智能涂层
  • 时间:2020-02-26 17:17:00
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  • 作者:Dirmlab

液晶和液晶聚合物是制造刺激响应器件的最有趣的材料体系之一,许多报道表明,当暴露在热、紫外辐射、电场和化学物质下,其光学性质和形状会发生变化。制造这种器件的传统和最常见的方法是将液晶填充到两块玻璃板之间的狭窄缝隙中,或者制造一块独立的材料。另一方面,从大规模生产的角度来看这种由刚性或柔性的薄膜组成的器件,打开了使用可升级技术的大门,例如涂覆、印刷和喷射沉积。在DIRM小组,我们感兴趣的是适合工业规模生产的应用开发,因此,开发基于液晶聚合物的响应表面是我们的主要研究方向之一。

 

温度响应光子涂层

降低全球能源消耗是21世纪最大的科学挑战之一,其中大量的能源消耗用于建筑物和车辆的温度控制。能够在温度较高时拒绝红外辐射,但在温度较低时传输红外辐射的系统将减少对空调和供暖的需求,从而显著节约能源。基于胆甾型液晶的响应式红外反射涂层是应对这一挑战的绝佳选择,并有可能成为使建筑环境实现能源中性的一揽子技术的关键部分。我们正在开发这种使用胆甾型液晶聚合物制备的涂层,该聚合物具有近晶相到胆甾相(Sm-Ch)的相变,由于胆甾相螺旋结构中近晶域的形成,其在冷却时在反射带中显示出强烈的红移。与其他表现温度响应性反射带移的胆甾型材料相比,Sm-Ch体系的带移发生在较低的温度和相对较短的温度范围内。

我们面临的挑战是如何在不丧失带移特性的情况下获得耐热和机械性能良好的涂层,可以通过在响应性聚合物中添加少量交联网络来实现这一目标。另外,优化网络的数量来获得最大的稳定性,同时仍然有显著的带移。然后在液晶聚合物薄膜上涂上一层面漆,目的是为了进一步保护它。为了便于说明,我们制作了一种涂层,在加热时可以改变它的颜色,并且这种技术可以很容易地推广到红外反射器上。

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图案响应色

色彩是日常生活的一个重要方面。各种彩色表面和灯用于美学目的,并且用于与用户通信的设备和传感器。胆甾型液晶聚合物涂层可以具有鲜艳的颜色,其颜色可以通过改变手性材料的浓度来轻松地调整,然后涂层还可以对刺激做出可逆的响应。考虑到胆甾型聚合物的多功能性,在传感、通信和一般美学等领域,开发基于胆甾型聚合物涂层的新型消费品仍有大量的机会。虽然颜色变化本身就可以向用户传达一些关于刺激存在的信息,但是通过使用描绘可识别形状的颜色图案,信息量可以大大扩展。

在DIRM小组中,我们研究了制备这种颜色图案的新方法。我们利用可交联的,温度响应的胆甾型主链聚合物开发了一种新的图案化技术。由于近晶相到胆甾相相变的存在,这种聚合物的涂层在不同的温度下具有不同的颜色。通过UV引发的自由基聚合交联,可以固定当前颜色,并使用光掩模版在不同温度下曝光不同区域以获得颜色图案。为了展示如何应用这些图案,我们制作了具有红外反射图案的弹性体双层器件。这种器件上的图案通常是看不见的,但通过拉伸器件,反射带红移,从而显示出图案。我们选择制作一个像警告标志的图案,因为可识别的危险标志表明,与简单的颜色变化相比,图案化的器件可以传达更多的信息。


在另一个项目中,使用胆甾型聚合物和离子型聚合物之间的互穿网络来制备水响应性涂层。这是通过向胆甾型网络中加入单体的离子混合物(一种可聚合盐)并进行紫外聚合以生成第二个网络来实现的。使用光掩模版,可以在膜上局部形成彩色图案。含有离子网络的区域是吸湿性的,在水中会溶胀,导致反射带红移。我们还发现,我们完全聚合的材料在水中是稳定的,与之前报道的需要使用碱性溶液活化并在长时间暴露于水后失活的材料形成对比。这使我们的材料在许多应用中成为更好的选择。

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电响应表面形变

表面结构对表面的各种性质有重要影响,如颜色、粗糙度、附着力和润湿性。可逆改变表面形状的能力将产生各种令人兴奋的应用,如粘附和摩擦控制以及自清洁。在电场下的反应尤其有用,因为普通的电子设备可以很好地控制这种刺激。在DIRM课题组,我们开发了一种利用直流电场在多畴液晶聚合物薄膜中实现大的表面变形的方法。聚合物网络包含沿着场线旋转的极性基团。因为最初的排列是多畴的,这种旋转使得排列在宏观尺度上更加均匀。聚合物主链垂直于液晶分子排列,材料平行于场线收缩,垂直于场线膨胀。当使用具有氧化铟锡电极的玻璃衬底施加面内电场时,在电极间隙上方形成由两个谷包围的山丘。

在另一个实验中,单个电极上的多畴液晶聚合物膜被银线网络覆盖。在银网络和固体电极之间施加直流电场后,银网络移动到聚合物膜中,形成复杂的表面轮廓。结果表明,电极之间的静电引力(麦克斯韦效应)不足以解释变形的完全程度,液晶分子的旋转在这种效应中一定起着重要作用。形变是可逆和可重复的。

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