基本信息
- 項目名稱：
- 聚酰亞胺及其雜化材料的合成、表征和電光性能
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 以BPDA及偶氮苯為單體合成了聚酰亞胺，然后以APTES為偶聯(lián)劑，通過sol-gel技術，與TEOS水解液制備了不同無機含量的雜化材料。對材料進行FT-IR、DSC、TGA、SEM、TEM和XRD分析測試，熱分析結果表明所得材料具有較好的熱穩(wěn)定性。聚合物膜在832nm處具有較高的電光系數(shù)，且電光系數(shù)的衰減較慢，保持在其初始值的83%以上，表明雜化材料在電光裝置中具有潛在的應用價值。
- 詳細介紹：
- 非線性光學即為強光光學，非線性光學效應的產生是電磁場和介質中帶電粒子相互作用的結果，在強激光的作用下，一些非線性現(xiàn)象如二次項作用產生的倍頻光、三次項作用產生的三倍頻光等，都可實際觀測，這些與強光有關的光學效應，稱為非線性光學效應。 常見的非線性光學材料有多種，可按結構分為無機非線性材料、聚合物非線性材料等。無機材料的研究主要有：KDP型晶體、KTP 型晶體、鐵電型晶體、硼酸鹽晶體和半導體材料，這些無機材料具有熱穩(wěn)定性好，光學透明及機械性能良好等特點，但無機材料存在一系列不足之處：價格昂貴、脆性較大、各自存在性能缺陷，而且難以與制造光纖和其它半導體器件的材料相組合，限制了這些無機材料的應用。聚合物非線性光學材料有：主客體型、側鏈型、主鏈型、交鏈型及互穿網絡聚合物等。聚合物的電光響應速度可達到納秒（10-9s）甚至飛秒（10-15s）級，大大提高了通信效率；聚合物的傳輸損耗較小；聚合物的加工性能優(yōu)越，可制成各種不同形狀的器件。但在實際應用中存在的缺點是：光損耗大，熱穩(wěn)定性差，即壽命短，極大地限制了在光學器件方面的應用。 根據(jù)有機材料和無機材料的優(yōu)缺點，把兩者結合起來得到的雜化材料的應用前景一定是相當光明的，雜化材料可兼具無機材料和有機材料的特征和性質，因而雜化材料成為非線性光學材料材料研究的熱點。本課題利用溶膠-凝膠技術制備含生色分子的聚酰亞胺與二氧化硅的雜化材料，通過物理方法對制備的雜化材料進行結構、形貌表征及電光性能的測試。 將對硝基苯胺和亞硝酸鈉混合，然后將其倒入濃鹽酸和碎冰中，低溫重氮化后形成重氮鹽；將苯胺鹽酸鹽的水溶液慢慢滴加到上述重氮鹽溶液中，進行偶合反應，得到紅色粉末4-(4′-硝基苯基-偶氮基)苯胺。將上述紅色粉末4-(4′-硝基苯基-偶氮基)苯胺用亞硝酸鈉和鹽酸繼續(xù)重氮化，然后與將苯二胺偶合，得到最終的生色分子2,4-二氨基-4’-（4-硝基苯基偶氮基）偶氮苯，通過元素分析和1HNMR表征了其結構。 將2,4-二氨基-4’-[（4-硝基苯基-偶氮基]偶氮苯溶解DMF中，加入3,3’,4,4’–聯(lián)苯四甲酸二酐，在氮氣保護下室溫反應8h，然后加入2: 1 乙酸和吡啶的混合溶液，繼續(xù)反應6h，加熱到90 °C再反應3h，反應完畢純化得到含生色分子的聚酰亞胺(PI)。 含生色分子的聚酰亞胺(PI)溶于DMF中，加入偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，攪拌3h。加入由正硅酸乙酯（TEOS）、蒸餾水、HCl、THF形成的水解液。室溫下進行溶膠-凝膠反應4h，用塑料封口膜封口，扎幾個針孔，使其緩慢揮發(fā)溶劑，然后置于真空烘箱中在110℃下干燥，得到聚酰亞胺/二氧化硅雜化材料。 對材料進行FT-IR、DSC、TGA、SEM、TEM和XRD分析測試，F(xiàn)T-IR證實了雜化材料中形成有機-無機互穿網絡結構；SEM和TEM表征了雜化材料的形貌和其中無機離子的大小，為納米粒子；XRD表征了無機粒子為非晶態(tài)結構。DSC和TGA測定了材料的熱穩(wěn)定性，材料的玻璃化轉變溫度和熱分解溫度分別在232-365 °C和335-475 °C，雜化材料的熱穩(wěn)定性明顯高于純聚合物，在832 nm波長處測得材料的光電系數(shù)(19–34 pm/V)，且材料的電光系數(shù)的衰減速率較緩慢，基本保持在其初始值的83%以上。 以BPDA及2,4-二氨基-4’-（4-硝基苯基偶氮基）偶氮苯為單體合成了聚酰亞胺，然后以APTES為偶聯(lián)劑，通過sol-gel技術，與TEOS水解液制備雜化材料。對材料進行FT-IR、DSC、TGA、SEM、TEM和XRD分析測試，熱分析結果表明：Tg和分解溫度分別在232-365℃和335-475℃范圍內，結果表明所得材料具有較好的熱穩(wěn)定性。測定了聚合物膜在832nm處的光電系數(shù)，其值為19-34 pm/V，且材料的電光系數(shù)的衰減速率較慢，保持在其初始值的83%以上，表明雜化材料在電光裝置中具有潛在的應用價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：根據(jù)無機材料和聚合物的優(yōu)勢和互補，設計合成兼?zhèn)溆袡C材料的高NLO活性和無機材料的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良光學特性的有機/無機雜化材料，是目前的研究熱點和發(fā)展趨勢。 基本思路：采用sol-gel技術制備雜化材料，對材料進行FT-IR、DSC、TGA、SEM、TEM和XRD分析測試，采用ATR技術研究材料的電光性能。
科學性、先進性及獨特之處
- 科學性：本作品根據(jù)無機材料和有機聚合物在光器件應用中的優(yōu)缺點，采用溶膠-凝膠技術，制備熱穩(wěn)定性高的聚酰亞胺有機/無機納米雜化材料，研究了電光性能。 先進性：本作品合成的雜化材料，熱穩(wěn)定性明顯高于純聚合物，具有較高的電光系數(shù)，衰減速率緩慢，具有潛在的應用前景。 獨特之處： 1.選用含芳香環(huán)的剛性分子結合到材料中； 2. 選用熱分解溫度高的聚酰亞胺作為基體。3.合成鍵合型電光材料。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 雜化材料的熱穩(wěn)定性明顯高于純聚合物，在832 nm波長處材料具有較高的電光系數(shù)，且材料的電光系數(shù)的衰減速率較緩慢，基本保持在其初始值的83%以上，材料具有潛在的應用前景。
學術論文摘要
- 本作品合成了含硝基偶氮苯結構的生色分子，采用溶膠-凝膠 (sol-gel) 技術，制備了熱穩(wěn)定性高的聚酰亞胺有機/無機雜化材料，這些材料中具有網狀結構并且無機粒子以納米尺寸均勻分散在聚合物母體當中；材料的玻璃化轉變溫度和熱分解溫度分別在232-365°C和335-475°C，雜化材料的熱穩(wěn)定性明顯高于純聚合物，在832nm波長處材料具有較高的電光系數(shù)，且材料的電光系數(shù)的衰減速率較緩慢，基本保持在其初始值的83%以上，材料具有潛在的應用前景。
獲獎情況
- 2010年8月1-4日，作品參加了在昆明舉行的2010 International Conference on Optical, Electronic and Electrical Materials (OEEM2010)國際會議 已發(fā)表在Materials Science Forum , 2011, 663-665: 808-811（EI收錄）
鑒定結果
- 無
參考文獻
- 1.Samyn Celest, Verbiest Thierry, Persoons André, et al. Second-order non-linear optical polymers [J]. Macromol. Rapid Commun. 2000, 21(1): 1-15 2.Kim HK, Kang SJ, Choi SK, et al. Highly efficient organic/inorganic hybrid nonlinear optic materials via sol–gel process: synthesis, optical properties, and photobleaching for channel waveguides [J]. Chem. Mater.1999, 11(3) :779-788 3.Chris J. Hybrid inorganic–organic materials based on a 6FDA–6FPDA–DABA polyimide and silica: physical characterization studies [J].Polym. 2002, 43(8): 2385- 2400 4.Chang HSW, Chiou CC, Chen YW, et al. Synthesis, characterization, and magnetic properties of Fe3O4 thin films prepared via a sol–gel method[J]. J. Solid State Chem. 1997, 128 (1): 87-92 5.Que WX, Hu X. Sol–gel derived titania/γ-glycidoxyp-ropyltrimethoxys- ilaneand methyltri methoxysilane hybrid materials for optical waveguides [J]. J. Sol–Gel Sci. Technol. 2003, 28(1): 319-325.
同類課題研究水平概述
- 實際應用中，高效的電光調制器需要基于材料的高度非線性光學性能，至今非線性光學材料已有廣泛研究，如無機材料，金屬有機化合物，液晶材料，有機聚合物材料等。近三十年來，實用的二階非線性光學材料一直以無機晶體為主，具有熱穩(wěn)定性好及機械性能良好等特點，但這些無機晶體存在一系列不足之處：價格昂貴、脆性較大，而且難以與制造光纖和其它半導體器件的材料相組合，因而，更多的研究人員一直在探索有機和聚合物材料的非線性光學效應。研究表明，聚合物的結構多樣，人們可以根據(jù)具體器件的性能要求進行分子設計；具有高非線性光學（NLO）活性、聚合物的電光響應速度可達到納秒甚至飛秒級，大大提高了通信效率；聚合物的傳輸損耗較?。痪酆衔锏募庸ば阅軆?yōu)越，可制成各種不同形狀的器件，等等。例如，聚酰亞胺(PI)因具有低介電性(顯著降低光電器件的開關能量)、高機械性、實際應用中耐熱等級最高及能與現(xiàn)有的微電子平面工藝兼容、價格便宜等諸多優(yōu)點；同時也可進行高速調制、易于制備及加工成型，所以在高溫下被廣泛應用于宇航和微電子工業(yè)，成為非線性光學材料的最有希望的候選材料，但在實際應用中存在的缺點是：光損耗大，熱穩(wěn)定性差，即壽命短，極大地限制了在光學器件方面的應用，而這些缺點卻正是無機材料的優(yōu)勢所在，因此，設計合成兼?zhèn)溆袡C材料的高NLO活性和無機材料的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良光學特性的有機/無機雜化材料。 在現(xiàn)有文獻中，例如有采用溶膠-凝膠法研究聚酰亞胺有機/無機雜化材料的電光性能，非線性雜化材料的γ33值為15-22pm/V；有以分散橙-3與γ-縮水甘油氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)反應得到的功能性生色團ASD為前體，采用溶膠-凝膠法使ASD與鈦酸四正丁酯在酸性條件下共水解縮合，合成有機生色團/SiO2-TiO2雜化材料，由一維剛性取向氣體模型計算雜化材料膜的二階非線性光學 （NLO）系數(shù)χ（2）為1.43×10-7esu。本作品采用溶膠-凝膠 (sol-gel) 技術，制備了熱穩(wěn)定性高的聚酰亞胺有機/無機雜化材料，無機粒子均勻分散在聚合物母體當中，熱穩(wěn)定性明顯高于純聚合物，具有較高的電光系數(shù)，且電光系數(shù)衰減緩慢。
