一种具有温湿度双重响应的液晶薄膜及其制备方法与应用

本发明涉及电响应材料，尤其是涉及一种具有温湿度双重响应的液晶薄膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、液晶是一种兼有液体流动性和晶体光学各向异性的物质相态，主要包括溶致液晶和热致液晶。热致液晶的相态主要有向列相、近晶相、胆甾相几种。胆甾相可以通过在向列相体系中添加具有旋光性的手性掺杂剂而获得。胆甾相具有螺旋结构，能选择性地反射与螺距同一量级的波长的光，因此具有便于观测的结构色。反射光的波长取决于螺旋结构的螺距大小，该螺距大小可以通过材料的化学组成来调节，并可以通过化学交联来使其固定不变。因此，胆甾相液晶可广泛应用于各种器件中，比如红外反射智能窗、彩色标签传感器等。

2、温敏性聚合物是当温度改变时能实现结构调节并做出反馈的一类刺激响应性聚合物。温敏聚合物中具有低临界溶解温度(lower critical solution temperature，lcst)的聚合物，被称为lcst型聚合物。以pnipam(聚n-异丙基丙烯酰胺)为例，它的lcst是32℃，与人体的体温相近。这也使它的应用更多地与人体表面温度响应装置联系在一起。pnipam分子中含有亲水性的酰胺基(—conh—)和疏水性的异丙基[—ch(ch3)2—]。当温度低于其lcst时，pnipam中的每个酰胺键与3个水分子之间形成氢键，其链在水溶液中充分伸展，呈无规线团构象，宏观表现为完全溶解；当温度升高时，pnipam与水分子之间的氢键相互作用减弱，水分子重新变得自由。为降低界面能，疏水基团与水分子减少接触而相互聚集，水分子进一步被排除在外。pnipam的构象转变为收缩的球状结构，宏观表现为溶液出现浊点。但是pnipam本身不能作为功能器件，且该相变过程难以被直接观测。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。本发明公开了一种能对温度和湿度双重响应的液晶薄膜，该液晶薄膜的制备方法是通过将主链型液晶聚合物与致孔剂混合，制得具有多孔结构的主链型液晶弹性体；向主链型液晶弹性体中加入温敏性聚合物质，使其形成聚合物互穿网络，其结构示意图如图1所示。

2、图1示出了具有温湿度双重响应的液晶薄膜的结构示意图。

3、本发明所使用的合成方法不同于传统的表面接枝改性、表面涂覆改性、共混改性。本发明的主链型液晶弹性体与温敏性聚合物质之间不发生化学键的结合，与接枝共聚物不同；两者虽然发生共混，但仍然存在各自的相，与物理共混物也不同。

4、一种具有温湿度双重响应的液晶薄膜，其特征在于，所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜的结构为：主链型液晶薄膜与温敏性聚合物形成的互穿网络结构；

5、所述主链型液晶薄膜的原料包括：液晶单体55～65wt％、扩链剂7～9wt％、致孔剂25～35wt％、光引发剂1～3wt％；

6、所述主链型液晶薄膜和温敏性聚合物的质量比为1:3～1:5；

7、所述液晶单体选自手性液晶单体、非手性液晶单体中的至少一种。

8、进一步地，所述非手性液晶单体和手性液晶单体的摩尔比控制在4.1:1～9.2:1。

9、进一步地，所述温敏性聚合物选自n-异丙基丙烯酰胺、2-甲基丙烯酸羟乙基酯、聚乙二醇甲基丙烯酸乙二酯、n、n’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或多种；优选地，所述温敏性聚合物优选为n-异丙基丙烯酰胺。

10、进一步地，所述致孔剂选自cb类(联苯类)液晶，该类液晶材料没有易分解的桥链，稳定性好，粘度较小，阈值也较低，其结构式如下：

11、

12、进一步地，所述扩链剂选自伯胺、二硫醇中的至少一种。例如，可采用以下物质中的至少一种：

13、

14、进一步地，所述手性液晶单体选自手性二丙烯酸酯、手性甲基丙烯酸酯的至少一种。

15、进一步地，所述非手性液晶单体选自非手性二丙烯酸酯、非手性甲基丙烯酸酯中的至少一种。

16、进一步地，所述光引发剂选自irgacure 369、irgacure 651、irgacure 819、irgacure 184中的一种或多种。

17、本发明的另一个目的在于，提供上述具有温湿度双重响应的液晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

18、s1.将液晶单体、扩链剂加入容器，加热反应完全，得到聚合物m1；之后将聚合物m1与致孔剂、光引发剂混合均匀，得到混合物m2；然后将混合物m2置于玻璃基板上，辅助取向，紫外固化，得到主链型液晶薄膜；

19、s2.将温敏性聚合物与光引发剂混合均匀，置于液晶薄膜上，再覆盖pet薄膜，借助外力使温敏性聚合物渗透入薄膜中，最后紫外固化，得到产品。

20、进一步地，步骤s1中，加热反应的条件为50-80℃，反应时间为24h-36h。

21、进一步地，步骤s1中，所述辅助取向的方法为：在涂覆有取向剂的玻璃基板上通过摩擦产生的剪切力使液晶分子有序排列。

22、本发明的又一个目的在于，提供所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜在潮湿环境或水中的应用。

23、本发明具有以下有益效果：

24、(1)本发明公开了一种能对温度和湿度双重响应的液晶薄膜，该光反射薄膜的制备方法是通过将主链型液晶聚合物与致孔剂混合，制得平行取向、对光散射较少、具有多孔结构的主链型液晶薄膜；向主链型液晶薄膜中加入温敏性聚合物质，使其形成聚合物互穿网络。上述制备方法简单，所制备得到的薄膜兼具对温度和湿度响应的特性，当温/湿度改变时，由于薄膜发生构象转变，导致薄膜的光反射波段或者透射率大小也能随之改变。

25、(2)通过本发明制备方法构建聚合物互穿网络得到的液晶薄膜，兼具对温度和湿度响应的特性，在潮湿环境或水体中，能够实现快速实现温度/湿度信号可视化，离开潮湿环境或水体中后可以快速恢复到初始状态，进一步地提升了薄膜的水响应效果，这是因为本发明所选用的温敏性聚合物具有良好的水吸湿性能，能够吸收周围环境中的水分子。当水分子进入薄膜孔隙后，聚合物互穿网络中的温敏性聚合物在吸水后溶解，发生溶胀效应，胆甾相液晶的螺距发生变化，从而改变了反射光的波段，进而加快了薄膜对水的响应速度；而当含有水分子的薄膜的温度发生变化时，温敏性聚合物的结构和性质会发生改变，影响薄膜的透射率和响应效果，使其具备优异的温敏响应能力。由于温度和湿度改变的是薄膜的两种不同的性质，因此可以通过本发明的外观变化同时分辨出温度和湿度的变化。

26、(3)本发明所选用的胆甾相液晶和温敏性聚合物具有较好的柔韧性和可变形性。通过胆甾相液晶与温敏性聚合物使用上述制备方法得到互穿网络结构的薄膜，两者相互支撑和增强，温敏性聚合物不会因与水长时间接触而流失于水溶液中，使得整个液晶薄膜的结构更加稳定，能够承受外界的应力和变形，使得薄膜的使用寿命增长、可重复性增强。

技术特征：

1.一种具有温湿度双重响应的液晶薄膜，其特征在于，所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜的结构为：主链型液晶薄膜与温敏性聚合物形成的互穿网络结构；

2.根据权利要求1所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜，其特征在于，所述温敏性聚合物选自n-异丙基丙烯酰胺、2-甲基丙烯酸羟乙基酯、聚乙二醇甲基丙烯酸乙二酯、n、n’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜，其特征在于，所述致孔剂选自以下物质中的至少一种：

4.根据权利要求1所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜，其特征在于，所述扩链剂选自伯胺、二硫醇中的至少一种。

5.根据权利要求1所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜，其特征在于，所述手性液晶单体选自：手性二丙烯酸酯、手性甲基丙烯酸酯中的至少一种。

6.根据权利要求1所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜，其特征在于，所述非手性液晶单体选自：非手性二丙烯酸酯、非手性甲基丙烯酸酯中的至少一种。

7.权利要求1-6任一项所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤s1中，加热反应的条件为50-80℃，反应时间为24h-36h。

9.根据权利要求7所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述辅助取向的方法为：在涂覆有取向剂的玻璃基板上通过摩擦产生的剪切力使液晶分子有序排列。

10.权利要求1-6任一项所述具有温湿度双重响应的液晶薄膜在潮湿环境或水中的应用。

技术总结
本发明公开了一种具有温湿度双重响应的液晶薄膜及其制备方法与应用，该液晶薄膜的制备方法是通过将主链型液晶聚合物与致孔剂混合，制得具有多孔结构的主链型液晶弹性体；向主链型液晶弹性体中加入温敏性聚合物质，使其形成聚合物互穿网络。本发明兼具能对温度和湿度响应的特性。当温/湿度改变时，其光反射波段或者透射率大小也能随之改变，从而达到快速实现温度/湿度信号可视化的效果，且两种响应都可以快速恢复到初始状态。通过构建温敏性物质与胆甾相液晶的互穿网络通过温敏性物质的加入，薄膜与其他湿温双响应变色液晶薄膜相比具有响应速度更快、使用寿命增长、可重复性增强等优势。

技术研发人员：劳伦斯·德·哈恩,李佩萦,周国富
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15