ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР, ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ И СПОСОБ СБОРКИ
ELECTROCHEMICAL PROCESSOR, ITS SCOPE OF APPLICATION AND METHOD OF ASSEMBLY

В настоящем изобретении речь идет о электрохимическом процессоре, состоящем из двух электродов с различными электрохимическими потенциалами, которые соединены электролитом. При замыкании электрической цепи между двумя электродами второй электрод окисляется и в результате этого изменяет как минимум одну свою физическую характеристику, например становится прозрачным. Электрохимический процессор характеризуется тем, что поверхность второго электрода, контактирующего с электролитом, частично покрыта электроизоляционным материалом в месте соединения с электролитом. Кроме того, настоящее изобретение относится к применению данного электрохимического процессора и способу сборки подобного электрохимического процессора.
US 5930023 описывает электрохимический дисплей, включающий первый и второй электродные слои, имеющие различные электродные потенциалы, электролитный слой, наложенный на вышеуказанный первый слой и образующий границу с первым электродным слоем и вторым электродным слоем для завершения ионно-проводящего пути между указанными первым и вторым электродными слоями, причем указанная электродная граница передвигается вместе с границей указанного второго электролитного слоя, что расширяет ионно-проводящий путь от указанного первого электродного слоя в качестве реакции на протекание тока между первым и вторым электродными слоями с целью изменения видимых внешних признаков дисплея.
Согласно отдельным вариантам конструкции электрохимического дисплея из патента US 5930023 оба электродных слоя нанесены на подложку и разделены зазором. Слой электролита, заполняющий этот разделяющий зазор между двумя электродам и частично соединяющий внахлестку свободные поверхности электродов, предназначен для электрического соединения указанных электродов. Однако большая часть поверхности электродного слоя, подвергающегося окислению после замыкания цепи, находится в открытом виде в полости внутри электрохимического дисплея. Исходя из того что электролитный слой является ионным проводником и существует в форме пасты или геля или в другой подобной жидкой форме, он не является полностью жестким или твердым, но проявляет определенные вязкоупругие свойства и поэтому может быть распределен внутри полости, например может быть рассредоточен неконтролируемым образом также по поверхности электрода, который остается открытым в данной полости. На это неконтролируемое распределение электролита может влиять множество факторов, даже сила гравитации, если электрохимический дисплей согласно патенту US 5930023 размещен таким способом, что электролит может проникать в указанную полость. Тем не менее, основным недостатком данного электрохимического дисплея является то, что время реакции дисплея зависит от его пространственного расположения. Кроме того, время реакции данного химического дисплея не может быть гарантированно постоянным, например, при механическом воздействии. Таким образом, калибрование этой системы вряд ли возможно, что делает данный электрохимический дисплей недостаточно надежным.
Исходя из этого предметом настоящего изобретения является создание электрохимического процессора, например, в форме электрохимического дисплея, способного обеспечить постоянное время реакций, что делает процессор или дисплей, описанный в US 5930023, гораздо более надежным. Кроме того, предметом настоящего изобретения является описание способов применения электрохимического процессора согласно изобретению. Дополнительным предметом изобретения является порядок сборки электрохимического процессора.
Эти предметы освещены в п.1 формулы изобретения, если речь идет об электрохимическом процессоре, в п.16 формулы изобретения, если речь идет о способах применения вышеуказанного электрохимического процессора, и в п.17 формулы изобретения, если речь о методах сборки данного электрохимического процессора. Зависимые пункты формулы изобретения характеризуют выгодные варианты изобретения.
В настоящем изобретении предложен электрохимический процессор, включающий:
a) первый электрод и второй электрод, каждый из которых обладает первой и противоположно расположенной второй поверхностями, причем первый электрод и второй электрод имеют разные электродные потенциалы и физически отделены друг от друга по направлению оси X;
b) электролит, который покрывает по меньшей мере часть первой поверхности первого электрода и часть первой поверхности второго электрода по направлению оси Y и электрически соединяет указанный первый электрод со вторым электродом,
причем по меньшей мере часть первой поверхности второго электрода, не покрытой электролитом, покрыта в направлении оси Y электроизоляционным материалом, который граничит с электролитом, и при этом активация электрохимического процессора обеспечивает латеральное расслоение второго электрода и изоляционного материала, начиная с места соприкосновения второго электрода и изоляционного материала, что приводит к образованию канала между вторым электродом и изоляционным материалом.
Согласно этому принципиальному варианту осуществления данного изобретения имеются два электрода, причем второй электрод выбран таким образом, что он имеет более низкий электрохимический потенциал по сравнению с первым электродом, то есть эти два электрода могут быть названы локальным элементом, причем после замыкания электрической цепи между первым и вторым электродами происходит коррозия второго электрода. Оба электрода не находятся в непосредственном физическом контакте друг с другом, то есть отделены друг от друга зазором. Электрическое соединение между этими двумя электродами происходит при помощи электролита, нанесенного на первую поверхность этих электродов. Возможно также, чтобы электролит присутствовал в зазоре между двумя электродами. Центральной идеей данного изобретения является нанесение электроизоляционного материала на ту же самую поверхность второго электрода, на которой находится электролит. Этот изоляционный материал может представлять собой покрытие или композитный материал, нанесенные на первую поверхность второго электрода. При помощи данного электроизоляционного материала площадь первой поверхности второго электрода, которая может контактировать с электролитом, ограничена до площади, не покрытой электроизоляционным материалом. В соответствии с этим признаком исключается возможность того, что электролит распространится неконтролируемым образом по всей первой поверхности второго электрода. Таким образом, после замыкания электрической цепи между двумя электродами возможна управляемая коррозия второго электрода. В связи с тем что второй электрод покрыт изоляционным материалом, после активации процессора, происходит, например, окисление второго электрода и, соответственно, контролируемое латеральное отслоение изоляционного материала от второго электрода. Второй электрод будет подвергаться коррозии в том месте, где он первоначально контактирует с электролитом, затем коррозия будет протекать латерально в направлении изоляционного материала. Коррозия пространственно начинается там, где второй электрод касается электролита. Это приводит к образованию канала или зазора между вторым электродом и изоляционным материалом, в который проникает электролит, способствующий постепенному развитию коррозии электрода. Эта контролируемая коррозия, однако, приводит к предсказуемому и регулируемому времени реакции электрохимического процессора, т.е. времени, которое необходимо для коррозии второго электрода до заранее определенной степени. Изоляционный материал, присутствующий на первой поверхности второго электрода, обеспечивает таким образом высокую надежность полной сборки электрохимического процессора и приводит к воспроизводимому времени реакции электрохимического процессора. Активация процессора может быть достигнута путем обеспечения электрического внешнего контакта (т.е. установления электрического контакта с наружной стороны процессора) первого и второго электродов.
Изобретение касается электрохимического процессора, в котором могут происходить химические и/или электрохимические процессы. Эти процессы могут быть запущены электрически в любое время. Процессор включает в себя, например, элементы оптического дисплея. Он получает электрическую энергию из собственной композиции слоев и не требует электрической батареи. Могут быть реализованы как микроскопические, так и макроскопические системы, функции которых основаны на электрохимической генерации нанометрических слоев на границе раздела двух сред.
Электрохимический процессор может быть реализован как система слоев и использован, например, в следующих целях:
- микрореакторная техника;
- индикаторы времени;
- интеграторы времени и температуры.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения третий электрод, имеющий первую и противоположно расположенную вторую поверхности, расположен на уровне со вторым электродом, физически отделен от второго электрода и находится по направлению оси X противоположно к первому электроду. Это устройство может быть активировано, если обеспечен внешний электрический контакт первого электрода с третьим (или вторым) электродом.
Этот третий электрод, присутствующий в дополнение к первому и второму электродам, выполнен с возможностью электрического соединения со вторым электродом. Это может быть достигнуто наличием, например, слоя миграции, который находится в прямом физическом контакте с частями первой поверхности второго электрода и по меньшей мере частью третьего электрода. При рассмотрении слоя миграции приведена ссылка на WO 2009/056591 А1, где подробно описаны слои миграции, используемые для них соединения, а также методы изготовления слоя миграции, например, на электроде. В отношении слоя миграции полное содержание описания WO 2009/056591 А1 включено путем ссылки в настоящую заявку. В частности, для слоя миграции могут быть использованы те же материалы, что описаны в WO 2009/056591 А1.
Кроме того, предпочтительно, чтобы электрохимический процессор содержал основу, на которой помещены первый электрод, второй электрод и, если имеется, третий электрод, соответствующими вторыми поверхностями вниз. Согласно этому специальному варианту осуществления изобретения электроды закреплены непосредственно на основе. Возможно также присутствие дополнительных слоев, расположенных между основой и соответствующими электродами, например между основой и, например, вторым электродом, которые могут выполнять роль индикаторных слоев, таких как, например, графический слой или изображение. Эти слои могут присутствовать также на нижней стороне основы, то есть с противоположной стороны от поверхности, на которую нанесены электроды. Это предпочтительно в том случае, если основа является прозрачной. Таким образом, предпочтительно, если электрохимический процессор выполнен в форме штабеля, где электроды нанесены на основу, а сверху, например в виде слоя, нанесен электролит. Латеральное направление такой установки расположения может быть названо направлением вдоль оси X, в то время как направление наложения этих отдельных слоев, например основы, электродов и электролита, может быть указано как направление оси Y.
Кроме того, предпочтительно, чтобы имелся слой герметизации, расположенный параллельно основе, причем первый электрод, второй электрод и, если присутствует, третий электрод, электролит, а также изоляционный материал расположены в виде многослойной структуры между основой и герметизационным слоем в направлении оси Y. Предпочтительно, чтобы этот герметизационный слой пространственно завершал процессор, т.е. ограничивал его.
Этот специальный вариант осуществления является дополнением к вышеуказанному варианту, согласно которому электроды нанесены на основу. Герметизирующая оболочка в этом случае находится сверху вышеуказанной конструкции, т.е. ограничивает, например, электролит и изоляционный материал, который примыкает к электролиту.
Кроме того, возможно наличие двух противоположно расположенных прокладок (спейсеров), которые определяют границы электрохимического процессора по направлению оси X, причем одна прокладка и изоляционный материал образуют стенки первой реакционной камеры, содержащей электролит.
Эти прокладки или разделительные элементы могут быть выполнены из того же самого материала, что и основа и/или герметизационный слой. Кроме того, эти прокладки определяют пространственный промежуток между, например, основой и герметизационным слоем и таким образом определяют толщину электрохимического процессора по направлению оси Y вместе с основой и герметизационным слоем. Кроме того, распорный элемент, примыкающий к электролиту, служит в направлении оси X стенкой первой реакционной камеры, которая содержит первый электролит. Противоположная стенка в направлении оси X образована границей герметизационного материала, который нанесен на часть поверхности второго электрода. Другие границы или стенки реакционной камеры образованы, к примеру, первой поверхностью первого электрода и герметизационным слоем (оба являются стенками по направлению оси Y). Стенки в направлении оси Z завершают комплектацию реакционной камеры, они могут быть сделаны, например, из того же материала, что и основа или герметизационный слой.
Однако также возможно, чтобы одна из стенок, образующих первую или вторую реакционную камеру, содержала отверстие, допускающее сообщение первой и/или второй реакционной камеры соответственно со средой, окружающей электрохимический процессор. Это отверстие или окошко может быть использовано для массообмена между окружающей средой и внутренним содержанием соответствующей реакционной камеры. Например, это окошко может быть использовано для внедрения влаги из окружающей среды в реакционную камеру для того, чтобы электролит абсорбировал эту влагу. Этот вариант конструкции обладает особенными преимуществами, если внутри реакционной камеры находятся сухие электролиты, которые становятся проводящими при абсорбции влаги. Таким образом, может быть создан процессор, который может быть активирован in situ, т.е. процессор содержит сухой электролит, например сухой поливиниловый спирт, который не является проводящим до тех пор, пока электрохимический процессор не помещают в окружающую среду, предназначенную для его использования.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения вторая прокладка в направлении оси Y размещена таким образом, что она граничит с изоляционным материалом, нанесенным на первую поверхность второго электрода с противоположной стороны от вышеуказанной реакционной камеры. Это означает, что вторая прокладка непосредственно примыкает к изоляционному материалу или ограничивает его, ограничивая электрохимический процессор с противоположной стороны от первой прокладки в направлении оси X.
При альтернативном варианте осуществления изобретения эта вторая прокладка отделена от изоляционного материала, т.е. между изоляционным материалом и второй прокладкой (в направлении оси X) присутствует некая полость. Это означает, что изоляционный материал и вторая прокладка образуют в направлении оси X стенки для второй полости, т.е. второй реакционной камеры. Другие стенки этой реакционной камеры сопоставимы со стенками вышеуказанной первой реакционной камеры, т.е. в направлении оси Y этими стенками являются, например, основа и герметизационный слой, тогда как в направлении оси Z присутствуют соответствующие элементы, закрывающие вторую реакционную камеру.
Согласно другому полезному варианту осуществления настоящего изобретения вторая реакционная камера по меньшей мере частично наполнена вторым электролитом, который может являться тем же самым, что и первый электролит, или быть отличным от него. Кроме того, вторая реакционная камера может быть наполнена реагентом.
Реагентами могут быть вещества, взаимодействующие физически или химически с первым электролитом, находящимся, например, в первой реакционной камере.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения между вторым электродом или изоляционным материалом расположен набухающий слой и/или по меньшей мере один набухающий элемент. Этот набухающий слой может заполнять всю площадь там, где изоляционный материал покрывает первую поверхность второго электрода. Также в качестве альтернативы возможно, чтобы этот слой присутствовал только на определенном участке второго электрода. Вместо слоя могут присутствовать точечные или двумерные набухающие элементы. Материалы этих набухающих слоев или набухающих элементов выбирают таким образом, чтобы они могли увеличивать свой объем при контакте с электролитом, таким как находящийся в первой реакционной камере.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения присутствует слой миграции, размещенный на части первой поверхности второго электрода и по меньшей мере на части первой поверхности третьего электрода. Что касается слоя миграции, например материалов, из которых он выполнен, или его размеров и т.п., дается прямая ссылка на WO 2009/056591 А1, содержание которой включено в настоящую заявку путем отсылки.
Данный слой миграции содержит материалы или составлен из материалов, способных к ионной проводимости. Исходя из факта, что слой миграции контактирует как со вторым, так и с третьим электродами, между этими электродами может быть установлен токопроводящий путь, если в слое миграции присутствуют ионы.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения первая поверхность второго электрода и/или, если имеется, третьего электрода по меньшей мере частично покрыта защитным слоем или первые поверхности указанных электродов содержат встроенные защитные элементы.
Кроме того, предусмотрена возможность присутствия миграционного электрода или реактивной подсистемы, которые физически соединены со вторым электродом.
Кроме того, преимуществом является, если первый электрод, второй электрод и/или третий электрод выполнены в виде слоя с предпочтительной толщиной слоя между 10 и 100000 нм, предпочтительно между 20 и 1000 нм, особенно между 30 и 500 нм.
В другом предпочтительном варианте выполнения присутствует внешний токопровод, через который можно соединить первый электрод со вторым электродом, с третьим электродом, миграционным электродом или подсистемой соответственно. Этот внешний токопровод дополнительно включает в себя переключатель для замыкания электрической цепи, посредством чего запускается химическая реакция внутри электрохимического процессора, например начинается коррозия второго электрода.
Ниже приведены предпочтительные материалы для каждого из компонентов процессора.
Первый электрод и/или второй электрод содержит материал или состоит из материала, выбранного из группы, включающей графитную сажу, двухкомпонентный материал, содержащий графит и (мет)акриловую смолу;
электропроводные полимеры, предпочтительно поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS), полианилин, активированный полианилин (PANI); и/или металлы.
Второй электрод содержит материал или состоит из материала, выбранного из группы, включающей металлы, такие как алюминий, тантал, или электропроводящие полимеры, предпочтительно поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS), полианилин, активированный полианилин (PANI).
2
4
Первый электролит и/или второй электролит содержат неорганические соли, предпочтительно NaCl, СаСl, LiClO, и/или кислоты, желательно слабые кислоты, причем предпочтительно, чтобы первый электролит являлся гелем или раствором указанных неорганических солей и/или указанных кислот, причем раствор или гель могут содержать добавки, такие как алкиленгликоли, например этиленгликоль, или смеси воды и этиленгликоля, и/или загустители, такие как поливиниловый спирт и/или полисахариды, такие как целлюлоза и/или крахмал, безводные электролиты на основе N,N-диметилформамида, N,N-диметилацетамида и/или гамма-бутиролактона. Использование загустителя позволяет применять печать электролита. Загущение электролита дает возможность его нанесения путем использования печатных технологий, например методов трафаретной печати и т.п. В случае если используются безводные электролиты, для обеспечения проводимости электролита может быть использована влага из окружающей среды.
Электроизоляционный материал и/или прокладки содержат материал или состоят из материала, выбранного из группы, включающей сложный полиэфир, полиэтилен, полипропилен и/или смоляной лак, предпочтительно (мет)акриловую смолу, сополимерную смолу, содержащую (мет)акрилат и/или полиуретан. Предпочтительно, чтобы изоляционный материал был прозрачным.
Основа содержит материал или состоит из материала, выбранного из группы, включающей пластмассы, предпочтительно полиэтилен, полипропилен, соэкструдированный полиэтилен, соэкструдированный полипропилен, полиэтилентерефталат, полиэтилен-нафталин-дикарбоксилат, поликарбонат и/или полиамид, бумагу, мелованную бумагу, стекло или керамический материал.
Герметизационный слой содержит материал или состоит из материала, выбранного из группы, включающей пластмассы, предпочтительно полиэтилен, полиэфир, лак на основе (мет)акрилатной смолы, сополимеры (мет)акрилата и/или полиуретаны, причем предпочтительно, чтобы указанный материал был прозрачным.
Набухающий слой и/или по меньшей мере один набухающий элемент содержит материал или состоит из материала, выбранного из группы, включающей материалы, увеличивающие свой объем при контакте с водой или электролитом, предпочтительно поливиниловый спирт.
Слой миграции содержит материал или состоит из материала, выбранного из группы, включающей материалы, увеличивающие свой объем при контакте с водой или электролитом, предпочтительно поливиниловый спирт.
Защитный слой и/или по меньшей мере один защитный элемент содержит материал или состоит из материала, выбранного из группы, включающей графитную сажу, алюминий или электропроводящие полимеры, предпочтительно поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS), полианилин, активированный полианилин (PANI).
Миграционный электрод содержит композиционный материал, содержащий по меньшей мере один электропроводящий полимер в комбинации с ионно-проводящим полимером, предпочтительно композит полианилина и поливинилового спирта, композит PEDOT:PSS и поливинилового спирта и/или их сочетания.
Подсистема состоит из веществ, которые демонстрируют физическое изменение как минимум одного материального свойства или подвергаются химической реакции при контакте с электролитом и/или водным раствором, предпочтительно из цветового индикатора, вещества или композиции, производящих экзотермическую реакцию, вещества или композиции, увеличивающих свой объем.
Согласно специальному варианту осуществления изобретения электрохимический процессор может быть построен как индикатор, такой как индикатор времени или интегратор времени и температуры. Согласно этому варианту осуществления, предпочтительно, чтобы по меньшей мере на части второй поверхности второго электрода и/или на поверхности основы, противоположной поверхности, на которой расположены электроды, располагался графический слой, содержащий по меньшей мере одно изображение и/или цветовой сигнал. В последнем случае предпочтительно, чтобы основа, изоляционный материал и окисленный электрод были прозрачными.
Дополнительно предусмотрены способы применения электрохимического процессора, описанного выше. Специальные способы применения, среди прочих, включают использование процессора в качестве индикатора времени, интегратора времени и температуры, части упаковки для продуктов, соусов и/или напитков, лекарств, фармацевтических продуктов, косметики и/или химикатов, такой как контейнеры, бутылки, пакеты ТЕТРАПАК, или колпачков или завинчивающихся крышек для вышеназванной упаковочной тары. В предпочтительном варианте изобретения внешний переключатель, присутствующий на вышеуказанной таре, приводится в действие, и цепь процессора замыкается, когда вышеупомянутые контейнеры впервые открывают. Таким переключателем может быть, например, мембранный переключатель или листовой переключатель.
Кроме того, в настоящем изобретении раскрыт способ компоновки, сборки или изготовления вышеназванного электрохимического процессора, в котором
a) используют первый электрод и второй электрод, каждый из которых имеет первую и противоположную вторую поверхности, причем первый электрод и второй электрод имеют различные потенциалы и их располагают отдельно друг от друга по направлению оси X,
b) по меньшей мере часть первой поверхности первого электрода покрывают электролитом по направлению оси Y, причем электролит соединяет между собой первый и второй электроды, и
c) по меньшей мере часть первой поверхности, не покрытой электролитом, покрывают электроизоляционным материалом в направлении оси Y, граничащим с электролитом.
В предпочтительном варианте способа согласно настоящему изобретению имеется основа, на которую вторыми сторонами наложены два электрода.
Кроме того, основа может быть снабжена индикаторным слоем, который может являться индикатором или изображением и т.п. Этот индикаторный слой может быть нанесен на ту же самую поверхность основы, на которой находятся электроды, в этом случае индикаторный слой наносится до того, как электроды фиксируются на основе. В альтернативном варианте изобретения индикаторный слой может быть нанесен на противоположную поверхность основы, т.е. на поверхность, противоположную той, на которой находятся электроды. Когда второй электрод, например алюминиевый электрод, окисляется, он становится прозрачным, и нижележащее изображение становится видимым.
В том случае если электроды являются металлическими, они могут быть нанесены при помощи технологии металлизации, т.е. выпаривания на вышеуказанную основу металлов, например выпаривание алюминия. Кроме того, для нанесения металлических электродов на основу могут быть использованы технологии напыления. Исходной точкой изготовления процессора может также быть полуфабрикат, такой как пленка из пластмассы, например полиэфирная пленка, на которую выпарен, например, алюминий. Подобные полуфабрикаты известны в качестве упаковочных материалов.
Кроме того, выпаренный электродный слой может быть структурирован при помощи лазерной абляции.
Все дальнейшие слои, композиции, такие как защитный слой, элементы прокладок, изоляционный материал или индикаторные слои, могут быть нанесены механическими способами, такими как методы печати, прежде всего методом трафаретной печати и/или флексопринтом или при использовании роботов-дозаторов.
Предпочтительный пример изготовления процессора согласно настоящему изобретению приведен ниже.
2
3
Первый электрод следует выполнить из графита. Этот графитный слой нанесен на пластинку с напылением из алюминия. После нанесения электролита алюминиевый слой, лежащий под графитным слоем и между графитным слоем и основой, автоокисляется до АlO и/или гидроксида алюминия, что в результате дает блочную сборку элементов, включающих пластину (основу), слой оксида алюминия или оксида-гидроксида алюминия, на который нанесен графит в качестве первого электрода.
Настоящее изобретение будет описано ниже более подробно вместе с сопроводительными чертежами. Однако эти чертежи не следует понимать в качестве ограничивающих общий принцип настоящего изобретения.
Фиг.1 изображает первый вариант электрохимического процессора в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 изображает различные перспективы второго варианта электрохимического процессора, включающего две реакционные камеры.
Фиг.3 изображает еще один вариант электрохимического процессора, включающего две реакционные камеры, наполненные электролитом и/или реагентом.
Фиг.4 изображает электрохимический процессор с набухающим слоем.
Фиг.5 изображает электрохимический процессор согласно настоящему изобретению, содержащий набухающие элементы.
Фиг.6 изображает электрохимический процессор согласно настоящему изобретению, содержащий две реакционные камеры и три электрода.
Фиг.7 изображает электрохимический процессор согласно настоящему изобретению, содержащий три электрода и слой миграции.
Фиг.8 изображает вариант электрохимического процессора согласно изобретению с двумя электродами и слоем миграции.
Фиг.9 изображает другой вариант настоящего изобретения, согласно которому электрохимический процессор включает три электрода, причем второй и третий электроды соединены при помощи слоя миграции и третий электрод содержит защитный слой.
Фиг.10 изображает альтернативный вариант изобретения, согласно которому электрохимический процессор содержит три электрода, причем второй и третий электроды соединены при помощи слоя миграции и третий электрод содержит защитный слой или защитный элемент.
Фиг.11 изображает другой вариант изобретения, согласно которому электрохимический процессор содержит миграционный электрод, находящийся в непосредственном электрическом контакте со вторым электродом.
Фиг.12 изображает другой вариант настоящего изобретения, где электрохимический процессор содержит подсистему, находящуюся в непосредственном электрическом контакте со вторым электродом.
Предпочтительные материалы и способ сборки
Основа состоит, например, из полиэтиленовой пленки, полиэфирной пленки, полипропиленовой пленки (РР) или РРС-пленки (из соэкструдированного полипропилена), полиимидной пленки или любого другого материала, пригодного для применения и обладающего механической, химической и тепловой стабильностью, а также электроизоляционными свойствами. Толщина пленки может составлять как несколько микрометров, так и несколько миллиметров. Практически пригодная величина составляет, например, около 200 мкм.
Электроды состоят, например, из следующих материалов:
⇒ графит
Графитный слой может быть произведен, например, из следующего материала: акриловой смолы и коллоидного графита в пропаноле, Графит 33 производителя Контакт-Хеми, CRC Индастриз Дойчланд ГмбХ, Зюдринг 9, 7 6473 Иффецгейм, Германия.
⇒ Электропроводящий "PEDOT" (3,4-поли-
этилендиокситиофен)
Компания Байер предлагает данный полимер, активированный полистиролсульфоновой кислотой, добавленной в процессе полимеризации, в виде водной суспензии под наименованием Baytron Р. Этот материал назван PEDOT:PSS.
[http://www.hcstarck.de/index.php?page_id=2 92 &prod_se rvice_id=310&anw_id=97&showlogin=no&suchstart=ссылка вызвана: 5-го января, 2010].
⇒ Электропроводящий полианилин
Его можно приобрести, например, у фирмы Panipol (Финляндия) под товарной маркой PANI POL Т (полианилин в толуоле) [http://www.panipol.fi/ ссылка вызвана: 5-го января 2010].
⇒ Однако может быть также использован любой другой электропроводящий полимер.
Нанесение электродных слоев, выполненных из электропроводящих полимеров или графита, может быть произведено, например, при помощи робота-дозатора, трафаретной печати, флексографской печати, пульверизации, нанесения валиком, роторного нанесения покрытия, струйной печати, распределения пленки различными ракелями или любым другим подходящим способом. Типичная толщина слоя находится между 50 нм и 500 мкм.
Электроды, выполненные из тонкой алюминиевой пленки, могут быть изготовлены при помощи парового осаждения алюминия на пластиковую пленку. В качестве основного промышленного сырья может быть использована, например, полиэфирная пленка с пароосажденной алюминиевой пленкой, при толщине алюминиевой пленки менее 1 мкм, от компании Nawrot [http://www.nawrot.de/de/ueberblick.html].
Электролитная пленка
2
4
Например, в качестве электролита может быть использован водный раствор NaCl, СаСl или LiClO в ацетонитриле или любой другой электролит.
Электролит может быть нанесен в виде гелеподобного слоя. Для этого может быть использован, например, агарозный гель.
Нанесение может осуществляться, к примеру, при помощи робота-дозатора, трафаретной печати, флексографской печати, пульверизации, нанесения валиком, роторного нанесения покрытия, струйной печати, распределения пленки различными ракелями или любым другим подходящим способом. Типичная толщина слоя составляет от нескольких микрометров до одного сантиметра, предпочтительно между несколькими десятками и сотнями мкм.
Герметизационный слой
Герметизационный слой состоит, например, из полиэтилена, полиэфира, лака на основе акриловой смолы, акрилатного сополимера, уретановой эмали. Но может быть также использован любой другой материал, обладающий достаточными связывающими и герметизационными свойствами.
Нанесение герметизационного слоя может быть выполнено, например, при помощи робота-дозатора, трафаретной печати, флексографской печати, пульверизации, нанесения валиком, роторного нанесения покрытия, струйной печати или любым другим подходящим способом. Типичная толщина слоя составляет от нескольких микрометров до одного сантиметра, предпочтительно между несколькими десятками и сотнями микрометров.
Также возможно нанесение слоя методом горячего ламинирования.
Электроизоляционный материал и элементы прокладок
Они могут состоять, например, из лака на основе акриловой смолы, акрилатного сополимера, уретановой эмали. Но может быть также использован любой другой материал, обладающий достаточными связывающими свойствами.
Нанесение электроизоляционного материала или прокладок может быть выполнено, например, при помощи робота-дозатора, трафаретной печати, флексографской печати или ламинирования. Типичная толщина слоя составляет от нескольких микрометров до одного сантиметра, предпочтительно между несколькими десятками и несколькими сотнями мкм.
Также возможно нанесение этих составов в виде слоев или в виде пленки, например, из полиэфира или полиэтилена, например, методом горячего ламинирования.
Слой миграции
Различные слои миграции и способы их производства уже рассмотрены в патентной заявке РСТ/ЕР2008/064712. Что касается возможных составов и материалов для этого слоя, дается прямая ссылка на эту патентную заявку.
Пример изготовления слоя миграции с поливиниловым спиртом (PVAL)
2
2
0,2 г CaСl·6НO растворяют в 10 мл деионизированной воды, в этот электролит добавляют 0,6 г поливинилового спирта (PVAL) и все перемешивают при 80°С в течение примерно двух часов. После охлаждения добавляют при перемешивании 0,35 г изопропанола. Нанесение может быть выполнено, например, при помощи робота-дозатора, трафаретной печати, флексографской печати или любым другим печатным методом или методом распределения пленки. Типичная толщина слоев составляет между несколькими микрометрами и 1 мм, предпочтительно между несколькими микрометрами и несколькими сотнями микрометров.
После нанесения слой поливинилового спирта высушивают.
Набухающий слой и набухающие элементы
Они могут состоять, например, из поливинилового спирта или любого другого материала, увеличивающего свой объем в процессе впитывания воды или электролита. Нанесение может быть выполнено, например, при помощи робота-дозатора, трафаретной печати, флексографской печати, пульверизации, нанесения валиком, роторного нанесения или любым другим печатным методом. Типичная толщина слоя составляет между несколькими микрометрами и одним миллиметром, предпочтительно между несколькими микрометрами и сотнями микрометров. После нанесения слой поливинилового спирта высушивают.
Области применения
Электрохимический процессор может быть использован, например, в микрореакторном проектировании в таких случаях, когда в заранее установленное время реагент приводится в контакт с электролитом для запуска химической и/или электрохимической реакции. Здесь речь идет о новой и большой области применения.
Изобретение может быть использовано в качестве индикатора времени или интегратора времени - температуры. Это позволяет служить частью упаковки, особенно для пищевых продуктов. Индикаторы времени могут быть запущены, например, при открытии упаковки путем установления электрического короткого замыкания между двумя слоями электрохимического процессора. Индикаторы времени, таким образом, показывают промежуток времени после открытия упаковки.
Кроме того, интеграторы длительности и температурного режима могут быть запущены таким же образом. Они могут быть использованы в качестве электронного индикатора срока годности. Такое применение известно из более ранней патентной заявки РСТ/ЕР2008/064712. Электрохимический процессор дополнительно дает возможность электрической активации системы (например, при открытии упаковки). Оба изобретения могут быть скомбинированы в одном продукте.
Фиг.1 изображает основной вариант процессора согласно изобретению. На основе 100 расположена первая реакционная камера 400 с первым электродом 200 (стартовый электрод). Первая реакционная камера 400 наполнена электролитом 401. Второй электрод 300 (расслаивающийся электрод) находится в электрическом соединении с первой реакционной камерой 400. Второй электрод 300 и изоляционный материал в форме изоляционного композитного покрытия 500 скреплены друг с другом. Там, где второй электрод 300 находится в контакте с композитным покрытием 500, предотвращается его контакт с электролитом. Электрохимический процессор 1 ограничен прокладками 800 и 801 в направлении оси X. Эти прокладки 800 и 801 связывают первый электрод 200 или основу 100 соответственно с герметизационным слоем 700, что определяет толщину или размер процессора 1 в направлении оси Y.
Первый 200 и второй 300 электроды расположены рядом друг с другом в направлении оси X и состоят из различных материалов, образуя в комбинации с электролитом 401 гальванический элемент. При наличии электрического короткого замыкания между первым 200 и вторым 300 электродами при помощи, например, внешнего переключателя, размещенного с наружной стороны процессора 1 (не показан), может начаться электрохимический процесс на электродах, особенно на втором электроде 300.
Электрохимическая реакция на втором электроде 300 вызывает разделение соединения материалов между композитным покрытием 500 и вторым электродом 300, образуя, таким образом, нанометрический промежуточный слой, который будет детально обсуждаться позже.
На Фиг.1 первый электрод 200, например, состоит из графита, а электрод 300 - из тонкой алюминиевой пленки толщиной в несколько десятков нанометров. При активации процессора 1 электролит 401 перемещается вследствие расслоения соединения материалов между вторым электродом 300 и композитным покрытием 500, образуя тонкую пленку оксида алюминия (не показана) и промежуточный слой под композитным покрытием 500, как объясняется в последующих примерах. С того момента как электрод 300 латерально превращается в оксид и/или оксид-гидроксид алюминия, этот электрод может быть также использован в качестве элемента оптического изображения.
Первая реакционная камера 400 ограничена прокладкой 801 и изоляционным материалом 500 в направлении оси X, а также первым электродом 200 и герметизационным слоем 700 в направлении оси Y. Конечно, первая реакционная камера ограничена соответствующими стенками элементов и в направлении оси Z, но эти элементы на поперечном сечении Фиг.1 не показаны.
В другом варианте процессора 1 согласно настоящему изобретению обеспечивается возможность того, что одна из стенок, формирующих реакционную камеру 400 (или также второй реакционной камеры 600, как в следующих примерах), содержит отверстие (не показано на чертеже), которое обеспечивает массообмен с окружающей средой процессора 1. Это отверстие может, например, находиться в герметизационном слое 700, в детали стенки 801 или в соответствующих деталях стенок в направлении оси Z. В этом случае реакционная камера 400 наполнена веществом, которое способно абсорбировать водяной пар из окружающей среды, например, поливиниловым спиртом или поливиниловым спиртом с гигроскопическими добавками, например гигроскопическими солями, такими как, например, хлорид кальция. Если это гигроскопическое вещество контактирует с водяным паром сквозь указанное отверстие, то оно абсорбирует воду, образуя электролит 401 внутри реакционной камеры 400. И конечно, этот принцип может быть также применен в следующих примерах, а также для второй реакционной камеры 600.
Фиг.2а изображает в боковом сечении основу 100 с первым электродом (стартовым электродом) 200, вторым электродом (расслаивающимся электродом) 300, электролитом 401 в первой реакционной камере 400, второй реакционной камерой 600, элементами 800, 801 прокладок, а также защитным слоем 700. На Фиг.2b изображена горизонтальная проекция.
Электролит 401 в первой реакционной камере 400 находится в контакте с первым электродом 200 и частями второго электрода 300 (первыми поверхностями этих электродов).
Первый электрод 200 состоит, например, из PEDOT:PSS, а второй электрод 300 состоит из тонкой алюминиевой пленки. Оба электрода выполнены с возможностью их внешнего замыкания накоротко, например, если они лежат у левого края (Фиг.2а и 2b). Это приводит к электрохимическому окислению тонкой алюминиевой пленки 300 в короткозамкнутом гальваническом элементе 1 благодаря различным потенциалам электродов. Окисление начинается там, где алюминий 300 контактирует с электролитом 401. Алюминий 300 превращается в оксид алюминия 900.
Затем с левого края композитного покрытия 500 контакт между композитным покрытием и алюминием второго электрода 300 ослабляется вследствие того, что оксид алюминия 900, образованный электрохимическим путем, создает нанометрический подслой между алюминиевой пленкой 300 и композитным покрытием 500.
Этот процесс продолжается латерально под композитным покрытием 500, и оксид алюминия 900 достигает второй реакционной камеры 600. Как показано на Фиг.2с, возможно, чтобы поверхность второго электрода 300 превращалась в оксид алюминия 900. Однако при использовании тонких алюминиевых пленок (например, толщиной несколько десятков нанометров) возможно также окисление всего электродного слоя до основы 100 (Фиг.2d). Благодаря латеральному распространению оксида алюминия 900 тонкая электролитная пленка 401 также перемещается ко второй реакционной камере 600. Если во второй реакционной камере 600 находится реагент, происходит химическая реакция благодаря контакту с электролитом 401.
На Фиг.3 изображена система согласно Фиг.2, в которой пространство второй реакционной камеры 600 занимает реагент 1100. Фиг.3а изображает систему до химического окисления второго электрода 300, а Фиг.3b - после окисления.
Благодаря латеральному распространению пленки оксида алюминия 900 тонкая электролитная пленка 401 также перемещается слева направо до контакта с реагентом 1100 во второй реакционной камере 600. Вследствие возникшего контакта может начаться химическая реакция. Этот принцип может быть использован, например, в микрореакторной технологии.
Толщину электролитной пленки 401 между пленкой оксида алюминия 900 и композитным покрытием 500 можно увеличить, встроив между композитным покрытием 500 и вторым электродом 300 набухающий слой 1000, например, из поливинилового спирта (PVAL), Фиг.4а. Этот набухающий слой способен поглощать электролит и, как следствие, набухать. Как показано на примере Фиг.4b, здесь пленка оксида алюминия также распространяется латерально благодаря разделению соединения материалов между алюминием второго электрода 300 и композитным слоем 500. Это тянет электролитную пленку назад. Во время контакта между электролитом и набухающим слоем 1000 последний набухает по своей толщине и образует больший в поперечном сечении канал для электролита 401. (Пропорции толщины пленки в масштабном соотношении на чертеже не показаны. Здесь ради упрощения изображения увеличение толщины набухающего слоя происходит за счет композитного покрытия 500. В действительности это не так, а изменяется вся толщина пленки системы.)
Вместо набухающего слоя 1000 могут быть, однако, использованы набухающие элементы 1001 (Фиг.5). Эти набухающие элементы расположены между композитным покрытием 500 и вторым электродом 300. Они могут быть выполнены в форме островков или в виде полосок (параллельно или поперечно направлению миграции электролита 4 01). С целью упрощения набухающие слои и набухающие элементы в последующих вариантах не показаны. Они могут быть использованы аналогичным образом как в предыдущих, так и в последующих примерах.
На Фиг.6а показана система, включающая третий электрод 1200, расположенный рядом со вторым электродом 300. Здесь пространство второй реакционной камеры 600 занимает электролит 402. Дополнительно во второй реакционной камере с электролитом 402 контактирует третий электрод 1200. Когда соединение материалов между вторым электродом 300 и композиционным слоем 500 разрушается, как показано в предыдущих примерах, образуется электролитный канал 401 (Фиг.6b). Таким образом формируется гальванический элемент с третьим электродом 1200. После образования электролитного канала 401, например, может произойти электрохимическая реакция на третьем электроде между первым электродом 200 и третьим электродом 1200, когда первый и третий электроды соединены электрически. Третий электрод может быть выполнен из электрохромного материала, например, PEDOT:PSS, PANI.DBSA или другого. Когда первый и третий электроды состоят из разных материалов и являются короткозамкнутыми, то на третьем электроде возникает электрохимический эффект вследствие разности потенциалов между первым и третьим электродами.
Третий электрод 1200 может аналогичным образом состоять из тонкой алюминиевой пленки. Когда третий электрод 1200 соединен с первым электродом 200 (например, изготовленным из PEDOT:PSS), то после образования электролитного канала 401 возникает электрохимическое окисление электрода 1200, который превращается, таким образом, в оксид алюминия и становится прозрачным там, где алюминий ранее находился в контакте с электролитом. Таким образом, третий электрод 1200 может быть использован в качестве элемента оптического изображения.
На Фиг.7а показано устройство с третьим электродом 1200, а также дополнительным слоем миграции 1300. Системы слоев миграции известны из патентной заявки РСТ/ЕР2008/064712. Все содержание изобретения, рассмотренное там, следует включить в настоящую заявку. В настоящем примере первый электрод 200 состоит из PEDOT:PSS, второй электрод 300 и третий электрод 1200 состоят из тонкой алюминиевой пленки толщиной в несколько сот нанометров. Слой миграции 1300 состоит, например, из поливинилового спирта и находится в контакте со вторым электродом 300 и третьим электродом 1200. Второй электрод 300 и третий электрод 1200 электрически соединены с первым электродом 200.
Когда образуется электролитный канал 4 01, как показано в предыдущих вариантах изобретения, то электролит 401 контактирует со слоем миграции 1300 (Фиг.7b). Слой поливинилового спирта способен поглощать электролит на этом контактном участке. Перемещение электролита происходит латерально, как подробно описано в РСТ/ЕР2008/064712. Скорость перемещения и температурная зависимость скорости перемещения могут быть установлены толщиной, видом и составом слоя миграции в процессе изготовления. На Фиг.7с миграция электролита протекает в слое миграции 1300, и нижележащий электрод 1200 электрохимически окисляется там, где он контактирует с электролитом (часть электрода 1200 становится 1201). Двигающийся вперед фронт миграции 1302 в слое миграции 1300 таким образом вызывает окисление фронта 1202 в алюминиевой пленке 1200, которая превращается в оксид алюминия 1201 на протяжении до этого фронта окисления и таким образом становится прозрачной. Здесь третий электрод 1200 может быть также использован в качестве элемента оптического изображения в индикаторе времени или в интеграторе времени - температуры.
В альтернативном варианте изобретения электроды 300 и 1200 на Фиг.7а соединены в один сквозной электрод 300 (Фиг.8). Это устройство функционирует тем же самым способом, как показано в примере согласно Фиг.7а.
Альтернативно в примере согласно Фиг.7 и 8 первый электрод 200 может, например, также состоять из графита.
Фиг.9 изображает устройство с первым электродом, выполненным из графита, вторым электродом 300, выполненным из алюминия, а также третьим электродом 1200, выполненным из алюминия. Алюминиевая пленка первого электрода 200 скомбинирована с покрывающей электрод пленкой 1400, выполненной из графита. (Графитная пленка первого электрода 200 и покрывающая электрод пленка 1400 могут также иметь одинаковую толщину и таким образом могут быть изготовлены тем же самым способом.) На Фиг.9 изображены слои различной толщины.
Когда электролитный канал 401 выполнен так, как показано в предыдущем варианте, то электролит 401 находится в контакте со слоем миграции 1300 (Фиг.9b). Слой миграции 1300, например слой поливинилового спирта, способен поглощать электролит в этой области контакта. Перемещение электролита 401 происходит латерально, как показано в предыдущих примерах. Электролит 401 перемещается в слое миграции 1300 до фронта миграции 1302. (Слой миграции, пропитанный электролитом, имеет номер 1301.) Затем электролит вступает в контакт с лежащей ниже пленкой 1400, покрывающей электрод, выполненной из графита, и сквозь нее также с алюминиевой пленкой третьего электрода 1200. Между алюминием и графитом происходит образование локальных гальванических элементов. Гальванические элементы образуются, с одной стороны, между алюминиевой пленкой и частицами графита при посредстве электролита, с другой стороны, частицы графита находятся в электрическом контакте с алюминием. Благодаря разности электродных потенциалов алюминия и графита происходит электрохимическое окисление алюминиевой пленки до фронта окисления 1202, который определен фронтом 1302 миграции электролита. Поскольку при этом алюминий превращается в оксид алюминия, то при рассмотрении устройства снизу отражающий металлический слой больше не виден, а виден черный графитный слой. Здесь третий электрод 1200, имеющий электродный слой покрытия в качестве элемента изображения, может быть использован в индикаторе времени или интеграторе длительности и температурного режима. В этом или следующих воплощениях изобретения слой покрытия электрода 1400 может также состоять из других материалов. Например, это может быть полианилин.
В воплощении изобретения согласно Фиг.10а устройство согласно Фиг.7 модифицировано таким образом, что слой 1300 миграции является более коротким и весь третий электрод 1200 и слой 1400 покрытия электрода не закрыты. Когда электролит проникает в слой 1300 миграции, как иллюстрировано выше, то он вступает в контакт с левым краем слоя 1400 покрытия электрода, а также с нижележащим третьим электродом 1200. Кроме того, без слоя 1300 миграции электролит способен перемещаться по графиту слоя 1400 покрытия электрода, а также оксиду алюминия третьего электрода 1200, образованного посредством химического окисления, и между этими слоями соответственно. Этот эффект может быть также использован в индикаторе времени или интеграторе длительности - температурного режима.
На Фиг.10b устройство согласно Фиг.10а модифицировано таким образом, что слой 1400 покрытия электрода разделен на элементы 1401, встроенные в третий электрод 1200, т.е. они не полностью покрывают третий электрод 1200, а нанесены структурным образом. В результате могут быть созданы островковые структуры или полосочные структуры, размещенные параллельно или поперечно направлению миграции (на Фиг. - слева направо). Кроме того, между поверхностями алюминиевой пленки третьего электрода 1200, покрытой графитом, окисление алюминия продолжается, поскольку локальные электрохимические элементы здесь также эффективно взаимодействуют со слоем графита. В то время как части алюминиевой пленки, покрытые слоем 1401, становятся черными при рассмотрении снизу, однако непокрытые части алюминиевой пленки становятся прозрачными. Этот эффект может быть также использован в качестве элемента оптического изображения в индикаторе времени или интеграторе времени - температуры.
На Фиг.10с изображено устройство, в котором второй электрод и третий электрод объединены в единый электрод 300. Этот электрод также состоит из алюминия и покрыт слоем 1401 покрытия электрода на нескольких участках поверхности. Между композитным покрытием 500 и электродом 301 со слоем 1401 покрытия электрода расположен слой 1300 миграции. Эта система запускается в действие путем замыкания электрода 300 накоротко с первым электродом 200 на их внешних контактах. Вследствие этого композиция материалов между композитным покрытием 500 и алюминием электрода 300 разделяется, как показано выше. Затем электролит проникает в слой 1300 миграции, где происходит окисление алюминиевой пленки электрода 300 и проходит фронт окисления.
На Фиг.11 изображено устройство, имеющее первый электрод 200 и второй электрод 300. Второй электрод 300 находится в контакте с электродом 1500 миграции. Такой электрод миграции образован путем слияния функций слоя электропроводящего полимера (например, полианилина) и слоя миграции (например, поливинилового спирта). Здесь речь идет, например, о композиции «полимер-полимер», полученной из полианилина и поливинилового спирта. Когда электролит из первой реакционной камеры 400 проникает в электрод 1500 миграции после расслоения композиции материалов между вторым электродом и композитным слоем 500, то электролит перемещается в этом электроде миграции, как в слое миграции. Если электрод миграции 1500 электрически соединен с первым электродом 200, то в электроде миграции происходит электрохимическая реакция и возникает электрохромный эффект, который зависит от разности потенциалов между первым электродом и электродом миграции.
Фиг.12 изображает устройство, такое как на Фиг.10. Электрод 1500 миграции, однако, заменен на подсистему 1600. Подсистемы могут представлять собой все те устройства, которые известны из патентной заявки РСТ/ЕР2008/064712. Все основное содержание той заявки может быть включено в эту заявку.
Другое воплощение изобретения является результатом каскадного соединения отдельных устройств, описанных выше.