聚合物分散液晶(PDLC)是一种液晶以微滴形状分散在连续聚合物基体中的复合薄膜。在零场条件下，液晶分子无规取向，由于液晶微滴与聚合物基体之间的折射率不同，薄膜呈现不透明状态。当施加外部电场时，液晶分子重新排列与电场力方向一致，此时聚合物与液晶微滴折射率相匹配，薄膜呈现透明状态。与传统的电致变色和热致变色智能窗相比，PDLC在光学领域具有广阔的应用前景。然而，它们的应用受到一些缺点的限制，比如高驱动电压、低对比度和热稳定性差，尤其是高工作电压，是研究人员一直在努力解决的问题。
近日，北京科技大学杨槐/于美娜团队等人通过将高清亮点液晶单体引入PDLC体系中，开发设计了一种可在较高温度下仍保持着低电压、高对比度和快速响应的PDLC薄膜。该薄膜在智能显示领域和智能窗领域有着良好的应用前景。相关工作以“An intelligent electrochromic film with passive radiative cooling and synergistic solar light control capabilities for display and smart windows”为题发表于Journal of materials chemistry A, 北京科技大学/北京大学杨槐教授、于美娜副研究员、王茜特聘副研究员为共同通讯作者，北京科技大学新材料技术研究院博士生张作为为文章第一作者。本研究制备了一种低驱动电压、宽温度范围、高灵敏度的PDLC薄膜，研究了不同含氟液晶单体的分子结构和浓度对薄膜物理参数和性能的影响。在体系中加入9wt%的3F3后，液晶的粘度和介电常数均有所提高，电光性能得到了较大幅度的改善。饱和电压由23.6V降至11.9V。更重要的是，通过调节液晶分子和可聚合单体的化学结构，薄膜表现出优异的太阳光谱调制能力。同时，薄膜在中红外区域具有较高的辐射效率，表现出优异的辐射冷却性能。太阳辐射模拟试验和辐射冷却功率计算表明，该膜在白天和夜间的最大冷却效率分别达到97.63和136.24W/m2/K。该研究为具有卓越的太阳光辐射热调节能力和辐射冷却功能的智能窗户的发展提供了广泛的可能性。
Figure 1. Schematic diagram of the preparing process and working mechanism of PDLC film.在该工作中首先研究了不同分子结构和质量分数的含氟液晶单体对混晶E8物理性质的提升及对PDLC薄膜电光性能的改善效果。实验结果表明，高清亮点的液晶单体引入到体系中可以拓宽PDLC薄膜的应用温度范围，使其在较低和较高的温度下仍然保持着较低的驱动电压和较高的对比度。图2展示了不同薄膜样品的微观形貌和电光性能。图3显示了不同样品在0-60℃范围内的电光性能变化情况，可以看到含氟单体3F3的加入使得样品在60℃温度下依然展示出了较低的驱动电压和较高的对比度，提升了薄膜的高温稳定性能。
Figure 2. (a) SEM micrographs of polymer network in samples B0-B4; (b) The voltage-dependent transmittance curves; (c) Vsat and CR of B0-B5 samples; (d) Vth and Vsat of B0-B5 samples; (e) TR and TD of samples B0-B5; (f) the corresponding ordinary refractive indices (no) of LCs in different samples; (g) Variation of Ton and Toff of samples;
Fig 3. (a-f) Reflection notch dispersion image of the five samples recorded at different temperatures, in which the transmittance is represented by the color; (g-i) (g) The Vsat; (h) CR; and (i) Response time of B3 sample at different temperatures.随后研究了PDLC薄膜在智能显示和智能窗两个方向的应用。首先展示了PDLC薄膜的三种不同显示方式：其一为刻蚀透明导电电极，通过电极图案化实现智能显示；其二是利用PDLC本身对太阳光的透过率控制实现图案显示；其三是通过在PDLC薄膜上改变对比度实现图案化，如图4c所示，利用分步聚合，改变紫外光强从而改变聚合物薄膜的微观形貌，实现两处薄膜网孔的大小不同，从而利用对比度的不同实现图案化。图4e展示了PDLC薄膜在智能窗领域的应用，其可以通过施加电压大小实现对太阳光的多级调控，值得一提的是毫秒级的响应速度使其在智能窗领域有着巨大的优势，同时实验表明其具有很好的循环稳定性。
Fig 4. (a-b) Patterned PDLC based on different CRs in the on and off states; (c-d) Mechanism of the image-imbedded PDLC displays with the demonstrated photo images of word “B” and “Four-leaf clover” at several driving voltages; (e) transmittance images of the film at different voltages; (f) UV-Vis-NIR spectra at different voltages (g) reflection spectra of film at off-state and on-state; (h) the response time curve (sample B3); (i) the transmittance of the spectra of the initial film and the film after 100 cycles;最后通过光谱测试、室外模拟实验以及MATLAB模拟计算表明PDLC薄膜有着优秀的辐射制冷效果，其特殊的微观形貌以及基体内丰富的化学键震动使其在8-13微米的大气窗口范围内有较高的发射率，可以实现全天候的辐射制冷效果。
Fig 5. (a) Solar transmittance and infrared emissivity curves; (b) Absorbance spectrum of PDLC film with ATR-FTIR spectroscopy; (c) the temperature variation of the films under simulated sun light; (d) Temperature of thin film under different voltages; (e) calculated net cooling power during the nighttime of PDLC film; (f) calculated net cooling power during the daytime of PDLC film; (g) variation of integral luminous transmittance in 380-780 nm (Tlum) and solar transmittance in 380-2500 nm (Tsol) under different voltages; (h) Response time and ΔTlum of PDLC film and EC switchable materials to compare their dynamic modulation capability.综上所述，通过改变液晶分子的化学结构，开发和制备了一种低电压、宽温度范围、快速响应的液晶/聚合物薄膜。该薄膜在0 ~ 60℃范围内具有稳定的电光性能（Vth=12.8, CR=98, TR=1.62ms, TD=33.5ms）。展示了其在显示领域的应用。此外，该薄膜具有良好的太阳光谱调制能力(ΔTlum= 74.85%，ΔTsol= 66.37%)，不同程度的阳光调节可以通过在一天中施加不同的电压来实现。在室内日光模拟测试中，PDLC膜与常规膜相比可降低温度约5.2℃。计算分析表明，白天和夜间的制冷功率分别为97.63和136.24W/m2/K。该研究为智能显示和智能窗口领域的多功能复合薄膜的制备提供了一种有价值的方法。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/d4ta04621h
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