一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件及其制备方法与应用技术

一种基于聚乙烯醇‑聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件，所述电致变色器件为层状结构，所述层状结构自上而下依次为透明导电电极1、电致变色层、电解质层、离子储存层和透明导电电极2。以及提供一种基于聚乙烯醇‑聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件的制备方法，包括一种高透过率、高离子导电率、优异电化学及热稳定性的聚乙烯醇‑聚丙烯酸水凝胶电解质的制备，并将其作为电解质曾组装了电致变色器件。本发明专利技术器件制备工艺简单、节能环保，该器件可实现在外加电场下，实现颜色和透过率大幅度变化，且综合性能优异，在智能窗、节能玻璃等领域具有巨大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件及其制备方法与应用。
技术介绍
电致变色是指在施加一定的电压，材料发生氧化还原反应，导致其光学吸收率、透射率或反射率的变化，而外观上体现为颜色及透过率的可逆变化。因此，电致变色材料及器件在显示器、电子纸、智能窗、军事伪装方面具有广泛的应用前景。典型的电致变色器件是由五层构成：透明导电电极-电致变色层-电解质层-离子储存层-透明导电电极。其中，电解质层作为电致变色器件重要的组成部分，起到离子传导和电子绝缘的作用，为器件形成内建电场及提供电荷补偿用的离子。目前，电解质层主要分为液态电解质、固态电解质和凝胶电解质。液态电解质解离完全、体系粘度小、离子运动阻力小、迁移率非常高，但器件封装效果差、热稳定性不佳；固态电解质易加工成膜、封装后稳定性高，但离子导电率低、器件界面结合性差；凝胶电解质兼顾液态电解质和固态电解质的优点，具有高的离子导电率、稳定性高、机械强度高，因此被广泛应用于电致变色器件中。水凝胶的特性与天然生物组织和细胞外基质的结构特性类似，同时水凝胶还具有良好的透光率、优异的机械性能及环境稳定性等优点，因此水凝胶电解质在电化学器件、传感器领域具有很好的应用前景。聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)是两种被广泛研究的水溶性聚合物。PVA强度高、成膜性优异、生物相容性好，PAA具有刺激响应性和生物相容性。以往有研究将PVA与PAA共混制备水凝胶，应用于人工肌肉、渗透分离、刺激响应等领域，但在电致变色领域的研究鲜有报道。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA-PAA)水凝胶电解质及其电致变色器件的制备方法，所述水凝胶电解质具有高透过率、高离子导电率和良好的电化学及环境稳定性的特点，组装基于PVA-PAA水凝胶电解质的电致变色器件，通过电场控制实现器件的不同变色效果和透过率的调节，以期应用于智能玻璃、显示器等领域。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案:一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件，所述电致变色器件为层状结构，所述层状结构自上而下依次为透明导电电极1、电致变色层、电解质层、离子储存层和透明导电电极2，其中，所述透明导电电极1为氧化铟锡(ITO)玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO-PET)，所述导电电极2为ITO玻璃或ITO-PET，所述电致变色层为噻吩类聚合物，所述离子储存层为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)，所述电解质层为聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA-PAA)水凝胶电解质。一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件的制备方法，包括以下步骤：(1)聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的制备：将设定比例的聚乙烯醇(如式I所示)与聚丙烯酸(如式II所示)加入至溶剂中，在设定温度下混合得到PVA-PAA(如式III所示)；将设定含量的电解质加入到上述溶液中，将所得溶液倒入模具中，在设定温度下冻融设定时间，即得到PVA-PAA水凝胶电解质；(2)电致变色层的制备：在三电极体系(含参比电极、辅助电极、工作电极)中，以设定浓度的二联噻吩三苯胺(TBTPA)(如式IV所示)、电解质、有机溶剂为电解液，以透明导电基底ITO玻璃或ITO-PET为工作电极，采用恒电位电解法制备聚合物PTBTPA薄膜，用色谱级乙腈清洗并烘干，即得到电致变色层；(3)离子储存层的制备：在三电极体系(含参比电极、辅助电极、工作电极)中，以设定浓度的3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)(如式V所示)、电解质、有机溶剂为电解液，以透明导电基底ITO玻璃或ITO-PET为工作电极，采用恒电位电解法制备聚合物PEDOT薄膜，用色谱级乙腈清洗并烘干，即得到离子储存层；(4)电致变色器件的组装：将PVA-PAA水凝胶电解质进行切割，贴合在在步骤(3)制备的PEDOT薄膜覆盖的电极上，将步骤(2)制备的PTBTPA薄膜覆盖的电极面对面贴合，在器件外围进行封装，最终获得电致变色器件。进一步，所述步骤(1)中，聚乙烯醇/聚丙烯酸的质量比例为100:1～1：1；所用溶剂为去离子水或水/二甲基亚砜混合溶液；溶解温度为60℃～120℃。再进一步，所述步骤(1)中，电解质为高氯酸锂或三氟甲烷磺酸锌；电解质与聚乙烯醇-聚丙烯酸PVA-PAA质量比为0.01:1～1:1；所述步骤(1)中的冻融温度为-30℃～0℃，冻融时间为3～24h。更进一步，所述步骤(2)中，辅助电极为铂电极/钛电极，参比电极为Ag/AgCl电极；电解质为四丁基高氯酸铵、高氯酸锂或1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐；有机溶剂为色谱级二氯甲烷、乙腈、二氯甲烷或碳酸丙烯酯；TBTPA单体浓度为1×10-4～2×10-3mol/L，电解质浓度为0.05～0.2mol/L。进一步，所述步骤(2)中，恒电位电解法聚合电压为1.1～1.4V，聚合电量为0.02～0.1C；聚合结束后，在-0.2～-0.6V电压下脱掺杂，脱掺杂时间为60～100s。进一步，所述步骤(3)中，辅助电极为铂电极/钛电极，参比电极为Ag/AgCl电极；电解质为四丁基六氟磷酸铵或1-丁基-3-甲基双(三氟甲磺酰)亚胺盐；有机溶剂为色谱级二氯甲烷、乙腈、二氯甲烷或碳酸丙烯酯；EDOT单体浓度为2×10-4～10×10-3mol/L，电解质浓度为0.05～0.2mol/L。进一步，所述步骤(3)中，恒电位电解法聚合电压为1.1～1.4V，聚合电量为0.02～0.1C；聚合结束后，在-0.2～-0.6V电压下脱掺杂，脱掺杂时间为60～100s。进一步，所述步骤(4)中，器件封装采用环氧树脂胶或UV光固化胶。一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件的应用，通过电场控制实现器件的不同变色效果和透过率的调节，所述电致变色器件应用于智能玻璃或显示器。通过电化学工作站和紫外分光光度计表征了基于PVA-PAA水凝胶电解质的电致变色器件，该器件在不同电压下可实现从橙黄色到蓝色之间可逆变化。本专利技术的有益效果在于：(1)开发了一种高透过率(75％)、高离子导电率(＞10*-4S*cm-1)、优异电化学及热稳定性的新型PVA-PAA水凝胶电解质，并将其作为电解质层组装了电致变色器件，在不同电压下可实现器件颜色和透过率的调节。(2)器件制备工艺简单、节能环保，且综合性能优异(光学对比度34.5％，响应时间着色0.7s、褪色1.7s)，在智能玻璃、电子纸等领域具有巨大的应用前景。附图说明图1是基于PVA-PAA水凝胶电解质的电致变色器件结构示意图。图2是实施例1-3中PVA-PAA水凝胶电解质的透过率。图3是实施例1-3中PVA-PAA水凝胶电解质的电化学阻抗图图4是实施例2器件在不同电压下全波段的吸收光谱曲线。图5是实施例2器件在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件，其特征在于，所述电致变色器件为层状结构，所述层状结构自上而下依次为透明导电电极1、电致变色层、电解质层、离子储存层和透明导电电极2，其中，搜书透明导电电极1为氧化铟锡ITO玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯ITO-PET，所述导电电极2为ITO玻璃或ITO-PET，所述电致变色层为噻吩类聚合物，所述离子储存层为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)，所述电解质层为聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件，其特征在于，所述电致变色器件为层状结构，所述层状结构自上而下依次为透明导电电极1、电致变色层、电解质层、离子储存层和透明导电电极2，其中，搜书透明导电电极1为氧化铟锡ITO玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯ITO-PET，所述导电电极2为ITO玻璃或ITO-PET，所述电致变色层为噻吩类聚合物，所述离子储存层为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)，所述电解质层为聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质。


2.一种如权利要求1所述的基于聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的电致变色器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝胶电解质的制备：将设定比例的聚乙烯醇与聚丙烯酸加入至溶剂中，在设定温度下混合得到聚乙烯醇-聚丙烯酸PVA-PAA；将设定含量的电解质加入到上述溶液中，将所得溶液倒入模具中，在设定温度下冻融设定时间，即得到PVA-PAA水凝胶电解质；
(2)电致变色层的制备：在三电极体系中，以设定浓度的二联噻吩三苯胺TBTPA、电解质、有机溶剂为电解液，以透明导电基底ITO玻璃或ITO-PET为工作电极，采用恒电位电解法制备聚合物PTBTPA薄膜，用色谱级乙腈清洗并烘干，即得到电致变色层；
(3)离子储存层的制备：在三电极体系中，以设定浓度的3,4-乙烯二氧噻吩EDOT、电解质、有机溶剂为电解液，以透明导电基底ITO玻璃或ITO-PET为工作电极，采用恒电位电解法制备聚合物PEDOT薄膜，用色谱级乙腈清洗并烘干，即得到离子储存层；
(4)电致变色器件的组装：将PVA-PAA水凝胶电解质进行切割，贴合在在步骤(3)制备的PEDOT薄膜覆盖的电极上，将步骤(2)制备的PTBTPA薄膜覆盖的电极面对面贴合，在器件外围进行封装，最终获得电致变色器件。


3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，聚乙烯醇/聚丙烯酸的质量比为100:1～1：1；所用溶剂为去离子水或水/二甲基亚砜混合溶液；溶解温度为60℃～120℃。

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓静，许志怡，张诚，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33