一种可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料及其制备方法和应用

本发明属于液晶高分子材料制备领域，具体涉及一种可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、可见光和荧光可变的胆甾相液晶高分子材料是一种能在光驱动下实现颜色和图案变化的材料，它能直接把光能转化为材料的热能和机械能。光能是一种清洁能源，具有简单易得、可非接触远程控制等优点，时间和空间上易于控制，是一种理想的驱动方式。

2、聚多巴胺是一种新型的光热材料，它能有效地将红外光转化为热能，其效率是碳纳米管的100倍。同时，聚多巴胺对各种材料都表现出良好的粘结性，在实现光热转化等方面具有巨大的应用前景。然而，如何将照射的红外光能量转化为持续的机械能，并应用于太阳能利用和制备智能驱动器件方面目前仍然是一个研究难点。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料及其制备方法和应用，具体采用以下的技术方案：

2、根据本发明的第一方面，提供了一种可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料的制备方法，包括以下步骤：

3、将液晶单体、手性分子、荧光分子混合均匀，得到液晶复合溶液；然后将得到的液晶复合溶液加入至液晶盒中，制得可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料；液晶盒由玻璃片浸没于聚多巴胺水溶液中1h，烘干得到。

4、本发明通过在玻璃片表面涂覆聚多巴胺层并制成液晶盒，再灌入荧光可变的胆甾相液晶溶液，制备出可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料；首次实现了由红外光、紫外光和蓝光驱动的胆甾相液晶颜色图案变化。该胆甾相液晶材料的颜色和图案变化可以通过控制红外光强度和掩膜图案进行调节，所制备的胆甾相液晶能通过反复擦除和涂覆不同厚度的聚多巴胺层制备出性能各异的光驱动器件。该制备方法具有廉价、环保和简便等优点，可应用于研发新一代光控智能材料、信息储存和防伪加密等领域中。

5、而本发明中使用的聚多巴胺是天然生物中的一种成分，具有生物相容性好，无毒无害和易降解等优点。相比于传统研究中的化学掺杂法，本发明中采用了非侵入性的修饰方式来制备响应性胆甾相液晶。这种方式能够通过对涂层的擦除的再涂覆实现对原材料的反复加工和利用，是一种非常廉价并且绿色环保的工艺。

6、优选地，液晶单体为式(1)-式(13)中的至少一种，具体结构式如下：

7、

8、

9、r1-r18分别独立选自n为1-12中的任一正整数；r19-r23分别独立选自n为1-12中的任一正整数；x选自f、cl、br或i。分子式(1)中r1、r3为正己基，r2为甲氧基；分子式(2)中r5、r6为正己基，r5为甲氧基；分子式(3)中r7为正己基，r8为甲基或甲氧基，将这三种化合物按照质量分数为20％：55％：20％的比例进行混配可以作为本发明的最佳选择。该方法中一定要有羧酸，羧酸就可以与酯基相容也可以与手性分子相容，从而促进酯基与手性分子的相容性，酯基的纯在可以提高液晶的温域范围，使胆甾相液晶在更加大的温度范围实现红绿蓝颜色变化。仅含有羧酸的液晶会使胆甾相液晶的温域范围短，且会生成近晶相，导致升温和降温的颜色变化差别大，颜色变化不均匀，不利于后续实验的进行；而仅含有酯基的液晶，其液晶与手性分子的相容性不好，升温颜色变化不明显。

10、优选地，手性分子为式(14)-式(23)中的至少一种，具体结构式如下：

11、

12、

13、r24为式(21)所示；r25为式(22)或式(23)所示：

14、

15、手性分子(14)是常用的手性分子，易合成，仅加入3％-5％的质量分数，便可使液晶转变为胆甾相液晶，在加热条件下升温可以实现红绿蓝(rgb)颜色的变化，效率高。而分子式(15)-(17)易合成，但是颜色变化范围不大。分子式(18)-(20)虽然也可以达到rgb颜色变化，但是合成过程复杂。

16、优选地，荧光分子为式(24)-式(29)、式(31)-式(32)中的至少一种，具体结构式如下：

17、

18、r26的结构如式(30)所示；x为s或ch2＝ch2；r27的结构如式(33)所示：

19、

20、荧光分子式(24)价格便宜，易合成，仅加入1％-2％就可以达到很好的荧光图案的效果，而其他分子像荧光分子(25)其价格较高，或者需要较多的量才可以达到较好的荧光效果。优选地，液晶单体、手性分子和荧光分子质量分数的比例为(60％-96％)：(3％-30％)：

21、(1％-10％)。在此比例下，制得的液晶盒既有颜色变化也会有温度变化；当手性分子过量时，会导致颜色变化消失；而当荧光分子过量时，荧光效果虽好但是物质之间的相容性较差。

22、优选地，聚多巴胺水溶液为盐酸聚多巴胺水溶液。盐酸聚多巴胺水溶液的质量浓度是0.1g/l，在此浓度下可使玻璃片具有红外光照射的温度响应。

23、优选地，将玻璃片浸没于聚多巴胺水溶液中1h，烘干，至少重复上述操作5次，使玻璃片表面至少覆盖5层多巴胺薄膜。当玻璃片覆盖的聚多巴胺膜少于5次时，制得的覆有聚多巴胺膜的液晶盒在红外光的照射下，温度升高缓慢，液晶盒颜色变化不显著。

24、根据本发明的第二方面，还提供了一种可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料，由上述的制备方法制得。该胆甾相液晶材料，在恒定的近红外光激发下可发生红绿蓝的颜色变化；在波长为365nm和450nm的光照射下可切换图案和颜色。当温度上升至80℃时，胆甾相液晶开始转变为各向同性的液体，不显示颜色。撤出红外光后，无色液体又会恢复到胆甾相液晶，并且随着温度的逐渐下降，出现蓝绿红的颜色变化。当用450nm蓝光照射注入胆甾相液晶的液晶盒时，通过光照使腙荧光分子发生异构，从有荧光的构型变化到没有荧光的构型，用掩膜盖在液晶盒上，再用365nm紫外灯照射液晶盒5min，照射完后将液晶盒放入365nm或450nm蓝光下观察图案，可知制得的胆甾相液晶材料具有荧光可变的功能，并具有良好的抗疲劳特性。

25、根据本发明的第三方面，还提供了制得的胆甾相液晶材料在制备智能器件、防伪加密器件和/或光驱动器件中的应用。可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料在365nm和450nm光照射下具有荧光可变的功能，可进行反复书写和擦除，只需要改变掩膜图案就能实现图案的转变，在智能材料、信息储存和防伪加密等领域有巨大潜力。

26、本发明的有益效果为：本发明通过在玻璃片表面涂覆聚多巴胺层并制成液晶盒，再灌入荧光可变的胆甾相液晶溶液，制备出可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料。首次实现了由红外光、紫外光和蓝光驱动的胆甾相液晶颜色图案变化。该制备方法具有廉价、环保和简便等优点，制得的胆甾相液晶材料具有荧光可变的功能，并具有良好的抗疲劳特性，可应用于研发新一代光控智能材料、信息储存和防伪加密等领域中。

技术特征：

1.一种可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液晶单体为式(1)-式(13)中的至少一种，具体结构式如下：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述手性分子为式(14)-式(23)中的至少一种，具体结构式如下：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述荧光分子为式(24)-式(29)、式(31)-式(32)中的至少一种，具体结构式如下：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述液晶复合溶液中，所述液晶单体、所述手性分子和所述荧光分子的质量分数的比例为(60％-96％)：(3％-30％)：(1％-10％)。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚多巴胺水溶液为盐酸聚多巴胺水溶液。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将玻璃片浸没于聚多巴胺水溶液中1h，烘干，至少重复上述操作5次，使玻璃片表面至少覆盖5层多巴胺薄膜。

8.一种可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的制备方法制得。

9.权利要求8所述的胆甾相液晶材料在制备智能器件、防伪加密器件和/或光驱动器件中的应用。

10.根据权利要求9所述的在制备光驱动器件中的应用，其特征在于，在恒定的近红外光和波长为365nm和450nm的光条件下进行制备。

技术总结
本发明属于液晶高分子材料制备领域，公开了一种可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料及其制备方法和应用。本发明通过在玻璃片表面涂覆聚多巴胺层并制成液晶盒，再灌入荧光可变的胆甾相液晶溶液，制备出可见光和荧光可变的胆甾相液晶材料。首次实现了由红外光、紫外光和蓝光驱动的胆甾相液晶颜色图案变化。该制备方法具有廉价、环保和简便等优点，制得的胆甾相液晶材料具有荧光可变的功能，并具有良好的抗疲劳特性，可应用于研发新一代光控智能材料、信息储存和防伪加密等领域中。

技术研发人员：兰若尘,陈景玉,陈欣雨
受保护的技术使用者：江西师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15