高折射率硫化锌/含硫聚合物纳米复合光学材料

论文摘要

由于高折射率光学材料在诸多光学领域的广泛应用及纳米复合材料的优异性能,使高折射率有机无机纳米复合光学材料成为了研究的热点。其中,厚度大于1mm的高折射率体相纳米复合材料可以应用于光纤和光学透镜等领域。然而,通过设计有机分子来提高有机材料的折射率有受很大限制的,高折射率聚合物通常存在较高的色散和双折射。由于亲水性及高表面能,纳米粒子容易在聚合物基体中发生聚集,随着纳米相含量增加,材料的透明性迅速下降。因此制备透明性良好,折射率较高的有机无机纳米复合体相光学材料是比较困难的。本论文以分子设计原理为基础,从提高有机相折射率,增加无机相含量,提高纳米粒子折射率三个方面进行改进,制备了以硫化锌纳米粒子为纳米相,含硫小分子为纳米粒子表面修饰剂,含硫聚合物为有机相制备了透明高折射率有机无机纳米复合体相、膜层光学材料。我们利用红外光谱仪、元素分析仪、X射线粉末衍射仪和透射电子显微镜对材料的结构进行解析,使用紫外-可见光分光光度计、阿贝折光仪和光雾度仪对光学性能进行测定,利用热失重仪和动态力学分析仪对材料的热学性能及机械性能进行表征,然后从单体结构、聚合物结构及有机无机两相间的相互作用的角度解释了纳米粒子对复合材料性能的影响。本论文的主要工作如下：第一,制备了2,2’-二（4-环硫丙氧基苯基）丙烷（ESDGEBA）/2,2’-二巯基双环硫丙烷乙硫醚（ESGMES）/二亚甲基苯二异氰酸酯（XDI）/甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）/N’N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）/巯基乙醇-硫化锌纳米粒子（ME-ZnS NPs）复合体相光学材料,其折射率随纳米粒子含量在1.5911～1.6410间连续可调。当纳米相含量为30 wt%,材料的折射率为1.6410,铅笔硬度为6H。第二,制备了2,3-环硫丙硫醇（MPS）/XDI/HEMA/DMAA/ME-ZnS NPs纳米复合体相光学材料,其折射率随纳米粒子含量在1.5953～1.6475间连续可调。当纳米相含量为30 wt%,材料的折射率为1.6475,铅笔硬度为6H。第三,制备了以聚氨酯大单体为有机相,苄巯基苯乙烯/苯硫酚-硫化锌纳米粒子为无机相的纳米复合光学薄膜,其折射率随纳米粒子含量在1.60～1.85间连续可调。我们还制备了纳米相含量为20 wt%的苄巯基苯乙烯（TMSt）/DMAA/苯硫酚-硫化锌纳米粒子（TMSt/PhSH-ZnS NPs）复合体相材料,其折射率为1.6495,铅笔硬度为1H。为了提高材料的硬度,制备了纳米相含量为20 wt%的TMSt/XDI/DMAA/TMSt/PhSH-ZnS NPs复合体相材料,其折射率为1.6375,铅笔硬度3H。

论文目录

• 提要
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 高折射率有机/无机纳米复合光学材料的设计
• 1.1.1 高折射率有机基体材料
• 1.1.1.1 有机光学基体材料
• 1.1.1.2 高折射率有机光学材料的分子设计理论基础
• 1.1.1.3 常用高折射率有机光学树脂
• 1.1.2 高折射率有机/无机纳米复合光学材料
• 1.1.2.1 纳米复合光学材料
• 1.1.2.2 高折射率有机/无机纳米复合光学材料
• 1.2 高折射率有机/无机纳米复合光学材料的性能及制备方法
• 1.2.1 高折射率有机/无机纳米复合光学材料的性能
• 1.2.1.1 折射率
• 1.2.1.2 透明性
• 1.2.1.3 热光稳定性
• 1.2.1.4 机械性能
• 1.2.1.5 吸湿性
• 1.2.1.6 耐热性
• 1.2.2 高折射率有机/无机纳米复合光学材料的制备方法
• 1.2.2.1 溶胶凝胶法（Sol-gel route）
• 1.2.2.2 转移分散聚合法（Ex-situ method）
• 1.2.2.3 纳米微粒原位生成法（In-situ method）
• 1.3 高折射率纳米复合光学材料的应用
• 1.3.1 减反射涂层
• 1.3.2 光波导材料
• 1.3.3 高折射率耐磨涂层
• 1.3.4 高折射率LED封装材料
• 1.3.5 光子晶体
• 1.4 本论文设计思路
• 第二章 高折射率ZnS纳米粒子/环硫系聚合物体相纳米复合光学材料
• 2.1 引言
• 2.2 环硫化合物的合成方法
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 实验原料
• 2.3.2 2,2’-二（4-环硫丙氧基苯基）丙烷（ESDGEBA）的合成
• 2.3.3 2,2’-二巯基双环硫丙烷乙硫醚（ESGMES）的合成
• 2.3.4 巯基乙醇包覆的ZnS纳米粒子的合成
• 2.3.5 ZnS/环硫系聚合物纳米复合材料的制备
• 2.3.6 测试方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 环硫化合物的表征
• 2.4.2 ZnS纳米粒子的合成与表征
• 2.4.3 ZnS/环硫系聚合物纳米复合材料的设计与性能
• 2.4.3.1 复合材料中两种环硫单体含量的确定
• 2.4.3.2 复合材料的结构设计与表征
• 2.4.3.3 复合材料的光学透过率
• 2.4.3.4 复合材料的热性能和机械性能
• 2.4.3.5 复合材料的折射率
• 2.5 本章小结
• 第三章 高折射率ZnS纳米粒子/硫醇系聚合物体相纳米复合光学材料
• 3.1 引言
• 3.2 硫醇的制备方法
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 实验原料
• 3.3.2 2,3-环硫丙硫醇（MPS）的合成
• 3.3.3 巯基乙醇包覆的ZnS纳米粒子的合成
• 3.3.4 ZnS/硫醇系聚合物纳米复合材料的制备
• 3.3.5 测试方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 硫醇化合物的表征
• 3.4.2 ZnS/硫醇系聚合物纳米复合材料的设计与性能
• 3.4.2.1 复合材料的结构设计与表征
• 3.4.2.2 复合材料的光学透过率
• 3.4.2.3 复合材料的热性能和机械性能
• 3.4.2.4 复合材料的折射率
• 3.5 本章小结
• 第四章 高折射率ZnS纳米粒子/含硫聚合物纳米复合光学薄膜和体相材料
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 苄巯基苯乙烯（TMSt）的合成
• 4.2.3 双键封端的含硫聚氨酯大单体的合成
• 4.2.4 TMSt/PhSH包覆的ZnS纳米粒子的合成
• 4.2.5 ZnS/含硫聚合物纳米复合薄膜的制备
• 4.2.6 ZnS/含硫聚合物纳米复合体相材料的制备
• 4.2.7 测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 苄巯基苯乙烯（TMSt）的表征
• 4.3.2 双键封端的含硫聚氨酯大单体的表征
• 4.3.3 TMSt/PhSH包覆的ZnS纳米粒子的表征
• 4.3.4 ZnS/含硫聚合物纳米复合薄膜的设计与表征
• 4.3.5 TMSt/PhSH-ZnS/硫醇系聚合物纳米复合体相材料的表征
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢
• 摘要
• Abstract