一种红外光波段反射膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于光子晶体领域，涉及一种红外光波段反射膜及其制备方法和应用。

背景技术：

液晶是一种性质介于常规液体和固体晶体之间的物质，从十九世纪被发现并赋予定义以来，开始广泛应用于工作生活的各个领域。液晶具有光学各向异性，所以和晶体一样具备双折射特性，光线入射后会分解成两个振动方向相互垂直的折射光，不同的偏振光入射后折射率存在差异。胆甾相液晶分子呈周期性螺旋状排列，对于偏振光而言，液晶分子折射率呈周期性分布。而且液晶容易收到外界环境的诱导而转变形态，例如外电场、外磁场、表面处理、手性剂等影响因素，由此可以实现状态间的切换。

胆甾相液晶反射与其手型相同的圆偏振光，反射中心波长为λ＝n×p，其中，平均折射率n＝(n0+ne)/2(p是螺距，n0是常光折射率，ne是非常光折射率)；反射光子禁带宽度δλ＝δn×p，其中双折射率δn＝no-ne；利用上述特性胆甾相液晶被广泛应用于动态光栅、电控光开关、宽带偏振片、液晶激光器以及双稳态反射式液晶显示器等光学器件，cn103869393a公开了一种液晶显示器用反射膜，在该反射膜的内部含有与聚酯不相容的中空树脂离子的第二聚酯层的至少一面叠有第一聚酯层，并且该反射膜满足以下条件：1)第一聚酯层的厚度为10-30μm；2)第一聚酯层中含有占第一聚酯层总重量5-20％的无机粒子；3)第二聚酯层的厚度为100μm以上；4)第二聚酯层中含有占第二聚酯层总重量10-40％、与聚酯不相容的中空树脂离子，其具有很好的机械性能和反射率，但是由于其中的无机填料粒子及中空树脂粒子的使用使薄膜脆性变差，应用受到限制。

许多基于聚合物的偏向于降低驱动电压以及响应时间的研究已被报道，目前关于胆甾相液晶成功制备出高反射膜应用于智能玻璃中的研究比较少，cn107300726a公开了一种全固态反射膜及其制备方法，包括具有微腔结构的聚合物基质，及填充在微腔内的填充介质；反射膜中的微腔呈螺旋结构，其反射膜可柔性、可塑形，但是其光子禁带的中心波长在可见光区域，且宽度较窄，对红外波段的反射并没有涉及；cn107346084a提供了一种全反射红外反射器件及其制备方法，该器件包括相对设置的两块透明导电基板，两块所述透明导电基板封装形成密封腔，在密封腔内，两块透光导电基板相对的表面上分别覆有能反射左旋偏振光的液晶层一和能反射右旋偏振光的液晶层二，该器件虽然能够对一定波段的红外全反射，但是制备方法复杂，光子禁带宽度较窄。

目前需要开发一种反射薄膜，可以在稳定的反射红外光的前提下不影响其在可见光区域的使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种红外光波段反射膜及其制备方法和应用，本发明提供的双层结构的反射膜可以达到增大反射谱光子禁带宽度和反射率的目的，为室内环境的光线和温度提供更好的调控机制。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种红外光波段反射膜，所述反射膜包括聚合物薄膜反射层和胆甾相液晶层，其中，所述胆甾相液晶的反射中心波长在760nm-1mm之间；

所述聚合物薄膜具有左旋结构且所述胆甾相液晶具有右旋结构，或者，所述聚合物薄膜具有右旋结构且所述胆甾相液晶具有左旋结构。

本发明提供的红外光波段反射膜指的是反射膜具有反射红外光的特点，其光子禁带的中心波长在红外光波段(760nm-1mm)内；所述“左旋结构”为排列旋转方式为左旋，所述“右旋结构”为排列旋转方式为右旋。

本发明提供的反射膜具有双层结构，包括通过聚合物和液晶自组装形成光子晶体，聚合后形成稳定光子晶体微腔结构的聚合物薄膜反射层，以及液晶在手性掺杂剂的作用下形成胆甾相液晶层。

本发明提供的反射膜中的聚合物薄膜具有左旋或右旋结构，可反射红外线中的左旋或右旋偏振光，而胆甾相液晶则与聚合物相反，反射右旋或左旋偏振光，因此，本发明提供的反射膜对人体健康影响较大的红外光的反射率较高，通过反射对环境温度起决定性作用的红外光还可以调节环境温度；并且本发明提供的反射膜具有较宽的反射谱光子禁带，本发明达到了利用简单结构反射更宽波长范围红外光的目的。

在本发明中，所述胆甾相液晶由向列相液晶和手性剂组成，且其反射中心波长由手性剂的浓度来调整，示例性的，当选择向列相液晶e7与手型掺杂剂r5011时，r5011的浓度为1-2wt％时，得到的胆甾相液晶的反射中心波长为780-2200nm；当选择向列相双频液晶hef951800与手型掺杂剂s5011时，s5011的浓度为1-2wt％时，得到的胆甾相液晶的反射中心波长为770-2300nm。

在本发明中，所述聚合物薄膜具有微腔，所述微腔呈现螺旋结构，所述微腔具有左旋结构且所述胆甾相液晶具有右旋结构，或者，所述微腔具有右旋结构且所述胆甾相液晶具有左旋结构。

本发明提供的聚合物薄膜反射层的微腔结构是通过液晶分子在取向的作用下自组装，聚合物把螺旋结构复制出来后去除液晶的方法得到的。

优选地，所述聚合物薄膜反射层的厚度为5-15μm，例如7μm、8μm、10μm、11μm、12μm等。

优选地，所述胆甾相液晶层的厚度为5-15μm，例如6μm、8μm、10μm、12μm、14μm等。

第二方面，本发明提供了如上所述的红外光波段反射膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)在第一基板上设置第一取向层，在第二基板上设置第二取向层；

(2)将步骤(1)得到的第一基板和第二基板对扣形成第一液晶盒，对扣时基板均位于外侧，第一取向层和第二取向层呈反平行取向，且第一取向层和第二取向层之间有间隙，这个间隙是两块玻璃之间的空隙，用于填充液晶等物质形成三明治结构；

(3)将第一胆甾相液晶、聚合物单体和引发剂注入步骤(2)得到的第一液晶盒中，然后使聚合物单体聚合，反应后除去带有第二取向层的第二基板并使用溶剂浸泡、干燥；

(4)在第三基板上设置第三取向层后，扣在步骤(3)得到的聚合物薄膜反射层上，得到第二液晶盒，其中，第三基板位于外侧，第一取向层和第三取向层呈反平行取向，且聚合物薄膜反射层和第三取向层之间有间隙；

(5)将第二胆甾相液晶注入步骤(4)得到的第二液晶盒中，得到红外光波段反射膜。

在本发明的方法中，步骤(2)中所述“反平行取向”指：第一取向层的摩擦方向和第二取向层的摩擦方向平行且相反。

本发明的方法中，步骤(3)的第一胆甾相液晶在反平行取向的液晶盒中自组装形成的液晶盒中自组装形成一维光子晶体结构，聚合物单体随着液晶分子排列并稳定，在聚合物单体聚合过程中，聚合物单体围绕第一胆甾相液晶聚合。

优选地，所述第一取向层、第二取向层和第三取向层均为聚酰亚胺层。

在本发明中，选用聚酰亚胺取向剂作为光取向剂，得到取向层。

优选地，所述取向层的取向方法为摩擦取向。

优选地，所述基板为ito导电玻璃或导电透明薄膜。

优选地，步骤(3)所述聚合物单体为rm257、rm021、rm006、rm82和rm010中的任意一种或至少两种的组合，优选为rm257、rm021、rm006、rm82和rm010的混合物，进一步优选为rm257、rm021、rm006、rm82和rm010以质量比6∶4∶4∶3∶3形成的混合物，当本发明选用的聚合物单体为rm257、rm021、rm006、rm82和rm010以质量比6∶4∶4∶3∶3形成的混合物时，最后得到的聚合物薄膜具有较好的力学性能。

在本发明中，rm257的分子结构式如式i：

在本发明中，rm021的分子结构式如式ii：

在本发明中，rm006的分子结构式如式iii：

在本发明中，rm82的分子结构式如式iv：

在本发明中，rm010的分子结构式如式v：

优选地，所述光引发剂为darocur1173。

优选地，所述第一胆甾相液晶、聚合物单体和引发剂的质量比为(72-75)∶(20-25)∶1，例如73∶21∶1、74∶22∶1、73∶23∶1、74∶24∶1等。

优选地，步骤(3)所述使聚合物单体聚合的方式包括曝光的方式或者引发剂引发聚合的方式，进一步优选曝光的方式。

优选地，步骤(3)所述使聚合物单体聚合的方式为：从所述第一基板侧进行曝光。

优选地，所述曝光为偏振紫外光曝光。

从所述第一基板侧进行偏振紫外光曝光，与所述第一基板相邻的聚合物单体以及光引发剂经过偏振紫外光触发围绕第一胆甾相液晶进行聚合，然后通过溶剂浸泡除去第一胆甾相液晶，得到具有微腔结构的聚合物薄膜反射层，所述溶剂为甲苯；使用溶剂浸泡一方面可以除去第一胆甾相液晶，另一方面可以除去未反应及聚合物单体。

优选地，所述第一胆甾相液晶为右旋胆甾相液晶且第二胆甾相液晶为左旋胆甾相液晶，或者，所述第一胆甾相液晶为左旋胆甾相液晶且第二胆甾相液晶为右旋胆甾相液晶。

优选地，所述胆甾相液晶由向列相液晶和手型掺杂剂组成。

在本发明中，对向列相液晶和手型掺杂剂等条件不做限定，通过选用不同的液晶以及改变手型掺杂剂的浓度，可以改变本发明得到的反射膜的光子禁带的中心波长位置以及光子禁带宽度，得到可调谐式的反射膜；示例性的，手型掺杂剂可以为r5011或s5011，r5011/s5011的结构如式vi：

其中，r5011和s5011平面结构式相同，在三维图上为互相手性对称。

第三方面，本发明提供了如第一方面所述的红外光波段反射膜在汽车车窗、建筑物玻璃外墙或智能窗中的应用。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的反射膜中的聚合物薄膜具有左旋或右旋结构，可反射红外线中的左旋或右旋偏振光，而胆甾相液晶则与聚合物相反，反射右旋或左旋偏振光，因此，本发明提供的反射膜对人体健康影响较大的红外光的反射率较高，通过反射对环境温度起决定性作用的红外光还可以调节环境温度；并且本发明提供的反射膜具有较宽的反射谱光子禁带，本发明达到了利用简单结构反射更宽波长范围红外光的目的；

(2)本发明提供的反射膜可以在稳定地高度反射红外光的前提下，不影响其在可见光区域的表现，可以通过施加一个外电场来实现平面结构态(透过可见光、透明态)和焦锥织构态(散射可见光、模糊态)两种状态间的切换；

(3)本发明提供的反射膜通过改变第一胆甾相液晶、第二胆甾相液晶的液晶种类或手型掺杂剂的浓度可以调控反射膜的光子禁带线宽和位置，得到处于红外波段的较宽禁带的可调谐式反射膜，可广泛应用于工作生活的多个领域，在光学领域也有广泛的应用。

附图说明

图1是本发明提供的反射膜的结构示意图。

其中，1-聚合物薄膜反射层；2-胆甾相液晶层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

图1为本实施例提供的红外波段反射膜的结构示意图，由聚合物薄膜反射层和胆甾相液晶层组成，聚合物薄膜具有左旋结构的微腔，胆甾相液晶具有右旋结构，制备方法如下：

(1)在第一ito导电玻璃基板上涂聚酰亚胺胶液，然后利用高速旋转绒布进行摩擦取向；依上述方法在第二ito导电玻璃基板上设置第二取向层；

(2)将步骤(1)得到的第一ito导电玻璃基板和第二ito导电玻璃基板对扣形成第一液晶盒，对扣时基板均位于外侧，第一取向层和第二取向层呈反平行取向，且第一取向层和第二取向层之间有间隙；

(3)将第一胆甾相液晶、聚合物单体和引发剂按质量比为74∶25∶1在75℃下搅拌均匀，注入步骤(2)得到的第一液晶盒中，从第一ito导电玻璃基板侧进行紫外光(中心波长365nm)曝光使聚合物单体聚合，聚合后除去带有第二取向层的第二ito导电玻璃基板，使用甲苯浸泡除去第一胆甾相液晶和未反应的聚合物单体并干燥；

其中，聚合物单体为rm257、rm021、rm006、rm82和rm010以质量比6∶4∶4∶3∶3形成的混合物；光引发剂为darocur1173；第一胆甾相液晶由向列相液晶e7与手型掺杂剂r5011按98.27∶1.73的质量比混合而成；

(4)在第三ito导电玻璃基板上设置第三取向层后，扣在步骤(3)得到的聚合物薄膜反射层上，得到第二液晶盒，其中，第三ito导电玻璃基板位于外侧，第一取向层和第三取向层呈反平行取向，且聚合物薄膜反射层和第三取向层之间有间隙；

(5)将第二胆甾相液晶注入步骤(4)得到的第二液晶盒中，然后去除带有第一取向层的第一ito导电玻璃基板和带有第三取向层的第三ito导电玻璃基板，得到红外光波段反射膜；

其中，第二胆甾相液晶由向列相双频液晶hef951800与手型掺杂剂s5011按98.2∶1.8的质量比混合而成。

对本实施例得到的反射膜进行检测，结果显示：其光子禁带的中心波长为830nm，禁带宽度为170nm，透过率为1.6％(即反射率为98.4％)。

实施例2

与实施例1的区别仅在于，在本实施例中，第一胆甾相液晶由向列相液晶e7与手型掺杂剂r5011按98.42∶1.58的质量比混合而成，第二胆甾相液晶由向列相双频液晶hef951800与手型掺杂剂s5011按98.4∶1.6的质量比混合而成。

对本实施例得到的反射膜进行检测，结果显示：其光子禁带的中心波长为1000nm，禁带宽度为180nm，透过率为0.7％(即反射率为99.3％)。

实施例3

与实施例1的区别仅在于，在本实施例中，第一胆甾相液晶由向列相液晶e7与手型掺杂剂r5011按98.27∶1.73的质量比混合而成，第二胆甾相液晶由向列相液晶b-03-3与手型掺杂剂s5011按98.5∶1.5的质量比混合而成。

对本实施例得到的反射膜进行检测，结果显示：其光子禁带的中心波长为860nm，禁带宽度为250nm，透过率为1.04％(即反射率为98.96％)，在700-1400nm的光谱范围内，也就是阳光辐射最强的部分，总的透过率为53.1％，而对其半高宽(fwhm)覆盖波段区域，仅能透过全部光的18.94％。

由实施例1-3的测试结果可知，本发明提供的反射膜可反射红外光，反射率极高，可达到98％以上，且具有较宽的光子禁带宽度，宽度在170nm以上；并且，本发明可以通过改变液晶的种类或手型掺杂剂的浓度来调控反射膜的光子禁带线宽和位置，得到处于红外波段的较宽禁带的可调谐式反射膜。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的红外光波段反射膜及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。