張藝瑜， 宋春風(fēng)， 郭金寶

(北京化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100029)

1 引 言

有研究表明，在現(xiàn)代社會(huì)中, 大部分地區(qū)將近一半的建筑能耗被用于采暖、冷卻和換氣等用途[1]，而預(yù)計(jì)到22世紀(jì)時(shí)，用于制冷的能耗將比現(xiàn)在增加40倍左右，這不僅增加了能量的浪費(fèi)，也同樣加劇了因能量生產(chǎn)而帶來(lái)的環(huán)境破壞問(wèn)題[2]。近年來(lái)，智能材料飛速發(fā)展，隨著實(shí)際需求的增長(zhǎng)以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，作為智能材料重要分支的調(diào)光膜領(lǐng)域引起了研究人員的廣泛關(guān)注[3-4]。調(diào)光膜即為一類(lèi)可對(duì)紫外光、可見(jiàn)光、近紅外光等多種光波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控的智能材料[5-6]。調(diào)光膜的種類(lèi)多樣，其中聚合物穩(wěn)定液晶調(diào)光膜以其良好的穩(wěn)定性以及優(yōu)異的光學(xué)性能占據(jù)了重要地位[7-9]。

液晶因其獨(dú)特的物化性質(zhì)一直受到研究人員的密切關(guān)注，但單組分的液晶材料有時(shí)無(wú)法滿足生產(chǎn)生活中的實(shí)際需求[10-12]。因此，將聚合物網(wǎng)絡(luò)與液晶相結(jié)合從而得到性能優(yōu)良的液晶-聚合物復(fù)合材料正在成為當(dāng)今液晶領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[13-15]。根據(jù)復(fù)合體系中聚合物網(wǎng)絡(luò)的含量多少可將其分成兩類(lèi)，即聚合物含量較高的聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystals, PDLCs)和聚合物含量較低(常低于10%)的聚合物穩(wěn)定液晶(Polymer Stabilized Liquid Crystals, PSLCs)[16-17]。在聚合物分散液晶中，聚合物含量較高，形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)比較密集，因此有較好的力學(xué)性能[18]。其中，液晶以微滴形式存在于聚合物網(wǎng)絡(luò)的空隙中，由于液晶隨機(jī)取向，使得PDLCs膜在初始時(shí)呈散射態(tài)，當(dāng)施加一定強(qiáng)度的外加電場(chǎng)后，液晶有序化，使得液晶膜變透明[19-22]。而聚合物穩(wěn)定液晶由于所含的聚合物網(wǎng)絡(luò)較少，因此液晶膜對(duì)于外場(chǎng)刺激具有很快的響應(yīng)速度以及極好的初始態(tài)透明度而無(wú)需像PDLCs那般消耗電能[23]。此外，PSLCs薄膜較低的霧度和較寬的視角使其在顯示、光開(kāi)關(guān)、相調(diào)節(jié)器等方面具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用潛力[24-28]。

PSLCs調(diào)光膜根據(jù)響應(yīng)方式的不同主要可分為電調(diào)控、溫度調(diào)控以及光調(diào)控等幾類(lèi)[29-30]。其中，電調(diào)控智能窗的液晶組分可選為向列相液晶[31]、膽甾相液晶[32]或近晶相液晶[33]，3種液晶體系的調(diào)光膜在一定條件下均可實(shí)現(xiàn)對(duì)透光率的調(diào)控。在聚合物穩(wěn)定向列液晶調(diào)光膜中，液晶分子經(jīng)取向后豎直排列，調(diào)光膜呈透明態(tài)；當(dāng)向液晶膜施加電場(chǎng)后，負(fù)性液晶分子長(zhǎng)軸傾向于平行基板排列，因而調(diào)光膜對(duì)入射光產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的散射作用[34]。而在聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶智能調(diào)光膜中，則多半需要使液晶在初始態(tài)平面取向，而后通過(guò)不同頻率、不同大小的電場(chǎng)來(lái)調(diào)控膽甾相液晶至不同織構(gòu)以改變液晶膜的光學(xué)性能。不少研究也會(huì)利用膽甾液晶的波段反射特性，通過(guò)控制膽甾相液晶的螺距大小，改變液晶體系的反射波段，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光區(qū)及近紅外光區(qū)入射光的精準(zhǔn)調(diào)控[35-37]。在近來(lái)的研究中，調(diào)光膜的溫度調(diào)控或光調(diào)控主要是通過(guò)液晶在升溫時(shí)發(fā)生的相態(tài)變化以及摻雜一些可異構(gòu)化的溫度響應(yīng)或光響應(yīng)手性分子等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用液晶在相轉(zhuǎn)變前后光學(xué)性質(zhì)的改變以及溫度響應(yīng)或光響應(yīng)分子在不同結(jié)構(gòu)時(shí)的手性差異，達(dá)成調(diào)節(jié)液晶分子排布的目的，從而實(shí)現(xiàn)液晶膜光學(xué)性能的改變[38]。

本文著重分析了各種外場(chǎng)響應(yīng)型的PSLCs智能調(diào)光膜的制備方法、工作原理及相關(guān)性能，總結(jié)了近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員在該領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展。最后，對(duì)基于PSLCs的智能調(diào)光膜未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做了一定的展望。

2 PSLCs調(diào)光膜

2.1 電場(chǎng)響應(yīng)調(diào)光膜

液晶分子的介電各向異性使得自身的空間排列會(huì)因外界電場(chǎng)的有無(wú)做出改變，并進(jìn)而影響液晶器件的宏觀透光率。由于電場(chǎng)調(diào)控響應(yīng)速度快，調(diào)控效果穩(wěn)定，因此是當(dāng)下非常普遍的一種PSLCs調(diào)光膜調(diào)控方式[39-40]。

液晶調(diào)光膜的性能與液晶的取向程度息息相關(guān)，良好的液晶取向?qū)τ谝壕д{(diào)光膜的光學(xué)性能有很大的提升。其中聚酰亞胺取向?qū)右蚱淙∠蛐阅芤约胺€(wěn)定性良好而受到了許多研究人員的青睞[41-46]。但由于PI取向?qū)油汕膀?qū)體聚酰胺酸PAA經(jīng)近200 ℃高溫固化而得，使得絕大多數(shù)的柔性基板因難以承受如此高溫而無(wú)法應(yīng)用。因此，Zhang[47]等進(jìn)行了詳細(xì)研究來(lái)探討低溫固化對(duì)PI取向效果的影響。通過(guò)對(duì)一系列在不同固化溫度下得到的PI取向?qū)舆M(jìn)行性能對(duì)比，確定了前驅(qū)體聚酰胺酸PAA溶液固化的溫度范圍，并以低溫固化PI作取向?qū)拥腜ET柔性材料作基板，得到了電光性能良好的PSLCs調(diào)光膜。文璞山[48]等合成了3種熱穩(wěn)定性較高的可溶性聚酰亞胺，經(jīng)摩擦后的薄膜具有較好的取向性能，有望應(yīng)用于柔性光學(xué)薄膜。Hu[49]等以PI為取向?qū)?，?shí)現(xiàn)了反式PSLCs器件的制備，如圖1所示。該項(xiàng)研究主要著眼于聚合物網(wǎng)絡(luò)的含量及厚度對(duì)液晶調(diào)光膜的光學(xué)性能的影響，成功制得一種關(guān)態(tài)霧度低至3.5%、開(kāi)態(tài)霧度高達(dá)98%的光學(xué)性能優(yōu)良的液晶膜。此外，該方法所制得的液晶膜電光性能及熱穩(wěn)定性均較優(yōu)異，均勻性亦佳，可制得40 cm×50 cm大小的智能窗，有望成為新一代智能窗的藍(lán)本。

圖1 (40 cm×50 cm)智能窗在關(guān)(0 V)和開(kāi)(40 V)狀態(tài)的實(shí)物圖[49]Fig.1 Prototype of a (40 cm×50 cm) smart window in the off state (0 V) and on state (40 V)

Meng[50]等則進(jìn)一步改善了取向?qū)拥闹谱鞴に?，將液晶性聚合物網(wǎng)絡(luò)引入到取向?qū)又?，通過(guò)熱致相分離的方法得到了一種厚度分布不均勻的取向?qū)?，如圖2(a)所示。研究認(rèn)為，因熱致相分離導(dǎo)致的基板表面不平整的取向?qū)咏Y(jié)構(gòu)不會(huì)影響聚酰亞胺垂直取向?qū)拥娜∠蜃饔?，故而不?huì)降低液晶膜的初始透明態(tài)，且由于基板表面形成的許多不平整的凸起會(huì)使得PSLCs膜的內(nèi)部在加電后會(huì)形成更多傾角不同的散射微疇，因此所形成的液晶膜的散射態(tài)有明顯提升。此外，研究還針對(duì)液晶膜厚度對(duì)光電性能的影響進(jìn)行了探究，得到了該體系液晶膜綜合性能最佳時(shí)的參數(shù)。所得液晶膜有望應(yīng)用于智能窗及透明顯示器件等領(lǐng)域中。

圖2 (a)熱處理后所得取向?qū)拥男螒B(tài)；(b)加電時(shí)，不均勻取向液晶膜內(nèi)的隨機(jī)預(yù)傾角微疇示意圖；(c)100 cm2 PSLCs的開(kāi)關(guān)態(tài)實(shí)物照片(背景植物距離膜20 cm)[50]。Fig.2 (a) Alignment surface morphologies with inhomogeneity treatment; (b) Random pretilt domains schematic at power-on state based on inhomogeneous alignment surface; (c) On- and off- state of a 100 cm2 PSLCs smart window (the background plant was held at a distance of 20 cm).

由于染料的吸收各向異性可以與液晶分子的取向狀態(tài)產(chǎn)生一定的配合，且某些染料對(duì)于PSLCs智能窗的電光性能有較明顯提升，因此，由二向色性染料和液晶形成的賓主體系近來(lái)也逐漸成為研究熱點(diǎn)[51-53]。所謂二向色性染料，是指沿染料分子長(zhǎng)軸指向和短軸指向?qū)ζ穹较蚺c之平行的偏振光具有差異性吸收的染料，因此也可被稱為吸收二向色性染料[54-55]。自20世紀(jì)60年代Heilmeier與Zanoni報(bào)道了第一例液晶與二向色性染料混合構(gòu)筑形成的賓主體系以來(lái)，該類(lèi)體系便被人們廣泛進(jìn)行了制備與研究[56-57]。由于單一的PSLCs體系調(diào)光膜的霧度相對(duì)較低，一般只有40%～50%，難以滿足生產(chǎn)生活中的實(shí)際需求，嚴(yán)重限制了PSLCs調(diào)光膜的應(yīng)用。因此Sun[58]等提出了一種利用有機(jī)染料提高調(diào)光膜對(duì)比度的方法，如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，非二向色性染料更易著色，使得PSLCs膜的開(kāi)、關(guān)兩態(tài)的顏色濃重，從而不利于提高PSLCs的開(kāi)關(guān)態(tài)對(duì)比度；二向色性染料而由于自身的吸光各向異性使得樣品在關(guān)斷狀態(tài)只顯示出輕微的顏色，在開(kāi)啟狀態(tài)顯示出較為濃重的顏色，從而在一定程度上增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)下的對(duì)比度。因此，他們制備了兩種染料混合的PSLCs調(diào)光膜。研究結(jié)果表明，由于減色效應(yīng)，PSLCs調(diào)光膜在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)近乎無(wú)色，而加電后則顯示出濃厚的顏色，大幅增加了液晶膜的開(kāi)關(guān)對(duì)比度，同時(shí)也為從美學(xué)角度出發(fā)，通過(guò)摻入混合染料制作彩色PSLCs智能窗提供了一種可行的方法。

圖3 (a)PSLCs膜摻雜混合染料的實(shí)物圖；(b)摻雜混合染料的PSLCs的透光率[58]。Fig.3 (a) Photograph of PSLCs doped with mixed dyes; (b) Transmittance of PSLCs doped with mixed dyes.

某些納米顆?？梢愿纳埔壕У慕殡姼飨虍愋砸约胺肿优帕?，并且還可吸附體系中可能存在的雜質(zhì)離子，進(jìn)而優(yōu)化PSLC的電光性能，因此向體系中添加各類(lèi)的納米粒子也是提升PSLCs智能窗性能的一種常用方法[59-64]。Park[65]等通過(guò)向PSLCs體系中添加TiSiO4、BaTiO3、SrTiO3以及BaTiO3-SrTiO3混合粒子等不同種類(lèi)的無(wú)機(jī)納米粒子，改善了調(diào)光膜的電光性能，如圖4(a)所示。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米粒子的含量為0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右時(shí)，能夠在不影響液晶膜光學(xué)性能的前提下提高其電性能。Yan[66-67]等向PSLCs體系中加入銀納米線以及銀納米粒子，通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，得出了PSLCs驅(qū)動(dòng)電壓下降幅度最大時(shí)的銀納米線的摻雜含量，同樣證明了銀納米線可以有效改善PSLCs調(diào)光膜的電光性能，如圖4(b)所示。

圖4 (a)摻雜TiSiO4，BaTiO3，SrTiO3和BaTiO3/SrTiO3粒子液晶膜的電光曲線；(b)不同銀納米線含量的液晶膜的V10與V90曲線[66-67]。Fig.4 (a) V -T characteristics of liquid crystal cells doped with TiSiO4, BaTiO3, SrTiO3 and BaTiO3/SrTiO3 NPs; (b) Variations of Ag nanowire in voltages for 10%(V10) transmission and 90% transmission(V90).

對(duì)聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化是另外一種提高液晶膜電光性能的方法。為了降低傳統(tǒng)PSLCs的長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足以及解決傳統(tǒng)柔性調(diào)光膜難以經(jīng)受大角度彎折的問(wèn)題[68-69]，Yoon[70]等提出了一種“一步雙穩(wěn)”(Single-Step Dual Stabilization，SSDS)方法來(lái)制備液晶調(diào)光膜，通過(guò)使用掩?？刂凭酆蠀^(qū)域形成聚合物墻結(jié)構(gòu)，液晶分子以及凝膠被限制在墻內(nèi)的網(wǎng)格中，改善了液晶膜的光電性能，增強(qiáng)了液晶膜的機(jī)械強(qiáng)度。體系中的主要成分為液晶、凝膠劑以及小分子可聚合單體。其中，膠凝劑用于生成膠凝聚合物網(wǎng)絡(luò)，以穩(wěn)定液晶分子的取向，而可聚合單體則用于形成堅(jiān)韌的密封層，保護(hù)智能窗，防止液晶內(nèi)容物流出，如圖5所示。

圖5 SSDS液晶盒的宏觀散射態(tài)(a)和透明態(tài)(b)圖像；SSDS液晶盒受剪切作用(c)，壓力作用(d)時(shí)的偏光圖片以及受彎曲作用(e)時(shí)的實(shí)物圖片[70]。Fig.5 Macroscopic images of the light scattering state(a) and the light transmission state(b); Orthoscopic POM images of the SSDS cells for pressure resistance(c), cutting test(d), and macroscopic image of the bended SSDS cell(e).

通常，PSLCs是通過(guò)紫外光引發(fā)單體聚合而形成。但是，過(guò)強(qiáng)的紫外光往往會(huì)對(duì)體系中的某些組分，比如染料分子造成破壞，導(dǎo)致其顏色失真甚至褪色[71-72]。為了解決這一問(wèn)題，Yu[73]等提出了一種熱聚合的方法，可有效防止染料因紫外光照而變質(zhì)，得到的顏色純正、阻光性能良好的PSLCs膜，可用于智能窗以及動(dòng)態(tài)屏幕等領(lǐng)域，如圖6所示。

圖6 熱聚合(i)與UV光聚合(ii)得到的PSLCs的實(shí)物照片(a)以及總透射率(Tt)、漫透射率(Td)、鏡透射率(Ts)和霧度(b) [73]。Fig.6 (a) Photographs of dye-doped PSLCs cells fabricated by thermal(i) and UV light(ii) and the measured total transmittance(Tt), diffuse transmittance(Td), specular transmittance(Ts) and haze(b).

2.2 溫度響應(yīng)調(diào)光膜

溫度響應(yīng)調(diào)光膜因自身的配置較簡(jiǎn)單，從而使得其制造和維護(hù)的成本很低，特別是與電控智能窗相比，不需要添加電極等額外的電力系統(tǒng)和其他部件。此外，其自動(dòng)響應(yīng)溫度的特點(diǎn)，減少了對(duì)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的需求，從而無(wú)需消耗外部能量或依賴于人工操作的電氣控制[74-77]。通過(guò)感應(yīng)周?chē)h(huán)境熱量的變化而改變其光透過(guò)率是降低建筑能耗的一種有前途的解決方案，因此溫度響應(yīng)新型智能窗技術(shù)吸引了越來(lái)越多的科學(xué)關(guān)注[78-80]。

PDLCs更易制備大面積的柔性薄膜，但薄膜中的液晶分子無(wú)規(guī)取向；而PSLCs雖然可以控制其中液晶分子的取向，但所得液晶膜剪切強(qiáng)度弱，難以應(yīng)用于柔性器件。因此，北京大學(xué)楊槐教授課題組采用分步聚合的方法，利用非液晶性聚合單體之間的聚合速率大于液晶性聚合單體的特點(diǎn)，使含有上述兩類(lèi)聚合單體的液晶膜于不同聚合條件下先后形成PDLCs和PSLCs的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，成功研制出一種聚合物分散/穩(wěn)定液晶的共存體系。該復(fù)合體系的液晶膜綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在具有PDLCs良好力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上又兼有PSLCs良好的透光態(tài)，并可進(jìn)一步通過(guò)向其體系中摻雜納米粒子的方法，制得多重響應(yīng)類(lèi)型的液晶調(diào)光膜，例如：Liang[81]等通過(guò)將甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(methacryloxypropyltrimethoxysilane，MPTMS)表面改性的ITO粒子摻入聚合物分散/穩(wěn)定液晶復(fù)合體系，利用ITO的近紅外光遮蔽性，可制得一種大面積的溫度-電場(chǎng)雙響應(yīng)體系共存的液晶膜，如圖7所示。該液晶膜具有良好的力學(xué)性能與光學(xué)性能，有望作為智能窗器件應(yīng)用于實(shí)際生活。

圖7 (a)乙醇中的MPTMS改性的ITO/SiO2 納米粒子的TEM照片；(b)所得調(diào)光膜的柔韌性以及工業(yè)制得的大尺寸液晶調(diào)光膜的(c)透明態(tài)及(d)散射態(tài)[81]。Fig.7 (a) TEM image of MPTMS-functionalized ITO/SiO2 NCs in ethanol; (b) Flexibility of the as-made smart film; The transmittance state(c) and scattering state(d) of the as-made large scale films.

ITO粒子具有良好的近紅外光區(qū)遮蔽作用，但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，并不總是需要將環(huán)境中的紅外光過(guò)濾掉，因此ITO粒子對(duì)近紅外光不可調(diào)節(jié)的阻隔作用不能完全適應(yīng)人們的需求。二氧化釩粒子作為一種熱敏材料，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)在溫度升高到68 ℃時(shí)由單斜晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相，相應(yīng)地，粒子對(duì)于近紅外光也由高透過(guò)率轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻瓷渎?，更常被用作智能材料，一直受到研究人員的密切關(guān)注[82-84]。因此Liang[85]等通過(guò)將鎢摻雜的二氧化釩粒子與液晶-聚合物復(fù)合體系相結(jié)合，制備了一種新型的溫度-電場(chǎng)響應(yīng)液晶膜，如圖8所示。這項(xiàng)工作充分利用了液晶分子的電場(chǎng)響應(yīng)性和二氧化釩粒子的溫度響應(yīng)性，使得液晶膜在電場(chǎng)開(kāi)、關(guān)態(tài)以及環(huán)境高低溫情況下，共有4種不同的調(diào)控模式，在可見(jiàn)光區(qū)及近紅外光區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)控。由于研究中形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同為聚合物分散/穩(wěn)定液晶共存體系，因此液晶膜在擁有良好的電光性能的同時(shí)，也具有良好的耐疲勞性，有望應(yīng)用于新型智能器件。

圖8 (a)液晶膜的4種不同調(diào)控模式；(b)含2.5%(黑色)和5.0%(紅色)W-VO2/PVP 納米粒子薄膜在1 150 nm處的加熱和冷卻循環(huán)的透光率[85]。Fig.8 (a) Four optical modulation modes realized in the hybrid micro-nano composite film; (b) Transmittance of the films containing 2.5% (black) and 5.0% (red) W-VO2/PVP NCs at 1 150 nm during the heating and cooling cycles.

Ranjkesh[86]等報(bào)道了一種具有反射波段可調(diào)的PSCLC智能薄膜，該薄膜可通過(guò)溫度-電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)雙外場(chǎng)調(diào)控，如圖9所示。利用液晶盒內(nèi)豎直方向上單體的聚合速率在強(qiáng)紫外光下會(huì)有明顯差異的現(xiàn)象，使得聚合形成的網(wǎng)絡(luò)密度產(chǎn)生明顯的梯度分布，即體系內(nèi)膽甾相液晶的螺距也會(huì)隨之有大范圍的分布，由于平面取向的膽甾相液晶會(huì)將入射光中一定波長(zhǎng)的旋向與自身相同的部分光反射，而反射的區(qū)間又取決于液晶的螺距長(zhǎng)短。因此，研究中的螺距梯度寬幅分布可以使液晶膜實(shí)現(xiàn)寬波調(diào)控，且體系中加入的少量紫外光吸收劑可穩(wěn)定聚合物網(wǎng)絡(luò)，延長(zhǎng)調(diào)光膜的使用壽命。

Zhang[87]等利用液晶隨溫度變化的相轉(zhuǎn)變特性以及膽甾型液晶對(duì)電磁波的選擇反射特性，制得了一種溫度響應(yīng)的PSCLC調(diào)光膜，如圖10所示。這種液晶調(diào)光膜在低溫條件下，只會(huì)反射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光；而隨著溫度的升高，液晶的有序程度降低，CLC的螺距減小，PSCLC調(diào)光膜的反射波段也因此發(fā)生藍(lán)移，從而反射近紅外波段的電磁波。與此同時(shí)，該P(yáng)SCLC調(diào)光膜在可見(jiàn)光波段內(nèi)還擁有良好的透光度，因此能夠在不影響視覺(jué)體驗(yàn)的前提條件下阻擋熱輻射，起到一定的隔熱效果。

2.3 光響應(yīng)調(diào)光膜

由于電控PSLCs智能窗在保持其電光性能、實(shí)現(xiàn)其使用價(jià)值時(shí)仍要耗費(fèi)部分能源，而溫控PSLCs智能窗的光性能環(huán)境調(diào)控又不夠靈活，因此研究人員也在不斷探尋一種更易調(diào)控、能源消耗更少的PSLCs智能窗，因此，光響應(yīng)調(diào)光膜逐漸引起了各國(guó)技術(shù)人員的重視。

Kuang[88]等提出了一種基于偶氮苯基團(tuán)光熱效應(yīng)的紫外光響應(yīng)調(diào)光膜。研究將具有光響應(yīng)特性的偶氮基團(tuán)引入垂直取向?qū)?，賦予了液晶膜透光率光調(diào)控的性質(zhì)，如圖11所示。在初始態(tài)，由于垂直取向?qū)拥腻^定作用，液晶分子呈垂直排列，調(diào)光膜為透明態(tài)；當(dāng)受熱或者紫外光照射后，取向?qū)咏Y(jié)構(gòu)中的偶氮苯分子發(fā)生順?lè)串悩?gòu)反應(yīng)，使得液晶分子轉(zhuǎn)變?yōu)槭终飨蛄邢啵{(diào)光膜呈散射態(tài)。這種PSLCs調(diào)光膜不僅有良好的熱/紫外光響應(yīng)性，還具有良好的可逆性和穩(wěn)定性，可用作節(jié)能智能窗。

程張祥等[89]利用偶氮苯類(lèi)分子的光響應(yīng)性，將偶氮苯分子與PSLCs復(fù)合得到了一種可進(jìn)行光調(diào)控的智能窗。該智能窗兩側(cè)無(wú)需設(shè)置電極層，聚合物穩(wěn)定液晶中添加的偶氮苯分子會(huì)沿垂直于入射光的偏振方向而排列，使得所得的智能窗在偏振光照射下呈透明狀態(tài)，而在自然光照射下呈不透明狀態(tài)，兩種狀態(tài)可通過(guò)智能窗表面偏振膜的簡(jiǎn)單拆裝而實(shí)現(xiàn)。這種無(wú)需電壓控制液晶取向的智能窗器件更加節(jié)能環(huán)保，并且其中的偶氮苯分子還可吸收部分紫外光，提高了液晶層的耐久度，使智能窗的性能更加穩(wěn)定。

2.4 PSLCs雙穩(wěn)態(tài)調(diào)光膜

上述多種液晶膜的光學(xué)性能會(huì)隨著電場(chǎng)的施加與撤除、溫度的升高與降低或光強(qiáng)的增大與減小而發(fā)生實(shí)時(shí)的變化。但在日常生產(chǎn)生活中的某些需要液晶調(diào)光膜提供持續(xù)穩(wěn)定的遮光或透光條件應(yīng)用場(chǎng)景，則需要長(zhǎng)時(shí)間地施加外場(chǎng)刺激，這無(wú)疑會(huì)消耗較多能量，也限制了調(diào)光膜的使用范圍。因此，研究人員開(kāi)始尋求一種即使撤去外場(chǎng)刺激，光學(xué)性能也可長(zhǎng)時(shí)間保持的液晶調(diào)光膜，雙穩(wěn)態(tài)液晶膜便逐漸走入了人們的視野。雙穩(wěn)態(tài)液晶器件多由膽甾型液晶為主要組成部分[90-93]，只需施加短時(shí)間的外場(chǎng)刺激即可將液晶膜調(diào)控至透明態(tài)或散射態(tài)，而即使隨后撤去電場(chǎng)，液晶智能窗仍能保持之前的光學(xué)狀態(tài)不發(fā)生變化，可有效實(shí)現(xiàn)智能窗的節(jié)能作用[94-97]。

Lee[98]等報(bào)道了一種在近紅外光區(qū)有反射峰的聚合物穩(wěn)定雙穩(wěn)液晶調(diào)光膜，如圖12所示。

所得液晶膜在初始態(tài)為散射態(tài)，施加100 V交流電場(chǎng)后，液晶膜變透明；再次施加一個(gè)45 V的直流電場(chǎng)，調(diào)光膜又能夠保持散射態(tài)。所得液晶膜既具有PSLCs響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)具備了雙穩(wěn)的特性，在未來(lái)有望應(yīng)用到建筑及交通等領(lǐng)域。

Kim[99]等將二向色性染料與離子添加劑摻雜于聚合物穩(wěn)定液晶膜中，改善了液晶膜的光學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)初始態(tài)的液晶分子在HTAB離子表面活性劑的作用下呈垂直排列，當(dāng)施加電場(chǎng)后，離子擾動(dòng)液晶體系轉(zhuǎn)變?yōu)榻瑰F織構(gòu)，調(diào)光膜對(duì)入射光強(qiáng)烈散射，如圖13所示。所得液晶膜既具有良好的光學(xué)性能，也具有良好的持久性，可作防窺裝置使用。

3 總結(jié)與展望

基于聚合物穩(wěn)定液晶的智能調(diào)光膜近些年來(lái)吸引了科研人員的廣泛關(guān)注，相關(guān)的研究也越來(lái)越深入。本文簡(jiǎn)要介紹了各種外場(chǎng)響應(yīng)類(lèi)型的聚合物穩(wěn)定液晶智能調(diào)光膜的制備方法、工作原理。總結(jié)了近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員在該領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展。相較于聚合物分散液晶，聚合物穩(wěn)定液晶智能窗的響應(yīng)條件更加靈活，光學(xué)性能也在不斷提高，適用范圍更加廣泛。但是，在器件基板的粘結(jié)性、耐久性以及環(huán)境穩(wěn)定性方面還有待進(jìn)一步提升。另外，應(yīng)因節(jié)能、環(huán)保的實(shí)際需求，聚合物穩(wěn)定液晶智能窗的研究重點(diǎn)將會(huì)更加向溫控、光控以及多重調(diào)控等領(lǐng)域拓展。盡管聚合物穩(wěn)定液晶智能窗還面臨上述提到的一些問(wèn)題，相信在科研工作者的不斷努力下，這類(lèi)聚合物穩(wěn)定液晶調(diào)光膜一定具有寬廣的應(yīng)用前景。