CN109143715B - 一种基于功能性水凝胶的电致变色器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于基于电致变色器件技术领域，公开了一种基于功能性水凝胶的电致变色器件及其制备方法；采用丙烯酰胺作为单体，N,N‑二甲基双丙烯酰胺作为交联剂，过硫酸铵作为热引发剂，4‑羟基‑2,2,6,6‑四甲基哌啶氧化物作为催化剂制备聚丙烯酰胺水凝胶；在常温下将具有电解质，电致碱，碱响应分子的溶液加到水凝胶中，利用水凝胶的溶胀作用将其吸附，得到了功能化的水凝胶；将水凝胶夹在两片ITO玻璃电极中，得到基于功能性水凝胶的电致变色器件。本发明制备过程简单，工作条件温和，以水作为溶剂减小了对人体的危害，对环境友好，并且可重复性非常好，很适合于工业生产。
Description
技术领域
本发明属于基于电色器件技术领域，尤其涉及一种基于功能性水凝胶的电致变色器件及其制备方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：随着科技的发展和人类生活水平的提高，人们对于生活的舒适度以及室内装饰的要求越来越高。智能电致变色窗就是指玻璃在一定电压刺激下，其玻璃的颜色以及透明度会发生可逆地变化，这种窗户在使用时，可以动态调节进入建筑物的光的强度，为人们提供舒适的生活环境，并且可以调节室内的温度。而当今社会调节温度所消耗的能量占了绝大部分，而电致变色窗的使用可以减少这部分能量的消耗。这符合当前社会节约资源，保护环境的理念。并且由于电致变色窗本身耗能低，环保无污染，具有广阔的应用前景，越来越多的科研工作者对电致变色材料以及在智能变色窗中的应用做出了很大的贡献。目前，已经有一些电致变色的产品投入使用，包括汽车后视镜，飞机上的窗户等等，但是依旧有一些问题存在，制约着电致变色器件的发展。包括颜色单一，制备器件工艺复杂，响应速度慢，可逆性不佳等。这就需要开发出一种成本低廉，颜色可调，响应速度快，并且可逆性好的新型材料。现有技术以苯醌为电致碱与碱致变色分子相结合，制备出了性能很好的电致荧光变色器件，器件的颜色可调，可逆性很好，并且成本很低。其材料表现出了优异的电致变色性质，但是由于其包含离子储存层，离子导电层，电致变色层三层结构，每一层结构均需要刮涂多次并且需严格控制每一层刮涂的时间以及溶剂挥发的时间，可见其制备器件的步骤很复杂，且使用乙腈等有机溶剂，有机溶剂会对人体造成危害，并且容易对环境造成污染，因此不符合环保的理念。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术以苯醌为电致碱与碱致变色分子相结合制备器件复杂，且使用有机溶剂，不符合环保的理念。
解决上述技术问题的难度和意义：要使电致变色具有良好的性能需要离子储存材料以及氧化还原变色活性物质，不可避免地需要有多层结构的支撑，并且大多数的有机电致变色材料只溶于有机溶剂。将器件单层化以及不采用有机溶剂成为亟需解决的问题。而本发明公开的具有电致变色功能的水凝胶成功将器件单层化，将离子储存材料以及电致变色功能材料均固定在水凝胶网络结构中，并且全程只使用水作溶剂，环保无污染，符合当今社会节能环保的理念。大大提升了电致变色应用于智能窗等领域的潜力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于功能性水凝胶的电致变色器件及其制备方法。
本发明是这样实现的，一种基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法，所述基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法采用丙烯酰胺作为单体，N,N-二甲基双丙烯酰胺作为交联剂，过硫酸铵作为热引发剂，4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物作为催化剂制备聚丙烯酰胺水凝胶；在常温下将具有电解质，电致碱，碱响应分子的溶液加到水凝胶中，利用水凝胶的溶胀作用将其吸附，得到了功能化的水凝胶；将水凝胶夹在两片ITO玻璃电极中，得到基于功能性水凝胶的电致变色器件。
进一步，所述基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法包括以下步骤：
步骤一，聚丙烯酰胺水凝胶的制备：2.2mol/L丙烯酰胺溶于5mL去离子水中，加入6*10-4丙烯酰胺质量的N,N-二甲基双丙烯酰胺，1.7*10-3丙烯酰胺质量的过硫酸铵，搅拌溶解；用氮气鼓泡5min去除溶液中的氧气；再加入2.5*10-3丙烯酰胺质量的4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物，将得到的溶液放入真空烘箱，60℃下加热聚合12h；用去离子水洗涤几次以去除残余的丙烯酰胺单体，得到无色透明的聚丙烯酰胺水凝胶；
步骤二，具有电致变色功能的水溶液的配置：称取10-2mol/L的苯醌，2*10-2mol/L的4-OH-Tempo，2*10-3mol/L的碱响应分子，1mol/L的氯化钾，溶于5mL去离子水中之后，加入50μL 10-1mol/L的盐酸用以调节体系的酸性；搅拌溶液至澄清透明，具有电致变色功能的水溶液；
步骤三，水凝胶的功能化：将步骤二配置的具有电致变色功能的水溶液浇筑到水凝胶上，常温下，密闭体系溶胀12h，水溶液被吸附到水凝胶的网络结构，制备出具有电致变色性质的水凝胶；
步骤四，电致变色器件的构筑：剪裁一个一定形状中间为空的聚二甲基硅氧烷间隔槽，放在具有导电氧化铟锡层的玻璃表面上，将步骤三制备的功能化水凝胶放置进去，再将另一块具有氧化铟锡层的玻璃贴上，封装；得到基于功能性水凝胶的电致变色器件。
进一步，所述步骤二具体包括：碱响应分子选择百里酚蓝钠盐或苯酚红钠盐。
本发明的另一目的在于提供一种由所述基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法制备的电致变色器件，器件结构包括两个ITO电极以及一层电致变色水凝胶，水凝胶作为功能层夹在两个ITO电极的中间，在施加电压时电子可由ITO传递给水凝胶中的电化学活性物质，使其发生氧化还原。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述电致变色器件的汽车后视镜。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述电致变色器件的飞机窗户。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用丙烯酰胺作为单体，N,N-二甲基双丙烯酰胺作为交联剂，过硫酸铵作为热引发剂，4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物作为催化剂制备了聚丙烯酰胺水凝胶。之后在常温下将具有电解质，电致碱，碱响应分子的溶液加到水凝胶中，利用水凝胶的溶胀作用将其吸附，得到了功能化的水凝胶；最后，将水凝胶夹在两片ITO玻璃电极中，就得到了基于功能性水凝胶的电致变色器件。该器件具有很优异的电致变色性质，在智能变色窗领域具有很好的应用前景。
本发明使用的原材料都是商业化的物质(购买厂家,安耐吉，TCI)，不需自己合成，并且制备过程简单，工作条件温和，以水作为溶剂减小了对人体的危害，对环境友好，并且可重复性非常好，很适合于工业生产。本发明电致变色器件，结构简单，制备简易，材料易得，性能优良，材料环保。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于功能性水凝胶的在黄色和绿色可逆转换的电致变色器件结构以及变色示意图；
图中：1、第一ITO玻璃层；2、水凝胶层；3、PDMS模板；4、第二ITO玻璃层。
图3是本发明实施例提供的基于功能性水凝胶可在黄色和红色可逆转换的电致变色器件结构以及变色示意图；
图中：1、第一ITO玻璃层；2、水凝胶层；3、PDMS模板；4、第二ITO玻璃层。
图4是本发明实施例提供的制备的可从黄色转变为绿色的电致变色器件的基本性质示意图。
图5是本发明实施例提供的制备的可从黄色转变为红色的电致变色器件的基本性质示意图；
图中：(a)在不同电压下器件可见区吸收全谱变化；(b)变色前后器件的可见区吸收全谱变化；(c)器件的响应时间；(d)器件的可逆性。
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。
本发明通过聚丙烯酰胺水凝胶的溶胀作用，将含有“电致碱”苯醌，电解质，以及碱响应分子，吸附进到水凝胶中，将其功能化；然后再将其放入两个ITO玻璃电极之间，采用一定形状的PDMS间隔，即可成功制备器件；制备出电致变色器件可以实现多色可调，并且具有很好的可逆性，并且可应用到智能变色窗中。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明实施例提供的基于功能性水凝胶的电致变色器件
如图1所示，本发明实施例提供的基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法包括以下步骤：
S101：采用丙烯酰胺作为单体，N,N-二甲基双丙烯酰胺作为交联剂，过硫酸铵作为热引发剂，4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物作为催化剂制备了聚丙烯酰胺水凝胶；
S102：在常温下将具有电解质，电致碱，碱响应分子的溶液加到水凝胶中，利用水凝胶的溶胀作用将其吸附，得到了功能化的水凝胶；
S103：将水凝胶夹在两片ITO玻璃电极中，得到基于功能性水凝胶的电致变色器件。
本发明实施例提供的基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法具体包括以下步骤：
(1)聚丙烯酰胺水凝胶的制备：2.2mol/L丙烯酰胺溶于5mL去离子水中，加入6*10-4丙烯酰胺质量的N,N-二甲基双丙烯酰胺，1.7*10-3丙烯酰胺质量的过硫酸铵，搅拌溶解，然后用氮气鼓泡5min去除溶液中的氧气。再加入2.5*10-3丙烯酰胺质量的4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物，将得到的溶液放入真空烘箱，60℃下加热聚合12h。用去离子水洗涤几次以去除残余的丙烯酰胺单体，就得到了无色透明的聚丙烯酰胺水凝胶。
(2)具有电致变色功能的水溶液的配置：称取10-2mol/L的苯醌，2*10-2mol/L的4-OH-Tempo，2*10-3mol/L的碱响应分子(此处选择百里酚蓝钠盐或苯酚红钠盐)，1mol/L的氯化钾，溶于5mL去离子水中之后，加入50μL 10-1mol/L的盐酸用以调节体系的酸性。搅拌溶液至澄清透明，即得具有电致变色功能的水溶液。
(3)水凝胶的功能化：将步骤(2)配置的具有电致变色功能的水溶液浇筑到水凝胶上，常温下，密闭体系溶胀12h，水溶液即被吸附到水凝胶的网络结构中。如此操作就可实现水凝胶的功能化，制备出具有电致变色性质的水凝胶。
(4)电致变色器件的构筑：剪裁一个一定形状中间为空的聚二甲基硅氧烷(PDMS)间隔槽，放在具有导电氧化铟锡层的玻璃表面上，将步骤(3)制备的功能化水凝胶放置进去，再将另一块具有氧化铟锡层的玻璃贴上，封装。即可得到本发明所述的基于功能性水凝胶的电致变色器件。
如图2所示，水凝胶层2在两个电极之间，施加电压时，电子可由ITO传递给水凝胶层2的电化学活性物质，并且电流从一个电极经由水凝胶流到另一个电极，组成一个通路(此处采用百里酚蓝钠盐作为碱响应分子，器件可由黄色可逆变为绿色)。
如图3所示，水凝胶层2在两个电极之间，施加电压时，电子可由ITO传递给水凝胶层2的电化学活性物质，并且电流从一个电极经由水凝胶流到另一个电极，组成一个通路(此处采用百里酚蓝钠盐作为碱响应分子，器件可由黄色可逆变为红色)。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
实施例1；
本发明实施例制备可在黄色与绿色之间可逆转换的电致变色器件包括；
步骤一，聚丙烯酰胺水凝胶的制备：2.2mol/L丙烯酰胺溶于5mL去离子水中，加入6*10-4丙烯酰胺质量的N,N-二甲基双丙烯酰胺，1.7*10-3丙烯酰胺质量的过硫酸铵，搅拌溶解，然后用氮气鼓泡5min去除溶液中的氧气。再加入2.5*10-3丙烯酰胺质量的4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物，将得到的溶液放入真空烘箱，60℃下加热聚合12h。用去离子水洗涤几次以去除残余的丙烯酰胺单体，就得到了无色透明的聚丙烯酰胺水凝胶。
步骤二，具有电致变色功能的水溶液的配置：称取10-2mol/L的苯醌，2*10-2mol/L的4-OH-Tempo，2*10-3mol/L的碱响应分子(此处选择百里酚蓝钠盐)，1mol/L的氯化钾，溶于5mL去离子水中之后，加入50μL 10-1mol/L的盐酸用以调节体系的酸性。搅拌溶液至澄清透明，即得具有电致变色功能的水溶液。
步骤三，水凝胶的功能化：将步骤二配置的具有电致变色功能的水溶液浇筑到水凝胶上，常温下，密闭体系溶胀12h，水溶液即被吸附到水凝胶的网络结构中。如此操作就可实现水凝胶的功能化，制备出具有电致变色性质的水凝胶。
步骤四，电致变色器件的构筑：剪裁一个一定形状中间为空的聚二甲基硅氧烷(PDMS)间隔槽，放在具有导电氧化铟锡层的玻璃表面上，将步骤三制备的功能化水凝胶放置进去，再将另一块具有氧化铟锡层的玻璃贴上，封装。即可得到可在黄色与绿色之间可逆转换的电致变色器件。
所制备的电致变色玻璃的工作电压在-1.0V左右，在施加-0.8V以上电压时器件即可由黄色透明态转换为绿色透明态，并且施加相反的+0.45V电压时器件可以变回原来的黄色透明态，器件的响应时间很短，在100ms以下即有响应，并且有较好的可逆性，在循环200圈以上器件的变色强度几乎没有变化。
如图4所示，制备的可从黄色转变为绿色的电致变色器件的基本性质表现在：在不同电压下器件可见区吸收全谱变化；变色前后器件的可见区吸收全谱变化；器件的响应时间；器件的可逆性。
实施例2；
本发明实施例制备可在黄色与红色之间可逆转换的电致变色器件包括；
步骤一，聚丙烯酰胺水凝胶的制备：2.2mol/L丙烯酰胺溶于5mL去离子水中，加入6*10-4丙烯酰胺质量的N,N-二甲基双丙烯酰胺，1.7*10-3丙烯酰胺质量的过硫酸铵，搅拌溶解，然后用氮气鼓泡5min去除溶液中的氧气。再加入2.5*10-3丙烯酰胺质量的4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物，将得到的溶液放入真空烘箱，60℃下加热聚合12h。用去离子水洗涤几次以去除残余的丙烯酰胺单体，就得到了无色透明的聚丙烯酰胺水凝胶。
步骤二，具有电致变色功能的水溶液的配置：称取10-2mol/L的苯醌，2*10-2mol/L的4-OH-Tempo，2*10-3mol/L的碱响应分子(此处选择苯酚红钠盐)，1mol/L的氯化钾，溶于5mL去离子水中之后，加入50μL 10-1mol/L的盐酸用以调节体系的酸性。搅拌溶液至澄清透明，即得具有电致变色功能的水溶液。
步骤三，水凝胶的功能化：将步骤二配置的具有电致变色功能的水溶液浇筑到水凝胶上，常温下，密闭体系溶胀12h，水溶液即被吸附到水凝胶的网络结构中。如此操作就可实现水凝胶的功能化，制备出具有电致变色性质的水凝胶。
步骤四，电致变色器件的构筑：剪裁一个一定形状中间为空的聚二甲基硅氧烷(PDMS)间隔槽，放在具有导电氧化铟锡层的玻璃表面上，将步骤三制备的功能化水凝胶放置进去，再将另一块具有氧化铟锡层的玻璃贴上，封装。即可得到可在黄色与红色之间可逆转换的电致变色器件。
所制备的电致变色玻璃的工作电压在-1.0V左右，在施加-0.8V以上电压时器件即可由黄色透明态转换为红色透明态，并且施加相反的+0.45V电压时器件可以变回原来的黄色透明态，器件的响应时间很短，在100ms以下即有响应，并且有较好的可逆性，在循环200圈以上器件的变色强度几乎没有变化。
如图5所示，制备的可从黄色转变为红色的电致变色器件的基本性质表现在：在不同电压下器件可见区吸收全谱变化；变色前后器件的可见区吸收全谱变化；器件的响应时间；器件的可逆性。
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 (6)
1.一种基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法，其特征在于，所述基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法采用丙烯酰胺、N,N-二甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物制备聚丙烯酰胺水凝胶；
在常温下将具有电解质，电致碱，碱响应分子的溶液加到聚丙烯酰胺水凝胶中，利用聚丙烯酰胺水凝胶的溶胀吸附作用，得到功能性水凝胶；
将功能性水凝胶夹在两片ITO玻璃电极中，得到基于功能性水凝胶的电致变色器件；
所述丙烯酰胺作为单体，N,N-二甲基双丙烯酰胺作为交联剂；过硫酸铵作为热引发剂；4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物作为催化剂。
2.如权利要求1所述的基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法，其特征在于，所述基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法包括以下步骤：
步骤一，聚丙烯酰胺水凝胶的制备：2.2mol/L丙烯酰胺溶于5mL去离子水中，加入6*10-4丙烯酰胺质量的N,N-二甲基双丙烯酰胺，1.7*10-3丙烯酰胺质量的过硫酸铵，搅拌溶解；用氮气鼓泡5min去除溶液中的氧气；再加入2.5*10-3丙烯酰胺质量的4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物，将得到的溶液放入真空烘箱，60℃下加热聚合12h；用去离子水洗涤几次以去除残余的丙烯酰胺单体，得到无色透明的聚丙烯酰胺水凝胶；
步骤二，具有电致变色功能的水溶液的配置：称取10-2mol/L的苯醌，2*10-2mol/L的4-OH-Tempo，2*10-3mol/L的碱响应分子，1mol/L的氯化钾，溶于5mL去离子水中之后，加入50μL10-1mol/L的盐酸用以调节体系的酸性；搅拌溶液至澄清透明，得到具有电致变色功能的水溶液；
步骤三，水凝胶的功能化：将步骤二配置的具有电致变色功能的水溶液浇筑到步骤一配置的聚丙烯酰胺水凝胶上，常温下，密闭体系溶胀12h，水溶液被吸附到水凝胶的网络结构，制备出具有电致变色性质的水凝胶；
步骤四，电致变色器件的构筑：剪裁一个一定形状中间为空的聚二甲基硅氧烷间隔槽，放在具有导电氧化铟锡层的玻璃表面上，将步骤三制备的功能化水凝胶放置进去，再将另一块具有氧化铟锡层的玻璃贴上，封装；得到基于功能性水凝胶的电致变色器件。
3.如权利要求2所述的基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：碱响应分子选择百里酚蓝钠盐或苯酚红钠盐。
4.一种由权利要求1～3任意一项所述基于功能性水凝胶的电致变色器件的制备方法制备的电致变色器件，其特征在于，所述电致变色器件结构包括两个ITO电极以及一层电致变色水凝胶；电致变色水凝胶作为功能层夹在两个ITO电极的中间，在施加电压时电子可由ITO传递给电致变色水凝胶中的电化学活性物质，发生氧化还原。
5.一种安装有权利要求4所述电致变色器件的汽车后视镜。
6.一种安装有权利要求4所述电致变色器件的飞机窗户。
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