一种低电压驱动的液态光阀及其制备方法与流程

1.本发明涉及液态光阀技术领域，尤其涉及一种低电压驱动的液态光阀及其制备方法。


背景技术：

2.光阀是一类可以在外部电压驱动下实现光通量和颜色调节的装置，根据其作用原理可将光阀分为电致变色(ec)、聚合物分散液晶(pdlc)和悬浮颗粒(又称调光颗粒)装置(spd)。其中ec以直流电压驱动，通过调光层中无机/有机电致变色材料得失电子而实现色光的调控，而pdlc和spd均以交流电压驱动，分别通过内部的液晶分子和调光颗粒的“布朗运动——定向排列”的转变而实现光通量的调节。其中spd以耐候性佳、颜色丰富、响应迅速等优势，越来越受到市场的青睐。
3.传统的spd由两层透明电极及夹存在电极之间的调光层组成，其调光层由包含调光颗粒的调光液滴以及支撑调光液滴的基体构成。目前，该类产品已被应用于智能车窗、飞机舷窗、办公隔断等领域。在spd中，基体与调光液均为有机聚合物，其往往存在重复性较差、有机气体排放量大、二者折射率需精确匹配等技术壁垒。更重要的是，基体与调光液因需要进行均匀的相分离，故其分子量/粘度较大，导致调光颗粒在调光液中旋转较困难，使得传统的spd需要在较高的驱动电压(110v以上)下才可正常工作。
4.近来spd摒弃了传统制备过程中需要将聚合物相分离的复杂制程，直接将混有调光颗粒的调光液密封于两层透明电极之间，从而得到构造简易的液态spd光阀，该类光阀优点包括工作电压低、制程简单、制作成本低等。然而，其明显的短板在于由于调光颗粒不再局限于调光液滴内部，而是可以进行更大范围的布朗运动，因而更容易团聚和沉积，从而引起spd失效。现有技术一般采用硝化纤维素用于分散调光颗粒，但制备的spd驱动电压仍然较高，响应速度较慢，回复时间较长，且硝化纤维素是一种易燃易爆物，难以取得，生产过程污染较大。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，在现有液态光阀的基础上，本发明提供了一种低电压驱动的液态光阀及其制备方法。
6.一方面，本发明提供一种低电压驱动的液态光阀，包括依次设置的第一透明电极、调光液和第二透明电极；调光液包括调光颗粒、悬浮液、分散剂以及有机溶剂；分散剂为pvp。
7.进一步地，液态光阀的驱动电压为25-40v。
8.进一步地，调光颗粒为碘硫酸奎宁纳米棒。
9.进一步地，悬浮液为丙烯酸酯类聚合物，其粘度为30-200cps。
10.进一步地，pvp的分子量在8000-220000之间。
11.更优选地，pvp的分子量在8000-58000之间。
12.进一步地，有机溶剂选自乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸异戊酯、三乙酸甘油酯、偏苯三酸三辛酯中的一种或多种，优选的，为乙酸异戊酯。
13.进一步地，第一透明电极以及第二透明电极选自ito导电玻璃、ito导电膜、纳米银线导电膜、纳米铜线导电膜、pedot导电膜、石墨烯导电膜、碳纳米管导电膜中的一种或多种。
14.pvp是一种优良的分散剂。在诸多纳米颗粒的合成和分散过程中，pvp可吸附于纳米颗粒表面，从而抑制颗粒的凝聚。本发明中，碘硫酸奎宁颗粒在悬浮液中易形成团聚体，这导致了产品的工作电压升高。而pvp分子中吡咯氮的亲电反应倾向很强，因此其很容易与核外电子密集的碘元素结合。当pvp被引入悬浮液中时，可吸附于碘硫酸奎宁纳米颗粒的表面，从而促进其的分散；同时由于pvp在颗粒表面形成了一层有机分子层，在颗粒与悬浮液之间起到了良好的过渡作用，可有效“润滑”颗粒，因此pvp可有效降低颗粒翻转所需的电压。
15.另一方面，本发明还提供一种低电压驱动的液态光阀的制备方法，包括以下制备步骤：
16.(1)制备调光颗粒；
17.(2)制备悬浮液；
18.(3)将pvp溶解于有机酯溶剂中，得到pvp的有机酯溶液；
19.(4)将步骤(1)所得的调光颗粒与步骤(3)所得pvp的有机酯溶液混合得到混合液，随后将所得混合液与步骤(2)所得悬浮液混合，得到调光液；
20.(5)将步骤(4)所得调光液灌装于第一透明电极和第二透明电极之间，封装后即得到液态光阀。
21.进一步地，步骤(3)的pvp在pvp的有机酯溶液中的质量分数为0.1-10％，优选的，为0.5-5％。
22.进一步地，步骤(4)的调光颗粒、pvp的有机酯溶液、悬浮液的质量比为x：y：100，其中x在2-6之间，y在10-50之间。
23.pvp本身可以有效抑制颗粒团聚，但其用量过多会导致溶液粘稠，反过来使颗粒在电场下翻转变得困难，而本发明选用的有机酯类作为溶剂，在溶解pvp的同时，可以降低悬浮液的粘度，但其用量过多又会使颗粒重新团聚。因此，本发明设定上述的pvp质量分数和调光液中的质量比，以起到最佳效果。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.1.本发明采用pvp作为分散剂，其具有优良的分散能力和稳定性，能降低调光颗粒在调光液中进行旋转运动时所受的阻滞，使调光颗粒可以在电场作用下自由翻转，从而使本发明制备的液态光阀在低电压下便可驱动，大大节约了调光器件使用时的能耗，且具有响应速度快、回复时间短的优势。
26.2.本发明公开的一种低电压驱动的液态光阀的制备方法，将调光颗粒均匀分散于有机酯溶剂中，并将含有pvp和调光颗粒的有机酯溶剂与悬浮液充分混合，得到适用于spd的调光液。这一举措一方面降低了调光液的粘度，防止调光颗粒团聚沉积；另一方面进一步提高了调光颗粒的分散性，使spd器件可以经受反复使用而保持较低的性能退化，重复性良好。
27.3.本发明采用pvp作为分散剂，相比于传统分散剂，pvp溶解性良好，既可溶于水，又可溶于多种极性有机溶剂；且常温常压下稳定，低毒，安全性好；生产过程污染较小，符合绿色环保的理念。
附图说明
28.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。
29.图1为本发明制备的一种低电压驱动的液态光阀的工作示意图；
30.图2为本发明实施例1制备得到的液态光阀透过率示意图；
31.图3为本发明实施例2制备得到的液态光阀透过率示意图；
32.图4为本发明实施例3制备得到的液态光阀透过率示意图；
33.图5为本发明实施例4制备得到的液态光阀透过率示意图；
34.图6为本发明实施例5制备得到的液态光阀透过率示意图；
35.图7为本发明对比例1制备得到的液态光阀透过率示意图；
36.图8为本发明对比例2制备得到的液态光阀透过率示意图。
具体实施方式
37.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。
38.实施例1
39.一种低电压驱动的液态光阀，其制备步骤如下：
40.(1)制备调光颗粒：
41.在冰浴环境下，将5g硫酸奎宁溶于400ml水、3ml浓硫酸以及30ml冰乙酸的混合液中，随后向其中加入5g fecl3，得到浅黄色溶液a；同样地，在冰浴环境下，将2.5g i2和1g ki溶解于20g酒精和20g水的混合液中，得到深棕色溶液b；在超声作用下，边搅拌边将溶液a和b均匀混合进行反应，同时保持反应体系的温度不超过5℃，反应1h后离心、烘干，得到调光颗粒；
42.(2)制备悬浮液：
43.将0.9mmol甲基丙烯酸月桂酯与0.1mmol甲基丙烯酸羟乙酯置于三颈烧瓶中均匀混合，而后向其中加入100ml甲苯和4ml己硫醇，并向混合均匀后的液体中通入氮气；反应体系加热至60℃后向其中加入0.3g偶氮二异丁氰，并保持在该温度反应24h，最后经100℃旋转蒸发，得到粘度为91cps的悬浮液；
44.(3)将0.1g分子量为8000的pvp溶解于10g乙酸异戊酯中，得到pvp的有机酯溶液；
45.(4)向步骤(3)所得pvp的有机酯溶液中加入2g步骤(1)得到的调光颗粒，超声分散，得到混合液；取1g混合液，与5g步骤(2)所得的悬浮液搅拌混合，得到调光液；
46.(5)将步骤(4)所得调光液其灌装于两层ito玻璃之间，得到液态光阀。
47.如图1所示，为本发明制备的一种低电压驱动的液态光阀的工作示意图，未通电时，液态光阀里面的调光颗粒会呈现不规则的散布状态，此时液态光阀呈现透光而不透明的外观状态；当给液态光阀通电后，里面的调光颗粒呈现整齐排列，光线可以自由穿透，此时液态光阀瞬间呈现透明状态。
48.如图2、表1所示，实施例1所得液态光阀在无电压施加时，在可见光范围内透过率为40％左右，在施加25v电压时，状态转变为透明态，其透过率上升至约90％，其响应时间为50ms，回复时间为0.4s。
49.实施例2
50.一种低电压驱动的液态光阀，与实施例1的区别主要在于，采用不同分子量的pvp，其制备步骤如下：
51.(1)制备调光颗粒：
52.在冰浴环境下，将5g硫酸奎宁溶于400ml水、3ml浓硫酸以及30ml冰乙酸的混合液中，随后向其中加入5g fecl3，得到浅黄色溶液a；同样地，在冰浴环境下，将2.5g i2和1g ki溶解于20g酒精和20g水的混合液中，得到深棕色溶液b；在超声作用下，边搅拌边将溶液a和b均匀混合进行反应，同时保持反应体系的温度不超过5℃，反应1h后离心、烘干，得到调光颗粒；
53.(2)制备悬浮液：
54.将0.9mmol甲基丙烯酸月桂酯与0.1mmol甲基丙烯酸羟乙酯置于三颈烧瓶中均匀混合，而后向其中加入100ml甲苯和4ml己硫醇，并向混合均匀后的液体中通入氮气；反应体系加热至60℃后向其中加入0.3g偶氮二异丁氰，并保持在该温度反应24h，最后经100℃旋转蒸发，得到粘度为104cps的悬浮液；
55.(3)将0.1g分子量为58000的pvp溶解于10g乙酸异戊酯中，得到pvp的有机酯溶液；
56.(4)向步骤(3)所得pvp的有机酯溶液中加入2g步骤(1)得到的调光颗粒，超声分散，得到混合液；取1g混合液，与5g步骤(2)所得的悬浮液搅拌混合，得到调光液；
57.(5)将步骤(4)所得调光液其灌装于两层ito玻璃之间，得到液态光阀。
58.如图3、表1所示，实施例2所得液态光阀在无电压施加时，在可见光范围内透过率为40％左右，在施加25v电压时，状态转变为透明态，其透过率上升至约80％，其响应时间为90ms，回复时间为1.2s。
59.实施例3
60.一种低电压驱动的液态光阀，与实施例1的区别主要在于，采用不同分子量的pvp，其制备步骤如下：
61.(1)制备调光颗粒：
62.在冰浴环境下，将5g硫酸奎宁溶于400ml水、3ml浓硫酸以及30ml冰乙酸的混合液中，随后向其中加入5g fecl3，得到浅黄色溶液a；同样地，在冰浴环境下，将2.5g i2和1g ki溶解于20g酒精和20g水的混合液中，得到深棕色溶液b；在超声作用下，边搅拌边将溶液a和b均匀混合进行反应，同时保持反应体系的温度不超过5℃，反应1h后离心、烘干，得到调光颗粒；
63.(2)制备悬浮液：
64.将0.9mmol甲基丙烯酸月桂酯与0.1mmol甲基丙烯酸羟乙酯置于三颈烧瓶中均匀混合，而后向其中加入100ml甲苯和4ml己硫醇，并向混合均匀后的液体中通入氮气；反应体系加热至60℃后向其中加入0.3g偶氮二异丁氰，并保持在该温度反应24h，最后经100℃旋转蒸发，得到粘度为97cps的悬浮液；
65.(3)将0.1g分子量为220000的pvp溶解于10g乙酸异戊酯中，得到pvp的有机酯溶液；
66.(4)向步骤(3)所得pvp的有机酯溶液中加入2g步骤(1)得到的调光颗粒，超声分散，得到混合液；取1g混合液，与5g步骤(2)所得的悬浮液搅拌混合，得到调光液；
67.(5)将步骤(4)所得调光液其灌装于两层ito玻璃之间，得到液态光阀。
68.如图4、表1所示，实施例3所得液态光阀在无电压施加时，在可见光范围内透过率为40％左右，在施加40v电压时，状态转变为透明态，其透过率上升至约70％，其响应时间为120ms，回复时间为2.6s。
69.实施例4
70.一种低电压驱动的液态光阀，与实施例1的区别主要在于，采用不同质量分数的pvp有机酯溶液，其制备步骤如下：
71.(1)制备调光颗粒：
72.在冰浴环境下，将5g硫酸奎宁溶于400ml水、3ml浓硫酸以及30ml冰乙酸的混合液中，随后向其中加入5g fecl3，得到浅黄色溶液a；同样地，在冰浴环境下，将2.5g i2和1g ki溶解于20g酒精和20g水的混合液中，得到深棕色溶液b；在超声作用下，边搅拌边将溶液a和b均匀混合进行反应，同时保持反应体系的温度不超过5℃，反应1h后离心、烘干，得到调光颗粒；
73.(2)制备悬浮液：
74.将0.9mmol甲基丙烯酸月桂酯与0.1mmol甲基丙烯酸羟乙酯置于三颈烧瓶中均匀混合，而后向其中加入100ml甲苯和4ml己硫醇，并向混合均匀后的液体中通入氮气；反应体系加热至60℃后向其中加入0.3g偶氮二异丁氰，并保持在该温度反应24h，最后经100℃旋转蒸发，得到粘度为88cps的悬浮液；
75.(3)将0.01g分子量为8000的pvp溶解于10g乙酸异戊酯中，得到pvp的有机酯溶液；
76.(4)向步骤(3)所得pvp的有机酯溶液中加入2g步骤(1)得到的调光颗粒，超声分散，得到混合液；取1g混合液，与5g步骤(2)所得的悬浮液搅拌混合，得到调光液；
77.(5)将步骤(4)所得调光液其灌装于两层ito玻璃之间，得到液态光阀。
78.如图5、表1所示，实施例4所得液态光阀在无电压施加时，在可见光范围内透过率为30％左右，在施加25v电压时，状态转变为透明态，其透过率上升至约60％，其响应时间为70ms，回复时间为3.5s。
79.实施例5
80.一种低电压驱动的液态光阀，与实施例1的区别主要在于，采用不同质量分数的pvp有机酯溶液，其制备步骤如下：
81.(1)制备调光颗粒：
82.在冰浴环境下，将5g硫酸奎宁溶于400ml水、3ml浓硫酸以及30ml冰乙酸的混合液中，随后向其中加入5g fecl3，得到浅黄色溶液a；同样地，在冰浴环境下，将2.5g i2和1g ki
溶解于20g酒精和20g水的混合液中，得到深棕色溶液b；在超声作用下，边搅拌边将溶液a和b均匀混合进行反应，同时保持反应体系的温度不超过5℃，反应1h后离心、烘干，得到调光颗粒；
83.(2)制备悬浮液：
84.将0.9mmol甲基丙烯酸月桂酯与0.1mmol甲基丙烯酸羟乙酯置于三颈烧瓶中均匀混合，而后向其中加入100ml甲苯和4ml己硫醇，并向混合均匀后的液体中通入氮气；反应体系加热至60℃后向其中加入0.3g偶氮二异丁氰，并保持在该温度反应24h，最后经100℃旋转蒸发，得到粘度为102cps的悬浮液；
85.(3)将1g分子量为8000的pvp溶解于10g乙酸异戊酯中，得到pvp的有机酯溶液；
86.(4)向步骤(3)所得pvp的有机酯溶液中加入2g步骤(1)得到的调光颗粒，超声分散，得到混合液；取1g混合液，与5g步骤(2)所得的悬浮液搅拌混合，得到调光液；
87.(5)将步骤(4)所得调光液其灌装于两层ito玻璃之间，得到液态光阀。
88.如图6、表1所示，实施例4所得液态光阀在无电压施加时，在可见光范围内透过率为40％左右，在施加40v电压时，状态转变为透明态，其透过率上升至约80％，其响应时间为150ms，回复时间为3.3s。
89.对比例1
90.一种液态光阀，与实施例1的区别在于，未采用分散剂，其制备步骤如下：
91.(1)制备调光颗粒：
92.在冰浴环境下，将5g硫酸奎宁溶于400ml水、3ml浓硫酸以及30ml冰乙酸的混合液中，随后向其中加入5g fecl3，得到浅黄色溶液a；同样地，在冰浴环境下，将2.5g i2和1g ki溶解于20g酒精和20g水的混合液中，得到深棕色溶液b；在超声作用下，边搅拌边将溶液a和b均匀混合进行反应，同时保持反应体系的温度不超过5℃，反应1h后离心、烘干，得到调光颗粒；
93.(2)制备悬浮液:
94.将0.9mmol甲基丙烯酸月桂酯与0.1mmol甲基丙烯酸羟乙酯置于三颈烧瓶中均匀混合，而后向其中加入100ml甲苯和4ml己硫醇，并向混合均匀后的液体中通入氮气；反应体系加热至60℃后向其中加入0.3g偶氮二异丁氰，并保持在该温度反应24h，最后经100℃旋转蒸发，得到粘度为95cps的悬浮液；
95.(3)直接向5g步骤(2)所得悬浮液中分散0.1g调光颗粒，得到调光液；
96.(4)将所得调光液灌装于两层ito玻璃之间，得到液态光阀。
97.如图7、表1所示，对比例1所得液态光阀在无电压施加时，在可见光范围内透过率为40％左右，而在器件状态转变为透明态，即透过率上升至约90％时，需要施加约70v的电压，其响应时间为60ms；由于颗粒在断电后发生团聚，因此其回复时间为120s以上，且需适当超声震动，器件才能完全恢复初始状态。
98.对比例2
99.一种液态光阀，与实施例1的区别在于，采用较大分子量的pvp作为分散剂，其制备步骤如下：
100.(1)制备调光颗粒：
101.在冰浴环境下，将5g硫酸奎宁溶于400ml水、3ml浓硫酸以及30ml冰乙酸的混合液
中，随后向其中加入5g fecl3，得到浅黄色溶液a；同样地，在冰浴环境下，将2.5g i2和1g ki溶解于20g酒精和20g水的混合液中，得到深棕色溶液b；在超声作用下，边搅拌边将溶液a和b均匀混合进行反应，同时保持反应体系的温度不超过5℃，反应1h后离心、烘干，得到调光颗粒；
102.(2)制备悬浮液：
103.将0.9mmol甲基丙烯酸月桂酯与0.1mmol甲基丙烯酸羟乙酯置于三颈烧瓶中均匀混合，而后向其中加入100ml甲苯和4ml己硫醇，并向混合均匀后的液体中通入氮气；反应体系加热至60℃后向其中加入0.3g偶氮二异丁氰，并保持在该温度反应24h，最后经100℃旋转蒸发，得到粘度为99cps的悬浮液；
104.(3)将0.01g分子量为1300000的pvp溶解于10g乙酸异戊酯中，得到pvp的有机酯溶液；
105.(4)向步骤(3)所得pvp的有机酯溶液中加入2g步骤(1)得到的调光颗粒，超声分散，得到混合液；取1g混合液，与5g步骤(2)所得的悬浮液搅拌混合，得到调光液；
106.(5)将步骤(4)所得调光液其灌装于两层ito玻璃之间，得到液态光阀。
107.如图8、表1所示，对比例2所得液态光阀在无电压施加时，在可见光范围内透过率为35％左右，在施加110v电压时，状态才转变为透明态，其透过率上升至约70％，其响应时间为260ms，难以回复至原先状态。
108.表1各实施例与对比例制备的液态光阀性能对比
109.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。