CN106662787B - 电致变色装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电致变色装置，其包括第一大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；第二大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；位于所述第一衬底与第二衬底之间的腔室内所含的电致变色组合物，其包括至少一种阳极电活性材料、至少一种阴极电活性材料和至少一种溶剂，其中所述阳极电活性和阴极电活性材料中的至少一个可电致变色，并且其中所述电致变色装置呈现至少20,000:1的对比率、小于约30秒的暗化时间和小于约150秒的透明化时间。

Description

电致变色装置
相关申请的交叉引用
本申请案要求2014年8月4申请的美国临时专利申请案第 62/033,059号和2014年8月5日申请的美国临时专利申请案第 62/033,363号的权利，其全部公开内容以引用的方式并入本文中以用于任何和所有目的。
技术领域
本发明技术大体上涉及电致变色装置和其用途的领域。
背景技术
提供以下说明以帮助阅读者理解。所提供的信息或所引用的参考文献都不是对本发明的现有技术的承认。
可变透射率电致变色窗口最近变得可商购。举例来说，电致变色窗口最近变得与飞行器窗口系统相关。尽管这类可变透射率电致变色窗口变得越来越流行，但其与低透射率状态以及延迟暗化和透明化有关的局限性仍然成问题。
发明内容
在一个方面中，提供电致变色装置，其包括第一大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；第二大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；位于第一衬底与第二衬底之间的腔室内所含的电致变色组合物，其包括至少一种阳极电活性材料、至少一种阴极电活性材料以及至少一种溶剂，其中所述阳极电活性和阴极电活性材料中的至少一个可电致变色，并且其中所述电致变色装置呈现至少20,000:1 的对比率、小于约30秒的暗化时间以及小于约150秒的透明化时间。
在一个实施例中，电致变色装置可具有约40,000:1到约500,000:1 的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有至少60,000:1的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有至少80,000:1的对比率。
在一个实施例中，电致变色装置可具有约20秒到约150秒的透明化时间。在另一实施例中，电致变色装置可具有约20秒到约60秒的透明化时间。
在一个实施例中，电致变色装置可具有约5秒到约30秒的暗化时间。在另一实施例中，电致变色装置可具有约10秒到约20秒的暗化时间。
在一个实施例中，第一大体上透明衬底和第二大体上透明衬底具有小于500μm的单元距离。在另一实施例中，第一大体上透明衬底和第二大体上透明衬底具有约150μm到约500μm的单元距离。在另一实施例中，第一大体上透明衬底和第二大体上透明衬底具有约300μm 到约400μm的单元距离。在另一实施例中，第一大体上透明衬底和第二大体上透明衬底具有约350μm的单元距离。
在一个实施例中，至少一种阳极电活性材料具有至少5mM的浓度。在另一实施例中，至少一种阳极电活性材料具有约5mM到约60 mM的浓度。在另一实施例中，至少一种阳极电活性材料具有约5mM 到约7mM的浓度。在另一实施例中，第二阳极电活性材料具有约50mM到约60mM的浓度。
在一个实施例中，至少一种阴极电活性材料具有至少50mM的浓度。在另一实施例中，至少一种阴极电活性材料具有约60mM到约100 mM的浓度。
在一个实施例中，至少一种阳极电活性材料包括经取代或未经取代的吩嗪化合物。在另一实施例中，中的至少一种阳极电活性材料包括经取代或未经取代的2,7-二烷基-5,10-二烷基-5,10-二氢吩嗪化合物。在另一实施例中，5,10-二烷基中的至少一个烷基包括至少四个碳原子并且不含任何β氢原子，并且2,7-二烷基中的至少一个烷基包括至少四个碳。在另一实施例中，5,10-二烷基中的至少一个烷基包括经取代或未经取代的新戊基，并且2,7-二烷基中的至少一个烷基包括经取代或未经取代的吩嗪、异丁基、2-乙基丁基、2-甲基丁基、2-乙基己基或 2-丙基戊基。在另一实施例中，5,10-二烷基中的至少一个烷基包括新戊基，并且2,7-二烷基中的至少一个烷基包括异丁基。电致变色介质还可以包括2,7-和2,8-吩嗪异构体的混合物。
在一个实施例中，至少一种阴极电活性材料包括紫精(viologen)。这类紫精可经取代或未经取代。在另一实施例中，阴极电活性材料包括N,N'-二烷基二吡啶化合物(即“紫精”)。在另一实施例中，N,N'- 二烷基二吡啶中的至少一个烷基包括至少四个碳原子和小于两个β氢原子。在另一实施例中，至少一个连接到二吡啶化合物的烷基是(2-乙基己基)基团。在一些实施例中，紫精相对离子是任何负离子。在另一实施例中，相对离子是BF4、PF6、SbF6、对甲苯磺酸根、三氟甲烷磺酸根或双-三氟甲烷磺酰亚胺。
在一个实施例中，电致变色组合物更包括阳极和/或阴极色彩稳定化氧化还原缓冲液。适合的阳极和阴极氧化还原缓冲剂的实例包括(但不限于)具有不同氧化状态的金属茂(例如经取代的二茂铁)。
在一个实施例中，电致变色组合物可更包括交联聚合物基质、独立凝胶和/或大体上非渗出凝胶。
在一个方面中，本发明技术涉及飞行器窗口系统，其包括用于含有第一大体上透明内部衬底、第二大体上透明外部衬底以及位于内部衬底与外部衬底之间的可变透射率电致变色窗口的外壳，其中所述可变透射率电致变色窗口包括：第三大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；第四大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；位于第一衬底与第二衬底之间的腔室内所含的电致变色组合物，其包括至少一种阳极电活性材料、至少一种阴极电活性材料以及至少一种溶剂，其中所述阳极电活性和阴极电活性材料中的至少一个可电致变色；并且其中所述电致变色装置呈现至少20,000:1的对比率、小于约 30秒的暗化时间以及小于约150秒的透明化时间。
上述发明内容仅为说明性的，而并非意图以任何方式进行限制。除了上述说明性的方面、实施例和特征之外，通过参照附图和以下详细描述，另外的方面、实施例和特征将变得显而易见。
附图说明
图1是表示根据本发明技术的一个实施例的暗化时间和透明化时间以及现有技术电致变色装置的暗化时间和透明化时间的图。
具体实施方式
如在整个本说明书中所阐述，本文中使用若干定义描述本发明技术。
如本文中所用，“约”将为所属领域的一般技术人员所理解并且在一定程度上将取决于其使用情况而变化。如果使用所属领域的一般技术人员不清楚的术语，那么考虑到其使用的情况，“约”将意味着达到特定术语的正或负10％。
除非本文中另外指出或明显与内容相矛盾，否则在描述要素的情况下(尤其在以下权利要求书的情况下)使用术语“一(a/an)”和“所述”以及类似指示物应理解为涵盖单数和复数。除非本文另外指示，否则本文中的值的范围的叙述仅打算充当个别提及属于所述范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值并入本说明书中，如同在本文中个别地叙述一般。除非本文中另有说明或另外明显与内容相矛盾，否则本文中所述的所有方法都可以任何合适的顺序进行。除非另有说明，否则本文中提供的任何和所有实例或例示性语言(例如“如”)的使用仅意图更好地说明实施例并且不对权利要求书的范围造成限制。在说明书中无任何语言应解释为表示任何未要求的元素是必不可少的。
通常，“经取代”指其中一个或多个其中所含的氢原子键由非氢或非碳原子键置换的基团。经取代的基团还包括一个或多个碳或氢原子键被一个或多个杂原子键(包括双键或三键)置换的基团。在一些实施例中，经取代的基团是经1、2、3、4、5或6个取代基取代。取代基的实例包括：卤素(例如F、Cl、Br和I)、羟基(醇)、烷氧基、烯氧基、炔氧基、芳氧基、芳烷氧基、羧基(侧氧基)、羧基、酯、酮、酰胺、氨基甲酸乙酯、硫醇、硫醚、亚砜、砜、磺酰基、磺酰胺、胺、异氰酸酯、异硫氰酸酯、氰酸酯、硫氰酸酯、硝基、腈(例如CN)、磷酰基、膦酰基、芳基、烯烃、烷基、环烷基等。
如本文中所用，“烷基”包括具有1到约20个碳原子并且通常1 到12个碳或在一些实施例中，1到8个碳原子的直链和分支链烷基。如本文中所使用，“烷基”包括如下文所定义的环烷基。烷基可以经取代或未经取代。直链烷基的实例包括甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、正己基、正庚基和正辛基。分支链烷基的实例包括(但不限于)异丙基、仲丁基、叔丁基、新戊基和异戊基。代表性的经取代的烷基可以经例如氨基、硫基、羟基、氰基、烷氧基和/或卤基(如F、 Cl、Br和I基团)取代一次或多次。如本文中所用，术语卤烷基是具有一个或多个卤基的烷基。在一些实施例中，卤烷基是指全卤烷基。
如本文所使用，“透明化时间”指电致变色装置在短路状态下的所需时间，在保持装置处于最低透射率状态至少250秒之后的最低透射率起始，直到达到在短路状态下所测量的装置的最小透射率值与最大透射率值之间的透射率范围的98％。
如本文所使用，“暗化时间”指电致变色装置从短路状态(或不供电状态)下的高透射率状态转换到装置的最高透射率值与最低透射率值之间的透射范围的90％所需的时间。
如本文所使用，“对比率”指装置在短路状态下的初始高透射率稳定状态值与稳定状态(其完全发动状态下的透射率值)的比率。
在一个方面中，包括溶液相电致变色介质的电致变色装置呈现至少20,000:1的对比率、小于约30秒的暗化时间以及小于约150秒的透明化时间。
在另一个方面中，电致变色装置包括第一大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；第二大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；位于第一衬底与第二衬底之间的腔室内所含有的电致变色组合物，其包括至少一种阳极电活性材料、至少一种阴极电活性材料以及至少一种溶剂，其中阳极电活性和阴极电活性材料中的至少一种可电致变色，并且其中电致变色装置呈现至少20,000:1的对比率、小于约30秒的暗化时间以及小于约150秒的透明化时间。
在一些实施例中，第一衬底可由在电磁波谱的可见光区域中透明或大体上透明的许多材料中的任一种制成，如硼硅玻璃、硼铝硅玻璃、碱石灰玻璃、天然和合成聚合树脂、塑料和/或复合物，包括聚酯(例如PET)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯、聚砜、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、丙烯酸酯聚合物、聚酰胺(如来自赢创工业公司(EvonikIndustries)的
Figure GDA0002298518000000051
CX 7323)、环烯烃聚合物(COP) 和环烯烃共聚物(COC)，如
Figure GDA0002298518000000052
在另一实施例中，第一衬底由具有约0.10毫米(mm)到约12.7mm、约0.50mm到约1.50mm或约 0.65mm到约1.00mm的厚度范围的玻璃片制成。当然，衬底的厚度将主要取决于可变透射率电致变色窗口的特定应用。尽管仅出于说明性目的披露具体衬底材料，但可使用许多其它衬底材料，限制条件是其大体上透明并且呈现适合的物理性质(如强度)以便能够在既定用途条件下有效操作。实际上，在正常操作期间，根据本发明的可变透射率电致变色窗口可暴露于极端温度变化以及大量UV辐射(主要来自于太阳)。将进一步理解，第一衬底和/或第二衬底可包括UV吸收层和/或含有UV吸收材料，以便帮助保护衬底和/或电致变色介质免受 UV损害。
在一些实施例中，第二衬底可由与第一衬底类似的材料制成。在另一实施例中，第二衬底由具有约0.10mm到约12.7mm、约0.50mm 到约1.50mm或约0.65mm到约1.00mm的厚度范围的玻璃片或塑料片制成。如果第一和第二衬底是由玻璃片制成，那么玻璃可在涂布导电材料层之前或之后任选地经回火、热强化、化学强化和/或叠层。第一和第二衬底可与在组成方面与其类似或在组成方面与其不同的材料叠层。
一个或多个导电材料层可与第一衬底的后表面相关联。这些层充当可变透射率电致变色窗口的电极。导电材料宜是满足以下条件的材料：(a)在电磁波谱的可见光区域中大体上透明；(b)与第一衬底适当地良好结合；(c)在与密封部件相关联时保持这一结合；(d)通常对由可变透射率电致变色窗口或大气内所含的材料引起的腐蚀具有抗性；以及(e)呈现最小漫射或镜面反射率以及足够的电导率。导电材料可由经氟掺杂的氧化锡(FTO)(例如TEC玻璃、氧化铟/锡(ITO)、经掺杂的氧化锌、氧化铟锌、金属氧化物/金属/金属氧化物(其中金属氧化物可经金属碳化物、金属氮化物、金属硫化物等取代))或所属领域的普通技术人员已知的其它材料制成。或者，可按在衬底上产生网格或纳米结构化电极的模式沉积一种或多种金属或合金。
一个或多个由相同或不同材料制成的导电材料层(如与第一衬底的后表面相关联的导电材料层)可与第二衬底的前表面相关联。导电材料可通过密封部件可操作地结合到与第一衬底相关联的导电材料。在结合后，密封部件、栓塞和/或导电材料的并置部分可通常用于界定腔室的内部周边几何形状。或者，可使用边缘密封技术，其披露于名为车辆后视镜元件和合并有这些元件的总成(ehicular Rearview Mirror Elements AndAssemblies Incorporating These Elements)的美国专利案第 7,372,611号中。
在一些实施例中，第一大体上透明衬底和第二大体上透明衬底具有小于500μm的单元距离。在另一实施例中，第一大体上透明衬底和第二大体上透明衬底具有约150μm到约500μm、约200μm到约400 μm、约225μm到约375μm或这些值(包括端点)中的任何两个之间的范围内的单元距离。在另一实施例中，第一大体上透明衬底和第二大体上透明衬底具有约350μm、400μm、375μm、350μm、325μm、 300μm、175μm、150μm或这些值(包括端点)中的任何两个之间的范围内的单元距离。在另一实施例中，第一大体上透明衬底和第二大体上透明衬底具有约350μm的单元距离。
在一些实施例中，密封部件可包括任何能够以粘附方式结合到涂布于第一和第二衬底上的导电材料以便继而密封腔室的材料，在某些实施例中，与栓塞和填充端口合作使得电致变色组合物不会从腔室无意泄露。密封部件可一直延伸到其各别衬底的后表面和前表面。在此类实施例中，可在安置密封部件的地方部分移除涂布于第一和第二衬底上的导电材料层。如果导电材料不与其各别衬底相关联，那么密封部件优选良好结合到玻璃、塑料或其它衬底。应理解，密封部件可由许多材料中的任一种制成，包括例如名为[4]液晶显示器和用于其的光可聚合密封剂(Liquid Crystal Display And PhotopolymerizableSealant Therefor)[5]的美国专利案第4,297,401号；名为[6]具有改良的气密密封件的液晶显示器(Liquid Crystal Displays Having Improved Hermetic Seal)[7]的美国专利案第4,418,102号；名为[8]液晶显示器的密封[9] 的美国专利案第4,695,490号；名为[10]液晶显示面板的密封材料和使用其的液晶显示面板(Sealing Material For LiquidCrystal Display Panel, And Liquid Crystal Display Panel Using It)[11]的美国专利案第 5,596,023号；名为液晶的密封组合物(Sealing Composition For LiquidCrystal)的美国专利案第5,596,024号；名为电致变色装置的密封(Seal ForElectrochromic Devices)的美国专利案第6,157,480号；以及名为具有包括用环脂族胺固化的环氧树脂的密封件的电致变色装置 (Electrochromic Device Having A SealIncluding An Epoxy Resin Cured With A Cycloaliphatic Amine)中所披露的材料。
在本发明中，并且将如下文中更详细地说明，电致变色组合物可包括至少一种溶剂、至少一种阳极电活性材料(例如1、2、3种等) 和至少一种阴极材料(例如1、2、3种等)。
通常情况下，负极材料与正极材料均为电活性材料且它们之中至少有一种为电致变色材料。需要了解的是，不论其通常涵义为何，本文件中将把“电活性”一词界定为在暴露于特定的电位差之后，氧化状态会发生改变的一种材料。此外，还需要了解的是，不论其通常涵义为何，本文件中将把“电致变色”界定为在暴露于特定的电位差之后，在一个或多个波长的消光系数会发生改变的一种材料。
电致变色介质可以包括单层材料，包括小的不均匀区域，和包括溶液相装置，其中材料包含在离子导电电解质溶液中，当电化学氧化或还原时，仍然保留在电解质溶液中。根据名为电致变色层和包含电致变色层的装置(Electrochromic Layer And DevicesComprising Same) 的美国专利案第5,928,572号和名为电致变色聚合物固体膜、使用这种固体膜的制造电致变色装置以及制造所述固体膜和装置的工艺 (ElectrochromicPolymeric Solid Films,Manufacturing Electrochromic Devices Using Such SolidFilms,And Processes For Making Such Solid Films And Devices)的国际专利申请案第PCT/US98/05570号，溶液相电活性材料可以包含在凝胶介质的连续溶液相中。
可合并超过一种阳极和阴极材料以得到预先选择的色彩，如名为电致变色化合物(Electrochromic Compounds)的美国专利案第5,998,617 号；名为能够产生预先选择的色彩的电致变色介质(Electrochromic Medium Capable Of Producing A Pre-selectedColor)的美国专利案第 6,020,987号；名为电致变色化合物的美国专利案第6,037,471号；以及名为用于产生预先选择的色彩的电致变色介质(电致变色Media For Producing APre-selected Color)的美国专利案第6,141,137号中所描述。
阳极和阴极材料也可以合并或通过桥联单元连接，如名为电致变色系统(Electrochromic System)的美国专利案第6,241,916号和名为电致变色装置(Electrochromic Device)的美国专利公开案第2002/0015214 号中所描述。电致变色材料还包括名为近红外吸收电致变色化合物和包括它们的装置(Near Infrared-AbsorbingElectrochromic Compounds And Devices Comprising Same)的美国专利案第6,193,912号中所描述的近红外(NIR)吸收化合物。
还可以通过类似的方法连接阳极材料或阴极材料。这些专利案中描述的概念可以进一步结合，得到链接或连接的各种电活性材料，包括连接氧化还原缓冲液，如连接颜色稳定单元到阳极和/或阴极材料上。
阳极和阴极电致变色材料还可以包括偶合材料，如名为具有耐光指示氧化状态的偶合电致变色化合物(Coupled Electrochromic Compounds With PhotostableDicationOxidation States)的美国专利案第 6,249,369号中所描述。
此外，单层、单相组合物可以包括一种组合物，其中阳极材料和阴极材料合并于聚合物基质内，如名为电致变色聚合物系统 (Electrochromic Polymer System)的国际专利申请案第PCT/EP98/03862 号和名为电致变色聚合物固体膜、使用这种固体膜的制造电致变色装置以及制造所述固体膜和装置的工艺的国际专利申请案第 PCT/US98/05570号中所描述。
电致变色介质还可以制备在各层中，包括直接与导电电极连接的材料，或限制在其附近，当电化学氧化或还原时，保持连接或限制的材料。
在电致变色介质中。一种或多种材料在装置操作期间经历相变化，例如当电化学氧化或还原发生时，离子导电电解质溶液中所含的材料在导电电极上形成一个层。
此外，电致变色组合物可以包括其它材料，如UV吸收剂、UV稳定剂、热稳定剂、抗氧化剂、增稠剂、粘度改进剂、着色剂、氧化还原缓冲液，和它们的混合物。适合的UV稳定剂可包括(但不限于)丙烯酸2-乙基-2-氰基至3,3-二苯酯；丙烯酸(2-乙基己基)-2-氰基-3,3-二苯酯；2-(2'-羟基-4'-甲基苯基)苯并三唑，由汽巴-嘉基公司(Ciba-Geigy Corp.)以商标Tinuvin P出售；3-[3-(2H-苯并三唑-2-基)-5-(1,1-二甲基乙基)-4-羟苯基]丙酸戊基酯，由Tinuvin 213制备，由汽巴-嘉基公司出售，通过常规水解接着进行常规酯化(下文中称为“Tinuvin PE”)；2,4- 二羟基二苯甲酮；2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮；以及2-乙基-2'-乙氧基丙氨酰胺。
在一个实施例中，电致变色组合物更包括阳极和/或阴极色彩稳定化氧化还原缓冲液。适合的氧化还原缓冲液尤其包括名为色彩稳定电致变色装置(Color-StabilizedElectrochromic Devices)的美国专利案第 6,188,505号中披露的缓冲液。适合的阳极和阴极氧化还原缓冲液的其它实例包括(但不限于)具有不同氧化状态的金属茂(例如经取代的二茂铁)。
在一个实施例中，电致变色组合物可更包括交联聚合物基质、独立凝胶和/或大体上非渗出凝胶。
阳极材料可包括许多材料中的任一种，包括：二茂铁、经取代的二茂铁、经取代的二茂铁基盐、吩嗪、经取代的吩嗪、吩噻嗪、经取代的吩噻嗪(包括经取代的二噻嗪)、噻蒽以及经取代的噻蒽。阳极材料的实例可包括二-叔丁基-二乙基二茂铁；5,10-二甲基-5,10-二氢吩嗪 (DMP)；3,7,10-三甲基吩噻嗪；2,3,7,8-四甲氧基-噻蒽；10-甲基吩噻嗪、四甲基吩嗪(TMP；参见美国专利案第6,242,602号)；以及双(丁基三甲基铵)-对-甲氧基吩二噻嗪(TPDT；参见美国专利案第6,710,906号)。阳极材料还可以包括聚合物薄膜，如聚苯胺、聚噻吩、聚合金属茂，或固体过渡金属氧化物，包括(但不限于)钒、镍和铱的氧化物，以及许多杂环化合物。阳极材料包括如名为单隔室、自动擦除、溶液相电致变色装置，其中使用的溶液和其用途(Single-Compartment, Self-Erasing,Solution-Phase ElectrochromicDevices,Solutions For Use Therein,And Uses Thereof)的美国专利案第4,902,108号；名为电致变色化合物(Electrochromic Compounds)的美国专利案第5,998,617号；名为色彩稳定电致变色装置(Color-Stabilized Electrochromic Devices) 的美国专利案第6,188,505号；名为用于电致变色介质和相关电致变色装置中的受控漫射系数电致变色材料(Controlled Diffusion Coefficient Electrochromic Materials For Use InElectrochromic Mediums And Associated Electrochromic Devices)的美国专利案第6,710,906号；以及名为电致变色化合物以及相关介质和装置的美国专利案第7,428,091号中所描述的材料。
在另一实施例中，至少一种阳极电活性材料包括吩嗪化合物。这类化合物可以经取代或未经取代。说明性吩嗪化合物包括(但不限于) 2,7-二烷基-5,10-二烷基-5,10-二氢吩嗪。在一些这类实施例中，吩嗪中的5,10-二烷基中的至少一个烷基具有至少4个碳原子，并且不含任何β-氢原子，并且吩嗪中的2,7-二烷基中的至少一个烷基具有至少4个碳原子。在另一实施例中，5,10-二烷基中的至少一个烷基是新戊基，并且2,7-二烷基中的至少一个烷基是异丁基、(2-乙基丁基)或(2-丙基戊基)。在一些实施例中，5,10-二烷基中的至少一个烷基是新戊基，并且 2,7-二烷基中的至少一个烷基是2-乙基-1-丁醇。在另一实施例中，5,10- 二烷基中的至少一个烷基是新戊基，并且2,7-二烷基中的至少一个烷基是异丁基。
阴极材料可以包括例如紫精(如甲基紫精四氟硼酸盐、辛基紫精四氟硼酸盐(辛基紫精)或苯甲基紫精四氟硼酸盐)、二茂亚铁盐，如 (6-(三-叔-丁基二茂亚铁)己基)三乙铵二-四氟硼酸盐(TTBFc.+)并且如名为可逆电沉积装置和相关电化学介质(ReversibleElectrodeposition Devices And Associated Electrochemical Media)的美国专利案第7,046,418中所披露。尽管已经出于说明性目的提供具体阴极材料，但可使用许多其它常规阴极材料，包括(但不限于)先前参考的美国专利案第4,902,108号；第6,188,505号；第6,710,906号；以及第7,855,821 号中披露的材料。阴极材料可以包括聚合物薄膜(如各种聚噻吩或聚合紫精)、无机薄膜，或固体过渡金属氧化物，包括(但不限于)氧化钨。在一个实施例中，至少一种阴极电活性材料包括紫精。在另一实施例中，至少一种阴极电活性材料包括1,1'-二烷基-4,4'-二吡啶化合物。在另一实施例中，至少一个连接到二吡啶化合物的烷基包括至少4个碳原子，和少于两个β-氢原子。在另一实施例中，二吡啶化合物中的至少一个烷基包括(2-乙基己基)基团。在一些实施例中，紫精相对离子是任何负离子。说明性负离子包括(但不限于)BF4 -、PF6 -、SbF6 -、对甲苯磺酸根、三氟甲烷磺酸根或双-三氟甲烷磺酰亚胺。
在一个实施例中，电致变色装置可具有约20秒到约150秒的透明化时间。在另一实施例中，电致变色装置可具有约20秒到约100秒、约25秒到约85秒、约30秒到约70秒、约35秒到约55秒、约40秒到约50秒或在这些值中的任何两个(包括端点)之间的范围内的透明化时间。在另一实施例中，电致变色装置可具有约20秒到约60秒的透明化时间。在另一实施例中，电致变色装置可具有小于约150秒的透明化时间。在另一实施例中，电致变色装置可具有小于约150秒、约140秒、约130秒、约120秒、约110秒、约100秒、约100秒、约90秒、约80秒、约70秒、约60秒、约50秒、约40秒、约30秒、约20秒或在这些值中的任何两个(包括端点)之间的范围内的透明化时间。
在一个实施例中，电致变色装置可具有约5秒到约30秒的暗化时间。在另一实施例中，电致变色装置可具有约10秒到约20秒的暗化时间。
在一些实施例中，阳极材料和/或阴极材料可具有约1毫摩尔(mM) 到约500mM并且更优选约2mM到约100mM范围内的浓度。
在一个实施例中，至少一种阳极电活性材料具有至少5mM的浓度。在另一实施例中，至少一种阳极电活性材料具有约2mM到约100 mM、约5mM到约75mM、约7mM到约70mM或在这些值中的任何两个(包括端点)之间的范围内的浓度。在另一实施例中，至少一种阳极电活性材料具有约5mM到约7mM的浓度。在另一实施例中，第二阳极电活性材料具有约50mM到约60mM的浓度。
在一个实施例中，至少一种阴极电活性材料具有至少50mM的浓度。在另一实施例中，至少一种阴极电活性材料具有约50mM到约100 mM、约60到约90mM、约70mM到约80mM或在这些值中的任何两个(包括端点)之间的范围内的浓度。
在另一实施例中，电致变色装置可具有至少约2,000:1的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有至少约10,000:1的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有至少约40,000:1的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有至少约60,000:1的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有至少约80,000:1的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有约2,000:1到约100,000:1的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有至少约40,000:1、约50,000:1、约60,000:1、约70,000:1、约80,000:1、约90,000:1、约100,000:1、约 150,000:1、约200,000:1、约300,000:1、约400,000:1、约500,000:1或在这些值中的任何两个(包括端点)之间的范围内的对比率。在一个实施例中，电致变色装置可具有约40,000:1到约500,000:1的对比率。在另一实施例中，电致变色装置可具有约40,000:1到约500,000:1； 50,000:1到约450,000:1；约60,000:1到约400,000:1；约70,000:1到约 350,000:1；约80,000:1到约300,000:1；约90,000:1到约250,000:1；约 100,000:1到约200,000:1；或在这些值中的任何两个(包括端点)之间的范围内的对比率。
在一些实施例中，电致变色组合物的溶剂可包括(但不限于)3- 甲基环丁砜、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、甲乙醇二甲醚和其它聚醚；醇，如乙氧基乙醇；腈，如乙腈、戊二腈、3-羟基丙腈和2-甲基戊二腈；酮，包括2-乙酰基丁内酯和环戊酮；环酯，包括β-丙内酯、γ-丁内酯和γ-戊内酯；有机碳酸酯，如(但不限于)碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯；以及它们的均相混合物。在另一实施例中，电致变色组合物可包括碳酸丙烯酯溶剂。
在一个方面中，本发明技术涉及飞行器窗口系统。这类系统可包括用于外壳，其用于收纳第一大体上透明内部衬底、第二大体上透明外部衬底以及位于内部衬底与外部衬底之间可变透射率电致变色窗口，其中可变透射率电致变色窗口包括：第三大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；第四大体上透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；位于第一衬底与第二衬底之间的腔室内所含的电致变色组合物，其包括至少一种阳极电活性材料、至少一种阴极电活性材料和至少一种溶剂，其中阳极电活性和阴极电活性材料中的至少一个可电致变色；并且其中电致变色装置呈现至少20,000:1的对比率、小于约30秒的暗化时间和小于约150秒的透明化时间。
在一些实施例中，飞行器窗口系统包括可变透射率电致变色窗口，其包括固定在外壳内的内部衬底和外部衬底。飞行器窗口系统可适用于例如私人和商用飞行器(包括(但不限于)由波音公司(Boeing) 和湾流公司(Gulfstream)制造的飞行器)中的应用。
在一些实施例中，内部衬底可包括由聚碳酸酯树脂(如莱克桑 (Lexan))制造的衬底。应理解，内部衬底可由飞行器工业内可接受作为内部衬底的任何材料制成。
在一些实施例中，外部衬底或主要压力窗口可包括由玻璃、拉伸丙烯酸或其层合物制成的衬底。
实例
以下实例更具体地说明用于制备根据上述各种实施例的聚合物的方案。在室温下收集所有测量值。这些实例不应解释为限制本发明技术的范围。
实例1。可变透射率电致变色窗口。通过以平行排列、按相隔250 μm间隔安置两个涂有氧化铟锡(ITO)的玻璃衬底来制造可变透射率电致变色装置，其中涂有ITO的侧面彼此面对。每个衬底具有围绕衬底周边配置的导电性银环氧化物。在两个衬底之间，环氧化物密封件围绕银环氧化物的周边配置(向内延伸)，将衬底密封在一起以形成腔室。使环氧化物密封件固化。接着用含有电致变色组合物的碳酸丙烯酯填充腔室。组合物中包括69.3mM(双-N,N'-(2-乙基己基)紫精(BF4)2； 53.0mM 5,10-二氢-5,10-二新戊基吩嗪；5.8mM 2,7-二-2-乙基丁基 -5,10-二新戊基-5,10-二氢吩嗪；5.8mM 2,7-二异丁基-5,10-二新戊基 -5,10-二氢吩嗪；15mM Tinuvin 384；30mM Tinuvin PE；170mM 4- 甲氧基-2-羟基二苯甲酮；1.0mM十甲基二茂铁BF4；0.5mM十甲基二茂铁；使组合物形成交联聚合物基质，如名为具有自动复原交联聚合物凝胶的电致变色介质和相关电致变色装置(ElectrochromicMedium Having A Self-Healing Cross-Linked Polymer Gel And AssociatedElectrochromic Device)的美国专利案第6,635,194号中所描述，其中聚合物基质分别由5.5重量％聚合物(由1:10摩尔比的甲基丙烯酸2-羟乙酯和丙烯酸甲酯制成)制成，并且与0.375重量％4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)(MDI)交联和用8ppm二乙酸二丁基锡催化。
实例2。两个所制造的电致变色装置的时序结果。制造与实例1 中的装置类似的装置。用以下材料制造第二装置：34.8mM(双-N,N'-(2- 乙基己基)紫精(BF4)2；26.5mM 5,10-二氢-5,10-二新戊基吩嗪；5.8mM 2,7-二-2-乙基丁基-5,10-二新戊基-5,10-二氢吩嗪；15mM Tinuvin 384； 30mM Tinuvin PE；85mM 4-甲氧基-2-羟基二苯甲酮；1.0mM十甲基二茂铁BF4；0.5mM十甲基二茂铁；0.375重量％MDI；5.5重量％甲基丙烯酸2-羟乙酯和丙烯酸甲酯(分别1:10摩尔比)的共聚物；以及 8ppm二乙酸二丁基锡。如实例1中所描述，将电致变色介质填充到装置中，但两个涂有ITO的玻璃片之间具有更大的500μm单元间隔。对每个装置施加1.2V电压，并且如下测量暗化和透明化时间。历时300 秒在第二个一半时段间隔测量透射百分比，以便测量两个装置的暗化时间。在300秒之后，移除电压并且在两个ITO电极之间置放外部短路以测量两个装置的透明化时间。结果展示于表1和图1中。
表1：暗化和透明化时间
电压 时间(秒) 实例1 实例1对比率 实例2 对照对比率
1.2 0 65.23 1 62.67 1
1.2 5 3.66* 17.8224044 11.87 5.279697
1.2 10 0.54 120.796296 5.67* 11.05291
1.2 11 0.64 101.921875 5.1 12.28824
1.2 12 0.33 197.666667 4.9 12.7898
1.2 13 0.47 138.787234 4.1 15.28537
1.2 15 0.31 210.419355 3.32 18.87651
1.2 16 0.36 181.194444 3.02 2075166
1.2 20 0.03 2174.33333 2.15 29.14884
1.2 60 0.08 815.375 0.18 348.1667
1.2 100 0.1 652.3 0.15 417.8
1.2 150 0.26 250.884615 0.05 1253.4
1.2 200 0.1 652.3 0.08 783.375
1.2 250 0.03 2174.33333 0.08 783.375
1.2 300 0.03 2174.3333 0.1 626.7
0 300.5 0.28 232.96428 0.49 127.898
0 310 0.49 133.122449 0.36 174.0833
0 320 6.06 10.7640264 0.9 69.63333
0 330 21.43 3.04386374 1.19 52.66387
0 340 41.71 1.56389355 2.88 21.76042
0 350 59.03 1.10503134 4.5 13.92667
0 355 63.49 1.02740589 6.07 10.32455
0 360 65.09** 1.00215087 7.79 8.044929
0 365 64.16 1.01667706 9.42 6.652866
0 370 65.11 1.00184303 11.62 5,393287
0 400 65.08 1.00230486 30.11 2.081368
0 450 64.77 1.00710205 61.44** 1.02002
0 500 65.04 1.00292128 64.07 0.978149
0 600 65.49 0.99602993 64.06 0.978302
*指定染色时间；**指定透明化时间
如表1和图1所说明，实例1的电致变色装置(具有较小单元间隔)与对照物相比具有显著更快的暗化和透明化时间，但都达到类似的低透射率状态。换句话说，可制备具有与对照装置类似的极低透射率状态的装置，但其由于较小单元间隔而具有较短透明化和暗化时间。表1还说明所使用的光源和检测器不足以精确测量低透射率值。这可最易见于60与300秒时间之间的低透射率值中的噪音中。
实例3。(比较/现有技术)以商用飞行器窗口的形状构造电致变色窗口。椭圆形窗口具有约47.625cm高度和约28.575cm宽度，并且由具有ITO导电涂层的两个玻璃衬底制成，其中薄层电阻是约2欧姆/平方(参见名为可变透射率窗口系统(Variable TransmissionWindow System)的美国专利案第7,990,603号)。用以下材料的溶液填充窗口： 34.8mM 2-乙基己基紫精(BF4)2；26.5mM 5,10-二氢-二新戊基吩嗪； 5.8mM 2,7-二-2-乙基丁基-5,10-二新戊基-5,10-二氢吩嗪；15mM Tinuvin 384；30mM Tinuvin PE；85mM 4-甲氧基-2-羟基二苯甲酮；1.0 mM十甲基二茂铁BF4；0.5mM十甲基二茂铁；0.375重量％MDI；5.5 重量％甲基丙烯酸2-羟乙酯和丙烯酸甲酯的共聚物(1:10摩尔比)；以及8ppm二乙酸二丁基锡。通过
Figure GDA0002298518000000151
LT-9001/LT-9030测量法测定单元间隔，窗口中心附近是543μm并且边缘附近是582μm。使用
Figure GDA0002298518000000152
单杆光谱仪和双杆
Figure GDA0002298518000000153
7000UV-VIS-NIR光谱仪测量窗口，利用光密度值为4“OD 4”的中性密度滤光器缓解参考光束。使用发光体D65和10°观测器(参见“色彩技术原理(Principles of Color Technology)”(比尔迈耶(Billmeyer)和萨尔茨曼(Saltzman)))测量高透射率值和完全暗化透射率值，定义为CIE Y。此外，通过嵌入窗口周围的银环氧化物条带，通过对窗口施加1.2V来用
Figure GDA0002298518000000154
光谱仪测量时序(与透明导电涂层接触800秒)。接着使窗口短路以使其恢复其高透射率状态。
实例4。以与实例3类似的方式制造电致变色窗口，但在中心附近具有308μm单元间隔并且在边缘附近具有331μm单元间隔。用以下材料的溶液填充窗口：69.6mM2-乙基己基紫精(BF4)2；53.0mM 5,10- 二氢-二新戊基吩嗪；5.8mM 2,7-二-2-乙基丁基-5,10-二新戊基-5,10-二氢吩嗪；5.8mM 2,7-二异丁基-5,10-二新戊基-5,10-二氢吩嗪；30mM Tinuvin PE；1.0mM十甲基二茂铁BF4；0.5mM十甲基二茂铁；0.375 重量％MDI；5.5重量％甲基丙烯酸2-羟乙酯和丙烯酸甲酯的共聚物 (1:10摩尔比)和8ppm二乙酸二丁基锡。以与实例3中的窗口相同的方式测量窗口。
实例5。以与实例3类似的方式制造电致变色窗口，但中心附近的单元间隔是373μm并且边缘附近的单元间隔是367μm，并且用实例4 的溶液填充1欧姆/平方的ITO薄层电阻。以与实例3中的窗口相同的方式测量窗口。
实例6。以与实例5类似的方式制造电致变色窗口，但中心附近的单元间隔是301μm并且边缘附近的单元间隔是301μm，并且用实例5 的溶液填充。以与实例3中的窗口相同的方式测量窗口。
表2说明实例3、4、5和6中制造的窗口的光学特性。
表2：窗口的光学特性
窗口 透明状态透射率 暗化状态透射率 对比率 染色时间 透明化时间
实例3中心 66.9 0.0020 33,450 23 355
实例4中心 67.5 0.0024 29,350 21 113
实例5中心 52.6 0.00017 310,000 16 173
实例6中心 53.9 0.0016 36,000 14 115
实例3边缘 64.0 0.00094 71,100 13 511
实例4边缘 67.6 0.00085 75,100 7 131
实例5边缘 50.6 0.00019 266,300 7 161
实例6边缘 50.0 0.0015 35,700 7 113
除高透射率和低透射率值以外，通过使用
Figure GDA0002298518000000163
光谱仪并且保持窗口在0.3与0.8V之间以100mV递增历时800秒来测量中间状态值，并且测量窗口的中心附近和边缘附近的CIE Y值。
表3.在中间电压下，边缘和中心处的透射率。
Figure GDA0002298518000000161
也在具有明亮白色背景的暗淡房间光线中目视检验窗口。在中间电压下，发现边缘与中心之间的透射率差，但其似乎并不与边缘与中心之间测量的透射率差相关。举例来说，在0.6V下实例4的透射率不同与相同窗口在0.7V下的差值相比不太显著。
表4.边缘与中心差和对数值差
Figure GDA0002298518000000162
Figure GDA0002298518000000171
发现透射率值的log10的差值是边缘与中心之间的感知透射率差值的更好测量值(举例来说，实例4的窗口在0.7--0.8V下与在0.5V下相比具有更大的感知边缘与中心差值，但透射率值的差值显著较小)。具有较大单元间隔和较小动态范围的现有技术窗口在整个中间透射率水准下展示极小的边缘与中心之间的感知差值。优选的是，在窗口的所有中间状态电压下，中心与边缘之间的透射率值的对数值的差值“Mce(T)”保持小于1，并且更优选保持小于0.7且更优选保持小于0.5。
实施方式和权利要求书中描述的例示性实施例不意图是限制性的。在不脱离本文呈现的标的物的精神或范围的情况下，可以使用其它实施例，并且可做出其它改动。
等效物
虽然已经说明并且描述了某些实施例，但应理解，可以根据一般技术人员在不脱离如以下权利要求书中所限定的其较宽方面的技术的情况下在其中进行改变和修改。
可以在没有任何要素或限制存在的情况下适当地实践本文中说明性地描述的实施例，不用在本文中具体公开。因此，举例来说，应广泛地且非限制性地理解术语“包含(comprising)”、“包括(including)”、“含有(containing)”等。另外，在本文中使用的术语和表达已用作描述而非限制的术语，并且在这类术语及表达的使用中不意欲排除所展示和描述的任何等效特征或其部分，但应认识到在如所要求的技术范围内各种修改是可能的。另外，短语“基本上由……构成”将理解为包含那些具体列举的要素和那些并未显著影响所要求的技术的基本和新颖特征的额外要素。短语“由……组成”不包括任何未指定的要素。
本发明不限于本申请案中所描述的具体实施例。如所属领域的技术人员将显而易见，可以在不脱离其精神和范围的情况下进行许多修改和变化。除本文中所列举的那些之外，所属领域的技术人员根据前文描述应清楚还有在本发明范围内的功能上等效的方法和组合物。这类修改和变化也意在属于所附权利要求书的范围内。本发明仅由所附权利要求书的术语以及权利要求书所授权的等效物的完整范围来限制。应理解本发明不限于具体方法、试剂、化合物组成物或生物系统，这些当然可以改变。还应了解，本文中所用的术语仅仅是为了描述具体实施例，并且不打算作为限制。
此外，当根据马库什组(Markush groups)描述本发明的特征或方面时，所属领域的技术人员应认识到本发明也由此根据马库什组中成员的任何个别成员或子组描述。
所属领域的技术人员将理解，出于任何和所有目的，特别是就提供书面说明来说，本文所公开的所有范围还涵盖其任何和所有可能的子范围和子范围组合。任何列举的范围可以因充分说明而易于识别，并且能够将同一个范围分解为至少相同的两份、三份、四份、五份、十份等。作为非限制性实例，本文中论述的每个范围可易于分解为下部三分之一、中间三分之一和上部三分之一等。所属领域的技术人员还应理解，所有语言，例如“高达”、“至少”、“超过”、“低于”等都包括所列举的数字并且指可以随后如上文所论述而分解为子范围的范围。最后，所属领域的技术人员将理解，范围包括每个个别成员。
本说明书中所提到的所有公开案、专利申请案、颁布专利案以及其它文献都以引用的方式并入本文中，如同特定地且单独地指示每个个别公开案、专利申请案、颁布专利案或其它文献以全文引用的方式并入本文中。以引用的方式并入的文字中所含有的定义在达到以下程度时被排除：其与本发明中的定义相抵触。
其它实施例阐述于以下权利要求书中。

Claims (23)

1.一种电致变色装置，其包含：
第一透明衬底；
第二透明衬底，其平行于所述第一透明衬底并且与其隔开；和
电致变色介质，其安置在所述第一透明衬底与所述第二透明衬底之间；
其中：
所述电致变色装置经配置以呈现至少20,000:1的对比率、小于30秒的暗化时间和小于150秒的透明化时间；并且
所述电致变色介质包含阳极电活性材料和阴极电活性材料，所述阴极电活性材料包含N,N'-二烷基二吡啶化合物。
2.根据权利要求1所述的电致变色装置，其中所述对比率是20,000:1到500,000:1。
3.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述对比率是至少40,000:1。
4.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述对比率是至少60,000:1。
5.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述透明化时间是20秒到60秒。
6.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述暗化时间是5秒到小于30秒。
7.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述阳极电活性材料以至少5mM的浓度在所述介质中。
8.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述阳极电活性材料以5mM到7mM的浓度在所述介质中。
9.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述阴极电活性材料以至少50mM的浓度在所述介质中。
10.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述阴极电活性材料以60mM到100mM的浓度在所述介质中。
11.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述第一透明衬底与所述第二透明衬底间隔小于500μm的距离。
12.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述第一透明衬底与所述第二透明衬底间隔150μm到500μm的距离。
13.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述第一透明衬底与所述第二透明衬底间隔200μm到300μm的距离。
14.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述阳极电活性材料包含吩嗪。
15.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述阳极电活性材料包含2,7-二烷基-5,10-二烷基-5,10-二氢吩嗪化合物，并且所述5,10-二烷基中的至少一个烷基具有至少四个碳原子，且不含任何β氢原子；并且所述2,7-二烷基中的至少一个烷基包含至少四个碳原子。
16.根据权利要求15所述的电致变色装置，其中所述5,10-二烷基中的至少一个烷基包含经取代或未经取代的新戊基；并且所述2,7-二烷基中的至少一个烷基包含经取代或未经取代的异丙基、异丁基、(2-乙基丁基)或(2-丙基戊基)基团。
17.根据权利要求1所述的电致变色装置，其中所述N,N'-二烷基二吡啶化合物中的至少一个烷基包含至少四个碳原子，并且包括小于两个β氢原子。
18.根据权利要求1所述的电致变色装置，其中所述N,N'-二烷基二吡啶化合物中的至少一个烷基是2-乙基己基。
19.根据权利要求1或2所述的电致变色装置，其中所述电致变色介质包含至少三种不同的阳极电活性材料。
20.一种飞行器窗口系统，其包含：
外壳，其用于收纳第一透明内部衬底、第二透明外部衬底以及位于所述内部衬底与外部衬底之间的可变透射率电致变色窗口，所述可变透射率电致变色窗口包含：
第三透明衬底，其具有与其相关联的导电材料；
第四透明衬底，其具有与其相关联的导电材料，所述第四透明衬底与所述第三透明衬底平行安置且与所述第三透明衬底隔开；以及
电致变色介质，其安置在所述第三透明衬底与第四透明衬底之间，并且使与所述第三透明衬底相关联的导电材料与与所述第四透明衬底相关联的导电材料接触，
其中：
所述电致变色介质包含：
阳极电活性材料；
阴极电活性材料；以及
溶剂；
所述阳极电活性和阴极电活性材料中的至少一个可电致变色；
所述可变透射率电致变色窗口呈现至少20,000:1的对比率；
所述可变透射率电致变色窗口呈现小于30秒的暗化时间；以及
所述可变透射率电致变色窗口呈现小于150秒的透明化时间。
21.根据权利要求20所述的飞行器窗口系统，其中所述可变透射率电致变色窗口在所述可变透射率电致变色窗口的所有透射率值下保持Mce(T)小于1，其中Mce(T)是所述可变透射率电致变色窗口的边缘处的透射率值的对数值与所述可变透射率电致变色窗口的中心处的透射率值的对数值之间的差值。
22.根据权利要求20或21所述的飞行器窗口系统，其中所述可变透射率电致变色窗口在所述可变透射率电致变色窗口的所有透射率值下保持Mce(T)小于0.7。
23.根据权利要求20或21所述的飞行器窗口系统，其中所述可变透射率电致变色窗口在所述可变透射率电致变色窗口的所有透射率值下保持Mce(T)小于0.5。
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