基本信息
- 项目名称：
- 新型电泳显示材料和电子阅读器件的制作
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 电子墨水具有低能耗、柔软可调、携带方便等特点，是继液晶显示、有机发光体之后迅速崛起的新一代数字显示技术，其核心在于电泳显示材料的制备。 本实验采用双螺杆挤出机的反应挤出技术，开发一种比重轻、色度高、成本低廉、形状规则、粒径均一、便于大规模生产的新型电泳显示材料。
- 详细介绍：
- 电子墨水具有低能耗、柔软可调、携带方便等特点，是继液晶显示、有机发光体之后迅速崛起的新一代数字显示技术。尽管电子墨水的内部结构及其显示方式多种多样，但是核心技术在于制备电泳显示材料。 现有的电泳显示微球主要通过乳液聚合法制备，存在反应时间长、纳米粒子分散困难、包埋率低和包含量少、微球的力学强度、耐磨、耐温性能亟待提高等问题。 本项目巧妙地利用纳米粒子在两种高分子熔体中定向分散特性，促使白色的TiO2纳米粒子在双螺杆反应挤出过程中选择性分散在球形的聚合物相中，只要溶去另一种聚合物基体，即可获得聚合物基纳米复合微球。为了进一步降低纳米复合微球的比重，同时维持作为电泳显示材料的色度，通过调整反应性相容剂的种类和用量，优化反应挤出工艺，制备具有核壳结构的、白色TiO2纳米粒子偏聚在内表面的轻质复合微粒。开发一种比重轻、色度高、成本低廉、形状规则、粒径均一、便于大规模生产的新型电泳显示材料。并制备了简单的电泳显示器件，显示“ECUST”字样。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.设计目的 电子墨水具有低能耗、柔软可调、携带方便等特点，是迅速崛起的新一代数字显示技术，其核心技术在于电泳显示材料的制备。 本实验采用双螺杆挤出机的反应挤出技术，开发一种比重轻、色度高、成本低廉、形状规则、粒径均一、便于大规模生产的新型电泳显示材料。 2.基本思路 巧妙地利用纳米粒子在两种高分子熔体中定向分散特性，促使白色的TiO2纳米粒子在双螺杆反应挤出过程中选择性分散在球形的聚合物相中，溶去另一种聚合物基体，即可制备具有核壳结构的、白色 TiO2纳米粒子偏聚在聚合物内表面的轻质复合微粒。 电泳显示微球经电荷控制剂处理并带上负电，用于电泳显示器件的制作。 3.项目创新点 利用纳米粒子在两相高分子熔体反应共混过程中的定向分散特性，通过反应挤出等通用的低成本技术，成功地制备了具有核壳结构的、白色TiO2纳米粒子偏聚在内表面的轻质复合微粒，为大规模低成本制备比重轻、对比度高的新型电泳显示材料提供一条新的技术途径。 4.技术关键 如何确保纳米粒子偏聚在球形聚合物相的内表面，制备形状规则、粒径均一、具有核壳结构的轻质复合微粒。 5.技术指标（1）电泳显示微球的粒径在1μm左右，形状规则、粒径均一；（2）电泳显示微球比重小、对比色度高；（3）电泳显示微球Zeta电位在40mV以上，保证电子墨水的稳定性；（4）利用电泳显示微球制备的电子阅读模型器件，控制响应时间在1s以内，断电后的稳定时间在60分钟以上。
科学性、先进性
- 电子墨水或电子纸的关键技术是如何制备高度稳定、快速响应、成本低廉的可规模化生产的电泳显示颗粒。现有的技术有采用纳米粒子为显色颗粒。例如西北工业大学的左朝阳，王建平等人制成的电子墨水显示原型器件。存在以下问题：显色颗粒与电泳液的比重不匹配，沉降严重，显色稳定性差。采用原位聚合、乳液聚合等技术制备纳米复合微球，可减轻显色颗粒与电泳液的比重不匹配问题。浙江大学的陈红征等采用原位聚合法制备了聚苯乙烯包覆二氧化钛微球电泳粒子，但制备工艺复杂，成本高昂。 本项目巧妙地利用纳米粒子在两种高分子熔体中定向分散特性，促使白色的TiO2纳米粒子在双螺杆反应挤出过程中选择性分散在球形的聚合物相中，溶去另一种聚合物基体，即可制备具有核壳结构的、白色TiO2纳米粒子偏聚在聚合物内表面的轻质复合微粒。 本项目的先进性表现在（1）采用可低成本大规模生产的双螺杆挤出机的反应挤出技术；（2）首次获得纳米粒子偏聚在内表面的、具有核壳结构的一系列轻质显色颗粒，解决了显色颗粒与电泳液的比重不匹配问题。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 申请专利
作品可展示的形式
- 模型、现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点和优势（1）本项目制备了具有核壳结构的、白色TiO2纳米粒子偏聚在内表面的PA6/TiO2复合微球。该复合微球比重小、白度高、耐热性好，性能稳定。应用于电子阅读器件，可以降低响应时间、提高对比度。（2）通过反应挤出等通用技术，工艺简单、生产效率高，有望实现大规模生产。（3）制备成本低廉、取材广泛，我们对制得的复合微球成本做了初步计算，大约为50元/kg，与现有电泳显示材料相比，成本大大降低。 2.适用范围 电泳显示材料作为一种新型信息存储材料，应用于电子阅读器件、电子纸、电子显示屏、广告牌等的制作。 3.市场分析和经济效益预测 电子纸在2009年一直处于供不应求的状态，2010年，电子纸的使用量继续上升。由于电子纸自身节电、低碳、绿色等诸多优势，市场广阔，市场潜力巨大。 现有的电泳显示材料生产工艺复杂、成本高昂。本项目的PA6/TiO2复合微球，成本约为50元/kg，为大规模低成本制备电泳显示材料提供一条新的技术途径，经济效益巨大。
同类课题研究水平概述
- E-link公司和MIT为代表的微胶囊电泳电子墨水是研究最早和最为成熟的电子墨水技术，微胶囊透明液体中含有黑、白带电粒子，再将微胶囊分散在透明的薄膜上与塑料晶体管组成显示器件。微球相同的Zeta电势使微球之间相互排斥，有利于体系的稳定，但不能完全阻止微胶囊中微球发生沉积。微球的沉积会影响电泳显示器的显示效果和使用寿命。施乐（Xerox）公帕洛阿尔托研究中心（PARC）N.K.Sheridon等开发的电子墨水是双色拧转球技术。但是双色球的制备技术和工艺相当复杂，且在电场变换时难以实现双色球完全翻转，从而使对比度有所降低。爱尔兰都柏林大学Ntera公司开发的纳米变色电子墨水技术涉及纳米结构的半导体金属氧化薄膜和电致变色的紫罗精分子，采用白色或者透明背景。美国肯特公司开发了胆甾型液晶电子墨水技术，其后日本的松下也在进行该墨水技术的研究。但该技术对比度很低，必须在强光下才能阅读或辨识，且显示器成品率低，成品高昂，耐热性差。 我国在这方面已经有一定的研究基础。例如西北工业大学的左朝阳，王建平等人以明胶--阿拉伯树胶为壁材，四氯乙烯为分散介质，表面改性的TiO2为显示颗粒，采用复凝聚法制备了电子墨水微胶囊，并制成电子墨水显示原型器件，在直流电场(2.5V/μm)驱动下实现了文字显示。天津大学的高培、冯亚青等通过界面聚合法，制备出含黄色电子墨水的聚脲微胶囊。该微胶囊干燥后不易破裂，有一定机械强度、韧性、耐水性和耐热性，微胶囊壁厚约2μm，在直流电场中有显著的电泳现象，响应时间为0.2s。浙江大学的荣宇，吴刚，陈红征等采用明胶与苯乙烯--马来酸酐的复凝聚法以白色TiO2粒子与蓝色电泳液搭配，制得的电子墨水能够在9V直流电场下实现文字显示。陕西科技大学的伍媛婷、王秀峰等采用溶胶--凝胶法制备出了适于电子墨水用的实心球形TiO2白色显色颗粒，颗粒粒度约为300nm。但是，迄今为止，国内外电泳显示材料的最大问题是显色颗粒与电泳液的比重不匹配。由于TiO2等纳米粒子的比重过大，导致严重的沉降问题，影响了电泳显示的稳定性和长效性，而且制备过程复杂，成本昂贵。
