CN116300183A - 一种基于液晶及纳米粒子的光阀及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶及纳米粒子的光阀及其制备方法，属于光阀领域，该光阀包括：第一透明基层，以及与第一透明基层相对设置的第二透明基层，其中，所述第一透明基层与第二透明基层之间设置有PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液，所述第一透明基层与第二透明基层之间还设有聚合物基质以及分散在所述聚合物基质中的第一微囊与第二微囊，且第一微囊包括囊壁以及被囊壁包裹的囊芯，所述PDLC用液晶位于第一微囊的囊芯中，所述第二微囊为各向异性纳米颗粒分散液在聚合物基质中形成的囊泡。本发明，通过使用PDLC液晶材料和各向异性纳米材料混合来实现调光功能，避免了两种材料单独使用时颜色单一、无隔热功能、隐私功能较差的缺点。

Description

一种基于液晶及纳米粒子的光阀及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光阀，具体是一种基于液晶及纳米粒子的光阀及其制备方法。

背景技术

建筑物消耗化石燃料发电以满足其空调、供暖和人工照明负载需求而造成的能源消耗现在是最受关注的问题之一。窗户在商业和住宅建筑以及汽车的节能减排中发挥着重要作用，它们可以引导和控制光照、隔热、自然通风和美观。基于智能调光技术的智能窗可以调整窗户的透明度和隔热性来实现节能减排的目的。

目前智能调光技术主要为聚合物分散液晶（PDLC）技术，电致变色（EC）技术以及悬浮粒子（SPD）技术。上述三类技术都是通过在两个透明导电电极之间夹入电活性成分来实现的。在电致变色（EC）技术中，通过材料的氧化还原（得失电子）而产生颜色变化。在聚合物分散液晶（PDLC）技术中，产生光学变化的则是液晶分子，通过在两侧的透明导电极上施加电场来改变液晶分子的旋转状态来实现对光通量的调控；在悬浮粒子（SPD）技术中，产生光学响应的则是悬浮的纳米粒子，通过在两侧透明导电电极上施加电场，改变悬浮纳米粒子的旋转状态，来实现对光通量的调控。

然而现有PDLC技术只能实现透明/雾态两种状态的切换，无法实现光线的明暗调节，且没有隔热作用。因此，本领域技术人员提供了一种基于液晶及纳米粒子的光阀及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液晶及纳米粒子的光阀及其制备方法，通过使用PDLC液晶材料和各向异性纳米材料混合来实现调光功能，避免了两种材料单独使用时颜色单一、无隔热功能、隐私功能较差的缺点，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于液晶及纳米粒子的光阀，包括：第一透明基层，以及与第一透明基层相对设置的第二透明基层，

其中，所述第一透明基层与第二透明基层之间设置有PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液。

作为本发明进一步的方案：所述第一透明基层与第二透明基层之间还设有聚合物基质以及分散在所述聚合物基质中的第一微囊与第二微囊，且第一微囊包括囊壁以及被囊壁包裹的囊芯。

作为本发明再进一步的方案：所述PDLC用液晶位于第一微囊的囊芯中，所述第二微囊为各向异性纳米颗粒分散液在聚合物基质中形成的囊泡。

作为本发明再进一步的方案：所述各向异性纳米颗粒分散液位于第一微囊的囊芯中，所述第二微囊为PDLC用液晶在聚合物基质中形成的囊泡。

作为本发明再进一步的方案：所述第一微囊的囊壁包括聚氨酯树脂、聚脲树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、密胺树脂、聚酯树脂、有机硅树脂、二氧化硅中的一种或多种。

作为本发明再进一步的方案：所述第一微囊与第二微囊的尺寸为1-10μm。

作为本发明再进一步的方案：所述PDLC用液晶占聚合物基质的质量比不超过30%，所述各向异性纳米颗粒分散液占聚合物基质的质量比不超过5%。

作为本发明再进一步的方案：所述聚合物基质以及分散在所述聚合物基质中的第一微囊与第二微囊用于形成调光功能层，且调光功能层的厚度为10-100μm。

作为本发明再进一步的方案：所述聚合物基质包括有机硅树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂中的一种或多种。

作为本发明再进一步的方案：所述各向异性纳米颗粒分散液的各项异性纳米颗粒形状包括纳米棒、纳米片中的一种或多种。

作为本发明再进一步的方案：所述纳米棒的尺寸直径不超过100nm，和/或长径比在8-500。

作为本发明再进一步的方案：所述纳米棒包括氧化锌、氧化铜、二氧化钛、硫化铋、硫化镉、硫化锌、硒化锌、硒化镉、四氧化三铁中的一种或多种。

作为本发明再进一步的方案：所述纳米片的尺寸厚度不超过50nm，和/或直径在20-1000nm。

作为本发明再进一步的方案：所述纳米片包括硫化铜、硫化亚铜、硫化锆、硫化锡、硒化镉、硫化镉、硒化铋、石墨烯、黑磷中的一种或多种。

作为本发明再进一步的方案：所述第一透明基层与第二透明基层的相对面分别设有第一透明导电层与第二透明导电层。

本申请还公开了一种基于液晶及纳米粒子的光阀的制备方法，包括以下步骤：

制备PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液；

制备调光功能层，即将PDLC用液晶或各向异性纳米颗粒分散液放入第一微囊的囊芯中，再将各向异性纳米颗粒分散液或PDLC用液晶放入聚合物基质中形成第二微囊，最后将第一微囊与第二微囊分散在聚合物基质中形成调光功能层；

组装光阀的器件，即将上述所制备的调光功能层放入第一透明基层的第一透明导电层与第二透明基层的第二透明导电层之间；

将上述组装好的器件固化后得到所述光阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明使用PDLC液晶材料和各向异性纳米材料混合来实现调光功能，避免了两种材料单独使用时颜色单一、无隔热功能（单独使用液晶材料）、隐私功能较差（单独使用纳米颗粒）的缺点，通电前后同时实现雾、暗、明的三态变化。

2、本发明采用微胶囊法实现液晶材料和纳米颗粒与聚合物基质的分相，可减轻采用传统相分离方法时液晶材料和纳米颗粒在聚合物基质中的残留问题，使光阀状态切换前后对比度更明显。

附图说明

图1为一种基于液晶及纳米粒子的光阀的结构示意图。

图中：1、第一透明基层；2、第二透明基层；3、第一透明导电层；4、第二透明导电层；5、聚合物基质；6、第一微囊；7、第二微囊；8、调光功能层。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分（具体的种类和构造可能相同也可能不同），并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

正如本申请的背景技术中提及的，发明人经研究发现，现有智能调光技术主要为聚合物分散液晶（PDLC）技术，电致变色（EC）技术以及悬浮粒子（SPD）技术，其中，传统PDLC只能实现透明/雾态两种状态的切换，无法实现光线的明暗调节，且没有隔热作用。EC虽然可以在较低的电压下即可实现驱动，但是其响应速度慢，调光范围小，循环寿命有限，且目前仅能提供蓝色调光，无法有效满足实际应用需求。SPD则有着成本高，环境稳定性差，驱动电压高，且只能提供蓝色调光效果等诸多问题。根据性能与成本进行综合考虑后，还是PDLC更为适中，但PDLC目前存在的缺陷严重阻碍了它的发展。

为了解决上述缺陷，本申请公开了一种基于液晶及纳米粒子的光阀及其制备方法，使用PDLC液晶材料和各向异性纳米材料混合来实现调光功能，避免了两种材料单独使用时颜色单一、无隔热功能（单独使用液晶材料）、隐私功能较差（单独使用纳米颗粒）的缺点，通电前后同时实现雾、暗、明的三态变化。

以下将结合附图对本申请的方案如何解决上述技术问题详细介绍。

请参阅图1，本发明公开了一种基于液晶及纳米粒子的光阀，包括：第一透明基层1，以及与第一透明基层1相对设置的第二透明基层2，其中，第一透明基层1与第二透明基层2之间设置有PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液。透明基层能够在保证良好透光性的前提下为其它层提供承载基础，本申请是在两个透明基层之间设置PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液混合来实现调光功能，相较于单一材料的使用，更加优良。其中，PDLC用液晶在施加电场后改变其旋转状态来实现对光通量的调控，而各向异性纳米颗粒分散液的纳米颗粒在施加电场后改变其旋转状态来实现对光通量的调控。

可选的，第一透明基层1与第二透明基层2之间还设有聚合物基质5以及分散在聚合物基质5中的第一微囊6与第二微囊7，且第一微囊6包括囊壁以及被囊壁包裹的囊芯。本发明采用微胶囊法实现液晶材料和纳米颗粒与聚合物基质5的分相，可减轻采用传统相分离方法时液晶材料和纳米颗粒在聚合物基质5中的残留问题，使光阀状态切换前后对比度更明显。

可选的，PDLC用液晶位于第一微囊6的囊芯中，第二微囊7为各向异性纳米颗粒分散液在聚合物基质5中形成的囊泡。该设置保证PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液之间相互隔开，避免二者互相干扰。

可选的，各向异性纳米颗粒分散液位于第一微囊6的囊芯中，第二微囊7为PDLC用液晶在聚合物基质5中形成的囊泡。该设置保证PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液之间相互隔开，避免二者互相干扰。

可选的，第一微囊6的囊壁包括聚氨酯树脂、聚脲树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、密胺树脂、聚酯树脂、有机硅树脂、二氧化硅中的一种或多种。其中，聚氨酯树脂有更好的稳定性、耐化学性、回弹性和力学性能,具有更小的压缩变型性；聚脲树脂不容易腐蚀且保温效果不错；环氧树脂的绝缘性能高、结构强度大和密封性能好；丙烯酸酯树脂具有优良的耐热性、耐水性、耐溶剂性，耐磨耐划性；密胺树脂具有轻巧、美观、能耐低温、耐煮、不易碎的性能；聚酯树脂对水和各种化学物质具有足够的抵抗力；有机硅树脂具有优良的耐电晕、耐电弧性；二氧化硅的性质不活泼，较为稳定。

可选的，第一微囊6与第二微囊7的尺寸为1-10μm。微囊的尺寸太大则会影响光阀的透光性，而微囊的尺寸太小又会影响光阀的调光效果，故可以选取第一微囊6与第二微囊7的尺寸为1-10μm，以兼顾调光性能和透光性能，其中可以优先选择5μm。

可选的，PDLC用液晶占聚合物基质5的质量比不超过30%，各向异性纳米颗粒分散液占聚合物基质5的质量比不超过5%。PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液的重量占比与光阀的调光性能息息相关，占比太多会影响光阀整体的透光性，故可以选取PDLC用液晶占聚合物基质5的质量比不超过30%、各向异性纳米颗粒分散液占聚合物基质5的质量比不超过5%。

可选的，聚合物基质5以及分散在聚合物基质5中的第一微囊6与第二微囊7用于形成调光功能层8，且调光功能层8的厚度为10-100μm。调光功能层8的厚度太大，则不利于光阀减薄，调光功能层8厚度太小，则调光效果太弱，故可以选取调光功能层8的厚度为10-100μm，以兼顾调光性能和减薄性能，其中可以优先选择50μm的厚度。

可选的，聚合物基质5包括有机硅树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂中的一种或多种。有机硅树脂具有优良的耐高温性能和突出的介电性；环氧树脂的绝缘性能高、结构强度大和密封性能好；丙烯酸酯树脂具有优良的耐热性、耐水性、耐溶剂性，耐磨耐划性；聚氨酯树脂有更好的稳定性、耐化学性、回弹性和力学性能,具有更小的压缩变型性；聚酯树脂对水和各种化学物质具有足够的抵抗力。

可选的，各向异性纳米颗粒分散液的各项异性纳米颗粒形状包括纳米棒、纳米片中的一种或多种。纳米棒、纳米片在施加电场发生旋转时其截面发生变化更大，从而快速实现调光。

可选的，纳米棒的尺寸直径不超过100nm，和/或长径比在8-20。纳米棒的尺寸不宜过大，过大的话其旋转就会不顺畅，从而使得调光速度降低，故可以选取纳米棒的尺寸直径不超过100nm，和/或长径比在8-500。

可选的，纳米棒包括氧化锌、氧化铜、二氧化钛、硫化铋、硫化镉、硫化锌、硒化锌、硒化镉、四氧化三铁中的一种或多种，采用这些材质制作的纳米棒在施加电场后能够迅速反应。

可选的，纳米片的尺寸厚度不超过50nm，和/或直径在20-1000nm。纳米片的尺寸厚度不宜过大，过大的话其旋转就会不顺畅，从而使得调光速度降低，故可以选取纳米片的尺寸厚度不超过50nm，和/或直径在20-1000nm。

可选的，纳米片包括硫化铜、硫化亚铜、硫化锆、硫化锡、硒化镉、硫化镉、硒化铋、石墨烯、黑磷中的一种或多种，采用这些材质制作的纳米片在施加电场后能够迅速反应。

可选的，第一透明基层1与第二透明基层2的相对面分别设有第一透明导电层3与第二透明导电层4。第一透明导电层3与第二透明导电层4用来形成电场进行调光，第一透明导电层3与第二透明导电层4包括ITO（氧化铟锡）、FZO（F掺杂的氧化锌）、IZO（铟锌氧化物）、GZO（氧化镓锌）、AZO（铝掺杂的氧化锌）、纳米Ag线、导电石墨烯、纳米Cu线中的至少一种。

本申请还公开了一种基于液晶及纳米粒子的光阀的制备方法，包括以下步骤：

制备PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液；

制备调光功能层8，即将PDLC用液晶或各向异性纳米颗粒分散液放入第一微囊6的囊芯中，再将各向异性纳米颗粒分散液或PDLC用液晶放入聚合物基质5中形成第二微囊7，最后将第一微囊6与第二微囊7分散在聚合物基质5中形成调光功能层8；

组装光阀的器件，即将上述所制备的调光功能层8放入第一透明基层1的第一透明导电层3与第二透明基层2的第二透明导电层4之间；

将上述组装好的器件固化后得到光阀。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种基于液晶及纳米粒子的光阀及其制备方法进行详细描述。

实施例

在本实施例中，光阀的透明基层和透明导电层选择表面镀有纳米Ag线层的PET导电透明膜；聚合物基质5选择环氧改性的有机硅树脂；第一微囊6囊壁为PMMA树脂，囊芯为液晶材料，第二微囊7为直径5nm、长度50nm的氧化铜纳米棒分散液形成。氧化铜纳米棒分散液和液晶分别为有机硅树脂的5%和20%。

本实施例中的光阀在未通电时为黑褐色的雾态，通电时随着电压升高，光阀变为黑褐色的暗态，最终变为黑褐色的透明态。

实施例

在本实施例中，光阀的透明基层和透明导电层选择表面镀有纳米Ag线层的PET导电透明膜；聚合物基质5选择环氧改性的有机硅树脂；第一微囊6囊壁为聚氨酯树脂，囊芯为液晶材料，第二微囊7为厚度5nm、直径100nm的硫化铜纳米片分散液形成。硫化铜纳米片分散液和液晶分别为有机硅树脂的5%和20%。

本实施例中的光阀在未通电时为墨绿色的雾态，通电时随着电压升高，光阀变为墨绿色的暗态，最终变为墨绿色的透明态。

实施例

在本实施例中，光阀的透明基层和透明导电层选择表面镀有ITO层透明玻璃；聚合物基质5选择环氧树脂；第一微囊6囊壁为聚氨酯树脂，囊芯包含硫化铋纳米棒分散液，硫化铋纳米棒尺寸为直径10nm，长度150nm；第二微囊7为液晶形成。硫化铋纳米棒分散液和液晶分别为环氧树脂的2%和20%。

本实施例中的光阀在未通电时为黑褐色的雾态，通电时随着电压升高，光阀变为黑褐色的暗态，最终变为黑褐色的透明态。

实施例

本实施例与实施例三相比，不同之处为第二微囊7为包覆液晶的聚氨酯微胶囊。

本发明使用PDLC液晶材料和各向异性纳米材料混合来实现调光功能，避免了两种材料单独使用时颜色单一、无隔热功能（单独使用液晶材料）、隐私功能较差（单独使用纳米颗粒）的缺点，通电前后同时实现雾、暗、明的三态变化。此外，采用微胶囊法实现液晶材料和纳米颗粒与聚合物基质5的分相，可减轻采用传统相分离方法时液晶材料和纳米颗粒在聚合物基质5中的残留问题，使光阀状态切换前后对比度更明显。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，包括：

第一透明基层，以及与第一透明基层相对设置的第二透明基层，

其中，所述第一透明基层与第二透明基层之间设置有PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述第一透明基层与第二透明基层之间还设有聚合物基质以及分散在所述聚合物基质中的第一微囊与第二微囊，且第一微囊包括囊壁以及被囊壁包裹的囊芯。

3.根据权利要求2所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述PDLC用液晶位于第一微囊的囊芯中，所述第二微囊为各向异性纳米颗粒分散液在聚合物基质中形成的囊泡。

4.根据权利要求2所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述各向异性纳米颗粒分散液位于第一微囊的囊芯中，所述第二微囊为PDLC用液晶在聚合物基质中形成的囊泡。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述第一微囊的囊壁包括聚氨酯树脂、聚脲树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、密胺树脂、聚酯树脂、有机硅树脂、二氧化硅中的一种或多种。

6.根据权利要求2所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述第一微囊与第二微囊的尺寸为1-10μm。

7.根据权利要求2所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述PDLC用液晶占聚合物基质的质量比不超过30%，所述各向异性纳米颗粒分散液占聚合物基质的质量比不超过5%。

8.根据权利要求2所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述聚合物基质以及分散在所述聚合物基质中的第一微囊与第二微囊用于形成调光功能层，且调光功能层的厚度为10-100μm。

9.根据权利要求8所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述聚合物基质包括有机硅树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述各向异性纳米颗粒分散液的各项异性纳米颗粒形状包括纳米棒、纳米片中的一种或多种。

11.根据权利要求10所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述纳米棒的尺寸直径不超过100nm，和/或长径比在8-500。

12.根据权利要求10所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述纳米棒包括氧化锌、氧化铜、二氧化钛、硫化铋、硫化镉、硫化锌、硒化锌、硒化镉、四氧化三铁中的一种或多种。

13.根据权利要求10所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述纳米片的尺寸厚度不超过50nm，和/或直径在20-1000nm。

14.根据权利要求10所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述纳米片包括硫化铜、硫化亚铜、硫化锆、硫化锡、硒化镉、硫化镉、硒化铋、石墨烯、黑磷中的一种或多种。

15.根据权利要求1所述的一种基于液晶及纳米粒子的光阀，其特征在于，所述第一透明基层与第二透明基层的相对面分别设有第一透明导电层与第二透明导电层。

16.一种基于液晶及纳米粒子的光阀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备PDLC用液晶与各向异性纳米颗粒分散液；

制备调光功能层，即将PDLC用液晶或各向异性纳米颗粒分散液放入第一微囊的囊芯中，再将各向异性纳米颗粒分散液或PDLC用液晶放入聚合物基质中形成第二微囊，最后将第一微囊与第二微囊分散在聚合物基质中形成调光功能层；

组装光阀的器件，即将上述所制备的调光功能层放入第一透明基层的第一透明导电层与第二透明基层的第二透明导电层之间；

将上述组装好的器件固化后得到所述光阀。

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