单体浓度对双功能聚合物稳定胆甾相液晶智能玻璃光电性能的影响*

靳晓宇， 郝玉宁， 胡小文， 李明， 李国良

(1.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500；2.华南师范大学 先进光电子研究所，广东 广州 510006；3.云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

1 引言

聚合物稳定胆甾相液晶(polymer stabilized cholesteric liquid crystal,PSCLC)是一种具有优良光学性能的新型动态光子复合材料，在智能窗、传感器和反射器等领域表现出广泛的应用前景[1-2].PSCLC由聚合物网络与胆甾相液晶(cholesteric liquid crystal,CLC)组成，其中CLC由于自身特殊的螺旋结构而表现出布拉格反射特性[3-4].CLC的反射光波长由CLC的螺旋螺距(Helical pitch)决定[5-6].在外加电场的作用下，PSCLC中的聚合物网络和CLC相互作用，使CLC表现出不同的织构状态或螺距分布，从而对入射光表现出或透射或散射或反射的光学效应[7-8].

基于PSCLC复合材料的响应特性，研究人员提出了能够对不同波段的太阳光线进行调控的电响应PSCLC智能玻璃[9-10]，实现对可见光透射率和红外光反射带宽的控制，进而满足用户对隐私环境和温度控制的个性化需求，尤其是该器件红外反射功能在建筑节能领域的应用，有效降低了炎热气候下建筑内冷负荷，减少了建筑内能源成本[11].

研究发现，材料的组成在一定程度上影响智能玻璃的光电性能[12-13]，本文拟研究单体浓度对PSCLC智能玻璃在可见光透射及红外光反射的影响，并讨论了单体浓度在PSCLC调控双波段性能中的作用.

2 实验

2.1 实验材料

使用电子天平称量正介电各向异性液晶E7(江苏和成显示科技有限公司)、手性掺杂剂S811(南京乐瑶科技有限公司)、液晶单体HCM008(江苏和成显示科技有限公司)和光引发剂Irg651(麦克林)，并置于棕色试剂瓶中进行搅拌，在室温下混合均匀后获得液晶混合液.将聚酰亚胺(麦克林)和去离子水按照95∶5的比例进行配制并在60 ℃下搅拌均匀，制备得水平取向剂；将紫外固化胶和直径为30 μm的间隔子(深圳纳微科技有限公司)按照99∶1的比例进行配制并在室温下搅拌均匀，制得液晶盒子的固化胶.液晶盒子的基板选用ITO电极玻璃，包括平板电极玻璃和叉指电极玻璃两种.

2.2 PSCLC的制备

将超声清洁后的ITO玻璃放入紫外光清洗机中照射20 min，以去除玻璃表面的有机物杂质.照射结束后，使用均胶机在ITO导电面进行水平取向剂的旋涂，并在旋涂结束后置于热台进行烘干.使用天鹅绒布对烘干的ITO玻璃进行单向摩擦以获得具有平行取向的水平取向层.将覆盖有水平取向层的平板电极玻璃和叉指电极玻璃的取向面使用固化胶进行粘合并置于紫外光下固化1 min，得到具有水平取向的液晶盒.将液晶混合液在室温下填入液晶盒，填充完全后置于紫外光下进行3 min聚合反应，得到PSCLC智能玻璃器件.将液晶、手性掺杂剂、液晶单体和光引发剂按照表1所示的比例进行配置，获得5种不同单体浓度的液晶混合液，共制得5个PSCLC样品.

表1 PSCLC液晶混合液中各组成成分的质量分数

2.3 性能的表征

使用海洋光谱仪(Maya2000 Pro)对样品进行测试，获得不同电压下PSCLC在可见光波段的透射率和红外光波段的反射带宽，透射率为PSCLC在400～800 nm范围内的平均值，反射带宽为PSCLC反射带隙的半高全宽.

3 结果与讨论

不同单体浓度的PSCLC样品性能随施加电压的变化如图1所示.由图1(a)可见光透射率随所加交流电压的变化曲线可知，PSCLC的透射率随施加交流电压的增强而降低；随着交流电压的增强，样品1的透射率首先发生变化，在15 V后开始迅速下降；样品2和样品3的透射率在25 V和45 V后出现明显的下降；样品4和样品5的透射率在55 V和65 V后出现相对较缓的下降.图1(b)给出了PSCLC样品在可见光透射率不低于80%时红外光反射带宽随所加直流电压的变化，反射带宽随直流电压的增强而逐渐拓宽.随着直流电压的增强，样品1在可见光波段的透射率在30 V时下降至80%,而样品2、3、4和5的这一电压值分别为45、70、90 V和95 V.

可光聚合的液晶单体在紫外光照下进行光聚合反应形成聚合链，链与链之间再相互聚合形成聚合物网络，因此单体浓度决定着PSCLC中聚合物网络的致密程度，而聚合物网络又对PSCLC中的CLC具有锚定作用，聚合物网络越致密，其对CLC的锚定作用力越大.在5个样品中，样品1的单体浓度最小，形成的聚合物网络最疏松，对CLC的锚定作用力最小，因此相较于其他四个样品，样品1中的CLC最先在交流电场的驱动下突破聚合物网络的锚定作用力出现取向变化，又因为有聚合物网络的限制作用，所以PSCLC中的CLC取向从平行取向变为随机取向，CLC的织构从平面织构变为焦锥织构，焦锥织构的CLC对入射光表现出散射作用，导致PSCLC的透射率迅速下降.随着单体浓度的增大，聚合物网络的密度增大，其对CLC的锚定作用力也随之增大，所以样品的阈值电压也随之增加.

图1 不同PSCLC样品(a)可见光透射率和(b)红外光反射带宽随施加电压的变化曲线

样品1和样品2中的单体含量较少，其形成包绕在CLC周围的聚合物网络较为疏松.在直流电场的驱动下，CLC更容易突破聚合网络的束缚出现取向变化，所以样品1最先达到保持透明状态的临界值，样品2次之.聚合物网络中存在可以捕获PSCLC中游离阳离子的酯基，所以在外加直流电压对聚合物网络的机电力驱动下，正性的聚合物网络发生远离正极靠近负极的平移运动.因为聚合物网络是包绕在CLC周围的，所以在聚合物网络发生平移运动时CLC也被动的发生平移运动.CLC的螺距长度在正极附近被拉伸，在负极附近被压缩，CLC内形成螺距梯度从而引起PSCLC的反射带拓宽.并且，随着外加直流电压的增强，即直流电压对聚合物网络的机电力的增强，聚合物网络的平移形变会更加剧烈，CLC形成的螺距梯度更大，引起PSCLC更大宽度的反射.

4 结语

采用传统的聚合相分离方法，制备了具有不同单体浓度的双功能PSCLC器件，并且在研究过程中发现，单体浓度会影响PSCLC在双波段的光电性能.在一定的单体浓度范围内，单体浓度过低，形成的聚合物网络疏松不稳固，CLC更容易突破聚合物网络的锚定作用出现取向随机分布，这在可见光透射率的调控中是有利的，但是PSCLC调控红外光反射带宽以控制热量是受到限制的.单体浓度过高，形成的聚合物网络更加致密牢固，CLC有更大的潜力获得更不均匀的螺距分布从而表现出更宽的红外光反射带，但这也导致CLC取向发生变化的阈值电压过高，产生更多的功耗.选取合适的单体浓度，可以满足PSCLC在较低的驱动电压下实现了对可见光透射率及红外光反射带宽的调控，将这种双功能器件作为智能玻璃使用，能够满足建筑用户的个性化需求，并推动绿色建筑的节能化发展.