图1：《液晶与显示》2024年第10期封面图
聚合物分散液晶（Polymer
Dispersed Liquid
Crystal，PDLC）是微米尺寸的液晶畴均匀地分散在连续聚合物基体中形成的一种性能优异的聚合物-液晶复合材料。由于PDLC具有快响应、高对比度、宽视角、无偏振依赖性等优点，在大面积柔性显示、建筑智能窗、可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。目前，PDLC薄膜多数是以丙烯酸酯类单体作为聚合单体并通过光引发自由基聚合制备而成的。尽管丙烯酸类酯单体具有聚合速度快、粘度小等优势，但是其单体毒性高且聚合后固化膜脆性大、体积收缩率大，与塑料基板的粘附性不佳，使得其在柔性器件上的应用受到限制。
近日，合肥工业大学光电技术研究院陆红波研究员团队在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录、中文核心期刊）2024年第10期发表了题目为“聚氨酯丙烯酸酯的分子结构对聚合物分散液晶形貌和性能的影响”的研究文章，被选为当期封面文章。该文章利用聚氨酯丙烯酸酯中的氨基甲酸酯键之间形成的氢键有效提高PDLC与基板的粘附性，打破了传统丙烯酸酯类单体在柔性器件上应用的限制，实现了PDLC器件具有较低驱动电压、高对比度、良好的粘附性以及弯曲状态下保持良好的光电性能的特性。
聚氨酯丙烯酸酯（Polyurethane Acrylate，PUA）作为一种含有不饱和双键的丙烯酸酯低聚物，分子中含有氨基甲酸酯键和丙烯酸官能团，PUA分子结构中的氨基甲酸酯键之间形成的氢键增强聚合体系的柔韧性，能够改善柔性PDLC的力学性能，同时紫外固化后具有聚氨酯优异耐磨性、柔韧性、高断裂伸长率和耐低温性能，对塑料等基材有较好的粘附性以及聚丙烯酸酯卓越的光学性能和耐候性，并且单体在聚合后几乎没有体积收缩现象。设计合成具有不同异氰酸酯分子结构的PUA单体，探究PUA结构对器件光电性能的影响。
图2：聚氨酯丙烯酸酯（PUA）的合成结构式
图源：液晶与显示, 2024, 39 (10): 1285-1294. Fig.1
图3显示了由聚合单体PUA-I到PUA-M制备的PDLC薄膜的SEM图，明显观察到细微的结构差异形成了不同的聚合物网络形貌。随着异氰酸酯结构从环状结构逐步过渡到单一苯环结构，再到双苯环结构，聚合物网孔尺寸呈现出逐渐减小的趋势且更加均匀致密。对于以脂肪族PUA-I制备的PDLC样品的分子结构是较为刚性的环状结构且粘度小、反应活性较低，交联密度较低，导致形成的聚合物网孔尺寸较大。对于芳香族聚氨酯丙烯酸酯（PUA-T和PUA-M）分子结构中包含的苯环与液晶E7的联苯结构具有高度的化学相似性，从而赋予了它们良好的化学亲和性。此外，芳香族的PUA粘度较高，限制了液晶畴的扩散和团聚，进而导致了聚合物网孔尺寸的减小。
图3：不同异氰酸酯结构单体制备PDLC器件的SEM图
图源：液晶与显示, 2024, 39 (10): 1285-1294. Fig.5
如图4（a-d）显示了不同PUA分子结构制备PDLC薄膜的光电性能及凝胶含量。脂肪族PUA-I制备的A-I样品由于粘度相对较小，反应活性较低，导致聚合体系扩散速度较快，聚合速度较慢，形成较大的聚合物网孔尺寸，聚合物网络对液晶分子的锚定作用减弱，使得驱动电压较低，响应时间on较快。对于芳香族PUA-T和PUA-M制备的A-T和A-M样品由于粘度较高且反应活性较高，导致LC分子不易扩散团聚形成较小的聚合物网孔尺寸，使得驱动电压显著增加。
图4：样品A-I到A-M的光电性能和粘附性测试图（a）透过率与电压的关系；（b）阈值电压Vth和饱和电压Vsat；（c）对比度CR；（d）响应时间on和回复时间
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图源：液晶与显示, 2024, 39 (10): 1285-1294. Fig.6
聚氨酯丙烯酸酯(PUA)紫外固化后兼具聚氨酯的柔韧性、粘附性以及丙烯酸酯的光学性能，有效解决传统丙烯酸酯类单体制备柔性PDLC器件过程中，由于粘附性不佳使得其在实际应用过程中存在基板脱落以及高驱动电压、低对比度的问题。本文通过对PUA分子中异氰酸酯结构的设计，改变聚合物的网络形貌，从而调控器件的力学性能及光电性能。未来对器件的设计理念逐渐向着轻薄、便携的方向发展，柔性器件是未来便携式器件发展的趋势之一。本文的研究有望拓宽PDLC在柔性显示器件领域的发展前景，为改善柔性器件的光电和力学性能提供启发，在建筑、车辆上的智能窗与人体穿戴的便捷柔性显示器中有很大的应用潜力。
论文信息
王雨蒙，莫顺聘，王晗，邱龙臻，徐苗，陆红波.聚氨酯丙烯酸酯的分子结构对聚合物分散液晶形貌和性能的影响[J].液晶与显示, 2024,39(10):1285-1294.
https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2024-0214
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