适用于多种环境条件下液晶智能玻璃的研究

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近年来,社会能源紧缺问题日益突出,智能玻璃作为一种性能优异的光电子器件可以极大地节约建筑能源,减少电力能耗。一个理想的智能玻璃应具有散射可见光以避免使用窗帘和调节近外红(NIR)光的透过率以维持舒适的室内温度的双重功能。然而,目前大多数智能玻璃只能单一地调节室内亮度或温度,效果并不理想。本文基于具有近红外透过率可调特性的二氧化钒(VO2)薄膜和具有可见光透过率可调的聚合物稳定胆甾相液晶(Polymer Stabilized Cholesteric Liquid Crystal,PSCT)提出了新型电-热双激励可调柔性液晶智能玻璃的制备方法。本文的主要研究内容如下:(1)通过掺杂的方式制备系列VO2掺杂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合溶液并将其旋涂成膜,系统地研究VO2纳米粒子的掺杂浓度和混合溶液的旋涂次数对复合薄膜光学性能的影响。研究表明,当VO2与PVP的相对质量比设为130%时,经过5次反复旋涂,可制备厚度为250nm的VO2掺杂PVP复合薄膜。该复合薄膜在λ=585nm处可见光透过率为49.42%,当其被加热至VO2纳米粒子的相变温度(68°C)后,在λ=2500nm处的近红外透过率降低16.30%。为进一步降低复合薄膜的相变温度,将VO2纳米粒子替换为钨掺杂二氧化钒(W0.0 03V0.9 97O2)纳米粒子制备了新型W0.0 03V0.9 97O2掺杂PVP复合薄膜。与VO2掺杂PVP复合薄膜相比,新型复合薄膜可在40°C发生相变,相变温度下降幅度约28°C。当W0.0 03V0.9 97O2与PVP的相对质量比设为130%时,经过2次反复旋涂制备的W0.0 03V0.9 97O2掺杂PVP复合薄膜厚度为248nm,其在λ=585nm处可见透过率高达65.01%,发生相变后在λ=2500nm处的近红外透过率可降低15.15%。(2)基于聚合物单体RM257,手性剂S811和高热稳定性向列相液晶YP-011,通过紫外光聚合诱导相分离技术,制备了螺距约为1μm且兼具高度热稳定、高对比度和近红外反射功能的新型PSCT。研究表明,通过调节单体在PSCT混合体系中的掺杂浓度,可以控制聚合物网络的结构,从而改善PSCT的电光性能。当单体浓度低于3%时,较为稀疏的聚合物网络在胆甾相液晶的可逆构筑过程中阻碍作用明显,因此PSCT断电后留有雾态。继续增加单体的浓度可构筑稠密的聚合物网络结构,增强对液晶分子的锚定作用,有效提高PSCT的对比度,缩短PSCT的响应时间。当3%的RM257掺杂在PSCT中时,PSCT的阈值电压、开态响应时间和关态响应时间分别为22.908V、85.442ms和18.617ms。(3)将W0.0 03V0.9 97O2掺杂PVP复合薄膜旋涂在PSCT液晶盒表面制备了新型液晶智能玻璃(WVO-PSCT)。在室温条件下,WVO-PSCT因胆甾相液晶螺旋结构可固有反射1050nm-1550nm波长范围的近红外光。进一步研究WVO-PSCT在电-热激励下的太阳光调节效率,结果表明,室温条件下通过施加32.172V电压,WVO-PSCT可以在104ms内变为模糊态,太阳光调节效率为3.28%。当环境温度升高至55℃后,受复合薄膜红外截止特性的影响,常透的WVO-PSCT太阳光调节效率提高到16.48%,施加32.172V电压后在电场协同作用下太阳光调节效率高达24.65%。将木屋模型上3片1.5cm×2cm大小的普通玻璃替换成WVO-PSCT,屋内温度可有效降低4.8℃。最后,基于PET基板制备的柔性智能玻璃可在15mm的弯曲半径下弯曲并保持其原有的高透明度而没有任何明显的损坏,具有良好的机械稳定性。因此,本文制备的电-热双激励可调液晶智能玻璃以四种不同的模式独立有效地调制了可见光和近红外光的透过率,不仅红外截止特性优异、电光性能良好、热稳定性高,还为柔性智能玻璃提供了新的研究方向。
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