CN104932168B - 一种柔性电致变色器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性电致变色器件，属于功能材料及器件技术领域。包括浸有电解质的隔膜、分别沉积于隔膜两面的第一金属导电膜和第二金属导电膜、沉积于第一金属导电膜表面的电致变色层和第二金属导电膜表面的离子存储层。本发明电致变色器件在两面有金膜的柔性隔膜一面沉积电致变色层，另一面沉积离子存储层，然后涂覆电解质，封装得到电致变色器件。本发明克服了传统先制备单个功能层、然后层叠封装得到器件的方法工艺复杂的问题，采用将电致变色层和离子存储层沉积在一层隔膜两面的方法，形成了高度集成的器件结构，简化了制备和封装工艺，得到的器件厚度大大减小；且得到的电致变色器件的循环稳定性好，寿命长，颜色变化均匀，响应时间快。

Description

一种柔性电致变色器件及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料及器件技术领域，具体涉及一种柔性电致变色器件及其制备方法。
背景技术
电致变色现象是指在外界电场的作用下，材料发生可逆的氧化还原反应导致其光学性能(透射率、吸收率、反射率)的变化，在外观上表现为颜色及透明度的可逆变化的现象。早在上个世纪30年代就有关于电致变色现象的相关报道，随着研究的深入，人们逐渐认识到电致变色现象的潜在应用价值。电致变色器件已被广泛应用于电致变色节能灵巧窗、汽车后视防眩镜和显示器件等领域。
现有的大部分电致变色器件结构如图2所示，其中6为透明下电极，7为电解质层，8为电致变色层，9为透明上电极。该类器件中电致变色材料需要沉积于透明电极上，但是目前商业化的透明电极在导电性和透明度方面存在矛盾，大部分透明电极的方阻较大，这就导致沉积于透明电极上的电致变色层存在不均匀、与电极的附着力差等问题，而且大部分基于该结构的电致变色器件柔性差，这也进一步限制了该类电致变色器件的研究及应用。
随着电致变色器件的广泛研究及潜在应用前景，硬质电致变色器件已不能满足实际需求，制备均匀、性能优良的柔性大面积电致变色器件成为了研究工作者的重要研究方向。2013年张邱平等报道了一种基于ITO导电薄膜和聚苯胺电致变色材料的对称型柔性电致变色器件(详见《用于智能纺织品的柔性电致变色器件》，2013，41(4)：53-56)，采用旋涂法在两块ITO导电薄膜上分别制备聚苯胺，然后将两块旋涂有聚苯胺的ITO导电薄膜相对层叠，中间再涂覆一层PMMA凝胶电解质，最后封装得到电致变色器件。该方法先制备单个功能层然后通过层叠的方式封装器件，制备工艺及封装过程均较复杂，且得到的器件厚度较厚，对性能可能有影响；采用ITO导电薄膜作为电极，由于ITO薄膜的导电性差，得到的电致变色薄膜会存在变色不均匀、循环稳定性能较差、响应时间慢等问题。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种柔性电致变色器件及其制备方法，该电致变色器件在两面有金膜的柔性隔膜一面沉积电致变色层，另一面沉积离子存储层，然后涂覆电解质，封装得到电致变色器件。本发明克服了传统先制备单个功能层、然后层叠封装得到器件的方法工艺复杂的问题，采用将电致变色层和离子存储层沉积在一层隔膜两面的方法，形成了高度集成的器件结构，简化了制备和封装工艺，得到的器件厚度大大减小；且得到的电致变色器件的循环稳定性好，寿命长，颜色变化均匀，响应时间快。
本发明的技术方案如下：
一种柔性电致变色器件，包括浸有电解质的隔膜1、分别沉积于隔膜1两面的第一金属导电膜2和第二金属导电膜3、沉积于第一金属导电膜2表面的电致变色层4和第二金属导电膜3表面的离子存储层5。
一种柔性电致变色器件，包括浸有电解质的隔膜1、分别沉积于隔膜1两面的第一金属导电膜2和第二金属导电膜3、沉积于第一金属导电膜2表面的电致变色层4。
进一步地，所述隔膜1为聚醚砜滤膜、尼龙滤膜、聚酰亚胺膜等可透过电解质的柔性膜；所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3为金膜、银膜、铜膜等导电薄膜；所述电致变色层4材料为WO3、V2O5等无机电致变色材料，也可以为聚苯胺、聚噻吩等导电聚合物或其衍生物；所述离子存储层5材料为WO3、V2O5等无机电致变色材料，也可以为聚苯胺、聚噻吩等导电聚合物或其衍生物；所述电致变色层4的材料与离子存储层5的材料可相同或不相同。
进一步地，所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3可采用真空蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发等方法沉积于隔膜两面；所述电致变色层4可采用电化学沉积、化学氧化法、旋涂法等方法沉积于金属导电膜表面；所述离子存储层5可采用电化学沉积、化学氧化法、旋涂法等方法沉积于金属导电膜表面。
进一步地，所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3的厚度为50～1000nm。
进一步地，所述电解质为凝胶电解质、液体电解质或离子液体等，具体为LiClO4和HClO4的乙腈溶液或LiClO4的聚碳酸酯溶液等。封装时直接涂覆于离子存储层5表面，使其充分浸润并渗透到隔膜。
本发明还提供了一种柔性电致变色器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗隔膜；
步骤2：在隔膜的两面分别沉积第一金属导电膜2和第二金属导电膜3；
步骤3：在步骤2得到的第一金属导电膜2和第二金属导电膜3表面分别沉积电致变色层4和离子存储层5；
步骤4：将电解质涂覆于离子存储层表面，使其充分浸润并渗透到隔膜；
步骤5：采用导电金属箔将第一金属导电膜2和第二金属导电膜3引出作为上、下电极，然后采用透明薄膜封装得到电致变色器件。
进一步地，步骤2所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3可采用真空蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发等方法制备；步骤3所述电致变色层4和离子存储层5可采用电化学沉积、化学氧化法、旋涂法等方法沉积于金属导电膜表面；步骤4所述电解质为凝胶电解质、液体电解质或离子液体等，具体为LiClO4和HClO4的乙腈溶液或LiClO4的聚碳酸酯溶液等；步骤5所述导电金属箔为铜箔、铝箔或其他金属箔；步骤5所述透明薄膜为PET膜、PE膜等。
本发明的有益效果为：
1、本发明柔性电致变色器件在两面有金属导电膜的柔性隔膜一面沉积电致变色层，另一面沉积离子存储层，然后涂覆电解质，封装得到；本发明将上下电极、电致变色层和离子存储层高度集成，克服了传统的先制备单个功能层、然后层叠封装成电致变色器件的方法工艺复杂的问题，大大简化了器件的制备和封装工艺，得到的器件厚度大大减小。
2、本发明得到的高度集成的柔性电致变色器件的循环稳定性好，寿命长，颜色变化均匀，响应时间快。
3、本发明蒸镀或溅射的金属导电膜为多孔网状结构，使得电致变色层和离子存储层能强力附着在金属导电膜表面，得到的电致变色层和离子存储层均匀性好；本发明所述柔性电致变色器件可适用于导电聚合物和无机电致变色材料类的电致变色层，适用范围广；本发明柔性电致变色器件的制备和封装工艺简单，易于实现柔性大面积电致变色器件的制备及封装。
附图说明
图1为本发明提供的柔性电致变色器件的结构示意图；
图2为传统电致变色器件的结构示意图；
图3为本发明实施例1得到的柔性电致变色器件的循环伏安曲线。
具体实施方式
一种柔性电致变色器件，自下而上依次为离子存储层5、第二金属导电膜3、浸有电解质的隔膜1、第一金属导电膜2和电致变色层4，所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3分别沉积于隔膜1两面，所述电致变色层4和离子存储层5分别沉积于第一金属导电膜2和第二金属导电膜3表面。
一种柔性电致变色器件，自下而上依次为第二金属导电膜3、浸有电解质的隔膜1、第一金属导电膜2和电致变色层4，所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3分别沉积于隔膜1两面，所述电致变色层4沉积于第一金属导电膜2表面。所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3分别为器件的上、下电极。
本发明还提供了一种柔性电致变色器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗隔膜；
步骤2：在隔膜的两面分别沉积第一金属导电膜2和第二金属导电膜3；
步骤3：在步骤2得到的第一金属导电膜2和第二金属导电膜3表面分别沉积电致变色层4和离子存储层5；
步骤4：将电解质涂覆于离子存储层表面，使其充分浸润并渗透到隔膜；
步骤5：采用导电金属箔将第一金属导电膜2和第二金属导电膜3引出作为上、下电极，然后采用透明薄膜封装得到电致变色器件。
进一步地，步骤1所述隔膜1为聚醚砜滤膜、尼龙滤膜、聚酰亚胺膜等可透过电解质的柔性膜；步骤2所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3为金膜、银膜、铜膜等导电薄膜；步骤3所述电致变色层4材料为WO3、V2O5等无机电致变色材料，也可以为聚苯胺、聚噻吩等导电聚合物或其衍生物；步骤3所述离子存储层5材料为WO3、V2O5等无机电致变色材料，也可以为聚苯胺、聚噻吩等导电聚合物或其衍生物；所述电致变色层4的材料与离子存储层5的材料可相同或不相同。
进一步地，步骤2所述第一金属导电膜2和第二金属导电膜3可采用真空蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发等方法制备；步骤3所述电致变色层4和离子存储层5可采用电化学沉积、化学氧化法、旋涂法等方法沉积于金属导电膜表面；步骤5所述导电金属箔为铜箔、铝箔或其他金属箔；步骤4所述电解质为凝胶电解质或离子液体等，具体为LiClO4和HClO4的乙腈溶液或LiClO4的聚碳酸酯溶液等；步骤5所述透明薄膜为PET膜、PE膜等。
实施例1
本实施例中采用尼龙滤膜(厚度0.25μm，孔径0.1μm)作为隔膜材料，该尼龙滤膜具有良好的离子和电解质透过性能，耐腐蚀性强，强度高，具有一定的柔韧性，经电解质浸泡、干燥后仍然能保持良好的平整性，且滤膜表面能与蒸镀的金颗粒牢固结合。本实例中的电致变色层和离子存储层材料均为聚苯胺(PANI)，因为PANI颜色变化丰富、响应速度快、成膜均匀性好。
一种柔性电致变色器件，包括尼龙滤膜、沉积于尼龙滤膜两面的金膜、沉积于两面金膜表面的PANI电致变色层和PANI离子存储层。
一种柔性电致变色器件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：尼龙滤膜的清洗：采用乙醇将尼龙滤膜(20×25cm)表面清洗干净，吹干待用；
步骤2：金膜电极的制备：采用电子束蒸发法在步骤1清洗后的尼龙滤膜两面分别沉积厚度为200nm的金膜上、下电极；制备得到的金膜电极导电性好，表面平整均匀，与尼龙滤膜的结合牢固；
步骤3：电致变色层和离子存储层的制备：采用计时电流法在步骤2得到的尼龙滤膜两面的金膜上分别沉积聚苯胺薄膜，得到电致变色层和离子存储层；制得的聚苯胺薄膜表面均匀，与导电基底紧密结合；具体过程为：将16mL浓硫酸、2mL苯胺单体加入300mL去离子水中，超声得到均匀的溶液，倒入自制的电解槽中；电化学沉积采用三电极体系，其中尼龙滤膜金膜为工作电极，钛板为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；设置实验参数为初始电位0V，高电位0.85V，低电位0V，阶跃次数1，脉冲宽度100s，静置时间2s，沉积完成后，用乙醇冲洗表面低聚物，然后设置实验参数为初始电位0V，高电位0.65V，低电位0V，阶跃次数1，脉冲宽度200s，静置时间2s，进行第二次沉积；反应完成后，将制备得到的聚苯胺薄膜用无水乙醇多次冲洗，去除薄膜表面的低聚物，晾干待用；沉积的PANI薄膜均匀一致性好、表面无大颗粒、平整光亮、与导电基底的结合力好；
步骤4：电解质的制备：将5g碳酸丙烯酯(PC)、1g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、0.5gLiClO4加入20g乙腈溶液中，加热搅拌使固体溶解，得到透明、有流动性的凝胶电解质；
步骤5：电致变色器件的封装：将步骤3得到的两面均沉积有聚苯胺薄膜的尼龙滤膜金膜按照所需器件尺寸裁剪，两面的金膜分别采用导电胶与铜箔连接引出，作为器件的上、下电极；在离子存储层聚苯胺薄膜表面均匀涂覆步骤4制备得到的凝胶电解质，晾干后再涂覆，重复5次涂覆，使凝胶电解质充分渗透、浸润到尼龙滤膜中；待电解质扩散均匀后，按顺序将PE上封装层、上述浸润有凝胶电解质的两面沉积有聚苯胺薄膜的尼龙滤膜金膜、PE下封装层叠在一起，采用塑封的方法封装得到本发明所述的柔性电致变色器件。
图3为实施例1得到的柔性电致变色器件的循环伏安曲线，由图3可知，在连续扫描50圈后，器件的电致变色性能无明显衰减，且电流没有太大变化，经过300圈扫描后，器件仍然有变色效果。表明本发明得到的柔性电致变色器件的循环稳定性好，使用寿命长，颜色变化均匀，是可实现大面积的性能优良的柔性电致变色器件。
实施例2
本实施例与实施例1的区别为：采用化学氧化聚合法在尼龙滤膜金膜两面沉积聚苯胺薄膜，具体制备过程为：将8mL浓硫酸和1.5mL苯胺加入装有340mL去离子水的烧杯中，超声得到均匀的溶液；将步骤2中得到的两面带金膜的尼龙滤膜(5×5m)放入溶液中，搅拌2h；将2g过硫酸铵(APS)溶解在60mL去离子水中，得到过硫酸铵溶液；将配制的过硫酸铵溶液缓慢滴加到上述放有滤膜的溶液中，继续搅拌12h；反应完成后，将制备得到的聚苯胺薄膜用去离子水冲洗，以去除薄膜表面的低聚物，晾干待用。
本发明提供的柔性电致变色器件是基于两面都蒸镀有金属导电膜的柔性隔膜，采用电化学沉积或化学氧化法等在一面的金属导电膜上沉积电致变色薄膜，在另一面金属导电膜上沉积相同或不同材料的离子存储层薄膜，然后浸润电解质，封装得到柔性电致变色器件。本发明中，由于金属导电膜的多孔网状结构和良好的导电性使得沉积于其上的薄膜均匀、牢固地附着于金属导电膜表面；本发明将电致变色器件的多层功能层高度集成，得到的器件厚度大大减薄，制备和封装工艺简单，节省了成本，利于工业化大规模生产，是一种易于实现大面积的性能优良的电致变色器件。

Claims (10)

1.一种柔性电致变色器件，包括浸有电解质的隔膜、分别沉积于隔膜两面的第一金属导电膜和第二金属导电膜、沉积于第一金属导电膜表面的电致变色层和第二金属导电膜表面的离子存储层。
2.一种柔性电致变色器件，包括浸有电解质的隔膜、分别沉积于隔膜两面的第一金属导电膜和第二金属导电膜、沉积于第一金属导电膜表面的电致变色层。
3.根据权利要求1或2所述的柔性电致变色器件，其特征在于，所述隔膜为可透过电解质的柔性膜；所述第一金属导电膜和第二金属导电膜为导电薄膜；所述电致变色层材料为无机电致变色材料、导电聚合物或导电聚合物的衍生物。
4.根据权利要求1所述的柔性电致变色器件，其特征在于，所述离子存储层材料为无机电致变色材料、导电聚合物或导电聚合物的衍生物；所述离子存储层采用电化学沉积、化学氧化法或旋涂法沉积于第二金属导电膜表面。
5.根据权利要求1或2所述的柔性电致变色器件，其特征在于，所述隔膜为聚醚砜滤膜、尼龙滤膜或聚酰亚胺膜；所述第一金属导电膜和第二金属导电膜为金膜、银膜或铜膜；所述电致变色层材料为WO3、V2O5、聚苯胺或聚噻吩。
6.根据权利要求1或2所述的柔性电致变色器件，其特征在于，所述第一金属导电膜和第二金属导电膜采用真空蒸镀、磁控溅射或电子束蒸发方法沉积于隔膜两面；所述电致变色层采用电化学沉积、化学氧化法或旋涂法沉积于第一金属导电膜表面。
7.根据权利要求1或2所述的柔性电致变色器件，其特征在于，所述第一金属导电膜和第二金属导电膜的厚度为50～1000nm。
8.根据权利要求1或2所述的柔性电致变色器件，其特征在于，所述电解质为凝胶电解质、液体电解质或离子液体。
9.一种柔性电致变色器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗隔膜；
步骤2：在隔膜的两面分别沉积第一金属导电膜和第二金属导电膜；
步骤3：在步骤2得到的第一金属导电膜和第二金属导电膜表面分别沉积电致变色层和离子存储层；
步骤4：将电解质涂覆于离子存储层表面，使其充分浸润并渗透到隔膜；
步骤5：采用导电金属箔将第一金属导电膜和第二金属导电膜引出作为上、下电极，然后采用透明薄膜封装得到电致变色器件。
10.根据权利要求9所述的柔性电致变色器件的制备方法，其特征在于，步骤2所述第一金属导电膜和第二金属导电膜采用真空蒸镀、磁控溅射或电子束蒸发法制备；步骤3所述电致变色层和离子存储层采用电化学沉积、化学氧化法或旋涂法沉积于金属导电膜表面；步骤4所述电解质为凝胶电解质、液体电解质或离子液体；步骤5所述导电金属箔为铜箔、铝箔或其他金属箔；步骤5所述透明薄膜为PET膜、PE膜。
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