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深圳大學(xué)田雷/朱才鎮(zhèn)/徐堅(jiān)團(tuán)隊(duì) Macromolecules：高折射率和高阿貝數(shù)功能高分子材料
2023-11-23  來(lái)源：高分子科技

  高折射率聚合物 (HRIPs) 因其重量輕、低成本、易于加工和優(yōu)異的可調(diào)性而被認(rèn)為是傳統(tǒng)硅無(wú)機(jī)材料的潛在替代品。特別是同時(shí)具有高折射率和低色散的聚合物材料，其在光學(xué)材料領(lǐng)域如鏡片、透鏡、圖像傳感器封裝具有巨大應(yīng)用潛力。對(duì)于光學(xué)用聚合物材料，洛倫茨方程給出了聚合物的折射率與其分子結(jié)構(gòu)中各個(gè)參數(shù)的關(guān)系，而阿貝數(shù)也是評(píng)判材料色散程度的關(guān)鍵參數(shù)（阿貝數(shù)越高意味著材料色散程度越低）。然而，傳統(tǒng)光學(xué)聚合物的折射率和阿貝數(shù)具有普遍的權(quán)衡趨勢(shì)：高折射率材料通常導(dǎo)致較低的阿貝數(shù)。因此，有必要設(shè)計(jì)新的聚合物結(jié)構(gòu)以同時(shí)滿足高折射率和高阿貝數(shù)的要求。


  近期，深圳大學(xué)低維材料基因工程研究組徐堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一系列基于降冰片二烯的新型光學(xué)用單體，并進(jìn)一步制備成熱固性HRIPs來(lái)評(píng)估其光學(xué)性能。單體是利用葉立德試劑，降冰片二烯和醛類通過(guò)Wittig反應(yīng)一鍋法制備而成的。單體的制備過(guò)程操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)率高和耗能少，為商業(yè)化大規(guī)模制備奠定了基礎(chǔ)。所制備的光學(xué)用單體既保留了降冰片二烯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)又引入了含硫脂環(huán)，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)整醛的結(jié)構(gòu)來(lái)精細(xì)調(diào)控折射率和阿貝數(shù)。此外，將合成的單體與常規(guī)多硫醇通過(guò)硫醇-烯點(diǎn)擊反應(yīng)制備成HRIPs。該HRIPs表現(xiàn)出令人驚嘆的光學(xué)性能遠(yuǎn)超已報(bào)道的材料，在保持1.60以上的折射率的同時(shí)阿貝數(shù)大于60。所制備的新型HRIPs為光學(xué)材料的進(jìn)一步發(fā)展提供了新思路，有望在將來(lái)實(shí)現(xiàn)高折射率和高阿貝數(shù)的完美平衡。該工作以“High Refractive Index and High Abbe Number Polymer Based on Norbornadiene”為題發(fā)表在《Macromolecules》上。文章第一作者是深圳大學(xué)博士吳劉一順博士，通訊作者為深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院朱才鎮(zhèn)教授和田雷研究員。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。 


圖1 單體分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及聚合物的制備


  所制備的高折射率聚合物具有良好的熱穩(wěn)定性（Tg ＞107°C 和 Td5% ＞200°C）和機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度 ＞ 57 MPa）、優(yōu)異的可見(jiàn)光透過(guò)率（＞ 85%）、可調(diào)的高折射率（n = 1.6055- 1.6274）和極高的阿貝數(shù)（v＞ 59）。基于降冰片二烯的剛性環(huán)結(jié)構(gòu)與含硫雜環(huán)相結(jié)合的DMMD和DEMD單體，可以通過(guò)使用不同結(jié)構(gòu)的多硫醇來(lái)精細(xì)控制HRIPs的熱性能和機(jī)械性能，并且還可以通過(guò)改變分子網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度和軟鏈段來(lái)輕松調(diào)節(jié)Tg。最終可以根據(jù)不同的使用場(chǎng)景得到綜合性能最好的HRIPs材料。 


圖2制備的HRIPs的熱性能和機(jī)械性能


圖3制備的HRIPs的光學(xué)性能及DFT模擬計(jì)算


  研究表明，由新型光學(xué)單體制備的熱固性樹(shù)脂具有優(yōu)異的綜合性能，在光學(xué)尤其是透鏡領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。高度平衡的熱性能和光學(xué)性能是其他聚合物從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的，這表明該聚合物是光學(xué)應(yīng)用（例如透鏡材料）的最佳候選者之一。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c01793

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（責(zé)任編輯：xu）
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