CN108169976A - 一种同轴结构的电致变色纤维及其应用 - Google Patents

一种同轴结构的电致变色纤维及其应用 Download PDF

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本发明涉及一种同轴结构的电致变色纤维及其应用。所述同轴结构的电致变色纤维由内向外依次包括导电支撑纤维、变色层、电解质层和导电高聚物包覆层；所述导电高聚物包覆层和导电支撑纤维之间通过第一外电路连接，用以提供初始化电压；所述导电支撑纤维的两端通过第二外电路连接，用以提供工作电压。本发明的电致变色纤维在无离子储存层的情况下，也具有耐用性好的优点，可应用于智能服装及穿戴式静态显示等领域。

Description

一种同轴结构的电致变色纤维及其应用
技术领域
本发明涉及电致变色领域，尤其涉及一种同轴结构的电致变色纤维及其应用。
背景技术
随着社会的发展和人们生活水平的提高，消费者对纺织品提出了更高的要求，其中可控变色织物和穿戴式静态显示成为了消费市场的新兴发展方向。按引起材料变色的外界刺激不同，一般可以将其分为以下几类：热致变色、光致变色、电致变色、压致变色、湿敏变色、溶剂致变色等。其中，电致变色由于可自主调控及响应时间快等特性,受到了广大科研工作者的青睐，也更容易被企业家和广大消费者所接受。
电致变色器件的工作过程至少包括以下两步：(1)在正向电场的作用下，锂离子或氢离子注入电致变色材料层，引起变色层发生着色过程；(2)在反向电场作用下，锂离子或氢离子从变色层抽取出来，引起变色层发生褪色过程。在褪色的过程中，锂离子被抽取出来后往往会攻击电极，导致器件快速失效，因此需要在对电极上制备离子存储层。但是如果把电致变色器件应用于变色纤维中，离子存储层在离子注入时会产生应力释放，容易导致它从纤维上脱落下来，进而导致纤维失效。因此，一种改进的做法就是去除离子存储层。
现有技术公开了一种电致变色智能纤维的制备方法：通过将超声洗涤后的不锈钢纤维垂直放入3,4-乙撑二氧噻吩溶于高氯酸锂的碳酸丙烯酯的沉积液中进行点沉积，之后进行真空干燥制得；现有技术还公开了一种柔性电致变色纺织纤维及纺织品，包括电致变色器件以及包覆在电致变色器件外周的高分子纤维材料层，其电致变色器件由内向外依次为第一柔性基底、第一导电层、电致变色层、电解质层、第二导电层以及第二柔性基底。这两种电致变色纤维均没有使用离子储存层，虽然结构简单，但是在使用过程中，由于缺少离子存储层，在褪色时，锂离子会直接对导电层进行冲击，导致纤维的耐用性差，穿戴体验差，难以在纺织品市场及穿戴式静态显示方面应用开来。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种同轴结构的电致变色纤维，其无需引入离子存储层，且耐用性好。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种同轴结构的电致变色纤维，由内向外依次包括导电支撑纤维、变色层、电解质层和导电高聚物包覆层；所述导电高聚物包覆层和导电支撑纤维之间通过第一外电路连接，用以提供初始化电压；所述导电支撑纤维的两端通过第二外电路连接，用以提供工作电压。
本发明的工作原理为：施加初始化电压，离子从电解质层注入至变色层，使变色层均匀着色，变色纤维处于深色态；撤去初始化电压，施加工作电压，离子在变色层内轴向迁移，离子运动到变色层的一端并隐藏，使变色层的另一端褪色，变色纤维处于浅色态；撤去工作电压，变色层中隐藏的离子向褪色的一端扩散，使变色层重新均匀着色，变色纤维恢复深色态。
相对于现有技术，本发明的同轴结构的电致变色纤维是基于在工作电压的驱动下，离子在变色层中的轴向迁移实现变色的，从而避免发生离子从变色层抽出的过程，不会对导电层产生冲击，因此无需引入离子储存层以保护导电层，并且在无离子储存层的情况下也具有良好的耐用性。
进一步地，所述导电高聚物包覆层的一端为透明导电端，另一端为深色导电端；所述工作电压的方向沿着导电高聚物包覆层的透明导电端指向深色导电端。优选的，透明导电端可以为涂覆有透明导电PEDOT:PSS薄膜的高分子纤维材料，深色导电端可以为涂覆有深色导电石墨烯薄膜的高分子纤维材料。在工作电压的作用下，离子在变色层中朝着导电高聚物包覆层的深色导电端方向运动，进而隐藏起来。该导电高聚物包覆层有三重功能：(1)作为上电极层，实现电致变色纤维的初始化着色；(2)作为包覆层，实现对电致变色纤维的包覆和保护；(3)作为变色辅助层，透明导电端用于实现电致变色纤维在深色着色态和导电支撑纤维本身浅色态之间的转换，深色导电端用于隐藏在工作电压驱动下迁移至此的离子。进一步地，所述电解质层的厚度为100nm～1mm。电解质可以为凝胶态电解质或全固态电解质，其电导率>10-6S/cm，优选LiClO4和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成的凝胶态混合物或磷酸锗铝锂(LAGP)固态电解质薄膜。
进一步地，所述变色层的厚度为100nm～500nm。变色层可以为无机电致变色材料或有机电致变色材料，无机电致变色材料优选WO3或V2O5，有机电致变色材料优选聚苯胺或普鲁士蓝。
进一步地，所述导电支撑纤维的表面电阻为0.01～1000Ω。优选的，导电支撑纤维为浅色系材料，可以为表面镀金属的织物、表面浸渍导电高分子的织物、表面镀覆金属的导电纤维或纯金属纤维与普通纤维交织得到的织物、纯金属纤维构成织物中的至少一种。
进一步地，所述同轴结构的电致变色纤维还包括透明过渡层，所述透明过渡层位于变色层和导电支撑纤维之间。透明过渡层用于保护导电支撑纤维免于在变色层的制备过程中被氧化，并增加变色层与导电支撑纤维之间的附着力。透明过渡层优选透明的纯金属薄膜或高分子薄膜。
进一步地，所述透明过渡层的厚度为3nm～20nm。
本发明还提供了一种同轴结构的电致变色纤维的控制方法，包括以下步骤：
S1：在导电高聚物包覆层和导电支撑纤维之间施加初始化电压，离子从电解质层注入至变色层，使变色层着色；
S2：撤去初始化电压，在导电支撑纤维的两端施加工作电压，离子在变色层内轴向迁移，离子运动到变色层的一端并隐藏，使变色层的另一端褪色；
S3：撤去工作电压，变色层中隐藏的离子向褪色的一端扩散，使变色层重新着色。
相对于现有技术，本发明的同轴结构的电致变色纤维是基于在工作电压的驱动下，离子在变色层中的轴向迁移实现着色与褪色之间切换，从而避免发生离子从变色层抽出的过程，因此在无离子储存层的情况下，这种电致变色纤维也具有耐用性好的优点。
进一步地，所述同轴结构的电致变色纤维的控制方法还包括步骤S4：在导电高聚物包覆层和导电支撑纤维之间再次施加初始化电压，使变色层恢复为起始的着色状态。通过多次循环使用，变色层的着色态会有所变浅，可再次加载初始化电压，使之恢复为起始的着色状态。
进一步地，所述初始化电压为2～3V；所述工作电压为3～10V。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为实施例1的同轴结构的电致变色纤维的结构示意图。
图2为实施例1的同轴结构的电致变色纤维的层次结构示意图。
图3为实施例1的同轴结构的电致变色纤维的工作原理示意图。
图4为实施例1的同轴结构的电致变色纤维应用于纺织品的示意图。
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，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，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。
实施例1
请参阅图1和图2，图1为本实施例的同轴结构的电致变色纤维的结构示意图，图2为本实施例的同轴结构的电致变色纤维的逐层剥离的层次结构示意图。所述同轴结构的电致变色纤维由内向外依次包括导电支撑纤维1、透明过渡层2、变色层3、电解质层4和导电高聚物包覆层5。
本实施例中，所述导电支撑纤维1为浅色系材料，可以为表面镀金属的织物、表面浸渍导电高分子的织物、表面镀覆金属的导电纤维或纯金属纤维与普通纤维交织得到的织物、纯金属纤维构成织物中的至少一种，其表面电阻优选0.01～1000Ω。
所述透明过渡层2为透明的纯金属薄膜或高分子薄膜，其厚度为3nm～20nm，用以保护导电支撑纤维免于在变色层的制备过程中被氧化，并增加变色层与导电支撑纤维之间的附着力。
所述变色层3可以为WO3或V2O5无机电致变色材料，也可以为聚苯胺或普鲁士蓝有机电致变色材料，其厚度为100nm～500nm。
所述电解质层4可以为凝胶态电解质或全固态电解质，其电导率>10-6S/cm，优选LiClO4和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成的凝胶态混合物或磷酸锗铝锂(LAGP)固态电解质薄膜。
所述导电高聚物包覆层5的一端为透明导电端，可以为涂覆有透明导电PEDOT:PSS薄膜的高分子纤维材料；另一端为深色导电端，可以为涂覆有深色导电石墨烯薄膜的高分子纤维材料。
所述导电高聚物包覆层5和导电支撑纤维1之间通过第一外电路实现电连接，用以提供初始化电压U0；所述导电支撑纤维1的左右两端通过第二外电路实现电连接，用以提供工作电压U1。所述初始化电压U0的方向为导电高聚物包覆层5指向导电支撑纤维1，用于纤维的初始化着色；所述工作电压U1的方向沿着导电高聚物包覆层的透明导电端指向深色导电端，用于实现纤维的变色功能。深色导电端与透明导电端占整个导电高聚物包覆层的比例可以通过调节初始化电压U0和工作电压U1的大小和作用时间进行调控。
本实施例中，透明过渡层2通过磁控溅射或电子束蒸发，形成于经去离子水浸泡清洗并通过真空干燥的导电支撑纤维1的外表面上，变色层3形成于透明过渡层2的外表面上，电解质层4涂覆或生长在变色层3的外表面上，导电高聚物包覆层5包覆于电解质层4的外表面，最后制备得到所述同轴结构的电致变色纤维。优选地，通过在磁控溅射设备中配备能够使导电支撑纤维1匀速旋转的小型电机装置，该电致变色纤维的各层均可以通过磁控溅射一体完成，大大提高了电致变色纤维各层之间的附着力和电致变色纤维的生产效率，使该电致变色纤维的规模化生产和广泛应用成为可能。
请参阅图3，其为本实施例的同轴结构的电致变色纤维的工作原理示意图。具体的，包括以下工作步骤：
(1)在导电高聚物包覆层和导电支撑纤维之间施加由导电高聚物包覆层指向导电支撑纤维方向的初始电压U0，在U0的驱动下，锂离子由电解质层注入变色层，加载一定时间t0后，撤去初始电压U0，实现变色层的初始化着色，此时电致变色纤维处于着色状态，如图3(a)所示。优选U0为2～3V，优选t0为5～60s。
(2)在导电支撑纤维的两端施加由导电高聚物包覆层的透明导电端指向导电高聚物的深色导电端的工作电压U1，在U1的驱动下，变色层中的锂离子沿着导电高聚物包覆层的深色导电端方向移动并累积，并被导电高聚物包覆层的深色导电端隐藏起来，而变色层的另一端呈现出导电支撑纤维自身的颜色，此时电致变色纤维处于褪色状态，如图3(b)所示。优选U1为3～10V。
(3)撤去工作电压U1，隐藏于导电高聚物包覆层的深色导电端的锂离子缓慢向变色层的褪色端扩散，此时电致变色纤维恢复着色状态。
(4)经过一段时间的使用，该变色纤维的初始着色态颜色将会变浅，此时可以再次重复步骤(1)操作，完成电致变色纤维的重新初始化着色。
实施例2
本实施例提供一种纺织品，其由实施例1中的同轴结构的电致变色纤维采用常规的方法编织制得，其工作状态如图4所示。该纺织品具有使用寿命长、耐用性好的优势，可以用于智能服装及穿戴式静态显示等。
相对于现有技术，本发明的同轴结构的电致变色纤维是基于在工作电压的驱动下，离子在变色层中的轴向迁移实现着色与褪色之间切换，从而避免发生离子从变色层抽出的过程，因此在无离子储存层的情况下，这种电致变色纤维也具有耐用性好的优点，在纺织品市场及穿戴式静态显示方面具有较好的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同轴结构的电致变色纤维，其特征在于：由内向外依次包括导电支撑纤维、变色层、电解质层和导电高聚物包覆层；所述导电高聚物包覆层和导电支撑纤维之间通过第一外电路连接，用以提供初始化电压；所述导电支撑纤维的两端通过第二外电路连接，用以提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的同轴结构的电致变色纤维，其特征在于：所述导电高聚物包覆层的一端为透明导电端，另一端为深色导电端；所述工作电压的方向沿着导电高聚物包覆层的透明导电端指向深色导电端。
3.根据权利要求1所述的同轴结构的电致变色纤维，其特征在于：所述电解质层的厚度为100nm～1mm。
4.根据权利要求1所述的同轴结构的电致变色纤维，其特征在于：所述变色层的厚度为100nm～500nm。
5.根据权利要求1所述的同轴结构的电致变色纤维，其特征在于：所述导电支撑纤维的表面电阻为0.01～1000Ω。
6.根据权利要求1所述的同轴结构的电致变色纤维，其特征在于：所述同轴结构的电致变色纤维还包括透明过渡层，所述透明过渡层位于变色层和导电支撑纤维之间。
7.根据权利要求6所述的同轴结构的电致变色纤维，其特征在于：所述透明过渡层的厚度为3nm～20nm。
8.一种同轴结构的电致变色纤维的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在导电高聚物包覆层和导电支撑纤维之间施加初始化电压，离子从电解质层注入至变色层，使变色层着色；
S2：撤去初始化电压，在导电支撑纤维的两端施加工作电压，离子在变色层内轴向迁移，离子运动到变色层的一端并隐藏，使变色层的另一端褪色；
S3：撤去工作电压，变色层中隐藏的离子向褪色的一端扩散，使变色层重新着色。
9.根据权利要求8所述的同轴结构的电致变色纤维的控制方法，其特征在于：还包括步骤S4：在导电高聚物包覆层和导电支撑纤维之间再次施加初始化电压，使变色层恢复为起始的着色状态。
10.根据权利要求8或9所述的同轴结构的电致变色纤维的控制方法，其特征在于：所述初始化电压为2～3V；所述工作电压为3～10V。
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