前言

聚合物分散液晶复合材料是一种由聚合物基质和分散的液晶颗粒组成的复合材料，研究发现，通过PDLC的改性以及纳米颗粒和染料的掺杂可以控制复合材料的电光性能、机械强度和热稳定性等特性，调整聚合物基质的性质以及液晶颗粒的浓度和分散度，从而控制其特征。

液滴内部的导向器配置主要由边界条件（表面锚固）、液相色谱材料参数以及液滴的形状和尺寸决定。

外部因素（如电场或磁场、温度、应力等）会改变取向结构，从而感化液晶液滴的光散射，导致聚合物分散液晶（PDLC）薄膜的光传输。

(相关资料图)

材料与方法

通常使用丙烯酸酯单体来通过紫外聚合制备PDLC薄膜，在柔性丙烯酸酯单体中，形貌和E-O性质的调节受到一定限制。

研究人员将一些独特的结构引入常规丙烯酸酯单体中，例如羟基、环氧、苯基和双酚，一旦这些结构掺入聚合物基质中，可以通过改变氢键相互作用、丙烯酸酯单体的粘度、聚合物基质的折射率和聚合物网络形态来优化PDLC复合薄膜的E-O性能。

值得注意的是，即使在低液晶负载下，羟基的存在也能促进PDLC薄膜表面聚合物薄层的形成，从而改善E-O性能。

最近，研究人员通过一种设计独特、简洁优雅的丙烯酸酯单体（A3DA）实现了低压驱动的PDLC系统，该单体具有十二烷基末端链的苯部分，我们专注于比较丙烯酸酯单体以及末端结。

我们实验发现，化合物在主链季碳上的不对称取代增加了空间位阻，降低了聚合速率，通过将单体结构从柔性变为刚性，对比度（CR）提高了许多倍。

此外，当含有硅氧烷的单体掺入聚合物基质中时，可以在不降低E-O性能的情况下增强机械性能。

PDLC薄膜通常由硫醇-烯单体组成，并通过紫外聚合进行制备，光学粘合剂是这类单体的一个很好的例子，与丙烯酸酯体系相比，这些单体具有转化效率高、速度快、耐水性好、隔热性能好、抗氧化惰性和光引发剂用量少。

硫醇-烯反应通常以两种方式发生：自由基介导的抗马尔科夫尼科夫加成和碱基或亲核试剂引发的硫醇-迈克尔加成，在前者中，引发剂从光或热中吸收能量并产生自由基以引发反应，后者采用碱或亲核试剂，其可能削弱烯烃双键的键能，在温和条件下开始反应。

研究中使用了氟化LC分子、烯烃封端LC分子和氰基封端的TolaneLC分子，将氟化LC分子掺杂到商业LC（E8）中，并固定在PDLC复合薄膜，掺杂含量为50.0wt%。

氟化LC分子的掺杂含量和末端链长度对LC的物理性质（如介电各向异性、折射率和粘度）以及聚合物网络形貌和PDLC复合薄膜的E-O性能产生影响。

研究结果表明，最佳的8.0wt%掺杂氟化液晶分子能够实现复合薄膜的显著降低驱动电压，并采用烯烃封端液晶分子或氰基封端的Tolane液晶分子。

按照上述研究方法，可以获得具有低驱动电压、高对比度和快速响应时间的PDLC复合薄膜的最佳E-O性能。

液晶丙烯酸酯、乙烯基醚和环氧树脂是常用的单体，液晶丙烯酸酯通常通过自由基引发的紫外聚合，而液晶乙烯基醚通常通过阳离子引发的紫外聚合，紫外或热引发的液晶环氧树脂可以通过紫外或热聚合。

关键因素是刚性结构液晶单体（LCM）的聚合速率较低，因此非LCM的自由基聚合起主导作用。

液晶与聚合物基体之间发生微相分离，在第一步中形成多孔聚合物网络结构，类似于PDLC，在足够的外加电场和适当的紫外强度条件下，定向LCM进一步聚合，形成具有顺向取向聚合物网络的较大多孔结构（HAPN），由此得到的复合薄膜被称为PD&PSLC。

在上述工作中，采用具有SmA-N*相变的液晶，所得复合薄膜在控制温度下可以可逆地呈现横向透明和强光散射状态。

这种薄膜结合了大面积制备和灵活性的优点，还进行了电控PD&PSLC复合薄膜的双步聚合，研究结果表明，所制备的PD&PSLC复合薄膜除了具有良好的成膜性能外，还具有更优异的E-O性能和力学性能。

在传统的PDLC中，LC、单体和引发剂被混合在一起，全有机系统存在一些限制，为了增强聚合物基质的光学、热学和机械稳定性，并改善与LC的相互作用，纳米颗粒（NPs）被引入其中。

NPs主要影响聚合物/LC界面的介电常数、折射率和锚固力，已经研究了各种类型的NPs来制备具有优异品质的PDLC薄膜。

近年来的研究表明，金属NPs掺杂的PDLC薄膜表现出更好的E-O、介电和光学性能，特别是Ag和Au掺杂薄膜具有低驱动电压和高CR。

这是因为金属与液晶(LC)之间的界面处的表面等离子体激发增强了局部电场，通过纳米液滴的光散射和银NPs周围的局部场增强的累积效应，我们观察到含有AgNPs的染料掺杂PDLC的随机激光。

尽管NPs由于其内在特性而具有调节薄膜形态的潜力，但很难预测NPs掺杂的PDLC相对于未掺杂的PDLC的性能。

在染料掺杂的PDLC（D-PDLC）中，观察到染料分子会增加光吸收，并降低实现光学效应所需的功率。

PDLCs已经得到多个研究小组的广泛研究，发现染料分子与液晶分子之间存在强烈的微观相互作用，影响液晶的折射率、介电常数、取向顺序和相变温度，染料的掺杂显著改善了薄膜的E-O性能，因为它们有助于改变PDLC的形态。

纳米石墨、富勒烯和碳纳米管（CNTs）等碳纳米填料由于其高电、热和机械性能等优点而受到越来越多的关注，具体来说，碳纳米管的排列对于其机械和电气性能的各向异性起着关键作用：它们在管轴方向上表现出显著特性，在垂直方向上则较小。

单壁纳米管（SWNTs）和多壁纳米管（MWNTs）是两种具有代表性的碳纳米管，它们已成功地作为掺杂剂应用于PDLC，以提高其E-O性能。

特别是，光调制的根本瓶颈是被限制在有限的波段范围内，如可见光区域（400-800nm）或近红外区域（NIR，800-2500nm）。

不可见的较短波长近红外区域（800至1500nm）承载了整个太阳能的约50%，因此在这个范围内实现屏蔽性能对于高效节能的智能窗户至关重要。

PDLC薄膜中实现宽带光调制和可见光透射率调节，以及对800nm至2500nm近红外光的屏蔽性能，在聚合物糖浆中结合了钨青铜（Cs）调谐层，聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP）纳米棒（NRs）和含有从近晶A（SmA）到手性向列（N*）相变的液晶，并在薄膜中形成精心设计的聚合物结构。

全息PDLC（HPDLC）是一种聚合物-液晶复合材料，与PDLC相比，它具有相对较高的预聚物/单体/低聚物浓度。

HPDLC的结构由周期性的暗条纹和亮条纹组成，这些条纹是在充满液晶、单体和光引发剂（PhI）混合物的液晶单元中创建的。

该液晶单元在两个或多个具有适当波长和功率的相干激光束产生的干涉图案下进行曝光，形成的干涉图案导致不均匀的光聚合和相分离。

明亮区域具有高聚合速率（单体从暗区扩散到亮区），而暗区具有低聚合率（液晶从亮区扩散到暗区），从而形成具有交替的聚合物和液晶区域的布拉格光栅。

这种周期性折射率曲线在细胞中形成，因此可以衍射光线，光栅的形貌和衍射特性受书写装置、材料、扩散速率、固化条件和相分离过程的影响。

HPDLC有许多有前途的应用，包括衍射光栅（DG）、聚合物切片（POLICRYPS）、波导、自动立体图像分配器、三维（3D）数据存储和光子晶体。

PDLC已经在OLED、Micro-LED、太阳能集热器、OFET和太阳能电池等器件组件中得到应用，其中液晶液滴在施加于薄膜法线方向的外加电场下单向排列。

这种PDLC薄膜被用于提高OLED的光耦合效率，通过选择性地将从OLED发出的光散射到入射角度较大的方向，而不是较小的方向，从而减少光损失，避免由全内反射引起的损失。

CNT薄膜晶体管驱动电路与PDLC像素的单片集成已经进行了研究，所制备的PDLC像素表现出良好的对比度和高性能。

基于PDLC的传统窗户需要外部电力供应才能运行，无法与传统太阳能电池结合以实现能源节省。

LSC器件的一个重要特点是能够收集直射光、漫射光和地面反射光，因此即使在非理想的照明条件下，也可以产生可测量的能量。

结论

通过改变单体和液晶的结构、采用两步聚合方法以及掺杂纳米颗粒、染料和碳纳米管等手段，优化了PDLC薄膜的电光性能。

研究表明，复合薄膜具有中等润湿性，并且对L或D糖、氨基酸和DNA等物质表现出选择性响应性，通过适当的材料工程，展示了具有角度选择性散射特性的被动PDLC薄膜，其响应是基于角度而非空间位置。

降低介质的电阻率和增加MWCNT诱导的电池电容来增强电场，此外，通过改性进一步提高了MWCNT的分散性，减弱了对LC分子的相应锚定效果，从而提高了透射率。

参考文献

【1】Ghosh，《智能可切换自适应聚合物分散液晶（PDLC）玻璃的热性能评估》

【2】Labeeb，《用于储能应用的聚合物/液晶纳米复合材料》

【3】Nasir，《通过真空玻璃耦合制备的聚合物分散液晶基可切换玻璃》

【4】Armentano，《聚合物膜分散液晶（PMDLC）：一种新的光电器件》

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