CN110147020A - 一种可穿戴自供能多色彩显示器件及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可穿戴自供能多色彩显示器件及其制备与应用。该显示器件是将紫精基变色薄膜与薄膜太阳能电池连接，利用金属纽扣集成在织物表面得到。该制备方法包括：紫精基变色凝胶的制备，紫精基变色薄膜的制备，可穿戴自供能多色彩显示器件的制备。该显示器件不仅可实现淡黄‑深绿、透明‑深蓝的色彩转化，而且节能环保、随身便携，在军事伪装与隐身、服饰设计、可视化检测等领域都有着广阔的应用前景。

Description

一种可穿戴自供能多色彩显示器件及其制备与应用
技术领域
本发明属于电致变色器件及其制备与应用领域，特别涉及一种可穿戴自供能多色彩显示器件及其制备方法与应用。
背景技术
电致变色，一种通过调节电压或电流实现器件可见光透过率变化的技术。在面向可穿戴柔性电致变色领域，有机电致变色材料，因其具备色彩变化丰富、易于加工、柔性高等优点而被广泛使用。紫精类物质，作为一类π-π共轭有机小分子，其两端处取代基的不同，所能实现的颜色转化也不相同。其中苯腈紫精、乙基紫精分别为可实现变绿、变蓝的紫精材料。由此所制备的变色薄膜，不仅色彩种类丰富、色彩差异性明显，而且转换速度快、可多次循环。
但是，当前可穿戴柔性电致变色器件多依赖传统储能器件进行驱动，存在着质地硬、使用寿命短、替换繁琐、电解液环境污染大等缺点。对此采用柔性、轻量、高效能的薄膜型供能器件，不失为一条很好的解决途径。例如，李克睿等人制备了一种铝离子基柔性超级电容器，将其与P3HT基变色薄膜集成于服装表面，可成功促使变色薄膜发生色彩转换(Li,K.；Shao,Y.；Liu,S.；Zhang,Q.；Wang,H.；Li,Y.；Kaner,R.B.,Aluminum-Ion-Intercalation Supercapacitors with Ultrahigh Areal Capacitance and HighlyEnhanced Cycling Stability:Power Supply for Flexible ElectrochromicDevices.Small 2017,13(19),1700380)，但此类快充快放型超级电容器驱动的变色薄膜大小有限(3cmx3cm)、驱动次数有限(三到五次)，而且其在衣服上的集成过于简陋，实用性有待提高。
薄膜太阳能电池，作为另外一类质轻、可弯曲的柔性供能器件，利用其驱动柔性变色器件，不仅供能高效、清洁环保，而且适用范围广、实用性强。然而，关于组合薄膜太阳能电池与变色薄膜，构建自供能变色器件的研究较少，而进一步将两者集成于服饰上的研究几乎没有。其中，类似“采用何种结合方式”、“如何提高模块间的匹配程度”、“如何实现服装上的功能化应用”的问题都有待进一步解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可穿戴自供能多色彩显示器件及其制备与应用，以克服现有技术中超级电容器驱动的变色薄膜大小有限、驱动次数有限，且其在衣服上的集成过于简陋等缺陷。
本发明提供一种可穿戴自供能多色彩显示器件，所述器件是将紫精基变色薄膜与薄膜太阳能电池连接，利用金属纽扣集成在织物表面得到；所述紫精包括苯腈紫精、乙基紫精中至少一种。
所述紫精基变色薄膜是将紫精基变色凝胶刮涂于导电薄膜表面，热压封装得到。
所述紫精基变色凝胶是由苯腈紫精、乙基紫精中至少一种，对苯二酚，聚偏氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-co-HFP)，丙酮和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸[Bmim][BF4]组成。其中苯腈紫精指1,1’-二苯腈基-4,4’-联吡啶二氯化物(p-CV)，乙基紫精指1,1’-二乙基-4,4’-联吡啶二溴化物(EtVio)。
所述导电薄膜为ITO-PET、ITO-PEN或纳米银薄膜。
所述薄膜太阳能电池能为所述紫精基变色薄膜提供0.5～3V的电压。
本发明还提供一种可穿戴自供能多色彩显示器件的制备方法，包括：
(1)将紫精材料、对苯二酚和聚偏氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-co-HFP)以质量比为2:1:10～4:1:40依次加入丙酮和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸[Bmim][BF4]的混合溶液中，超声分散，得到紫精基变色凝胶，其中紫精材料包括苯腈紫精、乙基紫精中至少一种，紫精材料的加入量为5～16g/L；
(2)将步骤(1)中紫精基变色凝胶恒温处理后，刮涂于导电薄膜表面，贴合另一导电薄膜，热压封装，得到紫精基变色薄膜；
(3)将步骤(2)中紫精基变色薄膜与薄膜太阳能电池连接，利用金属纽扣集成在织物表面，得到可穿戴自供能多色彩显示器件。
所述步骤(1)中丙酮和[Bmim][BF4]的体积比为1:1～1:4。
所述步骤(2)中恒温处理温度为60～100℃，恒温处理时间为30～90min。
所述步骤(2)中导电薄膜为ITO-PET、ITO-PEN或纳米银薄膜。
所述步骤(2)中刮涂于导电薄膜表面的紫精基变色凝胶的厚度为0.1～0.5mm。
所述步骤(2)中热压温度为80～120℃，热压时间为5～15min。
所述步骤(3)中薄膜太阳能电池能为紫精基变色薄膜提供0.5～3V的电压。
本发明还提供一种上述显示器件的应用。例如，在军事伪装与隐身、服饰设计、可视化检测的应用。
有益效果
(1)本发明采用便捷可控的刮涂法制备紫精类变色薄膜，工艺简单，有利于大面积制备、规模化生产，而且所得变色薄膜色彩种类丰富、色彩差异性大，转换速度快、循环稳定性好。
(2)本发明采用薄膜太阳能电池，不仅可多次驱动大面积(≥10x10cm2)的变色薄膜，而且节能减排、清洁环保。
(3)本发明所采用的纽扣设计，不仅隐匿了用以线路连接的导线，使得整体效果更加美观自然，而且此种设计使得各模块便携拆装、更换方便，器件的实用性大大提高。
(4)本发明制得的可穿戴自供能多色彩显示器件，不仅可实现淡黄-深绿、透明-深蓝的色彩转化，而且节能环保、随身便携，在军事伪装与隐身、服饰设计、可视化检测等领域都有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中可穿戴自供能p-CV基显示器件变色前后的效果图。
图2为实施例1中p-CV变色物质的化学结构及核磁共振波谱图。
图3为实施例1中p-CV变色薄膜结构示意图。
图4为实施例1中p-CV变色薄膜的紫外-可见光-红外光谱图，其中插图为该薄膜变色前后的效果图。
图5为实施例1中p-CV变色薄膜的L*a*b*色度图。
图6为实施例2中可穿戴自供能EtVio基显示器件变色前后的效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
苯腈紫精、乙基紫精，通过文献(ACS Appl.Mater.Interfaces 2016,8,14795-14801)合成；P(VDF-co-HFP)购买于美国苏威公司，型号为21216；[Bmim][BF4]离子液体购买于默尼化工科技(上海)有限公司。
实施例1
(1)1.2g p-CV、0.6g对苯二酚、6g P(VDF-co-HFP)，依次添加于50ml丙酮、50ml[Bmim][BF4]的混合溶液中，超声分散后，得到p-CV基变色凝胶。
(2)将步骤(1)中所得的变色凝胶经80℃恒温处理60min后，刮涂于ITO-PET薄膜表面(刮涂厚度为0.5mm)，后贴合另一ITO-PET薄膜，100℃热压10min后封装，即得p-CV变色薄膜。
(3)将输出电压为2V的非晶硅薄膜太阳能电池与步骤(2)所得的变色薄膜进行电路连接，并利用金属纽扣将其集成于服饰上，得到可穿戴自供能p-CV基显示器件。
本实施例步骤(1)中所采用的p-CV变色物质的化学结构及核磁共振波谱如图2所示，可知其纯度较高，为制备性能优异的变色薄膜提供基础条件。
本实施例步骤(2)所制得的p-CV变色薄膜结构示意图如图3所示，可知为混合型结构。
本实施例步骤(2)所制得的p-CV变色薄膜紫外-可见光-红外光谱图与L*a*b*色度图，如图4、5所示，可知当变色薄膜两端负载电压超过0.8V时，器件开始发生淡黄色到深绿色的颜色转变。随着负载电压的上升，变色效果越明显，变色速度越快。而当薄膜两端不加负载电压时，其由从深绿色褪回淡黄色。其中，当薄膜两端负载2V电压时，薄膜变色时间为25s，褪色时间为45s，可稳定循环数百次。
本实施例所得的可穿戴自供能p-CV基显示器件，其变色前后的整体效果，如图1所示。此种显示器件可实现淡黄-深绿之间的色彩转化，而且集成于服饰后整体美观自然。
实施例2
(1)0.8g EtVio、0.2g对苯二酚、8g P(VDF-co-HFP)，依次添加于40ml丙酮、120ml[Bmim][BF4]的混合溶液中，超声分散后，得到EtVio基变色凝胶。
(2)将步骤(1)中所得的变色凝胶经100℃恒温处理30min后，刮涂于ITO-PEN薄膜表面(刮涂厚度为0.3mm)，后贴合另一ITO-PEN薄膜，120℃热压5min后封装，即得EtVio变色薄膜。
(3)将输出电压为2V的非晶硅薄膜太阳能电池与步骤(2)所得的变色薄膜进行电路连接，并利用金属纽扣将其集成于服饰上，得到可穿戴自供能EtVio基显示器件。
本实施例所得的可穿戴自供能EtVio基显示器件，其变色前后的整体效果，如图6所示，可知此种显示器件可实现透明-深蓝之间的色彩转化。
实施例3
(1)0.5g p-CV与0.5g EtVio、0.3g对苯二酚、7g P(VDF-co-HFP)，依次添加于20ml丙酮、80ml[Bmim][BF4]的混合溶液中，超声分散后，得到p-CV/EtVio基变色凝胶。
(2)将步骤(1)中所得的变色凝胶经60℃恒温处理90min后，刮涂于纳米银薄膜表面(刮涂厚度为0.1mm)，后贴合另一纳米银薄膜，80℃热压10min后封装，即得p-CV/EtVio变色薄膜。
(3)将输出电压为3V的砷化镓薄膜太阳能电池与步骤(2)所得的变色薄膜进行电路连接，并利用金属纽扣将其集成于服饰上，得到可穿戴自供能p-CV/EtVio基显示器件。本实施例所得的可穿戴自供能p-CV/EtVio基显示器件，可实现淡黄色-紫红色之间的色彩转化。
专利CN 106997134 A公开一种智能遥控自供能电致变色窗及其制备方法，其采用太阳能电池作为供能模块，电致变色器件作为智能窗，然后利用电路元件组装与连接两者，从而实现智能窗自供能变色、动态调控颜色、无限远程控制等功能。
但与本发明相比，首先，两者应用领域不同。本发明针对于智能可穿戴领域，旨在提供一种可面向军事伪装与隐身、服饰设计、可视化检测领域应用的方案，因此太阳能电池与电致变色器件均采用柔性基底，以保证整体的柔性。而专利CN 106997134 A针对电致变色窗领域，所制备的电致变色器件多采用玻璃等透明刚性基底，不具备可弯曲弯折的柔性。其次，两者制备变色器件的方法不同。相比于专利CN 106997134 A采用的层层组装法，本发明采用变色材料与电解质共混的制备方法，由此所得的器件结构与工艺都更为简单、更易于实现大规模制备。

Claims (10)

1.一种可穿戴自供能多色彩显示器件，其特征在于，所述器件是将紫精基变色薄膜与薄膜太阳能电池连接，利用金属纽扣集成在织物表面得到；所述紫精包括苯腈紫精、乙基紫精中至少一种。
2.根据权利要求1所述器件，其特征在于，所述紫精基变色薄膜是将紫精基变色凝胶刮涂于导电薄膜表面，热压封装得到。
3.根据权利要求2所述器件，其特征在于，所述紫精基变色凝胶是由苯腈紫精、乙基紫精中至少一种，对苯二酚，聚偏氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-co-HFP)，丙酮和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸[Bmim][BF4]组成。
4.根据权利要求2所述器件，其特征在于，所述导电薄膜为ITO-PET、ITO-PEN或纳米银薄膜。
5.一种可穿戴自供能多色彩显示器件的制备方法，包括：
(1)将紫精材料、对苯二酚和聚偏氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-co-HFP)以质量比为2:1:10～4:1:40依次加入丙酮和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸[Bmim][BF4]的混合溶液中，超声分散，得到紫精基变色凝胶，其中紫精材料包括苯腈紫精、乙基紫精中至少一种，紫精材料的加入量为5～16g/L；
(2)将步骤(1)中紫精基变色凝胶恒温处理后，刮涂于导电薄膜表面，贴合另一导电薄膜，热压封装，得到紫精基变色薄膜；
(3)将步骤(2)中紫精基变色薄膜与薄膜太阳能电池连接，利用金属纽扣集成在织物表面，得到可穿戴自供能多色彩显示器件。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中丙酮和[Bmim][BF4]的体积比为1:1～1:4。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中恒温处理温度为60～100℃，恒温处理时间为30～90min。
8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中导电薄膜为ITO-PET、ITO-PEN或纳米银薄膜；刮涂于导电薄膜表面的紫精基变色凝胶的厚度为0.1～0.5mm。
9.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中热压温度为80～120℃，热压时间为5～15min。
10.一种如权利要求1所述器件的应用。
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