CN103524718B - 一种红色电致变色材料及其制备方法与组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红色噻吩类聚合物电致变色材料,所述材料为[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物,GPC(THF vs PS standards):Mw ca.1.17*105g/mol,Mn ca.4.34*104g/mol,分子量分布系数PDI=2.71;δH(400MHz,CDCl3):7.00(br,1H),3.90(br,5H),3.00-0.50(br,35H)。所述聚合物薄膜颜色可以在红色和透明之间转变,循环寿命大于10000次,具有驱动电压低,氧化态透明且透过率高、响应时间短、可喷涂操作等特点,可用于电致变色窗、电致变色显示器等器件,具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电致变色材料领域,特别涉及一种红色电致变色材料及其制备方法与组件。
背景技术
电致变色即材料在交替的高低或正负外电场作用下通过注入或抽取电荷发生氧化还原反应,从而在低透过率的着色态和高透过率的消色态之间发生可逆变化的特殊现象,外观上表现为颜色及透明度的可逆变化,在电致变色窗、电致变色显示等领域有广阔的应用前景。电致变色材料分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨,目前,以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化。而有机电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。相对于以过渡金属氧化物为代表的无机电致变色材料,有机电致变色材料如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、紫精等具有色彩丰富、容易进行分子设计等优点,因而更加受到研究者的青睐。
由于聚合物主链刚性使聚噻吩具有不溶的特性,这就为使用电致变色聚合物材料加工制作电致变色器件带来较大的困难。通常采用电化学聚合的办法使得到的聚合物直接沉积于电极表面形成聚合物薄膜。但现有的电化学聚合在制备大面积电致变色器件时难以胜任。有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种新型的红色聚噻吩电致变色材料,所述材料颜色可以在红色和透明之间转化,具有驱动电压低,氧化态透明且透过率高、响应时间短、可喷涂操作等特点,可用于电致变色窗、变色显示器等器件。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种如式(Ⅰ)所示的红色聚噻吩电致变色材料,为[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物
其中,0<n≤0.5m,0<q<m。
其中,优选0.4m<n≤0.5m,0.4m<q<0.5m。
更具体地,本发明所述聚合物数均分子量范围为3.0*104g/mol~5.5*104g/mol,进一步优选3.6*104g/mol-4.5*104g/mol。
本发明的第二目的在于提供一种上述聚合物的制备方法,所述制备方法简单易行且收率高,进一步提高了红色聚噻吩电致变色材料的可推广性。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
如上所述红色聚噻吩电致变色材料的制备方法,包括:
步骤1:将3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇在醚交换反应催化剂的催化作用下发生反应得到3,4-二(2-乙己氧基)噻吩;
步骤2:3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩和3,4-二甲氧基噻吩在氧化剂的作用下发生氧化聚合反应得到式Ⅰ所示的[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物。
上述制备方法,其中,步骤1醚交换反应催化剂为对甲苯磺酸,反应溶剂为甲苯。
3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇投料摩尔比为1:4~1:6,优选3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇投料比为1:5,催化剂与3,4-二甲氧基噻吩投料摩尔比为1:10~1:15。
步骤1反应时间为24~48小时,反应温度为110~130℃。优选反应时间为32~40小时,反应温度为118~125℃。
具体地说,步骤1为:将3,4-二甲氧基噻吩、2-乙基己醇、对甲基苯磺酸和甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇投料摩尔比为1:4~1:6,催化剂与3,4-二甲氧基噻吩投料摩尔比为1:10~1:15,将混合物加热至110~130℃回流24~48小时,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩。
上述制备方法,步骤2中氧化剂为无水三氯化铁,反应溶剂选自乙酸乙酯、氯仿或硝基甲烷。
3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩和3,4-二甲氧基噻吩的摩尔用量分别以m、n和q计,具有如下配比关系:0<n≤0.5m,0<q<m,氧化剂无水三氯化铁用量为三种噻吩类单体物质的量之和的5~6倍。
步骤2反应时间为24~72小时,反应温度为10~35℃。优选反应时间为48-72小时,反应温度为20~25℃。
具体地说,步骤2为:将无水FeCl3溶解于30mL乙酸乙酯,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩、3,4-二甲氧基噻吩合并溶解于乙酸乙酯并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。以m、n和q计,3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩和3,4-二甲氧基噻吩的摩尔用量比范围为0<n≤0.5m,0<q<m。氧化剂无水三氯化铁用量为三种噻吩类单体物质的量之和的5~6倍,滴加完毕后10~35℃搅拌24-72小时,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物。
更优选本发明所述制备方法的具体合成路线如下:
具体即:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(18.23g,140mmol)、对甲基苯磺酸(0.65g,3.5mmol)和350ml甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至120℃回流48h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率65%;
(2)将无水FeCl3(11.44g,70.56mmol)溶解于25mL乙酸乙酯,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.247g,2.94mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.424g,2.94mmol)合并溶解于乙酸乙酯并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后25℃搅拌48h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入2mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率35%。
本发明的第三目的在于保护所述红色聚噻吩电致变色材料在用于制造电致变色装置中的应用。其中,所述的电致变色装置包括但不限于智能窗、显示器等。
此外,本发明进一步要求保护含有上述红色聚噻吩电致变色材料(即[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物)的组件。
本发明所述的组件优选为电致变色薄膜,该电致变色薄膜具有颜色可以在红色和透明之间转化,驱动电压低,氧化态透明且透过率高、响应时间短、可喷涂操作的优点。其聚合物的氧化还原电位分别为0.7V和0.4V。最大吸收波长为530nm,透过率5.68%,透过率差46.8%,消色态最大透过率为61.8%,着色和褪色时间分别为1.5s和1.3s。
本发明所述电致变色薄膜可以采用现有技术公开的任一种成膜方法制备得到,本发明优选成膜方法如下:
配置聚合物的二氯甲烷溶液,使用喷涂装置(包括但不限于连接有空气压缩机的美工喷笔)喷涂聚合物溶液于ITO玻璃或FTO玻璃的表面形成电致变色薄膜。其中,聚合物的二氯甲烷溶液浓度为2~5mg/mL。
采用上述技术方案,本发明得到了一种新型红色电致变色聚合物材料及其制备方法。该聚合物材料可以溶液喷涂在ITO玻璃表面成膜,在实际应用中发现,该聚合物材料具有驱动电压低,响应时间较短,着色态和消色态的透过率差较大,循环寿命大于10000次等特点,非常适合应用于智能窗、电致变色显示器等器件。
附图说明
图1为化合物1的核磁氢谱图;
图2为化合物1的核磁碳谱图;
图3为聚合物2的核磁氢谱图;
图4为聚合物2的傅里叶变换红外谱图;
图5为聚合物薄膜的循环伏安曲线图;
图6为聚合物薄膜着色态和消色态的透过率示意图;
图7为聚合物薄膜着色态和消色态的透过率差示意图;
图8为聚合物的多电位间跃曲线图;
图9、图10分别为聚合物薄膜消色和着色过程的即时电量曲线图。
具体实施方式
本发明所述的如式Ⅰ所示的红色聚噻吩电致变色材料,为[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物
其中,0<n≤0.5m,0<q<m。
其中,优选0.4m<n≤0.5m,0.4m<q<0.5m。
更具体地,本发明所述聚合物数均分子量范围为3.0*104g/mol~5.5*104g/mol,进一步优选3.6*104g/mol-4.5*104g/mol。
m、n、q在该比例范围内(优选在所限定的数均分子量范围内),能够确保所得聚合物具有驱动电压低,氧化态透明且透过率高、响应时间短、可喷涂操作等优异性能。
本发明所述红色聚噻吩电致变色材料的制备方法,包括:
步骤1:将3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇在醚交换反应催化剂的催化作用下发生反应得到3,4-二(2-乙己氧基)噻吩;
步骤2:3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩和3,4-二甲氧基噻吩在氧化剂的作用下发生氧化聚合反应得到式Ⅰ所示的[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物。
上述制备方法,步骤1中醚交换反应催化剂为对甲苯磺酸,反应溶剂为甲苯。这种特定催化剂和溶剂的选择能够有效催化醚交换反应的进行。
步骤1中3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇投料摩尔比为1:4~1:6,优选3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇投料比为1:5,催化剂与3,4-二甲氧基噻吩投料摩尔比为1:10~1:15。上述用量比是发明人在大量实验研究的基础上得到的,在保证合成产率的情况下,使物料的用量比尽可能得到优化控制。
步骤1中反应时间为24~48小时,反应温度为110~130℃。优选反应时间为32~40小时,反应温度为118~125℃。该反应条件能够保证醚交换反应进行至较完全的程度。
具体地说,步骤1为:将3,4-二甲氧基噻吩、2-乙基己醇、对甲基苯磺酸和甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇投料摩尔比为1:4~1:6,催化剂与3,4-二甲氧基噻吩投料摩尔比为1:10~1:15,将混合物加热至110~130℃回流24~48小时,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩。
步骤2中氧化剂为无水三氯化铁,反应溶剂选自乙酸乙酯、氯仿或硝基甲烷。无水三氯化铁具有氧化性,在上述特定反应溶剂中能够更好地促成单体的化学氧化聚合以及单体间的共聚。
步骤2中3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩和3,4-二甲氧基噻吩的摩尔用量分别以m、n和q计,具有如下配比关系:0<n≤0.5m,0<q<m,优选0.4m<q<0.5m。氧化剂无水三氯化铁用量为三种噻吩类单体物质的量之和的5~6倍。上述单体的摩尔用量比能够确保所得聚合物具有驱动电压低,氧化态透明且透过率高、响应时间短、可喷涂操作等优越性能。
步骤2中反应时间为24~72小时,反应温度为10~35℃。优选反应时间为48-72小时,反应温度为20~25℃。该反应条件温和,能够保证聚合反应进行至较完全的程度。
具体地说,步骤2为:将无水FeCl3溶解于30mL乙酸乙酯,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩、3,4-二甲氧基噻吩合并溶解于乙酸乙酯并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。以m、n和q计,3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩和3,4-二甲氧基噻吩的摩尔用量比范围为0<n≤0.5m,0<q<m。氧化剂无水三氯化铁用量为三种噻吩类单体物质的量之和的5~6倍,滴加完毕后10~35℃搅拌24-72小时,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物。
本发明所述含有上述红色聚噻吩电致变色材料(即[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物)的组件优选为电致变色薄膜,该电致变色薄膜具有颜色可以在红色和透明之间转化,具有驱动电压低,氧化态透明且透过率高、响应时间短、可喷涂操作的优点。其氧化还原电位分别为0.7V和0.4V。最大吸收波长为530nm,透过率5.68%,透过率差46.8%,消色态最大透过率为61.8%,着色和褪色时间分别为1.5s和1.3s。
以下将以具体实施方式的形式对本发明的技术方案作进一步详细介绍:
实施例1红色聚噻吩电致变色材料
如式Ⅰ所示的红色聚噻吩电致变色材料,为3,4-二(2-乙己氧基)噻
吩、噻吩与3,4-二甲氧基噻吩的三元共聚物,其中,n=0.5m,q=0.5m;
上述式Ⅰ所示的聚合物的核磁氢谱见图3,图3中纵坐标代表峰强度,横坐标代表化学位移。δH(400MHz,CDCl3):7.00(br,1H),3.90(br,5H),3.00-0.50(br,35H)。三峰积分面积比为1:5:35,按照投料比[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]:噻吩:[3,4-二甲氧基噻吩]=1:0.5:0.5,三峰理论积分面积比为1:5:32。图3说明聚合物结构的正确性。
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.3*104g/mol。
该聚合物的傅里叶变换红外谱图见图4,图4中纵坐标为透过率,横坐标为波数。664cm-1峰为噻吩C-S伸缩振动吸收,727、772cm-1峰为噻吩=C-H面外弯曲振动吸收,1014cm-1峰为C-C伸缩振动吸收,1366cm-1峰为C-O伸缩振动吸收,1456cm-1峰为噻吩C=C骨架振动和-CH2-对称弯曲振动吸收,1519cm-1峰为噻吩C=C骨架振动吸收,2858、2926cm-1峰为烷基链C-H伸缩振动吸收,2956cm-1峰为噻吩环C-H伸缩振动吸收。图4说明终产物的结构没有设计之外的官能团。
本实施例所述的三元共聚物可采用本发明所记载的制备方法制备得到,如实施例3-6,本领域技术人员可以根据各共聚单体的用量比来得到具有不同m、n和q的取值范围,本发明对此不再一一限定。
实施例2红色聚噻吩电致变色材料
与实施例1相比,区别点仅在于:上述聚合物中,n=0.4m,q=0.6m,或n=0.5m,q=0.8m,或n=0.3m,q=0.6m,或n=0.5m,q=0.45m。所得聚合物的数均分子量依次为3.6*104g/mol,5.2*104g/mol,4.1*104g/mol,4.5*104g/mol。
实施例3红色聚噻吩电致变色材料的制备方法
本实施例所述制备方法的具体合成路线如下:
具体即:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(18.23g,140mmol)、对甲基苯磺酸(0.65g,3.5mmol)和300mL甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至120℃回流24h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率60%;
(2)将无水FeCl3(11.44g,70.56mmol)溶解于30mL氯仿,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.247g,2.94mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.424g,2.94mmol)合并溶解于氯仿并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后至20℃搅拌24h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入2~4mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率20%。
其中,化合物1的核磁氢谱图见图1,图中纵坐标代表峰强度,横坐标代表化学位移。δ=6.16峰对应噻吩环2-、5-位氢原子,δ=3.85,3.84,1.75,1.32,0.90峰对应2-乙己基氢原子。化合物1的核磁碳谱图见图2,图中纵坐标代表峰强度,横坐标代表化学位移。δ=148峰对应噻吩环3-、4-位碳原子,δ=97峰对应噻吩环2-、5-位碳原子,δ=11,14,23,24,29,31,39,73峰对应2-乙己基碳原子。图1和图2说明化合物1结构的正确性。
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.1*104g/mol。
实施例4红色聚噻吩电致变色材料的制备方法
本实施例所述制备方法的具体合成步骤如下:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(18.23g,140mmol)、对甲基苯磺酸(0.65g,3.5mmol)和250mL甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至125℃回流48h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率70%;
(2)将无水FeCl3(11.44g,70.56mmol)溶解于20mL乙酸乙酯,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.247g,2.94mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.424g,2.94mmol)合并溶解于乙酸乙酯并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后至20℃搅拌48h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入4mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率30%
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.5*104g/mol。
实施例5红色聚噻吩电致变色材料的制备方法
本实施例所述制备方法的具体合成步骤如下:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(18.23g,140mmol)、对甲基苯磺酸(0.65g,3.5mmol)和350ml甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至115℃回流48h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率75%;
(2)将无水FeCl3(11.44g,70.56mmol)溶解于25mL硝基甲烷,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.247g,2.94mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.424g,2.94mmol)合并溶解于硝基甲烷并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后至15℃搅拌48h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入2mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率25%。
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.7*104g/mol。
实施例6红色聚噻吩电致变色材料的制备方法
本实施例所述制备方法的具体合成步骤如下:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(18.23g,140mmol)、对甲基苯磺酸(0.65g,3.5mmol)和300ml甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至120℃回流48h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率65%;
(2)将无水FeCl3(11.44g,70.56mmol)溶解于35mL乙酸乙酯,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.247g,2.94mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.424g,2.94mmol)合并溶解于乙酸乙酯并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后至20℃搅拌72h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入4mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率35%。
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.3*104g/mol。
实施例7红色聚噻吩电致变色材料的制备方法
本实施例所述制备方法的具体合成步骤如下:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(18.23g,140mmol)、对甲基苯磺酸(0.65g,3.5mmol)和250ml甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至120℃回流48h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率60%;
(2)将无水FeCl3(11.44g,70.56mmol)溶解于20mL乙酸乙酯,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.247g,2.94mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.424g,2.94mmol)合并溶解于乙酸乙酯并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后至30℃搅拌48h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入3mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率30%。
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.8*104g/mol。
实施例8红色聚噻吩电致变色材料的制备方法
本实施例所述制备方法的具体合成步骤如下:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(22.79g,175mmol)、对甲基苯磺酸(0.65g,3.5mmol)和350ml甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至110℃回流48h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率55%;
(2)将无水FeCl3(9.53g,70.56mmol)溶解于25mL硝基甲烷,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.099g,1.18mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.678g,4.70mmol)合并溶解于硝基甲烷并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后至10℃搅拌72h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入2mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率25%。
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.0*104g/mol。
实施例9红色聚噻吩电致变色材料的制备方法
本实施例所述制备方法的具体合成步骤如下:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(27.35g,210mmol)、对甲基苯磺酸(0.52g,2.9mmol)和300ml甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至130℃回流24h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率50%;
(2)将无水FeCl3(10.23g,70.56mmol)溶解于35mL乙酸乙酯,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.247g,2.94mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.382g,2.65mmol)合并溶解于乙酸乙酯并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后至35℃搅拌24h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入4mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率30%。
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.4*104g/mol。
实施例10红色聚噻吩电致变色材料的制备方法
本实施例所述制备方法的具体合成步骤如下:
(1)将3,4-二甲氧基噻吩(5g,35mmol)、2-乙基己醇(27.35g,210mmol)、对甲基苯磺酸(0.43g,2.3mmol)和250ml甲苯加入上方连接索氏提取器的烧瓶中,将混合物加热至118℃回流40h,然后冷却至室温,水洗若干次,无水硫酸钠干燥,旋转蒸发除去溶剂,粗产物经柱层析得到油状液体,得3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(化合物1),产率50%;
(2)将无水FeCl3(10.87g,70.56mmol)溶解于20mL乙酸乙酯,加入烧瓶搅拌,将3,4-二(2-乙己氧基)噻吩(2g,5.88mmol)、噻吩(0.197g,2.35mmol)、3,4-二甲氧基噻吩(0.424g,2.94mmol)合并溶解于乙酸乙酯并经恒压滴液漏斗缓慢滴入烧瓶。滴加完毕后至25℃搅拌48h,将反应混合物滴入甲醇中沉淀,抽滤,用甲醇洗涤至滤液无色;收集滤饼溶于氯仿,搅拌,加入3mL水合肼,溶液转变为深红色。旋干过量溶剂,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,滤饼溶于氯仿,滤去不溶物,剩余溶液滴入甲醇沉淀,抽滤,收集滤饼真空干燥得红色产物(聚合物2),产率30%。
本实施例所得聚合物的数均分子量为4.9*104g/mol。
实施例11含有红色聚噻吩电致变色材料的组件(电致变色薄膜)
含有红色聚噻吩电致变色材料(实施例6所制备)的电致变色薄膜,该电致变色薄膜具有颜色可以在红色和透明之间转化,具有驱动电压低,氧化态透明且透过率高、响应时间短、可喷涂操作的优点。聚合物的氧化还原电位分别为0.7V和0.4V。最大吸收波长为530nm,透过率5.68%,透过率差46.8%,消色态最大透过率为61.8%,着色和褪色时间分别为1.5s和1.3s。
所述的电致变色薄膜可采用现有技术公开的常用技术手段制备而成,优选采用实施例12-13记载的制备方法。
本实施例所述聚合物薄膜的循环伏安曲线见图5,图5中纵坐标代表电流,横坐标代表电压。此图说明聚合物的氧化还原电位分别为0.7V和0.4V。
本实施例所述聚合物薄膜着色态和消色态的透过率示意图见图6,图6中纵坐标代表透过率,横坐标代表波长。红色点划线曲线代表聚合物薄膜在着色态的透过率情况(最大吸收波长为530nm,透过率5.68%,透过率差46.8%),黑色实线曲线代表其在消色态的透过率情况(消色态最大透过率在610.5nm,为61.8%)。
本实施例所述聚合物薄膜着色态和消色态的透过率差示意图见图7,图中纵坐标代表透过率差,横坐标代表波长,此曲线由对同一波长光线聚合物薄膜消色态透过率减去着色态透过率得到。此图说明在568nm处,透过率差达到最大,为49.8%,对比度为57.88:8.1=7.15:1。
本实施例所述聚合物薄膜的多电位阶跃曲线见图8,图8中纵坐标代表电流,横坐标代表时间。以电流从最高到零所需时间的95%为响应时间,着色和褪色时间分别为1.5s和1.3s。
本实施例所述聚合物薄膜(面积1.92cm2)消色和着色过程的即时电量曲线见图9、图10。图中纵坐标为电量,横坐标为时间。此图说明聚合物薄膜变色驱动所需的电荷密度消色为0.00342C/cm2,着色为0.0001713C/cm2。
实施例12含有红色聚噻吩电致变色材料的电致变色薄膜的制备方法
配置聚合物(实施例1-10任一项所得到的)的二氯甲烷溶液(5mg/mL),具体可以使用连接有空气压缩机(浙江永源机电制造有限公司,工作电压220V,理论流量89L/min,排气压力0.8MPa)的美工喷笔喷涂聚合物溶液于ITO玻璃的表面形成如实施例8所述的电致变色薄膜。实施例13含有红色聚噻吩电致变色材料的电致变色薄膜的制备方法
配置聚合物(实施例1-10任一项所得到的)的二氯甲烷溶液(2mg/mL),使用连接有空气压缩机(浙江永源机电制造有限公司,工作电压220V,理论流量89L/min,排气压力0.8MPa)的美工喷笔喷涂聚合物溶液于ITO玻璃的表面形成如实施例8所述的电致变色薄膜。
上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换,且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述,并非对本发明的构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进,均属于本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种如式(Ⅰ)所示的红色聚噻吩电致变色材料,为[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物,
其中,0<n≤0.5m,0<q<m。
2.根据权利要求1所述红色聚噻吩电致变色材料,其特征在于,所述的0.4m<n≤0.5m,0.4m<q<0.5m。
3.根据权利要求1所述红色聚噻吩电致变色材料,其特征在于,所述聚合物数均分子量范围为3.0*104g/mol~5.5*104g/mol。
4.权利要求1-3任一项所述红色聚噻吩电致变色材料的制备方法,包括:步骤1:将3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇在醚交换反应催化剂的催化作用下发生反应得到3,4-二(2-乙己氧基)噻吩;
步骤2:3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩和3,4-二甲氧基噻吩在氧化剂的作用下发生氧化聚合反应得到式(Ⅰ)所示的[3,4-二(2-乙己氧基)噻吩]-噻吩-[3,4-二甲氧基噻吩]共聚物。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述步骤1中醚交换反应催化剂为对甲苯磺酸,反应溶剂为甲苯。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述步骤1中3,4-二甲氧基噻吩与2-乙基己醇投料摩尔比为1:4~1:6,催化剂与3,4-二甲氧基噻吩投料摩尔比为1:10~1:15。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述步骤1中反应时间为24~48小时,反应温度为110~130℃。
8.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述步骤2中氧化剂为无水三氯化铁,反应溶剂选自乙酸乙酯、氯仿或硝基甲烷。
9.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述步骤2中3,4-二(2-乙己氧基)噻吩、噻吩和3,4-二甲氧基噻吩的摩尔用量分别以m、n和q计,具有如下配比关系:0<n≤0.5m,0<q<m,氧化剂无水三氯化铁用量为三种噻吩类单体物质的量之和的5~6倍。
10.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述步骤2中反应时间为24~72小时,反应温度为10~35℃。
11.权利要求1或3所述红色聚噻吩电致变色材料在制造电致变色装置中的应用。
12.含有权利要求1或3所述红色聚噻吩电致变色材料的组件。
13.根据权利要求12所述的组件,其特征在于:所述的组件为电致变色薄膜。
14.根据权利要求13所述的组件,其特征在于:所述电致变色薄膜的成膜方法为:配置聚合物的二氯甲烷溶液,使用喷涂装置喷涂聚合物溶液于ITO玻璃或FTO玻璃的表面形成电致变色薄膜。
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