一种多色调光器件及其应用的制作方法

1.本发明涉及调光器件技术领域，尤其涉及一种多色调光器件及其应用。更具体地，本发明还涉及用于实现多种颜色的三种光学三原色纳米粒子的制备方法。


背景技术：

2.悬浮粒子光阀（spd）技术主要通过控制电场强度来控制介质中棒状粒子的排列，依托粒子对光的吸收、散射等来阻挡光子通过，达到不同程度的光学隔断效果。因此纳米粒子的光学各向异性特性、介电性能、弛豫时间，决定了悬浮粒子光阀的性能；基于以上特性，spd技术不仅能够应用到家用窗户上逐步取代窗帘和百叶窗，还可以引入其他非窗户领域中，例如汽车车顶天窗、遮阳板、护目镜、幕墙、vr眼镜和显示器等。
3.然而，目前所报道的spd光阀的着色态仅能呈现蓝色或者白色（solar energy materials & solar cells 2015, 143, 613-622；optical materials, 2015, 46, 418-422；nanotechnology, 2014, 25, 415703），这主要是由于光阀中的悬浮纳米粒子的尺寸效应及材料本征吸收所致。单一的色调让spd光阀在实际应用中受到了限制，大大缩小了商业应用范围，同时也不利于spd技术的进一步推广。专利cn111679455a公开了采用在悬浮液中添加染料分子来改变系统色彩，该方案虽然有一定的可行性，但是由于染料有机小分子在耐候性、光稳定性、环保性等方面都存在着很大的隐患，实用性较差。专利cn207440490u公开了通过添加染色层来实现pdlc的多色显示，该方案在一定程度上能够有效的得到多色器件，但由于在原有器件上增加了染色层且染色材料为有机小分子，这不仅增加了器件的复杂度，同时系统的稳定性同样受到了影响。
4.因此，需要提供一种色彩可调且性能稳定的调光器件，以用于改善调光器件色彩单一的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种多色调光器件，通过将调光器件的暗态显示为可见光光谱区内的多种颜色，来满足所述需求。
6.以下通过示例并结合系统、工具和方法，对本发明的实施方案及其目的进行描述和说明。这些示例仅是示例性的和说明性的、而非限制性的。在不同实施方案中，上述一个或更多个市场需求已经通过本发明得到满足，而另一些实施方案则针对其他改进。
7.本发明的主要目的是提供一种多色调光器件，该多色调光器件具有可显示可见光光谱区内的多种颜色的暗态，以及无色透明的亮态。
8.本发明的另外一个目的是提供一种多色调光器件，该多色调光器件的多种颜色是通过一种或多种光学三原色纳米粒子的混合来实现的。
9.本发明的另外一个目的是提供一种光学三原色纳米粒子的制备方法，通过该方法得到的光学三原色纳米粒子可以分别呈现出光学三原色(rgb)各自的颜色。
10.本发明的另外一个目的是提供上述多色调光器件在多种领域的不同应用。
11.根据本发明的目的，本发明提供一种多色调光器件，所述调光器件包括依次设置的第一透明基板、第一透明导电层、调光层、第二透明导电层和第二透明基板，所述调光层包括分散液和分散在所述分散液中的纳米粒子分散相，所述调光器件的暗态为可见光光谱区内的多种不同颜色，亮态为无色透明，所述多种不同颜色是通过将相同或不同颜色的纳米粒子混合形成所述纳米粒子分散相实现的。
12.作为本技术的进一步改进，所述纳米粒子其形状为棒状、线状、片状、盘状、锥状或不规则颗粒状中的至少一种。
13.作为本技术的进一步改进所述纳米粒子的轴径比不小于4。
14.作为本技术的进一步改进所述纳米粒子在电场作用下均能够发生定向排列。
15.作为本技术的进一步改进所述纳米粒子选自三种光学三原色纳米粒子中的一种或多种，多种纳米粒子以多种组成比例混合，三种光学三原色纳米粒子分别为显示蓝色的纳米粒子、显示红色的纳米粒子和显示绿色的纳米粒子。
16.作为本技术的进一步改进所述光学三原色纳米粒子通过含氮杂环羧酸、卤化物和/或卤素单质以及含磷化合物在溶剂中反应得到。
17.作为本技术的进一步改进，所述反应还包括加入酰卤的步骤。
18.其中，显示蓝色的纳米粒子的制备方法包括如下步骤：s1. 将金属卤化物、卤素单质、纤维素和含磷化合物溶解到酯中，得到混合溶液；s2. 将2,5-吡嗪二羧酸、醇加入到所述s1步骤中的混合溶液中，加热反应，待反应结束后，将反应液离心后得到所述显示蓝色的纳米粒子。
19.作为本技术的进一步改进，所述s1中金属卤化物与卤素单质的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物与纤维素的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物和含磷化合物的质量比例范围为1:10-100:1，所述s2中2,5-吡嗪二羧酸的质量分数为1%-20%。
20.作为本技术的进一步改进，所述酯选自乙酸异戊酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的至少一种。
21.作为本技术的进一步改进，所述显示蓝色的纳米粒子长度为400-1500纳米，宽度为40-200纳米。
22.其中，显示绿色的纳米粒子的制备方法包括如下步骤：s1. 将金属卤化物、卤素单质、纤维素和含磷化合物溶解到酯中，得到混合溶液；s2. 将2,3-吡嗪二羧酸、醇加入到所述s1步骤中的混合溶液中，加热反应，待反应结束后，将反应液离心后得到所述显示绿色的纳米粒子。
23.作为本技术的进一步改进，所述s1中金属卤化物与卤素单质的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物与纤维素的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物和磷酸钙的质量比例范围为1:10-100:1，所述s2中2,3-吡嗪二羧酸的质量分数为1%-20%。
24.作为本技术的进一步改进，所述酯选自乙酸异戊酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的至少一种。
25.作为本技术的进一步改进，所述显示绿色的纳米粒子长度为400-1500纳米，宽度为20-300纳米。
26.其中，显示红色的纳米粒子的制备方法包括如下步骤：s1. 将金属卤化物、卤素单质、纤维素和含磷化合物溶解到酯中，得到混合溶液；s2. 将2,5-吡嗪二羧酸、醇加入到所述s1步骤中的混合溶液中，再加入酰卤，加热反应，待反应结束后，将反应液离心后得到所述显示红色的纳米粒子。
27.作为本技术的进一步改进，所述s1中金属卤化物与卤素单质的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物与纤维素的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物和含磷化合物的质量比例范围为1:10-100:1，所述s2中2,5-吡嗪二羧酸的质量分数为1%-20%。
28.作为本技术的进一步改进，所述酯选自乙酸异戊酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的至少一种。
29.作为本技术的进一步改进，所述酰卤选自酰氟、酰氯、酰溴、酰碘中的任意一种。
30.作为本技术的进一步改进，所述酰氯选自c原子数为1-18的酰氯中的任意一种。
31.作为本技术的进一步改进，所述酰氯为硬脂酰氯、正戊酰氯、十二酰氯中的任意一种。
32.作为本技术的进一步改进，所述显示红色的纳米粒子的长度为400-4000纳米，宽度为40-200纳米。
33.本技术还提供了上述多色调光器件在幕墙、汽车玻璃、室内装饰或显示器领域中的应用。
34.本技术公开了制备三种光学三原色纳米粒子的方法，通过三种光学三原色纳米粒子间不同比例的复合，实现了纳米粒子的色彩调控，克服了以往悬浮粒子装置暗态为蓝色基调，颜色单一的问题，进一步满足悬浮粒子装置暗态的多种色彩的需求，取得了较好的技术效果，具有良好的应用前景。
附图说明
35.图1示出了本技术提供的多色调光器件在不加电（a）和加电（b）时的结构示意图；图2示出了显示蓝色的纳米粒子i的扫描电子显微镜表征图片；图3示出了显示红色的纳米粒子ⅲ的扫描电子显微镜表征图片；图4示出了显示天蓝色的纳米粒子ⅳ的扫描电子显微镜表征图片；图5示出了显示紫色的纳米粒子
ⅴ
的扫描电子显微镜表征图片；图6示出了部分实施例得到的纳米粒子制作的多色调光器件的电压-透过率曲线；图7示出了由显示红色的纳米粒子ⅲ制作的多色调光器件的波数-透过率曲线。
具体实施方式
36.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，不用来限制本发明的范围。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.本技术涉及一种多色调光器件，如图1所示，所述调光器件包括依次设置的第一透
明基板101、第一透明导电层102、调光层103、第二透明导电层104和第二透明基板105，所述调光层103包括分散液106和分散在所述分散液106中的纳米粒子分散相107，所述调光器件的暗态为可见光光谱区内的多种颜色，亮态为无色透明，所述多种颜色是通过将相同或不同颜色的纳米粒子108混合形成所述纳米粒子分散相来实现的。
38.作为优选的实施例，所述纳米粒子其形状为棒状、线状、片状、盘状、锥状或不规则颗粒状中的至少一种。作为优选的实施例，所述纳米粒子的轴径比不小于4；作为优选的实施例，所述纳米粒子在电场作用下均能够发生定向排列。
39.作为优选的实施例，所述纳米粒子选自三种光学三原色纳米粒子中的一种或多种，多种纳米粒子以多种组成比例混合，三种光学三原色纳米粒子分别为显示蓝色的纳米粒子、显示红色的纳米粒子和显示绿色的纳米粒子。
40.此处，“多种纳米粒子以多种组成比例混合”指的是将至少两种显示不同颜色的纳米粒子以不同质量比混合，以显示处于上述不同颜色之间的多种颜色。
41.上述光学三原色纳米粒子可以通过含氮杂环羧酸、卤化物和/或卤单质以及含磷化合物在溶剂中反应得到，作为优选的实施例，所述反应还包括加入酰卤的步骤。
42.本技术中光学三原色纳米粒子颜色实现的原理是，光学三原色纳米粒子的颜色通过改变纳米粒子结构中卤素离子的排列结构以及纳米粒子的形貌结构来改变其对光的吸收来实现，更为具体地，所述光学三原色纳米粒子的颜色通过改变含氮杂环羧酸种类或添加酰卤来实现。
43.在本技术中，显示蓝色的纳米粒子的制备方法包括如下步骤：s1. 将金属卤化物、卤素单质、纤维素和含磷化合物溶解到酯中，得到混合溶液；s2. 将2,5-吡嗪二羧酸、醇加入到所述s1步骤中的混合溶液中，加热反应，待反应结束后，将反应液离心后得到所述显示蓝色的纳米粒子。
44.作为优选的实施例，所述s1中金属卤化物与卤素单质的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物与纤维素的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物和含磷化合物的质量比例范围为1:10-100:1，所述s2中羧酸的质量分数为1%-20%；作为优选的实施例，所述酯选自乙酸异戊酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的至少一种；作为优选的实施例，所述显示蓝色的纳米粒子长度为400-1500纳米，宽度为40-200纳米。
45.在本技术中，显示绿色的纳米粒子的制备方法包括如下步骤：s1. 将金属卤化物、卤素单质、纤维素和含磷化合物溶解到酯中，得到混合溶液；s2. 将2,3-吡嗪二羧酸、醇加入到所述s1步骤中的混合溶液中，加热反应，待反应结束后，将反应液离心后得到所述显示绿色的纳米粒子。
46.作为优选的实施例，所述s1中金属卤化物与卤素单质的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物与纤维素的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物和含磷化合物的质量比例范围为1:10-100:1；所述s2中羧酸的质量分数为1%-20%作为优选的实施例，所述酯选自乙酸异戊酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的至少一种；作为优选的实施例，所述显示绿色的纳米粒子长度为400-1500纳米，宽度为20-300纳米。
47.在本技术中，显示红色的纳米粒子的制备方法包括如下步骤：s1. 将金属卤化物、卤素单质、纤维素和含磷化合物溶解到酯中，得到混合溶液；s2. 将2,5-吡嗪二羧酸、醇加入到所述s1步骤中的混合溶液中，再加入酰卤，加热
反应，待反应结束后，将反应液离心后得到所述显示红色的纳米粒子。
48.作为优选的实施例，所述s1中金属卤化物与卤素单质的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物与纤维素的质量比例范围为1:0.1-1:10，所述s1中金属卤化物和含磷化合物的质量比例范围为1:10-100:1；所述s2中羧酸的质量分数为1%-20%。作为优选的实施例，所述酯选自乙酸异戊酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的至少一种。作为优选的实施例，所述酰卤选自酰氟、酰氯、酰溴、酰碘中的任一种；作为进一步优选的实施例，所述酰氯选自c原子数为1-18的酰氯中的任意一种；作为更进一步优选的实施例，所述酰氯为硬脂酰氯、正戊酰氯、十二酰氯中的任意一种；此类化合物可以对材料的表面修饰接枝烷烃链段，同时反应过程中产生的氯化氢不仅能够改变反应溶液的酸碱度，使材料中的杂环有机组分中n原子对卤素离子的吸附力变弱，同时氯化氢可以与卤素分子形成含氯卤素离子，如i2cl-，从而改变了卤素离子本身的价键结构，导致最终在材料结构中的卤素离子排列发生改变，进而影响材料对光的吸收。
49.作为优选的实施例，所述显示红色的纳米粒子的长度为400-4000纳米，宽度为40-200纳米。
50.本技术中，当分散在液体介质中光学各向异性的不等轴纳米粒子（如棒状、线状、锥状）的轴径比大于4且体积浓度高于其液晶相变临界浓度时，上述体系能够形成相应的溶致液晶系统。当对这样的溶致液晶系统施加交流电场，悬浮的纳米粒子会发生极化而推动纳米粒子的长轴方向沿着电场方向转动，最终可形成纳米粒子长轴完全顺着电场方向的有序排列态，此时光线在上述有序排列系统中的传播所受的阻隔最小，调光器件呈现亮态。当撤去电场后，极化作用消失，随着布朗运动的作用，悬浮的纳米粒子会呈现无序排列态，不同光学各向异性的纳米粒子能够通过吸收、散射等阻挡不同波段的光子通过，从而显示相应的互补色。根据光学配色原理，颜色环上任何一种颜色都可以用其相邻两侧的两种单色光甚至可以用次邻近的两种单色光混合得到，因此当混合不同光学色彩的纳米材料后，所制的调光层便能够根据混合纳米粒子的比例阻隔叠加光波波段光子而显示相应的互补色，从而实现暗态的多种不同颜色的效果。
51.为进一步实现本技术的目的，本技术还提供了上述多色调光器件在幕墙、汽车玻璃、室内装饰或显示器领域中的应用。
52.下面通过具体实施例来描述本发明的多色调光器件，将多种颜色的纳米粒子分别制作得到相应的多色调光器件，并对器件性能进行了测试。
53.实施例1：制备光学三原色纳米粒子为了制备暗态为可见光光谱区内多种颜色的调光器件，首先制备三种光学三原色纳米粒子，即显示蓝色的纳米粒子、显示红色的纳米粒子和显示绿色的纳米粒子。
54.制备显示蓝色的纳米粒子：将4.5克单质碘，3克碘化钙、13克硝化纤维和0.35克磷酸钙溶解在140毫升乙酸异戊酯中，充分溶解后加入3.5克2,5-吡嗪二羧酸及7.6毫升甲醇，搅拌30分钟，将混合溶液在45℃下反应3小时，超声反应2小时，离心洗涤后，得到显示蓝色的纳米粒子i；扫描电子显微镜表征图如图2所示，sem表征结果显示所得纳米棒状粒子长度约1500纳米，宽度约200纳米。
55.制备显示绿色的纳米粒子：区别于制备显示蓝色的纳米粒子i的方法，将2,5-吡嗪二羧酸改为2,3-吡嗪二羧酸，得到显示绿色的纳米粒子ⅱ，所得纳米棒状粒子长度约900纳
米，宽度约150纳米。
56.制备显示红色的纳米粒子：区别于制备显示蓝色的纳米粒子i的方法，在甲醇加入之后进一步加入1毫升硬脂酰氯，得到显示红色的纳米粒子ⅲ；扫描电子显微镜表征图如图3所示，sem表征结果显示所得纳米棒状粒子长度约4000纳米，宽度约200纳米。
57.实施例2：制备显示多种颜色的纳米粒子制备显示天蓝色的纳米粒子：将显示蓝色的纳米粒子i和显示绿色的纳米粒子ⅱ以质量比9:1混合，得到显示天蓝色的纳米粒子ⅳ；另外，还可以制备得到上述显示天蓝色的纳米粒子ⅳ，区别于制备显示蓝色的纳米粒子i的方法，不包括加入磷酸钙的步骤，得到上述显示天蓝色的纳米粒子ⅳ，扫描电子显微镜图表征图如图4所示，sem表征结果显示所得纳米棒状粒子长度约500纳米，宽度约90纳米。
58.制备显示紫色的纳米粒子：将显示红色的纳米粒子ⅲ和显示蓝色的纳米粒子i以质量比3:7混合，得到显示紫色的纳米粒子
ⅴ
；另外，还可以制备得到上述紫色的纳米粒子
ⅴ
，区别于制备显示蓝色的纳米粒子i的方法，将乙酸异戊酯换为乙酸异戊酯与环己烷（体积比为1:1）的混合溶液，得到所述显示紫色的纳米粒子
ⅴ
，扫描电子显微镜表征图如图5所示，sem表征结果显示所得纳米棒状粒子长度约200纳米，宽度约40纳米。
59.制备显示黄色的纳米粒子：将显示绿色纳米粒子ⅱ和显示红色的纳米粒子ⅲ以质量比1:3混合，得到显示黄色的纳米粒子ⅵ。
60.制备显示蓝绿色的纳米粒子：将显示天蓝色的纳米粒子ⅳ和显示绿色的纳米粒子ⅱ以质量比1:1混合，得到显示蓝绿色的纳米粒子ⅶ。
61.实施例3：制作多色调光器件将上述显示多种颜色的纳米粒子i
‑ⅶ
分别按质量分数8wt%作为纳米粒子分散相分散在邻苯二甲酸丁苄酯分散液中构成相应的调光层材料，进而采用该调光层材料注入由第一透明基层、第一透明导电层、调光层、第二透明导电层和第二透明基层形成相应的调光器件中的调光层，构成相应的多色调光器件，如图1中的(a)所示，当不施加电压时，所述调光器件为暗态，测定器件透光率，如图1中的(b)所示，当施加100hz，50v交流电时，所述调光器件呈现亮态，测定器件透光率。图6示出了由纳米粒子i、ⅳ和ⅵ制作的调光器件的电压-透过率曲线，图7示出了由显示红色的纳米粒子ⅲ制作的调光器件的波数-透过率曲线，同时，测得上述多色调光器件在cielab颜色空间坐标数据，结果示于表1。
62.表1
由表1数据和图6可知，多色调光器件的暗态及开态透过率主要取决于纳米粒子分散相的质量浓度，颜色则主要取决于不同纳米粒子混合的质量比例。从cielab颜色空间坐标数据可知，在混合不同色彩的纳米粒子器件中添加蓝色粒子会使得色品指数b*更负，添加红色纳米粒子则会是色品指数a*更正，光学色品指数与视觉颜色匹配。由图7示出的红色调光器件的全波段光谱测试可知，调光器件所呈现出来的颜色主要来源为透过光的特征光谱，而非反射看到的色彩，因此通过混合不同色彩的纳米粒子所得的异色器件的颜色主要来源于对光的过滤。
63.综上所述，本发明通过采用不同的含氮杂环羧酸种类以及添加改性剂，得到了区别于蓝色的其他两种光学三原色纳米粒子，进而得到多种颜色的纳米粒子，本发明由多种颜色的纳米粒子制作的调光器件全光线透射率达到72.5%，具有较好的光控效果，同时克服了以往技术中调光器件暗态仅为蓝色基调的缺点，拓宽了调光器件的应用范围。
64.虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
65.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。