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北科大&北大楊槐/于美娜/王茜團隊 JMCA:具有被動輻射冷卻和協同太陽光調控能力的智能調光膜
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)聚合物基體中的復合薄膜。在零場條件下,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,薄膜呈現不透明狀態(tài)。當施加外部電場時,液晶分子重新排列與電場力方向一致,此時聚合物與液晶微滴折射率相匹配,薄膜呈現透明狀態(tài)。與傳統的電致變色和熱致變色智能窗相比,PDLC在光學領域具有廣闊的應用前景。然而,它們的應用受到一些缺點的限制,比如高驅動電壓、低對比度和熱穩(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,北京科技大學楊槐/于美娜團隊等人通過將高清亮點液晶單體引入PDLC體系中,開發(fā)設計了一種可在較高溫度下仍保持著低電壓、高對比度和快速響應的PDLC薄膜。該薄膜在智能顯示領域和智能窗領域有著良好的應用前景。相關工作以“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/北京大學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,北京科技大學新材料技術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動電壓、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構和濃度對薄膜物理參數和性能的影響。在體系中加入9wt%3F3后,液晶的粘度和介電常數均有所提高,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,通過調節(jié)液晶分子和可聚合單體的化學結構,薄膜表現出優(yōu)異的太陽光譜調制能力。同時,薄膜在中紅外區(qū)域具有較高的輻射效率,表現出優(yōu)異的輻射冷卻性能。太陽輻射模擬試驗和輻射冷卻功率計算表明,該膜在白天和夜間的最大冷卻效率分別達到97.63136.24W/m2/K。該研究為具有卓越的太陽光輻射熱調節(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構和質量分數的含氟液晶單體對混晶E8物理性質的提升及對PDLC薄膜電光性能的改善效果。實驗結果表明,高清亮點的液晶單體引入到體系中可以拓寬PDLC薄膜的應用溫度范圍,使其在較低和較高的溫度下仍然保持著較低的驅動電壓和較高的對比度。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動電壓和較高的對比度,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方向的應用。首先展示了PDLC薄膜的三種不同顯示方式:其一為刻蝕透明導電電極,通過電極圖案化實現智能顯示;其二是利用PDLC本身對太陽光的透過率控制實現圖案顯示;其三是通過在PDLC薄膜上改變對比度實現圖案化,如圖4c所示,利用分步聚合,改變紫外光強從而改變聚合物薄膜的微觀形貌,實現兩處薄膜網孔的大小不同,從而利用對比度的不同實現圖案化。圖4e展示了PDLC薄膜在智能窗領域的應用,其可以通過施加電壓大小實現對太陽光的多級調控,值得一提的是毫秒級的響應速度使其在智能窗領域有著巨大的優(yōu)勢,同時實驗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;


  最后通過光譜測試、室外模擬實驗以及MATLAB模擬計算表明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豐富的化學鍵震動使其在8-13微米的大氣窗口范圍內有較高的發(fā)射率,可以實現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結構,開發(fā)和制備了一種低電壓、寬溫度范圍、快速響應的液晶/聚合物薄膜。該薄膜在0 ~ 60℃范圍內具有穩(wěn)定的電光性能(Vth=12.8, CR=98, TR=1.62ms, TD=33.5ms)。展示了其在顯示領域的應用。此外,該薄膜具有良好的太陽光譜調制能力(ΔTlum= 74.85%,ΔTsol= 66.37%),不同程度的陽光調節(jié)可以通過在一天中施加不同的電壓來實現。在室內日光模擬測試中,PDLC膜與常規(guī)膜相比可降低溫度約5.2℃。計算分析表明,白天和夜間的制冷功率分別為97.63136.24W/m2/K。該研究為智能顯示和智能窗口領域的多功能復合薄膜的制備提供了一種有價值的方法。


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

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(責任編輯:xu)
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