CN110609427B - 一种缠绕式结构的纤维电致变色器件及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种缠绕式结构的纤维电致变色器件，所述纤维电致变色器件由内向外依次包括绝缘纤维、至少两根导电纤维、电解质层和绝缘封装层，所述导电纤维互不接触，且并行地螺旋缠绕于所述绝缘纤维的表面，其中至少一根导电纤维的表面覆盖有电致变色薄膜。本发明还涉及所述纤维电致变色器件在智能服装和穿戴式静态显示方面的应用。所述缠绕式结构的纤维电致变色器件无需使用透明、柔软的导电材料进行外封装，并且可以实现多色彩显示和多样化显示。

Description

一种缠绕式结构的纤维电致变色器件及其应用
技术领域
本发明涉及电致变色领域，特别是涉及一种缠绕式结构的纤维电致变色器件及其应用。
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，变色现象一般分为以下几类：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，电致变色具备可自主调控及响应时间快等特性，因此受到了广大科研工作者的青睐，也更容易被生产企业和广大消费者所接受。
电致变色纤维由于具备极佳的柔性，在变色织物和穿戴式传感器中具有良好应用前景。例如，申请人的专利申请(申请号：CN201810160536.8)中记载了一种同轴结构的电致变色纤维，该电致变色纤维由内向外依次包括导电支撑纤维、变色层、电解质层和透明导电包覆层，但是，如果该电致变色纤维的直径非常小，作为电极的透明导电包覆层就需要达到极高的柔软度，才能在封装过程中，与变色层之间实现紧密贴合以达到变色的目的。然而，无论是在市场上，还是在科学研究中，寻找如此柔软的透明导电包覆层来用于变色纤维的封装都是十分困难的，这大大阻碍了电致变色纤维的应用和产业化进程。因此，设计一种能够摒弃透明导电包覆层的、具有新型结构的纤维电致变色器件，便显得尤为重要。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种缠绕式结构的纤维电致变色器件，其无需使用透明、柔软的导电材料进行外封装，并且可以实现多色彩显示和多样化显示。
本发明采取的技术方案如下：
一种缠绕式结构的纤维电致变色器件，由内向外依次包括绝缘纤维、至少两根导电纤维、电解质层和绝缘封装层，所述导电纤维互不接触，且并行地螺旋缠绕于所述绝缘纤维的表面，其中至少一根导电纤维的表面覆盖有电致变色薄膜。
其中，所述绝缘纤维起到支撑作用，作为承载导电纤维、电解质层和绝缘封装层的主体结构；任意两根导电纤维能够通过一外电路连接，起到在电解质层内形成电势差的作用；所述电致变色薄膜在一定方向的电势差作用下发生颜色变化；所述电解质层起到导电、提供和储存离子的作用；所述绝缘封装层作为最外层，起到封装作用，防止电解质层的电解质泄漏。
所述缠绕式结构的纤维电致变色器件的工作原理为：在一根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维与另一根导电纤维之间施加一定方向的电压时，该电致变色薄膜在该电压作用下着色，再施加反向电压，则该电致变色薄膜在该反向电压作用下褪色。
相对于现有技术，本发明的纤维电致变色器件采用绝缘封装层来封装，彻底摒弃了通常不够柔软而无法与变色层紧密贴合的透明导电包覆层，降低了材料成本，而且，本发明可以在不同导电纤维表面覆盖不同材料的电致变色薄膜，以实现多色彩显示，也可以采取不同的施加电压的方式等，以实现多样化显示。
本发明的纤维电致变色器件有望在智能服装及穿戴式静态显示等方面的广泛应用。
具体地，所述导电纤维中的一根导电纤维的表面裸露并与所述电解质层直接接触，其余的导电纤维的表面分别覆盖有电致变色薄膜。
此配置能够实现单根的表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维变色，并且当表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的数量为多根时，能够实现两根以上或所有表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维同时变色、以及至少两根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维之间的交替变色，等等。
进一步地，所述表面裸露的导电纤维的一端与其中一根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的一端通过外电路连接。由此，利用导电纤维的端部作为引出电极，方便与外电路进行连接，不需要额外设置其他的电极部件。
具体地，每根导电纤维的表面覆盖有电致变色薄膜。
此配置能够实现单根的表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维变色，并且在表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的数量为多根时，能够实现多根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维同时变色、以及至少两根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维之间的交替变色，等等。
进一步地，所述导电纤维中的两根导电纤维的一端通过外电路连接。由此，利用导电纤维的端部作为引出电极，方便与外电路进行连接，不需要额外设置其他的电极部件。
具体地，所述导电纤维为表面镀金属的纱线、表面浸渍导电高分子材料的纱线、金属丝、或者由金属纤维与纺织纤维交织而成的混纺纱线。
具体地，所述绝缘纤维的颜色为浅色，有利于提高绝缘纤维与电致变色薄膜的颜色对比度，从而在器件外部观察时，能清晰地看到导电纤维表面的电致变色薄膜的变色效果。
具体地，所述电解质层采用凝胶态电解质或液态电解质。
具体地，所述绝缘封装层采用透明的柔性绝缘材料，有利于器件变色时能清楚显示。
本发明的另一目的在于，提供上述任一项所述的纤维电致变色器件在智能服装和穿戴式静态显示方面的应用。
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为本发明的缠绕式结构的纤维电致变色器件的结构示意图，其中，图1(a)为纤维电致变色器件的立体示意图，图1(b)为纤维电致变色器件的层次结构图，图1(c)为导电纤维并行地螺旋缠绕于绝缘纤维表面的示意图；
图2为表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的结构示意图，其中，图2(a)为表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的立体示意图，图2(b)为表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的层次结构图；
图3为含两根导电纤维的纤维电致变色器件的一种实施方式的工作过程示意图，其中，
图3(a)为未施加电压的纤维电致变色器件的示意图，图3(b)为施加电压后的纤维电致变色器件的示意图，图3(c)为施加反向电压后的纤维电致变色器件的示意图；
图4为含两根导电纤维的纤维电致变色器件的另一种实施方式的工作过程示意图，其中，
图4(a)为未施加电压的纤维电致变色器件的示意图，图4(b)为施加电压后的纤维电致变色器件的示意图，图4(c)为施加反向电压后的纤维电致变色器件的示意图；
图5为实施例1的纤维电致变色器件的工作状态实物图，其中，图5(a)为未施加电压的纤维电致变色器件的实物图，图5(b)为施加电压后的纤维电致变色器件的实物图；
图6为实施例2的纤维电致变色器件的工作状态实物图，其中，图6(a)为未施加电压的纤维电致变色器件的实物图，图6(b)为施加电压后的纤维电致变色器件的实物图，图6(c)为未施加电压的纤维电致变色器件的局部放大实物图，图6(d)为施加电压后的纤维电致变色器件的局部放大实物图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的缠绕式结构的纤维电致变色器件，由内向外依次包括绝缘纤维1、至少两根导电纤维、电解质层3和绝缘封装层4，所述导电纤维互不接触，且并行地螺旋缠绕于所述绝缘纤维1的表面，其中至少一根导电纤维的表面覆盖有电致变色薄膜。
其中，所述绝缘纤维1起到支撑作用，作为承载导电纤维、电解质层3和绝缘封装层4 的主体结构；任意两根导电纤维能够通过一外电路连接，起到在电解质层3内形成电势差的作用；所述电致变色薄膜在一定方向的电势差作用下发生颜色变化；所述电解质层3起到导电、提供和储存离子的作用；所述绝缘封装层4作为最外层，起到封装作用，防止电解质层3的电解质泄漏。
所述缠绕式结构的纤维电致变色器件的工作原理为：在一根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维与另一根导电纤维之间施加一定方向的电压时，该电致变色薄膜在该电压作用下着色，再施加反向电压，则该电致变色薄膜在该反向电压作用下褪色。
在有些实施方式中，所述导电纤维中的一根导电纤维的表面裸露并与所述电解质层3直接接触，其余的导电纤维的表面分别覆盖有电致变色薄膜；在此配置下，所述表面裸露的导电纤维可以作为共用电极，通过在其中一根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维与所述表面裸露的导电纤维之间施加电压，即可实现单根的表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维变色；或者，当表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的数量为多根(大于或等于两根)时，通过分别在多根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维与所述表面裸露的导电纤维之间施加电压，即可实现多根或所有表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维同时变色；或者，当表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的数量为多根(大于或等于两根)时，通过在任意至少两根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维之间施加不同方向的电压，即可实现这些表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维之间的交替变色；等等。
另外，在有些实施方式中，每根导电纤维的表面覆盖有电致变色薄膜；在此配置下，其中一根导电纤维可以作为共用电极，通过在另一根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维与所述作为公用电极的导电纤维之间施加电压，即可实现单根的表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维变色；或者，当导电纤维的数量多于两根时，通过分别在多根导电纤维与所述作为公用电极的导电纤维之间施加电压，即可实现多根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维同时变色；或者，通过在任意至少两根导电纤维之间施加不同方向的电压，即可实现这些表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维之间的交替变色；等等。
还有，在有些实施方式中，表面裸露、没有覆盖电致变色薄膜的导电纤维的数量也可以多于一根。
为方便描述和理解，图1所示的纤维电致变色器件一共只含有两根导电纤维21、22，实际上导电纤维的数量还可以多于两根。
具体地，如图1(a)和图1(b)所示，所述导电纤维21、22可以视作包覆于所述绝缘纤维1 表面的核心变色层2，所述电解质层3包覆于所述核心变色层的表面，所述绝缘封装层4包覆于所述电解质层3的表面；如图1(c)所示，所述导电纤维21、22互不接触，且并行地螺旋缠绕于所述绝缘纤维1的表面，所述导电纤维21、22的一端分别固定在所述绝缘纤维1 上，另一端分别引出至绝缘封装层4外作为引出电极。
请参阅图2，所述导电纤维21或导电纤维22的表面覆盖有电致变色薄膜23。
具体地，一种实施方式为：所述导电纤维21的表面覆盖有电致变色薄膜23，而所述导电纤维22的表面裸露，没有覆盖电致变色薄膜23，并与所述电解质层3直接接触；所述导电纤维21的引出电极与导电纤维22的引出电极通过一外电路连接，以实现在导电纤维21与导电纤维22之间施加电压；
请参阅图3，以导电纤维21表面覆盖的电致变色薄膜23采用阴极电致变色材料为示例，则所述纤维电致变色器件的工作过程如下：
(1)着色：在导电纤维21与导电纤维22之间施加电压U1，U1的方向为从导电纤维 22指向导电纤维21，其电压值优选为0.5V～3V，电解质层3中的阳离子注入到导电纤维21 表面的电致变色薄膜23中，加载一段时间t1后，t1优选为1s～300s，导电纤维21表面的电致变色薄膜23着色，如图3(a)和图3(b)所示，再撤去电压U1；
(2)褪色：在导电纤维21与导电纤维22之间施加电压U2，U2的方向与U1的方向相反，其电压值优选为0.5V～3V，导电纤维21表面的电致变色薄膜23中的阳离子撤出并重新进入到电解质层3中，加载一段时间t2后，t2优选为1s～300s，导电纤维21表面的电致变色薄膜23褪色，如图3(b)和图3(c)所示，再撤去电压U2；
重复第(1)、(2)步，可使导电纤维21表面反复着色、褪色，而导电纤维22表面的颜色始终不变。
另一种实施方式为：所述导电纤维21和导电纤维22的表面都分别覆盖有电致变色薄膜 23；所述导电纤维21的引出电极与导电纤维22的引出电极通过一外电路连接，以实现在导电纤维21与导电纤维22之间施加电压；
请参阅图4，以导电纤维21表面和导电纤维22覆盖的电致变色薄膜23均采用阴极电致变色材料为例，则所述纤维电致变色器件的工作过程如下：
(1)着色：在导电纤维21与导电纤维22之间施加电压U3，U3的方向为从导电纤维 22指向导电纤维21，其电压值优选为0.5V～3V，电解质层3中的阳离子注入到导电纤维21 表面的电致变色薄膜23中，加载一段时间t3后，t3优选为1s～300s，导电纤维21表面的电致变色薄膜23着色，而导电纤维22表面的电致变色薄膜23未着色，如图4(a)和图4(b)所示，再撤去电压U3；
(2)褪色：在导电纤维21与导电纤维22之间施加电压U4，U4的方向与U3的方向相反，其电压值优选为0.5V～3V，导电纤维21表面的电致变色薄膜23中的阳离子撤出并重新进入到电解质层3中，再注入到导电纤维22表面的电致变色薄膜23中，加载一段时间t4后，t4优选为1s～300s，导电纤维22表面的电致变色薄膜23着色，而导电纤维21表面的电致变色薄膜23褪色，如图4(b)和图4(c)所示，再撤去电压U4；
重复第(1)、(2)步，可使导电纤维21表面与导电纤维22表面交替反复着色、褪色。
对所述缠绕式结构的纤维电致变色器件中各部分的材料选择如下：
所述绝缘纤维采用柔性绝缘材料，优选地采用涤纶、腈纶、锦纶、氨纶等聚酯纤维，并且其颜色最好是浅色，具体可以根据电致变色薄膜的材料进行选择和匹配，以提高绝缘纤维与电致变色薄膜的颜色对比度，这有利于从器件外部观察时，能清晰地看到导电纤维表面的电致变色薄膜的变色效果；
所述导电纤维可以是表面镀金属的纱线、表面浸渍导电高分子材料的纱线、金属丝(可以采用单一金属，也可以是由一种金属芯线以及覆盖在该金属芯线表面的另一种金属镀层组成)、由金属纤维与纺织纤维(亚麻、棉纱等天然纤维，或者尼龙等化学纤维)交织而成的混纺纱线或者其他类型的可导电的纤维结构；所述导电纤维表面的颜色最好是浅色，例如是金色或银色，这有利于显示出电致变色薄膜的变色效果；
所述电解质层采用凝胶态电解质或液态电解质，优选为高氯酸锂(LiClO4)和聚氧化乙烯(PEO)组成的凝胶态电解质；
所述电致变色薄膜采用无机电致变色材料或有机电致变色材料，例如是氧化钨(WO3) 等；
所述绝缘封装层采用透明的柔性绝缘材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等，有利于器件变色时能清楚显示。
所述缠绕式结构的纤维电致变色器件的整体尺寸不受限制，其中的绝缘纤维、导电纤维、电解质层以及绝缘封装层的尺寸也都不受限制，视实际需要而定。
所述导电纤维在所述绝缘纤维表面缠绕的角度不受限制，相邻两根导电纤维之间的间距也不受限制，视实际需要而定。
不同导电纤维表面覆盖的电致变色薄膜可以采用相同的电致变色材料，也可以采用不同的电致变色材料。
本发明的缠绕式结构的纤维电致变色器件可以应用于智能服装及穿戴式静态显示等领域，具体地，所述缠绕式结构的纤维电致变色器件可以通过常规编织方法制成一种纺织品，该纺织品具有使用寿命长且可多彩显示的优势，可以用于制作智能服装等。
实施例1
请参阅图5，本实施例的缠绕式结构的纤维电致变色器件具有两根导电纤维21'和22'，其中，所述导电纤维21'为直径6mm的锡线，其表面覆盖有通过磁控溅射制备的WO3薄膜，以作为电致变色薄膜；所述导电纤维22'为表面裸露的直径6mm的铜线。
如图5(a)和图5(b)所示，施加从导电纤维22'指向导电纤维21'之间的电压，该电压大小为0.5V～3V，加载时间为1s～300s，则可以观察到导电纤维21'表面发生着色，而导电纤维22' 表面颜色不变。
实施例2
请参阅图6，本实施例中，本实施例的缠绕式结构的纤维电致变色器件具有两根导电纤维21”和22”，其中，所述导电纤维21”为直径6mm的锡线，其表面覆盖有通过磁控溅射制备的WO3薄膜，以作为电致变色薄膜；同样地，所述导电纤维22”为直径6mm的锡线，其表面覆盖有通过磁控溅射制备的WO3薄膜，以作为电致变色薄膜。
如图6(a)-图6(d)所示。施加从导电纤维21”指向导电纤维22”的电压，该电压大小为 0.5V～3V，加载时间为1s～300s，则可以观察到导电纤维22'表面发生着色，而导电纤维21”表面未发生着色。
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)

1.一种缠绕式结构的纤维电致变色器件，其特征在于：由内向外依次包括绝缘纤维、至少两根导电纤维、电解质层和绝缘封装层，所述导电纤维互不接触，且并行地螺旋缠绕于所述绝缘纤维的表面，其中至少一根导电纤维的表面覆盖有电致变色薄膜；至少一根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维与另一根导电纤维能够通过一外电路连接并施加一定方向的电压。
2.根据权利要求1所述的纤维电致变色器件，其特征在于：所述导电纤维中的一根导电纤维的表面裸露并与所述电解质层直接接触，其余的导电纤维的表面分别覆盖有电致变色薄膜。
3.根据权利要求2所述的纤维电致变色器件，其特征在于：所述表面裸露的导电纤维的一端与其中一根表面覆盖有电致变色薄膜的导电纤维的一端通过外电路连接。
4.根据权利要求1所述的纤维电致变色器件，其特征在于：每根导电纤维的表面覆盖有电致变色薄膜。
5.根据权利要求4所述的纤维电致变色器件，其特征在于：所述导电纤维中的两根导电纤维的一端通过外电路连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的纤维电致变色器件，其特征在于：所述导电纤维为表面镀金属的纱线、表面浸渍导电高分子材料的纱线、金属丝、或者由金属纤维与纺织纤维交织而成的混纺纱线。
7.根据权利要求1-5任一项所述的纤维电致变色器件，其特征在于：所述绝缘纤维的颜色为浅色。
8.根据权利要求1-5任一项所述的纤维电致变色器件，其特征在于：所述电解质层采用凝胶态电解质或液态电解质。
9.根据权利要求1-5任一项所述的纤维电致变色器件，其特征在于：所述绝缘封装层采用透明的柔性绝缘材料。
10.权利要求1-9任一项所述的纤维电致变色器件在智能服装和穿戴式静态显示方面的应用。
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