CN100554205C - 夹层式电致变色玻璃窗的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种夹层式电致变色玻璃窗的性能改进方法。本发明包括电致变色层、离子储存涂层和位于电致变色层和离子储存涂层之间的电解质;其特征是电解质是采用硅氧链组成骨架结构,碱金属离子为导电离子。在所述的电解质中加水或类水物质,含量为从0.001%到20%的质量比。本发明通过对无机-有机硅作前体,以锂作导电离子的电解质进行加水或类水物质的改性,提高离子储存涂层的离子储存能力,同时提高电致变色涂层的变色能力的方法。
Description
技术领域
本发明属于玻璃加工技术领域,特别涉及一种夹层式电致变色玻璃窗的性能改进方法。
背景技术
变色材料因环境变化可持续但可逆地改变材料本身的光学性质,包括透过率,折射率和吸收率等而受到普遍重视.目前发展的变色材料包括光致变色,热致变色,压致变色和电致变色等.但从可控操作角度看,电致变色具有很大的主动性,它可以依据人们的喜好和主观愿望而随时改变,这与光致变色,热致变色等依靠外在环境变化而被动接受形成鲜明的对照.从技术上讲,电致变色材料是最具发展潜力的一种材料.它因外加电压或电流更精确地讲是通过电子和离子的双向注入而产生持久并可逆的光学性质变化,并且在断电时维持此状态直到施加相反电压或电流.采用电致变色原理制作的汽车后视镜和汽车顶蓬已在二十世纪九十年代商业化,这显示了其作为建筑用玻璃的可行性.如果电致变色玻璃窗商业化,将会节约夏季的空调费和冬季的采暖费,同时完成室内采光控制和温度可调性.目前电致变色玻璃的制备因采用真空技术,如溅射等,使得电致变色玻璃窗的制作成本很高,很难投入商业化生产.德国新材料研究所研制的采用溶胶-凝胶技术制备电致变色玻璃(发明专利WO 95/28663;April 18,1994),虽然降低了制作成本,但产品的使用寿命仅一万圈左右,且稳定性不高,玻璃窗的变色范围在初始的2000圈是渐升的过程,2000圈后变色范围又逐渐下降。
发明内容
本发明通过对电致变色玻璃窗组成部分的电解质层进行改进,使得无机-有机复合电解质的电致变色玻璃窗的变色范围和寿命能得到显著提高,电致变色玻璃窗的稳定性提高至十万圈,且变色范围稳定。
本发明采用下述技术实现的:
本发明的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,包括电致变色层、离子储存涂层和位于电致变色层和离子储存涂层之间的电解质;其特征是电解质是采用硅氧链组成骨架结构,碱金属离子为导电离子。
在所述的电解质中加水或类水物质,含量为从0.001%到20%的质量比。
所述的电解质的制备方法如下:
(a)按照通式为(I)和通式(II)所描述结构,每摩尔通式为(I)的硅烷与0-0.3摩尔的通式为(II)的硅烷混合,进行部分硅烷水解和缩合;
通式(I)为:RnSiX(4-n) (I)
通式(II)为:R’mSiX(4-m) (II)
其中:取代基R,可以是相同的或不同的烷基,烷芳基,芳烷基,芳基,是不可水解基团,但至少含有一个能够进行热化学或光化学聚合的基团,如乙烯基不饱和双和/或一个环氧乙烯环;
R’是烷基,烷芳基,芳烷基,芳基。
取代基X之间可以是相同或不同的,是OH或可水解基团,如Cl,Br,OR等;
n为1或2;m为0或1;
(b)在引发剂作用下加入0.01~3.0摩尔的多元醇进行反应;
(c)在上述体系中加入浓度为0.01~2.0摩尔的可以溶解的碱金属盐;
(d)控制反应体系的pH值在4.0~8.0;
上述的部分硅烷水解和缩合是有10~90%的可水解基团已经因水解而除去,最好是水解30-70%。
上述的引发剂为含有下列任意一种或多种基团的化合物的组合:有机胺、含有氨基的硅烷、有机铝化合物或铝有机酸或无机酸的铝盐;多元醇为聚乙二醇、一缩乙二醇、二缩三乙二醇、三缩四乙二醇或聚丙二醇的一种或多种混合物;金属盐为锂盐、钠盐或钾盐的一种或多种混合。
上述的电致变色层是采用WO3,Nb2O5,MoO3,Nb2O5:Mo或NiO-TiO2等的无机金属氧化物处理。
上述的离子储存涂层是采用CeO2-TiO2或NiO-TiO2无机金属氧化物处理。
上述的处理是采用溶胶-凝胶方法,用浸渍提拉法,旋转涂层或喷涂方法获得。
上述的溶胶-凝胶方法的溶胶中金属氧化物的浓度为10%~50%的乙醇溶胶,涂层时的溶胶温度为15~25℃,湿度为5~50%.处理温度为80~600℃。
下面对技术内容进一步补充说明:
结构式中X可以是OR``或OCOR``,其中R``为C1至C8的烷基连,尤其是C1至C4,比如OCH3和OC2H5,或者是卤素原子,尤其是氯原子。
结构式中的R应至少有一个碳碳不饱和双键或一个碳氧环,比如说甲基丙烯酸的甲脂或乙脂,或羟乙脂,以及含有缩甘油或环氧丙烷基团的化合物等。
多元醇中的二醇或三醇最好是聚乙二醇或聚丙二醇,其它二醇为,乙二醇,丙二醇,丁二醇,己二醇,甘油醇等。
在结构式中,若含有环氧丙烷化合物,其聚合引发剂最好选用有机胺,如甲基咪唑,4,4`-二(氨基苯基)甲烷,含氨基的硅烷,如N-(2-氨基-3氨基丙基)三甲氧硅烷,3-氨基丙基(三甲氧基)硅烷。有机和无机铝化合物,如异丁酸铝,丁氧乙酸铝,醋酸铝,丙酸铝,高氯酸铝,氯化铝,硫酸铝,磷酸铝或三氟醋酸等。
当结构式中的硅烷组成中含碳氧环时,引发剂主要起催化作用。
通式中,若m=0,所述的硅烷选用四甲氧基硅烷或四乙基硅烷较好。
碱金属盐原则上只要是能溶于本体系即可。总体来说,可以是锂、钠和/或钾盐,最好是锂盐。由于锂盐中,高氯酸锂的溶解性最好,尽管也可用氢氧化锂等,但用高氯酸锂效果最好。碱金属盐与多元醇同时或紧随其后加入。
虽然各物质的比例可变化很大,但如果结构式I的量为1摩尔,其他各物质的用量大致落在以下范围:
(i)二醇(三醇)的量为0.01~3.0摩尔,尤其是1.0~1.75摩尔
(ii)碱金属盐的量为0.01~2.0摩尔,尤其是0.05~0.75摩尔
(iii)引发剂的量为0.01~1.0摩尔,尤其是0.05~0.25摩尔
(iv)通式为(II)的化合物量为0.01~0.3摩尔,尤其是0.025~0.2mol摩尔,特殊情况可为0.05-0.15摩尔
调节pH至4.0~8.0的酸可以是无机酸或有机酸,例如盐酸、醋酸等。一般是每摩尔的结构式I需消耗0.01~1.0摩尔;最佳条件是每摩尔的结构式I消耗0.1~0.5摩尔的酸,控制pH在6~7.
电解质的热处理过程为在50℃~150℃加热10分钟至48小时.尤其是在75℃~100℃加热30分钟至12小时
总体来说,用以上方法制得的电解质粒径为钠米颗粒,半径最大不超过50nm,一般不超过20nm.
电解质的粘度在热处理之前取决于其组分和放置时间,通常情况下在0.2~1.4Pa.s。,有时成塑料状。在热处理后,其体积收缩率在4~12%。
水或类水物质的加入是在加热电解质之前完成。加入水的比例为电解质质量的0.01%~30%,尤其是0.1%~20%。
电解质在加热前先通过滴加、喷涂等方法加入到电致变色涂层和离子储存涂层之间,然后进行热处理。
电致变色层和离子储存涂层可以用各金属氧化物的溶胶,采用浸涂、喷涂、旋转涂膜等方法制得。
本发明通过对无机-有机硅作前体,以锂作导电离子的电解质进行加水或类水物质的改性,提高离子储存涂层的离子储存能力,同时提高电致变色涂层的变色能力的方法。
附图说明
图1:电致变色玻璃窗的结构示意图。
具体实施方式
实施例1:
先将1摩尔的γ-缩水甘油醚基丙基三甲基硅烷与0.2摩尔四甲氧基硅烷混合,加入60克摩尔浓度为0.1的盐酸,混合液于30℃搅拌24小时,所生成的甲醇通过于60℃旋转减压蒸流分离。
将1摩尔预水解的γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷与1.5摩尔乙二醇混合,加入0.1摩尔甲基咪唑,30℃搅拌60分钟,加入0.65摩尔的高氯酸锂搅拌均匀,调节pH为8.0。
此电解液在使用之前加入10%的蒸馏水。
此电解质适合于所有以无机氧化物为电致变色涂层和离子储存涂层的电致变色器件。
实施例2:
A:氧化钨涂层的制备
氧化钨涂层由预处理过的导电玻璃就是预清洗过的导电玻璃,厚4毫米,面积电阻为17欧姆/□,通过浸渍提拉法由氧化钨溶胶制得。氧化钨溶胶是由30%的过氧化氢水溶液与不足量的钨粉混合,维持反应器于10℃水浴中。待反应结束后,加入每克钨8毫升的乙醇,于20℃恒温搅拌2小时,反应结束后旋转蒸发制得氧化钨干粉.按25%溶于乙醇既得氧化钨溶胶。
采用浸渍提拉法10毫米每秒的提拉速度,在20℃,30%湿度的恒温、恒湿环境中给导电玻璃镀膜,于200℃热处理1小时。
B:不变色离子储存涂层的制备
不变色离子储存涂层由预处理过的导电玻璃(同A),通过浸渍提拉法由氧化铈氧化钛混合溶胶制得。氧化铈氧化钛混合溶胶是在无水情况下分别称量相当于0.5摩尔每升铈的硝酸铈铵和0.5摩尔每升钛的四异丙氧基钛,分别溶于70毫升的无水乙醇,合并后于50℃回流60分钟,既得氧化铈氧化钛混合溶胶。
采用浸渍提拉法8毫米每秒的提拉速度,在25℃,50%湿度的恒温、恒湿环境中给导电玻璃镀膜,并于600℃加热20分钟。
C:电解质的制备
为了制备电解质,先将1摩尔的γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷与0.3摩尔四甲氧基硅烷混合,加入60克的摩尔浓度为0.1的盐酸,混合液于30℃搅拌24小时,所生成的甲醇通过于60℃旋转减压蒸流分离。
将1摩尔预水解的γ-缩水甘油醚基丙基三甲基硅烷与1.5摩尔三缩四乙二醇混合,加入0.1摩尔甲基咪唑,30℃搅拌60分钟,加入0.65摩尔的高氯酸锂搅拌均匀,调节pH为8.0。
此电解液在使用之前加入10%的蒸馏水。
D:电致变色玻璃窗的组合
根据图1,在玻璃层1之间设置有导电涂层2,在导电涂层之间设置有离子储存涂层5和电致变色涂层3,在离子储存涂层和电致变色涂层之间设置有无机-有机复合电解质4。组合电致变色层与离子储存涂层,中间注入掺有10%水的电解质,在50℃恒温处理48小时,此玻璃窗用密封胶7封边,连接导线6以备用。
实施实例3:
A:氧化钨涂层的制备同实例2,不同处为三氧化钨溶胶为10%的乙醇溶胶。采用浸渍提拉法4毫米每秒的提拉速度,在15℃,5%湿度的恒温、恒湿环境中给导电玻璃镀膜,于80℃热处理1小时。
C:电解质的制备
将1摩尔的乙烯基三甲氧基硅烷与0.01摩尔四乙氧基硅烷混合,加入20克的摩尔浓度为0.1的盐酸,混合液于30℃搅拌3小时,所生成的甲醇通过于60℃旋转减压蒸流分离。
将1摩尔预水解的乙烯基三甲氧基硅烷与掺有0.01摩尔高氯酸锂的0.01摩尔的聚乙烯醇混合,加入0.01摩尔异丁酸铝,30℃搅拌60分钟,调解pH值为4.0。此电解液在使用之前加入0.001%的蒸馏水。
其它步骤与实例2相同,最后电解质的处理温度为150℃,加热10分钟。
实施例4:
A:钼搀杂氧化铌涂层的制备:于无水情况下分别称量0.8摩尔每升的五氯化铌和0.12摩尔每升的水合磷钼酸H3[P(Mo3O10)4]·x H2O,在通风橱中通过压力平衡漏斗加一定量无水乙醇至五氯化铌中,于冰水浴中边加边搅拌至全部溶解,然后加入30克醋酸,用适量的无水乙醇溶解水合磷钼酸H3[P(Mo3O10)4]·x H2O后并入铌溶液中,于20℃回流30分钟,加无水乙醇稀释至1升,即得钼搀杂氧化铌溶胶。涂层制备条件为:采用旋转涂膜,转速为500转每秒,所得涂层于600℃加热15分钟,重复三遍。
C:电解质的制备过程为:
先将1摩尔的乙烯基甲基二甲氧基硅烷与0.3摩尔的异丁基三乙(甲)氧基硅烷混合搅拌20分钟,加入1.0摩尔N-(2-氨基-3氨基丙基)三甲氧硅烷,混合液于30℃搅拌24小时,所生成的甲醇通过于60℃旋转减压蒸流分离。
称取2.0摩尔的氯化钠加入1摩尔的聚乙二醇中,搅拌均匀,滴加入上述的预水解液中,30℃搅拌60分钟,滴加盐酸调节pH至7.0。
此电解液在使用之前加入20%的乙醇。
其他步骤与实例2相同,最后电解质的处理温度为100℃,加热7小时。
实施例5:
A:钛搀杂氧化镍涂层的制备:钛搀杂氧化镍混合溶胶的制备是以四异丙氧基钛和乙酸镍为原料,以无水乙醇为溶剂,镍和钛的比例为8/1,总浓度为0.5摩尔每升.因需无水操作,制备过程需在手套箱中进行,涂层制备条件为:采用浸渍提拉涂膜,提升速度为8毫米每秒,所得涂层于200℃加热15分钟,重复三遍。
C:电解质的制备:将1摩尔甲基乙烯基二氯硅烷与0.2摩尔的异丁基三乙(甲)氧基硅烷混合,加入0.5摩尔4,4`-二(氨基苯基)甲烷搅拌30分钟,与1摩尔乙二醇混合,,30℃搅拌60分钟,加入0.6摩尔的氢氧化锂搅拌均匀,调节pH为7.0。
此电解液在使用之前加入5%的蒸馏水。
其他过程操作与实例2项同.
实施例6:
A:氧化钼涂层的制备:于无水情况下称量1.2摩尔的水合磷钼酸H3[P(Mo3O10)4]·x H2O,用适量的无水乙醇溶解,于20℃回流30分钟,加无水乙醇稀释至1升,即得氧化钼溶胶,采用喷涂工艺,于25℃,湿度为50%的超净实验室喷涂导电玻璃,涂层于500℃加热15分钟,重复此过程三次。
B:实例5中的A。
C:电解质的制备:将1摩尔γ-缩水甘油醚氧基甲基二甲氧基硅烷与0.2摩尔的三甲氧基硅烷混合,加入0.5摩尔4,4`-二(氨基苯基)甲烷搅拌30分钟,减压蒸馏除去甲醇后,与掺有0.01摩尔的氢氧化锂和0.5摩尔氯化钠的1摩尔乙二醇混合,30℃搅拌60分钟,搅拌均匀,调节pH为7.0。
此电解液在使用之前加入5%的蒸馏水。
其他过程操作与实例2项同。
实施例7:
A:氧化铌涂层的制备:于无水情况下分别称量1.5摩尔的五氯化铌,在通风橱中通过压力平衡漏斗加一定量无水乙醇至五氯化铌中,于冰水浴中边加边搅拌至全部溶解,然后加入30克醋酸,于20℃回流30分钟,加无水乙醇稀释至1升,即得氧化铌溶胶。涂层制备条件为:采用浸渍提拉涂膜,提升速度为4毫米每秒,所得涂层于450℃加热15分钟,重复三遍。
C:电解质的制备过程为:
先将1摩尔的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与0.3摩尔的甲基三乙酰氧基硅烷混合搅拌20分钟,加入1.0摩尔丁氧乙酸铝,混合液于30℃搅拌24小时,所生成的甲醇,通过于60℃旋转减压蒸流分离。
称取2.0摩尔的氯化钾加入1摩尔的二缩三乙二醇中,搅拌均匀,滴加入上述的预水解液中,30℃搅拌60分钟,调节pH至7.0。
此电解液在使用之前加入20%的乙醇。
其他步骤与实例2相同。
实施例8:
C:电解质的制备过程为:
先将1摩尔的异丁基三乙(甲)氧基硅烷与0.3摩尔的甲基三甲氧基硅烷混合搅拌20分钟,加入0.5摩尔氯化铝,混合液于30℃搅拌24小时,所生成的甲醇通过于60℃旋转减压蒸流分离。
称取2.0摩尔的氯化钾加入1摩尔的丙三醇中,搅拌均匀,滴加入上述的预水解液中,30℃搅拌60分钟,滴加盐酸调节pH至7.0。
此电解液在使用之前加入20%的乙醇。
其他步骤与实例2相同,最后电解质的处理温度为120℃,加热5小时。
实施实例8:
C:电解质的制备过程为:
先将1摩尔的异丁烯三乙氧基硅烷与0.3摩尔的甲基三甲氧基硅烷混合搅拌20分钟,加入0.5摩尔氯化铝,混合液于30℃搅拌24小时,所生成的甲醇通过于60℃旋转减压蒸流分离。
称取2.0摩尔的高氯酸锂加入1摩尔的己二醇中,搅拌均匀,滴加入上述的预水解液中,30℃搅拌60分钟,滴加盐酸调节pH至7.0。
此电解液在使用之前加入5%的乙二醇和5%的蒸馏水。
其他步骤与实例2相同,最后电解质的处理温度为80℃,加热5小时。
本发明提出的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,已通过较佳实施例子进行了描述,相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的技术进行改动或适当变更与组合,来实现本发明。特别需要指出的是,所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的,他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (9)
1.一种夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,包括电致变色层、离子储存涂层和位于电致变色层和离子储存涂层之间的电解质;其特征是电解质是采用硅氧链组成骨架结构,碱金属离子为导电离子;电解质的制备方法如下:
(a)按照通式为(I)和通式(II)所描述结构,每摩尔通式为(I)的硅烷与0-0.3摩尔的通式为(II)的硅烷混合,进行部分硅烷水解和缩合;
通式(I)为: RnSiX(4-n) (I)
通式(II)为:R’mSiX(4-m) (II)
其中:取代基R是至少含有一个能够进行热化学或光化学聚合的乙烯基双键或环氧乙烯环的相同的或不同的烷基、烷芳基、芳烷基或芳基;
R’是烷基、烷芳基、芳烷基或芳基;
取代基X选自OH、Cl、Br、OCH3或OC2H5,其中通式(I)中的取代基X与通式(II)中的取代基X是相同或不同的;
n为1或2;m为0或1;
(b)在引发剂作用下加入0.01-3.0摩尔比的多元醇反应;
(c)加入浓度为0.01-2.0摩尔的上述体系中可以溶解的碱金属盐;控制反应体系的pH在4.0-8.0。
2.如权利要求1所述的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,其特征是所述的电解质中加水或类水物质,含量为从0.001%到20%的质量比。
3.如权利要求2所述的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,其特征是所述的类水物质为甲醇、乙醇、乙二醇或聚乙烯醇或它们的混合物。
4.如权利要求1所述的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,其特征是所述的部分硅烷水解和缩合是有10-90%的可水解基团已经因水解而除去。
5.如权利要求1所述的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,其特征是所述的引发剂为含有下列任意一种或多种基团的化合物的组合:有机胺、含有氨基的硅烷、有机铝化合物或铝有机酸或无机酸的铝盐;多元醇为聚乙二醇、一缩乙二醇、二缩三乙二醇、三缩四乙二醇或聚丙二醇的一种或多种混合物;碱金属盐为锂盐、钠盐或钾盐的一种或多种混合。
6.如权利要求1所述的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,其特征是所述的电致变色层是采用WO3、Nb2O5、NoO3、Nb2O5:Mo或NiO-TiO2的无机金属氧化物处理。
7.如权利要求1所述的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,其特征是所述的离子储存涂层是采用CeO2-TiO2或NiO-TiO2无机金属氧化物处理。
8.如权利要求6或7所述的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,其特征是所述的处理是采用溶胶-凝胶法、浸渍提拉法、旋转涂层或喷涂法。
9.如权利要求8所述的夹层式电致变色玻璃窗的制备方法,其特征是所述的溶胶-凝胶方法的溶胶中金属氧化物的浓度为10%-50%的乙醇溶胶,涂层时的溶胶温度为15-25℃,湿度为5-50%,处理温度为80-600℃。
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