含有高可见发光效率的CdTe纳米晶透明聚合物体相材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种含有高发光效率ＣｄＴｅ半导体纳米晶的透明聚合物体相材料的制备方法，包括制备水溶性ＣｄＴｅ半导体纳米晶、可聚合表面活性剂、纳米晶的相转移及加入引发剂进行本体聚合等三个步骤。水溶性ＣｄＴｅ半导体纳米晶可以通过胶体化学方法制取，回流时间从０．５小时到３天；半导体纳米晶的相转移通过加入油溶性可聚合阳离子表面活性剂实现，可聚合表面活性剂与ＣｄＴｅ水溶胶的比例为１－５毫克／１毫升；引发剂为单体的０．１ｗｔ％－０．３ｗｔ％，本体聚合温度为５５－１３０℃，反应时间为２０－３０小时。本发明专利技术是一种将半导体纳米晶引入聚合物体相材料的新方法，可实现功能纳米微粒的体相化和聚合物结构材料的功能化。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无机微粒与聚合物材料的复合与杂化反应方法，特别是涉及一种由长链可聚合表面活性剂对水溶性CdTe半导体纳米晶表面改性、加入有机单体、引发剂等原位进行本体聚合，制备含有高发光效率CdTe半导体纳米晶的透明聚合物的体相材料方法。
技术介绍
由于存在量子尺寸效应，半导体纳米晶的光致发光、电致发光颜色强烈依靠微粒尺寸。对于CdTe纳米晶而言，当微粒直径从2.5nm增加到4.0nm时，其发光颜色从绿光变化到红光。另外，与其它方法合成的纳米晶相比，水相中用巯基稳定剂直接合成的纳米晶具有成本低、毒性小、重复性好、易操作等优点。作为一种新型材料，具有高发光效率的半导体纳米晶可以用在发光二极管、激光器、生物荧光标记、防伪标志等领域。要实现发光纳米晶实用化，必须将纳米晶从胶体溶液转移到惰性介质中，从而提高纳米晶的稳定性及可加工性。将纳米晶固定在聚合物材料中，是一条可行路线，但如何提高纳米晶/聚合物间的相容性是这一方法的关键问题。如果解决的不好，纳米复合材料会发生相分离，导致材料不透明、发光效率下降。以往方法是将油相中制备好的纳米晶，分散到含5％高沸点溶剂的特殊结构单体(甲基丙烯酸月桂醇酯)中，引发聚合(Adv.Mater.，2000，12，333～337，full color emissionfrom II-VI semiconductor quantum dot-polymer composites)。此方法缺点有二第一，由于溶剂的存在，所得材料硬度低，稳定性差；第二，特殊结构的单体合成复杂，成本高。纳米功能微粒的体相化是纳米材料付诸应用的关键，由于大多数聚合物和可聚合单体都是油溶性的，将水溶性半导体纳米晶复合在聚合物体相材料中始终是一没有解决的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种制备方法从水溶性高发光效率半导体纳米晶出发，经长链可聚合表面活性剂修饰，从水相转移到单体油相，经自由基引发聚合最后获得高效发光的无机半导体/有机聚合物透明纳米复合材料。其关键在于可聚合表面活性剂包覆水溶性纳米晶实现水相向油相的转移。本专利技术包括以下步骤1，制备水溶性CdTe半导体纳米晶；2，可聚合表面活性剂的合成；3，纳米晶的相转移及本体聚合。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的本专利技术采用胶体化学方法在水溶液中制备CdTe半导体纳米晶，纳米晶的发光颜色通过对胶体溶液的回流时间加以控制，以利于下一步构造不同发光颜色的聚合物材料；可聚合表面活性剂有多种合成路线，其基本结构应兼有油溶性和可聚合基团；经表面修饰后的纳米晶可以先转移到常见有机溶剂中，蒸干得到油溶性粉末，也可以直接转移到聚合物单体中；在CdTe纳米晶单体溶液中加入引发剂，进行本体聚合，聚合产物为典型的本体聚合产物，外观透明，易于进行机械加工。上述水溶性CdTe纳米晶合成阶段所用原料为镉盐，离子型碲源，巯基羧酸。镉盐可以是CdCl2，Cd(ClO4)2等；离子型碲源可以是H2Te，NaHTe等；巯基羧酸可以是巯基乙酸，巯基丙酸，胱氨酸等。以原料CdCl2，NaHTe，巯基丙酸为例，一般采用一次投料形成CdCl2和巯基丙酸的水溶液，pH值用NaOH和HCl调到中性或弱碱性，在N2气保护下将通过Te粉和NaBH4反应制备的NaHTe加入到CdCl2和巯基丙酸混合溶液中。CdCl2的浓度控制在3.0×10-2N到1.0×10-3N之间，CdCl2，NaHTe，巯基丙酸的比例为1∶0.5∶2.4。将新制的胶体溶液在100℃下回流一段时间(0.5小时到2天)，控制纳米晶的粒径，随着回流时间的延长，粒径不断增长，不同阶段取样，得到从绿光到红光的所有样品。可聚合表面活性剂为带有季铵盐头、一条十八个碳以上长度的烷基链、至少一个苯乙烯基团的阳离子表面活性剂。带正电荷的季铵盐用来与带负电的CdTe纳米晶表面作用，长的烷基链用来提高油溶性，苯乙烯基团用来与单体溶剂聚合。本专利技术所使用的可聚合表面活性剂为十八烷基二甲基卞基苯乙烯氯化铵，通过N，N-二甲基十八烷基铵和4-卞基氯苯乙烯反应制备。相转移阶段，油相可以是甲苯、氯仿、苯乙烯等常见有机溶剂，最佳有机溶剂∶水的比为1∶2-1∶3之间。可聚合表面活性剂与CdTe水溶胶的比例应大于或等于1毫克表面活性剂/1毫升水溶胶(但不超过5毫克/毫升)。本体聚合反应阶段所用单体可以是苯乙烯、亦可以是苯乙烯单体与甲基丙烯酸酯类单体的混合物；CdTe纳米晶经可聚合表面活性剂包覆后转移到各种单体溶液中，引发聚合形成体相发光材料。此种转移即可以是直接的萃取，也可以是先得到粉末再溶解。CdTe纳米晶加入量不超过反应体系总量的20 wt％，引发剂一般可是BPO、AIBN或其他油溶性的引发剂，用量是反应总量的0.1 wt％-0.3wt％；本体聚合温度一般是55-130℃，一般过程是低温预聚后，再缓慢升温，防止暴聚，需要时间是20-30小时。停止反应后，得到外观透明、发光颜色从绿光到红光的一系列含有CdTe纳米晶的聚合物体相材料。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的阐述，而不是要以此对本专利技术进行限制。在1000ml反应体系中加入1.25×10-3M的CdCl2和3×10-3M的巯基丙酸，用NaOH将pH调到9.0，并通N2气保护；在搅拌条件下加入0.625ml 1N NaHTe水溶液；CdCl2，NaHTe，巯基丙酸的摩尔比率为1∶0.5∶2.4。将新制备的CdTe水溶胶在100℃回流，各种发光颜色CdTe纳米晶出料时间与性能参数如表1所示。表1出料时间与性能参数表 2可聚合表面活性剂十八烷基二甲基卞基苯乙烯氯化铵(OVDAC)的合成将4.2ml N，N-二甲基十八烷基铵，和1.87g 4-卞基氯苯乙烯溶解在5ml丙酮中，40℃加热两小时，产物冷却后，用丙酮洗去未反应物，真空干燥。3CdTe纳米晶的相转移及本体聚合取具有绿色荧光的CdTe纳米晶胶体溶液30ml，加入30mg十八烷基二甲基卞基苯乙烯氯化铵，用10ml苯乙烯萃取20min，取出苯乙烯相；用无水MgSO4简单干燥后，加入0.3％重量比的引发剂AIBN。采用封管聚合制备体相材料将苯乙烯相置于试管中，封口；将反应体系置于液氮中，使苯乙烯相凝固；抽掉反应体系内的气体，重新封闭体系；苯乙烯相用水浴融化，自然释放苯乙烯内残留气体；重复上述过程3-5次，充分清除体系内的气体。70℃油浴24小时，使苯乙烯相聚合，然后120℃恒温2-4小时，使单体充分聚合，得到透明CdTe纳米晶/聚苯乙烯复合材料。纳米复合材料的量子效率如表1所示。取具有橙色荧光的CdTe纳米晶胶体溶液30ml，加入30mg十八烷基二甲基卞基苯乙烯氯化铵，用10ml苯乙烯萃取20min，取出苯乙烯相；用无水MgSO4简单干燥后，加入0.3％重量比的引发剂AIBN。采用封管聚合制备体相材料将苯乙烯相置于试管中，封口；将反应体系置于液氮中，使苯乙烯相凝固；抽掉反应体系内的气体，重新封闭体系；苯乙烯相用水浴融化，自然释放苯乙烯内残留气体；重复上述过程3-5次，充分清除体系内的气体。70℃油浴24小时，使苯乙烯相聚合，然后120℃恒温2-4小时，使单体充分聚合，得到透明CdTe纳米晶/聚苯乙烯复合材料。纳米复合材料的量子效率如表1所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有ＣｄＴｅ纳米晶透明聚合物体相材料的制备方法，包括制备水溶性ＣｄＴｅ半导体纳米晶、可聚合表面活性剂的合成、纳米晶的相转移及本体聚合三个步骤，其特征在于：（１）ＣｄＴｅ纳米晶合成原料为镉盐、离子型碲源、巯基羧酸，在镉盐和巯基羧酸的水 溶液，用ＮａＯＨ和ＨＣｌ调到中性或弱碱性，在Ｎ↓［２］气保护下将通过Ｔｅ粉和ＮａＢＨ↓［４］反应制备的ＮａＨＴｅ加入到镉盐和巯基羧酸的水溶液中，镉盐的浓度为３．０×１０↑［－２］Ｎ－１．０×１０↑［－３］Ｎ，镉盐、离子型碲源、巯基羧酸的比例为１∶０．５∶２，胶体溶液在１００℃下回流０．５小时到２天，得发光颜色从绿光到红光的纳米晶水溶胶；（２）可聚合表面活性剂为带有季铵盐头、一条十八个碳以上长度的烷基链、至少一个苯乙烯基团的阳离子表面活性剂，由符合要求的烷基铵和含苯乙烯基团 的化合物通过常规方法制备；（３）纳米晶相转移的有机溶剂：水为１∶２－３，可聚合表面活性剂与ＣｄＴｅ水溶胶的比例为１－５毫克／毫升，相转移与单体进行本体聚合反应，ＣｄＴｅ纳米晶加入量不超过反应体系总量的２０ｗｔ％，所用引发剂用量是反应体系 总量的０．１ｗｔ％－０．３ｗｔ％，在５５－１３０℃下聚合２０－３０小时。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张皓，杨柏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]