面向可拉伸显示的超强多级自组装液晶凝胶及其形变机制与响应特性

Stretchable displays have broad application prospects in the new generation of intelligent communication equipments, wearable electronic instruments and implantable displays. Liquid crystals have wide applications in display field because of its essential property of being oriented while still can flow. However, this essential property results in liquid crystal materials having no fixed geometry, arrangement of which being influenced easily by external force field, and its display devices having complicated structures, and until now no applications in stretchable displays are reported. This project uses the hierarchical self-assembly properties of novel eight arm hexahedral POSS core gelators to prepare supramolecular liquid crystal gels, and the extreme low addition of gelators (≤0.5 wt%) provides liquid crystal high mechanical strength, that can be used to prepare stretchable displays (tensile deformation≥145%), which essentially settles the inherent contradiction of “deformation-response” in liquid crystal materials. This project aims to research the phase behaviors of liquid crystals, the hierarchical self-assembly behaviors of gelators, the morphology change of gel networks in liquid crystals and the response properties of supramolecular liquid crystal gels under static state, cyclic loading and electric driven conditions, to clarify the influence rule of macroscopic external force on the self-assemble, arrangement order and response properties based on the microcosmic weak interaction, in order to obtain electric control stretchable liquid crystal displays, which could provide traditional liquid crystal display materials fresh life and energy in the field of stretchable displays.

可拉伸显示器在智能通讯、可穿戴及可植入显示设备等领域有广泛的应用前景。液晶因其“流动而有序”的本质特性在显示领域普遍使用,但此本质特性导致液晶材料无固定形状、排列方式易受外力场影响而改变、显示器件结构复杂，仍未应用于可拉伸显示领域。本项目利用POSS核的六面体八臂新型凝胶因子的多级自组装特性制备超分子液晶凝胶，极低的凝胶因子添加量（≤0.5wt%）即可赋予液晶材料超强的机械强度，获得可拉伸液晶显示器（拉伸形变≥145%），从本质解决了液晶显示材料“形变—响应”的固有矛盾。通过对静态、循环加载以及电场驱动条件下液晶化合物的相行为、凝胶因子的多级自组装行为、凝胶网络在液晶客体分子中的形态变化规律、超分子液晶凝胶的响应等特性的一系列演变规律的研究，阐明宏观外力场对微观弱相互作用下的自组装及有序性、响应性的影响规律，获得电控可拉伸液晶显示器件，使传统液晶显示材料在可拉伸显示领域焕发新的生命活力。

液晶化合物具有特殊的光、电、磁、热等刺激-响应特性，广泛应用于显示材料领域，但其基本性质在如今不断涌现的新型显示设备中出现了一定的应用限制。本研究将液晶（5CB，4'-正戊基-4-氰基联苯）作为客体分子，POSS（六面体低聚倍半硅氧烷）基树枝状大分子（POSS-G1-BOC，自制）作为凝胶因子，制备了具有多重刺激响应特性等特点的新型超分子液晶物理凝胶，系统地研究了液晶凝胶结构与性能的关系，制备了一系列性能优异的液晶显示器件。.首先，利用含有反式-顺式转变的光致变色偶氮苯光响应剂2Azo2的液晶凝胶，制备了一种基于溶胶-凝胶转变的新型光响应可拉伸液晶光散射显示器件，在拉伸至45%时仍然能够清楚地显示通过紫外光写入的图像信息，为柔性显示器的发展提供了一种重要思路。.其次，将荧光粉添加到光响应液晶凝胶中，制备了一种体温控制的荧光液晶光散射显示屏。由该凝胶制成的光热信息存储显示屏可在体温（37℃）下呈现最佳对比度，将有希望被广泛应用于人体可穿戴设备等领域。.此外，将柔性导电薄膜引入光散射显示器，成功制得新型电控可拉伸液晶光散射显示器件。该显示器件采用柔性导电聚氨酯薄膜作为基底，液晶凝胶作为显示层，可实现45%的单轴拉伸显示，解决了传统刚性液晶显示器件不能实现拉伸、弯曲等形变的问题。.接着，利用POSS基液晶物理凝胶的动态可逆性质，将基于Diels-Alder可逆反应的自修复膜引入液晶光散射显示器件中，制备得到了可全自修复的光响应液晶光散射显示器件，在吹风机加热修复60 s后可在宏观上修复裂缝。修复后的显示器件具备循环写入特性，为研究和开发自愈合液晶显示材料及器件提供重要参考。.最后，研究了液晶凝胶在可形变拉伸过程中凝胶网络的变化情况，并建立了“螺旋能量耗散”模型和“双轴拉伸”模型。该可拉伸凝胶网络及其变化规律，将有助于解释和指导其他可形变纤维的变化，同时也对器件的制备起到一定的辅助作用。