一种环境友好型电致变色凝胶、电致变色器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及电致变色器件技术领域，具体涉及一种环境友好型电致变色凝胶、电致变色器件及其制备方法。


背景技术：

2.电致变色是指材料的光学属性如反射率、透过率、吸收率等在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透射和反射特性的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。
3.电致变色器件由于其独特的性能在节能环保领域有着良好的应用，例如无需设置背光灯的电致变色显示器件，能够有效降低能耗；可选择性吸收或反射热辐射的电致变色智能窗，能够有效解决城市光污染问题等。可见，电致变色器件的应用与我们的生活密切相关。
4.紫精化合物因其变色种类多、对比度高、稳定性好等优点，常作为核心变色材料被广泛用于电致变色器件中。然而，目前的紫精类电致变色器件在制备工艺中常用到具有毒性的有机聚合物、有机溶剂或有机对电极材料，例如pmma、pva、peo、乙腈、碳酸烯丙酯、噻吩嗪等。一方面，在制备过程中，这些有机材料作为废弃物排出会对环境造成污染；另一方面，含有大量具有毒副作用的有机物制备的电致变色器件在使用过程中，会与人体密切接触，从而对人体造成潜在的危害。
5.目前，电致变色器件多为五层的三明治结构，结构依次为第一透明导电电极、电致变色层、电解质层、离子储存层、第二透明导电电极，结构复杂且制作繁琐。而且大部分电致变色器件为液态型和固态型器件，其中，液态型电致变色器件有易泄漏、安全性低、稳定性差等问题，固态电致变色器件存在导电率低及与电极表面接触差等问题。
6.因此，从安全环保的角度提供一种一体化的环境友好型电致变色凝胶及电致变色器件是本领域的一项技术问题。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明提供了一种环境友好型电致变色凝胶、电致变色器件及其制备方法，通过使用无毒的维生素c作为对电极材料、羧甲基纤维素钠作为聚合物基质制成一体化电致变色凝胶，从而组装无毒的、环境友好的紫精基电致变色器件。
8.第一方面，本发明提供了一种环境友好型电致变色凝胶，由以下组分的原料制备而成：
[0009][0010]
优选地，所述环境友好型电致变色凝胶，由以下组分的原料制备而成：
[0011][0012]
具体地，所述溶剂为去离子水；优选地，所述溶剂中还可以加入适量甲醇，甲醇的加入量为溶剂总质量的1-10％。
[0013]
去离子水作为溶剂避免了传统制备方法使用大量有机溶剂带来的环境污染问题，同时，在其中添加少量甲醇，能够有效提高原料组分在溶剂中的溶解度，得到分散均匀的电致变色凝胶。
[0014]
进一步地，所述紫精化合物选自甲基紫精、乙基紫精、丙基紫精、丁基紫精、戊基紫精、己基紫精、庚基紫精、辛基紫精中的一种或几种。
[0015]
进一步地，所述紫精化合物的对阴离子选自cl-、br-、i-中的一种或几种。
[0016]
进一步地，所述四丁基卤化铵选自四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵中的一种。
[0017]
紫精化合物是电致变色器件中的核心变色材料，是实现电致变色功能的基础；羧甲基纤维素钠是一种离子型的纤维素胶，可作为凝胶基质分散于水中形成透明胶体；维生素c是一种多羟基化合物，易溶于水，具有很强的还原性，同时具备可逆的氧化还原性质，可作为阳极对电极材料；四丁基卤化铵为强电解质，用于提高电致变色凝胶的导电性，保证电致变色器件的电导率。
[0018]
进一步地，所述环境友好型电致变色凝胶采用以下方法制备：将选定量的原料混合，搅拌溶解成均相凝胶，放置3天，即得。
[0019]
第二方面，本发明还提供了一种电致变色器件，包括两层导电基材和封装于所述两层导电基材之间的如前述所述的环境友好型电致变色凝胶。
[0020]
进一步地，所述导电基材为ito导电薄膜。
[0021]
第三方面，本发明还提供了一种制备所述电致变色器件的方法，包括以下步骤：将电致变色凝胶灌涂在两层导电基材之间，使用防水的uv光固化胶对四周进行固化封装，即得电致变色器件。
[0022]
进一步地，所述导电基材之间还设置有玻璃微珠，玻璃微珠用以调节控制凝胶层
的厚度，玻璃微珠的粒径为5-200μm；优选地，所述玻璃微珠的粒径为60-80μm。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
1.本发明采用羧甲基纤维素钠、四丁基卤化铵、维生素c和常规溶剂制备电致变色凝胶，其中维生素c作为对电极材料、羧甲基纤维素钠作为聚合物基质，使用环保无毒的原料，避免了传统电致变色器件中加入有机聚合物、有机溶剂如pmma、pva、peo、乙腈、碳酸烯丙酯、噻吩嗪等对人体和环境的危害，更符合绿色环保的要求。
[0025]
2.本发明的电致变色器件，将电致变色层和电解质层复合得到一体化的凝胶型电致变色器件，既避免了液态电解质泄漏的问题，又保证了电致变色器件的导电性。
[0026]
3.本发明的电致变色凝胶及其制备的电致变色器件工艺简单，易于操作，并且制备的电致变色器件响应迅速，具有良好的电致变色性能，能够实现良好的推广应用。
附图说明
[0027]
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
[0028]
图1为实施例1制备得到的电致变色器件的变色示意图；
[0029]
图2为实施例1制备得到的电致变色器件的紫外-可见光谱图；
[0030]
图3为实施例1制备得到的电致变色器件在395nm处的褪色时间图；
[0031]
图4为实施例1制备得到的电致变色器件在395nm处的着色时间图；
[0032]
图5为实施例1制备得到的电致变色器件在395nm处分别在1次循环和10000次循环后的光谱循环特征图；
具体实施方式
[0033]
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0034]
实施例1
[0035]
(1)环境友好型电致变色凝胶的制备：将100ml去离子水，加入5ml甲醇、2.5g羧甲基纤维素钠、1g二氯甲基紫精、1g四丁基氯化铵、0.35g维生素c混合，搅拌溶解成均相的凝胶，放置3天，即得。
[0036]
(2)电致变色器件的制备：将步骤(1)制备的电致变色凝胶灌涂到液晶盒里，液晶盒由两片ito薄膜夹玻璃微珠组成，控制电致变色凝胶层的厚度为70μm，使用防水的uv光固化胶对四周进行固化封装，即得电致变色器件。
[0037]
对本实施例制得的电致变色器件通电进行性能测试，结果如图1所示，断电状态下，电致变色器件为无色透明状态，在1.1v条件下呈蓝色着色态，可见本发明制备得到的电致变色器件工作电压低，具有良好的电致变色性能。
[0038]
使用chi650电化学工作站和uv-7504pc紫外分光光度计记录电致变色器件的光透
过率，结果如图2-5所示。从图2该电致变色器件的紫外-可见光谱图可以看出，该电致变色器件在透过状态时，在375nm-800nm范围内，透过率均在65％以上，在550nm处达到最高值78％；而器件处于着色状态时，在395nm处达到最低值，器件的透过率值仅为15％。从图3-4该器件在395nm光照射下的褪色、着色时间图可以看出，该电致变色器件的褪色时间仅需6s，着色时间仅需4s，响应迅速。从图5该器件在395nm处分别在1次循环(实线)和1万次循环后(虚线)的光谱循环特征可以看出，该器件具有稳定的循环性能，循环次数可达10000次，循环寿命长。
[0039]
实施例2
[0040]
(1)环境友好型电致变色凝胶的制备：将100ml去离子水，加入1ml甲醇、1g羧甲基纤维素钠、0.2g二溴丁基紫精、0.5g四丁基溴化铵、0.2g维生素c混合，搅拌溶解成均相的凝胶，放置3天，即得。
[0041]
(2)电致变色器件的制备：将步骤(1)制备的电致变色凝胶灌涂到液晶盒里，液晶盒由两片ito薄膜夹玻璃微珠组成，控制电致变色凝胶层的厚度为60μm，使用防水的uv光固化胶对四周进行固化封装，即得电致变色器件。
[0042]
对本实施例制得的电致变色器件进行性能测试，测试结果如下：
[0043]
本实施例制得的电致变色器件的褪色电压为0v，着色电压为1.1v，褪色时间为5s，着色时间为6s，循环次数可达10000次。
[0044]
实施例3
[0045]
(1)环境友好型电致变色凝胶的制备：将100ml去离子水，加入10ml甲醇、20g羧甲基纤维素钠、5g二碘辛基紫精、5g四丁基碘化铵、1g维生素c混合，搅拌溶解成均相的凝胶，放置3天，即得。
[0046]
(2)电致变色器件的制备：将步骤(1)制备的电致变色凝胶灌涂到液晶盒里，液晶盒由两片ito薄膜夹玻璃微珠组成，控制电致变色凝胶层的厚度为80μm，使用防水的uv光固化胶对四周进行固化封装，即得电致变色器件。
[0047]
对本实施例制得的电致变色器件进行性能测试，测试结果如下：
[0048]
本实施例制得的电致变色器件的褪色电压为0v，着色电压为1.1v，褪色时间为6s，着色时间为6s，循环次数可达10000次。
[0049]
对比例1
[0050]
本对比例中利用现有技术中碳酸丙烯酯为溶剂，三氟甲基硫磺酰亚胺锂盐为电解质，制备电致变色器件，步骤如下：
[0051]
在手套箱里，将电致变色材料二氯甲基紫精(0.1mmol)，二茂铁(0.8mmol，23mg)，碳酸丙烯酯(150mg)溶剂，三氟甲基硫磺酰亚胺锂盐电解质(160mg)和聚丙烯醇缩丁醛(300mg)溶于干燥甲醇(1.5ml)中，搅拌2小时得到均匀的电致变色凝胶。把凝胶灌注到液晶盒里，即得到所述电致变色器件。
[0052]
其中，液晶盒包括两片面对面设置的氧化铟锡玻璃，在两片氧化铟锡玻璃之间夹有一层含有空腔的石蜡层，电致变色凝胶即灌注在所述空腔内。
[0053]
对本对比例制得的电致变色器件进行性能测试，测试结果如下：
[0054]
本对比例制得的电致变色器件的褪色电压为0v，着色电压为1.5v，褪色时间为7s，着色时间为5s，循环次数为5000次，工作电压较高，能耗相对较高，同时稳定性较弱，循环寿
命较短。本发明制备的环境友好型电致变色凝胶进行组装电致变色器件，该器件的电学性能与现有技术相当甚至更优于现有使用有机溶剂制备的紫精基电致变色器件。
[0055]
综上，利用本发明制备的环境友好型电致变色凝胶组装电致变色器件，能够自然褪色，且工作电压较低，褪色电压为0v，着色电压为1.1v，具有低能耗的特点；并且响应时间短，褪色时间为5-6s，着色时间为4-6s，能够快速响应；同时循环次数可达10000次，性能稳定，使用寿命长，具有良好的应用价值。并且本发明制备的环境友好型电致变色凝胶组装的电致变色器件，原料绿色环保、安全无毒、且制备简单，符合可持续发展的要求。
[0056]
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。