[发明专利]一种氢键交联本征可拉伸电致变色聚合物及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氢键交联本征可拉伸电致变色聚合物，所述聚合物包括变色功能基团和氢键交联的可拉伸基团；所述变色功能基团以3,4‑二氧乙撑噻吩为供体单元，缺电子性能的五元杂环类化合物或者是芳香族类化合物作为受体基团，经Stille偶联反应或Suzuki偶联反应一步得到；所述氢键交联的可拉伸基团由吡啶‑二甲酰胺类衍生物或联二吡啶‑二甲酰胺类衍生物组成。本发明设计合成系列氢键交联的本征可拉伸电致变色新材料，为可拉伸电致变色材料的合成及器件的研究提供一定的理论指导与材料、技术支撑。

技术领域

本发明涉及涉及电致变色材料技术领域，尤其是涉及一种基于吡啶-2,6-二甲酰胺类(PDCAs)或联二吡啶-二甲酰胺类(DPDCAs)基团的氢键交联本征可拉伸电致变色聚合物材料及其制备方法

背景技术

柔性智能设备是当今电子产品的主流发展方向，市场开发前景巨大，其市场规模据估计在2020年将远超200亿美元。电致变色材料作为显示器件及部分可穿戴电子设备的重要功能材料之一，是指在弱电场作用下能够通过电子和离子的双重注入、抽取或发生氧化还原反应，从而使其颜色能够发生可逆连续变化的一类节能材料。这类材料在众多领域展现出广阔的应用前景，如智能节能窗、无眩目反光镜、低能耗显示器件、信息显示及存储、电子纸、变色皮肤等。作为下一代电子器件的典型代表，柔性显示及可穿戴电子设备的发展对可拉伸性能提出了更高要求，迫切需要科研工作者尽快开发出能够适应一定应力并在形变中维持优异性能的可拉伸电致变色器件。

可拉伸电致变色器件近几年正在引起关注，高性能可拉伸电致变色材料的制备是关键问题。可拉伸性是下一代电致变色器件的重要特征，然而器件的可拉伸性能研究挑战远远大于柔性，这要求器件可以反复扭转、拉伸和弯曲，同时其电致变色性能不受影响、保持稳定，因此电致变色材料本身最好为弹性体、可高度形变，且在形变过程中变色性能稳定。虽然导电聚合物本身具有柔性长链分子结构，理论上其抗拉伸性能相比与金属氧化物和有机小分子更高，但目前报道的实验值仍然不佳。随着研究的不断深入以及对可拉伸器件性能要求的提高，高性能可拉伸电致变色材料的制备和开发是摆在科研人员面前的重要挑战之一。

共轭聚合物链间氢键非共价交联的发现和研究，成为实现导电聚合物高度拉伸、自愈合的有效方法。氢键的形成主要源于静电作用力，其键能大比范德华力稍强，但作用力和稳定性明显弱于共价键和离子键。通过在共轭聚合物结构中引入分子间氢键，调控材料中刚性共轭结构单元和氢键交联柔性碳链的比例，制备出了新型本征可拉伸、自愈合聚合物半导体，并用于可拉伸电致变色的制作。其设计理念：刚性共轭结构单元结晶度高(晶区)，可实现材料的电荷传输；含氢键交联的柔性碳链为无定形态(非晶区)，起软化作用。拉伸材料时，氢键会断开吸收机械能，同时不会明显降低聚合物的电子传输性质；而应力释放时，这些键又会重新结合起来。虽然材料的可拉伸性能及机械耐久性还有较大的提升空间，但基于链间氢键非共价交联的设计理念，可以预见未来会迅速出现大量性能更优的高度拉伸、自修复导电聚合物新材料。

聚(3,4-二氧乙基噻吩)类材料电致变色性能优异、稳定性好，是设计合成本征可拉伸导电聚合物电致变色新材料的理想选择。聚(3,4-二氧乙基噻吩)(PEDOT)是导电聚合物家族中的明星材料，电导率很高，目前最高可达4800S/cm；环境稳定性优异，在100℃下加热1000h电导率几乎不发生变化；可见光透过率高(大于90％)；成膜性能良好。作为电致变色材料，基于PEDOT的类似物、衍生物、共聚物(PEDOTs)着色效率高(可达1365cm²C^-1)、响应时间短(1s)、循环稳定性好(可循环200万次以上)、能够实现全色显示。基于PEDOTs电致变色材料的基础研究已经较为成熟，且这些材料的电致变色性能优异，部分材料已经器件化、产品化、商业化。由此可见，PEDOTs类结构材料是设计合成本征可拉伸导电聚合物电致变色新材料的最佳选择。

发明内容