[发明专利]一种基于纳米纤维素的电致变色复合材料及器件制备方法

说明书

本文涉及一种基于纳米纤维素的共轭聚合物电致变色复合材料及其器件的制备方法，属于功能性变色材料及器件领域。首先以纳米纤维素为基材，加入共轭聚合物单体、掺杂剂、引发剂后在其悬浮液中原位聚合，得到核壳结构的纳米纤维素/共轭聚合物复合材料悬浮液，过滤洗涤后用滴涂和自然干燥的方式成膜。本发明制得的纳米纤维素/共轭聚合物复合材料具有良好的加工成膜性和优异的电致变色效果，制备方法简单，在电致变色功能器件领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种以纳米纤维素为基材的电致变色复合材料及器件制备方法，属于功能性变色材料及器件领域。

背景技术

纤维素材料是一种可再生的天然高分子，具有储量丰富、价格低廉、可生物降解等生物质材料的诸多优点。纳米纤维素指直径在1-100nm，具有一定长径比的纤维素纤维。纳米纤维素在纤维素原有的特点上，由于其纳米尺度带来了巨大的比表面积、高强度、较强的吸附性、高亲水性和透明性等优越性能，非常适合作为一种高分子纳米填料与其它聚合物材料进行复合。

共轭聚合物是一类具有共扼π键，经化学或电化学掺杂后能够由绝缘体转变为半导体或导体的高分子材料。在电化学掺杂过程中一般伴随着氧化(掺杂)或还原(去掺杂)反应，某些特定的共轭聚合物例如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯及其衍生聚合物等在该过程中伴随着颜色变化。这类在外加电场下颜色和透明度发生明显变化的共轭聚合物为电致变色聚合物，是一类典型的有机高分子电致变色材料。与无机小分子电致变色材料相比，共轭聚合物电致变色材料具有色彩丰富、可控制性好、响应时间快、循环耐久性好等优势。电致变色材料可用于电致变色灵巧窗、电致变色显示器件、电子纸、防眩后视镜、存储器件、高分辨率摄影器材、传感器等，具有广阔的应用前景。但目前大部分电致变色共轭聚合物不溶不熔，在水溶液中分散性不好，加工成膜性差，进而影响到响应时间、着色效率等电致变色性能，限制了相关的应用和发展。

为了改善电致变色高分子材料的加工成膜性，提高电致变色性能，可以采用引入另一种材料进行复合的方式，得到电致变色复合物。专利CN102608819B在聚苯胺聚合时引入了十二烷基苯磺酸，并混合聚苯乙烯胶液制备复合导电液，得到了较好的聚苯胺分散性和制膜效果，但需要用到乳化剂、聚乙烯醇等较多试剂，且制备过程相对繁琐。拥有纳米效应和优异性能的纳米纤维素也可以作为一种基材，与共轭聚合物材料复合成膜。专利CN102219917B以纳米尺度的细菌纤维素为基材，先复合了丝素蛋白，然后用电化学方法制得复合电致变色材料，得到的产物可用于柔性显示器。该复合材料具有一定的柔性和生物相容性，电致变色效果良好，但制备流程长，生产效率低。本发明制备了纳米纤维素并以此为基材，通过原位化学聚合制备复合电致变色材料，能够短时间内得到大量产物，方法简便，提高材料的加工成膜性和电致变色性能。

发明内容

为解决传统电致变色材料加工成膜性差，提高变色对比、响应时间、着色效率等电致变色性能，本发明提供一种以纳米纤维素为基材的共轭聚合物电致变色复合材料及器件制备方法，包括以下步骤：

(1)纳米纤维素的制备。将1～10g纤维素原料置于30～60℃水浴加热，搅拌中加入40～75wt％的浓硫酸进行酸解处理。10～60分钟后加入大量去离子水终止反应，将酸解后的纤维素悬浮液抽滤、离心洗涤。将洗涤后的悬浮液用300～1200w超声波处理10～60分钟，然后过滤去掉杂质和大颗粒，得到纳米纤维素悬浮液。

(2)电致变色复合膜制备。将一定量共轭聚合物单体、掺杂剂、前面步骤中制备的纳米纤维素悬浮液混合并在恒温水浴中搅拌10～30分钟。然后将适量的引发剂溶于0.2～2mol/L掺杂剂水溶液并加入上述溶液，恒温水浴中搅拌一定时间。反应完毕后，将产物放在离心机中离心5～10分钟，去掉上清液保留下层沉淀。按此方法分别用去离子水和乙醇各离心洗涤两次，得到纳米纤维素/共轭聚合物复合物悬浮液。然后将制备得到的纳米纤维素/共轭聚合物复合物悬浮液滴涂到导电电极层上，在室温下自然干燥，得到纳米纤维素/共轭聚合物电致变色复合膜。