一种液晶调光器件及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种液晶调光器件及其制备方法与应用 (Liquid crystal dimming device and preparation method and application thereof ) 是由 胡小文 张丽敏 阿尔伯特·斯凯宁 周国富 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种液晶调光器件及其制备方法与应用,所述液晶调光器件包括至少两块相对设置的透光导电基板,相邻两块透光导电基板间设有聚合物稳定胆甾相液晶层,所述聚合物稳定胆甾相液晶层包含电解质、聚合物网络和分散在所述聚合物网络中的胆甾相液晶；所述电解质中含有有机阳离子,所述聚合物网络能够捕获所述电解质中的有机阳离子。本发明方案的液晶调光器件能够同时实现隐私保护和温度调节功能。(The invention discloses a liquid crystal dimming device and a preparation method and application thereof, wherein the liquid crystal dimming device comprises at least two light-transmitting conductive substrates which are oppositely arranged, a polymer stable cholesteric liquid crystal layer is arranged between every two adjacent light-transmitting conductive substrates, and the polymer stable cholesteric liquid crystal layer comprises electrolyte, a polymer network and cholesteric liquid crystals dispersed in the polymer network; the electrolyte contains organic cations, and the polymer network can capture the organic cations in the electrolyte. The liquid crystal dimming device can simultaneously realize privacy protection and temperature regulation functions.)
技术领域
本发明属于调光器件技术领域，具体涉及一种液晶调光器件及其制备方法与应用。
背景技术
随着科学技术的发展，人们在追求更好的物质生活的同时，对于资源节约及环境友好材料的开发越来越重视。在日常生活中，有超过50％的能量被用于调节室内温度及照明，因此，在建筑领域，更环保的智能窗的开发格外重要。智能窗的开发主要集中于隐私保护或温度调节上，以满足消费者不同条件的需求。
现有的智能窗大多数只能满足其中一种需求，而无法做到同时满足隐私保护和温度调节，如基于聚合物稳定胆甾相液晶(PSCLC)的红外反射智能窗可以通过电压控制，有效地调节红外光的入射和反射，是实现温度调节最有效的一种手段；基于聚合物稳定液晶(PSLC)的调光智能窗，可以通过施加电压使液晶分子发生转动，降低透过率且使器件变模糊，从而达到隐私保护的效果。
然而，越来越多的人们期望，能够同时满足隐私保护和温度调节两种功能。基于此，开发新的液晶调光器件，以兼具保护隐私和温度调节具有重要意义。
本
背景技术
中所陈述内容并不代表承认其属于已公开的现有技术。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种液晶调光器件，能够兼具保护隐私和温度调节双功能。
本发明还提出一种上述液晶调光器件的制备方法。
本发明还提出一种上述液晶调光器件的应用。
根据本发明的一个方面，提出了液晶调光器件，包括至少两块相对设置的透光导电基板，相邻两块透光导电基板相对的一侧设有平行导向层，所述平行导向层间设有聚合物稳定胆甾相液晶层，所述聚合物稳定胆甾相液晶层包含电解质、聚合物网络和分散在所述聚合物网络中的胆甾相液晶；所述电解质中含有有机阳离子，所述聚合物网络能够捕获所述电解质中的有机阳离子。
根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：本发明方案的液晶调光器件能够同时实现隐私保护和温度调节功能，在未接入电压时，在平行导向层的作用下液晶分子呈平行排列，此时，反射带宽较小，大部分的红外线都能穿过液晶调光器件，从而产生热量，此时为非隔热状态；而当接入直流电压时，聚合物网络捕获液晶混合物中的阳离子，在电场的作用下，阳离子向阴极移动，导致阴极附近的聚合物网络被压缩，而阳极附近的聚合物网络被拉伸，从而形成具有一定螺距梯度的聚合物稳定胆甾相液晶体系。此时，反射带宽增宽，能够将更多的红外线反射回大气从而实现隔热的目的；当撤去直流电，而施加高频低压交流电时，胆甾相液晶在电场力作用下，排列紊乱，呈现模糊状态，从而能够实现隐私保护的效果；撤去电压后，由于聚合物网络的存在，胆甾相液晶分子能够再次恢复为初始的平等排列态。
在本发明的一些优选实施方式中，相邻两块透光导电基板间聚合物稳定胆甾相液晶层的层数为1层。单功能层的器件，不易出现双层或多层调光器件易出现的液晶扩散上下扩散进而导致器件失效等不良后果，表现出较好的稳定性。
在本发明的一些实施方式中，所述电解质为阳离子型表面活性剂；优选地，所述阳离子型表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十八烷基三甲基溴化铵、十六烷基氯化吡啶、十四烷基三甲基溴化铵、十二烷基氯化吡啶、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)或1-十四烷基-3甲基咪唑溴盐(C18H35N2Br)中的至少一种。也可采用其他的含有机阳离子的电解质，或其他阳离子型表面活性剂。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物网络由可交联的液晶单体与光引发剂作用形成。含有机阳离子的电解质能够在加电的条件下，带动网络向负极移动，从而使聚合物网络发生形变。
在本发明的一些优选实施方式中，所述可交联的液晶单体选自带有双键的丙烯酸酯；更优选地，所述可交联的液晶单体选自RM82或RM257中的至少一种。聚合物网络上的酯基基团捕获液晶混合物中的杂质阳离子，在电场的作用下，阳离子向阴极移动，导致阴极附近的聚合物网络被压缩，而阳极附近的聚合物网络被拉伸，从而形成具有一定螺距梯度的聚合物稳定胆甾相液晶体系。
在本发明的一些优选实施方式中，所述光引发剂选自能够在紫外光照射下引发不饱和单体聚合的化合物。
在本发明的一些优选实施方式中，所述光引发剂选自Irgacure-651、Irgacure-819、Irgacure-369或Irgacure-184中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述胆甾相液晶为由双频液晶材料和手性掺杂剂形成的螺旋结构。双频液晶材料是指介电各向异性(△ε)的正负会随着交流电压频率的变化而发生改变的液晶
在本发优选明的一些实施方式中，所述双频液晶材料选取室温不加电的情况呈现介电负性(-△ε)，加一定频率的交联电压后呈现介电正性(+△ε)。
在本发优选明的一些优选实施方式中，所述双频液晶材料选自商用液晶DP002-16或HEF951800-100中的光慈姑种。
在本发明的一些优选实施方式中，所述手性掺杂剂为左旋或右旋的液晶小分子，优选为选自CB-15、S1011、R1011、S811或R811中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述聚合物稳定胆甾相液晶层中还含有二色性染料；优选地，所述二色性染料选自RL008、RL013、RL014或RL002中的至少一种。所述二色性染料在平行或垂直光偏振方向对光分别有不同吸收系数，因此当偏振光平行或垂直通过二色性染料时器件显示出不同的颜色，弥补了PSCLC器件反射峰在红外波段无法显示颜色的缺点，赋予器件色彩丰富的特点，能够更好地满足人们日常生活的各种需求；而当在高压高频时，随着电压的增大，液晶分子和二色性染料与基板间将呈现垂直分布，使得器件呈透明无色状态，因此，本发明方案的器件颜色亦是可调的，具有广泛的应用前景。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述聚合物稳定胆甾相液晶层的制备原料包括液晶混合物和电解质，所述液晶混合物包括80～90质量份的双频液晶材料、1～10质量份的可交联的液晶单体、3～7质量份的手性掺杂剂、1～5质量份的光引发剂、0.1～0.5质量份的二色性染料，所述电解质的添加量为每g液晶混合物中添加(1～5)×10-6mol。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述平行导向层选自聚酰亚胺(PI)层或聚乙烯醇(PVA)层中的一种。也可以是其他的常用物质制成平行导向层。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述液晶调光器件还包括驱动组件；所述驱动组件包括电源组件，所述透光导电基板与所述电源组件电连接；优选地，所述电源组件包括电源、开关和导线；所述电源和开关通过导线电连接；更优选地，所述电源选自直流电流和交流电源中的至少一种。相邻的两块透光导电基板分别与电源的两极电连接，以控制液晶调光器件的电压。
根据本发明的另一个方面，提出了上述液晶调光器件的制备方法，包括如下步骤：
取透光导电基板，使相邻两块透光导电基板相对设置，在相对设置的两块透光导电基板相对的一侧设置平行导向层，在平行导向层间填入聚合物稳定胆甾相液晶层的制备原料，使所述制备原料固化形成聚合物稳定胆甾相液晶层，即得。
根据本发明的一种优选的实施方式的制备方法，至少具有以下有益效果：本发明方案的制备方法，操作简便，重现性好，具有良好的工业应用前景。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述填入利用的是毛细作用力。
根据本发明的再一个方面，提出了一种液晶调光装置，所述液晶调光装置包括上述液晶调光器件和电源组件，所述电源组件与所述液晶调光器件电连接。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述电源组件包括电源、开关和导线；所述电源和开关通过导线电连接；更优选地，所述电源选自直流电流和交流电源中的至少一种。相邻的两块透光导电基板分别与电源的两极电连接，以控制液晶调光器件的电压。
一种智能调光装置，所述智能调光装置包含上述液晶调光装置。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述智能调光装置为智能窗。可将上述液晶调光器件制备成可控的调节窗等智能调光装置或车载装置。
一种液晶调光装置的调节方法，包括如下步骤：通过调节电源组件的电压控制液晶调光装置的透光量和/或透明度。
在本发明的一些优选的实施方式中，调节电源组件的电压为直流电；优选约为60V的直流电。通入直流电增宽，可使调光组件呈现透明有颜色的状态。
在本发明的一些优选实施方式中，调节电源组件的电压为高频低压的交流电；优选地，所述高频低压为1kHz，0～60V电压(不含60V)。将电压控制在该范围内，可使得调光组件变得模糊，有颜色，更好地保护稳私。
在本发明的一些优选实施方式中，调节电源组件的电压为高频高压的交流电；优选地，所述高频高压为1kHz，60～100V电压。将电压控制在该范围内，可使得调光组件变得透明，无颜色，更好地控温。
根据本发明的一种优选的实施方式的应用，至少具有以下有益效果：本发明方案的调光器件，结构简单、成本低廉、功能多样，具有良好的应用前景。该调光器件能够同时实现隐私保护和温度调节，使红外反射智能窗等装置具有多样化的透光状态，同时，还节能环保，在车载玻璃、建筑领域等多种场景均具有良好的应用前景，能够满足人们日常生活的各种需求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例3中智能窗的结构示意图；
图2为本发明实施例3中液晶调光器件在0V电压下的结构示意图；
图3为本发明实施例3中液晶调光器件在60V电压下的结构示意图；
图4为本发明实施例3中液晶调光器件在高频低压下的结构示意图；
图5为本发明实施例3中液晶调光器件在高频高压下的结构示意图；
图6为常规PSCLC在不同电压下的波长-透光率曲线关系图；
图7为本发明实施例3中液晶调光器件在不同电压下的波长-透光率曲线关系图。
附图标记：11、第一透光导电基板本体；12、第一平行导向层；21、第二透光导电基板本体；22、第二平行导向层；3、间隔件；4、聚合物稳定胆甾相液晶层；5、液晶混合物；6、电解质；7、二色性染料；8、电源组件。
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。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
本实施例制备了一种液晶调光器件，该液晶调光器件，包括相对设置的第一透光导电基板和第二透光导电基板，第一透光导电基板包括依次层叠设置的第一透光导电基板本体11和第一平行导向层12，第二透光导电基板包括依次层叠设置的第二透光导电基板本体21和第二平行导向层22。第一透光导电基板和第二透光导电基板间设置有控制液晶盒厚的间隔件，间隔件由硅球和紫外固化胶组成，两者的质量比为1:99，第一透光导电基板和第二透光导电基板间通过毛细管作用力填有由添加有电解质的(1-十四烷基-3甲基咪唑溴盐)液晶混合物(80wt％双频液晶DP002-016、10wt％可交联的液晶单体RM257、7wt％手性掺杂剂CB-15、2.5wt％光引发剂Irgacure-819和0.5wt％的二色性染料RL014)制得的聚合物稳定胆甾相液晶层。
实施例2
本实施例制备了一种液晶调光器件，该液晶调光器件，包括相对设置的第一透光导电基板和第二透光导电基板，第一透光导电基板包括依次层叠设置的第一透光导电基板本体11和第一平行导向层12，第二透光导电基板包括依次层叠设置的第二透光导电基板本体21和第二平行导向层22。第一透光导电基板和第二透光导电基板间设置有控制液晶盒厚的间隔件3，间隔件3由硅球和紫外固化胶组成，两者的质量比为1:99，第一透光导电基板和第二透光导电基板间通过毛细管作用力填有由添加有电解质6的液晶混合物5(89.9wt％双频液晶DP002-016、5wt％可交联的液晶单体RM82、4wt％手性掺杂剂S1011、1wt％光引发剂Irgacure-651和0.1wt％的二色性染料RL002 7)制得的聚合物稳定胆甾相液晶层4。
具体过程为：
S1、液晶盒的制备：取干净的第一透光导电基板本体(ITO玻璃)和第二透光导电基板本体(ITO玻璃)，经紫外臭氧处理后，旋涂聚乙烯醇溶液，然后在60℃热台上加热1小时后冷却至室温分别形成第一平行导向层和第二平行导向层，平行导向层的厚度通常为40～60nm，本实施例中约为50nm。经摩擦取向后制成附着有平行配向层的第一透光导电基板和第二透光导电基板。利用30μm厚间隔件中含的紫外固化胶粘合制成液晶盒。
S2、固化：在黄光下，分别称取89.9wt％双频液晶HEF951800-100、5wt％可交联的液晶单体RM82、4wt％手性掺杂剂S1011、1wt％光引发剂Irgacure-651和0.1wt％的二色性染料并混合，再按每g液晶混合物加入1*10-6mol的CTAB，在热台以50r/s、60℃的条件搅拌5min，待其混合均匀得到液晶混合物；
(2)在60℃热台下，液晶混合物通过毛细作用填入液晶盒中，在手性掺杂剂的作用下形成聚合物稳定胆甾相液晶层。稳定5分钟后关闭热台，使其自然冷却至室温，接着将器件置于32mw/cm2的紫外光下固化3分钟，即制备聚合物稳定胆甾相液晶。
其中，可交联的液晶单体RM82的结构式为：
手性掺杂剂S1011的结构式为：
光引发剂Irgacure-651结构式为：
二色性染料RL002的结构式为：实施例3
本实施例制备了一种(红外反射)智能窗，具体过程为：取实施例2制得的液晶调光器件(包括相对设置的第一透光导电基板和第二透光导电基板，第一透光导电基板包括依次层叠设置的第一透光导电基板本体11和第一平行导向层12，第二透光导电基板包括依次层叠设置的第二透光导电基板本体21和第二平行导向层。第一透光导电基板和第二透光导电基板间设置有控制液晶盒厚的间隔件3，间隔件3由硅球和紫外固化胶组成，两者的质量比为1:99，第一透光导电基板和第二透光导电基板间通过毛细管作用力填有由添加有电解质6的液晶混合物5(89.9wt％双频液晶DP002-016、5wt％可交联的液晶单体RM82、4wt％手性掺杂剂S1011、1wt％光引发剂Irgacure-651和0.1wt％的二色性染料RL002 7)制得的聚合物稳定胆甾相液晶层4)，使第一透光导电基板与第二透光导电基板分别与电源组件8的两电极连接，即得，如图1所示智能窗。其中，液晶调光器件在未通入电压时的示意图如图2所示。从图2中可以看出，在接入电压为0V时，液晶分子呈平行排列，此时智能窗只能反射一小部分进红外光，而对其他波段无影响，呈透明有颜色非隔热态。
接入有60V直流电压时的液晶调光器件的示意图如图3所示。从图3中可以看出，在接入电压为60V时，液晶聚合物网络在离子运动的带动下发生压缩和拉伸，胆甾相液晶形成螺距梯度，因此反射带宽增宽，此时智能窗能够反射大部分的红外线，此时智能窗呈透明有色隔热态。
接入有45V，1kHz交流电压时的液晶调光器件的示意图如图4所示。从图4中可以看出，在接入45V，1kHz交流电时，双频液晶呈介电正性，在电场力的作用下，液晶分子发生转动，形成焦锥态，此时对入射光具有散射作用，反射作用较弱，此时智能窗呈模糊有色态。
接入有70V，1kHz交流电压时的液晶调光器件的示意图如图5所示。从图5中可以看出，在接入70V，1kHz交流电时，双频液晶呈介电正性，在电场力的作用下，液晶分子进一步发生转动，与基板垂直排列，且由于二色性染料分子此时的吸收系数较低，此时智能窗呈透明无色态。
常规的红外反射智能窗(不含电解质的PSCLC)与实施例3中的PSCLC在同等条件下的测得的不同波长下的透光率如图6～7所示。从图中可以看出，添加有CTAB等电解质具有更好地增宽效果。
上述实施例中，CTAB等电解质的作用机理是：当聚合物网络捕获的阳离子数越多时，其自身所带的正电越强，在外加电压的作用下网络形变也越大，导致了胆甾相的螺距被压缩或拉伸的程度越高，增加了螺距梯度，因此能够产生更大的反射带宽，起到反射更多红外光的效果。CTAB等电解质的主要作用为提供阳离子，同时，在聚合物稳定胆甾相液晶体系中，在紫外固化的过程中，光引发剂分解出自由基与有机物作用后也会产生一定量的阳离子，也能够实现聚合物网络形变的现象，但作用有限，因此有必要提供一些阳离子来达到更好的增宽效果。
综上所述，与常规的红外反射智能窗相比，本发明实施例方案的液晶调光器件具有结构简单、成本较低、功能多样等多重优点。本发明实施例方案的调节窗能够通过电压控制使其具有透明有色不隔热、透明有色隔热、模糊有色不隔热和透明无色不隔热四种状态，以同时实现隐私保护和温度调节双重功效，使红外反射智能窗具有多样化的透光状态，能够满足人们日常生活中的各种需求，不仅用途多样，还节能环保，在车载玻璃，建筑领域等有着较好的应用前景。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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