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北科大&北大楊槐/于美娜/王茜團(tuán)隊(duì) JMCA：具有被動(dòng)輻射冷卻和協(xié)同太陽光調(diào)控能力的智能調(diào)光膜
2024-09-10  來源：高分子科技

  聚合物分散液晶(PDLC)是一種液晶以微滴形狀分散在連續(xù)聚合物基體中的復(fù)合薄膜。在零場(chǎng)條件下，液晶分子無規(guī)取向，由于液晶微滴與聚合物基體之間的折射率不同，薄膜呈現(xiàn)不透明狀態(tài)。當(dāng)施加外部電場(chǎng)時(shí)，液晶分子重新排列與電場(chǎng)力方向一致，此時(shí)聚合物與液晶微滴折射率相匹配，薄膜呈現(xiàn)透明狀態(tài)。與傳統(tǒng)的電致變色和熱致變色智能窗相比，PDLC在光學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，它們的應(yīng)用受到一些缺點(diǎn)的限制，比如高驅(qū)動(dòng)電壓、低對(duì)比度和熱穩(wěn)定性差，尤其是高工作電壓，是研究人員一直在努力解決的問題。


  近日，北京科技大學(xué)楊槐/于美娜團(tuán)隊(duì)等人通過將高清亮點(diǎn)液晶單體引入PDLC體系中，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種可在較高溫度下仍保持著低電壓、高對(duì)比度和快速響應(yīng)的PDLC薄膜。該薄膜在智能顯示領(lǐng)域和智能窗領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以“An intelligent electrochromic film with passive radiative cooling and synergistic solar light control capabilities for display and smart windows”為題發(fā)表于Journal of materials chemistry A, 北京科技大學(xué)/北京大學(xué)楊槐教授、于美娜副研究員、王茜特聘副研究員為共同通訊作者，北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院博士生張作為為文章第一作者。


  本研究制備了一種低驅(qū)動(dòng)電壓、寬溫度范圍、高靈敏度的PDLC薄膜，研究了不同含氟液晶單體的分子結(jié)構(gòu)和濃度對(duì)薄膜物理參數(shù)和性能的影響。在體系中加入9wt%的3F3后，液晶的粘度和介電常數(shù)均有所提高，電光性能得到了較大幅度的改善。飽和電壓由23.6V降至11.9V。更重要的是，通過調(diào)節(jié)液晶分子和可聚合單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)，薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽光譜調(diào)制能力。同時(shí)，薄膜在中紅外區(qū)域具有較高的輻射效率，表現(xiàn)出優(yōu)異的輻射冷卻性能。太陽輻射模擬試驗(yàn)和輻射冷卻功率計(jì)算表明，該膜在白天和夜間的最大冷卻效率分別達(dá)到97.63和136.24W/m2/K。該研究為具有卓越的太陽光輻射熱調(diào)節(jié)能力和輻射冷卻功能的智能窗戶的發(fā)展提供了廣泛的可能性。


Figure 1. Schematic diagram of the preparing process and working mechanism of PDLC film.


  在該工作中首先研究了不同分子結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的含氟液晶單體對(duì)混晶E8物理性質(zhì)的提升及對(duì)PDLC薄膜電光性能的改善效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高清亮點(diǎn)的液晶單體引入到體系中可以拓寬PDLC薄膜的應(yīng)用溫度范圍，使其在較低和較高的溫度下仍然保持著較低的驅(qū)動(dòng)電壓和較高的對(duì)比度。圖2展示了不同薄膜樣品的微觀形貌和電光性能。圖3顯示了不同樣品在0-60℃范圍內(nèi)的電光性能變化情況，可以看到含氟單體3F3的加入使得樣品在60℃溫度下依然展示出了較低的驅(qū)動(dòng)電壓和較高的對(duì)比度，提升了薄膜的高溫穩(wěn)定性能。


Figure 2. (a) SEM micrographs of polymer network in samples B0-B4; (b) The voltage-dependent transmittance curves; (c) Vsat and CR of B0-B5 samples; (d) Vth and Vsat of B0-B5 samples; (e) TR and TD of samples B0-B5; (f) the corresponding ordinary refractive indices (no) of LCs in different samples; (g) Variation of Ton and Toff of samples;


Fig 3. (a-f) Reflection notch dispersion image of the five samples recorded at different temperatures, in which the transmittance is represented by the color; (g-i) (g) The Vsat; (h) CR; and (i) Response time of B3 sample at different temperatures.


  隨后研究了PDLC薄膜在智能顯示和智能窗兩個(gè)方向的應(yīng)用。首先展示了PDLC薄膜的三種不同顯示方式：其一為刻蝕透明導(dǎo)電電極，通過電極圖案化實(shí)現(xiàn)智能顯示；其二是利用PDLC本身對(duì)太陽光的透過率控制實(shí)現(xiàn)圖案顯示；其三是通過在PDLC薄膜上改變對(duì)比度實(shí)現(xiàn)圖案化，如圖4c所示，利用分步聚合，改變紫外光強(qiáng)從而改變聚合物薄膜的微觀形貌，實(shí)現(xiàn)兩處薄膜網(wǎng)孔的大小不同，從而利用對(duì)比度的不同實(shí)現(xiàn)圖案化。圖4e展示了PDLC薄膜在智能窗領(lǐng)域的應(yīng)用，其可以通過施加電壓大小實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的多級(jí)調(diào)控，值得一提的是毫秒級(jí)的響應(yīng)速度使其在智能窗領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明其具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性。


Fig 4. (a-b) Patterned PDLC based on different CRs in the on and off states; (c-d) Mechanism of the image-imbedded PDLC displays with the demonstrated photo images of word “B” and “Four-leaf clover” at several driving voltages; (e) transmittance images of the film at different voltages; (f) UV-Vis-NIR spectra at different voltages (g) reflection spectra of film at off-state and on-state; (h) the response time curve (sample B3); (i) the transmittance of the spectra of the initial film and the film after 100 cycles;


  最后通過光譜測(cè)試、室外模擬實(shí)驗(yàn)以及MATLAB模擬計(jì)算表明PDLC薄膜有著優(yōu)秀的輻射制冷效果，其特殊的微觀形貌以及基體內(nèi)豐富的化學(xué)鍵震動(dòng)使其在8-13微米的大氣窗口范圍內(nèi)有較高的發(fā)射率，可以實(shí)現(xiàn)全天候的輻射制冷效果。


Fig 5. (a) Solar transmittance and infrared emissivity curves; (b) Absorbance spectrum of PDLC film with ATR-FTIR spectroscopy; (c) the temperature variation of the films under simulated sun light; (d) Temperature of thin film under different voltages; (e) calculated net cooling power during the nighttime of PDLC film; (f) calculated net cooling power during the daytime of PDLC film; (g) variation of integral luminous transmittance in 380-780 nm (Tlum) and solar transmittance in 380-2500 nm (Tsol) under different voltages; (h) Response time and ΔTlum of PDLC film and EC switchable materials to compare their dynamic modulation capability.


  綜上所述，通過改變液晶分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，開發(fā)和制備了一種低電壓、寬溫度范圍、快速響應(yīng)的液晶/聚合物薄膜。該薄膜在0 ~ 60℃范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的電光性能（Vth=12.8, CR=98, TR=1.62ms, TD=33.5ms）。展示了其在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，該薄膜具有良好的太陽光譜調(diào)制能力(ΔTlum= 74.85%，ΔTsol= 66.37%)，不同程度的陽光調(diào)節(jié)可以通過在一天中施加不同的電壓來實(shí)現(xiàn)。在室內(nèi)日光模擬測(cè)試中，PDLC膜與常規(guī)膜相比可降低溫度約5.2℃。計(jì)算分析表明，白天和夜間的制冷功率分別為97.63和136.24W/m2/K。該研究為智能顯示和智能窗口領(lǐng)域的多功能復(fù)合薄膜的制備提供了一種有價(jià)值的方法。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/d4ta04621h

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（責(zé)任編輯：xu）
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