结构有序聚合物复合材料的激光全息加工、结构与性能

摘要

聚合物材料的性能提升和功能多样化是当前高分子科学领域的重要研究课题。通过对光聚合物基复合体系进行激光全息加工，制备结构有序聚合物复合材料，是实现聚合物材料性能提升和功能多样化的有效手段。如何精确控制复合材料的微观有序结构，是激光全息加工的难点。因此，需要对结构有序聚合物复合材料在激光全息加工成型中的扩散及相分离行为加深理解，发展性能更优、功能更全面的结构有序聚合物复合材料。
　　本文采用可光聚合单体、光引发阻聚剂和光惰性物质组成了不同光聚合物基复合体系。按照扩散及相分离模型从简单到复杂、材料的功能性从单一到多样的顺序，分别研究了光聚合物/硫化锌纳米粒子复合体系、光聚合物/液晶/硫化锌纳米粒子复合体系和光聚合物/离子液体复合体系。通过对复合体系进行激光全息加工，制备了三种结构有序聚合物复合材料。探讨了复合体系在激光全息加工过程中的扩散及相分离行为对复合材料微观结构的影响，研究了复合材料结构与性能之间的关系。
　　首先研究了光聚合物/硫化锌纳米粒子复合体系。采用一锅法合成了表面巯基乙醇修饰、平均粒径约为5nm的硫化锌纳米粒子，以可光聚合单体、光引发阻聚剂和硫化锌纳米粒子制备了全息混合液。对该全息混合液进行激光全息加工，制得了结构有序聚合物/硫化锌纳米粒子复合材料。研究了光引发阻聚剂的组成、硫化锌纳米粒子含量和激光全息加工光强对复合材料性能的影响规律，制得了衍射效率达93.6％、折射率调制度高达0.0266的结构有序聚合物/硫化锌纳米粒子复合材料。为理解结构有序聚合物/无机纳米粒子复合材料的成型过程，从菲克第二扩散定律出发，推导并验证了激光全息加工后无机纳米粒子的相分离程度与体系黏度和凝胶时间的函数关系。以光聚合物/硫化锌纳米粒子复合体系为存储介质，通过母版全息技术实现了裸眼3D全息图像存储与重现，有望在高端广告、全息防伪等领域得到应用。
　　其次，研究了光聚合物/液晶/硫化锌纳米粒子三元复合体系。通过向光聚合物/液晶复合体系中引入N,N-二甲基丙烯酰胺单体，优化了光引发阻聚剂在复合体系中的溶解工艺。研究了N,N-二甲基丙烯酰胺单体对结构有序聚合物/液晶复合材料的微观形貌和性能的影响，制得了衍射效率高达98.2%且微观形貌规整的结构有序聚合物/液晶复合材料。在此基础上，向光聚合物/液晶复合体系中引入硫化锌纳米粒子，在不影响高衍射效率和不破坏微观结构规整性的前提下，将结构有序聚合物/液晶复合材料的电光响应阈值电压从11.6V/μm降低至2.5V/μm。进一步地，探讨了光聚合物/液晶/硫化锌纳米粒子三元复合体系在激光全息加工中的扩散过程，明确了巯基乙醇修饰的硫化锌纳米粒子在激光全息加工后主要分布于富聚合物区而非富液晶区。
　　最后，研究了光聚合物/离子液体复合体系。通过激光全息加工技术，制备了结构有序聚合物/离子液体复合材料，该复合材料既可用作高性能全息光栅，也可作为具有导电各向异性的聚电解质材料。研究了不同单体体系对结构有序聚合物/离子液体复合材料微观形貌的影响规律，并探讨了复合材料微观结构与性能之间的关系。结果表明，使用丙烯酸2-乙基己酯、N-乙烯基吡咯烷酮和超支化聚酯丙烯酸酯为混合单体时，所制备的结构有序聚合物/离子液体复合材料具有较为规整的微观形貌和较强的导电各向异性（导电各向异性比可达2.7）。相比之下，使用丙烯酸2-乙基己酯、N-乙烯基吡咯烷酮、二甲基丙烯酸乙二醇酯和季戊四醇四丙烯酸酯为混合单体时，结构有序聚合物/离子液体复合材料具有较高的衍射效率和折射率调制度（分别达95.2%和0.0190），但富聚合物区呈现疏松多孔的结构，导致导电各向异性比不高。

目录

声明

1 绪 论

1.1结构有序聚合物复合材料简介

1.2激光全息技术简介

1.3激光全息加工结构有序聚合物复合材料

1.4论文的选题意义、研究内容以及创新点

1.5参考文献

2 结构有序聚合物/硫化锌纳米粒子复合材料

2.1前言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

2.5参考文献

3 结构有序聚合物/液晶/硫化锌纳米粒子复合材料

3.1前言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

3.5参考文献

4 结构有序聚合物/离子液体复合材料

4.1前言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

4.5参考文献

5 全文总结

致谢

附录Ⅰ攻读博士学位期间已发表和待发表论文目录

附录Ⅱ攻读博士学位期间参加的科研项目