基本介紹
- 中文名：電致變色聚合物
- 外文名：electrochromic polymer
- 類別：功能高分子材料
- 所屬：化學工程術語
簡介,電致變色聚合物的性能要求,化學可逆性,色彩的差別和感覺,頻率回響,循環試驗,功能高分子的發展歷程與展望,
簡介
電致變色聚合物，是改變電壓或電流時可以發生顏色變化的聚合物。聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔等導電聚合物以及某些液晶高分子均可作為電致變色材料。導電高分子本身是離域的共軛結構，價帶與導電間的能隙很小，如果在聚合物中進行摻雜（電子給體或受體的離子型化合物），能帶結構也隨之發生變化，通過施加外界電場，進一步改變對光的吸收，導致顏色的改變。
電致變色聚合物的性能要求
在含有單體、溶劑、輔鹽的電解質溶液中，浸入Pt電極。聚合物在電解過程中形成，並沉積在Pt電極上形成薄膜，其厚度從2nm至10nm不等。薄膜須在溶劑和輔鹽的介質中，反覆漂洗和浸泡，然後進行性能研究。
作為電致變色材料套用的聚合物，必須在以下幾個方面具有良好的性能。
化學可逆性
化學可逆性即聚合物在外加電壓作用下，其氧化態和還原態的互相轉化。要求在氧化或還原過程中，電荷變化量相同。化學可逆性由I-E曲線即循環伏安譜表征。圖1為Garnier測得的聚3-甲基噻吩氧化還原時的特徵曲線從中可以看到，其氧化過程和還原過程的電荷變化量是一致的，還原峰很大且有兩個峰，可能與聚合物的重排機理有關。
色彩的差別和感覺
顏色的差別和感覺與氧化還原過程的可見吸收頻段的強度和位置有關。 以聚3-甲基噻吩一CF2SO3-體系為例，當聚合物在紅色（非摻雜態）和藍色（摻雜態）間循環時，可看到明顯的反差。當輔鹽不同時，可以看到不同的顏色變化。顯然，作為顯示材料，顏色變化的反差越大，性能越好。
頻率回響
通過記錄外加方波偏電壓時的電流一時間關係可得到頻率回響特性。方波偏電壓的頻率變化範圍在1~100Hz，輸入電荷大約為1mc/cm2。圖2是一種典型的頻率回響曲線，從中可觀察到在氧化和還原之間的不同電流波形。
氧化過程很快，開始僅需幾毫秒。隨後的緩慢衰減是由於殘餘電流出現在導電聚合物中。還原過程通常較慢，這可能是由於結構重排引起的，伏安譜也說明了這點。
頻率回響的優劣，以轉換時間來衡量。其值通過較慢的還原步驟中，半峰高所對應的時間來計算。一般來說，Pt電極越平整，聚合物薄膜的單一性越好，轉換時間越短，即聚合物性能越好。
循環試驗
循環試驗在溫和的實驗條件下進行。要求在多次循環後，聚合物的變色能力保持不變，這樣其套用壽命較長。如聚吡咯衍生物在經過103~104次循環後，變色現象逐步減弱。對聚3-甲基噻吩，可觀察到在經過1.2×105次循環後，能保持80%的變色作用。而聚苯胺在經過1.36×106次循環後，仍能保持相當穩定的變色作用（見圖3）。
功能高分子的發展歷程與展望
功能高分子材料的發展可以追溯到很久以前，如光敏高分子材料和離子交換樹脂都有很長的研究和發展歷史。但是作為一門獨立學科，功能高分子材料則是一門全新的科學。功能高分子材料科學作為一個完整學科是從20世紀80年代中後期開始的。其中，從19世紀末發展而來的光敏高分子化學，在光聚合、光交聯、光降解、螢光以及光導機理的研究方面都取得了重大突破，並在工業上得到廣泛套用。比如光敏塗料、光致抗蝕劑、光穩定劑、光可降解材料、光刻膠、感光性樹脂以及光致發光和光致變色高分子材料都已經工業化。近年來高分子非線型光學材料也取得了突破性進展。
反應型高分子是有機合成和生物化學領域的重要成果，已經開發出眾多新型高分子試劑和高分子催化劑套用到科研和生產過程中，在提高合成反應的選擇性、簡化工藝過程以及化工過程的綠色化方面作出了貢獻。更重要的是由此發展而來的固相合成方法和固化酶技術開創了有機合成機械化、自動化、有機反應定向化的新時代，在分子生物學研究方面起到了關鍵性作用。
電活性高分子材料的發展導致了導電聚合物、聚合物電解質、聚合物電極的出現。此外，超導、電致發光、電致變色聚合物也是近年來的重要研究成果，其中以電致發光材料製作的彩色顯示器已經被日本和美國公司研製成功，有望成為新一代顯示器件。此外眾多化學敏感器和分子電子器件的發明也得益於電活性聚合物和修飾電極技術的發展。
高分子分離膜材料與分離技術的發展在複雜體系的分離技術方面獨闢蹊徑，開闢了氣體分離、苦鹹水脫鹽、液體消毒等快速、簡便、低耗的新型分離替代技術，也為電化學工業和醫藥工業提供了新型選擇性透過和緩釋材料。高分子化的LB膜和SA膜在新型光電子器件研究方面也顯示出巨大的套用前景。目前高分子分離膜在海水淡化方面已經成為主角，已經擁有製備18萬噸/日純水設備的能力。
醫藥用功能高分子是目前發展非常迅速的一個領域，高分子藥物、高分子人工組織器官、高分子醫用材料在定向給藥、器官替代、整形外科和拓展治療範圍方面作出了相當大的貢獻。同時功能高分子化學還是一門涉及範圍廣泛，與眾多學科相關的新興邊緣學科，涉及內容包括有機化學、無機化學、光學、電學、結構化學、生物化學、電子學甚至醫學等眾多學科，是目前國內外異常活躍的一個研究領域。每年都有大量的有關文獻報導湧現。
