新型高折射材料及其杂化薄膜制备与性质研究

摘要

本文采用在氩气氛条件下高温裂解芳香烃G的方法，成功制备了富含多种高碳富勒烯的烟炱，用9:1的甲苯/无水乙醇混合溶剂对其进行索式萃取，再用无水乙醇分步沉析法提取分离出主要成分为高碳富勒烯的新型高折射材料(NMHR)。首先，通过采用飞行时间质谱、高效液相色谱、傅里叶变换红外光谱、XRD、紫外可见光谱、荧光光谱及热重等多种技术对其性质进行表征，考察了不同溶剂以及不同有机胺的添加对新型高折射材料(NMHR)的电荷转移特性的影响；其次，采用溶液掺杂法制备了NMHR]聚苯乙烯杂化薄膜，并利用包络法对杂化薄膜的折射率进行探讨，考察了NMHR/聚苯乙烯杂化薄膜中NMHR含量及波长对杂化薄膜折射率的影响。具有高折射的NMHR及其杂化薄膜在红外探测或遥感等方面可能有一定的应用潜力。 1.针对目前高碳富勒烯制备量较少、难以分离提纯的问题，本文利用在氩气氛条件下高温裂解芳香烃G的方法，成功地制备了含高碳富勒烯的烟炱，并研究了不同温度，不同加料速度，不同载气流速对产物产率的影响，并得出最佳的实验条件：温度为1150。C，加料速度为0.215 g·min-1，载气流速为500 ml/min。用9:1的甲苯/无水乙醇混合溶剂对烟炱进行索式萃取，再用无水乙醇分步沉析法进行分离与提纯，得到主要成分为高碳富勒烯的析出物，结合第5章的折射率数据，将析出物命名为新型高折射材料(NMHR)；通过对烟炱中NMHR的含量测定可知，MHR的含量为0.86％。 2.利用飞行时间质谱、热重、X-射线衍射(XRD)和傅立叶红外光谱(FT-IR)，紫外可见光谱，荧光光谱等技术对NMHR性质进行表征。TG分析表明，在空气气氛下，NMHR从363.9。C开始失重，而C60从459.9。C才开始氧化生成CO和CO2，说明NMHR的热稳定性不如C60；在氩气气氛下，NMHR失重40.27％，而C60失重80.99％：XRD结果显示NMHR在25.19°和48.25°出现两个衍射峰；红外光谱分析表明，NMHR在1711.0cm-1，1635.2 cm-1，1436.9cm-1，1277.2cm-1，899.4 cm-1，837.2cm-1，755.7 cm-1。出现吸收峰，且呈现出远比C60弱的多的吸收峰，最大透射率竟高达97.1％，因此NMHR将有望成为一种优良的高透红外材料，应用在红外透镜、棱镜、窗口等元件和红外监控器、探测器、成像仪等方面；紫外可见光谱分析表明，在有机溶剂中，NMHR的吸光度随溶液浓度的增大呈现递增状态，在甲苯溶液中，NMHR在268nm，284nm，348nm出现吸收峰，其中最大吸收峰在284nm，在正己烷溶液中，NMHR在210nm,343 nm出现吸收峰，其中最大吸收峰在210nm，在乙酸中NMHR的最大吸收峰在253 nm，在环己烷中NMHR的最大吸收峰在217nm，在四氯化碳中NMHR的最大吸收峰在262nm。通过比较发现，在不同溶剂中，NMHR受溶剂分子作用的影响，其吸收峰峰位会发生改变，在甲苯，乙酸，四氯化碳中均发生红移；荧光光谱也表明溶剂作用对其荧光发射峰也会产生一定程度的影响。 3.通过研究在不同溶剂中不同配体与NMHR形成的电荷转移配合物的紫外可见光谱变化。结果发现，在甲苯和四氯化碳中，添加苯胺只改变NMHR的吸收强度，而在正己烷和环己烷中，出现两个新峰；在甲苯和四氯化碳中，添加二乙胺只改变NMHR的吸收强度，而在正己烷和环己烷中，NMHR的吸收峰出现蓝移；添加对硝基苯胺，在甲苯溶液中，NMHR在342nm产生一个新峰，在正己烷溶液中，NMHR在320nm产生一个新峰，在环己烷溶液中，NMHR在322 nm产生一个新峰，在四氯化碳溶液中，NMHR在331nm产生一个新峰。因此表明溶剂对NMHR与有机胺形成CTC的吸收行为影响较大。 同时，利用Benesi-Hilderbrand公式计算电荷转移配合物形成常数，结果表明： (1)对于同一配体，无论是芳胺(苯胺，对硝基苯胺)还是脂肪胺(二乙胺)，在所选四种溶剂中，与NMHR发生电荷转移作用的程度存在如下顺序：环己烷>正己烷>甲苯>四氯化碳； (2)对于同一溶剂，随给电子配体的不同，与NMHR作用的程度有如下顺序：苯胺>对硝基苯胺>二乙胺； (3)在同一溶剂中，NMHR与同一配体发生的电荷转移作用程度均大于C60。 4.通过溶液掺杂法制备了NMHR/聚苯乙烯杂化薄膜，改变NMHR/聚苯乙烯重量百分比，得到一系列的杂化薄膜，并通过傅立叶红外光谱仪、XRD衍射仪等对其进行表征。红外分析结果表明，随着不同比例的NMHR掺入，聚苯乙烯的1592.9 cm-1左右处苯环的-C=C-的伸展振动吸收峰和690.4 cm-1，3031.6 cm-1左右处苯环上的C-H伸缩振动吸收峰先是逐渐增强，重量比为1.4％时，即4＃，达到最大值，此后再增加NMHR的比例反而会使吸收峰减弱。此外，在1945.9 cm-1左右和541.9 cm-1处出现了新峰，表明杂化薄膜中NMHR与聚苯乙烯发生了电荷转移作用，改变了薄膜的极性与共轭程度。XRD结果表明，杂化薄膜在20.0°和49.9°有衍射峰，但衍射峰均是宽且弱，表明杂化薄膜是非晶态。利用包络法计算了NMHR/聚苯乙烯杂化薄膜的折射率，研究了波长和NMHR/聚苯乙烯杂化薄膜中NMHR的含量对其折射率的影响，结果发现： (1)NMHR的含量对聚苯乙烯薄膜的折射率有较大影响，改变NMHR含量，可以制备不同折射率的杂化薄膜，杂化薄膜的折射率随着NMHR/聚苯乙烯比例的增大呈现先增大后减小的趋势，但较空白的聚苯乙烯薄膜均有不同程度的提高，当NMHR/聚苯乙烯重量比为1.4％时，折射率达到最大值，为1.8342。 (2)一定含量的NMHR/聚苯乙烯杂化薄膜的折射率随着波长的改变而不断发生变化，呈现出先增大再减小的趋势，且当波长为630nm时杂化薄膜的折射率达到最大。

目录

声明

摘要

中文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2富勒烯的化学性质

1.2.1氢化反应

1.2.2氧化反应

1.2.3光敏化反应

1.2.4卤化反应

1.2.5亲核加成反应

1.2.6自由基反应

1.2.7环加成反应

1.2.8富勒烯与高分子聚合物的反应

1.2.9金属富勒烯的合成

1.3富勒烯的制备方法

1.3.1电阻加热法和电弧法

1.3.2 CVD法

1.3.3其它制备方法

1.4富勒烯的提取、分离与提纯

1.4.1富勒烯的提取

1.4.2富勒烯的分离和纯化

1.5高碳富勒烯的结构及其性质研究

1.5.1 C80

1.5.2 C82

1.5.3 C84

1.5.4 C86

1.5.5 C88，C90，C94，C98，C100

1.6富勒烯的应用

1.6.1超导体

1.6.2光学材料

1.6.3电学材料

1.6.4磁材料

1.6.5生物医学工程

1.6.6催化剂

1.6.7其它应用

1.7本论文研究思路

1.8本论文的创新点

第2章热解法制备新型高折射材料(NMHR)的探索

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验原料与试剂

2.2.2实验仪器

2.2.3实验方法

2.2.4表征方法

2.3结果与讨论

2.3.1质谱研究

2.3.2不同条件下烟炱得率情况

2.3.3烟炱中NMHR含量的测定

2.4结论

第3章新型高折射材料(NMHR)的表征

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1原料与试剂

3.2.2表征方法

3.2.3样品制备

3.3结果与讨论

3.3.1高效液相色谱分析

3.3.2傅立叶红外光谱分析

3.3.3热重分析

3.3.4 X射线粉末衍射分析

3.3.5紫外-可见光谱分析

3.3.6荧光光谱分析

3.4结论

第4章新型高折射材料与有机胺电荷转移特性研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1原料与试剂

4.2.2表征方法

4.2.3样品制备

4.3结果与讨论

4.3.1添加苯胺的紫外可见光谱分析

4.3.2添加二乙胺的紫外可见光谱分析

4.3.3添加对硝基苯胺的紫外可见光谱分析

4.3.4在不同溶剂中添加有机胺的荧光光谱分析

4.4结论

第5章新型高折射材料/PS杂化薄膜折射率研究

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1原料与试剂

5.2.2表征方法

5.2.3制备方法

5.3结果与讨论

5.3.1杂化薄膜红外光谱分析

5.3.2杂化薄膜XRD分析

5.3.3NMHR/PS杂化薄膜中NMHR的含量对折射率的影响

5.3.4波长对杂化薄膜折射率的影响

5.4结论

结论

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历