微胶囊包埋的光致变色染料掺杂聚合物分散液晶：性能优化与防伪

《Optical Materials》：Microencapsulated photochromic dyes-doped polymer-dispersed liquid crystals: performance optimization and anti-counterfeiting

　　

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  本研究的主要创新如下：
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  设计并制备了一种微胶囊化光致变色染料掺杂的聚合物分散液晶。
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  最佳掺杂比例制备的薄膜实现了极低的工作电压30.2 V和对比度174.0。
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  微胶囊化有效防止了染料聚集，使PDLC基体更加均匀，性能优于直接掺杂染料的薄膜。
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  通过将复合薄膜与丝网印刷技术相结合，演示了一种概念验证的防伪器件。

引言

聚合物分散液晶（PDLC）作为液晶技术的关键分支，已解决日常生活中的诸多实际问题。通过外加电场可在PDLC中触发透明与混浊之间的可逆切换。这些薄膜的电光性能决定了其广泛的应用范围。例如，在功能薄膜领域，PDLC技术被用于建筑和汽车的智能窗户，从而实现光线进入和视觉隔离的动态调节[1]，[2]，[3]，[4]。典型的PDLC系统由三个主要部分组成：聚合单体、向列型液晶和光引发剂。关键性能参数包括对比度（CR）、阈值电压（V_th）、饱和电压（V_sat）、开启时间（t_on）和关闭时间（t_off）。以往的研究主要集中于通过调控单体结构或掺杂纳米颗粒来优化这些电光性能[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。尽管在工作电压和对比度方面已取得优化成果，但PDLC的用途仍主要局限于可见光透过率和散射的调制。因此，利用PDLC的固有电光特性来拓展其应用潜力并实现多功能性引起了越来越多的研究兴趣[10]，[11]，[12]。掺入染料[13]，[14]、荧光材料[15]，[16]、磷光材料[17]和量子点[18]可实现PDLC的着色。这些有色系统正被探索用于装饰性窗户应用，并在防伪和信息加密方面展现出显著的前景[19]，[20]，[21]，[22]。具体而言，直接掺杂相变材料通常涉及权衡，即低掺杂浓度导致着色不足，而高浓度则导致分子聚集，从而影响器件的均匀性和性能。

微胶囊以其核-壳结构为特征，作为微尺度的容器，可有效将封装物质与外界环境隔离。这种结构优势防止了核心材料与周围介质之间的直接相互作用。值得注意的是，陈的研究团队[23]通过封装具有不同色性特性的染料证明了制造多色智能窗户的可行性。因此，将微胶囊化染料与PDLC系统相结合为实现彩色薄膜提供了一条可行策略，同时可减少染料引起的扰动[24]，[25]，[26]。然而，目前对这些复合材料的研究主要关注其视觉性能，在防伪领域的应用探索相对较少。

在本研究中，通过将紫外（UV）诱导变色微胶囊化染料引入PDLC复合材料，开发了一种具有防伪功能的PDLC薄膜，实现了光学和电学调制的协同效应（见图1）。微胶囊化光致变色染料（ME-PCD）在紫外光照射下仍可被激发呈现蓝色。实验中分别使用纯光致变色染料（P-PCD）和微胶囊化光致变色染料（ME-PCD）制备了两组样品。对比了掺入P-PCD和ME-PCD的PDLC与原始PDLC的电光响应曲线。基于最佳样品，结合丝网印刷和刻蚀技术制备了具有防伪功能的双响应薄膜。

章节摘要

材料

所用紫外光聚合单体包括环己基甲基丙烯酸酯（CHMA，≥98%）和2-羟丙基甲基丙烯酸酯（HPMA，≥98%），均购自天津海恩斯科技有限公司；以及聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA400，≥97%）和异丁氧甲基丙烯酰胺（IBMA，≥98%），均购自萨尔化学科技有限公司。商用液晶E8（T_N-I=72.9 °C，n_o = 1.525，n_e = 1.773）购自山东显华科技有限公司。光致变色染料

P-PCD掺杂PDLC的形貌与电光性能

表1总结了所制备样品的具体组成。未掺杂的PDLC样品标记为A0，而掺入1wt%、3wt%、5wt%、7wt%和9wt%纯光致变色染料（P-PCD）的PDLC样品分别编码为A1、A3、A5、A7和A9。

各样品的微观结构和电光响应如图2所示。对P-PCD掺杂PDLC的SEM表征表明，随着染料浓度增加，聚合物网络形貌未发生显著变化。

结论

总之，开发了一种ME-PCD掺杂的PDLC系统，其显色强度与直接掺杂系统相当，同时实现了增强的对比度和降低的工作电压。电光性能对比显示，在可比较的工作电压条件下，P-PCD掺杂的PDLC相比未掺杂样品对比度提高了24.9。相比之下，最佳ME-PCD掺杂的PDLC实现了极低的工作电压30.2 V

CRediT作者贡献声明

郭树萌：验证、经费获取。李晨曦：形式分析。陈金奇：调查研究。苗宗城：经费获取、概念设计。王磊：写作—审阅与编辑。何泽民：写作—审阅与编辑、监督、概念设计。陈娟：形式分析。刘帅辉：写作—初稿、方法论、数据整理。于平：写作—初稿、方法论、经费获取、数据整理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所呈现的工作。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报道的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金[No. 52173263]、国家重点研发计划[No. 2022YFB3603703]、陕西省西安市科技计划项目[No. 23LLRH0008]、陕西秦创原高层次人才计划[No. QCYRCXM-2022-219]、陕西省自然科学基金基础研究计划[No. 2025JC-YBQN-570]、陕西省教育厅科研项目[No. 24JK0691

于平|刘帅辉|陈金奇|李晨曦|郭树萌|陈娟|何泽民|王磊|苗宗城