晶变色器件具有快速响应、稳定和可逆的变色行为；
具有紫外光驱动智能液晶变色器件变色行为和模式具有多样性，且可覆盖整个可见光范围，在不同强度的太阳光下可以显示不同的颜色，太阳光照射下反射波长可由短波长移动到长波长，也可由长波长移动到短波长；
具有紫外光驱动智能液晶变色器件易于大面积制备，既可以选用透明玻璃作为基板制备刚性可擦出显示器件，也可以选用柔性PET薄膜作为基板制备柔性变色器件。
本发明的具有紫外光驱动智能液晶变色器件用作智能检测材料、防护材料、隐身材料、伪装材料或时尚设计材料。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1的部分工艺流程图；
图2是本发明实施例1制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1的超螺旋结构示意图；
图3是本发明实施例1制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1的不同光子带隙(反射颜色)照片；
图4是本发明实施例1制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1在不同紫外光强度的变色行为照片；
图5是本发明实施例1制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1的响应时间变色行为照片；
图6是本发明实施例1制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1的可擦除显示行为照片；
图7是本发明实施例1制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1的可擦除显示行为照片；
图8是本发明实施例2制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR2的不同紫外光强度变色行为照片；
图9是本发明实施例3制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR3的不同紫外光强度变色行为照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明，应当理解所描述的实施例仅用于解释本发明，并不限定本发明。
实施例1一种具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法
本实施例制备具有紫外光驱动智能液晶变色器件，包括依次进行的以下步骤：
1)取2kg光响应分子马达M10(右旋)、2.6kg手性分子R5011和95.4kg向列相液晶BLO38(热稳定性：23～119)混匀，得手性向列相液晶。
其中，光响应分子马达M10(右旋)的化学结构式为
Figure BDA0002841025320000051
(为烯烃衍生物)。
取PI2555旋涂于干净的玻璃表面加热固化，再经绒布机械摩擦，得具有平面取向层的基板；
所述基板上具有平面取向层的一面，沿任意相对的边缘分别涂覆掺杂尺寸为5μm的玻璃微珠的紫外光固化胶，再于远离所述基板的所述紫外光固化胶一侧平行放置具有平面取向层的另一基板，所述另一基板的平行取向层与所述紫外光固化胶接合，经按压固定后，进行紫外光照射固化，即得具有三明治夹心结构的器件，其工艺流程见图1。
2)利用虹吸作用，将手性向列相液晶灌入具有三明治夹心结构的器件的夹心结构中，通过自组装，得初始反射波长为450nm(蓝色)的具有特定光子带隙和超螺旋结构的具有紫外光驱动智能液晶变色器件，标记代码为MR1，其工艺流程见图1。
本实施例制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件可以直接用作智能检测材料、防护材料、隐身材料、伪装材料或时尚设计材料。
3)性能测试
所得具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1的超螺旋结构见图2，可看出在不同紫外光强度下，具有紫外光驱动智能液晶变色器件的超螺旋结构会发生变化，因而呈现出不同颜色。
所得具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1的不同光子带隙(反射颜色)见图3，可看出在不同紫外光强度下，具有紫外光驱动智能液晶变色器件呈现不同的颜色，室内为蓝色，室外为橘红色。
参见图4，所得具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1在不同紫外光强度下呈现不同颜色。具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1在紫外光强度为0.00mW/cm2时为蓝色，在紫外光强度为0.14mW/cm2时为绿色，在紫外光强度为0.30mW/cm2时为黄绿色，在紫外光强度为0.6mW/cm2时为橘红色。
参见图5，下午2点将所得具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR1置于户外太阳光照射下(紫外光强度0.6mW/cm2)，120s内颜色迅速由蓝色变为橘红色，将其移至室内时，397s内颜色由橘红色恢复到初始的蓝色，证明具有紫外光驱动智能液晶变色器件变色行为和模式具有多样性，且可覆盖整个可见光范围，在不同强度的太阳光下可以显示不同的颜色，太阳光照射下反射波长可由短波长移动到长波长，也可由长波长移动到短波长。
按上述制备方法制备两块完全相同的具有紫外光驱动智能液晶变色器件，参见图6、图7，一块在中间位置涂覆防晒霜，形状为三角形，形成透明的防晒霜薄膜层；另一块中间位置涂覆防晒霜，形状为正方形，形成透明的防晒霜薄膜层；分别将两块具有防晒霜薄膜层的具有紫外光驱动智能液晶变色器件置于下午两点的户外太阳光照射下(紫外光强度0.6mW/cm2)，可明显看出130s内，两块具有紫外光驱动智能液晶变色器件无防晒霜薄膜层的部位均由蓝色变为橘红色，而有防晒霜薄膜层的部位为绿色，明显与无防晒霜薄膜层的部位不同，形状与防晒霜薄膜层的形状对应；将两块具有紫外光驱动智能液晶变色器件重新移回室内，420s内由橘红色重新变回蓝色，有防晒霜薄膜层的部位均无法明显看出与无防晒霜薄膜层的部位的区别。上述实验证明，因透明的防晒霜薄膜层可降低紫外光的透过量，因此，在阳光照射下，有防晒霜薄膜层的部位与无防晒霜薄膜层的部位呈现处明显不同，而缺乏紫外光照射时则相同，证明具有紫外光驱动智能液晶变色器件可精确、迅速感知紫外光强度变化，并能够准确记录防晒霜薄膜层的形状图案等信息，且离开紫外光照射后能够迅速恢复初始状态。
实施例2～6具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法
实施例2～6分别为一种具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，它们的步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于原料用量的不同，具体详见表1：
表1实施例2～9中各项工艺参数一览表
Figure BDA0002841025320000071
Figure BDA0002841025320000081
其中，M11(左旋)的分子结构式为
Figure BDA0002841025320000082
5CB、SCL1717、E7、E8和BLO38的热稳定性均在-50～250℃热稳定之间。
参见图8，实施例2制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR2，初始反射波长670nm(红色)，在不同紫外光强度下呈现不同颜色。太阳光驱动液晶智能变色器MR2件在紫外光强度为0.00mW/cm2时为橘红色，在紫外光强度为0.14mW/cm2时为绿色，在紫外光强度为0.30mW/cm2时为黄绿色，在紫外光强度为0.6mW/cm2时为蓝色。
参见图9，将实施例3制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR3(类似PET薄膜)粘接于蜘蛛玩具上，初始反射波长450nm(蓝色)，置于不同紫外光强度下变为不同颜色，具有紫外光驱动智能液晶变色器件MR3在紫外光强度为0.00mW/cm2时为蓝色，在紫外光强度为0.10mW/cm2时为绿色，在紫外光强度为0.46mW/cm2时为黄绿色，在紫外光强度为0.6mW/cm2时为橘红色。
实施例2制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件可以直接用作智能检测材料、防护材料、隐身材料、伪装材料或时尚设计材料。
实施例3～6制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件(柔性)能够粘接于任何表面形貌和结构的基底上，用于智能检测、防护、隐身、伪装或时尚设计。
实施例2～6中其它部分的内容，与实施例1相同。
需要注意，实施例1～6，仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明所作的其他形式的限定，任何熟悉本专业的技术人员都可能利用上述技术内容作为启示加以变更或改型为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明权利要求的技术实质，对以上实施例所作出的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，其特征在于，它是取光响应分子马达、手性分子和向列相液晶混匀后，灌入具有三明治夹心结构的器件中，经自组装，即得所述具有紫外光驱动智能液晶变色器件。
2.根据权利要求1所述的具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，其特征在于，该制备方法包括依次进行的以下步骤：
1）取光响应分子马达、手性分子和向列相液晶混匀，得手性向列相液晶；
取透明的基板经平行取向处理，得具有三明治夹心结构的器件；
2）所述手性向列相液晶利用虹吸作用灌入所述具有三明治夹心结构的器件的夹心结构中，通过自组装，得所述具有紫外光驱动智能液晶变色器件。
3.根据权利要求2所述的具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，其特征在于，所述基板为透明的刚性制品或透明的柔性聚合物薄膜。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，其特征在于，所述光响应分子马达为烯烃或烯烃衍生物；
所述烯烃衍生物是烯烃分子中的氢原子被其它官能团所取代而生成的有机化合物。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，其特征在于，手性分子为R5011、S5011、R811、S811、R1011、S1011、R3011、S3011及CB15中的至少一种。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，其特征在于，向列相液晶为在-50~250℃热稳定的向列相液晶。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，其特征在于，光响应分子马达、手性分子及向列相液晶三者之间的重量比为2.0~2.6：2.0~3.0：95.0~95.4。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的具有紫外光驱动智能液晶变色器件的制备方法，其特征在于，所述具有三明治夹心结构的器件的制备过程包括依次进行的以下步骤：
取聚酰亚胺旋涂于基板表面加热固化，再经绒布机械摩擦，得具有平面取向层的基板；
所述基板上具有平面取向层的一面，沿任意相对的边缘分别涂覆掺杂玻璃微珠的紫外光固化胶，再于远离所述基板的所述紫外光固化胶一侧平行放置具有平面取向层的另一基板，所述另一基板的平行取向层与所述紫外光固化胶接合，经固定、紫外光照射固化，即得所述具有三明治夹心结构的器件。
9.权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备的具有紫外光驱动智能液晶变色器件作为智能检测材料、防护材料、隐身材料、伪装材料或时尚设计材料的应用。
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