[发明专利]一种基于聚苯胺的电致变色织物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于聚苯胺的电致变色织物及其制备方法。

背景技术

能够改变颜色的织物或服装无论是在时尚、日用服装还是军用伪装衣上都是人们追求的目标，通过热、光、湿、压力或电场等因素为诱因改变材料对光谱的吸收可以实现变色，但是，热、光、湿度、压力等外界刺激因素不可或难以实现人为控制。通过外加小电场或电流控制实现人为可控变色，是智能变色材料的发展方向，而电致变色材料及器件正是首选。

电致变色材料在外加电流或电场的作用下，发生电化学氧化或还原反应，其光学性能(透射率、反射率、吸收率和发射率等)在可见光波长范围内产生稳定的可逆变化，从而在外观上表现为颜色等光学性能的可逆变化。常用的电致变色材料包括有机和无机电致变色两大类材料。其中，无机电致变色材料已经在工业上得到广泛应用，比如WO₃已用于电致变色窗，但无机电致变色材料的缺点是制备工艺复杂、成本高、且发光颜色难调节、颜色种类较少、并难以实现柔性化。而导电聚合物作为电致变色材料，既有金属和半导体的光电性质，又兼具聚合物柔韧的机械性能和可加工性，有着优越的着色效率和快速的响应时间、颜色变化范围宽广的优点，在掺杂/脱掺杂的过程即氧化或还原的过程中，可以产生完全可逆的颜色变化，并且易于制备，从而引起人们的高度重视。在各种导电聚合物电致变色材料中，聚苯胺以其成本低、光学质量好、颜色转换快、循环可逆性好等优点倍受人们关注。

聚苯胺是一种头尾连接的线性聚合物，由苯环-醌环交替结构所组成，属于典型的具有共轭电子体系的导电聚合物。其结构如下：

y值表示聚苯胺的氧化还原程度，不同的y值对应于不同的结构、组分、颜色及电导率。完全还原型(y＝1)和完全氧化型(y＝0)都为绝缘体。在0＜y＜1的任一状态都能通过质子酸掺杂，从绝缘体变为导体，且当y＝0.5时，为苯醌比3∶1的半氧化半还原结构，其电导率为最大。y值大小受聚合时氧化剂种类、浓度等条件影响。

合成聚苯胺的方法有化学氧化法和电化学法两种。化学氧化法是在酸性条件下用氧化剂如(NH₄)₂S₂O₈，K₂Cr₂O₇，KIO₃等(同时也是催化剂)，可制得性质基本相同、电导率高、稳定性好的聚苯胺。其合成反应主要受反应介质酸的种类及浓度，氧化剂的种类及浓度，单体浓度和反应温度、反应时间等因素的影响。电化学法是在含苯胺的电解质溶液中，选择适当的电化学条件，使苯胺在阳极上发生氧化聚合反应，生成粘附于电极表面的聚苯胺薄膜或是沉积在电极表面的聚苯胺粉末。由电极电位来控制氧化程度，合成的聚苯胺的电导率与电极电位和溶液pH值都有关系。

聚苯胺可以通过化学掺杂、电化学掺杂、质子酸掺杂和物理掺杂等手段来实现导电，其中质子酸掺杂最为常见。聚苯胺的掺杂过程是氧化还原反应过程，实质是电荷转移过程。与其他导电聚合物掺杂总是伴随着主链上电子的得失，而聚苯胺的质子酸掺杂没有改变主链上的电子数目，只是质子进入高聚物主链上才使链带正电，为维持电中性，阴离子也进入高聚物的主链。不同氧化还原程度的聚苯胺，其结构特点、掺杂机制如图1所示。

质子掺杂是聚苯胺由绝缘态转变为金属态的关键。控制电压在-0.6V～1.0V变化时，聚苯胺膜在高氯酸作掺杂酸，高氯酸锂的电解质溶液中从还原态到氧化态，其颜色变化是透明-浅黄色-绿色-暗蓝色-紫色。其中浅黄色-绿色之间的变化是可逆的，可循环使用，响应时间短。