CN113867068A - 一种基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，包括：透明导电基底的第一层；含有悬浮在悬浮介质中的锌的氧族元素化合物纳米棒的调光层；以及透明导电基底的第二层。采用本发明所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒，其内部较强的偶极矩使其自身适用于悬浮颗粒装置，且相对于传统的碘硫酸奎宁颗粒，其物理/化学稳定性更好。所述锌的氧族元素化合物纳米棒制备方法简单、成本低廉且对环境友好，本发明采用这种内部偶极矩较强、稳定性好且制作成本低的无机功能材料作为悬浮粒子制作悬浮颗粒装置，将所述悬浮颗粒装置施加电压后，其对可见光和红外光的透过率变化可达到28％左右，具有较好的市场前景。

Description

一种基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置。
背景技术
光阀是指能够通过调节施加在其上的电压来控制光线透光率的装置，这种装置也被称为电致变色装置，根据电致变色装置的工作原理，它可以分为聚合物分散液晶(PDLC)、电化学装置(EC)和悬浮颗粒装置(SPD)。悬浮颗粒装置(SPD)与聚合物分散液晶(PDLC)均是在外部电场作用下可实现光线透过率变化的装置，两者又被统一称作光阀(LV)。
早在上个世纪四十年代，学者们就已对光阀进行了系统、深入的研究。光阀一般由两层透明电极与夹杂在电极间的调光层构成。就SPD而言，在电场施加前后，悬浮于其调光层中的一维颗粒由随机布朗运动转变为沿电场线定向排列的状态，通过这一过程，光线的透过率得以改变；而对于PDLC，其调光层中液晶微粒通过在电场中改变取向，使自身折射率与聚合物基体的折射率匹配性提升，故光线可透过基体而呈透明或半透明态。由于SPD颜色较丰富、透明度可控性高等优势，从而相对PDLC具有更广阔的应用范围和前景。
但是，现有技术中应用最广的悬浮颗粒为碘硫酸奎宁(Herapathite)纳米棒，其化学式为4QH2 2+·3SO4 2-·2I3-·6H2O·CH3COOH，其中Q为奎宁(C20H24N2O2)。从化学组成可以看出，碘硫酸奎宁在诸多有机、无机溶剂中均不稳定，且因碘元素的存在，其热稳定性也较差。这不但导致了SPD中悬浮介质的制作困难，且极大约束了SPD的环境耐受性。虽然学者们已尝试通过采用其他卤素取代碘元素来提高悬浮粒子的稳定性，但产物中有机成分的存在使该手段未从根本上解决问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，解决了现有技术中的悬浮粒子稳定性不强，导致含有其悬浮粒子的悬浮颗粒装置的耐候性差的技术问题。
本发明提供了一种基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，包括：透明导电基底的第一层；含有悬浮在悬浮介质中的锌的氧族元素化合物纳米棒的调光层；以及，透明导电基底的第二层。
在本发明的某些实施方式中，所述锌的氧族元素化合物纳米棒的长度为0.1-3μm，其直径为5-500nm。
优选地，所述锌的氧族元素化合物纳米棒的长度为0.2-1μm，其直径为50-200nm。
在本发明的某些实施方式中，所述锌的氧族元素化合物纳米棒是通过制备锌的氧族元素化合物得到的，所述锌的氧族元素化合物包括ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe中的一种或多种。
优选地，所述锌的氧族元素化合物包括ZnO和ZnS中的至少一种。
在本发明的某些实施方式中，所述锌的氧族元素化合物纳米棒在所述悬浮介质中的质量分数为0.1％-50％。
在本发明的某些实施方式中，所述悬浮介质为有机绝缘液体，所述有机绝缘液体包括有机硅油、植物油、石油醚、甲基丙烯酸月桂酯、邻苯二甲酸二丁酯、偏苯三酸三甲酯中的一种或多种。
在本发明的某些实施方式中，所述悬浮介质被夹在作为透明电极的所述透明导电基底的第一层与所述透明导电基底的第二层之间，所述透明导电基底的第一层与所述透明导电基底的第二层之间的空隙为5-500um。
在本发明的某些实施方式中，所述透明导电基底包括ITO导电玻璃、ITO导电膜、纳米Ag线导电膜、纳米Cu线导电膜、PEDOT导电膜、PET导电膜、石墨烯导电膜、碳纳米管导电膜中的一种或多种。
在本发明的某些实施方式中，所述透明导电基底的第一层和所述透明导电基底的第二层的四周用绝缘材料进行封装，所述绝缘材料为热固化材料或光固化材料。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
本发明所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒内部偶极矩较强，且相对于传统的碘硫酸奎宁颗粒，其稳定性更好，所述锌的氧族元素化合物纳米棒制备方法简单、成本低廉且对环境友好，本发明采用这种稳定性好、内部偶极矩强且制作成本低的无机功能材料(锌的氧族元素化合物)作为悬浮粒子制作悬浮颗粒装置，将所述悬浮颗粒装置施加电压后，其对可见光和红外光的透过率变化可达到28％左右，可高效控制入射光透过量，为现有技术提供了一个新的可行的研究方向，开辟了将无机功能材料例如本发明所述的锌的氧族元素化合物纳米棒，作为悬浮颗粒应用于悬浮颗粒装置的新思路。
附图说明
图1为本发明所述基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中ZnO纳米棒的放大图；
图3为本发明实施例中ZnS纳米棒的放大图；
图4为本发明实施例中基于ZnO纳米棒的悬浮颗粒装置在施加150V电压后对200-800nm波长光的透过率对比图；
图5为本发明实施例中基于ZnS纳米棒的悬浮颗粒装置在施加150V电压后对200-800nm波长光的透过率对比图。
图中：100、悬浮颗粒装置；101、透明导电基底；102、悬浮介质；103、锌的氧族元素化合物纳米棒。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
图1示意性地呈现了本发明所述的悬浮颗粒装置100，其中，悬浮介质102被夹在两个透明导电基底101之间，锌的氧族元素化合物纳米棒103悬浮在所述悬浮介质102中。在没有施加电场(断开状态)的情况下，悬浮介质102中的锌的氧族元素化合物纳米棒103由于布朗运动而处于随机位置，进入悬浮颗粒装置100中的光束被吸收/散射。当向其施加电场(接通状态)时，调光层中的一维颗粒(锌的氧族元素化合物纳米棒103)由随机布朗运动转变为沿电场线定向排列的状态，从而根据电场以彼此平行的方向排列，使得光束可以穿过所述悬浮颗粒装置100。
更具体地，所述锌的氧族元素化合物纳米棒103的长度为0.1-3μm，其直径为5-500nm。优选地，所述锌的氧族元素化合物纳米棒的长度为0.2-1μm，其直径为50-200nm。
而且，所述锌的氧族元素化合物纳米棒103是通过制备锌的氧族元素化合物得到的，所述锌的氧族元素化合物包括ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe中的一种或多种。优选地，所述锌的氧族元素化合物包括ZnO和ZnS中的至少一种。
需要说明的是，对于锌源的选择可以包括但不限于醋酸锌、硝酸锌、硫酸锌、氯化锌和氯酸锌的水合和/或非水合盐中的至少一种。
此外，所述锌的氧族元素化合物纳米棒103在所述悬浮介质102中的质量分数为0.1％-50％。
根据本发明，如图1所示，所述悬浮介质102被夹在作为透明电极的所述透明导电基底101的第一层与所述透明导电基底101的第二层之间，所述透明导电基底101的第一层与所述透明导电基底101的第二层之间的空隙为5-500um。
优选地，所述悬浮介质102为有机绝缘液体。更优选地，所述有机绝缘液体包括有机硅油、植物油、石油醚、甲基丙烯酸月桂酯、邻苯二甲酸二丁酯、偏苯三酸三甲酯中的一种或多种。更优选地，所述有机硅油包括二甲基硅油。
而且，所述透明导电基底101包括ITO导电玻璃、ITO导电膜、纳米Ag线导电膜、纳米Cu线导电膜、PEDOT导电膜、PET导电膜、石墨烯导电膜、碳纳米管导电膜中的一种或多种。
此外，第一层的所述透明导电基底101和第二层的所述透明导电基底101四周用绝缘材料进行封装。优选地，所述绝缘材料为热固化材料或光固化材料。更优选地，所述绝缘材料包括聚氨酯树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、脲醛树脂、环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸树脂、氨基丙烯酸树脂中的一种或多种。
现在将参照以下实施例更详细地描述本发明。
实施例1
1)ZnO纳米棒的制备
将0.45g二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O，分析纯)溶解于40mL乙醇中得溶液一；另将0.8g氢氧化钠加入至20mL乙醇中充分搅拌形成透明的溶液得溶液二；在搅拌作用下混合所述溶液一和所述溶液二，得到乳白色的前驱体混合液；将所述前驱体混合液转移至100mL反应釜中，并在干燥箱中于180℃条件下反应16h，而后取出；待反应釜冷却至室温后，采用离心方式清洗产物并烘干，得到ZnO纳米棒，如图2所示。
SEM表征结果显示，所述ZnO纳米棒的长度为200-400nm，直径为30-80nm。
2)含有ZnO纳米棒的悬浮液的制备
在250ml圆底玻璃烧瓶中均匀混合6g甲基丙烯酸月桂酯和14g二甲基硅油，称取2g步骤1)制得的ZnO纳米棒，并分批加入上述甲基丙烯酸月桂酯和二甲基硅油的混合溶剂中，超声搅拌1h，得到均匀的含有ZnO纳米棒的乳白色不透明悬浮液，在2000r/min的转速下，离心处理所述悬浮液5min，移除下层未完全分散的ZnO颗粒，即得到预期的含有ZnO纳米棒的悬浮液。
3)含ZnO纳米棒的悬浮颗粒装置的制备
将50um的间隔球按质量分数10％均匀混合于环氧树脂中；正对摆放两层透明ITO导电玻璃电极，将混有间隔球的环氧树脂涂抹于ITO玻璃的边框之间，并保留一定长度(例如1cm)的悬浮液注入口；加热固化环氧树脂，将步骤2)中制得的含有ZnO纳米棒的悬浮液延注入口灌装至两层ITO导电玻璃电极之间，并采用环氧树脂对注入口进行最后封装，得到间距为50um的悬浮颗粒装置。当没有施加电压(关闭状态)时，所述悬浮颗粒装置在400-800nm波长光的透过率为3％-22％。当施加150V交流电(开启状态)时，所述悬浮颗粒装置在400-800nm波长光的透过率为11％-45％。如图4所示。
实施例2
1)ZnS纳米棒的制备
将10mL水和30mL乙二胺搅拌混合，得到反应溶剂；称取0.45g二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O，分析纯)，置于所述反应溶剂中，搅拌使其溶解得溶液一；将0.16g硫脲(CS(NH2)2，分析纯)溶解于20mL水中，充分搅拌得到透明溶液得溶液二；搅拌混合所述溶液一和所述溶液二得到前驱体混合液；将所述前驱体混合液转移至100mL反应釜中，并在干燥箱中于150℃条件下反应16h，而后取出；待反应釜冷却至室温后，采用离心方式清洗产物，并通过烘干，得到ZnS纳米棒，如图3所示。
SEM表征结果显示，所述ZnS纳米棒的长度为0.5-2um，直径为30-400nm。
2)含有ZnS纳米棒的悬浮液的制备
在250ml圆底玻璃烧瓶中均匀混合6g甲基丙烯酸月桂酯和14g二甲基硅油，称取2g步骤1)制得的ZnS纳米棒，并分批加入上述甲基丙烯酸月桂酯和二甲基硅油的混合溶剂中，超声搅拌1h，得到均匀的含有ZnS纳米棒的乳白色不透明悬浮液，在800r/min的转速下，离心处理所述悬浮液5min，移除下层未完全分散的ZnS颗粒，即得到预期的含有ZnS纳米棒的悬浮液。
3)含ZnS纳米棒的悬浮颗粒装置的制备
将50um的间隔球按质量分数0.5％均匀混合于环氧树脂中；正对摆放两层透明ITO导电玻璃电极，将混有间隔球环氧树脂涂抹于ITO玻璃的边框之间，并保留一定长度(例如1cm)的悬浮液注入口；加热固化环氧树脂，将步骤2)中制成的含有ZnS纳米棒的悬浮液延注入口灌装至两层ITO导电玻璃电极之间，并采用环氧树脂对注入口进行最后封装，得到间距为50um的悬浮颗粒装置。当没有施加电压(关闭状态)时，所述悬浮颗粒装置在400-800nm波长光的透过率为3％-14％。当施加150V交流电(开启状态)时，所述悬浮颗粒装置在400-800nm波长光的透过率为20％-42％。如图5所示。
经试验表明，本发明所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其对可见光和红外光的透过率变化可达到28％左右，其中的锌的氧族元素化合物纳米棒相对于传统的碘硫酸奎宁颗粒，其稳定性更好且内部偶极矩更强，可在更宽范围内调节光线透过率，提供了一种关于悬浮颗粒装置中悬浮颗粒选择的新思路，通过开创性地选用锌的氧族元素化合物这种无机功能材料，有效避免了采用有机材料导致的不稳定，极大约束SPD环境耐受性的问题。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于，包括：透明导电基底的第一层；含有悬浮在悬浮介质中的锌的氧族元素化合物纳米棒的调光层；以及透明导电基底的第二层。
2.根据权利要求1所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述锌的氧族元素化合物纳米棒的长度为0.1-3μm，其直径为5-500nm。
3.根据权利要求1或2所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述锌的氧族元素化合物纳米棒的长度为0.2-1μm，其直径为50-200nm。
4.根据权利要求1所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述锌的氧族元素化合物纳米棒是通过制备锌的氧族元素化合物得到的，所述锌的氧族元素化合物包括ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述锌的氧族元素化合物包括ZnO和ZnS中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述锌的氧族元素化合物纳米棒在所述悬浮介质中的质量分数为0.1％-50％。
7.根据权利要求6所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述悬浮介质为有机绝缘液体，所述有机绝缘液体包括有机硅油、植物油、石油醚、甲基丙烯酸月桂酯、邻苯二甲酸二丁酯、偏苯三酸三甲酯中的一种或多种。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述悬浮介质被夹在作为透明电极的所述透明导电基底的第一层与所述透明导电基底的第二层之间，所述透明导电基底的第一层与所述透明导电基底的第二层之间的空隙为5-500um。
9.根据权利要求8所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述透明导电基底包括ITO导电玻璃、ITO导电膜、纳米Ag线导电膜、纳米Cu线导电膜、PEDOT导电膜、PET导电膜、石墨烯导电膜、碳纳米管导电膜中的一种或多种。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于锌的氧族元素化合物纳米棒的悬浮颗粒装置，其特征在于：所述透明导电基底的第一层和所述透明导电基底的第二层的四周用绝缘材料进行封装，所述绝缘材料为热固化材料或光固化材料。
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