反式液晶/聚合物分散薄膜的制备及光电性能研究

摘要

液晶/聚合物分散(liquid crystal/polymer dispersion，LCPD)光电薄膜是近20年发展起来的新型功能薄膜材料。LCPD光电薄膜可以应用于多种光电器件，如智能变色窗、滤波器、光开关等。并因其经济易制而逐渐表现出较常规扭曲向列型液晶器件更大的发展潜力和优势，因此，引起了液晶界的广泛关注。LCPD光电薄膜根据液晶和聚合物比例不同，可分为聚合物分散液晶(polymer dispersed liquid crystal，PDLC)与聚合物稳定液晶(polymer stabilizedliquid crystal，PSLC)两种。 LCPD薄膜光电变色主要依赖于液晶的光、电各向异性。电场下液晶取向从而改变液晶的折射率，造成体系光散射程度的不同达到变色的效果。和通常的LCPD分散薄膜相反，反式LCPD薄膜在电场下为不透明态，在无电场下为透明态。这对大多数时间需要透明态的光电器件来说，更加经济和方便。因此，反式光电薄膜的研究成为当今LCPD薄膜领域的一大热点。但目前反式薄膜都需要特种液晶作为材料，如胆甾液晶、负性液晶、双频液晶等。而目前生产最易，成本最低的却是正介电异向性(△ε>0)向列液晶。因此本文提出了一种新型反式模式——平行PSLC光电薄膜，利用向列液晶即可制备出成本更加低廉的反式光电薄膜。 本文设想该平行PSLC光电薄膜变色机理为：在无电场时，液晶在取向膜作用下平行基板排列。由于折射率趋近一致使薄膜透光率较高。当在薄膜上施加电场后，部分没有被聚合物网络限制的液晶分子由于介电异向性沿电场排列，另一部分限制在网络中的液晶则依然维持原来的平行基板状态，折射率的差异造成薄膜的透光率下降，实现了光电薄膜的反式效果。选用5CB做为液晶材料，分别合成了含柔性链的可聚合丙烯酸单体4′-(4-氰基苯基)苯氧基丁基-甲基丙烯酸酯和不含柔性链的甲基丙烯酸-4′-(4-氰基联苯)酯作为薄膜基体材料，制备了平行PSLC薄膜。并通过核磁共振氢谱(<'1>HNMR)对合成单体进行表征，用紫外-可见分光光度计和偏光显微镜(POM)对薄膜的光电性能进行了测试。本文同时讨论了柔性链、固化时间、温度、配方对光电薄膜性能的影响。 通过对比两种基体对薄膜透光率和光电性质的影响，可以看出使用单体4′-(4-氰基苯基)苯氧基丁基-甲基丙烯酸酯作为基体材料制备的薄膜在断电状态下具有高的透光率，通电状态下有较低的透光率，实现了较好的反式效果。通过偏光POM照片看出，单体4′-(4-氰基苯基)苯氧基丁基-甲基丙烯酸酯中的极性棒状基团可以在固化过程中与液晶共同在取向层作用下取向，而不会破坏液晶分子的排列，使体系具有均一的折射率。因此尽管聚4′-(4-氰基苯基)苯氧基丁基-甲基丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸-4′-(4-氰基联苯)酯折射率接近，但使用前者得到的反式薄膜的透光率比后者高得多。薄膜的紫外引发相分散在冰浴中进行，与在常温下进行相分散相比，由于温度较低，使聚合速度减慢，通过8小时以上的固化，可以得到相分散较好的PSLC光电薄膜。随着固化时间增加，聚合物网络变牢固，对液晶锚定能越大，薄膜的阈值电压升高，透光率降低。在液晶含量较高的体系中，则可以通过增加固化时间使薄膜在较高电场下的稳定性提高。在较低的单体含量体系中，聚合物对液晶的影响降低，液晶易于均匀取向使薄膜断电和通电状态下的透光率均增加，阈值电压降低。而对于单体含量较高的体系，在聚合过程中，过多的单体和聚合物使液晶在取向膜作用下的取向程度变差，液晶折射率差异也增加，这就导致了薄膜的透光率较低。

目录

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摘要

1综述

1.1液晶简介

1.1.1液晶的发现及概念

1.1.2液晶的分类

1.1.3液晶分子的结构特征

1.1.4液晶的物理性质

1.1.5液晶在光学器件上的应用

1.2液晶/聚合物分散物(LCPD)光电薄膜研究背景

1.2.1聚合物分散液晶(PDLC)光电薄膜

1.2.2聚合物稳定液晶(PSLC)光电薄膜

1.2.3 LCPD光电薄膜的制备方法

1.2.4 LCPD光电薄膜材料的选择

1.3智能变色窗的研究现状及应用前景

1.3.1智能变色窗的简介

1.3.2智能变色窗的应用

1.3.3智能变色窗应用前景

1.4本论文研究的目的和内容

2实验

2.1可聚合单体的结构设计

2.2可聚合单体的合成

2.2.1合成流程图

2.2.2合成所需仪器和试剂

2.2.3合成步骤

2.3平行PSLC薄膜的制备

2.3.1所需仪器及设备

2.3.2 ITO空盒的制备

2.3.3空盒灌装及成膜

2.4薄膜光电性能测试

3结果与讨论

3.1单体的合成

3.1.1合成条件对产物收率的影响

3.1.2可聚合单体及中间体结构表征

3.2平行PSLC薄膜变色原理

3.3液晶取向剂对液晶取向的影响

3.4固化温度对薄膜形态的影响

3.5单体结构对薄膜透光率的影响

3.6薄膜的光电性能

3.6.1单体含量对薄膜光电性能的影响

3.6.2固化时间对薄膜光电性能的影响

4结论

参考文献

作者在读期间的成果简介

致谢