CN104865767A - 一种电致变色复合材料及电致变色器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电致变色复合材料及电致变色器件及其制备方法，所述电致变色复合材料包括导电层和热致变色层，热致变色层叠层设置在导电层上，所述热致变色层包括第一柔性聚合物基体和有机相变材料，所述有机相变材料在常温下呈不透明状，所述第一柔性聚合物基体在常温下呈透明状，所述导电层包括第二柔性聚合物基体及均匀沉积在所述基体上的导电材料，所述的导电材料为透明导电材料；所述电致变色器件包括上述的电致变色复合材料和至少两个电极，所述电极间隔设置并与导电层电连接，基于该电致变色复合材料的电致变色器件具有制备工艺简单、成本低、柔性好、可弯曲等优点，从而可以应用于智能窗、节能建筑、军事伪装等领域。

Description

一种电致变色复合材料及电致变色器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及功能材料及器件技术领域，具体涉及一种电致变色复合材料及电致变色器件及其制备方法。

背景技术

电致变色是指特定材料在一定的电场或电压作用下，材料本身颜色或透光率发生可逆变化的现象，在外观上表现为颜色及透明度的可逆变化的现象。电致变色材料是一种新型功能材料，具有良好的物理化学性质。其光学性能在大范围连续可调、有记忆功能、开路后可保持着色状态或透明状态、无视觉限制、工作范围宽等优点。

传统电致变色器件的制备方法主要是在导电玻璃上沉积或聚合电致变色薄膜，故存在柔韧性差，难以实现大面积化生产来满足实际需求等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的具有柔性且制作工艺简单的电致变色复合材料及电致变色器件及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电致变色复合材料，其包括导电层和热致变色层，所述热致变色层叠层设置在导电层上，所述热致变色层包括第一柔性聚合物基体和有机相变材料，所述有机相变材料均匀分散于第一柔性聚合物基体内部，并呈颗粒状分布与第一柔性聚合物基体充分结合，所述有机相变材料在常温下呈不透明状，所述第一柔性聚合物基体在常温下呈透明状；所述导电层包括第二柔性聚合物基体及均匀沉积在所述基体上的导电材料，所述的导电材料为透明导电材料。

所述第一柔性聚合物基体和第二柔性聚合物基体的材料分别为硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一种或几种的组合，但不局限于这些材料，也可以是任何透明且可弯曲的材料。

所述第一柔性聚合物基体和第二柔性聚合物基体均为具有一定厚度的柔性材料，该材料的形状、导电性不限，只要具有柔性即可，其形状可以为长方形、圆形，或根据实际应用制成各种二维或者三维形状。

所述热致变色层中第一柔性聚合物基体的质量百分比含量为80-99%。

所述有机相变材料为石蜡、脂肪酸类、多元醇类相变材料中的一种或几种的组合但不局限于这些材料。

所述导电材料为碳纳米管膜、石墨烯、氧化锌、掺杂铝的氧化锌、氧化铟锡、透明导电高分子中的一种或几种的组合但不局限于这些材料，只需要是透明导电材料。

一种电致变色器件，其包括上述的电致变色复合材料和至少两个电极，所述电极间隔设置并与导电层电连接。

所述电极材料为金、银、铜、铜合金、铂、铂合金、碲、钢、铁、锌、钨、钼、氧化铟锡、氧化锌、石墨中的一种。

所述电极为棒状、条状、块状，或其截面为圆形、方形、梯形、三角形或多边形的二维及三维形状。

一种电致变色器件的制备方法，其包括以下步骤：

1）在加热至60-70℃状态下混合第一柔性聚合物高分子单体溶液和有机相变材料，得到第一混合溶液；

2）在第二柔性聚合物基体上均匀沉积导电材料；

3）将至少两个电极通过导电粘结剂间隔粘结设置于导电材料表面；

4）在步骤1）所得的第一混合溶液中加入交联剂，加入的交联剂质量为第一混合溶液质量的6-20%，得到第二混合溶液，并在有机相变材料的熔点温度以上进行加热搅拌，使第一柔性聚合物高分子单体包裹有机相变材料并同时发生聚合反应形成热致变色层材料，再将所述的热致变色层材料通过粘结或压合的方式叠层设在第二柔性聚合物基体表面上，即得到所述的电致电变色器件；或者将上述未固化的第二混合溶液以其自有的流动性在第二柔性聚合物基体的表面上展开，从而在第二柔性聚合物基体的表面上直接固化形成热致变色层，即得到所述的电致电变色器件。

所述第一柔性聚合物高分子单体溶液和有机相变材料混合的方法为超声波振荡法、超声破碎法或直接混合法，使有机相变材料均匀分散在第一柔性聚合物高分子单体溶液中。

所述导电材料均匀沉积于第二柔性聚合物基体上的方法包括蒸镀、磁控溅射、纳米喷涂、热熔胶固定方法中的一种或几种联合使用。

所述步骤5）中第二混合溶液发生聚合反应方法根据第一柔性聚合物高分子单体种类的不同分为缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应或阳离子聚合反应。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比较本发明提供的电致变色复合材料和电致变色器件具有结构简单，制备工艺简单、成本低的优点；由于第一材料层和第二材料层中均采用聚合物基体，因此该电致变色复合材料和电致变色器件还具有柔性好、可弯曲等优点，从而可以应用于智能窗、节能建筑、军事伪装等领域。

附图说明

现结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明电致变色复合材料结构示意图；

图2为本发明电致变色复合材料导电层结构示意图；

图3为本发明电致变色器件的立体结构示意图（未通电）；

图4为本发明电致变色器件的正视图；

图5为本发明电致变色器件通电后结构示意图；

图6为本发明电致变色器件通电后立体结构示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步详述，该具体实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1或2所示，一种电致变色复合材料，其包括导电层1和热致变色层2，所述热致变色层2叠层设置在导电层1上，所述热致变色层2包括第一柔性聚合物基体21和有机相变材料22，所述有机相变材料22均匀分散于第一柔性聚合物基体21内部，并呈颗粒状分布与第一柔性聚合物基体21充分结合，所述有机相变材料22在常温下呈不透明状，所述第一柔性聚合物基体21在常温下呈透明状；所述导电层1包括第二柔性聚合物基体11及均匀沉积在所述基体上的导电材料12，所述的导电材料12为透明导电材料。

所述第一柔性聚合物基体21和第二柔性聚合物基体11的材料分别为硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一种或几种的组合，但不局限于这些材料，也可以是任何透明且可弯曲的材料。

所述第一柔性聚合物基体21和第二柔性聚合物基体11均为具有一定厚度的柔性材料，该材料的形状、导电性不限，只要具有柔性即可，其形状可以为长方形、圆形，或根据实际应用制成各种二维或者三维形状。

所述热致变色层2中第一柔性聚合物基体21的质量百分比含量为80-99%。

所述有机相变材料22为石蜡、脂肪酸类、多元醇类相变材料中的一种或几种的组合但不局限于这些材料。

所述导电材料12为碳纳米管膜、石墨烯、氧化锌、掺杂铝的氧化锌、氧化铟锡、透明导电高分子中的一种或几种的组合但不局限于这些材料，只需要是透明导电材料。

如图3、4、5或6所示，一种电致变色器件，其包括上述的电致变色复合材料、第一电极31和第二电极32，所述第一电极31和第二电极32间隔设置并与导电层电连接。

所述第一电极31和第二电极32电极材料为金、银、铜、铜合金、铂、铂合金、碲、钢、铁、锌、钨、钼、氧化铟锡、氧化锌、石墨中的一种。

所述第一电极31和第二电极32为棒状、条状、块状，或其截面为圆形、方形、梯形、三角形或多边形的二维及三维形状。

如图1、2、3、4、5或6所示，一种电致变色器件的制备方法，其包括以下步骤：

1）在加热至60-70℃状态下混合第一柔性聚合物21高分子单体溶液和有机相变材料22，得到第一混合溶液；

2）在第二柔性聚合物基体11上均匀沉积导电材料12；

3）将第一电极31和第二电极32通过导电粘结剂间隔粘结设置于导电材料表面；

4）在步骤1）所得的第一混合溶液中加入交联剂，加入的交联剂质量为第一混合溶液质量的6-20%，得到第二混合溶液，并在有机相变材料22的熔点温度以上进行加热搅拌，使第一柔性聚合物21高分子单体包裹有机相变材料22并同时发生聚合反应形成热致变色层材料，再将所述的热致变色层材料通过粘结或压合的方式叠层设在第二柔性聚合物基体11表面上，即得到所述的电致电变色器件；或者将上述未固化的第二混合溶液以其自有的流动性在第二柔性聚合物基体11的表面上展开，从而在第二柔性聚合物基体11的表面上直接固化形成热致变色层2，即得到所述的电致电变色器件。

所述第一柔性聚合物21高分子单体溶液和有机相变材料22混合的方法为超声波振荡法、超声破碎法或直接混合法，使有机相变材料22均匀分散在第一柔性聚合物21高分子单体溶液中。

如图2所示，所述导电材料12均匀沉积于第二柔性聚合物基体11上的方法包括蒸镀、磁控溅射、纳米喷涂、热熔胶固定方法中的一种或几种联合使用。

所述步骤5）中第二混合溶液发生聚合反应方法根据第一柔性聚合物高分子单体种类的不同分为缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应或阳离子聚合反应。

如图5所示，所述电致变色器件在应用时，将电压通过第一电极31与第二电极32施加于所述电致变色器件的第二柔性聚合物基体11的两端，电流通过所述导电材料12进行传输。由于导电材料12热导率高以及焦耳热效应，从而使热致变色层2的温度快速升高，热量从所述电致变色器件的导电材料12的周围快速地向整个电致变色器件扩散，即导电材料12可迅速加热热致变色层。由于热致变色层中含有有机相变材料，所述有机相变材料常温下为白色不透明状，因此该热致变色层在常温下呈白色不透明状，当热致变色层的温度超过有机相变材料的熔点时，有机相变材料开始逐渐融化，最终使得热致变色层变为无色透明，由于所述导电材料导电性好、热容小，所以该电致变色器件的热响应速率快。

本发明采用以上技术方案具有以下优点:由于所述电致变色器件中的热致变色层中包含有机相变材料，所以该热致变色层在通电之后温度会升高，并由白色变为无色，导致电致变色器件由白色变为无色透明，实现变色效果；且该电致变色器件中所使用的导电材料，均为电导率高、热导率高、热容小的导电材料，使得该电致变色器件热响应速率快；所述电致变色材料是柔性材料，该材料结构简单，生物兼容性好，可用作人体的温度传感器，亦适合应用于智能窗、节能建筑、军事伪装等方面；所述电致变色器件的制作方法简单、成本低、适合大规模生产集成等。

试验实施例

一种电致变色器件的制备方法，其包括以下步骤：

1）在加热至60-70℃状态下按质量配比硅橡胶（聚二甲基硅氧烷）：固体石蜡=100：5混合第一柔性聚合物高分子聚二甲基硅氧烷单体溶液和有机相变材料固体石蜡，得到第一混合溶液，所述聚二甲基硅氧烷单体溶液和固体石蜡混合的方法为超声波振荡法，使有机相变材料均匀分散在第一柔性聚合物高分子单体溶液中；

2）采用热熔胶固定的方法，在第二柔性聚合物基体上均匀铺设导电材料，所述第二柔性聚合物基体选用聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述导电材料选用单层超顺排碳纳米管薄膜；

3）将第一电极和第二电极通过导电粘结剂间隔粘结设置于导电材料表面，所述第一电极和第二电极的电极材料为铜箔，其形状为条状，相对地设置在导电层的两侧边上；

4）在步骤1）所得的第一混合溶液中加入交联剂，加入的交联剂质量为第一混合溶液质量的10%，得到第二混合溶液，并在60-70℃进行加热搅拌，使聚二甲基硅氧烷高分子单体包裹石蜡并同时发生聚合反应形成热致变色层，再将所述的热致变色层通过粘结或压合的方式叠层设在碳纳米管薄膜导电材料表面上，即得到所述的电致电变色器件；或者将上述未固化的第二混合溶液以其自有的流动性在碳纳米管薄膜导电材料的表面上展开，从而在第二柔性聚合物基体的表面上直接固化形成热致变色层，得到所述的电致电变色器件。

采用本发明技术方案制备得到所述的电致变色器件并测定其透光率，通过导线将电源电压施加于所述电致变色器件的两端并对所述的电致变色器件的透光率进行测量。在未通电时，用紫外可见分光光度计测得所述电致变色器件在可见光平均波长550纳米处的透光率为0.45%；施加50伏特的电压30s后，测得所述电致变色器件的透光率为66.7%，所述电致变色复合材料的透光率变化为66%左右。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1. 一种电致变色复合材料，其特征在于：其包括导电层和热致变色层，所述热致变色层叠层设置在导电层上，所述热致变色层包括第一柔性聚合物基体和有机相变材料，所述有机相变材料均匀分散于第一柔性聚合物基体内部，并呈颗粒状分布与第一柔性聚合物基体充分结合，所述有机相变材料在常温下呈不透明状，所述第一柔性聚合物基体在常温下呈透明状；所述导电层包括第二柔性聚合物基体及均匀沉积在所述基体上的导电材料，所述的导电材料为透明导电材料。

2. 根据权利要求1所述的一种电致变色复合材料，其特征在于：所述第一柔性聚合物基体和第二柔性聚合物基体的材料分别为硅橡胶、氟硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨脂、环氧树脂、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丙烯腈、聚苯胺、聚吡咯及聚噻吩中的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种电致变色复合材料，其特征在于：所述热致变色层中第一柔性聚合物基体的质量百分比含量为80-99%。

4. 根据权利要求1所述的一种电致变色复合材料，其特征在于：所述有机相变材料为石蜡、脂肪酸类、多元醇类相变材料中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的一种电致变色复合材料，其特征在于：所述导电材料为碳纳米管膜、石墨烯、氧化锌、掺杂铝的氧化锌、氧化铟锡、透明导电高分子中的一种或几种的组合。

6.一种电致变色器件，其特征在于：所述电致变色器件包括如权利要求1所述的电致变色复合材料和至少两个电极，所述电极间隔设置并与导电层电连接。

7. 根据权利要求6所述的一种电致变色器件，其特征在于：所述电极材料为金、银、铜、铜合金、铂、铂合金、碲、钢、铁、锌、钨、钼、氧化铟锡、氧化锌、石墨中的一种。

8. 根据权利要求6所述的一种电致变色器件，其特征在于：所述电极为棒状、条状、块状，或其截面为圆形、方形、梯形、三角形或多边形的二维及三维形状。

9. 一种如权利要求6所述的电致变色器件的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1）在加热至60-70℃状态下混合第一柔性聚合物高分子单体溶液和有机相变材料，得到第一混合溶液；

2）在第二柔性聚合物基体上均匀沉积导电材料；

3）将至少两个电极通过导电粘结剂间隔粘结设置于导电材料表面；

4）在步骤1）所得的第一混合溶液中加入交联剂，加入的交联剂质量为第一混合溶液质量的6-20%，得到第二混合溶液，并在有机相变材料的熔点温度以上进行加热搅拌，使第一柔性聚合物高分子单体包裹有机相变材料并同时发生聚合反应形成热致变色层材料，再将所述的热致变色层材料通过粘结或压合的方式叠层设在第二柔性聚合物基体表面上，即得到所述的电致电变色器件；或者将上述未固化的第二混合溶液以其自有的流动性在第二柔性聚合物基体的表面上展开，从而在第二柔性聚合物基体的表面上直接固化形成热致变色层，即得到所述的电致电变色器件。

10. 根据权利要求9所述的一种电致变色器件的制备方法，其特征在于：所述第一柔性聚合物高分子单体溶液和有机相变材料混合的方法为超声波振荡法、超声破碎法或直接混合法，使有机相变材料均匀分散在第一柔性聚合物高分子单体溶液中。

11. 根据权利要求9所述的一种电致变色器件的制备方法，其特征在于：所述导电材料均匀沉积于第二柔性聚合物基体上的方法包括蒸镀、磁控溅射、纳米喷涂、热熔胶固定方法中的一种或几种联合使用。

12.根据权利要求9所述的一种电致变色器件的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中第二混合溶液发生聚合反应方法根据第一柔性聚合物高分子单体种类的不同分为缩聚反应、聚加反应、自由基聚合反应、阴离子聚合反应或阳离子聚合反应。