[发明专利]一种可穿戴的智能变色器件

说明书

技术领域

本发明属于智能变色器件技术领域，具体涉及对一种可穿戴的智能变色器件及其制备方法。

背景技术

作为现代电子产品的一个崭新方向，智能电子产品已普及到生活中的各个方面，如智能手机、智能手环、智能眼镜等。这些智能电子产品的使用，无不依托于其储能设备。可以说，储能设备才是实现产品智能化的关键。因此，智能电子产品的兴起，重燃了人们对研究其储能设备的兴趣。使像超级电容器这种储能设备可以根据其充电状态来改变外观，符合智能化的概念。如果超级电容器可以感测能量存储的变化程度，并以一种可预测的、明显的方式表达出来，我们便可以在一个设备停止工作之前迅速做出判断，从而使工作和生活变得更有效率。

当电致变色材料发生氧化还原反应时，其颜色可以可逆性地变化。作为电致变色材料的代表，导电聚合物聚苯胺(PANI)因其具有色彩丰富、响应速度快、颜色变化明显等特点而被大量研究和广泛应用。由于电致变色器件和超级电容器都基于电化学反应并都具有三明治结构，因此，整合了电致变色性能和能量存储能力的多功能电致变色超级电容器(即储能电致变色装置)为实现色彩丰富的智能电子设备提供了一条有效的解决途径。此外，这种储能电致变色装置因其可以同时实现能源的转换、存储及合理利用而具有着很高的研究价值。

随着科技的不断进步，人们逐渐对智能电子产品有了可穿戴的需求。可穿戴的产品要求材料具有一定的机械强度，可以被拉伸、扭曲、折叠、弄皱，而没有性能退化。这些产品能够适应复杂的非平面表面，有着刚性装置所不具有的应用领域。

本发明选取可伸缩的透明基底，将碳导电层及PANI电致变色层依次覆于其上，通过制备方法的选择及制备条件的控制，使其兼顾电致变色性能、能量存储能力及可穿戴功能。其原理是：作为导电层的碳材料，不仅可以替代电致变色器件中的传统导电层氧化铟锡(ITO)，降低成本，而且能够增强导电性，降低电致变色反应电压，加快响应速度，达到节约能源的目的。同时，由于碳材料与PANI均具有出色的电容性能，使得该装置在PANI通电变色时储存能量，即达到充电的效果。当用电器需要电能时，其可作为储能元件向用电器供电。同时，由于PANI变色时具有浅黄、绿、蓝、紫四种不同的颜色，使得该储能电致变色装置可以通过PANI感测能量存储的变化程度，并以颜色变化的形式表达出来。该设计安全有效，节能环保，用途广泛。

发明内容

本发明的目的是提供一种可穿戴的智能变色器件。本发明的智能变色器件是以可伸缩的基底为基础，将碳导电层及PANI电致变色层依次覆于其上得到。

本发明的智能变色器件的制备方法包括以下步骤：

(1)可伸缩透明基底的制备：将硅橡胶和固化剂倒入培养皿中，脱气固化后取出，切割成特定大小的形状，拉伸作为基底；

(2)碳导电层的制备：将碳材料溶于乙醇后超声分散，得到分散均匀的碳材料溶液，然后在基底上喷涂或旋涂该溶液；

(3)PANI电致变色层的制备：在去离子水中加入质子酸及苯胺，将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，使用计时电流法进行电沉积得到PANI薄膜。

本发明的步骤(1)的具体步骤为：硅橡胶和固化剂以5～15：1的质量比混合倒入培养皿中，脱气，并在10～70℃固化0.5～3小时，取出，切割成特定大小、形状，拉伸使其伸长10％～50％，作为基底。

本发明的步骤(2)的具体步骤为：将碳材料溶于乙醇中，配制成0.05～0.2mg/mL的溶液，超声分散，得到分散均匀的碳材料溶液，并在基底上喷涂或旋涂该溶液。

本发明的步骤(3)的具体步骤为：去离子水中加入浓度为1mol/L～4mol/L的质子酸及1mol/L的苯胺，将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，使用计时电流法进行电沉积，沉积温度为10℃～45℃，在0.5V～1.0V下沉积30s～300s，得到PANI薄膜。

本发明的步骤(1)中使用的培养皿厚度为0.1mm～10mm。

本发明的硅橡胶是聚二甲硅氧烷。

本发明的碳材料是碳纳米管。

本发明通过对基底、导电层及电致变色材料的选择与设计，来实现其对能量的存储及表达。其原理是将器件通电后，对其施加0V～0.8V的电压，器件颜色按照浅黄色-绿色-蓝色-紫色变化。此时，发生如下的变色反应：