一种制作胆甾相液晶聚合物薄片的方法与流程

本发明涉及液晶光学领域，具体涉及一种制作胆甾相液晶聚合物薄片的方法。
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：胆甾相液晶聚合物(pclc)薄片发展于20世纪90年代，其良好的特性用于替代摩尔质量较小的胆甾相液晶和pclc薄膜。胆甾相液晶分子易受电场或磁场的作用，从而能实现光学性质的可控性。由于胆甾相液晶分子对温度极其敏感，微小的温度变化就能改变它们的性质，甚至引起相变，转变为固态或者液态。如果将液晶分子结合至聚合物长链中，形成pclc薄膜，就可以降低它们的温度敏感度。鉴于pclc薄膜具有极强的粘度特性，导致只能在很小的区域内实现较好的配向效果，这严重限制了pclc薄膜的应用。pclc薄片结合了小分子胆甾相液晶和pclc薄膜两者的性质，不仅具有温度稳定性，配向均一性，而且还保持着光电可控性。pclc薄片有着特殊的分子螺旋结构，使其具有独特的选择性反射和布拉格效应(bragg-type)。选择性反射，即：pclc薄片表面只能引起特定波长和(圆)偏振光的反射。当视线偏离薄片螺轴方向或者入射光与螺轴形成夹角，选择性反射波长均向短波移动，造成反射光消失，进而产生明显的视觉效应。pclc薄片还可用于产出右(左)手性的圆偏振光，易于实现3d效果和安全保证功能，例如鉴定、防伪等。pclc薄片所具有的重定向、可调协、选择性反射以及温度稳定的良好性质，使其在商业方面和科学方面都具备无法估量的应用价值。目前为止，几十到几百微米级的pclc薄片生产，主要有以下几种方式：物理断裂法：用物理方法将pclc薄膜打碎，形成小的pclc薄片。破碎的薄片既有液晶重要的光学特性，还保持着温度不敏感性。该方法，多采用机械式打碎，很难控制其薄片的大小和形状，限制了其规律性研究和成品化生产。该物理断裂法的技术方案如：美国专利数据库公告的us5364557，及，中国专利数据库公告的cn103351704b。软刻蚀模版法：主要在图案化的硅晶片上涂大量的聚二甲基硅氧烷(pdms)，至凝固剥离，形成图案化pdms模具，用pclc填充pdms模具，配向，检测，冷却，最后弯曲模具挤出pclc薄片。该软刻蚀模版法虽然改善了物理断裂法形状不可控这一不确定因素，但是，该方法弯曲挤出薄片，很容易破坏模具的结构，模具重复使用性较差。该软刻蚀模版法技术方案如：美国专利数据库公开的us20040173927。此外，以上两类方法均不能实现连续性批量生产，大大降低了生产效率，限制了其工业化和集成化的应用。技术实现要素：本发明提供了一种制作胆甾相液晶聚合物(pclc)薄片的方法，其克服了
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中制作pclc薄片的方法所存在的不足。本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种制作胆甾相液晶聚合物薄片的方法，包括：步骤(1)制作离心通道深度递减的微流控离心芯片，芯片中央设有储液池，微流控离心芯片边缘设有出样口；步骤(2)利用液滴制备装置制备大小均一单分散的胆甾相液晶聚合物液滴；步骤(3)利用离心作用，使注入微流控离心芯片储液池中的胆甾相液晶聚合物液滴离心通过深度小于液滴直径的离心通道，形成扁平状液滴；步骤(4)离心至最外围离心通道的扁平状液滴经光照聚合，形成胆甾相液晶聚合物薄片，从微流控离心芯片的出样口输出。一实施例之中：所述步骤(1)中，微流控离心芯片包括基片和盖片，基片中央设有储液池，基片外围设有深度由内至外递减的离心通道，出样口接通离心通道，盖片中央设有能接通储液池的进样口。一实施例之中：所述离心通道是环绕储液池的环形通道，或，是以储液池为中心且由中心向外围呈辐射分布的线形通道，或，是以储液池为中心的螺旋形通道。一实施例之中：所述步骤(2)中，所述的胆甾相液晶聚合物液滴成分包括胆甾相液晶、引发剂和单体。一实施例之中：所述的胆甾相液晶选自于胆固醇乙酸酯、胆固醇丙酸酯、胆甾醇正丁酸酯、胆固醇壬酸酯、胆甾醇油酸酯、胆甾烯基亚油酸酯、胆甾醇苯甲酸酯、胆甾醇肉桂酸酯、胆甾醇乙基碳酸酯，胆固醇油醇碳酸酯、胆甾烯基异硬脂酰基碳酸酯、胆甾烯基丁烯酸酯、胆甾烯基碳酸酯、氯化胆固醇中的一种或多种。一实施例之中：所述的胆甾相液晶可由向列相液晶掺杂手性剂制备而成。一实施例之中：所述步骤(2)中，制备胆甾相液晶聚合物液滴时，内相为液晶混合物，外相为与液晶混合物不互溶的材料，控制内相、外相的流速，以获得大小均一单分散的胆甾相液晶聚合物液滴。一实施例之中：所述与液晶混合物不互溶的外相材料选自水相溶液、甘油、硅油、石蜡油的一种或多种。一实施例之中：所述步骤(4)中，胆甾相液晶聚合物薄片的厚度等于最外围离心通道的深度。本技术方案与
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相比，它具有如下优点：本发明为了改善上述两类方法的不足，研究出一种新的制作pclc薄片的方法，利用微流控离心技术实现批量连续化pclc薄片生产，微流控技术可在微小通道内操纵、处理与控制微小流体(如纳升至皮升)，它能产生如下技术效果：其一，具有过程简单、损耗小、可集成微型化、响应快等优点；其二，不仅克服了薄片形状的不可控性，而且改善了模具重复利用性差、效率低的弊端；其三，pclc薄片边缘是有曲度的平滑形变，而非人为的机械式截断，这一点对于pclc薄片的光学性质的研究有着深远的意义；其四，微流控可实现几十到几百微米的pclc薄片的制作。附图说明图1是制作胆甾相液晶聚合物薄片装置图。图2是微流控芯片基片俯视图。图3是微流控芯片基片侧视图。图4是微流控芯片盖片俯视图。图5(a)是采用湿法刻蚀法的偏光显微镜下胆甾相液晶聚合物薄片实物图；图5(b)是采用感应耦合等离子体刻蚀法的偏光显微镜下胆甾相液晶聚合物薄片实物图。图中的标记为：1.1-聚合光源，1.2-进样装置，1.3-进样口，1.4-离心通道，1.5-盖片，1.6-基片，1.7-离心驱动模块，1.8-出样口，2.1-储液池，2.2-支撑柱，2.3-侧视图切割线，3.3-盖片通孔。具体实施方式下面结合附表和附图，对制作胆甾相液晶聚合物(pclc)薄片的具体实施方法作进一步的说明。实施例一一种制作胆甾相液晶聚合物(pclc)薄片的方法，包括：步骤(1)制作离心通道深度递减的微流控离心芯片，该芯片包括基片和盖片，基片中央设有储液池，基片外围设有深度由内至外递减的离心通道，基片边缘处设有接通离心通道的出样口，盖片中央设有能接通储液池的进样口；所述离心通道是环绕储液池的环形通道，或，是以储液池为中心且由中心向外围呈辐射分布的线形通道，或，是以储液池为中心的螺旋形通道。步骤(2)利用液滴制备装置制备大小均一单分散的pclc液滴；步骤(3)利用离心作用，将注入微流控离心芯片储液池中的pclc液滴离心通过深度小于液滴直径的离心通道，形成扁平状液滴；步骤(4)将离心至最外环聚合通道的扁平状液滴经光照聚合，形成pclc薄片，收集pclc薄片。所述步骤(4)中，用于光照聚合的光源可选一个或多个。所述步骤(2)中的液滴制备装置可以与步骤(1)中的微流控离心芯片集成在一起。本实施例一之中：该步骤(1)包括：步骤1-1，制作基片1.6；步骤1-2，制作盖片1.5；步骤1-3，将盖片1.5和基片1.6用聚乙烯(pva)水溶液进行润洗，例如用4-6wt％的聚乙烯(pva)水溶液进行润洗1-3min，具体如选5wt％及2min，再用夹具将两者贴合在一起，完成微流控芯片的制作。该步骤1-1的制作基片1.6的具体实施方法为：选取直径40cm、厚度2cm的圆形玻璃板作为基片1.6，利用湿法刻蚀，通过控制酸溶液对玻璃的腐蚀时间，在玻璃板基质上刻蚀出一环环等梯度深度变化的通道，该通道由内至外深度等距变小，具体操作过程为：首先将基片1.6用抗腐蚀材料(如胶带)包裹，然后用激光光刻机在玻璃板一侧刻出设计的图案，如图2所示，等深度环图案最外环的宽度约为6cm，其余各内环的环宽约为3cm，而且基片1.6上还设有三个支撑柱2.2，三个支撑柱2.2位于最外环内，支撑柱2.2直径约为2cm。用酸溶液刻蚀，酸溶液包含hf和hno3，hf:hno3的酸溶液配比为：hf:hno3:h2o＝9-11:6-8:80-90，具体如10:7:83(体积比)，刻蚀速度如1-1.5um/min，具体如为1.2um/min。通过控制时间变量，由内至外，刻蚀出等梯度深度变化的环形通道，该些环形通道构成梯度环1.4，通道由内至外深度等距变小使梯度环1.4由内至外高度渐高。具体操作方法例如是：内环剥一环，刻一环，最外环保留支撑住不受酸液侵蚀。各环刻蚀深度如表1所示，基片1.6侧视图如图3所示。表1，湿法刻蚀的环数与刻蚀深度的对应关系。环数刻蚀深度(μm)1150213031154100585660该步骤1-2的制作盖片1.5的具体实施方法为：选取直径55cm、厚度1cm的圆形有机玻璃作为盖片1.5，用激光光刻法在盖片1.5圆心对应位置刻大小合适的通孔3.3，对应位置如图4所示。该基片1.6之对应圆心的位置形成深度最深的储液池2.1，将储液池2.1对准盖片的通孔3.3，构成进样口1.3,pclc液滴由进样口1.3加入芯片中。该基片1.6之外周壁设有接通梯度环1.4的出样口1.8。所述的离心通道具有位于最外环的聚合通道，pclc薄片的厚度等于聚合通道的深度。所述的盖片和基片可选择石英玻璃、金属、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一种或多种。所述的基片和盖片的刻蚀方法，根据不同的材料，多选择湿法刻蚀、软压印刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀(icp)、光学刻蚀、热压印刻蚀、准分子刻蚀、3d打印中的一种或多种。所述的基片和盖片既可以各自加工再进行键合；也可以将基片与盖片一体化注塑成型。该步骤(2)具体如：制备大小均一单分散的pclc液滴，pclc液滴组成成分为74wt％的胆甾相液晶(96.8wt％的向列相液晶e7和3.2wt％手性剂r5011)、1wt％的引发剂651和25wt％的单体体系，其中单体体系组成为rm257：rm82：rm006：rm021：rm010＝3：2：2：2：1(质量比)。内相为液晶胆甾相液晶聚合物溶液，外相为10wt％pva水溶液，控制内相、外相的流速，获得直径为100-150μm，如120μm的均匀单分散的pclc液滴。如上所述步骤(2)中，所述的胆甾相液晶聚合物液滴成分包括胆甾相液晶、引发剂和单体。所述的胆甾相液晶选自于胆固醇乙酸酯、胆固醇丙酸酯、胆甾醇正丁酸酯、胆固醇壬酸酯、胆甾醇油酸酯、胆甾烯基亚油酸酯、胆甾醇苯甲酸酯、胆甾醇肉桂酸酯、胆甾醇乙基碳酸酯，胆固醇油醇碳酸酯、胆甾烯基异硬脂酰基碳酸酯、胆甾烯基丁烯酸酯、胆甾烯基碳酸酯、氯化胆固醇中的一种或多种。所述的胆甾相液晶可由向列相液晶掺杂手性剂制备而成。所述的向列相液晶选自于e7、e12、5cb、e48、zli4788、zli2293、bl006、bl036、mda-00-3461、mda-00-3506、mlc6608中的一种或多种。所述的手性剂选自于s811、r811、s5011、r5011、r1011、cb15、bdh1281、bp-cd3、coc、mlc6248中的一种或多种。所述的引发剂选自于irgacure651、irgacure1173、irgacure184、irgacure127、irgacure784、irgacure819、irgacure2202、irgacure2959、chemcure-481中的一种或多种。所述的单体选自于rm257、rm82、rm84、rm006、rm021、rm010、rm206、rm691、c6m、bahb、slc1717、lc242、m1、m2中的一种或多种。该步骤(3)和步骤(4)具体包括：步骤a，将微流控芯片、进料装置1.2、聚合光源1.1和离心驱动模块1.7按图1所示的位置，依次固定在铁架台支架上。步骤b，取足量pclc液滴加入进料装置1.2中，注满储液池1.3，再打开聚合光源1.1，设置波长为350nm，光照强度为96mw/cm2；步骤c，在微流控芯片外侧放置圆环形接收装置，装置内盛有的5wt％的聚乙烯(pva)水溶液作为衬底，打开离心驱动，该离心驱动模块1.7带动微流控芯片转动，转速设置为500rpm/s，pclc液滴经过离心以形成扁平状液滴，离心至最外环聚合通道的扁平状液滴经光照聚合，形成pclc薄片，最终从出样口1.8脱离芯片落入圆环接收装置中，收集获得批量的pclc薄片。离心聚合后pclc薄片偏光显微镜下实物图，见图5(a)所示。实施例二它与实施例一不同之处在于：该步骤1-1的制作基片1.6的具体实施方法为：选取直径50cm、厚度2cm的圆形石英玻璃板作为基片1.6，采用感应耦合等离子体刻蚀技术(icp)刻蚀技术，在石英玻璃基质1.6上刻蚀出一环环等梯度深度变化的通道，具体实验过程：先将基片1.6用抗腐蚀胶带包裹，然后用激光光刻机在玻璃板一侧胶带上刻出圆环图案，图案如图2所示，等深度环图案最外环宽度约为5cm，其余各环环宽约为3cm，最外环中三个支撑柱直径约为2cm；将石英基板放入icp-2b型刻蚀机中，用f12为刻蚀气体，rf1功率为300w，rf2功率为100w，压强为0.35pa，气体流量为35ml/min，室温条件下对石英材料的刻蚀速率为42nm/min。通过控制时间变量，由内到外，刻蚀出等梯度深度变化的环形通道，构成梯度环1.4。具体操作方法，内环剥一环，刻一环，最外环保留支撑住不受刻蚀。各环刻蚀深度如表2所示，基片1.6侧视图如图3所示。表2，感应耦合等离子体刻蚀，环数与刻蚀深度的对应关系环数刻蚀深度(μm)1200217531604145513061157100885离心聚合后pclc薄片偏光显微镜下实物图，见附图5(b)所示。以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。当前第1页12