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CN111505878A - 热转变液晶基薄膜、其制备方法及智能窗户 - Google Patents

热转变液晶基薄膜、其制备方法及智能窗户 Download PDF

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CN111505878A
CN111505878A CN202010448521.9A CN202010448521A CN111505878A CN 111505878 A CN111505878 A CN 111505878A CN 202010448521 A CN202010448521 A CN 202010448521A CN 111505878 A CN111505878 A CN 111505878A
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liquid crystal
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thermally
nematic
based film
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CN202010448521.9A
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韦尔德·伊格莱西亚斯
李政桦
白宏波
汤立文
杨洋
吴琴
陈培才
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Zhuhai Singyes New Materials Technology Co ltd
Original Assignee
Zhuhai Singyes New Materials Technology Co ltd
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Abstract

本发明涉及热转变液晶基薄膜、其制备方法及智能窗户，该薄膜包括第一结构层、活性层和第二结构层，活性层设置在第一结构层和第二结构层之间；活性层包括向列型液晶介质和二向性染料；向列型液晶介质的向列性‑各向同性转变温度在30℃至40℃之间。本发明的薄膜使用方便、成本较低，适用于建筑物节能。

Description

热转变液晶基薄膜、其制备方法及智能窗户
技术领域
本发明涉及节能建筑技术领域，具体涉及热转变液晶基薄膜、其制备方法及智能窗户。
背景技术
在过去的几十年中，世界能源消耗持续稳定增长，对人类的社会经济政治产生了深远的影响。其中约20％的消耗用于房屋和商业建筑的供暖或降温。因此，有必要消除损耗并减少建筑物的总能耗。
尽管现有的常见的窗户具有太阳热量控制涂层和隔热性，但其本质上是静态的。这意味着在动态天气模式下，静态窗户的效率会发生波动，从而导致建筑物的净能量损失。如果能够根据外界天气条件动态调节窗户的光(能量)的传输，在理想情况下无需人员协助，有望从窗户获得净能量收益。
动态或“智能”窗户在近30多年来已成为研究课题。然而，这项技术尽管具有巨大的优势和商业可用性，但仍未在窗户市场上得到广泛采用。未能成功的关键原因之一是这种技术价格高昂。用于动态玻璃/窗户的最常见技术是电致变色器件(ECD)，ECD的基本结构由电解质层隔开两个EC层组成。这样的器件通常用到复杂的无机材料，这些无机材料制造工艺复杂、产量低，导致产品价格昂贵。ECD还要求在建筑结构中复杂布线，而建筑物可能并没有该布线设计,因此玻璃的安装成本高，并且对于现有建筑物的适用性差。
液晶(LC)材料非常适合用于建筑物的光控制，这不仅是因为它们已成功地在显示行业中用作光调制器，而且还因为这些材料的现有基础和巨大市场，使得这项技术在经济上可行。基于LC的动态窗户技术随着液晶显示器(LCD)的成功而得到发展。但是，显示应用和窗户应用对于液晶材料的预期寿命等有不同的要求。
目前也有其他基于LC的建筑用器件被使用，如聚合物分散液晶(PDLC)。但是，由于PDLC只是散射光，入射光(能量)仍通过它们，因此这些器件主要用作保护膜而不是节能玻璃。另外，市场上也有其他热致变色产品，但是它们不是基于LC的，并且不能很好地随温度控制光透射，安装后光和能量调制不足，效率差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种能够基于表面温度而起到太阳能光阀作用的液晶基薄膜，本发明的液晶基薄膜的安装步骤简单，使用成本较低。
本发明的第二目的是提供一种制备上述液晶基薄膜的的方法，该方法制备步骤简单，适合大规模生产，生产成本低。
本发明的第三目的是提供一种能够根据温度调整光透射从而降低建筑物能耗的智能窗户。
为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种热转变液晶基薄膜，其包括第一结构层、活性层和第二结构层，活性层设置在第一结构层和第二结构层之间；活性层包括向列型液晶介质和二向性染料。向列型液晶介质的向列性-各向同性转变温度在30℃至40℃之间。
由上可见，本发明通过两个结构层以及夹在其间的活性层，形成了一种应用灵活性高的薄膜，例如易于与现有的玻璃窗户结合以获得智能窗户。其中，活性层中的向列型液晶介质应具有适当的相序，以触发器件的亮暗转变，并在低温下保持高透光率相，具体地，向列型液晶介质在30℃至40℃之间发生向列性和各向同性转变，向列型液晶介质在高于该温度值时转变为向列性，向列型液晶介质在低于该温度值时转变为各向同性。向列性与各向同性之间的转变温度可以根据地理位置和预期安装的气候状况进行选择。该动态膜的转变机制依赖于二色性染料的两个吸收轴和经历相变后LC分子的重新取向。在向列相中，LC分子可以垂直于层面，该有序的方向被转移至客体染料，染料也变成有序排列，此时，染料处于光线吸收最少的状态，动态膜和窗户处于光亮状态。更低的温度可以使LC/染料分子更好地对齐，从而使器件在温度下降时变得更光亮。当温度升高超过转变温度时，LC向列性向各向同性转变时，LC分子将随机排列，染料也是如此，此时基于染料的二色性比，动态膜和窗户具有更高的入射光吸收率，从而导致变暗。
进一步的技术方案是，所述活性层的向列性-各向同性转变的共存相温度区间小于0.5℃。
由上可见，本发明进一步限定了共存相的温度区间范围。共存相由各向同性相中的多个向列相区域构成，或反之由向列相中的多个各向同性相区域构成，不同相之间的有效折射率不同，衍射指数不匹配会使得薄膜或窗户处于雾状或模糊状态。本发明进一步将共存相最小化，共存相温度区间在上述范围内时，薄膜或窗户处于非透明状态的可能性降低，进一步改善液晶薄膜在热致变色智能窗户中应用。
进一步的技术方案是，活性层在比向列性-各向同性转变温度低至少10℃时的可见光透过率，与活性层在等于或高于向列性-各向同性转变温度时的可见光透过率的差别大于20％。
由上可见，本发明进一步限定了活性层在光亮状态和变暗状态时的可见光透过率差值，扩大窗户的动态范围，从而在智能窗户应用中提高能效和减少眩光。光亮状态和变暗状态的可见光透过率差别越大，智能窗户的性能越好。例如，当活性层的向列性-各向同性转变温度转变温度为35℃时，活性层处于25℃时可见光透过率为Tvis(@25℃)，活性层处于35℃时可见光透过率为Tvis(@35℃)，两者的差值即Tvis(@25℃)–Tvis(@35℃)>20％。
进一步的技术方案是，活性层经过波长小于385nm和剂量至少为500MJ/m2的紫外线曝光后，颜色变化低于在CIELab颜色坐标中Δa*和Δb*均小于或等于1.0的可察觉阈值；和/或活性层经过波长小于385nm和剂量至少为500MJ/m2的紫外线曝光后，可见光透过率变化低于ΔTvis小于或等于5％的可察觉阈值。
由上可见，本发明进一步限定了活性层经紫外线曝光后的颜色变化和可见光透过率变化。太阳辐射中能量最强的是波长低于385nm的紫外线，其破坏性最强。建筑构件，例如窗户，其预期寿命通常大于5年，而穿入建筑构件的紫外线辐射量随位置和方向的不同而变化很大，本发明根据窗户的使用寿命/质保和预期位置，进一步限定了在特定紫外线曝光条件下的颜色变化和可见光透过率变化，使得智能窗户构件在使用过程中经过大量紫外线辐射后仍在可察觉范围内保持其原始颜色/色调和可见光透过率，满足了智能窗户要求。其中颜色变化应低于可察觉阈值，该颜色变化的可察觉阈值由在CIELab颜色坐标中色品指数a*的差值Δa*和色品指数b*的差值Δb*来限定，Δa*和Δb*取小于或等于1.0的数值，例如Δa*和Δb*均为1.0。可见光透过率变化应低于可察觉阈值，该可见光透过率的可察觉阈值由经紫外线曝光前后的可见光透过率差值ΔTvis限定，ΔTvis取小于或等于5％的数值。
进一步的技术方案是，活性层还包括抗氧化剂和光稳定剂，向列型液晶介质、二向性染料、抗氧化剂和光稳定剂的质量比为(3至7)：(0.15至6)：(0至2)：(0至3)。
由上可见，本发明可以根据抗光降解的需要以及所选择的染料和LC组分的稳定性，在活性层混合物中添加例如抗氧化剂和光稳定剂等添加剂。当各个组分采用上述比例时，向列型液晶介质和二向性染料能够更好地复配，使得薄膜能够更好地随温度调控光透射，提高调光效率。
进一步的技术方案是，光稳定剂为受阻胺类光稳定剂。
由上可见，本发明优选采受阻胺类光稳定剂，受阻胺类光稳定剂无色，无毒，成本较低，且与向列型液晶介质、染料等相容性较好，受阻胺类光稳定剂不吸收可见光，对液晶薄膜的透射光影响较小。
进一步的技术方案是，活性层还包括光固化型单体和光引发剂。
由上可见，本发明可以在活性层中可以添加单体和光引发剂，在光的作用下能够聚合形成聚合物分隔壁，封装活性层的特定区域，其中壁的尺寸小到人眼无法感知的程度，提高了薄膜的结构稳定性，简化了制造和加工过程。
进一步的技术方案是，向列型液晶介质选自氰基联苯、苯基环己烷、二氟甲氧基苯、三氟甲氧基苯或它们的衍生物中的至少一种。
由上可见，本发明的向列型液晶介质可选自现有的用于显示技术的小分子液晶材料，可以是多种向列型液晶介质的混合，通过选择和调整向列型液晶介质的种类和用量，能够获得所需的向列性-各向同性转变温度。
进一步的技术方案是，二向性染料选自蒽醌型二色性染料、偶氮型二色性染料中的至少一种。
由上可见，本发明的二向色性染料优选上述两大类型，它们与液晶主体相容性好，能够最大程度地减少相变过程中的共存相。二向色性染料可以是相同类型或不同类型的多种染料的混合，具体种类和用量可以基于窗户所需的三个关键因——最大化能源效率，最小化眩光和最大化黑视素产量来进行选择。并且，向列型液晶介质和染料组合的最终光谱可以分别根据太阳光谱，可见光感光度和黑视素感光度曲线进行调整。
进一步的技术方案是，向列型液晶介质由向列性向更高有序性转变温度在-40℃以下。
由上可见，本发明所采用的向列型液晶介质优选凝固点在-40℃以下，可以根据预期安装位置的气候状况进行选择和调整。向列型液晶介质在向列性-各向同性转变温度和向列性向更高有序性转变温度之间为向列相，向列相粘度较小，具有一定的流动性，有利于向列相与各向同性之间的转变。
进一步的技术方案是，第一结构层和第二结构层选自塑料、玻璃或其组合。
由上可见，本发明中的结构层可以是塑料例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚碳酸酯(PC)等，也可以是玻璃。
进一步的技术方案是，第一结构层上或第二结构层上还设有结构层间分隔物、抗刮擦涂层、粘合剂层、活性层配向用的功能涂层中的至少一个。
由上可见，结构层上可以设有各种功能材料层以赋予结构层不同的功能，例如可以设置结构层间分隔物，用于控制层间距离等；可以设置抗刮擦涂层，减少加工过程中对结构层刮擦损害；可以设置粘合剂层，赋予结构层粘合力；可以设置功能涂层等，用于活性层配向，例如使得向列型液晶介质垂直于层面取向。
为实现本发明的第二目的，本发明提供了上述薄膜的制造方法，具体地，热转变液晶基薄膜由卷对卷或卷对片工艺制成。
由上可见，本发明的薄膜可以经卷对卷(Roll-to-Roll)工艺或卷对片(Roll-to-Sheet)工艺进行生产，从而能够大规模生产，将生产成本降至最低，并使动态窗技术得以大规模利用。其中，卷对卷工艺是将柔性的两个结构层从料卷卷出后，在第一结构层表面加上活性层，将第一结构层和第二结构层通过辊压等方式贴合，再将贴合后所得的薄膜收卷或直接裁切。卷对片工艺是将柔性的第一结构层从料卷卷出后，在第一结构层或第二结构层表面加上活性层，再将第一结构层贴附在板状或片状的第二结构层上。
为实现本发明的第二目的，本发明提供了一种智能窗户，其包括上述任一方案中的热转变液晶基薄膜。
由上可见，本发明提供了上述热转变液晶基薄膜在窗户上的应用，所得的窗户为智能窗户或动态窗户，即窗户能够根据温度自动调整光透光率，使用时无需通电或人为控制。
进一步的技术方案是，热转变液晶基薄膜附在外部玻璃的内侧或者热转变液晶基薄膜层压形成外部部件，再与附有降低辐射率的薄膜的内部玻璃组合，形成智能窗户。
由上可见，本发明的薄膜可以粘附在外部玻璃的内侧，或者作为层压的外部部件，以作为内部玻璃的低辐射镀膜玻璃结合，制成隔热玻璃单元。最终构造还可以是任何单个(层压)，双层或三层的玻璃窗单元。
与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：
本发明的热转变液晶基薄膜以及智能窗户能够提高建筑物的能源效率，减少建筑物的碳足迹，减少眩光，并提供建筑物内与外界自然光和昼夜节律的联系，能够通过褪黑激素来刺激人的效率。
本发明的热转变液晶基薄膜具有高度的灵活性，允许根据地理位置和客户偏好进行定制，具体地，可以通过对特定器件适用的不同温度范围进行能量建模来优化转换温度以提高能效，可以根据喜好对所得的颜色进行调控或与静态窗元素组合，以获得特定的美学外观。
本发明的热转变液晶薄膜以及智能窗户可以像任何其他静态产品一样安装，无需布线或任何其他复杂程序，提高了改造现有建筑物进行的可行性。
附图说明
图1是本发明热转变液晶基薄膜实施例的结构示意图。
图2是本发明热转变液晶基薄膜实施例在不同形态下变化的示意图。
图3是本发明智能窗户实施例的结构示意图。
以下结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
作为本发明的具体实施方式，图1至图3示例性地展示了热转变液晶基薄膜的结构、形态变化以及窗户的结构。
如图1所示，本实施例的热转变液晶基薄膜10包括第一结构层11、活性层12和第二结构层13，活性层12设置在第一结构层11和第二结构层13之间。活性层12包括向列型液晶介质14和二向性染料15，还可以根据需要添加抗氧化剂和光稳定剂以改善抗氧化性能和光稳定性能，优选地还可以添加光固化型单体和光引发剂，光固化型单体和光引发剂分散在列型液晶介质14和二向性染料15等物质中，在光例如紫外光的作用下固化形成聚合物分隔室16，聚合物分隔室16能够将列型液晶介质14和二向性染料15等物质分隔在多个不同的区域，提高活性层的结构稳定性。优选地，聚合物分隔室16的壁是人眼不可见的，不影响薄膜的外观。图1仅示意性地表示出聚合物分隔室16，实际上聚合物分隔室16具有不同的尺寸形状。
如图2所示，在低于向列性-各向同性转变温度时，列型液晶介质14能够垂直于层面取向，使得二向性染料15也随之取向排列，使得二向性染料15处于光线吸收最少的状态，动态膜和窗户处于光亮态。在高于向列性-各向同性转变温度时，列型液晶介质14向列性向各向同性转变，列型液晶介质14分子将随机排列，染料也随之无序分布，此时动态膜和窗户具有更高的入射光吸收率，从而导致变暗。
作为热转变液晶基薄膜10的一个实施方案，在液晶混合物中使用三种不同的分别在450nm、550nm和620nm波长具有吸收峰的蒽醌型二色性染料，以覆盖整个可见光范围，并获得薄膜的中性色。蒽醌染料的优点是它们一般具有较宽的吸收曲线，并且一般更耐光降解。结构层可以是具有垂直取向的聚酰亚胺(PI)层的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜。以PET作为结构层的薄膜(热塑性薄膜)可以使用超声波焊接连续加工，以根据需要的窗户大小在原位或后期调整尺寸。
作为热转变液晶基薄膜10的另一个实施方案，活性层12可以包括具有30℃的向列性-各向同性转变温度的液晶混合物，并与5种不同的偶氮型二色性染料组合。偶氮型染料的优点是它们一般更易溶解并且具有更高的二向色比，从而为薄膜提供了更大的动态范围，即透明状态和深色状态之间的差异更大。活性层还与商用抗氧化剂和受阻胺类光稳定剂混合在一起，以提高耐用性。结构层可以由聚碳酸酯膜和薄玻璃的组合制成。结构层的这种组合提供了比仅使用PET膜更高的透射率，雾度更低。在这种配置下，可以使用自动分配的包括光固化型单体和光引发剂的光固化胶来完成边缘密封以及形成分隔室。
作为热转变液晶基薄膜10的另一个实施例方案，活性层12的混合物可以是共晶混合物与染料混合物组成。其中，所述共晶混合物含有4种氰基联苯型液晶，它们结构式符合
Figure BDA0002506827020000101
式中n为正整数。染料为4种蒽醌型染料，它们的结构式符合
Figure BDA0002506827020000102
式中R1和R2为取代基。具体地，染料一吸收峰为409nm(黄色)，用量为共晶混合物重量的0.8％至1％；染料二吸收峰为475nm(橙色)，用量为共晶混合物重量的1.5％至1.8％；染料三吸收峰为565nm(紫色)，用量为共晶混合物重量的2.1％至2.2％；染料四吸收峰为652nm(蓝色)，用量为共晶混合物重量的1.5％至1.7％。所得活性层的向列性-各向同性转变温度在30℃至40℃之间；向列性-各向同性转变的共存相温度区间小于或等于0.5℃；活性层在比向列性-各向同性转变温度低至少10℃时的可见光透过率，与活性层在等于或高于向列性-各向同性转变温度时的可见光透过率的差别大于或等于20％；活性层经过波长小于385nm和剂量至少为500MJ/m2的紫外线曝光后，颜色变化低于在CIELab颜色坐标中Δa*和Δb*均小于或等于1.0的可察觉阈值，可见光透过率变化低于ΔTvis小于或等于5％的可察觉阈值。在本发明的其他实施例中，也可以采用其他种类的液晶和染料并选择它们的用量范围，得到符合上述条件的活性层混合物。
如图3所示，如图2所示，作为热致变色液晶基薄膜10应用于玻璃窗户上的一个具体实施例，该智能窗户包括相互平行的外部玻璃20和内部玻璃30。热致变色液晶基薄膜10黏附在外部玻璃20的内侧，使热致变色液晶基薄膜10免受外界环境侵害。内部玻璃30上镀有低辐射率(Low-E)镀层31，低辐射率镀层31透明性好，可见光透过率高，对远红外辐射反射率高，有良好的隔热效果。低辐射率镀层31可以是现有的为公众所知的镀层，具有低辐射率镀层31的玻璃即Low-E玻璃可以是现有的为公众所知的产品。低辐射率镀膜31与热致变色液晶基薄膜10配合，能够更好地实现建筑物节能效果。低辐射率镀层31与热致变色液晶基薄膜10设置在外部玻璃20和内部玻璃30之间，不影响玻璃窗户的外观，并且对低辐射率镀层31与热致变色液晶基薄膜10有一定的保护作用。热致变色液晶基薄膜10设置在外部玻璃20上有助于热致变色液晶基薄膜10根据外部温度而变色。外部玻璃20末端和内部玻璃30末端之间还可以设有密封件21、间隔件22、扩散孔板23和干燥剂24，密封件21设置在间隔件22的外侧并密封外部玻璃20末端和内部玻璃30末端，间隔件22内设有容纳腔，间隔件22顶部连接带有通孔的扩散孔板23，干燥剂24放置在容纳腔内，起到防潮的作用，进一步提高窗户内热致变色液晶基薄膜10等的使用寿命。
在本发明的其他实施例中，热转变液晶基薄膜也可以采用层压的方式与玻璃片结合，制成外部部件，热转变液晶基薄膜在内侧地再与内部玻璃配合形成玻璃窗户。在本发明的其他实施例中，也可以用热转变液晶基薄膜制备具有单层的、三层的或其他层数玻璃的窗户。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.热转变液晶基薄膜，其特征在于：
包括第一结构层、活性层和第二结构层，所述活性层设置在所述第一结构层和所述第二结构层之间；
所述活性层包括向列型液晶介质和二向性染料，所述向列型液晶介质的向列性-各向同性转变温度在30℃至40℃之间。
2.根据权利要求1所述的热转变液晶基薄膜，其特征在于：
所述活性层的向列性-各向同性转变的共存相温度区间小于或等于0.5℃。
3.根据权利要求1所述的热转变液晶基薄膜，其特征在于：
所述活性层在比所述向列性-各向同性转变温度低至少10℃时的可见光透过率，与所述活性层在等于或高于所述向列性-各向同性转变温度时的可见光透过率的差别大于或等于20％。
4.根据权利要求1所述的热转变液晶基薄膜，其特征在于：
所述活性层经过波长小于385nm和剂量至少为500MJ/m2的紫外线曝光后，颜色变化低于在CIELab颜色坐标中Δa*和Δb*均小于或等于1.0的可察觉阈值；
所述活性层经过波长小于385nm和剂量至少为500MJ/m2的紫外线曝光后，可见光透过率变化低于ΔTvis小于或等于5％的可察觉阈值。
5.根据权利要求1至4任一项所述的热转变液晶基薄膜，其特征在于：
所述活性层还包括抗氧化剂和光稳定剂，所述向列型液晶介质、所述二向性染料、所述抗氧化剂和所述光稳定剂的质量比为(3至7)：(0.15至6)：(0至2)：(0至3)。
6.根据权利要求5所述的热转变液晶基薄膜，其特征在于：
所述向列型液晶介质选自氰基联苯、苯基环己烷、二氟甲氧基苯、三氟甲氧基苯或它们的衍生物中的至少一种；
所述二向性染料选自蒽醌型二色性染料、偶氮型二色性染料中的至少一种；
所述光稳定剂为受阻胺类光稳定剂；
所述活性层还包括光固化型单体和光引发剂；
所述第一结构层和所述第二结构层选自塑料、玻璃或其组合；
所述第一结构层上或所述第二结构层上还设有结构层间分隔物、抗刮擦涂层、粘合剂层、活性层配向用的功能涂层中的至少一个。
7.根据权利要求1至4任一项所述的热转变液晶基薄膜，其特征在于：
所述向列型液晶介质由向列性向更高有序性转变温度在-40℃以下。
8.根据权利要求1至7任一项所述的热转变液晶基薄膜的制备方法，其特征在于：
所述热转变液晶基薄膜由卷对卷或卷对片工艺制成。
9.智能窗户，其特征在于包括权利要求1至7任一项所述的热转变液晶基薄膜。
10.根据权利要求9所述的智能窗户，其特征在于：
所述热转变液晶基薄膜附在外部玻璃的内侧或者所述热转变液晶基薄膜层压形成外部部件，再与附有降低辐射率的薄膜的内部玻璃组合，形成所述智能窗户。
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