多彩柔性电致变色器件的制备与研究

发布时间：2020-10-11 20:24

　　 随着智能电子显示材料的迅速发展,单一功能的设备已经不能满足人们的应用需求,集成多功能的能量存储和转换设备在智能和交互模式中融入了新颖的特性和功能,成为产业界和学术界关注的热点。电致变色作为智能领域的一个重要技术正逐渐受到人们的重视,它能够根据外界电压可逆地发生颜色的变化,而颜色是人们对物体最直观的视觉感受。将不同功能的传感器与电致变色进行集成就能将外部环境或人自身状态变化反馈给人,而柔性电致变色器件在智能可穿戴以及变色伪装方面有巨大的应用潜力。但如何选择合适的电致变色材料和电解质,调控器件的工艺条件,是制备大面积柔性电致变色器件需要解决的问题。本论文以聚(3-己基噻吩)(P3HT)和聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)薄膜为主要研究对象,制备了聚偏氟乙烯(PVDF)/离子液体(ILs)和聚偏氟乙烯(PVDF)/1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)复合凝胶态电解质,用热压法将变色层和电解质组装成柔性电致变色器件,并对器件的变色性能进行改善。主要研究内容如下:以PVDF为聚合物基体,1 mol/L的的高氯酸锂/碳酸丙烯酯(LiClO_4/PC)为液态电解质,添加不同含量的ILs,制备了PVDF/ILs复合凝胶态电解质。研究发现,50%ILs的比例的复合凝胶态电解质性能最佳,离子电导率为7.48×10~-33 S/cm,在525 nm下具有近90%的高透过率。在室温下放置14天后离子电导率仅下降了20%。与旋涂法制备的P3HT薄膜组装成柔性电致变色器件,器件的光调制范围为20%、着色时间为5 s,褪色时间为12 s。着色效率高达361.0cm~2/C。该器件表现出良好的电致变色性能。为了解决PVDF/ILs复合电解质与柔性基底接触不好的问题,制备了与柔性基底贴合更好的PVDF/NMP复合凝胶电解质,研究发现,离子电导率σ为2.46×10~-33 S/cm,300–800 nm紫外-可见区域具有较高的透过率,大致在80%以上。以P3HT喷涂制备的大面积薄膜和PVDF/NMP复合凝胶电解质组装的器件具有良好的电致变色性能,光调制范围为17%,着色时间为42 s,褪色时间为10 s,着色效率为302.6 cm~2/C,具有不错的循环寿命,对近红外光有一定阻隔作用,能在断电后保持一定时间的颜色并在弯折状态下也具有较好的变色性能。使用丝网印刷法制备了大面积的PEDOT薄膜作为电致变色层,并沿用PVDF/NMP复合凝胶电解质一起组装成大面积柔性电致变色器件。探究了不同丝网印刷PEDOT的层数对器件电致变色性能的影响。研究发现,丝网印刷2层PEDOT的薄膜具有不错的致密性和高的初始透过率(在645 nm下具有70%)。其组装的器件具有高的光调制范围(△T为31%),较好的响应时间(着色时间为34 s,褪色时间为22 s),高着色效率(CE=702.4 cm~2/C)和一定的循环稳定性,能在断电后保持一定时间的颜色并在弯折状态也具有较好的变色性能。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2;TN383.1
【部分图文】：

在电致变色材料中发生掺杂或去掺杂，因而表现为不同颜色的氧化还原态[9,10]。电致变色材料按材料类型可分为无机电致变色材料和有机电致变色材料两大类。其中无机电致变色材料一般具有着色效率高、循环可逆性好、化学稳定性好、薄膜成型加工方式多等特点。有机电致变色材料一般响应时间快、颜色可调性高，最常见的是导电聚合物，其单体的分子结构易于设计，不同单体聚合后的吸收带各不相同，经过电化学掺杂后，能明显提高导电性且掺杂程度可通过电压调控。1.3.1 无机电致变色材料无机电致变色材料一般由过渡金属氧化物或其衍生物组成[11]。根据变色的方式主要分为阴极变色材料和阳极变色材料。阴极变色研究较多的材料主要有WO3和普鲁士蓝等。阳极变色研究较多的材料主要有 NiO 和 V2O5等。常见的过渡金属变色材料如图 1.1 所示

一定范围内可以通过控制电压来决定掺杂程度，作为一种主要的电致变色材料导电聚合物的优点是显而易见的，例如，色彩丰富，光学对比度高，响应速度快低电压驱动，因此受到科学家的广泛研究。常见的导电共轭聚合物有聚苯胺(Polyanilines)、聚吡咯类(Polypyrroles)、聚噻吩类(Polythiophenes)[49]。（1）聚苯胺类自从 1826 年德国化学家 Otto 通过热解蒸馏靛蓝首次制得苯胺(aniline)来，聚苯胺（PANI）已经成为最常见的导电聚合物之一。作为一种典型的电变色材料，PANI 因其高导电性，优异的环境稳定性，快速响应时间，低成本成为研究的焦点。随着掺杂程度的增加，PANI 有四种不同颜色的氧化还原状态。它们PANI-LB（黄色）、PANI-ES（绿色）、PANI-EB（蓝色）和 PANI-PB（紫色[50]。然而，聚苯胺在氧化还原过程中的体积会随着离子的迁入与脱出而改变，致电致变色性能下降。此外，PANI 成型加工性较差，在许多有机溶剂中溶解非常低，其机械性能也较差，降低了它在许多领域的性能和可用性[51]。

们首次合成出无取代的聚噻吩。这种无取后的氧化态显蓝色，但其氧化态很不稳定，研究者发现在噻吩环的β-取代位上容易过程中偶联的发生最小化，产生更规则的吩具有相对高的环境稳定性，并且能够通的聚噻吩衍生物。它们的电致变色性能可复杂的步骤，并且可以使用溶液流延，旋定形的膜。3HT）是聚噻吩衍生物中一种常用的导电环的β-取代位上引入己基得到。通过引入散的链填充并在导电聚合物的氧化还原转电致变色性能。P3HT 成型加工性好，空到广泛应用。
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本文编号：2837074