一种可控偏振薄膜的制备方法及应用转让专利
申请号 : CN200810124190.2
文献号 : CN100590465C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 张继中
申请人 : 东南大学
摘要 :
可控偏振薄膜的制备及其应用特别是将高分子材料通过电纺技术制备出各向同性的网状纳米纤维薄膜，然后将该纳米纤维薄膜与液晶材料复合，并沿需要偏振的方向拉伸纳米纤维薄膜，使得纳米纤维沿拉伸方向取向并引导液晶沿拉伸方向取向，从而获得偏振方向可控的薄膜。该薄膜可以应用于显示及传感领域。通过如下步骤进行制备：A、首先制备无序的网状电纺纳米纤维薄膜；B、其次将液晶材料注入网状电纺纳米纤维薄膜而与其复合；C、将与液晶材料复合的网状纳米纤维薄膜沿需要取向的方向拉伸使得网状纳米纤维薄膜上纳米纤维沿拉伸方向取向并进而通过其表面诱导液晶材料沿纳米纤维取向方向排列而实现对光的偏振取向的控制。
权利要求 :
1、一种可控偏振薄膜的制备方法，其特征在于通过如下步骤进行制备： A、首先通过电纺技术获得无序的网状电纺纳米纤维薄膜； B、其次将与电纺纳米纤维薄膜互不相溶的液晶材料注入网状电纺纳米纤维薄膜而与其复合； C、将与液晶材料复合的网状纳米纤维薄膜沿需要取向的方向拉伸使得网状纳米纤维薄膜上纳米纤维沿拉伸方向取向并进而通过其表面诱导液晶材料沿纳米纤维取向方向排列而实现对光的偏振取向的控制。
2、如权利要求l所述的可控偏振薄膜的制备方法，其特征在于所述的液晶 材料的寻常光折射指数与电纺纳米纤维材料的折射指数差别小于5%。
3. —种可控偏振薄膜的应用，其特征在于所述的偏振取向可控薄膜通过权利 要求1或2所述可控偏振薄膜的制备方法制备的方向可控偏振薄膜应用于显示、 传感及光谱控制领域。
说明书 :
一种可控偏振薄膜的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种可控偏振薄膜的制备方法及其应用，特别是将高分子材料通 过电纺技术制备出各向同性的网状纳米纤维薄膜，然后将该纳米纤维薄膜与液晶 材料复合，并沿需要偏振的方向拉伸纳米纤维薄膜，使得纳米纤维沿拉伸方向取 向并引导液晶沿拉伸方向取向，从而获得偏振方向可控的薄膜。该薄膜可以应用 于显示及传感领域。
背景技术
偏振薄膜由于其可以有效地控制光波的传导，因而目前广泛应用在液晶显示、 遮光太阳镜、防眩护目镜、照相机、摄影机镜前的偏振滤光片、汽车头灯防眩目 装置以及各种偏振显微镜或检测仪器中。
为此，人们开发了多种多样的偏振薄膜如反射偏振薄膜、二向色性偏振薄膜、 散射型偏振薄膜、金属丝光栅型偏振薄膜、活性不拉伸型偏振薄膜及E型偏振薄 膜等。
在众多的偏振薄膜中光散射型偏振薄膜由于价格低廉、结构简单、制备方便 而受到人们的高度关注与广泛使用。光散射偏振薄膜的原理是将各向异性的聚合 物与具有双折射指数的材料混合。各向异性的材料与双折射指数材料的一个指数
匹配，而与另外一个不配。当聚合物混合物单轴拉伸时，根据入射光的偏振方向， 将发生散射或者透过。利用光的强烈散射或全反射原理可制造无色散射型偏振薄 膜，它对可见光波段光的透过率较高，特别适用于一些要求真实反映自然光的偏 振仪器。
在过去的数十年中，人们开发了多种多样的光散射型偏振薄膜，主要是基于 拉伸方法，其典型代表为PDLC即液晶分散聚合物薄膜。当PDLC薄膜拉伸吋，柔性 聚合物中分散的液晶液滴被拉伸而双折射指数的分子与液滴表面平行，从而产生或者检测偏振光。但是上述的拉伸排列存在一些问题还有待解决。除了复杂的膜 转移过程外，拉伸排列通常依赖于聚合物在纠缠的链段间的拉伸能力。这需要粘 弹性薄膜及适当的拉伸速度，否则拉伸将导致机械破坏。另一方面，有限的拉伸 率倾向于将液滴变成椭圆，而不能全部在拉伸方向上锚定液晶分子。这些缺点大 大降低了偏振薄膜的效率，因此有必要开发效率更高的光散射型偏振薄膜。
事实上，在自然界就存在一些性能优良的偏振薄膜器件。例如， 一些蜘蛛的 复眼对偏振光响应敏感，其原因就在于其视网膜上100纳米左右的纳米杆的取向排 歹U。受此启发，人们将取向电纺纳米纤维薄膜与液晶复合成功地制备出了性能优 良的光散射型偏振薄膜。其光学性能超过了目前已知的各种光散射型偏振薄膜。 其成功的秘诀就在于取向电纺纳米纤维薄膜的取向性更高及纳米纤维薄膜中的纳 米纤维具有更大的比表面积，因此能够通过其表面导致更多的液晶分子取向排列。 当然，取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶材料复合而成的光散射型偏振薄膜也 存在其使用方面的一些问题。例如，在实际使用过程中，偏振薄膜往往需要调整 其偏振方向。对于取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶复合而成的光散射型偏振薄膜 而言，则只有将整个薄膜旋转才能实现该功能。而传统的PDLC则只需沿偏振方向 拉伸即可实现。而通过拉伸实现偏振的传感器件同样不适用于取向型电纺纳米纤 维薄膜与液晶复合而成的光散射型偏振薄膜，因为其取向已经固定且一旦变更不 易恢复。
为此，人们开发了多种多样的偏振薄膜如反射偏振薄膜、二向色性偏振薄膜、 散射型偏振薄膜、金属丝光栅型偏振薄膜、活性不拉伸型偏振薄膜及E型偏振薄 膜等。
在众多的偏振薄膜中光散射型偏振薄膜由于价格低廉、结构简单、制备方便 而受到人们的高度关注与广泛使用。光散射偏振薄膜的原理是将各向异性的聚合 物与具有双折射指数的材料混合。各向异性的材料与双折射指数材料的一个指数
匹配，而与另外一个不配。当聚合物混合物单轴拉伸时，根据入射光的偏振方向， 将发生散射或者透过。利用光的强烈散射或全反射原理可制造无色散射型偏振薄 膜，它对可见光波段光的透过率较高，特别适用于一些要求真实反映自然光的偏 振仪器。
在过去的数十年中，人们开发了多种多样的光散射型偏振薄膜，主要是基于 拉伸方法，其典型代表为PDLC即液晶分散聚合物薄膜。当PDLC薄膜拉伸吋，柔性 聚合物中分散的液晶液滴被拉伸而双折射指数的分子与液滴表面平行，从而产生或者检测偏振光。但是上述的拉伸排列存在一些问题还有待解决。除了复杂的膜 转移过程外，拉伸排列通常依赖于聚合物在纠缠的链段间的拉伸能力。这需要粘 弹性薄膜及适当的拉伸速度，否则拉伸将导致机械破坏。另一方面，有限的拉伸 率倾向于将液滴变成椭圆，而不能全部在拉伸方向上锚定液晶分子。这些缺点大 大降低了偏振薄膜的效率，因此有必要开发效率更高的光散射型偏振薄膜。
事实上，在自然界就存在一些性能优良的偏振薄膜器件。例如， 一些蜘蛛的 复眼对偏振光响应敏感，其原因就在于其视网膜上100纳米左右的纳米杆的取向排 歹U。受此启发，人们将取向电纺纳米纤维薄膜与液晶复合成功地制备出了性能优 良的光散射型偏振薄膜。其光学性能超过了目前已知的各种光散射型偏振薄膜。 其成功的秘诀就在于取向电纺纳米纤维薄膜的取向性更高及纳米纤维薄膜中的纳 米纤维具有更大的比表面积，因此能够通过其表面导致更多的液晶分子取向排列。 当然，取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶材料复合而成的光散射型偏振薄膜也 存在其使用方面的一些问题。例如，在实际使用过程中，偏振薄膜往往需要调整 其偏振方向。对于取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶复合而成的光散射型偏振薄膜 而言，则只有将整个薄膜旋转才能实现该功能。而传统的PDLC则只需沿偏振方向 拉伸即可实现。而通过拉伸实现偏振的传感器件同样不适用于取向型电纺纳米纤 维薄膜与液晶复合而成的光散射型偏振薄膜，因为其取向已经固定且一旦变更不 易恢复。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种偏振取向可控的纳米纤维与液晶复合的 光散射型偏振薄膜制备方法及其应用，该方法能够方便廉价地实现对光的控制， 该偏振取向可控薄膜制备简单，成本低廉，操作方便，可作为新的显示器件、传 感器件或者光调控器件。
技术方案：为此，本发明将PDLC中的拉伸与纳米纤维薄膜中诱导液晶排列的 大的比表面积的纳米纤维结合，以网状电纺纳米纤维薄膜与液晶复合，以制备能 够具有偏振取向可控的新型光散射型偏振薄膜。
本发明的可控偏振薄膜其特征在于通过如下步骤进行制备： A、首先通过电纺技术获得无序的网状电纺纳米纤维薄膜； B、其次将液晶材料注入网状电纺纳米纤维薄膜而与其复合；C、将与液晶材料复合的网状纳米纤维薄膜沿需要取向的方向拉伸使得网状纳米纤维薄膜上纳米纤维沿拉伸方向取向并进而通过其表面诱导液晶材料沿纳米纤维取向方向排列而实现对光的偏振取向的控制。
所述的电纺纳米纤维薄膜与液晶材料互不相溶。
所述的液晶材料的寻常光折射指数与电纺纳米纤维材料的折射指数差别小于5%。
所述的偏振取向可控薄膜应用于显示、传感及光谱控制领域。有益效果：偏振薄膜由于其可以有效地控制光波的传导，因而目前在包括显示、检测等领域有着广泛的应用。其中光散射型偏振薄膜由于价格低廉、结构简单、制备方便而受到人们的高度关注。
光散射型偏振薄膜的典型代表为PDLC即液晶分散聚合物薄膜。当PDLC薄膜拉伸时，柔性聚合物中分散的液晶液滴被拉伸而双折射指数的分子与液滴表面平行，从而产生或者检测偏振光。但是上述的拉伸排列存在一些问题还有待解决。除了复杂的膜转移过程外，拉伸排列通常依赖于聚合物在纠缠的链段间的拉伸能力。这需要粘弹性薄膜及适当的拉伸速度，否则拉伸将导致机械破坏。另一方面，有限的拉伸率倾向于将液滴变成椭圆，而不能全部在拉伸方向上锚定液晶分子。这些缺点大大降低了偏振薄膜的效率，因此有必要开发效率更高的光散射型偏振薄膜。
为此，人们将取向电纺纳米纤维薄膜与液晶复合成功地制备出了性能优良的光散射型偏振薄膜。其光学性能超过了目前已知的各种光散射型偏振薄膜。其成功的秘诀就在于取向电纺纳米纤维薄膜的取向性更高及纳米纤维薄膜中的纳米纤维具有更大的比表面积，因此能够通过其表面导致更多的液晶分子取向排列。
但是，取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶材料复合而成的光散射型偏振薄膜也存在其使用方面的一些问题。例如，在实际使用过程中，偏振薄膜往往需要调整
其偏振方向。对于取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶复合而成的光散射型偏振薄膜而言，则只有将整个薄膜旋转才能实现该功能。而传统的PDLC则只需沿偏振方向拉伸即可实现。而通过拉伸实现偏振的传感器件同样不适用于取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶复合而成的光散射型偏振薄膜，因为其取向已经固定且一旦变更不易恢复。
为此，本发明将PDLC中的拉伸与纳米纤维薄膜中诱导液晶排列的大的比表面
5积的纳米纤维结合，以网状电纺纳米纤维薄膜与液晶复合，以制备能够具有偏振取向可控的新型光散射型偏振薄膜。
该偏振取向可控薄膜制备简单，成本低廉，操作方便，有可能作为新的显示器件、传感器件或者光调控器件。
技术方案：为此，本发明将PDLC中的拉伸与纳米纤维薄膜中诱导液晶排列的 大的比表面积的纳米纤维结合，以网状电纺纳米纤维薄膜与液晶复合，以制备能 够具有偏振取向可控的新型光散射型偏振薄膜。
本发明的可控偏振薄膜其特征在于通过如下步骤进行制备： A、首先通过电纺技术获得无序的网状电纺纳米纤维薄膜； B、其次将液晶材料注入网状电纺纳米纤维薄膜而与其复合；C、将与液晶材料复合的网状纳米纤维薄膜沿需要取向的方向拉伸使得网状纳米纤维薄膜上纳米纤维沿拉伸方向取向并进而通过其表面诱导液晶材料沿纳米纤维取向方向排列而实现对光的偏振取向的控制。
所述的电纺纳米纤维薄膜与液晶材料互不相溶。
所述的液晶材料的寻常光折射指数与电纺纳米纤维材料的折射指数差别小于5%。
所述的偏振取向可控薄膜应用于显示、传感及光谱控制领域。有益效果：偏振薄膜由于其可以有效地控制光波的传导，因而目前在包括显示、检测等领域有着广泛的应用。其中光散射型偏振薄膜由于价格低廉、结构简单、制备方便而受到人们的高度关注。
光散射型偏振薄膜的典型代表为PDLC即液晶分散聚合物薄膜。当PDLC薄膜拉伸时，柔性聚合物中分散的液晶液滴被拉伸而双折射指数的分子与液滴表面平行，从而产生或者检测偏振光。但是上述的拉伸排列存在一些问题还有待解决。除了复杂的膜转移过程外，拉伸排列通常依赖于聚合物在纠缠的链段间的拉伸能力。这需要粘弹性薄膜及适当的拉伸速度，否则拉伸将导致机械破坏。另一方面，有限的拉伸率倾向于将液滴变成椭圆，而不能全部在拉伸方向上锚定液晶分子。这些缺点大大降低了偏振薄膜的效率，因此有必要开发效率更高的光散射型偏振薄膜。
为此，人们将取向电纺纳米纤维薄膜与液晶复合成功地制备出了性能优良的光散射型偏振薄膜。其光学性能超过了目前已知的各种光散射型偏振薄膜。其成功的秘诀就在于取向电纺纳米纤维薄膜的取向性更高及纳米纤维薄膜中的纳米纤维具有更大的比表面积，因此能够通过其表面导致更多的液晶分子取向排列。
但是，取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶材料复合而成的光散射型偏振薄膜也存在其使用方面的一些问题。例如，在实际使用过程中，偏振薄膜往往需要调整
其偏振方向。对于取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶复合而成的光散射型偏振薄膜而言，则只有将整个薄膜旋转才能实现该功能。而传统的PDLC则只需沿偏振方向拉伸即可实现。而通过拉伸实现偏振的传感器件同样不适用于取向型电纺纳米纤维薄膜与液晶复合而成的光散射型偏振薄膜，因为其取向已经固定且一旦变更不易恢复。
为此，本发明将PDLC中的拉伸与纳米纤维薄膜中诱导液晶排列的大的比表面
5积的纳米纤维结合，以网状电纺纳米纤维薄膜与液晶复合，以制备能够具有偏振取向可控的新型光散射型偏振薄膜。
该偏振取向可控薄膜制备简单，成本低廉，操作方便，有可能作为新的显示器件、传感器件或者光调控器件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。实施例1:
A、 无序网状电纺纳米纤维薄膜的制备：
将平均分子量为100000，浓度为20%的聚甲基丙烯酸丁酯与聚甲基丙烯酸甲
酯共聚物的丙酮溶液通过注射器以1毫升/小时的速度由高压正电源提供的1万伏
的电压驱动而喷射。对电极为15厘米远固定在铜板上10厘米x10厘米见方，间距为3毫米的针（直径为0.5毫米）阵列。电纺2小时后，将针阵列上收集的电纺纳米纤维薄膜取下备用。
B、 光散射型偏振薄膜的制备：
将上述网状电纺纳米纤维薄膜切割成2厘米x2厘米后，通过四个夹子分别固定其四边，并将其置于一玻璃片上。往薄膜注入液晶材料PN-001。其上轻压一盖玻片。
C、 光散射型偏振薄膜的光的偏振控制
Cl、将上述光散射型偏振薄膜通过一个夹子往外拉而拉伸薄膜，即可获得拉伸方向的偏振光。夹子复位后即可去除偏振效应。
C2、将上述光散射型偏振薄膜通过上述Cl夹子相邻的夹子往外拉而拉伸薄膜，即可获得与上述C1偏振方向垂直的偏振光。
实施例2:
A、无序网状电纺纳米纤维薄膜的制备：
将平均分子量为100000，浓度为20%的聚甲基丙烯酸丁酯甲苯溶液通过注射器以1毫升/小时的速度由高压正电源提供的1万伏的电压驱动而喷射。对电极为15厘米远10厘米xl0厘米见方，孔径为l毫米的铜网。电纺2小时后，将铜网上收集的电纺纳米纤维薄膜取下备用。
6B、 光散射型偏振薄膜的制备：
将上述网状电纺纳米纤维薄膜切割成2厘米x2厘米后，其上下各放置一块通过四个夹子分别固定其四边，并将其置于一玻璃片上。往薄膜注入液晶材料SLC-9023。其上轻压一盖玻片。
C、 光散射型偏振薄膜的光的偏振控制
Cl、将上述光散射型偏振薄膜通过一个夹子往外拉而拉伸薄膜，即可获得拉伸方向的偏振光。夹子复位后即可去除偏振效应。
C2、将上述光散射型偏振薄膜通过上述C1夹子相邻的夹子往外拉而拉伸薄膜，即可获得与上述C1偏振方向垂直的偏振光。。
A、 无序网状电纺纳米纤维薄膜的制备：
将平均分子量为100000，浓度为20%的聚甲基丙烯酸丁酯与聚甲基丙烯酸甲
酯共聚物的丙酮溶液通过注射器以1毫升/小时的速度由高压正电源提供的1万伏
的电压驱动而喷射。对电极为15厘米远固定在铜板上10厘米x10厘米见方，间距为3毫米的针（直径为0.5毫米）阵列。电纺2小时后，将针阵列上收集的电纺纳米纤维薄膜取下备用。
B、 光散射型偏振薄膜的制备：
将上述网状电纺纳米纤维薄膜切割成2厘米x2厘米后，通过四个夹子分别固定其四边，并将其置于一玻璃片上。往薄膜注入液晶材料PN-001。其上轻压一盖玻片。
C、 光散射型偏振薄膜的光的偏振控制
Cl、将上述光散射型偏振薄膜通过一个夹子往外拉而拉伸薄膜，即可获得拉伸方向的偏振光。夹子复位后即可去除偏振效应。
C2、将上述光散射型偏振薄膜通过上述Cl夹子相邻的夹子往外拉而拉伸薄膜，即可获得与上述C1偏振方向垂直的偏振光。
实施例2:
A、无序网状电纺纳米纤维薄膜的制备：
将平均分子量为100000，浓度为20%的聚甲基丙烯酸丁酯甲苯溶液通过注射器以1毫升/小时的速度由高压正电源提供的1万伏的电压驱动而喷射。对电极为15厘米远10厘米xl0厘米见方，孔径为l毫米的铜网。电纺2小时后，将铜网上收集的电纺纳米纤维薄膜取下备用。
6B、 光散射型偏振薄膜的制备：
将上述网状电纺纳米纤维薄膜切割成2厘米x2厘米后，其上下各放置一块通过四个夹子分别固定其四边，并将其置于一玻璃片上。往薄膜注入液晶材料SLC-9023。其上轻压一盖玻片。
C、 光散射型偏振薄膜的光的偏振控制
Cl、将上述光散射型偏振薄膜通过一个夹子往外拉而拉伸薄膜，即可获得拉伸方向的偏振光。夹子复位后即可去除偏振效应。
C2、将上述光散射型偏振薄膜通过上述C1夹子相邻的夹子往外拉而拉伸薄膜，即可获得与上述C1偏振方向垂直的偏振光。。