一种多功能胆甾相液晶薄膜、复合膜的制备方法

本发明涉及液晶材料应用领域，具体涉及一种多功能胆甾相液晶薄膜、复合膜的制备方法。

背景技术：

1、制冷在人们的日常生活中尤为重要，常用的冷却方式是压缩气体和液体，具有明显的缺点，例如消耗水资源、电能、消耗臭氧、排放温室气体等。辐射制冷是一种通过大气窗口(8～13μm)将物体热量以电磁波的形式发射至低温宇宙空间的物理降温技术，具有无源、有效、可再生，零能耗的优点，在节能应用领域引起了广泛关注。由于太阳能加热功率很容易抵消白天的辐射制冷功率，因此早期的辐射制冷只能用于夜间。直到近十年，随着热光子设计和微纳结构加工技术的进步，日间辐射制冷技术才取得重大突破，包括光子设计、粒子矩阵、复合材料、纺织品等，通过这些技术已经制备了具有可见光高反射以及大气窗口高发射的辐射冷却器件。

2、然而，对于可见光的高反射会使材料本身呈现白色或银白色，限制应用领域(彩色建筑物、窗户等)，影响美观，这大大阻碍其大范围应用。使用吸收可见光的颜料引入颜色会产生额外太阳辐射吸收、着色不稳定，不仅不可避免地降低材料的制冷效果，对具有透明需求(例如窗户)的领域也无法满足。因此，如何在透明、色彩和制冷效果之间取得平衡是一个重要的研究方向。

3、在现有研究中，通过在辐射冷却材料体系中引入少量的颜料(化学色)或者采用多层薄膜干涉(结构色)等方法产生颜色。这些要么无法实现对太阳光谱的低吸收，要么无法实现透明外观。因此，解决这个问题有助于推动辐射制冷材料在更多领域的应用。

技术实现思路

1、本发明提出一种多功能胆甾相液晶薄膜的制备方法，薄膜利用液晶分子自组装技术、聚合诱导螺距梯度技术、掩膜曝光技术、被动辐射冷却技术解决了热管理膜着色图案化、透明、防紫外效果无法兼得的矛盾，同时赋予其被动辐射致冷和电控加热的能力。通过调节纳米级螺距结构，该热管理膜实现了全彩范围内的精细调节和图案化。这种透明、防紫外、色彩图案化薄膜在智能可穿戴，建筑，车载，人机交互能领域具有潜在的应用。

2、为了实现上述目的，具体的技术方案为：

3、第一方面，提出一种多功能胆甾相液晶薄膜的制备方法，包括：

4、步骤1：将非反应性液晶单体或混合物、手性化合物、反应性液晶单体、紫外吸收剂按照一定质量比加热混合均匀，其中，非反应性液晶单体或混合物的质量白分比为0～80％；反应性液晶单体的质量白分比为10～95％；手性化合物的质量白分比为1～50％，紫外吸收剂的质量白分比为0～5％；完全溶解、均匀混合，得到混合物1，操作过程中避光；其中，手性化合物为r5011、r811、r1011、r6n、s5011、s811、s1011、s6n、cb15中的一种或多种；其中，非反应性液晶单体或混合物和反应性液晶单体内至少一种含有、或者通过反应能够产生针对大气窗口的振动吸收化学键，使薄膜具有辐射制冷功能，这些化学键包括c-f，c-o，c-o-c，c-n，c-oh，si-o，s＝o，co-o-co，si-c，c＝c和c-h中的一种或多种；

5、步骤2：混合物1冷却至室温后，加入扩链剂、光引发剂和催化剂混合均匀，得到混合物2，其中，光引发剂的质量白分比为0.1～10％，催化剂的质量白分比为0～10％，扩链剂的质量白分比为0～30％；

6、步骤3：将步骤2中制得的混合物2通过刮涂、喷涂、滚涂、或模板处理的方式成膜，膜厚为2-300μm，恒温静置0-12小时，进行低聚反应诱导或切向取向处理优化平面织构，提高色彩饱和度和反射率，然后进行紫外光聚合获得目标纳米结构的膜；

7、步骤4：将经过步骤3制得的膜进行紫外光辐照固化，紫外光波长为365nm；紫外光辐照强度为1-20mw/cm2，紫外光辐照时间为10-30min，使反应性液晶单体发生聚合反应，得到多功能胆甾相液晶薄膜。

8、作为优选的技术方案，步骤2中扩链剂为硫醇单体，包括eddet、petmp、ttmp中的一种或多种；催化剂包括dap、tea中的一种或多种；光引发剂包括i rg184、i rg907、irg1173、i rg2959中的一种或多种。

9、第二方面，提出另一种多功能胆甾相液晶薄膜的制备方法，包括：

10、步骤1：将非反应性液晶单体或混合物、手性化合物、反应性液晶单体按照一定质量比加热混合均匀，其中，非反应性液晶单体或混合物的质量白分比为0～80％；反应性液晶单体的质量白分比为10～95％；手性化合物的质量白分比为1～50％；完全溶解、均匀混合，得到混合物1，操作过程中避光；其中，非反应性液晶单体或混合物和反应性液晶单体内至少一种含有、或者通过反应能够产生针对大气窗口的振动吸收化学键，使薄膜具有辐射制冷功能，这些化学键包括c-f，c-o，c-o-c，c-n，c-oh，si-o，s＝o，co-o-co，si-c，c＝c和c-h中的一种或多种；

11、步骤2：混合物1冷却至室温后，加入扩链剂、光引发剂和催化剂混合均匀，得到混合物2；

12、步骤3：将步骤2中制得的混合物2放置在预处理的玻璃基板之间，室温放置，等待迈克尔加成反应，待薄膜呈现紫色外观时，进行第二阶段紫外光聚合反应，紫外光波长为365nm；紫外光辐照时间为20min，紫外光辐照度为45mw/cm2，使反应性液晶单体发生聚合反应，得到多功能胆甾相液晶薄膜。

13、作为优选的技术方案，上述多功能胆甾相液晶薄膜为集色彩、透明、防紫外、制冷于一体的功能性薄膜。

14、作为优选的技术方案，在太阳平均辐射717w/m 2时，将上述多功能胆甾相液晶薄膜覆盖在玻璃上比没有覆盖的玻璃，白天时降温达5.4℃，晚上比外界环境温度低7.9℃。

15、第三方面，提出另一种多功能胆甾相液晶薄膜的制备方法，包括：

16、步骤1：将非反应性液晶单体或混合物、手性化合物、反应性液晶单体、光引发剂和紫外吸收剂按照一定质量比加热混合均匀，其中，非反应性液晶单体或混合物的质量白分比为0～80％；反应性液晶单体的质量白分比为10～95％；手性化合物的质量白分比为1～50％；完全溶解、均匀混合，得到混合物1，操作过程中避光，将混合物1置于室温下；其中，非反应性液晶单体或混合物和反应性液晶单体内至少一种含有、或者通过反应能够产生针对大气窗口的振动吸收化学键，使薄膜具有辐射制冷功能，这些化学键包括c-f，c-o，c-o-c，c-n，c-oh，si-o，s＝o，co-o-co，si-c，c＝c和c-h中的一种或多种；

17、步骤2：将混合物1灌到提前准备的带取向层i to导电层的液晶盒中，将液晶盒放到90℃的热台上，将液晶盒紫外光辐照固化，紫外光波长为365nm；紫外光辐照度为1-20mw/cm2，紫外光辐照时间为10-30min，使反应性液晶单体发生聚合反应，得到多功能胆甾相液晶薄膜；

18、步骤3：将步骤2制备的多功能胆甾相液晶薄膜两端加电，制备得到多功能胆甾相液晶薄膜。

19、作为优选的技术方案，上述多功能胆甾相液晶薄膜能够在结构色状态和透明状态之间切换，调控薄膜透光率，实现热管理；电极的欧姆加热效应和多功能胆甾相液晶薄膜的被动辐射冷却性能也能够实现热管理多功能胆甾相液晶薄膜为集色彩、透明、防紫外、热管理为一体的功能性薄膜。

20、第四方面，提出一种多功能胆甾相液晶薄膜的制备方法，包括：

21、步骤1：将非反应性液晶单体或混合物、手性化合物、反应性液晶单体、光引发剂、紫外吸收剂按照一定质量比加热混合均匀，其中，非反应性液晶单体或混合物的质量白分比为0～80％；反应性液晶单体的质量白分比为10～95％；手性化合物的质量白分比为1～50％；完全溶解、均匀混合，得到混合物1，操作过程中避光；其中，非反应性液晶单体或混合物和反应性液晶单体内至少一种含有、或者通过反应能够产生针对大气窗口的振动吸收化学键，使薄膜具有辐射制冷功能，这些化学键包括c-f，c-o，c-o-c，c-n，c-oh，si-o，s＝o，co-o-co，si-c，c＝c和c-h中的一种或多种；

22、步骤2：把步骤1制得的混合物1灌入到预先准备好的液晶盒中,之后将灌注好的液晶盒放置在避光环境中进行优化平面织构处理，确保体系处于稳定的平面织构状态；

23、步骤3：设置带图案的掩膜板，将其覆盖在液晶盒上，用紫外光辐照固化掩膜板透明的区域，紫外光波长为365nm；紫外光辐照时间为10min，紫外光辐照度为20mw/cm2；去掉掩膜板，紫外光辐照固化掩膜板不透明的区域，紫外光波长为365nm；紫外光辐照时间为20min，紫外光辐照度为1mw/cm2；使反应性液晶单体发生聚合反应，得到多功能胆甾相液晶薄膜。

24、作为优选的技术方案，上述多功能胆甾相液晶薄膜为集色彩图案化、透明、防紫外、制冷于一体的功能性薄膜。

25、第五方面，提出一种复合膜的制备方法，包括：

26、步骤1：将高分子聚合物pvdf-hfp和溶剂dmf混合均匀，得到混合物3，其中，pvdf-hfp的质量白分比为8％-25％，将混合物3搅拌均匀，充分混合，操作过程中避光；

27、步骤2：将混合物3用玻璃棒刮涂在干净的基板上，湿膜厚度200～2000μm，烘干后得到干膜；

28、步骤3：将干膜与上述任一多功能胆甾相液晶薄膜结合，制备得到复合膜。

29、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

30、(1)本发明提出的热管理薄膜所使用的材料体系简单，材料来源丰富，制作工艺简单，容易实现规模化生产。

31、(2)本发明方法制备得到的多功能胆甾相液晶薄膜将色彩图案化、透明、防紫外以及热管理这些特征与功能集于一体，实现全彩范围内的精细调节和图案化的同时，与普通商用染料相比着色更稳定，它解决了目前热管理膜(尤其是辐射冷却膜)中色彩和透明效果无法兼得的矛盾，也开拓了液晶薄膜在热管理(尤其是辐射冷却)领域的应用。

32、(3)本发明制备得到的多功能胆甾相液晶薄膜，在可见-近红外波段的吸收率可低至3.3％，在中红外波段尤其是大气透明窗口具有的发射率至少可以高达83％。

33、(4)本发明方法制备得到的多功能胆甾相液晶薄膜，在工作过程中没有任何外部能量消耗；制冷模式下，太阳平均辐射717w/m 2，该热管理薄膜覆盖在玻璃上比没有覆盖的玻璃降温达5.4℃，晚上比外界环境温度低7.9℃；加热模式下，给热管理薄膜加电后跟初始温度相比，热管理膜表面升温达11.1℃。

34、(5)本发明方法制备得到的多功能胆甾相液晶薄膜还可以与其他功能膜层复合，制备得到功能复合膜层。

35、(6)本发明制备得到的一种集色彩图案化、透明、防紫外于一体的热管理薄膜的应用中，可将薄膜通过覆盖、涂覆或粘贴等方式附着于需要进行温度调节并具有外观需求的基体表面，其中基体可以根据需要作出相应的选择，如基体可以为建筑、装置、器件以及动物、人体的皮肤等。本发明中，一种集色彩图案化、透明、防紫外于一体的热管理薄膜力学性能优异，可随意弯折卷曲，能够适用于各自不同性质、形状的基体，解决了目前热管理膜(尤其是辐射冷却膜)中色彩和透明效果无法兼得的矛盾，开拓了液晶薄膜在热管理(尤其是辐射冷却)领域的应用。

36、本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。