CN107167980A - 一种柔性电致变色薄膜的制备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性电致变色薄膜的制备方法，其柔性电致变色薄膜器件结构包括：至少含有两层柔性透明导电层，至少含有一层电致变色层，至少含有一层高效的固态电解质膜；以PVB为载体制备的固态电解质膜，将无机锂化合物溶解在聚碳酸酯溶液中作为电解质离子溶液，并按一定的比例加入助剂后用有机溶剂溶解,然后通过球磨形成均匀的浆料，然后通过丝网印刷的工艺或者喷涂方法在透明导电层表面形成一层透明均匀的电解质层，真空密封后制备出高效率的固态电致变色器件,直流电源的作用下，调节电压在5‑15V之间，使得器件从无色变为深色，变色效率在5‑30秒；然后调换电源的正负极，调节电压在5‑10V，使得器件又重新变为无色。

Description

一种柔性电致变色薄膜的制备
技术领域
本发明属于化工新材料制备领域，具体涉及一种柔性电致变色薄膜的制备。
背景技术
电致变色(Electrochromism)是指在电场和电流的作用下，材料通过电化学过程引起氧化还原反应而产生可逆变色的现象。电致变色系统结构复杂，通常由夹在两层透明导电层(TC)之间的电致变色层(EC)、离子导电层(IC)和离子储存层(IS)五层结构构成，在透明导电层间加上1～3V直流电压时，导电离子将在离子储存层和电致变色层之间往返穿梭。利用材料的电致变色特性可将其制成颜色及热辐射透过率可调的智能窗(smartwindow，又称灵巧窗)。电致变色玻璃中的变色材料在电场作用下可选择性地吸收或反射外界热辐射和阻止内部热扩散，可减少办公大楼和民用住宅等建筑物在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须耗费的大量能源。同时，也起到改善自然光照度，防窥，防眩光等作用，并可减少室内外遮光设施。
随着现代科学技术的发展，节能和环保受到了人们越来越多的关注。由于建筑能耗占有较大的比重，且呈逐年上升的趋势，因此，建筑节能已成为经济发展的一项长期的战略方针。电致变色玻璃以其安全、隔音、隔热、抗紫外线等优异的性能被广泛应用于建筑业，其优异的隔热性能主要得益于夹层玻璃中间的聚合物材料的导热系数比普通玻璃的导热系数低得多，在热流的传递过程中对热流的阻碍作用较大。虽然夹层玻璃采用中间夹膜能很好的解决建筑节能的问题，但是这些夹电致变色玻璃主要是采用液态电解质作为电致变色玻璃的离子传输层，这样会给电致变色玻璃的封装带来极大的不便，而且也不利于大面积显示。类似的中国专利申请文件CN106020350 A公开了一种凝胶电解质的制备方法，该方法制备了效率较高的电解质层，但是由于是液态存在，无法工业化生产。中国专利申请文件CN106117932 A、CN103214983 B公开了一种以PVB为载体，采用双螺杆熔融共混挤出的方式制备了PVB导电母粒，然后在挤出流延的过程中按比例加入PVB导电母粒，制得一种高电导率PVB胶片，最后通过高压釜蒸压彻底排出空气和水分制成电致变色夹胶玻璃，该方法制得的电致变色玻璃转换效率高，性能稳定，但是大面积制备存在限制，而且工业化生产成本高，工艺复杂。
本发明通过制备一种柔性电致变色薄膜，以PVB为载体制备了可以通过印刷和喷涂的方法获得高效的固态电解质膜，从而解决了大面积显示的问题，同时也解决了柔性电致变色器件的制备存在的关键问题，克服了电致变色玻璃自身的问题，大大提高了工业化的生产效率。
发明内容
本发明提供了一种柔性电致变色薄膜的制备方法，其柔性电致变色薄膜器件结构包括：至少含有两层柔性2透明导电层与5透明导电层，至少含有一层3电致变色层，至少含有一层高效的固态电解质膜，形成4电解质层；其特征在于所述的固态电解质膜是以PVB为载体，将无机锂化合物溶解在聚碳酸酯溶液中作为电解质离子溶液，并按一定的比例加入助剂后用有机溶剂溶解,然后通过球磨形成均匀的浆料，然后通过丝网印刷的工艺或者喷涂方法在透明导电层表面形成一层透明均匀的电解质层，然后通过烘干，真空密封后制备出高效率的固态电致变色器件,将制备的柔性电致变色薄膜在直流电源的作用下，调节电压在5-15V之间，使得器件从无色变为深色，变色效率在5-30秒；然后调换电源的正负极，1阳极为正极，6阴极为负极，调节电压在5-10V，使得器件又重新变为无色。
本发明中的PVB载体是以PVB树脂粉体为原材料，将粉体溶解在有机溶剂中，得到无色透明，均匀粘稠的凝胶，其中所使用的有机溶剂为二甲基甲酰胺、丙酮、环己酮、甲苯、二甲苯中的一种或多种；无机锂盐为高氯酸锂、碳酸锂、氟化锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂中的一种或多种，PVB（聚乙烯醇缩丁醛）具有透明，耐光、耐水、成膜和抗冲性能，对玻璃、金属、木材、陶瓷、皮革、纤维等材料有较好的粘接性能，因此其主要用途是作为中间粘合薄膜层；通过实验结论得知，不同的电解质薄膜厚度对柔性电致变色薄膜的变色电压和反应效率存在较大的影响，当电解质薄膜厚度在0.05-0.1毫米范围内，变色电压为5-10V，变色效率在5-15秒；当电解质薄膜厚度在0.1-0.15毫米范围内，变色电压为10-15V，变色效率在10-20秒。
本发明中的电解质浆料中添加的助剂包括增塑剂、消泡剂、抗氧化剂；增塑剂的作用是为了增加电解质膜的柔韧性，消泡剂的作用是为了抑制球磨过程中产生的气泡，抗氧化剂的作用是为了防止电解质膜发生氧化而导致性能下降；其中增塑剂为三甘醇二异辛酸酯、二甘醇二苯甲酸酯、二丙二醇二苯甲酸酯中的一种或多种；消泡剂为聚二甲基硅氧烷、乳化硅油、聚氧丙烯甘油醚中的一种或多种；抗氧化剂为二丁基羟基甲苯、叔丁基对羟基茴香醚、叔丁基对苯二酚中的一种或多种。
本发明中的柔性电致变色器件的制备方式为首先在透明导电膜表面印刷一层透明的电致变色层，在真空烘箱中烘干备用，然后在电致变色层表面印刷或喷涂上一层均匀透明的电解质浆料，于恒温恒湿箱中静置30-60分钟，然后电解质表面覆上一层透明导电膜,密封后置于1000C真空烘箱内，恒温真空保持1-2小时，然后关闭加热冷却至室温，冷却至室温后取出柔性的电致变色器件，然后通过冷裱工艺在器件表面覆上一层防水膜，然后再次真空烘干2-3小时，烘干完成后即可得到所需的柔性电致变色器件，器件总厚度可以控制在0.25毫米以内，满足客户对器件厚度及柔性的要求。
图1.一种柔性电致变色薄膜器件结构
图中结构：1阳极，2透明导电层，3电致变色层，4电解质层，5透明导电层，6阴极。
具体实施方式
本发明提供了一种柔性电致变色薄膜的制备方法，柔性电致变色薄膜器件结构包括：两层柔性透明导电层，在其中一层透明导电膜表面印刷一层均匀透明的电致变色层，在另一层透明导电膜表面采用印刷或者喷涂工艺，在导电膜表面附着一层高效均匀的透明固态电解质膜；其特征在于所述的固态电解质膜是以PVB为载体，将无机锂化合物溶解在聚碳酸酯溶液中作为电解质离子溶液，并按一定的比例加入其他的助剂后用有机溶剂溶解,然后通过球磨形成无色透明均匀的浆料，然后通过丝网印刷的工艺或者喷涂方法在基体表面形成一层透明均匀的电解质层，然后通过烘干，将两层薄膜通过高压真空密封后制备出高效率的固态电致变色器件；将制备的柔性电致变色薄膜在直流电源的作用下，正极与印刷电致变色层的透明导电层连接，负极与另一层透明导电层连接，通过调节直流电源的电压来控制电致变色薄膜的变色效率，当电压在5-15V之间，使得器件从无色变为深色，变色效率在5-30秒；然后调换电源的正负极，调节电压在5-10V，使得器件又重新变为无色。
本发明中的PVB载体是以PVB树脂粉体为原材料，PVB（聚乙烯醇缩丁醛）具有透明，耐光、耐水、成膜和抗冲性能，对玻璃、金属、木材、陶瓷、皮革、纤维等材料有较好的粘接性能，因此其主要用途是作为中间粘合薄膜层；将PVB树脂粉体溶解在有机溶剂中，得到无色透明，均匀粘稠的凝胶，其中所使用的有机溶剂为二甲基甲酰胺、丙酮、环己酮、甲苯、二甲苯中的一种或多种，其中二甲基甲酰胺与二甲苯按体积比2:1混合使用所得到的浆料均匀度与粘度效果较好，丙酮和甲苯按体积比3:5混合使用所得到的浆料固化成膜性能较优；无机锂盐电解质为高氯酸锂、碳酸锂、氟化锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂中的一种或多种，将无机锂化合物按质量比15%-25%溶解到聚碳酸酯中形成电解质溶液,其中高氯酸里作为电解质离子转换效率较高。
本发明中的电解质浆料中添加的助剂包括增塑剂、消泡剂、抗氧化剂；增塑剂的作用是为了增加电解质膜的柔韧性，增加表面张力，改善在器件制备过程中的机械性能；消泡剂的作用是为了抑制球磨过程中产生的气泡，为浆料在印刷和喷涂的使用过程中提高使用效率，防止吸潮而影响浆料的性能；抗氧化剂的作用是为了防止电解质膜发生氧化而导致性能下降；其中增塑剂为三甘醇二异辛酸酯、二甘醇二苯甲酸酯、二丙二醇二苯甲酸酯中的一种或多种；消泡剂为聚二甲基硅氧烷、乳化硅油、聚氧丙烯甘油醚中的一种或多种；抗氧化剂为二丁基羟基甲苯、叔丁基对羟基茴香醚、叔丁基对苯二酚中的一种或多种。
本发明中电解质浆料制备工艺为，将所需的PVB粉体，无机锂化合物使用之前在真空烘箱中干燥24小时以上，然后将PVB粉体、电解质溶液、增塑剂、消泡剂、抗氧化剂按一定比例混合溶解，各物质添加的质量百分比约为：60-65%：10-15%：5-10%：2-5%：2-5%；有机溶剂的添加量和PVB粉体的质量比为6.5:1；然后将各物质按比例混合后进行球磨24小时后得到所需的电致变色浆料；通过实验结论得知，不同的电解质薄膜厚度对柔性电致变色薄膜的变色电压和反应效率存在较大的影响，当电解质薄膜厚度在0.05-0.1毫米范围内，变色电压为5-10V，变色效率在5-15秒；当电解质薄膜厚度在0.1-0.15毫米范围内，变色电压为10-15V，变色效率在10-20秒。。
本发明中的透明导电膜、电致变色层均由上海科炎光电技术有限公司提供的型号KPT-EL9的ITO膜以及型号为KPT-EL5的聚合物类变色材料，该柔性电致变色器件的制备方式为首先在透明导电膜表面印刷一层透明的电致变色层，变色层的厚度控制在0.02-0.05毫米内，当厚度小于0.02毫米，变色效果不明显，当厚度大于0.05毫米，导致变色层不够透明；然后在真空烘箱中烘干备用，烘干后在电致变色层表面印刷或喷涂上一层均匀透明的电解质浆料，于恒温恒湿箱中静置30-60分钟，除去薄膜中存在的气泡；然后电解质表面覆上一层透明导电膜,密封后置于1000C真空烘箱内，恒温真空保持1-2小时，然后关闭加热冷却至室温，冷却至室温后取出柔性的电致变色器件，然后通过冷裱工艺在器件表面覆上一层防水膜，然后再次真空烘干2-3小时，烘干完成后即可得到所需的柔性电致变色器件，器件总厚度可以控制在0.25毫米以内，满足客户对器件厚度及柔性的要求。
本发明优点在于
本发明与现有技术相比制备工艺简单，可以通过丝网印刷或喷涂工艺进行大面积制备电致变色器件，成本投入低。
本发明工艺过程操作过程可控性较高，可以直接通过控制印刷或者喷涂的厚度来控制器件的性能，易于工业化连续生产。
本发明工艺环境要求简单，整个印刷和喷涂的工艺在室外条件下完成，只需在密封固化的过程中在真空条件下完成即可，所以生产成本低，工艺可控性高。
本发明所采用的均为无毒无污染的材料，生产过程中不会产生环境危害，电解质离子采用固化成膜的工艺，大大提高了其使用的安全性能。
具体实施例
实施例1
将采购的高氯酸锂、PVB树脂粉体置于1000C真空烘箱中干燥24小时备用。
电解质溶液制备1
称量高氯酸锂1.54g置于烧杯中，然后量取聚碳酸酯10ml加入烧杯内，在室温下搅拌溶解，溶解完成后置于真空干燥箱中保存备用。
电解质浆料制备1
称取干燥后的PVB树脂粉体5.50g置于500ml烧杯中，然后加入配置好的电解质溶液1.25g，搅拌均匀后依次加入三甘醇二异辛酸酯0.85g、聚二甲基硅氧烷0.25g、二丁基羟基甲苯0.31g。搅拌均匀后加入二甲基甲酰胺40ml溶解，彻底溶解后密封保存。
柔性电致变色薄膜制备1
首先将KPT-EL9于1200C烘箱内干燥15min，然后在表面印刷一层电致变色层KPT-EL5，在真空烘箱中烘干备用，烘干后在电致变色层表面印刷一层均匀透明的电解质浆料，于恒温恒湿箱中静置30-60分钟，除去薄膜中存在的气泡；然后电解质表面覆上一层KPT-EL9,密封后置于1000C真空烘箱内，恒温真空保持1-2小时，然后关闭加热冷却至室温，冷却至室温后通过冷裱工艺在器件表面覆上一层防水膜，然后再次真空烘干2-3小时，烘干完成后即可得到所需的柔性电致变色器件。
性能测试1
器件厚度为0.23毫米，连接直流电源，当电压为12V时，变色效率为15秒，调整正负电极，电压为12V时，褪色效率为10秒。
实施例2
电解质浆料制备2
称取干燥后的PVB树脂粉体11.50g置于500ml烧杯中，然后加入配置好的电解质溶液2.55g，搅拌均匀后依次加入二甘醇二苯甲酸酯1.75g、聚氧丙烯甘油醚0.55g、叔丁基对羟基茴香醚0.62g。搅拌均匀后加入二甲基甲酰胺与二甲苯体积比2:1的混合溶剂90ml，彻底溶解后密封保存。
柔性电致变色薄膜制备2
首先将KPT-EL9于1200C烘箱内干燥15min，然后在表面印刷一层电致变色层KPT-EL5，在真空烘箱中烘干备用，烘干后在电致变色层表面印刷一层均匀透明的电解质浆料，于恒温恒湿箱中静置30-60分钟，除去薄膜中存在的气泡；然后电解质表面覆上一层KPT-EL9,密封后置于1000C真空烘箱内，恒温真空保持1-2小时，然后关闭加热冷却至室温，冷却至室温后通过冷裱工艺在器件表面覆上一层防水膜，然后再次真空烘干2-3小时，烘干完成后即可得到所需的柔性电致变色器件。
性能测试2
器件厚度为0.25毫米，连接直流电源，当电压为15V时，变色效率为30秒，调整正负电极，电压为15V时，褪色效率为15秒。
实施例3
电解质浆料制备3
称取干燥后的PVB树脂粉体11.50g置于500ml烧杯中，然后加入配置好的电解质溶液2.55g，搅拌均匀后依次加入三甘醇二异辛酸酯1.75g、乳化硅油0.55g、叔丁基对羟基茴香醚0.62g。搅拌均匀后加入丙酮和甲苯体积比3:5混合溶剂90ml，彻底溶解后密封保存。
柔性电致变色薄膜制备3
首先将KPT-EL9于1200C烘箱内干燥15min，然后在表面印刷一层电致变色层KPT-EL5，在真空烘箱中烘干备用，烘干后在电致变色层表面喷涂一层均匀透明的电解质浆料，于恒温恒湿箱中静置30-60分钟，除去薄膜中存在的气泡；然后电解质表面覆上一层KPT-EL9,密封后置于1000C真空烘箱内，恒温真空保持1-2小时，然后关闭加热冷却至室温，冷却至室温后通过冷裱工艺在器件表面覆上一层防水膜，然后再次真空烘干2-3小时，烘干完成后即可得到所需的柔性电致变色器件。
性能测试3
器件厚度为0.20毫米，连接直流电源，当电压为10V时，变色效率为10秒，调整正负电极，电压为10V时，褪色效率为8秒。
在上面针对本发明较好的实施方式作了举例说明后，对本领域的技术人员来说应明白的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，对本发明所作的任何改变和改进都在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种柔性电致变色薄膜的制备，其包括：至少含有两层柔性透明导电层，至少含有一层电致变色层，至少含有一层高效的固态电解质膜；其特征在于所述的固态电解质膜是以PVB为载体，将无机锂化合物溶解在聚碳酸酯溶液中作为电解质离子溶液，并按一定的比例加入助剂后用有机溶剂溶解,然后通过球磨形成均匀的浆料，然后通过丝网印刷或喷涂的工艺在透明导电层表面形成均匀的电解质层，然后通过烘干，真空密封后制备出高效率的固态电致变色器件。
2.如权利要求1所述的一种柔性电致变色薄膜的制备，其特征在于所述的PVB载体为PVB树脂粉体，将粉体溶解在有机溶剂中，得到无色透明，均匀粘稠的凝胶。
3.如权利要求1所述的一种柔性电致变色薄膜的制备，其特征在于所述的无机锂盐电解质为高氯酸锂、碳酸锂、氟化锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种柔性电致变色薄膜的制备，其特征在于所述的助剂包括增塑剂、消泡剂、抗氧化剂；增塑剂的作用是为了增加电解质膜的柔韧性，消泡剂的作用是为了抑制球磨过程中产生的气泡，抗氧化剂的作用是为了防止电解质膜发生氧化而导致性能下降。
5.如权利要求4所述的助剂，其特征在于所述的增塑剂为三甘醇二异辛酸酯、二甘醇二苯甲酸酯、二丙二醇二苯甲酸酯中的一种或多种；其中消泡剂为聚二甲基硅氧烷、乳化硅油、聚氧丙烯甘油醚中的一种或多种；抗氧化剂为二丁基羟基甲苯、叔丁基对羟基茴香醚、叔丁基对苯二酚中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的一种柔性电致变色薄膜的制备，其特征在于所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺、丙酮、环己酮、甲苯、二甲苯中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的一种柔性电致变色薄膜的制备，其特征在于将无机锂化合物按质量比15%-25%溶解到聚碳酸酯中形成电解质溶液，然后将PVB粉体、电解质溶液、增塑剂、消泡剂、抗氧化剂按质量百分比分别为：60-65%：10-15%：5-10%：2-5%：2-5%；有机溶剂的添加量和PVB粉体的质量比为6.5:1；然后将各物质按比例混合后进行球磨24小时。
8.如权利要求1所述的一种柔性电致变色薄膜的制备，其特征在于所述的至少含有一层电致变色层的制备方式为通过印刷或喷涂工艺在透明导电膜表面涂覆一层致密的电致变色层，然后在烘箱于1150C中烘干15-30分钟，置于恒温恒湿中保存，温度控制为10-150C，湿度控制低于30%。
9.如权利要求1所述的一种柔性电致变色薄膜的制备，其特征在于所述的至少含有一层高效的固态电解质膜的制备方式为通过印刷或喷涂工艺在透明导电膜表面涂覆一层致密的一层均匀的电解质浆料，然后在烘箱于800C中烘10-15分钟后置于恒温恒湿箱中静置30-60分钟，温度控制为10-150C，湿度控制低于30%。
10.如权利要求1所述的一种柔性电致变色薄膜的制备，其特征在于将电致变色层薄膜和固态电解质薄膜贴合后密封，然后置于真空烘箱内于1200C下恒温真空保持1-2小时，然后冷却至室温后即得到柔性的电致变色薄膜。
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