【摘 要】
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电致变色材料是一类可以在外部电压影响下产生宏观上可逆的颜色变化的智能材料,具备突出的可控性、较高的颜色通透性、较大的光学对比度、较强的应用拓展性。目前已成功商用于光学节能窗、汽车后视镜、智能眼镜、飞机舷窗、柔性显示、移动通信设备等领域。可以预见的是,随着生活水平的提高,电致变色材料及其相关器件有非常广阔的应用前景。电致变色材料种类繁多,其中有机聚合物电致变色材料因其分子骨架易于修饰和改性、溶液可加
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电致变色材料是一类可以在外部电压影响下产生宏观上可逆的颜色变化的智能材料,具备突出的可控性、较高的颜色通透性、较大的光学对比度、较强的应用拓展性。目前已成功商用于光学节能窗、汽车后视镜、智能眼镜、飞机舷窗、柔性显示、移动通信设备等领域。可以预见的是,随着生活水平的提高,电致变色材料及其相关器件有非常广阔的应用前景。电致变色材料种类繁多,其中有机聚合物电致变色材料因其分子骨架易于修饰和改性、溶液可加工性强,在一定程度内可以通过化学和物理手段控制颜色变化、响应速度、循环稳定性等电致变色性能。所以其长期发展前景广阔,也是目前的研究热点。薄膜是其主要应用形式,制膜工艺包括高速旋转涂覆、气压喷射涂覆、丝网模板印刷、滴涂铸膜、刮刀涂布等多种方式,但以上传统方式制备效率低、加工成本高、薄膜性能难控制、应用形式上有较大限制。本文以静电纺技术为基础,通过静电喷涂沉积技术制备薄膜,并结合原位洗脱法、引入银纳米线进一步优化薄膜微观结构,从而提高其电致变色性能。同时与传统的刮刀涂布方法进行对比研究,分析其中优劣及原因,本论文具体研究内容如下:1、以易于加工的聚(二苯醚-甲氧基三苯酰胺)(ODA-TPAOMe-PA)为电致变色材料,以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,当ODA-TPAOMe-PA的固含量为8%并添加0.1%氯化钠配置的纺丝液可以制备出直径分布均匀、表观形貌好的纳米纤维膜。测试结果表明纳米纤维膜有明显的氧化还原峰,但薄膜附着力与机械性能较差无法进一步利用。以30 mg/ml的ODA-TPAOMe-PA的DMAc溶液为原料,分别制备了静电喷涂技术薄膜(PA-ES)和刮刀涂布薄膜(PA-BC)。PA-ES因为小液滴堆积而成,其表面较粗糙,具有较大的真实比表面积与疏松多孔的结构,利于电化学高效反应和离子扩散。测试结果表明,相比PA-BC薄膜,PA-ES的氧化还原电位差减小了0.33 V,表现出较小的电化学阻抗值和较大的扩散速率。同时电致变色性能明显提高,循环稳定性没有明显变化而着色/漂白时间减少了3.6 s/1.6 s,着色效率提高了近一倍。2、通过结合静电喷雾法与原位洗脱法制备ODA-TPAOMe-PA的电致变色薄膜。根据颜色的适配性和溶解性,选择了四丁基高氯酸铵(TBAP)作为模板剂,在原有的聚合物溶液中添加不同比例(9.1%、23.1%、33.3%、41.2%)的电解质盐,采用静电喷涂沉积方法制备薄膜,然后在去离子水、乙腈溶液中洗脱TBAP颗粒,最终制备出含有多层级孔结构的电致变色薄膜。研究结果表明,随着电解质盐含量的升高,薄膜表面孔隙率升高,当TBAP含量达到33.3%,孔隙率最高且多层级效果最明显。由于多层级结构的比表面积大、结构疏松,四种薄膜的电化学活性提高,电位差进一步减小至0.18 V。且电致变色性能优异,其中PA-TBAP-33.3%的着色漂白时间减小至1.0 s/0.6 s,着色效率达到608.2 cm2/C。然而当TBAP含量提高到41.2%时,电解质盐团聚导致薄膜结构过于疏松而降低了各项性能。进一步将PA-TBAP-33.3%制备成电致变色器件,其响应速度依旧出色,着色/漂白时间为3.4 s/1.2 s。3、通过在原有的聚合物溶液中引入适量银纳米线(0.5 mg/ml),对比了静电喷涂沉积技术(PA-Ag NWs-ES)、刮刀涂布法(PA-Ag NWs-BC)制备的有机电致变色杂化膜。研究结果表明,引入了Ag NWs后,溶液电导率增强使静电喷涂过程中形成的球形液滴直径减小,最终制备的薄膜其表面、截面孔隙更加明显。电化学测试结果表明,PA-Ag NWs-ES的氧化还原电位差减小至0.25 V,而银纳米线对刮涂薄膜的作用则主要体现在提高了近33.3%的电流密度。添加了Ag NWs的两种薄膜的电致变色性能明显提升,PA-Ag NWs-ES和PA-Ag NWs-BC的着色/漂白时间分别为1.2 s/0.8 s、2.2 s/1.8 s,着色效率分别为697.1cm2/C、294.6 cm2/C。电极过程与电化学阻抗的研究表明,PA-Ag NWs-ES薄膜的电极过程表现为扩散控制。将其制备为“三明治”结构的电致变色器件,着色/漂白时间分别为3.2 s/1.2 s。与已报道电致变色器件相比有明显优势,有很好的实际应用前景。
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