江南大学付少海团队《ACS AMI》:可穿戴双稳态电致变色液晶微胶囊显示技术

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近年来，智能纺织品研究主要集中于将生物、电子材料等高新技术融入纺织服装中，使纺织品可模拟生命系统，具有感知与反应双重功能。其中，变色材料是智能纺织品感知与直观反馈外界环境变化的一个关键部件。相较于光致、温致和力致变色材料的响应时间长以及外界条件的不可控性，电致变色材料具有响应时间短、条件可控以及颜色变化丰富等优点，被广泛地应用到智能纺织品中。不同于传统的电致变色材料电化学工作机制，染料掺杂型液晶的电刺激响应变色是一个物理变化过程，具有使用寿命长、响应时间快和透明态到有色态全谱段显示等优点。然而，染料掺杂型液晶在器件挠曲过程中易流动，难以塑形；同时，二色性染料与液晶之间的宾主效应以分子间作用力形式存在，极易受到外界环境影响丧失电致变色性能。这些都极大限制了其在纺织品上的进一步应用。

为此，他们提出通过特定的工艺过程实现染料掺杂型液晶微胶囊化(图1)：一方面，通过包覆作用实现染料掺杂型液晶的分散、保护和致稳，从而确保染料掺杂型液晶柔性显示的可行性(Dyes and Pigments, 2018, 158: 1-11.)；另一方面，通过控制微胶囊的大小和分布来调节体系中染料掺杂型液晶微滴的尺寸，从而提高显示器件的光电性能(Journal of Molecular Liquids, 2019, 283: 816-822.)；此外，通过探索微胶囊结构限域作用和壳材种类的界面锚定效应对响应灵敏度的影响规律，制备可用于纺织品印花的电致变色液晶微胶囊涂层 (Dyes and Pigments, 2020, 180: 108544.)。

图1 染料掺杂型液晶微胶囊电致变色机理

在上述研究基础上，利用非离子表面活性剂Brij-35在浊点温度下的结构切换和亲水亲油值的转变特性(图2)，采用种子乳液聚合法合成了理化性能优异，在低驱动电压下可多彩电致变色的多层染料掺杂型液晶微胶囊，并进一步将其通过湿法纺丝，制备得到多彩电致变色液晶纤维(ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(26): 29728-29736.)。此外，通过引入磁性内核，合成了多功能蛋黄蛋壳型染料掺杂型液晶微胶囊，并演示了其在磁可控电致变色智能窗及多光谱响应调制的静电纺丝织物上的应用(ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(11): 13586-13595.)。

图2 “温度响应型亲疏水开关”Brij-35的浊点效应

然而至今为止，有关于染料掺杂型液晶的报道主要集中于少数地区和公司，且只能达到单稳态显示效果，这极大制约了染料掺杂型液晶在变色器件领域的应用与发展。双稳态液晶显示器具有纸张一样的显示特性，能够在断电的情况下持续显示，可通过施加电压改变显示内容，具有高对比度，宽视角，超低功耗，易读可写等特性，相较于传统单稳态液晶显示更易满足现代社会信息量大的、节能环保的要求，具有广阔的应用前景。目前，双稳态液晶技术主要包括向列相液晶的顶点双稳态液晶显示技术和聚合物分散致稳胆甾相液晶显示技术。然而，前者可视角窄、难以实现彩色显示，后者通常所需驱动电压高，难以应用于可穿戴纺织品领域。而染料掺杂型液晶由于其独特的理化性质，目前没有有关其双稳态研究的报道。

为此，他们设计并制备了一种新型双稳态染料掺杂型液晶微胶囊及双稳态柔性变色纤维材料。通过在染料掺杂型液晶体系中引入有机固体相变材料建立温/电双控稳态体系，基于相变有机固体材料的致稳作用，纤维器件在零电场作用下可以呈现两种稳定状态，前者呈现彩色，而后者对入射光线通透，并显示出衬底的颜色，可以通过温度及电场协同调节来实现两种状态之间的转换(图3)。

图3 仿生染料掺杂型液晶/相变材料微胶囊双稳态电致变色示意图

基于上述结构，一方面利用聚合物和相变材料的锚泊作用获取了稳定的多畴分布，另一方面液晶被有效地固定到聚合物微胶囊体系中，降低了压力对显示效果的影响，防止了液晶在器件挠曲过程中的流动，最终实现彩色、双稳态柔性显示。进一步的研究结果表明，通过改变二色性染料的种类，可以使得产品呈现不同的颜色，而且由于微胶囊的保护作用，不同组成的产品相互掺杂时不会发生影响。因此，基于该模式的液晶微胶囊能够满足人们对节能柔性显示及智能纺织品中液晶显色个性化和多样性的要求，有着广阔的应用前景。

以上相关结果近日以“Biomimetic Solid–Liquid Transition Structural Dye-Doped Liquid Crystal/Phase-Change-Material Microcapsules Designed for Wearable Bistable Electrochromic Fabric”为题发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上（DOI: 10.1021/acsami.1c08135）。论文的第一作者为江南大学纺织科学与工程学院博士生盛明非，江南大学付少海教授和张丽平教授为论文通讯作者。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143720818307393

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016773221930385X

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143720820305404

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c09354

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c00003

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c08135

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