一种温度自适应液晶组合物及应用其的液晶调光器件的制作方法

1.本发明涉及建筑家居生活领域，具体涉及一种温度自适应液晶组合物及应用其的液晶调光器件。


背景技术：

2.据统计，由于当前建材行业使用的为普通玻璃或低辐射镀膜玻璃，因此，在家居环境和商业办公环境的室内耗电中，有50％以上用于温度调节，即夏天需要空调制冷，冬天需要暖气或空调制热。而最清洁的太阳能，在夏季却成了室内温度提升的罪魁祸首，在冬季也会因安装了低辐射镀膜玻璃而使得对其利用率非常低下。因此，需要一种实现对环境自适应控制的调光器件用于建材行业，实现在可见光区可透过，近红外区波长700nm～1500nm区间选择性反射，理想地，在30℃时，选择性反射波长可自动调节至800nm
‑
1100nm范围，且反射率≥50％，随着温度增加，选择性反射波长λ减小，反射800nm以下的波，达到隔热效果；冬季，随着温度降低，选择性反射波长λ增大，800nm
‑
1500nm的波透过，达到传递热量的效果。
3.我们定义：随温度升高选择性反射波长增加为正波长移动；随温度升高选择性反射波长减少为负波长移动。为实现上述目标，可通过多界面实现高反射，但还需要液晶调光器件的选择性反射波长呈现负波长移动且具有较大的波长偏移量。胆甾相液晶作为双稳态调光器件常用液晶，其平面态时中心反射波长满足布拉格反射定律：λ＝np，n为平均折射率，p为螺旋距，因此可通过调节p，调节选择性反射波长。又知，p＝1/(c*htp)，其中，c为手性掺杂材料的浓度，htp值为手性掺杂材料的螺旋扭曲常数，螺旋扭曲常数具有温度敏感性。在使用手性掺杂材料进行螺旋距调节时，发现常规手性掺杂剂，如cb15、s811、s5011、r811、r5011等随温度变化均显示出较小的波长偏移量无法实现温度自适应调节。
4.为消除或调控选择性反射波长的温度敏感性，研究者们已研究出数个能够显示出负波长移动的手性掺杂剂，但这些手性掺杂剂的液晶组合物均表现出较小的波长偏移量，且少量加入还会容易结晶。
5.因此，需要一款随温度升高具有较大负波长偏移量的双稳态调光器件以实现温度自适应的目标。


技术实现要素：

6.本技术主要解决了如何设计调光器件，实现对外界环境光线进行负波长移动并能控制反射率，从而实现室内温度自适应调节。
7.为实现上述目的，本技术提供了一种温度自适应液晶组合物，包括向列相液晶组合物、负温度敏感性手性组合物、双介晶组合物。
8.进一步的，所述向列相液晶组合物占液晶组合物总质量的40％～95％。
9.进一步的，所述向列相液晶组合物为具有向列相的液晶化合物中的至少一种。
10.进一步的，所述负温度敏感性手性组合物占液晶组合物总质量的0.1％～40％。
11.进一步的，所述负温度敏感性手性组合物包含具有相同或相反旋向的负温度敏感
性手性化合物中的至少一种。
12.进一步的，所述负温度敏感性手性化合物为r1或r2或r3，其中，
13.r1的结构式为
[0014][0015]
r2的结构式为
[0016][0017]
r3的结构式为
[0018][0019]
进一步的，所述负温度敏感性手性组合物还包含领域内常规手性化合物中的至少一种。
[0020]
进一步的，所述常规手性化合物为s811或s5011。
[0021]
进一步的，所述双介晶组组合物占液晶组合物总质量的5％～40％。
[0022]
进一步的，所述双介晶组合物包括分子中含有两个介晶基元的双介晶化合物中的至少一种。
[0023]
为实现上述目的，本技术还提供了一种液晶调光器件，包括相对设置的第一透明导电基层和第二透明导电基层，以及设于第一透明导电基层和第二透明导电基层之间的液晶层，所述液晶层包括上述所述的温度自适应液晶组合物。
[0024]
进一步的，所述液晶层的厚度为2μm～100μm。
[0025]
进一步的，所述液晶层的厚度为5μm～50μm。
[0026]
进一步的，所述第一透明导电基层和/或所述第二透明导电基层由透明基层和覆盖到所述透明基层上的透明导电电极制备而成。
[0027]
进一步的，所述透明导电基层为平板玻璃、钢化玻璃、半钢化玻璃、浮法玻璃、pet膜、ptfe膜中的任意一种。
[0028]
进一步的，制备所述透明导电电极的材料为金属氧化物薄膜、金属纳米线导线薄膜、金属网格、碳系导电薄膜中的至少一种。
[0029]
进一步的，在所述第一透明导电基层和所述液晶层之间和/或所述第二透明导电基层和所述液晶层之间设有配向层。
[0030]
进一步的，所述配向层的配向类型为基本平面取向或基本垂直取向。
[0031]
进一步的，所述配向层的取向方式为摩擦取向、光控取向、倾斜蒸镀发取向、lb膜法取向中的任意一种。
[0032]
进一步的，制备所述配向层的材料为聚酰亚胺、硅氧烷、pvb中的任意一种。
[0033]
本技术的有益效果在于，通过在向列相液晶组合物中加入负温度敏感性手性化合物或负温度敏感性手性组合物能实现随温度升高选择性反射波长往低波段移动，且具有较大的波长偏移量，进一步复合低温度敏感性手性化合物进行螺距调节，以提高稳定性，并通过加入具有低螺旋扭曲能力的双介晶化合物或双介晶组合物，进行弹性常数调节，维持优异的双稳特性，扩展波长偏移量，通过器件多界面反射提高反射率，最终实现由该组合物制备而成的调光器件对外界光线具有较大的负波长偏移量和较高的反射率，从而实现室内温度自适应调节。
附图说明
[0034]
图1为一种液晶调光器件的结构示意图；
[0035]
图2为对比例的反射光谱图；
[0036]
图3为实施例1的反射光谱图；
[0037]
图4为实施例2的反射光谱图；
[0038]
图5为实施例3的反射光谱图；
[0039]
图6为实施例4的反射光谱图；
[0040]
图7为实施例5的反射光谱图；
[0041]
图8为实施例6的反射光谱图；
[0042]
图中：1、第一透明导电基层；2、第二透明导电基层；3、液晶层；4、第一配向层；5、第二配向层。
具体实施方式
[0043]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，不用来限制本发明的范围。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0044]
为制备出性能优异的温度自适应调光玻璃，本技术提供了一种液晶组合物，包括向列相液晶组合物、负温度敏感性手性组合物、双介晶组合物。本方案中：用具有负波长移动高温度敏感性的手性材料实现随温度升高选择性反射波长往低波段移动，用领域内具有波长移动低温度敏感性的手性材料复合实现螺距调节，以提高稳定性，通过加入具有低螺旋扭曲能力的双介晶化合物或双介晶组合物，进行弹性常数调节，维持优异的双稳特性，扩展波长偏移量，并通过器件多界面反射提高反射率，实现对外界光线具有较大的负波长偏移量和较高的反射率，从而在保持双稳特性的基础上实现温度自适应调节。
[0045]
本技术中，作为优选的实施方案，所述向列相液晶组合物占液晶组合物总质量的40％～95％；作为进一步优选的实施方案，所述向列相液晶组合物占液晶组合物总质量的50％～92％。本技术中，所述的向列相液晶组合物优选为常用的具有向列相的液晶化合物中的至少一种，也就是所述的向列相液晶组合物可以为具有向列相的液晶化合物的组合，所述具有向列相的液晶化合物可以为公知的向列相液晶材料，不再赘述。向列相液晶组合物为双稳态调光器件提供基础的光电特性参数，是其具有调光功能的关键。
[0046]
本技术中，作为优选的实施方案，所述负温度敏感性手性组合物占液晶组合物总质量的0.1％～40％；作为进一步优选的实施方案，所述负温度敏感性手性组合物占液晶组合物总质量的0.1％～30％。所述负温度敏感性手性组合物包含具有相同或相反旋向的负温度敏感性手性化合物中的至少一种，所述负温度敏感手性化合物可以为但不仅仅限于r1、r2、r3等，其中，
[0047]
r1的结构式如下：
[0048][0049]
r2的结构式如下：
[0050][0051]
r3的结构式如下：
[0052][0053]
基于上述负温度敏感手性组合物，优选的，任意一种负温度敏感手性组合物还可包含领域内常规手性化合物中的至少一种，所述常规手性化合物可以为但不仅仅限于s811、s5011等，上述所述常规手性化合物具有随温度变化较小的波长偏移量，但可与上述手性化合物复合后进行螺距调节，以提高稳定性。进一步的，还可通过进一步复合低温度敏感性手性化合物进行螺距调节，使得选择性反射波长能自动调节至所需波段范围。
[0054]
本技术中，作为优选的实施方案，所述双介晶组合物占液晶组合物总质量的5％～40％；作为进一步优选的实施方案，所述双介晶组合物占液晶组合物总质量的5％～30％。
所述双介晶组合物包括分子中含有两个介晶基元的双介晶化合物中的至少一种。所述双介晶化合物为分子中包含两个介晶基元的液晶化合物，也就是说双介晶化合物的分子中包含两个可诱导液晶相能力的基团。
[0055]
本技术技术方案的反应原理如下：双介晶化合物和向列相液晶化合物在手性化合物的作用下可形成手性向列相(即胆甾相)，从而使调光器件具有两个稳定状态：使入射光基本上直射的透过态和使入射光基本上散射的雾态。在透过态时，胆甾相液晶分子基本上平行于调光器件表面，其螺旋轴与调光器件表面垂直，从而形成胆甾相液晶的平面态织构，在此状态下，入射光基本上不受影响地保持原入射角度通过调光器件；在雾态时，胆甾相液晶分子形成焦锥态织构，此时入射光基本上被散射，形成雾度较大的状态。双介晶化合物由于其特殊的弹性系数，可作为弹性常数调剂，使得双稳态液晶从垂直态到平面态的弛豫时间缩短，还可改善液晶分子平面排列的均一性，减少织构缺陷，从而降低双稳态调光器件在透过态的雾度，同时提高雾态的雾度。此外，双介晶化合物作为弹性常数调节剂，对胆甾相液晶的螺旋扭曲能力有一定影响，可通过对螺旋扭曲能力的影响实现对波长偏移量的调节。
[0056]
为实现制备出性能优异的温度自适应调光玻璃的目的，本技术提供了一种液晶调光器件，包括相对设置的第一透明导电基层和第二透明导电基层，以及设于第一透明导电基层和第二透明导电基层之间的液晶层，所述液晶层包括上述所述的温度自适应液晶组合物。本技术中，作为优选的实施方案，所述液晶层的厚度为2μm～100μm；作为进一步优选的实施方案，所述液晶层的厚度为5μm～50μm。该液晶调光器件能够实现随温度升高选择性反射波长呈现负波长移动，波长偏移量≤
‑
6.5nm/℃，理想的≤
‑
12.0nm/℃，温度30℃时选择性反射波长能自动调节至800nm—1100nm范围，且反射率≥50％。
[0057]
作为优选的实施方案，在所述第一透明导电基层和所述液晶层之间和/或所述第二透明导电基层和所述液晶层之间设有配向层；作为进一步优选的实施方案，制备所述配向层的材料为聚酰亚胺、硅氧烷、pvb中的任意一种；所述配向层的配向类型为基本平面取向或基本垂直取向：基本平面取向即配向层表面的液晶分子长轴基本平行于配向层表面，如tn、ips、stn型等；基本垂直取向即液晶分子长轴基本垂直于配向层表面，如va型。作为优选的实施方案，所述配向层的取向方式为摩擦取向、光控取向、倾斜蒸镀发取向、lb膜法取向中的任意一种。
[0058]
本技术中，作为优选的实施方案，所述第一透明导电基层和/或所述第二透明导电基层由透明基层和覆盖到所述透明基层上的透明导电电极制备而成；作为进一步优选的实施方案，所述透明导电基层可以为但不仅仅限于平板玻璃、钢化玻璃、半钢化玻璃、浮法玻璃、pet膜、ptfe膜中的任意一种，制备所述透明导电电极的材料可以为但不仅仅限于金属氧化物薄膜、金属纳米线导线薄膜、金属网格、碳系导电薄膜等中的至少一种。
[0059]
为佐证本技术方案制备成的调光玻璃具有优异的温度自适应调节功能，本技术还提供了以下一系列实施例：
[0060]
本技术实施例提供了一种调光器件，如图1所示，包括相对设置的第一透明导电基层和第二透明导电基层，以及设于第一透明导电基层和第二透明导电基层之间的液晶层，在所述第一透明基层和所述液晶层之间设有第一配向层，在所述第二透明基层和所述液晶层之间设有第二配向层，其中液晶层包括上述所述的温度自适应液晶组合物，其包括向列
相液晶组合物、负温度敏感性手性组合物和双介晶组合物。液晶层的厚度为7
‑
30微米，第一透明导电基层和第二透明导电基层均为平板玻璃/ito模式，所述第一配向层和所述第二配向层的配向层材料均为聚酰亚胺，所述第一配向层和所述第二配向层的配向类型均为tn型。
[0061]
本技术实施例中按照各实施例规定的液晶组合物的配比进行制备，液晶组合物的制备按照本领域常规方法进行，具体步骤如下：先按照相应的质量百分比称量各组分组合物或化合物于玻璃瓶中，加入磁力搅拌子，置于加热台上，加热搅拌至样品瓶中的液晶组合物至清亮，继续加热搅拌30分钟，停止加热，继续搅拌2小时。
[0062]
为了便于表达，表一中给出了可以制备向列相液晶化合物或双介晶化合物的一系列基团的名称和单元结构并将不同的单元结构用代码进行了表示，制备向列相液晶化合物或双介晶化合物的基团不仅仅限于表一中所述的类型。
[0063]
表一：制备向列相液晶化合物的基团的名称、单元结构及代码
[0064][0065]
表一中的代码使用问题：例“5ppn”，按照表一所示的命名原则，其对应的结构为
[0066][0067]
例“n＝3”，按照表一所示的命名原则，其对应的结构为
‑
c3h7。
[0068]
为验证本技术提供的温度自适应液晶组合物具有优异的技术效果，本技术提供了一组由表一中的基团制备的具有向列相的向列相液晶化合物，其组分代码分别为5ppn、2ppn、2oppn、3oppn、5oppn、6oppn、3cpn、5cpn、3ppn、7ppn、4ppn，向列相液晶化合物的类型
不仅仅限于上述组分代码代表的向列相液晶化合物，还可以为由表一中的基团制备的其它具有向列相的向列相液晶化合物，如表二中所示，还给出了一种由上述一组中的向列相液晶化合物制备成的向列相液晶组合物a，下述仅仅以向列相液晶组合物a为例制备成了具有不同含量的向列相液晶组合物a的液晶调光器件，并测试了液晶调光器件的性能，进一步验证了本技术温度自适应液晶组合物的性能，其实施例中向列相液晶组合物a仅仅是具有向列相的向列相液晶组合物的代表，因为向列相液晶组合物的主要作用是为液晶调光器件提供基础的光电特性，因此，应用到本技术技术方案中的其它具有向列相的并提供基础光电特性的向列相液晶组合物均适用于本技术技术方案。向列相液晶组合物a的组分如表二所示，其中组成向列相液晶组合物a的各类型向列相液晶化合物均以质量百分含量计。
[0069]
表二：向列相液晶组合物a的组分
[0070]
组分代码质量百分比/％组分代码质量百分比/％5ppn22.53cpn10.12ppn11.25cpn10.12oppn3.43ppn10.13oppn3.47ppn10.15oppn3.44ppn12.36oppn3.4
ꢀꢀ
[0071]
本技术中还给出了添加到液晶组合物中的负温度敏感手性化合物的类型，其代码及相应的结构如表三所示，负温度敏感手性化合物的类型不仅仅限于表三中所述的类型。
[0072]
表三：制备液晶组合物的负温度敏感手性化合物的代码及结构
[0073]
[0074][0075]
本技术以向列相液晶组合物a为基础制备了7种不同组分的液晶组合物，并将其制备成了液晶调光器件及进行了性能检测，液晶组合物配方及性能测试结果如表4所示，其中，向列相液晶组合物a、各类型负温度敏感性手性化合物以及各类型双介晶化合物均以质量百分含量计。本技术制备的液晶调光器件的实施例中：对比例为液晶调光器件的液晶层液晶组合物中未添加双介晶化合物，实施例1
‑
6为液晶调光器件的液晶层均添加了不同种类不同比例双介晶化合物。其中，不同温度反射光谱测试设备性能测试过程中选用的设备为紫外可见光谱仪、mk2000温度控制器，测量条件：a)环境条件：由温度控制器进行调控；b)暗室条件：在暗室中测量；c)预热条件：光源预热30min；d)测试方向：采用垂直于样品表面；e)测量位置：测量点位于调光器件的有效区。
[0076]
在以下实施例中，以波峰反射率为该波段的反射率，以半峰高处波长算术平均值为选择性反射波长值，要求选择的两个温度下的半峰高波长均在测试波段显示，以
△
λ/
△
t评价波长偏移量的大小，优选以
△
λ(40℃
‑
10℃)为测试温度波段，如该温度段的半峰高波长未在测试波段完整显示，则可在此温度范围以上下10℃进行温度调节，
△
t均取30℃。在以下实施例中，雾态/透明态的雾度通过wgt
‑
s型雾度仪进行测量，测量温度25℃
±
2℃。
[0077]
表四：对比例及实施例1
‑
6液晶组合物配方及对应的液晶调光器件的性能结果
[0078][0079]
表四中，各实施例中各物质对应的数字单位均采用质量百分比，其中：对比例的反射光谱图如图2所示，实施例1的反射光谱图如图3所示，实施例2的反射光谱图如图4所示，实施例3的反射光谱图如图5所示，实施例4的反射光谱图如图6所示，实施例5的反射光谱图如图7所示，实施例6的反射光谱图如图8所示。
[0080]
通过以上实施例和对比例，可知本发明加入双介晶化合物或组合物的调光器件能实现负波长偏移量显著增大，理想的，波长偏移量
‑
12.8℃/min；本发明的对比例及实施例均有优异的稳定性；本发明的对比例及实施例在30℃时均能自动调节至800nm～1100nm范围，且反射率＞50％，实现环境温度自适应调节。本发明的液晶调光器件也可用于从低温无色到高温显色的应用领域，如防伪标签、数据加密、变色玻璃、调节玻璃、农作物种植等。
[0081]
综上所述，本技术提供了一种温度自适应液晶组合物及应用其的液晶调光器件，其液晶组合物包括向列相液晶组合物、负温度敏感性手性组合物以及双介晶组合物。液晶组合物中负温度敏感性手性化合物或负温度敏感性手性组合物能实现随温度升高选择性反射波长往低波段移动，且具有较大的波长偏移量，进一步复合常规的低温度敏感性的手性化合物后能实现螺距调节，提高稳定性，通过加入具有低螺旋扭曲能力的双介晶化合物或双介晶组合物，能维持优异双稳特性基础上，扩展波长偏移量。
[0082]
由液晶组合物制备而成的调光器件能够实现随温度升高发生负波长移动，波长偏移量≤
‑
6.5nm/℃，理想的≤
‑
12.0nm/℃，温度30℃时选择性反射波长能自动调节至800nm
～1100nm范围，且反射率≥50％，最终实现液晶调光器件对外界光线具有较大的负波长偏移量和较高的反射率，从而实现对室内温度的自适应调节。
[0083]
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0084]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。