静电纺丝纳米纤维复合材料的制备：一种用于防伪和透明显示的方法

《Polymer》：Fabrication of electrospun nanofiber composites: an approach for anti-counterfeiting and transparent display

　　

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  制备了一种Cs_0.33WO₃纳米纤维增强的PDLC复合材料，具有优异的电光性能和良好的稳定性。
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  该复合材料实现了高效的紫外/近红外屏蔽和被动热管理功能，适用于节能智能窗户。
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  实现了红外驱动的时间分辨动态防伪及分级解密技术，具有高安全性加密能力。
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  展示了具有快速且稳定电光开关特性的柔性透明七段电子纸显示屏。

引言

随着全球贸易的快速发展，假冒伪劣和盗版问题已演变为一项严峻的全球性挑战，造成巨大的经济损失，并对公共健康和安全构成潜在威胁[1], [2], [3], [4]。作为典型的光学调制开关，PDLC可在不透明和透明状态之间切换[5], [6]。具有光调制技术的PDLC已成为开发先进防伪材料的候选材料。在防伪领域，PDLC越来越多地被用于构建多模态、动态响应的防伪标签[7], [8]。聚合诱导相分离（PIPS）是制备PDLC薄膜的主要工艺策略。首先，液晶分子与液态丙烯酸酯类单体完全互溶，形成均一的单相混合物。在紫外辐照下，光引发剂触发单体交联并持续形成聚合物网络。随着聚合物分子量的增加，聚合物与液晶组分之间的相容性降低，从而从热力学上驱动相分离行为。液晶相成核并演变为孤立的微液滴，在光聚合终止后被永久限制在固体聚合物骨架中。紫外辐照强度、固化时间和单体配方等关键实验变量共同调控液晶液滴的尺寸和微观结构，从而主导所制备PDLC器件的最终电光性能[9], [10]。然而，大多数基于PDLC的传统防伪薄膜仍然依赖电场作为显示图案的驱动力。对复杂电路和电极设计的依赖严重限制了其在便携式防伪标签中的应用[11]。因此，通过开发具有刺激响应特性的PDLC薄膜，可以显著增强其防伪性能[12], [13]。在智能窗户领域，PDLC能够有效调节可见光的透过率以确保室内隐私。然而，它缺乏阻隔近红外（NIR）辐射的能力，对红外线的散射效果也十分有限[14], [15], [16]。因此，传统PDLC窗户往往因热量积聚而导致室内温度升高。将选择性光透射整合到单一材料系统中，以同时满足能效和信息安全需求，仍是先进材料工程领域的一项重大挑战。该系统应能够屏蔽近红外辐射，以降低智能窗户的太阳能热增益。此外，它还应支持刺激响应的信息切换，使其适用于刺激响应型防伪应用。

目前，大多数防伪技术已发展为通过响应外部刺激实时动态加密信息。与静态防伪标签相比，这种动态方法提供了更优越的安全防护[17], [18], [19]。研究人员投入了大量精力开发具有可逆光学调制能力的刺激响应材料，以实现高效防伪。值得注意的是，Chen等人采用一步自组装方法制备了仿詹纳斯结构颜色材料。该材料的两个表面分别呈现虹彩和哑光颜色对比效果，为结构颜色防伪技术提供了一种新颖的方法[20]。Tian等人利用自组装技术结合主客体分子相互作用，开发了一种新型可编程、光开关超分子荧光聚合物。该策略实现了基于FRET的光控双稳态荧光开关和信息擦除，为先进荧光防伪和动态信息加密提供了一种创新解决方案[21]。尽管结构颜色和荧光共振等复杂策略已被广泛用于高级信息加密，但其较差的可扩展性和高昂的制造成本阻碍了实际应用。相比之下，PDLC易于加工，可使用激光蚀刻或丝网印刷技术轻松图案化，使其成为工业规模应用的理想候选材料[22], [23], [24], [25]。为优化PDLC在节能领域的应用，Zhang等人通过紫外引发相分离聚合成功制备了含氟PDLC薄膜。该薄膜显著降低了工作电压，同时增强了对比度和热稳定性，并进一步实现了太阳光透过率的高效调节，为节能智能窗户的开发提供了一种创新解决方案[26]。Xu等人成功制备了在极端温度下仍能保持快速响应、高屏蔽效率和低离轴雾度的PDLC薄膜。这些薄膜为恶劣户外环境中的节能智能窗户提供了高性能解决方案[27]。然而，PDLC在多功能应用方面的开发仍受到其本身缺乏近红外可控性的限制。在节能智能窗户领域，缺乏近红外可控性阻碍了有效的太阳能热屏蔽。对于高级防伪技术，无法调制近红外响应意味着无法开发无线控制的安全功能。为解决这一问题，在光热转换中引入有机近红外染料和贵金属纳米结构已被证明是一种有效的方法[28], [29], [30]。然而，有机荧光团在持续激光辐照下会发生快速光漂白，且热稳定性差。同时，贵金属纳米粒子存在制造成本高以及熔化和变形的缺点。值得注意的是，将具有强近红外吸收能力功能纳米材料整合到PDLC基质中已被证明是一种有效策略。Cs_0.33WO₃是近红外屏蔽和光热转换的理想候选材料，已被广泛应用[31], [32], [33], [34]。然而，Cs_0.33WO₃的高表面能通常导致直接掺杂到液晶系统中时出现严重团聚，从而损害器件的光学透明度和电光稳定性[35], [36], [37], [38]。静电纺丝负载纳米颗粒基质提供了一种有效的解决方案。功能化纳米纤维网络不仅确保了Cs_0.33WO₃纳米颗粒的均匀分散以实现高效红外调制，还作为PDLC基质的增强骨架。

在本研究中，通过逐步优化液晶系统的策略制备了一种多功能PDLC复合薄膜。首先，通过调整液晶系统中的单体含量优化了PDLC的电光性能。在此基础上，引入负载Cs_0.33WO₃纳米颗粒的纳米纤维，赋予PDLC热调节和信息加密能力。优化后的PDLC薄膜表现出优异的电光性能，包括快速响应时间和高对比度。值得注意的是，通过引入负载Cs_0.33WO₃纳米颗粒的纳米纤维，该器件同时实现了信息加密和节能智能窗户的双重功能。作为节能智能窗户，它表现出优异的近红外屏蔽能力，有效缓解了红外辐射下的室内温度升高。在防伪应用中，PDLC在红外光刺激下实现了动态"隐藏-显现"机制，无需复杂电极即可实现多级信息加密。此外，PDLC的可逆光开关特性和局部热响应凸显了电子纸技术的巨大潜力，适用于绿色建筑、高安全智能防伪标签以及下一代柔性电子纸。

章节摘要

材料

近晶相液晶SLC-1717（n_o = 1.519，n_e = 1.720，清亮点T_Ni = 365K）由石家庄诚芝永华显示材料有限公司提供。光引发剂2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（IRG651）购自TCL有限公司。1,10-双（丙烯酰氧基）癸烷（DDDA）购自TCL有限公司。环己基丙烯酸酯（2-CHA）、3,5,5-三甲基己基丙烯酸酯（TMHA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）均购自安徽泽晟科技有限公司。

PDLC在防伪和透明电子纸显示中的潜在应用

得益于可逆电光开关行为，PDLC已被广泛应用于透明显示、电子纸和高安全防伪系统。PDLC的电光性能可通过单体比例调节和功能纳米材料掺杂进行精确调控，这进一步决定了液晶液滴的尺寸、分布和取向。一般来说，较大的液晶液滴有助于降低驱动电压和提高对比度，而优化的……

结论

总之，通过结合静电纺丝和PIPS技术，成功开发了一种具有防伪和透明显示功能的多功能PDLC薄膜。该薄膜兼具优异的电光性能、环境耐候性和多刺激响应性，在高效节能智能窗户和先进光学防伪材料领域实现了突破性进展。得益于显著的局部……

CRediT作者贡献声明

Yang Zhao（赵阳）：方法学，调查研究。Junjie Ning（宁俊杰）：形式分析，数据整理。Zhuoheng Wu（吴卓恒）：调查研究，形式分析，数据整理。Yinfu Lu（卢银福）：初稿撰写，方法学，调查研究，经费获取，形式分析，概念构思。Yuzhen Zhao（赵雨珍）：审稿与编辑，资源，调查研究，概念构思。Yi Luan（鸾怡）：审稿与编辑，方法学。Dong Wang（王栋）：审稿与编辑，可视化。Ruiying Tang（唐瑞英）：方法学。Yinuo Cao（曹寅诺）：数据

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可从通讯作者处通过合理请求获得。

利益冲突声明

? 作者声明他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作受陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2026JC-YBQN-0199）、陕西省教育厅自然科学基金（项目编号25JK0713）、陕西省教育厅自然科学基金（项目编号25JP195）、西安市科技计划项目（编号24GXFW0091）及陕西省青年创新团队资助。

Y.F. Lu|Z.H. Wu|Junjie Ning|Yang Zhao|Yinuo Cao|Ruiying Tang|Yi Luan|Dong Wang|Yuzhen Zhao