CN106297552A - 一种温度敏感标签及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度敏感标签及其应用，属于温度监测技术领域，标签包括电致变色电极、对电极以及设置在电致变色电极和对电极之间的电解质层，所述电致变色电极具有氧化还原活性，其能在不同的电压下显现出不同的颜色；所述电解质层中包括电解质，所述电解质具有离子传导功能。本发明的温度敏感标签在冷链物流中的应用时，将其贴在需要进行温度监测的物品表面即可。本发明的温度敏感标签记录效果可靠、温度响应可控并且成本低廉，适用于冷链物流产业中。

Description

一种温度敏感标签及其应用
技术领域
本发明属于温度监测技术领域，更具体地，涉及一种适用于冷链物流产业中的温度敏感标签及其应用。
背景技术
许多食品、药品、化工产品的运输需要保持在低温状态下以保证品质，于是诞生了冷链物流产业。冷链物流中，需要保证货品全程处于低温状态下，或者温度高于设定温度的时间不能超过特定值，于是需要便宜简便的方法，对货品是否历经过热过程进行监控，特别是需要简单的温敏标签，对每一件货品是否历经过热状态进行单独记录。
之前的温度监控技术包括：RFID配合传感器、测温蜡片以及基于液体浸润的标签等。以上的温度监控装置普遍存在成本高、记录效果不可靠以及温度响应不可控等缺点。
因此，需要开发一种记录效果可靠、温度响应可控并且成本低廉的温度监控装置，以适用于冷链物流产业中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种温度敏感标签及其应用，其目的在于，设置能在不同的电压下显示不同颜色的电致变色电极，以进行温度监控。本发明的温度敏感标签记录效果可靠、温度响应可控并且成本低廉，可适用于冷链物流产业中。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种温度敏感标签，其包括电致变色电极、对电极以及设置在电致变色电极和对电极之间的电解质层，
所述电致变色电极具有氧化还原活性，其能在不同的电压下显现出不同的颜色；
所述电解质层中具有电解质，所述电解质具有离子传导功能。
以上发明构思中，温度敏感标签包括三层：电致变色电极层、对电极层以及设置在电致变色电极层和对电极层之间的电解质层，电解质具有离子传导功能。当温度高于电解质熔点时，电解质为液态，具有离子传导能力，电致变色电极的颜色随着其与对电极之间的外加电压不同而变化，外加电压撤销后，由于自放电的原因，电致变色电极与对电极之间的电压值逐渐减小，电致变色电极的颜色逐渐恢复至无电压态的颜色。温度低于电解质熔点时，电解质丧失传导离子的能力，电致变色电极的变色反应无法发生，其颜色不再随时间和外加电压变化。
进一步的，所述电解质层中包括具有固定熔点的电解质，该固定熔点对应于该温度敏感标签需要被指示的温度。
进一步的，所述电解质为可电解化合物的聚乙二醇溶液或者可电解化合物的聚乙二醇二甲醚溶液，其熔点随聚乙二醇分子量或聚乙二醇二甲醚的分子量升高而升高。可电解化合物是指能在聚乙二醇溶液中电解出阴阳离子的一类化合物，其譬如可以为各种锂盐、各种酸。
进一步的，所述电致变色电极包括基底材料、镀在基底材料上的透明导电层以及镀在透明导电层上的电致变色活性层。
进一步的，所述基底材料为塑料片或者玻璃片。
进一步的，所述的透明导电层为氧化铟锡(简称：ITO)。
进一步的，所述电致变色活性层为氧化钨(化学式：WO3)、五氧化二钒(化学式：V2O5)以及普鲁士蓝(化学式：Fe4[Fe(CN)6]3。
进一步的，所述电解质层中，电解质浸润在惰性的多孔材料中，所述多孔材料包括植物纤维制备而成的纸张或者玻璃纤维隔膜。
进一步的，所述对电极为氧化铟锡玻璃、嵌锂态的磷酸钛锂或者活性炭。
进一步的，所述电致变色电极和电解质层的面积均大于对电极面积2倍以上。
进一步的，可电解化合物的聚乙二醇溶液或者可电解化合物的聚乙二醇二甲醚溶液中，可电解化合物的浓度越低，该温度敏感标签在高过电解质熔点的温度下恢复至无电压时颜色所需的时间越长。
按照本发明的第二个方面，还提供一种如上所述的温度敏感标签在冷链物流中的应用，使用时，将其贴在需要进行温度监测的物品表面，物品在经历温度高于电解质熔点的过程后，温度敏感标签的颜色会逐渐转变为无电压时的颜色。
进一步的，在使用前，在高于电解质熔点的温度下，在电致变色电极和对电极之间施加电压，使电致变色电极颜色变化成充电状态时的颜色，将温度敏感标签冷冻至电解质熔点以下的温度并冷藏，最后撤去外加电压，以将温度敏感标签保存。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
由于电致变色电极与对电极间的自放电速度在电解质被冻结的条件下趋近于零，而在电解质熔化为液体的条件下随温度升高而加快的特点，本发明的温度敏感标签的颜色变化速度对温度的响应同时具备突变(电解质熔点附近)与渐变(电解质熔点之上)特性，符合多种食品、药品变质速度随温度变化的规律，可以有效指示出标示的食品、药品是否变质，其记录效果可靠、温度响应可控并且成本低廉，可适用于冷链物流产业中。
附图说明
图1是本发明实施例中温度敏感标签的结构示意图，该图中，1为电致变色电极，2为电解质层，3为对电极；
图2是本发明实施例7中对点解的结构示意图，该图中，4为半嵌锂磷酸钛锂，5为惰性塑料膜；
图3是本发明实施例7中温度敏感标签的结构示意图，该图中，1为电致变色电极，2为电解质层，4为半嵌锂磷酸钛锂，5为惰性塑料膜，半嵌锂磷酸钛锂4呈条状，设置在惰性塑料膜5上。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例中温度敏感标签的结构示意图，该图中，1为电致变色电极，2为电解质层，3为对电极。电致变色电极具有氧化还原活性，其能在不同的电压下显示不同的颜色；电解质层中包括具有电解质，所述电解质具有离子传导功能。对电极的作用是和工作电极组成回路以通过电流。
在本发明的一个实施例中，所述电解质层中包括具有固定熔点的电解质，该固定熔点对应于该温度敏感标签需要被指示的温度。所述电解质层中，电解质浸润在惰性的多孔材料中，所述多孔材料包括植物纤维制备而成的纸张或者玻璃纤维隔膜。所述电解质为可电解化合物的聚乙二醇溶液或者可电解化合物的聚乙二醇二甲醚溶液，其熔点随聚乙二醇分子量或聚乙二醇二甲醚的分子量升高而升高。可电解化合物是指能在聚乙二醇溶液中电解出阴阳离子的一类化合物，其譬如可以为各种锂盐、各种酸。所述可电解化合物的聚乙二醇溶液或者可电解化合物的聚乙二醇二甲醚溶液，可电解化合物的浓度越低，该温度敏感标签在高过电解质熔点的温度下恢复至无电压时颜色所需的时间越长。
在本发明的再一个实施例中，所述电致变色电极包括基底材料、镀在基底材料上的透明导电层以及镀在透明导电层上的电致变色活性层。所述基底材料为塑料片或者玻璃片，所述塑料片为高分子材料制备的薄片。所述的透明导电层为氧化铟锡。电致变色活性层为氧化钨(WO3)、五氧化二钒(V2O5)以及普鲁士蓝(Fe4[Fe(CN)6]3。
在本发明的再一个实施例中，所述对电极为氧化铟锡玻璃、嵌锂态的磷酸钛锂或者活性炭。所述电致变色电极和电解质层的面积均大于对电极面积两倍以上，这样设计的优点为电致变色电极中不与对电极直接相对的部分，与对电极之间相隔的距离比较远，离子传输所需时间较长，可以减慢自放电引起变色过程。
本发明的温度敏感标签在冷链物流中的应使用方法如下：
使用时，将其贴在需要进行温度监测的物品表面，物品在经历温度高于电解质熔点的过程后，温度敏感标签的颜色会逐渐转变为无电压时的颜色。
在使用前，在高于电解质熔点的温度下，在电致变色电极和对电极之间施加电压，使电致变色电极颜色变化成充电状态时的颜色，将温度敏感标签冷冻至电解质熔点以下的温度并冷藏，最后撤去外加电压，以将温度敏感标签保存。
本发明温度敏感标签的工作原理如下：
当温度高于电解质熔点时，电解质为液态，具有离子传导能力，电致变色电极的颜色随着其与对电极之间的外加电压不同而变化，外加电压撤销后，由于自放电的原因，电致变色电极与对电极之间的电压值逐渐减小，电致变色电极的颜色逐渐恢复至无电压态的颜色。温度低于电解质熔点时，电解质丧失传导离子的能力，电致变色电极的变色反应无法发生，其颜色不再随时间和外加电压变化。电致变色电极与对电极间的自放电速度在电解质被冻结的条件下趋近于零，而在电解质熔化为液体的条件下随温度升高而加快的特点，本发明的温度敏感标签的颜色变化速度对温度的响应同时具备突变(电解质熔点附近)与渐变(电解质熔点之上)特性，符合多种食品、药品变质速度随温度变化的规律，可以有效指示出标示的食品、药品是否变质
为了更详细的说明本发明的温度敏感标签，下面结合具体实施例进一步详细说明：
实施例1
以150μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜为基底材料，在其表面通过磁控溅射镀一层氧化铟锡(ITO)作为透明导电层，再通过磁控溅射的方法镀一层三氧化钨(WO3)薄膜，作为电致变色活性层，由此构成电致变色电极。
用另一块镀有ITO的PET膜作为对电极。
用溶解有0.1mol/L的双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)的分子量为400的聚乙二醇(PEG400，熔点为-3℃)为电解质，用其浸润玻璃纤维隔膜，制备电解质层。
三层材料裁成2cm x 1cm的方片，堆叠在一起，如说明书附图1所示。
在室温27℃下，在电致变色电极与对电极之间施加3.2V的电压(电致变色电极接负极，对电极接正)，可以看到电致变色电极的颜色从淡黄色逐渐变为深蓝色。在电致变色电极呈深蓝色的状态下，撤掉外加电压，将标签立即放置于-5℃的冰箱中保存，则可以保持一年不发生明显变化。而将其放置于0℃的环境中，标签会在两天内逐渐变回淡黄色的状态。将深蓝色的标签放置于27℃，则在3小时内，逐渐变回淡黄色。此标签可以用于标记速冻食品在冷链运输过程中是否经历长时间高温过程。
实施例2
将实施例1中的PEG400改为PEG600，则电解质熔点变为20℃，标签可以指示物品是否经历高于20℃的过程。
实施例3
将实施例1中LiTFSI的浓度降低为0.001mol/l，电解质隔膜改为植物纤维纸，其余不变，则在电致变色电极呈深蓝色的状态下，室温环境中，撤掉外加电压，电致变色电极变回浅黄色所需时间变为20小时。
实施例4
将实施例1中的电解质改为0.1mol/l的三氟甲基磺酸锂(LiSO3CF3)的聚乙二醇二甲醚(分子量500)溶液，电解质隔膜改为植物纤维纸，其余不变，则在电致变色电极呈深蓝色的状态下，撤掉外加电压，可以在零下12℃的冰箱中保存1年，颜色没有明显变化，而置于室温环境中，电致变色电极变回浅黄色所需时间变为5小时。
实施例5
将实施例1中的三氧化钨改为五氧化二钒薄膜，对电极改为活性炭，其余不变，在电致变色电极与对电极之间施加1.2V的电压，可以看到电致变色电极的颜色从黄绿色逐渐变为蓝色。在电致变色电极呈蓝色的状态下，撤掉外加电压，则蓝色的电致变色电极在10分钟时间内，逐渐变回黄绿色。
实施例6
将实施例1中的三氧化钨改为涂布的普鲁士蓝薄膜，其余不变，在电致变色电极与对电极之间施加2.0V的电压(电致变色电极接正极，对电极接负极)，可以看到电致变色电极的颜色从蓝色逐渐变为白色。在电致变色电极呈白色的状态下，撤掉外加电压，则白色的电致变色电极在1小时内，逐渐变回蓝色。
实施例7可以指示较长过热时间的温度敏感标签
使用实施例1中所述的电致变色电极。使用0.001mol/L的双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)的分子量为800的聚乙二醇二甲醚溶液作为电解质。
对电极制作如下：先合成磷酸钛锂电极材料，化学式为LiTi2(PO4)3，再通过电化学嵌锂将其转变为半嵌锂态的磷酸钛锂，化学式为Li1.5Ti2(PO4)3，将半嵌锂态的磷酸钛锂与导电炭黑以及聚偏氟乙烯粘结剂按80:15:5的比例混合，加入N-甲基吡咯烷酮，研磨制成浆料。
将该浆料涂在2cm x 1cm惰性PET塑料基底的邻近短边1mm处，形成一条长1cm，宽0.5mm，厚50μm的窄带，烘干后作为对电极(如图2所示)。将电致变色电极、电解质、对电极堆叠在一起，如图3所示，图3中，所述电致变色电极和电解质层的面积均为对电极面积40倍。在半嵌锂磷酸钛锂(正极)与电致变色电极(负极)之间外加1.0V电压，10小时后，整个标签表面呈现蓝色。之后，撤掉电压，迅速将标签放置于-5℃的冰箱中保存，可以保持一年时间，蓝色没有明显变化。从冰箱取出标签，置于27℃室温环境，标签开始褪色，需3天，整个标签变为浅黄色。
本发明的温度敏感标签记录效果可靠、温度响应可控并且成本低廉，可适用于冷链物流产业中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种温度敏感标签，其特征在于，其包括电致变色电极、对电极以及设置在电致变色电极和对电极之间的电解质层，
所述电致变色电极具有氧化还原活性，其能在不同的电压下显现出不同的颜色；
所述电解质层中包括电解质，所述电解质具有离子传导功能。
2.如权利要求1所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述电解质层中包括具有固定熔点的电解质，该固定熔点对应于该温度敏感标签需要被指示的温度。
3.如权利要求1或2所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述电解质为可电解化合物的聚乙二醇溶液或者可电解化合物的聚乙二醇二甲醚溶液，其熔点随聚乙二醇分子量或聚乙二醇二甲醚的分子量升高而升高。
4.如权利要求3所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述电致变色电极包括基底材料、镀在基底材料上的透明导电层以及镀在透明导电层上的电致变色活性层。
5.如权利要求4所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述基底材料为塑料片或者玻璃片。
6.如权利要求4所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述的透明导电层为氧化铟锡。
7.如权利要求4所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述电致变色活性层为氧化钨、五氧化二钒以及普鲁士蓝。
8.如权利要求1-7之一所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述电解质层中，电解质浸润在惰性的多孔材料中，所述多孔材料包括植物纤维制备而成的纸张或者玻璃纤维隔膜。
9.如权利要求1-7之一所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述对电极为氧化铟锡玻璃、嵌锂态的磷酸钛锂或者活性炭。
10.如权利要求8所述的一种温度敏感标签，其特征在于，所述电致变色电极和电解质层的面积均大于对电极面积2倍以上。
11.如权利要求2或者10所述的一种温度敏感标签，其特征在于，可电解化合物的聚乙二醇溶液或者可电解化合物的聚乙二醇二甲醚溶液中，可电解化合物的浓度越低，该温度敏感标签在高过电解质熔点的温度下恢复至无电压时颜色所需的时间越长。
12.如权利要求1-11所述的一种温度敏感标签在冷链物流中的应用，其特征在于，使用时，将其贴在需要进行温度监测的物品表面，
物品在经历温度高于电解质熔点的过程后，温度敏感标签的颜色会逐渐转变为无电压时的颜色。
13.如权利要求12所述的应用，其特征在于，使用前，在高于电解质熔点的温度下，在电致变色电极和对电极之间施加电压，使电致变色电极颜色变化成充电状态时的颜色，将温度敏感标签冷冻至电解质熔点以下的温度并冷藏，最后撤去外加电压，以将温度敏感标签保存。
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